謝芳芳（湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系，湖南長(zhǎng)沙410208）

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電力系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式的教學(xué)探索

謝芳芳
（湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系，湖南長(zhǎng)沙410208）

摘 要：“電力系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式”是高職院校電氣自動(dòng)化技術(shù)專業(yè)供配電技術(shù)課程的教學(xué)難點(diǎn)。為提高教學(xué)效果，從中性點(diǎn)概念、接地方式分類、比較教學(xué)法、MATLAB／SIMULINK仿真等4個(gè)方面對(duì)此進(jìn)行教學(xué)探索。實(shí)踐表明，這些教學(xué)措施能使學(xué)生有效地理解和掌握基本知識(shí)與技能，為從事供配電系統(tǒng)的安裝、調(diào)試、運(yùn)行與維護(hù)等工作打下良好基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)；中性點(diǎn)接地方式；比較教學(xué)；MATLAB／SIMULINK

高職院校電氣自動(dòng)化技術(shù)專業(yè)的就業(yè)方向之一是在企業(yè)從事供配電系統(tǒng)的安裝、調(diào)試、運(yùn)行與維護(hù)工作，供配電技術(shù)課程旨在為這些職業(yè)活動(dòng)提供所必需的基本技能和知識(shí)，是一門綜合性、實(shí)踐性都很強(qiáng)的專業(yè)核心課程［1］。其中，“電力系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式”這部分教學(xué)內(nèi)容是一個(gè)涉及面很廣的綜合性技術(shù)課題，涉及供電可靠性、過電壓與絕緣配合、繼電保護(hù)、通信干擾、系統(tǒng)穩(wěn)定等方面［2］。這對(duì)電氣類專業(yè)學(xué)生來說是一個(gè)學(xué)習(xí)難點(diǎn)，教學(xué)要求以理解與掌握基本概念為主。為提高教學(xué)效果，筆者從中性點(diǎn)概念、接地方式分類、比較教學(xué)法、MATLAB／SIMULINK仿真等4個(gè)方面進(jìn)行教學(xué)探索與實(shí)踐。

1 中性點(diǎn)概念的理解

《電工術(shù)語基本術(shù)語》（GB／T 2900.1－2008）中對(duì)“中性點(diǎn)（neutral point）”的定義是：“多相系統(tǒng)星形聯(lián)結(jié)的公共點(diǎn)，或單相系統(tǒng)的接地中間點(diǎn)?！薄峨姽ばg(shù)語發(fā)電、輸電及配電通用術(shù)語》（GB／T 2900.50－2008）中對(duì)“多相系統(tǒng)中性點(diǎn)（neutral point in a polyphase system）”的定義是：“星形連接的設(shè)備中（例如電力變壓器或接地變壓器）的n繞組的公共點(diǎn)?！睂?duì)于這兩個(gè)定義，學(xué)生并不難理解。根據(jù)定義可知，對(duì)于星形連接的各類電力設(shè)備，譬如發(fā)電機(jī)、變壓器、電動(dòng)機(jī)、調(diào)相機(jī)、避雷器、電容器組、電抗器組、用電負(fù)載等，“電力設(shè)備的中性點(diǎn)”是指“電力設(shè)備的星形連接公共點(diǎn)”。

在以往教學(xué)中，一般都籠統(tǒng)認(rèn)為“電力系統(tǒng)中性點(diǎn)”就是星形聯(lián)結(jié)的發(fā)電機(jī)或變壓器的中性點(diǎn)［3］。然而在工程和科研實(shí)踐中，筆者深刻感受到，將“發(fā)電機(jī)或變壓器的中性點(diǎn)”與“電力系統(tǒng)中性點(diǎn)”區(qū)分開來，視為兩個(gè)概念是非常有必要的。在教學(xué)實(shí)踐中，筆者通過以下兩個(gè)實(shí)例來引導(dǎo)學(xué)生理解這兩個(gè)基本概念。

實(shí)例1：圖1是某0.4 kV電力系統(tǒng)簡(jiǎn)圖［4］，該系統(tǒng)有兩臺(tái)變壓器。圖中A點(diǎn)是變壓器1的中性點(diǎn)，B點(diǎn)是變壓器2的中性點(diǎn)，那么系統(tǒng)中性點(diǎn)是哪一點(diǎn)呢？

圖1　0.4 kV電力系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

學(xué)生經(jīng)過討論，得出4種意見：1）A點(diǎn)、B點(diǎn)都是系統(tǒng)中性點(diǎn)；2）C、D、E、F點(diǎn)都是系統(tǒng)中性點(diǎn)；3）D點(diǎn)是系統(tǒng)中性點(diǎn)；4）E點(diǎn)是系統(tǒng)中性點(diǎn)。

筆者分析如下：從理想電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的角度來看，A、B、C、D、E、F點(diǎn)沒什么區(qū)別；但是從實(shí)際電路與施工運(yùn)行的角度來看，這些點(diǎn)是有區(qū)別的。A、B點(diǎn)是變壓器二次側(cè)星形繞組的公共點(diǎn)，位于變壓器室；C、D、E、F點(diǎn)則是配電盤PEN母排上的結(jié)點(diǎn)，位于配電室。從D點(diǎn)引出的線作為0.4 kV系統(tǒng)的中性線，從E點(diǎn)引出的線作為0.4 kV系統(tǒng)的保護(hù)線，因此D點(diǎn)才是0.4 kV系統(tǒng)中性點(diǎn)。從A點(diǎn)至D點(diǎn)、從B點(diǎn)至D點(diǎn)之間的這段導(dǎo)線則是變壓器的保護(hù)中性線，其必須絕緣。

對(duì)實(shí)例1總結(jié)如下：國(guó)際電工委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)（簡(jiǎn)稱IEC標(biāo)準(zhǔn)）為了區(qū)分“發(fā)電機(jī)或變壓器的中性點(diǎn)”與“電力系統(tǒng)中性點(diǎn)”，將星形聯(lián)結(jié)的發(fā)電機(jī)或變壓器的公共點(diǎn)稱為星形結(jié)點(diǎn)（star point）［4］。筆者認(rèn)為，“發(fā)電機(jī)或變壓器的星形結(jié)點(diǎn)”名稱更為科學(xué)，但由于歷史原因，國(guó)內(nèi)習(xí)慣稱作“發(fā)電機(jī)或變壓器的中性點(diǎn)”。因此，必須明確，“發(fā)電機(jī)或變壓器的中性點(diǎn)”與“電力系統(tǒng)中性點(diǎn)”是既有聯(lián)系又有區(qū)別的兩個(gè)概念。對(duì)于0.4 kV系統(tǒng)，不妨這樣來理解：從發(fā)電機(jī)或變壓器的中性點(diǎn)引出一根絕緣導(dǎo)線，根據(jù)具體需要，在這根絕緣導(dǎo)線上選擇某點(diǎn)，即可作為系統(tǒng)中性點(diǎn)；若發(fā)電機(jī)或變壓器沒有中性點(diǎn)，而系統(tǒng)又需要中性點(diǎn)，則可利用接地變壓器，得到一個(gè)系統(tǒng)中性點(diǎn)。

實(shí)例2：圖2是某110 kV電力系統(tǒng)簡(jiǎn)圖［5］，該系統(tǒng)有3臺(tái)變壓器。圖中A、B、C點(diǎn)分別是3臺(tái)變壓器的中性點(diǎn)，3個(gè)點(diǎn)之間沒有聯(lián)結(jié)線。那么系統(tǒng)中性點(diǎn)是哪一點(diǎn)呢？

圖2　110 kV電力系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

學(xué)生經(jīng)過討論，大部分認(rèn)為A、B、C 3點(diǎn)都是系統(tǒng)中性點(diǎn)。

筆者分析如下：若此110 kV系統(tǒng)只有1臺(tái)變壓器，則系統(tǒng)中性點(diǎn)當(dāng)然就是這臺(tái)變壓器的中性點(diǎn)；若此110 kV系統(tǒng)的3臺(tái)變壓器的中性點(diǎn)聯(lián)結(jié)在一起，則可根據(jù)具體需要，在這根聯(lián)結(jié)導(dǎo)線上選擇某點(diǎn)，作為系統(tǒng)中性點(diǎn)。但是現(xiàn)在3臺(tái)變壓器的中性點(diǎn)沒有聯(lián)結(jié)在一起，因此系統(tǒng)中性點(diǎn)在物理上不會(huì)特指哪一臺(tái)或哪幾臺(tái)變壓器的中性點(diǎn)。

對(duì)實(shí)例2總結(jié)如下：對(duì)于110 kV及以上系統(tǒng)，在分析單相接地故障等實(shí)際問題時(shí)，可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹⒕W(wǎng)絡(luò)元件參數(shù)得到一個(gè)等值電力系統(tǒng)。該等值電力系統(tǒng)就有一個(gè)中性點(diǎn)［6］。

2 接地方式的分類

中性點(diǎn)接地方式的分類方法有很多種，由此帶來較多的名詞術(shù)語，學(xué)生在看技術(shù)文檔時(shí)，對(duì)這些術(shù)語常常覺得模糊不清。筆者在教學(xué)中抓住兩點(diǎn)原則：一是將“電力系統(tǒng)的中性點(diǎn)接地方式”與“電力設(shè)備的中性點(diǎn)接地方式”區(qū)分開來；二是弄清術(shù)語的物理意義。

若討論對(duì)象是某臺(tái)具體的電力設(shè)備，則設(shè)備中性點(diǎn)接地方式的物理意義很直觀、清晰。如變壓器接地方式分類見圖3。

圖3　變壓器接地方式分類

若討論對(duì)象是某個(gè)地點(diǎn)范圍、某個(gè)電壓等級(jí)的電力系統(tǒng)，例如某鋼鐵廠的110 kV系統(tǒng)，其中性點(diǎn)運(yùn)行方式的物理意義有時(shí)不是很直觀。目前最常用的是按照接地短路時(shí)接地電流的大小，分為大電流接地系統(tǒng)和小電流接地系統(tǒng)［7］。為了突出物理意義，系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式的分類見圖4。

圖4　系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式分類

“中性點(diǎn)非常有效接地系統(tǒng)”在物理上是指系統(tǒng)的所有變壓器都直接接地，也叫“中性點(diǎn)全接地系統(tǒng)”；“中性點(diǎn)普通有效接地系統(tǒng)”在物理上則是指系統(tǒng)的部分變壓器直接接地，至少要有1臺(tái)變壓器直接接地。

對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)電氣技術(shù)人員，判別系統(tǒng)的接地制式具有實(shí)際意義。以圖2為例，該系統(tǒng)有3臺(tái)變壓器。若3臺(tái)變壓器的中性點(diǎn)接地方式都一樣，則系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式當(dāng)然也就與之一樣。若3臺(tái)變壓器的中性點(diǎn)接地方式不一樣，則系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式又是怎樣的呢？美國(guó)電機(jī)工程師學(xué)會(huì)（AIEE）第32號(hào)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)此作出了明確的規(guī)定，該標(biāo)準(zhǔn)沿用至今，在國(guó)際上得到廣泛的認(rèn)同［6］?！督涣麟姎庋b置的過電壓保護(hù)和絕緣配合設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB／T 50064－2014）中引用了這一標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)可知，無論這3臺(tái)變壓器的中性點(diǎn)接地方式怎樣，只要各種條件下系統(tǒng)的零序與正序電抗之比為正值，且不大于3，而且零序電阻對(duì)正序電抗之比不大于1，則該系統(tǒng)可被認(rèn)為是中性點(diǎn)有效接地，否則就是中性點(diǎn)非有效接地系統(tǒng)。

筆者在教學(xué)中，一開始就將“發(fā)電機(jī)或變壓器的中性點(diǎn)”與“電力系統(tǒng)的中性點(diǎn)”區(qū)分開來，讓學(xué)生在腦海里建立起兩個(gè)概念。相應(yīng)地，將“發(fā)電機(jī)或變壓器的中性點(diǎn)接地方式”與“電力系統(tǒng)的中性點(diǎn)接地方式”也區(qū)分開來。實(shí)踐表明，這樣做是有效果的，因?yàn)楦拍钋逦髁?，在進(jìn)行供配電系統(tǒng)的安裝、調(diào)試、運(yùn)行與維護(hù)等實(shí)訓(xùn)時(shí)，可做到“知其然，知其所以然”，避免了很多操作失誤。另外，在教學(xué)過程中，還有兩個(gè)問題要讓學(xué)生弄清楚。

1）某系統(tǒng)含有發(fā)電機(jī)。若發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)直接接地，是否意味著該系統(tǒng)是中性點(diǎn)有效接地系統(tǒng)？若發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)不接地，是否意味著該系統(tǒng)是中性點(diǎn)非有效接地系統(tǒng)？

判斷系統(tǒng)是不是中性點(diǎn)有效接地系統(tǒng)，根本方法是前述的“各種條件下系統(tǒng)的零序與正序電抗之比為正值且不大于3，而且零序電阻對(duì)正序電抗之比不大于1”。但該方法需要計(jì)算，在運(yùn)行維護(hù)現(xiàn)場(chǎng)不便運(yùn)用。在系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)不復(fù)雜的情況下，有時(shí)也可按發(fā)電機(jī)或變壓器的中性點(diǎn)接地情況來判斷，但是要注意，不能看發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)，而應(yīng)該看變壓器二次側(cè)中性點(diǎn)。發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)不能直接接地，這已成定論。至于原因，文獻(xiàn)［6］中有詳細(xì)分析，教學(xué)中可簡(jiǎn)要介紹其中的原因。僅看變壓器二次側(cè)中性點(diǎn)是不夠的，還得看一個(gè)條件［8］：當(dāng)發(fā)生一相或多相的故障時(shí)，系統(tǒng)中某一選定點(diǎn)（一般是指設(shè)備安裝點(diǎn)）的非故障相的對(duì)地最高工頻電壓方均根值與該點(diǎn)在故障排除后的工頻相間電壓方均根值的比值，不超過80%的就是中性點(diǎn)有效接地系統(tǒng)，否則就是中性點(diǎn)非有效接地系統(tǒng)。

2）在中性點(diǎn)有效接地系統(tǒng)中，變壓器中性點(diǎn)能否就地直接接地？

此問題須具體情況具體分析。筆者根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)踐總結(jié)后得出以下結(jié)論。

①在中性點(diǎn)有效接地的低壓系統(tǒng)中，不允許“變壓器中性點(diǎn)就地直接接地”，須從變壓器中性點(diǎn)引出1根導(dǎo)線，根據(jù)具體需要，在這根導(dǎo)線上選擇某點(diǎn)直接接地。《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50065－2011）對(duì)此有明文規(guī)定。至于原因，文獻(xiàn)［4，9］中均有詳細(xì)分析，教學(xué)中可簡(jiǎn)要介紹其中的原因。

②在中性點(diǎn)有效接地的高壓系統(tǒng)中，迄今尚有爭(zhēng)議，沒有定論。施工實(shí)踐中，有將變壓器中性點(diǎn)就地直接接地的，也有從變壓器中性點(diǎn)引出導(dǎo)線后再選擇某點(diǎn)接地的。

3 比較教學(xué)法的運(yùn)用

俄國(guó)教育家烏申斯基認(rèn)為：“比較是一切理解和思維的基礎(chǔ)，我們正是通過比較來了解世界上的一切?！薄半娏ο到y(tǒng)中性點(diǎn)接地方式”這部分內(nèi)容非常適合采用比較教學(xué)法［10］，將每種接地方式從接線、特點(diǎn)、應(yīng)用范圍等方面進(jìn)行比較，可以使學(xué)生更好地認(rèn)識(shí)事物的本質(zhì)與特征，獲得的知識(shí)與技能更加鮮明、牢固。為此，筆者精心設(shè)計(jì)了3張表格：接線比較、特點(diǎn)比較、應(yīng)用范圍比較，在理實(shí)一體化課堂用多媒體展示。

對(duì)于電氣類專業(yè)，該教學(xué)模塊占4～6個(gè)課時(shí)，主要為供配電系統(tǒng)的安裝、調(diào)試、運(yùn)行與維護(hù)等教學(xué)內(nèi)容打基礎(chǔ)。因此，表格里的內(nèi)容需要精心選擇、組織，以實(shí)用結(jié)論為主。例如特點(diǎn)比較，筆者從供電可靠性、過電壓、絕緣、防雷、繼電保護(hù)、系統(tǒng)穩(wěn)定、斷路器工作條件、對(duì)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的要求、故障點(diǎn)附近的生命危險(xiǎn)等9個(gè)方面進(jìn)行了比較［11］，見表1。

4 MATLAB／SIMULINK仿真教學(xué)

電氣領(lǐng)域從業(yè)人員的重要工作內(nèi)容之一是在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行電氣故障診斷。各種電力系統(tǒng)在發(fā)生各種故障時(shí)，三相對(duì)地電壓和線電壓、線路零序電流、故障點(diǎn)接地電流的暫態(tài)波形和穩(wěn)態(tài)波形是怎樣的呢？目前在供配電實(shí)訓(xùn)裝置或電力系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)裝置中無法通過實(shí)驗(yàn)觀察得到，學(xué)生得不到直觀、深刻的感性認(rèn)識(shí)?？紤]到這種情況，筆者在教學(xué)中采用MATLAB／SIMULINK仿真，讓學(xué)生在計(jì)算機(jī)上完成，可增加其感性認(rèn)識(shí)且不失趣味性。圖5所示為10 kV中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)仿真模型［12］，電源采用“三相電壓”模塊，輸出電壓為10.5 kV，內(nèi)部接線方式為星形聯(lián)結(jié)。4條輸電線路均采用“三相π型等值電路”模塊，線路長(zhǎng)度分別為130 km、175 km、1 km、150 km。

表1　各種中性點(diǎn)接地方式的特點(diǎn)比較

圖5　10 kV中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)仿真模型

在圖5的基礎(chǔ)上，在電源中性點(diǎn)接入1個(gè)電感線圈，其他參數(shù)不變，可得到中性點(diǎn)諧振接地系統(tǒng)仿真模型。兩種系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)的波形結(jié)果如圖6、圖7所示。對(duì)比分析波形可知，當(dāng)單相接地故障的暫態(tài)過程結(jié)束后，中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)的故障點(diǎn)接地電流幅值在29 A左右，中性點(diǎn)諧振接地系統(tǒng)則在4 A左右，學(xué)生由此可以非常直觀地感受到，消弧線圈的補(bǔ)償效果十分明顯。

另外在圖5模型的基礎(chǔ)上，稍加改進(jìn)還可以模擬同相兩點(diǎn)接地故障、間歇性單相接地故障等。

5 結(jié)束語

上述教學(xué)方法經(jīng)過幾輪教學(xué)實(shí)踐，已取得良好的效果。據(jù)在企業(yè)從事值班電工工作的學(xué)生反映，“電力系統(tǒng)中性點(diǎn)運(yùn)行方式”的基本知識(shí)與技能，給供配電系統(tǒng)的安裝、調(diào)試、運(yùn)行與維護(hù)等工作打下了扎實(shí)基礎(chǔ)。由此從教學(xué)中得到的幾點(diǎn)心得體會(huì)如下。

1）基本概念很重要。對(duì)于學(xué)生來說，概念清晰了，在從事安裝、調(diào)試、運(yùn)行與維護(hù)等實(shí)際工作時(shí)，可做到“知其然，知其所以然”，避免很多操作失誤。對(duì)教師來說，要努力讓學(xué)生建構(gòu)起正確的、清晰的概念，避免讓模糊的，甚至錯(cuò)誤的概念占據(jù)學(xué)生的大腦。

2）物理意義很重要。研究表明，高職院校學(xué)生的知、技、能的建構(gòu)是經(jīng)驗(yàn)型的，形象思維較強(qiáng)，抽象思維薄弱［13］。學(xué)生對(duì)“看得見摸得著”的東西容易接受，對(duì)“看不見摸不著”的東西不易接受。因此，教師在教學(xué)中應(yīng)注重挖掘知、技、能的物理意義、實(shí)際意義和工程意義。

圖6　中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)的零序電壓、零序電流、故障點(diǎn)接地電流波形

圖7　中性點(diǎn)諧振接地系統(tǒng)的零序電壓、零序電流、故障點(diǎn)接地電流波形

3）電力教學(xué)中應(yīng)注意結(jié)合最新的國(guó)家或行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。譬如《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB／T 50064－2014）已于2014 年3月發(fā)布，于2014年12月實(shí)施。這就要求教師與時(shí)俱進(jìn)，及時(shí)學(xué)習(xí)，在課程教學(xué)中向?qū)W生傳授。

4）充分應(yīng)用MATLAB／SIMULINK。目前MATLAB／SIMULINK在國(guó)內(nèi)本科電類專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用已經(jīng)很普遍，但在高職院校電類專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用還不多。筆者堅(jiān)信，在可汗學(xué)院、翻轉(zhuǎn)課堂、云書包、微課、慕課等教育新生事物層出不窮的環(huán)境下，隨著工業(yè)4.0時(shí)代的來臨，MATLAB／SIMULINK在高職院校電類教學(xué)中的應(yīng)用會(huì)越來越廣泛。

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A Teaching Exploration of the Grounding Modes of the Neutral Point in Power System

XIE Fang-fang
（Department of Electrical Engineering of Hu'nan Industry Polytechnic，Changsha Hu'nan 410208，P.R.China）

Abstract：The grounding modes of the neutral point in power system are a teaching difficulty in the course of power supply and distribution technology for the major of electrical automation technology in vocational colleges.In order to make the teaching more effective，a teaching exploration has been made in the aspects of the concept of the neutral point，the classification of grounding modes，the comparative teaching method and the MATLAB／SIMULINK simula-tion.The practice has shown that the teaching measures can make the students effectively understand and grasp the basic knowledge and skills as well as laying a good foundation for them in the work of the installation，debugging，operation and maintenance in power supply and distribution system.

Key words：power system；grounding modes of the neutral point；comparative teaching；MATLAB／SIMULINK

作者簡(jiǎn)介：謝芳芳（1978－），副教授，研究方向?yàn)殡娏鲃?dòng)系統(tǒng)故障診斷與容錯(cuò)控制。

基金項(xiàng)目：湖南省科技廳科研項(xiàng)目（2011FJ4152）；湖南省教育廳科研項(xiàng)目（11C0482，13C218）

收稿日期：2015－07－20

中圖分類號(hào)：G712；TM711

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1008-8032（2016）01-0006-06