电力系统中性点运行方式的教学探索与实践

0 引言

高职电气自动化技术专业的就业方向之一是在企业从事供配电系统的安装、调试、运行与维护工作，“供配电技术”课程旨在为这些职业活动提供所必需的基本技能和知识，是一门综合性、实践性都很强的专业核心课程。其中“电力系统中性点运行方式”这部分教学内容是一个涉及面很广的综合性技术课题，涉及到供电可靠性、过电压与绝缘配合、继电保护、通信干扰、系统稳定等方面，对于电气类专业学生来说是一个教学难点，教学要求以理解与掌握基本概念为主。为提高教学效果，笔者从中性点概念、运行方式分类、比较教学法、MATLAB仿真等四个方面进行教学探索与实践。

1 中性点概念的理解

GB/T2900.1-2008《电工术语 基本术语》中对“中性点（neutra point）”的定义是：多相系统星形联结的公共点，或单相系统的接地中间点。GB/T2900.50-2008《电工术语 发电、输电及配电 通用术语》中对“多相系统中性点（neutra point in a poyphase system）”的定义是：星形连接的设备中（例如电力变压器或接地变压器）的n绕组公共点。对于这两个定义，学生并不难理解。对于星形联结的各类电力设备，譬如发电机、变压器、电动机、调相机、避雷器、电容器组、电抗器组、用电负载等等，“电力设备的中性点”是指“电力设备的星形联结公共点”。

在以往教学中，一般都笼统认为“电力系统中性点”就是星形联结的发电机或变压器的中性点。然而在工程和科研实践中，笔者深刻感受到，将“发电机或变压器的中性点”与“电力系统中性点”区分开来，视为两个概念是非常有必要的。在教学实践中，笔者通过以下两个实例来引导学生理解这两个基本概念。

实例1：图1是某0.4kV电力系统简图，该系统有两台变压器。图中A点是变压器1的中性点，B点是变压器2的中性点，那么系统中性点是哪一点呢？

学生经过讨论，有几种意见：①A点、B点都是系统中性点。②C、D、E、F点都是系统中性点。③D点是系统中性点。④E点是系统中性点。

笔者分析如下：从理想电路拓扑结构的角度来看，A、B、C、D、E、F点没什么区别；但是从实际电路与施工运行的角度来看，这些点是有区别的。A、B点是变压器二次侧星形绕组的公共点，位于变压器室；C、D、E、F点则是配电盘PEN母排上的结点，位于配电室。从D点引出的线作为0.4kV系统的中性线，从E点引出的线作为0.4kV系统的保护线，因此D点才是0.4kV系统的中性点。从A点至D点、从B点至D点之间的这段导线则是变压器的保护中性线，它必须绝缘。

实例1总结如下：国际电工委员会标准（简称IEC标准）为了区分“发电机或变压器的中性点”与“电力系统的中性点”，将星形联结的发电机或变压器的公共点称为星形结点（star point）。笔者认为，“发电机或变压器的星形结点”名称更为科学，但由于历史原因，国内习惯称作“发电机或变压器的中性点”，因此必须明确，“发电机或变压器的中性点”与“电力系统的中性点”是既有联系又有区别的两个概念。对于0.4kV系统，不妨这样来理解：从发电机或变压器的中性点引出一根绝缘导线，根据具体需要，在这根绝缘导线上选择某点，即可作为系统中性点；若发电机或变压器没有中性点，而系统又需要中性点，则可利用接地变压器，得到一个系统中性点。

实例2：图2是某110kV电力系统简图，该系统有三台变压器。图中A、B、C点分别是三台变压器的中性点，三个点之间没有联结线。那么系统中性点是哪一点呢？ 学生经过讨论，大部分认为A、B、C三点都是系统中性点。

笔者分析如下：若此110kV系统只有一台变压器，则系统中性点当然就是这台变压器的中性点；若此110kV系统的三台变压器的中性点联结在一起，则可根据具体需要，在这根联结导线上选择某点，作为系统中性点。但是现在三台变压器的中性点没有联结在一起，因此系统中性点在物理上不会特指哪一台或哪几台变压器的中性点。

实例2总结如下：对于110kV及以上系统，在分析单相接地故障等实际问题时，可根据网络拓扑、网络元件参数得到一个等值电力系统。该等值电力系统就有一个中性点。

2 运行方式的分类

中性点运行方式的分类方法有很多种，由此带来较多的名词术语，学生在看技术文档时，对这些术语常常觉得模糊不清。笔者在教学中抓住两点原则：一是将“电力系统的中性点运行方式”与“电力设备的中性点运行方式”区分开来，二是弄清术语的物理意义。

若讨论对象是某台具体的电力设备，则设备中性点运行方式的物理意义很直观、清晰。譬如变压器，有以下几种：

中性点不接地中性点经消弧线圈接地中性点经高阻抗接地中性点直接接地中性点经中阻抗接地中性点经低阻抗接地

若讨论对象是某个指定范围与等级的电力系统，譬如某钢铁厂110kV系统，则该系统中性点运行方式的物理意义有时不是很直观。目前最常用的是按照接地短路时接地电流的大小分为大电流接地系统和小电流接地系统。为了突出物理意义，系统中性点运行方式的分类如下：

中性点有效接地中性点非常有效接地中性点普通有效接地中性点非有效接地中性点不接地中性点谐振接地中性点高阻抗接地中性点低阻抗接地

“中性点非常有效接地系统”在物理上是指系统的所有变压器都直接接地，也叫“中性点全接地系统”；“中性点普通有效接地系统”在物理上则是指系统的部分变压器直接接地，至少要有一台变压器直接接地。

对于现场电气技术人员来说，判别某个系统的中性点运行方式具有实际意义。以图2为例，该系统有三台变压器。若三台变压器的中性点运行方式都一样，则系统中性点运行方式当然也就与之一样。若三台变压器的中性点运行方式不一样，则系统中性点运行方式是怎样的呢？

美国电机工程师学会（AIEE）第32号标准对此作出了明确的规定，该标准沿用至今，在国际上得到广泛的认同。GB/T50064-2014《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范》中引用了这一标准。根据标准可知，无论这三台变压器的中性点运行方式怎样，只要各种条件下系统的零序与正序电抗之比为正值且不大于3，而且零序电阻对正序电抗之比不大于1，则该系统可被认为是中性点有效接地的，否则就是中性点非有效接地系统。

笔者在教学中，一开始就将“发电机或变压器的中性点”与“电力系统的中性点”区分开来，让学生在脑海里建立起两个概念。相应地，将“发电机或变压器的中性点运行方式”与“电力系统的中性点运行方式”也区分开来。实践表明，这样做是有效果的，因为概念清晰了，在进行供配电系统的安装、调试、运行与维护等实训时，可做到“知其然，知其所以然”，避免很多操作失误。

另外在教学过程中，还有两个问题要让学生弄清楚：

①若某个系统的发电机中性点直接接地，是否意味着该系统是中性点有效接地系统？

发电机中性点不能直接接地，这已成定论。至于原因，文献有详细分析，教学中可简要介绍其中的原因。因此判断系统是不是中性点有效接地系统，不能看发电机中性点，而应该看变压器中性点，当然仅看变压器中性点是不够的。

②在中性点有效接地系统中，变压器中性点能否就地直接接地？

须具体情况具体分析。笔者根据标准和实践总结后认为：

1）在中性点有效接地的低压系统中，不允许“变压器中性点就地直接接地”，须从变压器中性点引出一根导线，根据具体需要，在这根导线上选择某点直接接地。GB50065-2011《交流电气装置的接地设计规范》对此有明文规定。至于原因，文献和均有详细分析，教学中可简要介绍其中的原因。

2）在中性点有效接地的高压系统中，迄今尚有争议，没有定论。施工实践中，有将变压器中性点就地直接接地的，也有从变压器中性点引出导线后再选择某点接地的。

3 比较教学法的运用

俄国教育家乌申斯基认为“比较是一切理解和思维的基础，我们正是通过比较来了解世界上的一切”。在众多的教学法中，笔者对比较教学法情有独钟。“电力系统中性点运行方式”这部分内容非常适合采用比较教学法，将每种运行方式从接线、特点、应用范围等方面进行比较，可以使学生更好地认识事物的本质与特征，获得的知识与技能更加鲜明、牢固。为此，笔者精心设计了三张表格：接线比较、特点比较、应用范围比较，在理实一体化课堂用多媒体展示。

对于电气类专业，该教学模块约占4～6个课时，主要为供配电系统的安装、调试、运行与维护等教学内容打基础，因此表格里的内容需要精心选择、组织，以定性分析、实用结论为主。譬如特点比较，笔者从供电可靠性、过电压、绝缘、防雷、继电保护、系统稳定、断路器工作条件、对电网结构的要求、故障点附近的生命危险等九个方面进行比较，见表1。

4 MATLAB/SIMULINK仿真教学

电气领域从业人员的重要工作内容之一是在现场进行电气故障诊断。各种电力系统在发生各种故障时，三相对地电压和线电压、线路零序电流、故障点接地电流的暂态波形和稳态波形是怎样的呢？目前在供配电实训装置或电力系统实训装置中无法通过实验观察得到，学生得不到直观、深刻的感性认识。

考虑到这种情况，笔者在教学中采用MATLAB/SIMULINK仿真，让学生在计算机上完成，既有趣又增加了感性认识。图3是10kV中性点不接地系统仿真模型，电源采用“Three-phase source”模块，输出电压为10.5kV，内部接线方式为星形联结。四条输电线路Line1～Line4均采用“Three-phase PI Section Line”模块，线路长度分别为130km、175km、1km、150km。 在图3的基础上，在电源中性点接入一个电感线圈，其他参数不变，可得到中性点谐振接地系统仿真模型。两种系统发生单相接地故障时的波形结果如图4、图5所示。对比分析波形可知，当单相接地故障的暂态过程结束后，中性点不接地系统的故障点接地电流幅值在29A左右，中性点谐振接地系统则在4A左右，学生由此可以非常直观地感受到，消弧线圈的补偿效果十分明显。

另外在图3模型的基础上，稍加改进还可以模拟同相两点接地故障、间歇性单相接地故障等，不赘述。

5 结语

经过几轮的教学实践，取得良好的教学效果。有学生毕业后在企业从事值班电工工作，反映“电力系统中性点运行方式”的基本知识与技能，给供配电系统的安装、调试、运行与维护等工作打下了扎实基础。教学中的几点心得体会是：

①基本概念很重要。对于学生来说，概念清晰了，在从事安装、调试、运行与维护等实际工作时，可做到“知其然，知其所以然”，避免很多操作失误。对于教师来说，要努力让学生建构起正确的、清晰的概念，避免让模糊的，甚至错误的概念占据学生的大脑。逆向教学法创始人钟道隆将军认为“基本概念管用一辈子”，笔者深以为然。

②教学中应注意结合最新的国家或行业技术标准。譬如GB/T50064-2014《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范》已于2014年3月公布，2014年12月实施，这就要求教师与时俱进，及时学习，在课程教学中向学生宣贯。

③永远不要忘记MATLAB。这是国外高校的一句流行语，笔者深以为然。目前MATLAB在国内本科电类专业教学中的应用已经很普遍，在高职电类专业教学中的应用还不多。笔者坚信，在可汗学院、翻转课堂、云书包、微课、慕课……等教育新生事物层出不穷的环境下，随着工业4.0时代的来临，MATLAB在高职电类教学中的应用会越来越广泛。

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