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(yùn)行方式，包括中性點(diǎn)不接地、經(jīng)高阻接地和中性點(diǎn)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(shí)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(bǔ)償方式進(jìn)行分析。利用MATLAB搭建中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)和中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，對故障線路的零序電流波形和補(bǔ)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(diǎn)不接地和中性點(diǎn)經(jīng)高阻或經(jīng)消弧線圈接地，發(fā)生接地故障時(shí)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(jì)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(shí)，故障相的電壓為零，非故障相電壓升高為原電壓的倍。高達(dá)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(diǎn)故障［1］。 因此，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，要快速準(zhǔn)確地進(jìn)行故障選線和故障定位，切除故障點(diǎn)，確保非故障區(qū)段的安全用電。由于單相接地故障時(shí)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(yùn)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(diǎn)不接地和中性點(diǎn)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(jìn)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(diǎn)不接地系統(tǒng)單相接地故障

中性點(diǎn)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(diǎn)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(shí)，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?yàn)橛赡妇€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(diǎn)不接地三出線系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，該故障點(diǎn)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(diǎn)的電流IKC為

對于故障出線L3，其單相故障點(diǎn)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(diǎn)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?yàn)橛删€路流向母線，與非故障線路相反。

1.2 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)

中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)可能會引起弧光過電壓，長時(shí)間過電壓運(yùn)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(diǎn)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(shí)，采用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的方式可以產(chǎn)生感性電流用來補(bǔ)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)的電流數(shù)值比中性點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(bǔ)償量。當(dāng)IC∑=IL時(shí)為全補(bǔ)償；當(dāng)IC∑>IL時(shí)為欠補(bǔ)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(jìn)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(diǎn)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(bǔ)償電流的差。經(jīng)過補(bǔ)償后的圖4（b）中的故障線路的零序電流沖擊值和中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)幅值大小相近，但是補(bǔ)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?yàn)闀簯B(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(bǔ)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(bǔ)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(diǎn)接地系統(tǒng)與諧振接地系統(tǒng)各支路零序電流與補(bǔ)償電流波形

圖5 故障線路補(bǔ)償后電流對比波形

圖5 （a）分別為故障線路欠補(bǔ)償、過補(bǔ)償、完全補(bǔ)償與中性點(diǎn)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(bǔ)償后的故障線路的零序電流在幅值上比中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)的零序電流小，這說明消弧線圈補(bǔ)償了一部分系統(tǒng)對地電容電流。完全補(bǔ)償后的電流與中性點(diǎn)不接地和欠補(bǔ)償電流在極性上相反，由此可以看出完全補(bǔ)償后使得接地點(diǎn)的對地電容電流之和完全被消弧線圈的感性電流補(bǔ)償，使得接地點(diǎn)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(bǔ)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(shí)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(jì)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(bǔ)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(shí)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(bǔ)償接地電網(wǎng)的暫態(tài)量選線保護(hù)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(dòng)化。