小电流接地系统单相接地故障分析及预防措施

李建鸿，夏金亮，蒋 伟

（南京南瑞继保电气有限公司，江苏 南京 211100）

0 引言

中压配电网络直接与广大电力用户相连，其结构复杂且分布广泛，配电网络中性点接地方式的选择与供电可靠性、人身及设备安全、绝缘水平等密切相关［1-3］。国内3～66 kV中压配电网采用的中性点接地方式大都为中性点非直接接地方式，主要分为中性点不接地、中性点经消弧线圈接地及中性点经小电阻接地3种［4-5］，由于发生瞬时接地故障时接地点电流较小，不至于引起开关跳闸，因此保证了供电的可靠性，但若发生永久接地故障，为了避免进一步发展为多相短路故障及由于非故障相电压升高导致绝缘损坏等故障扩大现象，根据国家电网公司规范文件Q/GDW 10370《配电网技术导则》要求在此期间必须就近快速隔离故障，以免扩大事故，必要时进行负荷转供。上述3种配电网中性点接地方式中，中性点经小电阻接地方式因其可有效解决弧光接地过电压问题，同时能快速切除故障［6-7］，因此，在采用全电缆电路或以电缆电路为主及环网供电方式的城市配网系统中逐渐得到应用。而中性点不接地与中性点经消弧线圈接地方式，虽然存在弧光接地过电压问题，但仍是目前配电网中性点主要运行方式［8-10］，故针对中性点不接地、中性点经消弧线圈接地方式开展相关工作并提出相应的预防措施。

在中压配电网故障中，受自然因素、人为破坏、配电设备自身因素及配网管理疏忽等方面原因造成的单相接地故障占所有故障80%左右［11］，因此需重点对配电网单相接地故障进行分析并制定预防措施，提高配电网供电连续性。某城市配网10 kV线路大多以架空线路为主，对中性点不接地及经消弧线圈接地时的配电网系统进行单相接地故障理论分析，并借助仿真平台对采用中性点不接地方式的某35 kV变电站1号主变压器及4条10 kV出线构成的配电网系统进行单相接地故障分析，根据各出线架空线路、电缆线路参数得到10 kV出线发生单相金属性接地及经不同过渡电阻接地时的故障点电流、三相电压及电流、零序电压及电流大小变化情况，在深入分析单相接地故障的基础上给出了相应的预防措施。

1 小电流接地系统单相接地故障

在对10 kV线路的分析中，将其负荷在配电网变压器高压侧进行等效，因此等效负荷为中性点不接地方式，所以虽然配电网系统发生了单相接地故障，但上级变电站10 kV电源侧三相线电压保持对称，系统仍能正常运行，配电网变压器高压侧不接地使得负荷对10 kV线路单相接地故障点电流无影响，接地故障电流只受线路参数及变电站主变压器接地方式影响，因此，以下分析中将负荷忽略并以一回线路为例。

1.1 中性点不接地

当10 kV配电网系统正常工作时三相线路对地电容相等，三相线路对地电容电流和为0，三相线路对地电压为正常相电压U，当A相发生单相金属性接地故障时，系统潮流分布如图1所示。

图1 中性点不接地系统单相接地

图中，uA，uB，uC分别为主变压器 10 kV 侧电源A，B，C 三相相电压；iA，iB，iC分别为主变压器 10 kV侧电源三相电流；CA，CB，CC分别为三相线路对地电容，正常运行方式下三相线路对地电容大小均为C。

当A相发生金属性单相接地时，A相对地电压变为0，非故障相B，C相对地电压升高为线电压，由于非故障相电压升高，其对地电容电流iCB，iCC增大，而A相对地电容被短接，由图1电流流向可得：iA=-ik=iCB+iCC，其有效值变为3倍正常情况下单相对地电容电流，即Ik=3ωCU，ω为50 Hz交流系统对应的角频率，其大小为314 rad/s。

可见，对于中性点不接地系统，当线路发生单相接地故障时，若对应接地电容较大，则接地电流较大，当10 kV单相接地故障电流超过30 A时，将会在接地点产生断续电弧，并引发过电压。为有效减小单相接地故障电弧电流，对此类供电系统考虑采用系统中性点经消弧线圈接地方式。

1.2 中性点经消弧线圈接地

中性点经消弧线圈接地的配电网系统单相接地故障电路如图2所示。

当站内主变压器采用中性点经消弧线圈接地方式时，在正常情况下中性点对地电压近似为0，消弧线圈无电流流过。在线路发生单相接地故障时，故障点接地电流中增加了感性电流iL，其方向与对地容性电流相反，因此两者相互抵消，使总的接地电流减小甚至接近于0，为避免出现容抗与感抗相等从而引发电磁谐振，实际运行中采用过补偿的方式，使单相接地时流过消弧线圈的电流大于总的对地电容电流。

图2 中性点经消弧线圈接地系统单相接地

为达到过补偿效果，用ν表示过补偿度，消弧线圈电感计算公式为

得到消弧线圈电感大小为

2 系统仿真

为更进一步说明中性点小电流接地方式配电系统线路单相金属性接地及经过渡电阻接地故障前后线路三相对地电容电流、线路三相对地电压、接地故障点电流变化情况，以某配电网中35 kV变电站1号主变压器及其4条10 kV配电线路为例借助仿真平台建立配电系统模型，并进行单相接地故障的详细分析。为便于分析线路故障前后对地电容电流的变化情况，以及考虑到单相接地故障时负荷不影响对地电容及故障电流且不影响负荷正常工作，因此在仿真平台中不考虑负荷的影响。该主变压器的型号为 SZ9-10000/35， 电压等级为 35 kV/10 kV，4 条10 kV出线的架空及电缆长度如表1所示。

表1 各出线线路长度 km

将架空线路部分用π型等值电路模拟，其单位长度正序及零序参数如表2所示。

表2 架空线路单位长度正序及零序参数

电缆线路部分用集中电容表示，由于电缆长度较短，主要考虑其对地电容，大小为0.27 μF/km。

对于主变压器中性点不接地的配电系统，当10 kV出线4的A相在0.1 s时刻发生金属性单相接地故障时，母线三相对地电压及三相电流波形如图3所示，可见A相线路对地电压近似为0，中性点电压上升为相电压，B，C相对地电压升高到线电压。由于忽略负荷影响，iB，iC即表示4回出线总的B，C相对地电容电流，可见由于故障后对地电压升高，对地电容电流增大，故障后A相电流有效值为故障点接地电流有效值。

图3 系统中性点不接地时三相电压电流波形

故障点接地电流波形如图4所示，其幅值为6.12 A，由于接地点电流未达到能引起接地点处燃弧所需的电流值，因此主变压器采用中性点不接地的方式适用于该配电网系统。

图4 单相接地故障点电流波形

将各10 kV出线线路首端三相对地电压相加除以3即可得到各出线零序电压uo，在正常运行时三相线路对地电压对称，零序电压为0，而发生单相接地短路时，故障相对地电压为0，非故障相对地电压变为线电压，因此零序电压不再为0，对于接在同一母线的不同回路，任一线路发生单相接地故障时各回路零序电压相同。不同回路首端三相电流之和再除以3可得到各回路零序电流io。10 kV出线3和10 kV出线4的零序电压电流波形如图5所示。

图5 非故障回路零序电压电流

可见，对于非故障回路，其零序电压波形滞后零序电流波形90°，而对于故障回路，其零序电压超前零序电流90°，且故障回路零序电流更大，这是因为非故障回路的零序电流主要为非故障相B相、C相的容性电流之和的1/3，而故障回路零序电流为4回线路所有B，C相电容电流之和取负数的1/3，由于包括了所有故障相对地电容电流，因此零序电流更大，两者之间的差别构成了中性点不接地系统配电线路二次保护中单相接地故障回路基波零序电流比幅比相选线法的基本原理。

为模拟实际中常出现的如树枝接触线路等单相经过渡电阻接地的故障情况，通过改变故障点过渡电阻Re大小得到相应的电压电流有效值如表3所示。

表3 单相接地故障点不同过渡电阻时电压电流值

由表3可见，当接地点过渡电阻较小时，接地电流较大，故障相对地电压接近0，非故障相对地电压接近线电压，对设备的绝缘造成危害，也使得电能大量损失。当过渡电阻变化范围较小时，接地电流值变化不大，随着过渡电阻变大，接地点电流变小，故障相对地电压逐渐变大，非故障相对地电压逐渐减小，使得非故障相对地电容电流减小，极限情况就是过渡电阻为无穷大及不发生单相接地故障，因此在发生金属性单相接地故障时，为避免事故扩大，应在短时间内找到并切除故障。

3 预防措施

由于10 kV配电网发生单相接地故障的频率较高，因此有必要制定专门的预防措施来尽量减少此类故障的发生，从而提高供电可靠性。

1）加强对配电网络的巡视管理，采用定期或不定期的方式对配电线路、设备展开巡视工作，主要检查导线在绝缘子上的绑扎是否牢固，导线与建筑物、树木的距离是否在安全范围，金具固定螺丝有无松动，拉线、裸导线有无断股，导线弧垂是否过小或过大等。

2）电力公司应积极进行用电安全宣传知识，提高广大电力用户保护电力设施的意识，避免发生人为破坏、偷盗电力设施的情况。

3）应定期对配电线路上分支断路器、避雷器、绝缘子等设备进行绝缘测试，及时发现并更换不合格试品。

4）应定期对配电变压器进行试验，发现存在的问题并及时维修或更换。

5）在各个分支线路加装断路器，以缩小停电面积和停电时间，并有助于快速隔离、发现故障。

6）在重要10 kV配电线路区域加强避雷设施的安装，以及采用其他避免自然环境造成配电线路单相接地故障的措施。

4 结语

对某配电网络结构中不接地与经消弧线圈接地2种方式下的单相接地故障进行理论分析，并进行系统仿真，仿真结果表明在发生金属性单相接地故障时，有引起事故扩大的风险，应在短时间内找到并切除故障。针对小电流系统运行方式，发生单相接地故障频率较高的情况下给出明确的预防措施，对于现场实际生产工作具有一定的指导意义，下一步将继续针对小电流接地选线方面开展研究工作。