不同接地系统的单相接地故障统一分析方法

黄少锋，郑 涛

(华北电力大学电气与电子工程学院，北京 102206)

0 引言

在“电力系统暂态分析”的课程中，对于单相接地的故障分析，采用的是对称分量法，并以大电流接地系统为例，根据故障端点处的边界条件形成相应的复合序网图［1］。但对于中性点非直接接地的小电流接地系统，我们不会采用上述方法进行分析。

根据中性点接地方式，电力系统可分为两大类:一类是大电流接地系统，即中性点直接接地系统;另一类是小电流接地系统，包括中性点不接地、中性点经消弧线圈接地及中性点经电阻接地系统［2，3］。中性点接地方式对复合序网图的形成过程会产生一定的影响。因为在中性点非直接接地的系统中，系统的零序电流没有直接形成通路，而是通过线路对地耦合电容产生的电容电流形成通路，因此在以前的分析中，我们都是利用零序等效网络图，通过零序电流在电容中的分布情况来进行分析。相较于复合序网法，这种零序序网分析法在分析时仅考虑零序电流，而不会涉及到正负序电流，学生学习时不清楚正负序电流的分布是否与零序相同，容易产生混淆。并且在学习零序序网法时，我们是通过对三相系统表示的电容电流分布图进行化简得到的零序等效网络图，等效化简的过程相对比较复杂，大部分学生没有真正理解其中的电流分布的物理过程。

本文以一个简单系统为例，在以前使用方法的基础上引入对地等值电容，并分析对地等值电容对单相接地故障下复合序网图形成过程产生的影响，提出一种通用的复合序网分析模型，以统一不同中性点接地方式下发生单相接地故障的分析方法。

1 大电流接地系统下的复合序网

以图1中所示系统为例分析单相接地故障下复合序网的形成过程。

图1 系统某处发生单相接地故障

假设大电流接地系统某处发生A相接地故障，利用复合序网进行故障分析，复合序网的构成方式由故障边界条件确定。对单相接地故障，各序分量的关系为［4，5］

根据式(1)，单相接地故障情况下的系统复合序网如图2所示。系统综合阻抗用Z∑表示，为系统开路电压。

图2 大电流系统单相接地故障复合序网图

2 小电流接地系统下的复合序网

当大电流接地系统发生接地故障时，由于在系统中形成了零序回路，故可以直接利用复合序网进行故障分析。但对小电流接地系统而言，由于在形成零序网时，构成的元件有所不同，故如图2所示的复合序网图不再适用于小电流接地系统。

中性点不接地，实际上是经过集中于电力变压器中性点的等值电容(绝缘状态欠佳时还有泄漏电阻)接地的，故中性点不接地系统可以视为经容抗接地的系统，该电容是由电网中电缆、架空线路、电机和变压器等所有电气装置的对地耦合电容所组成的。当其发生单相接地故障时的接地电流分布如图3所示。由于流经故障点的稳态电流是单相对地电容电流，所以与中性点直接接地系统相比故障电流很小。

图3 中性点不接地时单相接地电流分布图

当发生A相接地故障时，A相对地电压为零，线电压不变，而B和C两相对地电压升高倍，数值上与线电压相等。由图3可知，从故障点处A相接地点流过的电流是全系统非故障相电容电流之和:。故障时单相接地电流值为正常一相电容电流值的3倍。

同理，对于中性点经消弧线圈接地系统，其单相故障接地电流分布如图4所示。

图4 经消弧线圈接地单相接地电流分布

与中性点不接地系统不同之处在于，因在接地点增加了一个电感分量电流，此时接地点的总电流。由于电感电流与电容电流方向相反，故接地电流会因消弧线圈的补偿而减小。

由此可见，当小电流接地系统下发生单相接地故障时，无法直接采用如图2所示的复合序网图进行分析。考虑到在中性点非直接接地系统中接地电流分布图增加了对地电容元件，可以通过在图2的基础上增加对地电容元件来表示中性点非直接接地系统发生单相接地故障时的复合序网图。

2.1 中性点不接地系统下复合序网图

中性点不接地系统下的复合序网如图5所示。

图5 中性点不接地系统K(1)复合序网

图5中，C1、C2和C0分别表示对地等值电容的正序分量、负序分量及零序分量，且平均分布在相应的系统综合序阻抗的两侧，形成π型等值电路。

我们做如下化简:根据 1/ωC0≫Z∑(0)，因此 π型等值电路可以只考虑起主要作用的部分，从而可忽略Z∑(0)的影响;忽略负序网中左侧被短接的电容。因此可得到简化的复合序网，如图6所示。

图6 中性点不接地系统化简复合序网

用上述化简方法同样可忽略图6中C2/2、Z∑(2)和Z∑(1)的影响，从而得到该故障情况下的复合序网的最简形式，如图7所示。

图7 中性点不接地系统K(1)最简形式序网图

2.2 中性点经消弧线圈接地

若图4所示的系统的中性点经消弧线圈接地(过补偿且线圈感抗值为Xd)，则当系统中发生K(1)时，复合序网图如图8所示。

图8 经消弧线圈接地系统K(1)复合序网

对图8所示的网络进行化简，正序网络和负序网络部分的化简过程和图5相同，零序网络部分的化简如下:根据1/ωC0＜3Xd且 1/ωC0≫Z∑(0)，可忽略Z∑(0)的影响。最终化简结果如图9所示。

图9 经消弧线圈接地K(1)最简复合序网

3 不同接地系统复合序网统一模型

对中性点不接地系统和经消弧线圈接地系统，发生单相接地故障时，复合序网图都可以用图10来表示。

图10 不同接地系统复合序网图统一模型

若图10中虚线区域为短接形式，则该复合序网图对应大电流接地系统，如图11所示。

图11 大电流接地系统发生K(1)时复合序网

利用上一节的化简方法，我们可以将图11中的对地等值电容全部忽略，化简后得到的复合序网图和图1是一致的。因此，图10所示的复合序网图模型适用于不同接地系统。

4 结语

本文通过引入对地等值电容，给出了适用不同接地系统下发生单相接地故障的复合序网图统一模型，接地方式的变化只需要更改零序网络部分的接线形式，利用该模型可以实现不同接地系统的单相接地故障的统一分析。且通过使用统一的复合序网法，突出了中性点直接接地与非直接接地系统在发生单相接地故障时的区别和联系，加深学生对这部分知识的理解和认识，对两种方法进行统一贯通，增强学生分析不同故障情况的能力。

我们将本文的分析方法引入课堂后，可以达到如下的教学效果:①摈弃小电流接地系统原有的复杂、且难以记忆的方法，代之以学生熟悉的复合序网方法，概念清晰，容易理解与记忆;②将各种接地方式的不同分析方法都统一为复合序网图;③引导学生利用已知的知识进行分析和思路的开拓。

［1］ 李光琦 编著.电力系统暂态分析(第三版)［M］.北京:中国电力出版社，2007

［2］ 张保会，尹项根等 编著.电力系统继电保护［M］.北京:中国电力出版社，2007

［3］ 陈珩 编著.电力系统稳态分析(第三版)［M］.北京:中国电力出版社，2007

［4］ 袁钦成等编著.配电系统故障处理自动化技术［M］.北京:中国电力出版社，2007

［5］ 何仰赞，温增银 编著.电力系统分析.上册［M］.武汉:华中科技大学出版社，2002