小電流接地系統(tǒng)單相接地故障分析

陳景龍，王 聰

（山東科技大學(xué)，山東 青島 266590）

小電流接地系統(tǒng)單相接地故障分析

陳景龍，王 聰

（山東科技大學(xué)，山東 青島 266590）

小電流接地系統(tǒng)主要采取非有效接地運行方式，包括中性點不接地、經(jīng)高阻接地和中性點經(jīng)消弧線圈接地3種方式。單相接地故障在配電網(wǎng)故障中所占比例最高，分析單相接地故障在中低壓配電網(wǎng)中具有重要意義。分析了系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時對地電容電流以及消弧線圈的電感電流的方向及幅值，并對諧振接地系統(tǒng)補償方式進行分析。利用MATLAB搭建中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)和中性點不接地系統(tǒng)，對故障線路的零序電流波形和補償方式加以分析，為以后選線和測距提供參考。

小電流；單相接地故障；零序電壓；零序電流

0 引言

在電力系統(tǒng)中，有大電流接地和小電流接地系統(tǒng)，小電流接地系統(tǒng)主要有中性點不接地和中性點經(jīng)高阻或經(jīng)消弧線圈接地，發(fā)生接地故障時對地電流較小稱為小電流接地系統(tǒng)。中低壓配電網(wǎng)在電力系統(tǒng)中是連接用戶與配電系統(tǒng)的橋梁，一旦發(fā)生故障將會危及工廠設(shè)備供電和居民用電，造成巨大經(jīng)濟損失。特別是在工礦企業(yè)，由于在狹窄的煤礦井下作業(yè)，電纜線路更容易受到碰、砸、壓導(dǎo)致電纜絕緣損壞而發(fā)生單相接地故障。

若在小電流接地系統(tǒng)中發(fā)生單相接地故障時，故障相的電壓為零，非故障相電壓升高為原電壓的倍。高達2～3倍的弧光過電壓有可能導(dǎo)致非故障相絕緣擊穿，形成相間短路和多點故障［1］。 因此，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時，要快速準(zhǔn)確地進行故障選線和故障定位，切除故障點，確保非故障區(qū)段的安全用電。由于單相接地故障時系統(tǒng)中會產(chǎn)生零序分量，且零序電流比大接地系統(tǒng)較小。根據(jù)相關(guān)電力規(guī)定，小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障后可以短暫運行1～2h［2］。

到目前為止，現(xiàn)有的選線和測距技術(shù)比較成熟。中性點不接地和中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)在選線上存在很大差異。綜合國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，主要依據(jù)暫態(tài)分量和穩(wěn)態(tài)分量進行選線。主要的選線方法有有功分量法、首半波法、諧波分量法、小波變換法及注入信號跟蹤法等［3-4］。

1 單相接地故障分析

單相接地故障回路中對地容抗的影響比較大，因此忽略線路的阻抗和線路對地電阻的影響，認(rèn)為故障電流主要由電網(wǎng)對地的分布電容引起的［5-6］。

1.1 中性點不接地系統(tǒng)單相接地故障

中性點不接地系統(tǒng)如圖1所示，其中L1、L2、L3分別為3條線路，集中參數(shù)COS為電源端設(shè)備的對地電容，設(shè)每條支路各相對地分布電容相等，3條出線的對地分布電容分別以集中參數(shù)CL1、CL2、CL3表示，L3支路的C相發(fā)生單相接地接地故障。

圖1 中性點不接地系統(tǒng)三出線系統(tǒng)

正常情況下三相對地的電容電流相量之和為0，當(dāng)線路L3上C相發(fā)生金屬性單相接地故障時，原有的對稱性被破壞，即在出線L1中C相的電容電流為0，非故障相的電容電流為

非故障線的首段零序電流為線路本身對地的電容電流，零序電流方向為由母線流向線路。該結(jié)論同樣適用于出線L2等其他非故障出線。當(dāng)中性點不接地三出線系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，該故障點的短路電流為出線L1、出線L2、出線L3以及電源端設(shè)備的對地電容電流之和。即單相故障點的電流IKC為

對于故障出線L3，其單相故障點的電流要從故障C相流回，其出線上的零序電流大小為故障點的電流大小減去出線L3上的非故障相的電流。即出線L3上的零序電流3IL3.0為

根據(jù)以上分析，故障線路的零序電流數(shù)值等于非故障線路零序電流加電源端設(shè)備零序電流之和，其電流方向為由線路流向母線，與非故障線路相反。

1.2 中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)

中性點不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時可能會引起弧光過電壓，長時間過電壓運行會導(dǎo)致輸電線路的絕緣損壞，燒毀電氣設(shè)備，甚至?xí)纬筛鼑?yán)重的多點接地故障和相間短路故障。當(dāng)系統(tǒng)對地電容電流較大時，采用中性點經(jīng)消弧線圈接地的方式可以產(chǎn)生感性電流用來補償系統(tǒng)的電容性電流。如圖2所示，IL即為消弧線圈的感性電流。

圖2 中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)三出線系統(tǒng)

圖2 中出線L1和出線L2的零序電流的分析方法和不接地系統(tǒng)一樣。由于消弧線圈的引入，接地故障點的零序電流變?yōu)橄到y(tǒng)對地容性電流與電感電流的相量和。消弧線圈上的電流與系統(tǒng)對地容性電流的相位相差180°，即單相故障接地點的電流數(shù)值比中性點不接地系統(tǒng)小。

圖3 10kV小電流接地系統(tǒng)仿真模型

中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)后，只考慮線圈電感影響，則感性電流為

中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障后，故障出線L3的首端零序電流為對地容性電流減去感性電流，其數(shù)值大小取決于消弧線圈的補償量。當(dāng)IC∑=IL時為全補償；當(dāng)IC∑>IL時為欠補償；當(dāng)IC∑

2 單相接地故障仿真分析

為了更加清楚地了解發(fā)生故障后系統(tǒng)零序電壓和零序電流的幅值和極性，利用MATLAB／Simulink搭建系統(tǒng)模型。如圖3所示，搭建3條出線的10kV供電系統(tǒng)，出線1長度為7km，出線2為13km，出線3為14km，在第3條出線4km處發(fā)生單相接地故障，故障相為C相，不接地系統(tǒng)去掉圖3中消弧線圈即可。取接地電阻為10 Ω進行仿真，零序電流波形如圖4所示。

由圖4（a）和（b）可以看出系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障后，故障線路和非故障線路在極性上相反，且故障線路暫態(tài)電流沖擊值大于非故障支路的暫態(tài)電流沖擊值。在中性點不接地系統(tǒng)中故障線路零序電流為非故障線路電流之和，而諧振系統(tǒng)中故障線路電流為系統(tǒng)對地電容電流之和減去電感補償電流的差。經(jīng)過補償后的圖4（b）中的故障線路的零序電流沖擊值和中性點不接地系統(tǒng)幅值大小相近，但是補償后的穩(wěn)態(tài)部分的電流明顯比圖4（a）中故障支路的穩(wěn)態(tài)幅值小。因為暫態(tài)過程以高頻為主，穩(wěn)態(tài)過程主要為低頻分量，流經(jīng)消弧線圈的電感電流補償?shù)臑橄到y(tǒng)中的低頻對地電容電流。由圖4（c）和（d）對比可以看出電感電流補償?shù)臑楣收暇€路的對地分布電容電流，對非故障線路1基本沒有影響。

圖4 中性點接地系統(tǒng)與諧振接地系統(tǒng)各支路零序電流與補償電流波形

圖5 故障線路補償后電流對比波形

圖5 （a）分別為故障線路欠補償、過補償、完全補償與中性點不接地系統(tǒng)故障線路的零序電流。由圖5（a）可以看出欠補償后的故障線路的零序電流在幅值上比中性點不接地系統(tǒng)的零序電流小，這說明消弧線圈補償了一部分系統(tǒng)對地電容電流。完全補償后的電流與中性點不接地和欠補償電流在極性上相反，由此可以看出完全補償后使得接地點的對地電容電流之和完全被消弧線圈的感性電流補償，使得接地點電流為0，電流互感器在故障線路采集到的為故障線路本身的對地電容電流，其方向與非故障線路相同。過補償即線圈的感性電流大于系統(tǒng)對地電容電流之和。

由圖5（b）可以看出線圈上的電流只有在故障后才會出現(xiàn)，且流經(jīng)消弧線圈時的感性電流隨著線圈電感值的減小在增加。

3 結(jié)語

通過對小電流接地系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特征的分析，得出系統(tǒng)對地電容電流以及消弧線圈的感性電流的計算公式，并利用MATLAB搭建10kV小電流接地系統(tǒng)對零序電流波形和諧振系統(tǒng)補償方式加以分析，為以后研究小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時選線和定位提供參考。

［1］ 王清亮.單相接地故障分析與選線技術(shù)［M］.中國電力出版社，2013.

［2］ 張林.基于HHT的單相接地故障檢測研究［D］.合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2013.

［3］ 王清亮.補償接地電網(wǎng)的暫態(tài)量選線保護研究［D］.西安：西安科技大學(xué)，2010.

［4］ 申雙葵.小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線的研究［D］.成都：西南交通大學(xué)，2009.

［5］ 鞠默欣.基于HHT小電流接地故障選線與在線故障測距方法［D］.吉林：東北電力大學(xué)，2015.

［6］ 高翔.小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線與定位技術(shù)的研究［D］.天津：天津理工大學(xué)，2014.

Analysis of Single-Phase Ground Fault In Small Current Grounding System

CHEN Jinglong，WANG Cong
（Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590，China）

The low current grounding system mainly adopts the non-effective grounding operation mode，including the following three modes：the floating neutral mode，the high-resistance-grounded neutral mode and the arc-suppression-coil-grounded neutral mode.The single-phase ground fault among various type of faults happened in the distribution power system has the highest proportion.Analysis of the single-phase grounding fault in the medium and low voltage distribution network has a great significance.The system steady-state of capacitive current and the direction and amplitude of the neutral current are analyzed based on an arc-suppression-coil-grounded system.The compensation method of the resonant grounded systems are discussed.MATLAB is used as the simulation tool and models of the arc-suppression-coil-grounded neutral system and the floating neutral system are built.The zero-sequence current waveform of the fault line and compensation mode are analyzed and discussed.This provides a guideline for the later practice of line selection and location.

small current；single-phase ground fault；zero sequence voltage；zero sequence current

TM713

：A

：1007－9904（2017）07－0028－05

2017-02-05

陳景龍（1991），男，研究方向電力系統(tǒng)自動化。