小電流接地系統單相接地故障及選線技術探析

楊桂生

（國網江蘇省電力有限公司溧陽市供電分公司，江蘇 溧陽 213300）

0 引 言

根據相關統計，在中壓配電系統中，由于單相接地故障導致的系統故障比例達到了80%，對于單相接地故障進行分析并制定預防措施是保護配電系統的重點措施，從而提高配電網供電的穩(wěn)定性。我國的中壓配電系統對中性點采用非直接接地方式，其中包括中性點不接地、中性點經過消弧線圈接地以及中性點經過小電阻接地三種方式。在這三種方式中，當發(fā)生短時接地故障時接地電流很小，從而不容易引起開關跳閘動作，對于電力供應起到可靠保障。同時，采用中性點非直接接地的方式，可以解決弧光接地過電壓問題，并且能夠快速切除故障點，因此在我國配電網絡中得到了廣泛應用。

1 小電流接地系統概述

1.1 中性點不接地系統

在中壓配電系統中，中性點不接地系統指的是通過一定的容抗進行間接接地的配電系統。系統中的零序阻抗呈現容性，系統發(fā)生接地單相接地故障的時候，由于接地系數k＜0，并且ΔU數值比相電壓要高，導致非故障相電壓會比線電壓數值偏大。與中性點直接接地系統相比，此類電力系統具有更高的可靠性，發(fā)生短時接地故障時，導致斷路器發(fā)生跳閘的概率小。尤其是發(fā)生瞬時接地故障的時候，由于此類供電系統的故障電流幾乎全部是對地電容的電流值，所以不會造成供電設備的損壞。中性點不接地系統同時存在如下缺點[1]。

（1）當系統發(fā)生單相接地故障的時候，可能導致非故障線路電壓快速升高，最大值可以達到額定相電壓的數十倍，會導致絕緣損壞而影響系統供電。因此對于中性點不接地系統發(fā)生單相接地故障時需要保證在2 h之內排除故障。

（2）由于系統發(fā)生單相接地故障時，故障線路經過對地電容進行放電，所產生的電弧形成周期性重燃現象，造成系統電壓過高，同樣會導致線路絕緣受損。

（3）當發(fā)生對地故障時，線路經放電電容電流足夠小之后，電弧消失，此時會導致電壓互感器鐵心形成飽和效應，致使中性點產生過電壓，造成互感器損壞或者高壓熔絲發(fā)生熔斷現象。

1.2 經消弧線圈接地方式

經過消弧線圈的非直接接地系統又稱為諧振接地系統。消弧線圈的原理是采用補償電流的方式進行接地，因此還稱為接地補償裝置。消弧線圈實質上是一種可調電感線圈，按照補償電流調節(jié)的方式可以分為分級調節(jié)以及無機調節(jié)方式，按照調節(jié)方式還可以分為手動調節(jié)方式和自動調節(jié)方式。目前，我國使用的消弧線圈以手動調節(jié)分級式為主。近些年，自動調節(jié)消弧線圈逐漸得到了應用。在發(fā)生電箱接地故障時，通過消弧線圈使接地電弧熄滅主要原理如下[2]。

（1）發(fā)生接地故障時，故障線路對地形成的電流由消弧線圈產生的電流補償掉，從而使得接地故障電流減小，導致接地電弧熄滅。

（2）當接地電弧熄滅之后，消弧線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。由于消弧線圈抑制了接地電流，從而使得電弧電動力得到限制，從而使熱效應破壞作用得到了緩解，避免了發(fā)生接地故障之后的反復故障現象，使得故障相絕緣作用可以抵抗由于故障導致的過電壓損壞。最終接地電弧能夠徹底熄滅，補償電網投入運行。

2 單相接地時的故障分析

2.1 單相接地故障暫態(tài)過程分析

在配電網中最常出現的故障就是單相接地故障，在中性點不接地系統中，由于系統三相線路平衡，形成的對地電容值相等，在系統正常運行期間，三相線路同時對電容進行充電，線路對地電壓穩(wěn)定。由于三相平衡因此形成的對地電容形成的電流平衡，因此電容流過的零序電流為零。如果系統發(fā)生單相對地短路故障時，從消弧線圈產生的電流對電容電流進行補償，使得接地電弧迅速熄滅。圖1為發(fā)生單相對地短路故障時系統等效電路[3]。

圖1 單相對地短路故障時電網等效電路

當A相發(fā)生對地短路時，此時A相與大地具有相同的電位，導致A、B相電壓迅速升高。系統對地充電電路不平衡，導致三相電壓不對稱。三相對地電流不對稱導致產生了零序電壓分量以及零序電流分量。根據三相電路零序電壓產生原理，可以將系統中形成的零序電壓向量由公式（1）表示。

2.2 消弧線圈的動作分析

在經過消弧線圈接地系統中，當系統發(fā)生單相對地短路故障的時候，消弧線圈會發(fā)生動作，此時是正常動作現象，如果沒有發(fā)生單相對地短路故障而發(fā)生了消弧線圈動作現象，就是異常現象。導致消弧線圈發(fā)生異常動作的原因主要包括如下幾種：一種是由于系統線路出現不對稱嚴重、電網電壓出現波動、電網頻率變化、或者過電壓現象，這些現象都會導致系統中性點位移度變高；另外一種是在中性點所接消弧線圈前端變壓器發(fā)生斷路、電網出現阻尼降低或者系統消弧線圈動作值設定不合理等。由于這些原因導致的消弧線圈誤動作存在一定的危險性，必須在發(fā)生異常動作之后，迅速查明原因、采取適當措施，避免發(fā)生事故。

在經過消弧線圈接地的電網中，對保護參數的設置通常采用的是電流五次諧波分量作為保護動作值。對于消弧線圈接地系統發(fā)生單相對地短路故障時，可以采用接入有效電阻的方式，從而使系統故障電流產生更多的有功分量，進而利用零序電流保護方法快速切出故障點。

3 接地系統選線研究

3.1 選線原理

（1）中性點不接系統選線

當檢測到供電系統母線發(fā)生故障，導致該段母線零序電壓值升高的時候，需要進一步檢測該段母線負荷出線的零序電流值，將檢測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，將兩組平均值進行比較，并對比相位關系，如果相位符合零序電壓超前零序電流90°，則選線時按照出線選擇，如果零序電流超前零序電壓90°，則選線時按照母線選擇[4]。

（2）中性點經消弧線圈接地系統選線

根據電力行業(yè)相關標準要求，對于3～l0 kV的電網系統中，如果發(fā)生單相對地短路故障時，故障電流值超過30A的情況，系統中性點需要經過消弧線圈接地；而對于3～l0 kV架空線路供電系統以及所有的35 kV、66 kV等級的供電網絡，如果發(fā)生單相對地短路故障時，故障電流值超過10 A的情況，需要中性點經過消弧線圈接地。當中性點經消弧線圈接地系統發(fā)生單相對地短路故障時，可以通過在消弧線圈暫時并聯一組有效電阻的方式，使發(fā)生故障位置瞬時產生較大的有功分量，利用此時的有功分量電流值作為選線依據。當故障點對地電弧完全消除以后將電阻切除。當所并聯的電阻形成的有功分量足夠大時，就可以滿足選線目的。

3.2 小電流接地選線裝置

根據選線原理的不同可以將小電流接地選線裝置分為兩種形式：零序電流電壓法和激勵法。零序電流電壓法進行選線的原理是利用系統零序電壓和零序電流的特征為依據進行選線的。也就是對于發(fā)生單相對地短路故障的系統，根據系統的零序電壓以及零序電流數值和相序關系進行選線。關于零序電流電壓法選線裝置，當檢測到故障位置零序電流最大值，將數值與零序電流幅值進行比較，進而判斷出故障線路。激勵法選線裝置使用時需要額外使用耦合設備，利用耦合設備向電網外加特殊信號，信號作為電壓互感器副邊的輸入信號，經過互感器耦合作用經由原邊進入母線進入接地線路，最終匯入接地故障點，電網發(fā)生接地故障的線路就會有電流信號，而沒有發(fā)生對地短路的線路不存在電流信號。根據上述原理，在電網中每條線路進行信號檢測，當主機沒有檢測到電流信號時，就可以判斷該條線路正常，如果檢測到電流信號，那么該條線路就是故障線路。圖2為利用激勵法原理的選線裝置。

4 結 論

隨著現代電力技術不斷進步，針對小電流接地系統故障選線研究已經取得了很多成果。文章針對小電流接地系統進行了論述，并對小電流接地系統故障進行了分析，最后對小電流接地系統發(fā)生單相接地故障選線技術進行了分析，利用小電流接地系統選線裝置可以對發(fā)生單相對地短路具體線路做出判斷，從而為故障電網快速恢復提供保證。

圖2 激勵法選線工作原理圖