中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)單相接地故障原理與分析

文/高俊杰

中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)單相接地故障原理與分析

文/高俊杰

本文用電路分析的方法，對(duì)電力系統(tǒng)主回路進(jìn)行了合理的簡(jiǎn)化、等效，通過(guò)計(jì)算最終求得在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)單相接地時(shí)電路中各電壓、電流的方向與分布，供業(yè)內(nèi)的朋友們參考。

電力系統(tǒng) 單相接地故障 原理

1 前言

在電力系統(tǒng)中，由于多種原因引起的供電線路上的單相接地是最常見(jiàn)的故障，它多發(fā)生在潮濕、多雨的惡劣天氣。單相接地不僅影響了用戶的正常供電，而且可能產(chǎn)生過(guò)電壓、過(guò)電流，燒壞設(shè)備，甚至引起相間短路進(jìn)而擴(kuò)大事故。本文主要針對(duì)中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)的單相接地故障進(jìn)行原理分析，這對(duì)電力技術(shù)值班人員熟悉供電線路的工作原理有很大的幫助。

2 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)單相接地故障原理

眾所周知，當(dāng)中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)會(huì)有“一低兩高三不變”的特點(diǎn)，即接地相對(duì)地電壓變低,甚至為零;非接地兩相的對(duì)地電壓升高至線電壓;各相間的線電壓保持不變。我們?yōu)榱伺逡陨咸攸c(diǎn)，僅用向量圖法就不夠明晰，就需要用電路分析的方法來(lái)解答這種現(xiàn)象。

在圖1所示的電力系統(tǒng)中，電源和負(fù)載端的中性點(diǎn)均不接地，由最左端發(fā)電機(jī)三相繞組發(fā)出的電能經(jīng)母線分配到多條線路（圖中僅畫(huà)出2條）至用戶端。盡管中性點(diǎn)與地之間沒(méi)有直接的聯(lián)系，但三相電路在發(fā)電機(jī)和負(fù)載兩側(cè)還是有很小容量的對(duì)地電容存在，由于三相電路完全對(duì)稱，在沒(méi)發(fā)生接地故障前通過(guò)各相電容電流的矢量和為零，不會(huì)影響供電線路的對(duì)稱性。

現(xiàn)假設(shè)在線路Ⅰ上的A相母線（黃色的）A點(diǎn)接地，此故障通常A相導(dǎo)線不斷線，導(dǎo)線在A點(diǎn)經(jīng)電阻R接地。由于各線路上的電容量很小，在工頻段分布電容引起的容抗XC>>R，尤其在金屬性接地時(shí)R→0，包括發(fā)電機(jī)在內(nèi)的每條線路中的A相與地之間的分布電容被短接（也可以看作R和C的并聯(lián)），這樣流過(guò)所有A相分布電容的電流為零，它與B、C兩相電流的矢量和為3*I0也就是我們所說(shuō)的零序電流。在整個(gè)電力系統(tǒng)中，所有B、 C兩相分布電容形成的零序電流經(jīng)各自的電容接地后流過(guò)A點(diǎn)，沿著A相母線流過(guò)Ea線圈，再經(jīng)Eb、Ec后回到B、C兩相的母線構(gòu)成回路。

由于零序電流等于三相電流之和，所以整個(gè)系統(tǒng)的零序電流分布為，在接地點(diǎn)A處流過(guò)包括發(fā)電機(jī)在內(nèi)的所有線路的零序電流，然后再由B、C兩相繞組流出，因而在發(fā)電機(jī)三相繞組上的零序電流的矢量和為零，在發(fā)電機(jī)出口（母線與發(fā)電機(jī)三相的交點(diǎn)處）和非故障線路上流過(guò)的零序電流就是其本身分布電容上的電容電流。在故障相始端（母線與線路Ⅰ三相的交點(diǎn)處）的零序電流為流過(guò)接地點(diǎn)A的所有零序電流與本線路B、C兩相形成的零序電流之差，也即所有非故障相對(duì)地電容電流的總和。

為了進(jìn)一步分析圖1所示電路，我們暫時(shí)忽略電壓互感器的影響，將圖1中各線路的分布電容用三個(gè)集總參數(shù)元件進(jìn)行替代簡(jiǎn)化后得到如圖2所示的等效電路，圖中小電阻R將電容C1短路而忽略。由圖2可以看到中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)可以看作是不接地負(fù)載（主要）和接地負(fù)載的并列運(yùn)行，正常工作時(shí)電壓互感器的感抗XL和分布電容的容抗XC非常巨大，可以看作是極大阻抗接地。完全的中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)與大地之間不能構(gòu)成回路，是沒(méi)有零序電流的；同時(shí)電壓互感器初級(jí)線圈中性點(diǎn)也必須接地，否則它的A相線圈就不能被短接，因而是檢測(cè)不到零序電壓的，所以中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)只是對(duì)地阻抗極大，它與地之間還是有一定聯(lián)系的。

下面我們?cè)俸雎圆唤拥厝鄬?duì)稱負(fù)載ZAZBZC的影響，再把圖2轉(zhuǎn)化為圖3所示電路，就可以用電路分析理論對(duì)其零序分量作如下分析。設(shè)I1、I2為網(wǎng)孔電流，令C1=C2=C3=C且éAéBéCé等均為向量，再設(shè)

通過(guò)網(wǎng)孔電流分析法列寫(xiě)方程，得

行列式解方程組得

最終我們求得經(jīng)接地負(fù)載流過(guò)發(fā)電機(jī)三相繞組的電流

接地點(diǎn)A處的電壓，

電源中性點(diǎn)o點(diǎn)電壓，

當(dāng)金屬性接地時(shí)，R→0，UA→0，Uo→-E（三相不平衡中性點(diǎn)的電壓應(yīng)該就是零序電壓）。電壓互感器測(cè)量到的相電壓UA、UB、UC是對(duì)地電壓，UBA、UCA、UBC是線電壓，單相接地時(shí)

由此可見(jiàn)發(fā)生單相接地故障時(shí)，UA→0（一低），UB、UC升高到絕對(duì)值√3é（兩高），三個(gè)線電壓保持不變的特點(diǎn)得到了印證。

3 結(jié)語(yǔ)

由于導(dǎo)線分布電容很小、低頻段容抗很大，即便金屬性接地零序電流也很小，它對(duì)中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)線電壓的對(duì)稱性影響不大，因而供電系統(tǒng)仍可運(yùn)行1～2小時(shí)。通常架空線的分布電容較小,而電力電纜的分布電容就不能忽略了，因而我們也要清楚地認(rèn)識(shí)到在接地點(diǎn)的線路上流過(guò)所有線路的零序電流，必須引起人們足夠的重視。

圖1

圖2

圖3

[1]李瀚蓀主編.電路分析基礎(chǔ)[M].高等教育出版社,2013.

[2]秦曾煌主編.《電工學(xué)》上冊(cè)電工技術(shù)部分[M].高等教育出版社,2011.

[3]羅崇萐,朱鋐道編.《高等數(shù)學(xué)》矩陣與線性方程組部分[M].高等教育出版社,2015.

[4]周浩,王慧芳等編著.電力工程[M].浙江大學(xué)出版社,2008.

[5]電工進(jìn)網(wǎng)作業(yè)許可考試參考教材-高壓類(lèi)理論部分[M].中國(guó)財(cái)政經(jīng)濟(jì)出版社,2006.

作者單位 國(guó)家新聞出版廣電總局五六四臺(tái) 北京市100044