10kV配電網接地保護研究

郭少偉

【摘 要】在電網運行中，接地保護是一項十分重要的保護措施，對保障電網安全穩(wěn)定運行起到關鍵作用。本文闡述了10kV配電網單相接地保護的現(xiàn)狀，提出了一種中性點直接接地的保護方式，為10kV配電網的安全運行保駕護航。

【關鍵詞】10kV；配電網；接地故障；接地保護；中性點直接接地

近年來，隨著我國經濟不斷發(fā)展，社會用電需求每年都保持著較大的增長， 這對10kV配電網安全穩(wěn)定運行的要求也越來越高。10kV配電網是電力系統(tǒng)的重要組成部分， 它直接關系到用電客戶是否能夠使用安全可靠的電能。接地保護是一項十分重要的保護措施，對保障電網安全穩(wěn)定運行起到關鍵作用。但由于種種原因，在配電網運行過程中時常會出現(xiàn)接地故障，這不僅影響用戶用電性能，嚴重情況下還會影響到配電網的供電可靠性。因此，如何做好10kV配電網接地保護工作就成為了電力部門亟待解決的任務。

1.單相接地保護現(xiàn)狀

1.1 中性點不接地時單相接地特點

1）當系統(tǒng)發(fā)生單相接地時，全系統(tǒng)都會出現(xiàn)零序電壓。

2）非接地線路通過的零序電流為該線路本身對地的電容電流，方向從母線流向線路。

3）接地線路通過的零序電流為所有非接地線路的對地電容電流的總和，方向從線路流向母線。

4）系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，接地故障電流不大，系統(tǒng)相間電壓仍然對稱，不會破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定運行?，F(xiàn)行規(guī)程、規(guī)范規(guī)定，小接地電流系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時允許繼續(xù)運行1～2小時，在此期間采取措施消除故障一般不要求保護動作跳閘。

1.2 中性點不接地系統(tǒng)的保護方式

1）通過絕緣監(jiān)視裝置檢測系統(tǒng)發(fā)生單相接地時出現(xiàn)的3U0電壓動作發(fā)出系統(tǒng)接地信號。

2）零序電流保護，利用單相接地時，故障路線的零序電流大于非故障線路零序電流的特點也可以實現(xiàn)有選擇性地保護。

3）零序功率方向保護，利用小接地電流系統(tǒng)單相接地故障時故障線路與非故障線路零序功率方向不同的特點，通過檢測線路零序功率方向也可實現(xiàn)有選擇性的保護。

1.3 中性點經消弧線圈接地的保護

（1）中性點經消弧線圈接地系統(tǒng)特點

中性點不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地時線路接地點將流過全系統(tǒng)的對地電容電流。如果此電流較大，就會在接地點燃起電弧，引起弧光過電壓，導致故障相絕緣破壞，進而發(fā)展成相間短路故障，擴大事故。

中性點經消弧線圈接地后（如變壓器繞組連接為△型，則可在母線上加裝Y形繞組接地變壓器，也就是設置人工中性點）。系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，流過接地點的電流為全系統(tǒng)對地電容電流與消弧線圈產生的電感電流的向量和。

Id=IL+ICΣ

式中：Id為流過故障點的接地電流。

IL為消弧線圈生產生的電感電流，

IL=U0/jωL=-jU0/ωL。

ICΣ為全系統(tǒng)對地電容電流，ICΣ=3U0jωCΣ。

IL與ICΣ方向相反，這種利用IL抵消ICΣ的措施稱為補償。隨加入IL補償程度的不同，可分為三種補償方式：全補償、欠補償和過補償。

1）完全補償方式：

Id=IL+ICΣ=0的補償方式。這種補償方式可使接地點故障電流為零，但有嚴重缺點，會引發(fā)危險的串聯(lián)諧振過電壓。

2）欠補償方式：

IL

3）過補償方式

IL>ICΣ的補償方式。過補償方式下，接地故障點的故障電流是感性的。不會因系統(tǒng)運行方式的變化，電容電流的減少而成為全補償而出現(xiàn)危險的諧振過電壓。這種補償方式得到了廣泛的應用。

IL的補償程度可用補償度K來表示。

K=（IL+ICΣ）/ICΣ一般取K=（5～10）%。

采用消弧線圈過補償方式，流過故障線路的電流為補償后的感性電流。它與U0的相位關系與非故障線路電容電流與U0的相位關系相同。其數(shù)值也和非故障線路的電容電流的容性電流差不多。因此，前述零序電流保護和零序方向保護都不能采用。

（2）小接地電流系統(tǒng)保護方式

1）絕緣監(jiān)察裝置：消弧線圈不會改變系統(tǒng)零序電壓的分布和大小，對絕緣監(jiān)察裝置沒有影響。

2）短時破壞補償?shù)姆椒ǎ涸诎l(fā)生接地故障后利用系統(tǒng)出現(xiàn)零序電壓的特點，短時將消弧線圈切除，這樣就可以按不接地系統(tǒng)的方式實現(xiàn)有選擇性的保護。待保護動作后再將消弧線圈投入。

3）短時投入有效電阻的方法：發(fā)生單相接地時在中性點與地之間投入一個有效電阻，使在接地點產生電阻分量電流，再利用余弦型功率方向繼電器選出接地故障線路。經一定延時后，再把電阻切除。

以上三種方式應用較多還是絕緣監(jiān)察裝置。后兩種方法因控制回路接線復雜，還有會在接地點產生較大接地電流，較少應用。

1.4 暫態(tài)分析小電流接地保護

（1）暫態(tài)過程

一般情況下，由于電網中絕緣被擊穿而引起的接地故障，經常發(fā)生在相電壓接近最大值的瞬間，因此可以將暫態(tài)電容電流看成是以下兩個電流值和：

1）故障相電壓突然降低引起的放電電流。這個放電電流通過母線流向故障點，放電電流衰減很快，震蕩頻率高達數(shù)千赫茲。震蕩頻率主要決定與電網中的線路參數(shù)、故障點位置以及過渡電阻的數(shù)值。

2）由非故障相電壓突然升高引起的充電電流。此電流要通過電源而成回路。由于通路的電感增大，因此，充電電流衰減較慢，震蕩頻率也較低。

對于中性點經消弧線圈接地的電網，由于暫態(tài)電感電流的最大值應出現(xiàn)在接地故障發(fā)生在相電壓經過零值瞬間，當故障發(fā)生在相電壓接近最大值瞬間瞬間時，暫態(tài)電感電流近似為零。因此暫態(tài)電容電流較暫態(tài)電感電流大很多，而正常時穩(wěn)態(tài)電容電流完全為電感電流所補償，所以隨時間變化的特性也不同：

a.大多數(shù)接地故障都發(fā)生在相電壓接近最大值的瞬間，所以不論中性點不接地還是經消弧線圈接地，在故障瞬間其暫態(tài)過程是近似相同的；

b.故障時的暫態(tài)零序電流第一個半波（簡稱首半波）的幅值與故障時故障相電壓的輻角有關，當相電壓在最大值的瞬間發(fā)生故障，暫態(tài)零序電流首半波幅值最大；

c.流過電網各點暫態(tài)零序電流首半波的最大值，較同一點穩(wěn)態(tài)零序電流值大幾倍至幾十倍；

d.各線路中流過的暫態(tài)零序電流首半波的寬度，約為幾十微秒到幾百微秒。

e.電網發(fā)生單相接地故障時，靠近母線端故障線路的暫態(tài)零序電流與非故障線路暫態(tài)零序電流的方向相反。

（2）小電流接地選線裝置

利用小電流接地系統(tǒng)單相接地過渡過程的特點研制的小電流接地選線跳閘裝置已投入系統(tǒng)試運行。裝置利用現(xiàn)代微機繼電保護技術，采用先進的小波分析計算方法能夠準確地檢測出單相接地暫態(tài)過程首半波的方向，進而選出接地線路。裝置根據(jù)系統(tǒng)要求可選擇告警或選擇跳閘。

（3）小電流接地保護方式，前面已提到故障時的暫態(tài)零序電流首半波的幅值與故障相電壓的輻角有關，當相電壓在零值或接近零點時暫態(tài)零序電流首半波幅值最小。在雷擊或外界機械破壞等因素導致的故障可能發(fā)生在故障相電壓的任意輻角下。當發(fā)生這種情況時基于暫態(tài)分析的小電流接地保護將不能準確、可靠的選出發(fā)生接地故障的線路。

2.中性點直接接地的保護方式

2.1 中性點直接接地的優(yōu)點

1）系統(tǒng)中性點直接接地，發(fā)生接地時系統(tǒng)中性點不會漂移，非故障相電壓不會大幅升高。

2）接地故障點將流過較大幅值的接地故障電流形成穩(wěn)定的接地故障點，不易形成間歇性的電弧放電，不會產生間歇性弧光接地過電壓。

3）中性點直接接地系統(tǒng)的零序保護是成熟的保護技術，利用在110kV及以上電網的成熟應用的零序過電流保護、零序方向過電流保護以及接地距離保護可在幾百毫秒至幾秒鐘內有選擇性地快速、靈敏、可靠地切除接地故障。

4）系統(tǒng)中性點直接接地后，發(fā)生接地故障會導致系統(tǒng)三相電壓的對稱性破壞，導致非故障線路不能正常供電。接地故障流過幅值較大的接地故障電流，時間長了會導致接地故障設備燒壞。但因保護能快速動作切除故障，系統(tǒng)電壓能迅速恢復正常供電狀態(tài)。故障電流持續(xù)時間較短，接地故障設備的損傷不大，也容易修復。對于瞬時性的接地故障還可以通過重合閘快速恢復故障線路的供電；對于永久性的接地故障，現(xiàn)代的微型計算機保護裝置（故障錄波測距裝置）也能測出大致的接地故障距離，方便快速修復故障受損線路。

5）系統(tǒng)中性點直接接地的最大好處還在于，接地故障的持續(xù)時間大幅縮短，可將導致的人身觸電傷害的可能性降至最低。

2.2 中性點直接接地存在的問題

1）10kV配電系統(tǒng)接地中性點問題：變電站主變壓器10kV繞組一般連接成三角形，無中性點可引出接地。此問題可采用10kV系統(tǒng)加裝消弧線圈所采用的方案，設置人工接地點方法解決。在變電站10kV母線上接入一臺專用的接地變壓器，變壓器10kV側三相繞組連接成Y形引出中性點就可解決此問題。

2）當10kV系統(tǒng)采用中性點不接地或經消弧線圈接地時，饋線間隔保護及測量計量用電流互感器常采用兩相星形接線，即電流互感器只安裝在A、C兩相上，這種接線方式既能滿足饋電線路相間保護以及測量計量的需求又可節(jié)省投資，但不能組成零序電流濾過器。要滿足大接地電流零序保護需采用三相星形的電流互感器接線方式。

3.結束語

通過逐條短時斷開運行線路查找接地線路，這種方式存在諸多問題，其中最大的弊病單相接地后繼續(xù)運行期間存在觸電傷害的風險。實踐證明，采用中性點直接接地保護技術來快速切除10kV單相接地故障是一個較好的選擇，值得推廣應用。

參考文獻：

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[2] 王艷松；解飛.配電網單相接地保護的研究[J].高電壓技術，2008年02期.