小電流接地系統(tǒng)單相接地故障及選線(xiàn)技術(shù)探析

楊桂生

（國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司溧陽(yáng)市供電分公司，江蘇 溧陽(yáng) 213300）

0 引 言

根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，在中壓配電系統(tǒng)中，由于單相接地故障導(dǎo)致的系統(tǒng)故障比例達(dá)到了80%，對(duì)于單相接地故障進(jìn)行分析并制定預(yù)防措施是保護(hù)配電系統(tǒng)的重點(diǎn)措施，從而提高配電網(wǎng)供電的穩(wěn)定性。我國(guó)的中壓配電系統(tǒng)對(duì)中性點(diǎn)采用非直接接地方式，其中包括中性點(diǎn)不接地、中性點(diǎn)經(jīng)過(guò)消弧線(xiàn)圈接地以及中性點(diǎn)經(jīng)過(guò)小電阻接地三種方式。在這三種方式中，當(dāng)發(fā)生短時(shí)接地故障時(shí)接地電流很小，從而不容易引起開(kāi)關(guān)跳閘動(dòng)作，對(duì)于電力供應(yīng)起到可靠保障。同時(shí)，采用中性點(diǎn)非直接接地的方式，可以解決弧光接地過(guò)電壓?jiǎn)栴}，并且能夠快速切除故障點(diǎn)，因此在我國(guó)配電網(wǎng)絡(luò)中得到了廣泛應(yīng)用。

1 小電流接地系統(tǒng)概述

1.1 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)

在中壓配電系統(tǒng)中，中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)指的是通過(guò)一定的容抗進(jìn)行間接接地的配電系統(tǒng)。系統(tǒng)中的零序阻抗呈現(xiàn)容性，系統(tǒng)發(fā)生接地單相接地故障的時(shí)候，由于接地系數(shù)k＜0，并且ΔU數(shù)值比相電壓要高，導(dǎo)致非故障相電壓會(huì)比線(xiàn)電壓數(shù)值偏大。與中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)相比，此類(lèi)電力系統(tǒng)具有更高的可靠性，發(fā)生短時(shí)接地故障時(shí)，導(dǎo)致斷路器發(fā)生跳閘的概率小。尤其是發(fā)生瞬時(shí)接地故障的時(shí)候，由于此類(lèi)供電系統(tǒng)的故障電流幾乎全部是對(duì)地電容的電流值，所以不會(huì)造成供電設(shè)備的損壞。中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)同時(shí)存在如下缺點(diǎn)[1]。

（1）當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障的時(shí)候，可能導(dǎo)致非故障線(xiàn)路電壓快速升高，最大值可以達(dá)到額定相電壓的數(shù)十倍，會(huì)導(dǎo)致絕緣損壞而影響系統(tǒng)供電。因此對(duì)于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)需要保證在2 h之內(nèi)排除故障。

（2）由于系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，故障線(xiàn)路經(jīng)過(guò)對(duì)地電容進(jìn)行放電，所產(chǎn)生的電弧形成周期性重燃現(xiàn)象，造成系統(tǒng)電壓過(guò)高，同樣會(huì)導(dǎo)致線(xiàn)路絕緣受損。

（3）當(dāng)發(fā)生對(duì)地故障時(shí)，線(xiàn)路經(jīng)放電電容電流足夠小之后，電弧消失，此時(shí)會(huì)導(dǎo)致電壓互感器鐵心形成飽和效應(yīng)，致使中性點(diǎn)產(chǎn)生過(guò)電壓，造成互感器損壞或者高壓熔絲發(fā)生熔斷現(xiàn)象。

1.2 經(jīng)消弧線(xiàn)圈接地方式

經(jīng)過(guò)消弧線(xiàn)圈的非直接接地系統(tǒng)又稱(chēng)為諧振接地系統(tǒng)。消弧線(xiàn)圈的原理是采用補(bǔ)償電流的方式進(jìn)行接地，因此還稱(chēng)為接地補(bǔ)償裝置。消弧線(xiàn)圈實(shí)質(zhì)上是一種可調(diào)電感線(xiàn)圈，按照補(bǔ)償電流調(diào)節(jié)的方式可以分為分級(jí)調(diào)節(jié)以及無(wú)機(jī)調(diào)節(jié)方式，按照調(diào)節(jié)方式還可以分為手動(dòng)調(diào)節(jié)方式和自動(dòng)調(diào)節(jié)方式。目前，我國(guó)使用的消弧線(xiàn)圈以手動(dòng)調(diào)節(jié)分級(jí)式為主。近些年，自動(dòng)調(diào)節(jié)消弧線(xiàn)圈逐漸得到了應(yīng)用。在發(fā)生電箱接地故障時(shí)，通過(guò)消弧線(xiàn)圈使接地電弧熄滅主要原理如下[2]。

（1）發(fā)生接地故障時(shí)，故障線(xiàn)路對(duì)地形成的電流由消弧線(xiàn)圈產(chǎn)生的電流補(bǔ)償?shù)?，從而使得接地故障電流減小，導(dǎo)致接地電弧熄滅。

（2）當(dāng)接地電弧熄滅之后，消弧線(xiàn)圈限制故障相電壓的幅值變化速度，從而使接地電弧徹底熄滅。由于消弧線(xiàn)圈抑制了接地電流，從而使得電弧電動(dòng)力得到限制，從而使熱效應(yīng)破壞作用得到了緩解，避免了發(fā)生接地故障之后的反復(fù)故障現(xiàn)象，使得故障相絕緣作用可以抵抗由于故障導(dǎo)致的過(guò)電壓損壞。最終接地電弧能夠徹底熄滅，補(bǔ)償電網(wǎng)投入運(yùn)行。

2 單相接地時(shí)的故障分析

2.1 單相接地故障暫態(tài)過(guò)程分析

在配電網(wǎng)中最常出現(xiàn)的故障就是單相接地故障，在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)三相線(xiàn)路平衡，形成的對(duì)地電容值相等，在系統(tǒng)正常運(yùn)行期間，三相線(xiàn)路同時(shí)對(duì)電容進(jìn)行充電，線(xiàn)路對(duì)地電壓穩(wěn)定。由于三相平衡因此形成的對(duì)地電容形成的電流平衡，因此電容流過(guò)的零序電流為零。如果系統(tǒng)發(fā)生單相對(duì)地短路故障時(shí)，從消弧線(xiàn)圈產(chǎn)生的電流對(duì)電容電流進(jìn)行補(bǔ)償，使得接地電弧迅速熄滅。圖1為發(fā)生單相對(duì)地短路故障時(shí)系統(tǒng)等效電路[3]。

圖1 單相對(duì)地短路故障時(shí)電網(wǎng)等效電路

當(dāng)A相發(fā)生對(duì)地短路時(shí)，此時(shí)A相與大地具有相同的電位，導(dǎo)致A、B相電壓迅速升高。系統(tǒng)對(duì)地充電電路不平衡，導(dǎo)致三相電壓不對(duì)稱(chēng)。三相對(duì)地電流不對(duì)稱(chēng)導(dǎo)致產(chǎn)生了零序電壓分量以及零序電流分量。根據(jù)三相電路零序電壓產(chǎn)生原理，可以將系統(tǒng)中形成的零序電壓向量由公式（1）表示。

2.2 消弧線(xiàn)圈的動(dòng)作分析

在經(jīng)過(guò)消弧線(xiàn)圈接地系統(tǒng)中，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相對(duì)地短路故障的時(shí)候，消弧線(xiàn)圈會(huì)發(fā)生動(dòng)作，此時(shí)是正常動(dòng)作現(xiàn)象，如果沒(méi)有發(fā)生單相對(duì)地短路故障而發(fā)生了消弧線(xiàn)圈動(dòng)作現(xiàn)象，就是異?，F(xiàn)象。導(dǎo)致消弧線(xiàn)圈發(fā)生異常動(dòng)作的原因主要包括如下幾種：一種是由于系統(tǒng)線(xiàn)路出現(xiàn)不對(duì)稱(chēng)嚴(yán)重、電網(wǎng)電壓出現(xiàn)波動(dòng)、電網(wǎng)頻率變化、或者過(guò)電壓現(xiàn)象，這些現(xiàn)象都會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)中性點(diǎn)位移度變高；另外一種是在中性點(diǎn)所接消弧線(xiàn)圈前端變壓器發(fā)生斷路、電網(wǎng)出現(xiàn)阻尼降低或者系統(tǒng)消弧線(xiàn)圈動(dòng)作值設(shè)定不合理等。由于這些原因?qū)е碌南【€(xiàn)圈誤動(dòng)作存在一定的危險(xiǎn)性，必須在發(fā)生異常動(dòng)作之后，迅速查明原因、采取適當(dāng)措施，避免發(fā)生事故。

在經(jīng)過(guò)消弧線(xiàn)圈接地的電網(wǎng)中，對(duì)保護(hù)參數(shù)的設(shè)置通常采用的是電流五次諧波分量作為保護(hù)動(dòng)作值。對(duì)于消弧線(xiàn)圈接地系統(tǒng)發(fā)生單相對(duì)地短路故障時(shí)，可以采用接入有效電阻的方式，從而使系統(tǒng)故障電流產(chǎn)生更多的有功分量，進(jìn)而利用零序電流保護(hù)方法快速切出故障點(diǎn)。

3 接地系統(tǒng)選線(xiàn)研究

3.1 選線(xiàn)原理

（1）中性點(diǎn)不接系統(tǒng)選線(xiàn)

當(dāng)檢測(cè)到供電系統(tǒng)母線(xiàn)發(fā)生故障，導(dǎo)致該段母線(xiàn)零序電壓值升高的時(shí)候，需要進(jìn)一步檢測(cè)該段母線(xiàn)負(fù)荷出線(xiàn)的零序電流值，將檢測(cè)出的電流選擇三組最大值取平均值，并選擇最小值取平均值，將兩組平均值進(jìn)行比較，并對(duì)比相位關(guān)系，如果相位符合零序電壓超前零序電流90°，則選線(xiàn)時(shí)按照出線(xiàn)選擇，如果零序電流超前零序電壓90°，則選線(xiàn)時(shí)按照母線(xiàn)選擇[4]。

（2）中性點(diǎn)經(jīng)消弧線(xiàn)圈接地系統(tǒng)選線(xiàn)

根據(jù)電力行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)于3～l0 kV的電網(wǎng)系統(tǒng)中，如果發(fā)生單相對(duì)地短路故障時(shí)，故障電流值超過(guò)30A的情況，系統(tǒng)中性點(diǎn)需要經(jīng)過(guò)消弧線(xiàn)圈接地；而對(duì)于3～l0 kV架空線(xiàn)路供電系統(tǒng)以及所有的35 kV、66 kV等級(jí)的供電網(wǎng)絡(luò)，如果發(fā)生單相對(duì)地短路故障時(shí)，故障電流值超過(guò)10 A的情況，需要中性點(diǎn)經(jīng)過(guò)消弧線(xiàn)圈接地。當(dāng)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線(xiàn)圈接地系統(tǒng)發(fā)生單相對(duì)地短路故障時(shí)，可以通過(guò)在消弧線(xiàn)圈暫時(shí)并聯(lián)一組有效電阻的方式，使發(fā)生故障位置瞬時(shí)產(chǎn)生較大的有功分量，利用此時(shí)的有功分量電流值作為選線(xiàn)依據(jù)。當(dāng)故障點(diǎn)對(duì)地電弧完全消除以后將電阻切除。當(dāng)所并聯(lián)的電阻形成的有功分量足夠大時(shí)，就可以滿(mǎn)足選線(xiàn)目的。

3.2 小電流接地選線(xiàn)裝置

根據(jù)選線(xiàn)原理的不同可以將小電流接地選線(xiàn)裝置分為兩種形式：零序電流電壓法和激勵(lì)法。零序電流電壓法進(jìn)行選線(xiàn)的原理是利用系統(tǒng)零序電壓和零序電流的特征為依據(jù)進(jìn)行選線(xiàn)的。也就是對(duì)于發(fā)生單相對(duì)地短路故障的系統(tǒng)，根據(jù)系統(tǒng)的零序電壓以及零序電流數(shù)值和相序關(guān)系進(jìn)行選線(xiàn)。關(guān)于零序電流電壓法選線(xiàn)裝置，當(dāng)檢測(cè)到故障位置零序電流最大值，將數(shù)值與零序電流幅值進(jìn)行比較，進(jìn)而判斷出故障線(xiàn)路。激勵(lì)法選線(xiàn)裝置使用時(shí)需要額外使用耦合設(shè)備，利用耦合設(shè)備向電網(wǎng)外加特殊信號(hào)，信號(hào)作為電壓互感器副邊的輸入信號(hào)，經(jīng)過(guò)互感器耦合作用經(jīng)由原邊進(jìn)入母線(xiàn)進(jìn)入接地線(xiàn)路，最終匯入接地故障點(diǎn)，電網(wǎng)發(fā)生接地故障的線(xiàn)路就會(huì)有電流信號(hào)，而沒(méi)有發(fā)生對(duì)地短路的線(xiàn)路不存在電流信號(hào)。根據(jù)上述原理，在電網(wǎng)中每條線(xiàn)路進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)，當(dāng)主機(jī)沒(méi)有檢測(cè)到電流信號(hào)時(shí)，就可以判斷該條線(xiàn)路正常，如果檢測(cè)到電流信號(hào)，那么該條線(xiàn)路就是故障線(xiàn)路。圖2為利用激勵(lì)法原理的選線(xiàn)裝置。

4 結(jié) 論

隨著現(xiàn)代電力技術(shù)不斷進(jìn)步，針對(duì)小電流接地系統(tǒng)故障選線(xiàn)研究已經(jīng)取得了很多成果。文章針對(duì)小電流接地系統(tǒng)進(jìn)行了論述，并對(duì)小電流接地系統(tǒng)故障進(jìn)行了分析，最后對(duì)小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障選線(xiàn)技術(shù)進(jìn)行了分析，利用小電流接地系統(tǒng)選線(xiàn)裝置可以對(duì)發(fā)生單相對(duì)地短路具體線(xiàn)路做出判斷，從而為故障電網(wǎng)快速恢復(fù)提供保證。

圖2 激勵(lì)法選線(xiàn)工作原理圖