小電流接地系統實驗平臺研制和實驗內容開發

王慶華，陳新苗，賀秋麗

(廣西大學 電氣工程學院，廣西 南寧530004)

0 引 言

中性點不接地和經消弧線圈接地的電力系統稱為小電流接地系統，它是電力系統的重要組成部分，位置處在電力網的末端，直接和廣大用戶用電設備相連接，數量龐大、覆蓋面廣。小電流接地系統有以下一些特點［1］:①發生單相接地時，網絡線電壓的大小和相位差仍然維持不變。因此，用電設備的工作不會受到破壞，可以繼續運行一定的時間，這是這種接地方式最大的優點。②單相接地故障時接地電流只是很小的電容電流且不穩定，不會引起繼電保護動作跳閘，所以接地故障選線技術和方法十分困難和復雜，至今實際使用效果普遍都不理想。③小電流接地系統有一些特有的運行技術問題，如絕緣監視、鐵磁諧振、串聯諧振、接地電流補償等。

高校電力專業的電力系統運行分析課程都是針對大容量、高壓和超高壓的輸電系統的，涉及小電流接地系統運行的內容很少，且都是紙上談兵，學生沒有實踐體驗。而地方院校以及高專高職電力專業的學生畢業后大多到電力生產的一線工作，直接面對小電流接地系統的許多運行技術問題，由于在校時沒有這方面的實踐基礎，往往難于適應實際工作的要求，因此研制小電流接地系統實驗裝置，開發相關實驗內容，加強實踐教學是很必要的。但是，現代電力系統是一個十分龐大復雜的高電壓大容量網絡，在實驗室對它進行物理模擬是相當困難的，而且費用很高，能借鑒的資料很少。多年來，我們一直致力于探索如何將現場復雜的小電流接地系統“復制”到實驗室來，經過長期的努力，自行研制開發了一個低成本、低電壓、小容量的獨具特色的綜合實驗平臺［2］，來模擬實際小電流接地系統正常運行和發生各種事故的現象，并自主開發了各種相關的實驗內容，用于課程實驗、專業綜合實驗、創新實驗以及畢業設計中，讓學生在直接的體驗和探索中，觀察系統運行中各種故障的現象、分析故障的機理、尋找故障的原因、提出防止故障的措施，在實際電力系統中是無法做到的。從而提高學生分析和解決工程實際問題的能力，得到在校和畢業工作學生普遍好評，在培養創新應用型人才方面取得了滿意的效果［3］。

1 實驗平臺的構建

由于380 V 電源系統中性點是接地的，需要在實驗室構建一個隔離而獨立的小電流接地系統供實驗用，實驗平臺的原理接線如圖1 所示。實驗平臺由下列主要部件構成:

(1)隔離變壓器1TM。1TM 由3 只BK 型控制變壓器組成YNy 接法，通過電源開關1QK 接AC380 V電源，1TM 單只容量500 kVA，電壓220/220 V，副邊形成380 V 中性點不接地系統。

(2)線路WL-1，2，3。實驗系統設3 條線路，用集中電容C 代替線路的分布電容，每相通過2 只1 μF、630 V 的電容器接地。

圖1 小接地電流系統實驗平臺的原理接線圖

(4)消弧線圈L。1 TM 中性點可通過開關3 QK接入消弧線圈，消弧線圈由一臺1 kVA 的單相調壓器構成，接調壓器A、a 端，可調節消弧線圈的電抗值。

(5)用戶變壓器2TM。2TM 由三只BK 型控制變壓器改制，組成Yynd 接法，2TM 單只容量500 kVA，電壓220/220，36 V，副邊接3 只100 W 白熾燈作負載。設置三角形的笫三繞組是為使三次諧波電流流通，改善波形并使正常運行時中性點位移電壓很小。

(6)接地支路。在線路WL-1 的C 相通過開關2QK 設置接地，可直接接地和通過可調的過渡電阻R接地，R 為10 kΩ、1 A 的滑線電阻。1 ～6 A采用500 mA 交流電流表。

(7)接地選線裝置。每一線路裝三只電流互感器接成零序接線，也可以采用一只穿芯型的零序電流互感器，互感器電流比為5/5 A，各線路零序電流接至接地選線裝置。線裝置可以自制或外購。

實驗裝置的費用較低，除選線裝置外一套才數千元，因而可以配置較多套數，以利于培養學生的動手實踐能力，應讓學生自己完成實驗系統的安裝接線。

2 實驗內容的開發

2.1 單相接地故障實驗

2.1.1 單相直接接地時參數的變化

中性點不接地的三相系統在正常運行時三相對地電壓均為相電壓，中性點對地電壓和電壓互感器的開囗三角電壓都為零。當任何一相絕緣受到破壞而產生單相直接接地時，相關參數有以下變化:接地相對地電壓為零，非接地相對地電壓升高為線電壓;中性點對地電壓升高為相電壓;電壓互感器的開囗三角電壓為100 V(額定情況)，會發系統接地信號;接地點流過電容電流;3 個線電壓的大小和相位并不因單相接地而改變，仍然是對稱系統［4］。

2.1.2 單相直接接地實驗

只在線路WL-1 且拉開4QS、短接1TA 二次側做實驗，首先在正常無故障情況下，測量并記錄系統一次側3 個線電壓(UAB、UBC、UCA)，3 個相電壓(UAN、UBN、UCN)，3 個相對地電壓(UAd、UBd、Ucd)，變壓器中性點對地電壓UNd、3 只電容器的電流(IcA、IcB、IcC)和公共接地處的電流Ic以及電壓互感器二次側3 個線電壓(Uab、Ubc、Uca)，3 個相對地電壓(Uad、Ubd、Ucd)、開口三角各繞組電壓(Ua2、Ub2、Uc2)和開口電壓Uo。對測值進行分析。

合上短路開關2QK 使C 相直接接地，測量并記錄接地電流Id及上述各量，與正常運行值比較，畫出相量圖分析單相完全接地的特點。

注意:因TV 一次中性點接地也會產生電流流入接地點，方向與Ic相反，故Id略小于Ic，可以退出TV做實驗對比。

2.1.3 單相不完全接地實驗

中性點不接地系統中，三相對地導納為YA、YB、YC，各相對地電壓表示為:

中性點位移電壓由下式計算:

式中:

rA、rB、rC為各相對地泄漏電阻，一般可認為無限大;C為各相對地電容;ωL 為電壓互感器各相感抗，它比電容的容抗大得多。設C 相通過接地過渡電阻Rd接地，如認為各相對地泄漏電阻和互感器的感抗為無限大，并且CA=CB=CC=C0，則式(3)各相對地的導納變為

將式(4)代入中性點位移電壓算式(2)得

分析式(5)可知，當Rd變化時，相量U·Nd始端的軌跡是以接地相的電壓U·C為直徑的位于其順時針一側的半圓，如圖2 所示。從圖可見，當Rd在0 ～∞之間變化時，UNd的值則在Up～0(Up為相電壓)范圍內變動［5］。

單相不完全接地實驗和分析比較復雜，可作為畢業設計或創新實驗的內容，通過實驗和原理分析，掌握單相不完全接地的特點，得出確定接地相的規律。

發生單相接地時，TV 的開囗三角上會出現反映變壓器中性點對地電壓的零序電壓，當數值大于設定值時，就會發接地信號。但是，TV 高壓熔斷器熔斷、鐵磁諧振、線路斷線等故障也會產生零序電壓而發接地信號，這就要進行鑒別以便正確處理故障。

圖2 C 相不完全接地時的相量圖

2.2 電壓互感器實驗

2.2.1 高壓熔斷器熔斷分析

電壓互感器正常運行時，其激磁電抗很大，往往比電網對地電容的容抗大得多，故電壓互感器的一次側電流比電網對地電容電流小得多，電壓互感器一相或兩相高壓熔斷器由于某種原因熔斷后，熔斷相一次電流為零，但因網絡對地電容電流相對很大，故并不會使電壓互感器的一次側中性點產生明顯的位移，在開口三角上就會出現約100/3 V 的電壓。接地告警電壓一般整定值為15 ～20 V，所以會發出接地信號［6］。

電壓互感器高壓熔斷器熔斷一相或兩相雖然也發接地信號，但是根據其非熔斷相對地電壓基本不變的特點，就可以與單相接地故障相區別。

2.2.2 高壓熔斷器熔斷實驗

分別使互感器一次側和二次側熔斷器熔斷(拔下)，測量并記錄互感器一次側的3 個線電壓UAB、UBC、UCA，3 個相電壓UAN、UBN、UCN;二次側星形繞組3個線電壓Uab、Ubc、Ubc，3 個相電壓U1a、U1b、U1c，開口三角電壓Uo和各繞組電壓U2ab、U2bc、U2ca，并和熔斷前的測值比較。特別注意3 個相電壓U1a、U1b、U1c和開口三角電壓Uo與單相接地故障時的區別。

2.2.3 極性錯誤實驗

2 個及以上相互有電磁連系的線圈就會存在極性問題，互感器極性如果接反了，測量參數的數值和相位都可能是錯誤的。實驗時分別將1TV 一相的一次側A、X 端、二次側星形a1、x1端、二次側開囗三角a2、x2端接線對調，測量并記錄互感器二次側星形繞組3 個線電壓Uab、Ubc、Ubc，3 個相電壓U1a、U1b、U1c，開口三角電壓Uo和各繞組電壓U2ab、U2bc、U2ca，并和正確接線比較，畫出互感器二次側電壓相量圖進行分析。

2.3 鐵磁諧振實驗

2.3.1 鐵磁諧振的產生

電壓互感器是一種鐵磁元件，正常運行時，互感器不飽和，其電感很大，式(3)中各相導納表現為容性且三者相差甚小，式(2)表示的中性點位移電壓是很小的。但是，當產生某種故障或沖擊擾動時，可能使一相或多相對地電壓驟然升高，致使電壓互感器的鐵心趨于飽和，激磁電感急劇下降，使中性點位移電壓明顯上升。在某些情況下，當參數的配合使總導納(YA+YB+YC)很小時，就會產生鐵磁諧振，使系統中性點的位移電壓大大增加，導致一相、兩相或三相對地電壓顯著升高，從而在電壓互感器流過大大超過額定值的電流，這是互感器高壓熔斷器不正常熔斷或燒毀以及避雷器爆炸的主要原因，中性點不接地系統運行中，鐵磁諧振是比較常見的故障［7］。

2.3.2 電壓互感器鐵磁諧振實驗

從式(2)可知，如果使(YA+YB+YC)數值很小，就能使中性點位移電壓UNd很大，產生鐵磁諧振。正常情況下，由于電壓互感器激磁電感較大，(YA、YB、YC)表現為容性，如果在實驗接線中將一相電容拆除，該相的導納即變成純感性，(YA+YB+YC)就變得較小，中性點位移電壓UNd就較高，產生鐵磁諧振現象。

實驗的步驟是:電容不拆前，先測量1TV 正常運行時各相對地電壓及開口三角電壓。然后將A 相所接的電容斷開，使系統各相對地參數不平衡，測量各相對地電壓及開口三角電壓，與正常運行時的數值對比，觀察電壓互感器鐵磁諧振時各量的變化，分析鐵磁諧振與單相接地故障的區別。由于某些相的對地電壓升高，電壓互感器會飽和發出異聲并發熱，因此不要長時間通電。為防止電壓過高燒毀互感器，也可以B、C 相只接一只電容器做實驗［8］。

2.3.3 鐵磁諧振防止措施實驗

(1)在A 相無電容的情況下，將1TV 開口三角繞組上分別并接200 W 和100 W 的白熾燈泡，測量各相對地電壓及開口三角電壓，說明這一措施對抑制鐵磁諧振的作用。

(2)將1TV 的開口三角繞組短接，在高壓側中性點串接一臺零序電壓互感器一次繞組，測量有關電壓，說明零序電壓互感器對抑制鐵磁諧振的作用。

(3)1TV 的高壓側中性點串接一只可調電阻，測量有關電壓，說明串接電阻對抑制鐵磁諧振的作用。

(4)如果外購或自制有消諧器，在發生鐵磁諧振時可以自動接入，觀察對抑制鐵磁諧振的作用［9］。

2.4 線路斷線實驗

2.4.1 斷線情況的分析

線路斷線是小電流接地系統常見故障，但斷線一般不會引起繼電保護動作跳閘。為此，要認真分析和正確判斷線路斷線故障，以便及時處理。

圖3 單相斷線時的相量圖

其他斷線情況的分析方法是類似的，這里不再作分析。

2.4.2 斷線實驗

實際電力系統電壓互感器的激磁電抗比系統對地電容的容抗大得多(ωL?1/(ωC))，可以認為電壓互感器激磁電抗為無限大。但實驗接線中，因電容器的數值不宜選得過大，互感器的激磁電抗比電容的容抗不會相差很大，故需將電壓互感器退出，否則可能引起鐵磁諧振而影響實驗結果。這時只能測一次側的參數，互感器開口三角電壓可以從變壓器中性點對地電壓換算而得。

實驗在線路WL-1 上進行，將A 相在電源端斷線，分別測量電源側和負載側3 個線電壓、3 個相電壓、3個相對地電壓、變壓器中性點對地電壓。對實驗結果進行分析，并與理論值比較。還可以在線路上安裝3只電流表和三相有功表，比較斷線前后的電流和功率。

再將A 相的兩只電容器分開接在斷點兩邊，模擬線路在中間斷線，測量上述各電壓值并進行分析。

同樣方法可做兩相斷線、斷線并在電源側接地、斷線并在負載側接地、斷線并兩側都接地等各種情況的實驗。其中，斷線并在負載側接地的情況最為復雜，兩側中性點位移電壓與斷線線路的變壓器容量以及斷線系統的電容電流有關，可以將理論分析和實驗研究結合起來作為畢業設計的內容。

2.5 消弧線圈接地系統實驗

發生單相接地時，接地電流在故障點形成電弧，當接地電流較小時，電弧往往能夠自行熄滅，但是，當接地電流較大時，單相接地故障的電弧就難于自行熄滅，而形成穩定電弧或間歇電弧。這可能燒壞電氣設備和引起較高的過電壓，并容易發展為相間短路，電力系統中性點經消弧線圈接地，可以減少接地電流。

2.5.1 消弧線圈的作用

發生單相接地時，對地電容電流和消弧線圈電感電流都流過接地點，由于兩者相位相反而互相抵消，使接地電流變得很小，單相接地時產生的電弧就能自行熄滅［12］。

2.5.2 消弧線圈實驗

如圖1 所示，變壓器中性點通過開關3QK 接入單相調壓器的輸入端A，滑動頭a 通過電流表接地(模擬可調的消弧線圈)。電壓互感器一次側熔斷器拔下，以消除互感器電抗對電容電流的補償作用。調節調壓器以變化電抗值，觀察接地電流Id、IL的變化，觀察消弧線圈的補償作用，注意得到IL=Ic、IL＜Ic、IL＞Ic三種補償方式，記錄并分析IL、Id、Ic的數值。

說明:從理論上說，可以補償到接地電流Id=0，這是認為消弧線圈是純電抗，現場的消弧線圈由于容量大、導線粗，電阻是很小的。但實驗用的調壓器容量小，電阻不能忽略，不能補償到接地電流為零。可根據實測時Ic、IL值計算出Ic和IL的相位差。

2.6 接地故障選線實驗

2.6.1 故障選線原理

小電流接地故障選線的主要任務是自動選擇接地故障線路。現有故障選線原理，按照利用信號方式不同可分為利用故障穩態信息、利用故障暫態信息、向電網注入信號三大類［13-14］。

當電網發生單相接地故障后，電容電流形成的零序電流有以下特點:

(1)零序電流的大小。非故障線路首端的零序電流就是該線路電容電流的相量和;故障線路的零序電流在數值上等于系統非故障線路全部電容電流的總和。

(2)零序電流的方向。非故障線路零序電流的方向為由母線指向線路，而故障線路零序電流的方向為由線路指向母線，與非故障線路零序電流方向相反。

這就是中性點不接地系統基波零序電流方向自動接地選線裝置軟件工作原理。具體實現方式可以是零序電流比幅法、零序電流比相法、零序電流比輻比相法，選線裝置上可以選擇。

2.6.2 故障選線實驗

實驗裝置設置3 條線路，在WL-1 的C 相接地，可以做以下實驗:①零序電流比幅法;②零序電流比相法;③零序電流比輻比相法;④將WL-1 的一相電流互感器二次側的極性對調，觀察選線裝置的工作情況;⑤通過不同數值的過渡電阻接地，觀察選線裝置的工作情況;⑥解除WL-1 的C 相接地，改由母線單相接地，觀察選線裝置的工作情況。

目前國內有些高校也研制了小電流接地系統單相接地故障選線實驗系統［15］，但實驗內容比較單一，且采用高壓系統，費用很大。

3 結 語

用一些低壓電氣組件構建了小電流接地系統綜合實驗平臺，能夠對高壓系統進行物理模擬，除做正常運行實驗外，主要功能是做各種運行故障的實驗，讓學生在直接的體驗和探索中，提高工程素質和能力。實驗平臺是一個開放性的實驗系統，適用于各個環節的實踐教學，且通用性強，成本低廉，可在高校電力類專業中普遍采用。

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