小电流接地系统单相接地故障及选线技术探析

2020-06-22杨桂生

通信电源技术 2020年7期

杨桂生

（国网江苏省电力有限公司溧阳市供电分公司，江苏溧阳 213300）

0 引言

根据相关统计，在中压配电系统中，由于单相接地故障导致的系统故障比例达到了80%，对于单相接地故障进行分析并制定预防措施是保护配电系统的重点措施，从而提高配电网供电的稳定性。我国的中压配电系统对中性点采用非直接接地方式，其中包括中性点不接地、中性点经过消弧线圈接地以及中性点经过小电阻接地三种方式。在这三种方式中，当发生短时接地故障时接地电流很小，从而不容易引起开关跳闸动作，对于电力供应起到可靠保障。同时，采用中性点非直接接地的方式，可以解决弧光接地过电压问题，并且能够快速切除故障点，因此在我国配电网络中得到了广泛应用。

1 小电流接地系统概述

1.1 中性点不接地系统

在中压配电系统中，中性点不接地系统指的是通过一定的容抗进行间接接地的配电系统。系统中的零序阻抗呈现容性，系统发生接地单相接地故障的时候，由于接地系数k＜0，并且ΔU数值比相电压要高，导致非故障相电压会比线电压数值偏大。与中性点直接接地系统相比，此类电力系统具有更高的可靠性，发生短时接地故障时，导致断路器发生跳闸的概率小。尤其是发生瞬时接地故障的时候，由于此类供电系统的故障电流几乎全部是对地电容的电流值，所以不会造成供电设备的损坏。中性点不接地系统同时存在如下缺点[1]。

（1）当系统发生单相接地故障的时候，可能导致非故障线路电压快速升高，最大值可以达到额定相电压的数十倍，会导致绝缘损坏而影响系统供电。因此对于中性点不接地系统发生单相接地故障时需要保证在2 h之内排除故障。

（2）由于系统发生单相接地故障时，故障线路经过对地电容进行放电，所产生的电弧形成周期性重燃现象，造成系统电压过高，同样会导致线路绝缘受损。

（3）当发生对地故障时，线路经放电电容电流足够小之后，电弧消失，此时会导致电压互感器铁心形成饱和效应，致使中性点产生过电压，造成互感器损坏或者高压熔丝发生熔断现象。

1.2 经消弧线圈接地方式

经过消弧线圈的非直接接地系统又称为谐振接地系统。消弧线圈的原理是采用补偿电流的方式进行接地，因此还称为接地补偿装置。消弧线圈实质上是一种可调电感线圈，按照补偿电流调节的方式可以分为分级调节以及无机调节方式，按照调节方式还可以分为手动调节方式和自动调节方式。目前，我国使用的消弧线圈以手动调节分级式为主。近些年，自动调节消弧线圈逐渐得到了应用。在发生电箱接地故障时，通过消弧线圈使接地电弧熄灭主要原理如下[2]。

（1）发生接地故障时，故障线路对地形成的电流由消弧线圈产生的电流补偿掉，从而使得接地故障电流减小，导致接地电弧熄灭。

（2）当接地电弧熄灭之后，消弧线圈限制故障相电压的幅值变化速度，从而使接地电弧彻底熄灭。由于消弧线圈抑制了接地电流，从而使得电弧电动力得到限制，从而使热效应破坏作用得到了缓解，避免了发生接地故障之后的反复故障现象，使得故障相绝缘作用可以抵抗由于故障导致的过电压损坏。最终接地电弧能够彻底熄灭，补偿电网投入运行。

2 单相接地时的故障分析

2.1 单相接地故障暂态过程分析

在配电网中最常出现的故障就是单相接地故障，在中性点不接地系统中，由于系统三相线路平衡，形成的对地电容值相等，在系统正常运行期间，三相线路同时对电容进行充电，线路对地电压稳定。由于三相平衡因此形成的对地电容形成的电流平衡，因此电容流过的零序电流为零。如果系统发生单相对地短路故障时，从消弧线圈产生的电流对电容电流进行补偿，使得接地电弧迅速熄灭。图1为发生单相对地短路故障时系统等效电路[3]。

图1 单相对地短路故障时电网等效电路

当A相发生对地短路时，此时A相与大地具有相同的电位，导致A、B相电压迅速升高。系统对地充电电路不平衡，导致三相电压不对称。三相对地电流不对称导致产生了零序电压分量以及零序电流分量。根据三相电路零序电压产生原理，可以将系统中形成的零序电压向量由公式（1）表示。

2.2 消弧线圈的动作分析

在经过消弧线圈接地系统中，当系统发生单相对地短路故障的时候，消弧线圈会发生动作，此时是正常动作现象，如果没有发生单相对地短路故障而发生了消弧线圈动作现象，就是异常现象。导致消弧线圈发生异常动作的原因主要包括如下几种：一种是由于系统线路出现不对称严重、电网电压出现波动、电网频率变化、或者过电压现象，这些现象都会导致系统中性点位移度变高；另外一种是在中性点所接消弧线圈前端变压器发生断路、电网出现阻尼降低或者系统消弧线圈动作值设定不合理等。由于这些原因导致的消弧线圈误动作存在一定的危险性，必须在发生异常动作之后，迅速查明原因、采取适当措施，避免发生事故。

在经过消弧线圈接地的电网中，对保护参数的设置通常采用的是电流五次谐波分量作为保护动作值。对于消弧线圈接地系统发生单相对地短路故障时，可以采用接入有效电阻的方式，从而使系统故障电流产生更多的有功分量，进而利用零序电流保护方法快速切出故障点。

3 接地系统选线研究

3.1 选线原理

（1）中性点不接系统选线

当检测到供电系统母线发生故障，导致该段母线零序电压值升高的时候，需要进一步检测该段母线负荷出线的零序电流值，将检测出的电流选择三组最大值取平均值，并选择最小值取平均值，将两组平均值进行比较，并对比相位关系，如果相位符合零序电压超前零序电流90°，则选线时按照出线选择，如果零序电流超前零序电压90°，则选线时按照母线选择[4]。

（2）中性点经消弧线圈接地系统选线

根据电力行业相关标准要求，对于3～l0 kV的电网系统中，如果发生单相对地短路故障时，故障电流值超过30A的情况，系统中性点需要经过消弧线圈接地；而对于3～l0 kV架空线路供电系统以及所有的35 kV、66 kV等级的供电网络，如果发生单相对地短路故障时，故障电流值超过10 A的情况，需要中性点经过消弧线圈接地。当中性点经消弧线圈接地系统发生单相对地短路故障时，可以通过在消弧线圈暂时并联一组有效电阻的方式，使发生故障位置瞬时产生较大的有功分量，利用此时的有功分量电流值作为选线依据。当故障点对地电弧完全消除以后将电阻切除。当所并联的电阻形成的有功分量足够大时，就可以满足选线目的。

3.2 小电流接地选线装置

根据选线原理的不同可以将小电流接地选线装置分为两种形式：零序电流电压法和激励法。零序电流电压法进行选线的原理是利用系统零序电压和零序电流的特征为依据进行选线的。也就是对于发生单相对地短路故障的系统，根据系统的零序电压以及零序电流数值和相序关系进行选线。关于零序电流电压法选线装置，当检测到故障位置零序电流最大值，将数值与零序电流幅值进行比较，进而判断出故障线路。激励法选线装置使用时需要额外使用耦合设备，利用耦合设备向电网外加特殊信号，信号作为电压互感器副边的输入信号，经过互感器耦合作用经由原边进入母线进入接地线路，最终汇入接地故障点，电网发生接地故障的线路就会有电流信号，而没有发生对地短路的线路不存在电流信号。根据上述原理，在电网中每条线路进行信号检测，当主机没有检测到电流信号时，就可以判断该条线路正常，如果检测到电流信号，那么该条线路就是故障线路。图2为利用激励法原理的选线装置。