小电流接地系统单相接地故障.pdf

毕 业 设 计（论 文）小电流接地系统单相接地故障 仿真与分析 系 别：机电信息学院：专业名称：电气工程及其自动化 学生姓名：学 号：指导教师姓名、职称：￥完成日期 2011 年 12 月 10 日论文题目：小电流接地系统单相接地故障仿真与分析 专 业：电气工程及其自动化 姓 名：赵 娜 （签 名）：指导教师：王清亮 （签 名）：摘 要 我国 366kV 中低压配电网大多数采用中性点非有效接地运行方式，俗称小电流接地系统。小电流接地系统的单相接地故障是常见的故障形式，占全网故障的 80%以上。当故障发生时故障相电压为零，非故障相电压上升为线电压，但是三相电压依然对称，系统可以带故障运行 12h，提高了系统运行的可靠性。但是必须尽快找出故障相并排除故障以免事故扩大和设备损坏。由于故障电流微弱、电弧不稳定等原因，小电流接地系统单相接地故障检测比较困难，接地线路的选择一直没有得到很好的解决，严重阻碍了供电可靠性和自动化水平的提高。因此，研究小电流接地系统单相接地故障特征，不仅对配电线路单相接地故障的快速准确定位和线路修复、可靠供电具有直接帮助，而且对整个电力系统的安全稳定和经济运行都具有十分重要的意义。本文首先对电力系统各种中性点接线方式做了简要介绍，分析了小电流接地系统两种不同的中性点接线方式的基本原理及运行特点，并对这些接线方式的运行参数进行了综合比较。在深入分析小电流接地系统单相接地故障时的稳态和暂态电气量的基础上，系统的研究了小电流接地系统单相接地故障的分析方法，总结论述了小电流接地系统正常时，各相电压电流的一些基本现象和基本规律；在发生单相接地故障后，系统电压电流的变化情况和各相对地电容电流及系统零序电压的情况。并且利用 Matlab 仿真软件搭建了小电流接地系统单相接地故障仿真模型，分别对小电流接地系统中性点不接地系统和中性点经消弧线圈接地系统进行仿真，通过设置统一的线路参数、仿真参数，给出了仿真结果及线路各主要参数的波形图，最后根据仿真结果，得出重要结论及以后注意的问题。关键字：小电流接地系统；单相接地故障；Matlab 仿真 Subject：Simulation and Analysis of Single Phase Grounding Fault for Small Current Grounded System Specialty：Electrical Engineering and Automation Name ：Zhao Na （Signature）：Instructor：Wang Qingliang （Signature）：Abstract Neutral non-effective grounded system is widely adopted in power distribute networks of 366kV in China,it also called small current grounded system,and the single-phase-to-earth fault happens most frequently in the system,almost 80%of all faults in the system.During occurrence of the fault,the voltage of the grounded phase down to zero and the voltage of the ungrounded phase up to the line voltage is still symmetrical under fault conditions,the system can keep operating for two hours.However the fault line must be detected quickly to avoid more seriously fault and destroying devices.The fault line detection is a difficult problem,especially in the resonance-grounded power system,because the small fault current and arcing effect etc.so the research of the fault line detection is very necessary and valuable.This article firstly introduces the neutral point connection mode of power system,analyzes the fundamental principle and its function characteristics of the two modes,and compares the parameters of each mode synthetically.This paper analyzes the steady and transient process of the small current grounded power system,especially on the resonance-grounded power system.The paper makes a model of the small current grounded system and simulates it.Furthermore,an unify simulated model of indirectly grounded power system is established in this paper,set equal line parameters and simulation parameters with the Simulink package of Matlab.Presents the simulation results and waves of primary parameters.Finally,point out the main problems of the indirectly grounded power system and theirs development orientation in the future.Key words:Small current grounded system;single-phase ground fault;Matlab 目 录 第 1 章 小电流接地系统单相接地故障的概况.错误!未定义书签。本课题的产生背景及研究的意义.错误!未定义书签。接地方式研究现状.错误!未定义书签。国外中性点接地方式的发展概况.错误!未定义书签。国内城乡配电网中性点接地方式的发展概况.错误!未定义书签。论文的主要工作.错误!未定义书签。第 2 章 小电流接地系统单相接地故障过程分析.错误!未定义书签。电力系统各种接线方式.错误!未定义书签。电力系统接线方式的分类.错误!未定义书签。小电流接地方式的主要特点.错误!未定义书签。小电流接地方式对选线的影响.错误!未定义书签。配电网接地方式的发展趋势.错误!未定义书签。小电流接地系统两种接地方式介绍.错误!未定义书签。中性点不接地方式原理综述.错误!未定义书签。中性点不接地方式运行状况分析.错误!未定义书签。中性点不接地方式系统特点.错误!未定义书签。中性点经消弧线圈接地方式.错误!未定义书签。中性点经消弧线圈接地方式运行状况分析.错误!未定义书签。中性点经消弧线圈接地方式系统特点.错误!未定义书签。两种中性点接地方式的综合比较.错误!未定义书签。中性点经高阻接地方式.错误!未定义书签。小电流接地系统单相接地故障稳态分析.错误!未定义书签。小电流接地系统单相接地故障暂态分析.错误!未定义书签。暂态时刻的电容电流.错误!未定义书签。暂态时刻的电感电流.错误!未定义书签。暂态时刻的故障特征.错误!未定义书签。本章小结.错误!未定义书签。第 3 章 小电流接地系统 MATLAB 建模与分析.错误!未定义书签。MATLAB 在电力系统中的应用.错误!未定义书签。MATLAB 简介.错误!未定义书签。SimPowerSystem 介绍.错误!未定义书签。常用元件.错误!未定义书签。系统构建.错误!未定义书签。小电流接地系统仿真模型构建.错误!未定义书签。中性点不接地系统的仿真及计算.错误!未定义书签。中性点经消弧线圈接地系统的仿真及计算.错误!未定义书签。主要研究结论.错误!未定义书签。中性点不接地系统的仿真结果与分析.错误!未定义书签。中性点经消弧线圈接地系统的仿真结果与分析.错误!未定义书签。本章小结.错误!未定义书签。第 4 章 结论和展望.错误!未定义书签。主要研究结论.错误!未定义书签。待解决的问题和展望.错误!未定义书签。参考文献.错误!未定义书签。致 谢.错误!未定义书签。引 言 电力系统是由发电、变电、输电、配电、供电、用电等设备和技术组成的将一次能源转换为电能的统一整体。电能由发电厂发出后，通过各级变电所经高压输电网送到电力用户侧，然后经配电网供给用户。一般来说，110kV 以上电压等级网络属于输电网，666kV电压等级属于配电网。配电网是电力系统的重要组成部分，在电力系统的各个环节中作为末端直接与用户相联系。电力系统中性点是指星形连接的变压器或发电机的中性点。电力系统中性点是否接地及以何种接地是涉及到绝缘水平、通信干扰、接地保护方式、电压等级、系统接线和系统稳定等多个方面的综合问题。中压配电网通常采用中性点不直接接地方式，其中性点接地方式主要有四种，即中性点不接地方式、中性点经消弧线圈接地方式、中性点经高阻接地方式、中性点经小电阻接地方式。1 我国的 666kV 配电网电力系统多属于小电流接地系统，一般采用中性点不接地或者中性点经消弧线圈接地的工作方式，因其发生接地故障时，流过接地点的电流小，又称中性点非有效接地系统。接地故障是指由于导体与地连接或对地绝缘电阻变的小于规定值而引起的故障。根据电力系统运行部门的故障统计，由于外界因素（如雷击、大风、鸟类等）的影响，配电网单相接地故障是配电网故障中最常见的，发生率最高，占整个电气短路故障的 80%以上。当发生单相接地故障时，由于不能构成低阻抗的短路回路，接地电流很小，故称为小电流接地系统。它的优点在于发生单相接地故障时多数情况下可以自动熄弧并恢复绝缘。当线路发生永久性单相金属接地故障后，三相系统的线电压仍然是对称的，大小与相位并不变化，但系统的接地相对地电容被短接，对地电压都变为零。为防止另一相在接地而引起两相短路甚至三相电路，因而必须限制一定时间内排除单相故障。长期以来，国内外电力领域的专家学者对小电流接地系统单相接地故障问题进行了大量的研究。发生单相接地故障时，以往采用的检测原理大多是基于故障时产生的稳态信号。但是由于稳态信号比较微弱，受外界因素及运行方式影响大，致使在实际的工程应用中难以提取有效地故障信号。而且，配电网络故障复杂多变，如系统中性点补偿度、各出线长度、故障点位置、过渡电阻大小、短路点电弧的发展等，这些条件的组合，使得在一种故障情况下工作良好的装置，在另一种情况下可能失效。因此，小电流接地系统单相接地保护看似简单易行但实践证明是非常复杂的，这也是一些国家不采用中性点非有效接地方式的主要原因之一。但毕竟小电流接地系统有着得天独厚的优越性，并在我国及其它国家被广泛应用，准确找准故障线路成为当务之急。2 现代电力系统是一个超高压、大容量、跨区域的巨大联合动力系统。配电网又是一个包含了很多不同电压等级的变压器、输电线路、电力负荷等设备的复杂网络。在这种情况下，进行很多电力科研实验条件是很难满足的，另外系统的安全运行也不允许进行实验。因此电力系统的稳定与故障分析往往离不开仿真研究。当前对小电流接地系统的仿真研究，采用计算机仿真程序建立数学模型，设置仿真参数进行离线仿真，以求取零序电流、零序电压的稳态值和暂态值。因此，采用规范的数学模型，一致的仿真参数，利用 MATLAB程序作为仿真的同一平台，对小电流接地系统单相接地故障的分析，就具有一定的现实意义。3 第 1 章 小电流接地系统单相接地故障的概况 本课题的产生背景及研究的意义 目前世界各国配电网大都采用小电流接地系统，可分为中性点经高阻接地系统，中性点不接地系统，中性点经消弧线圈接地系统。配电网是电力系统的重要组成部分，在电力系统的各环节中作为末端直接与用户相联系。一方面直接体现对用户的供电可靠性和电能质量；另一方面，配电网由于电压等级低、缺乏有效的优化运行手段，功率损耗普遍提高，是电力系统经济运行的挖潜大户。我国 366kV 电力系统大多数采用中性点不接地或经消弧线圈接地的运行方式，即为小电流接地系统。在小电流接地系统中，单相接地是一种常见的临时性故障，多发生在潮湿，多雨天气。发生单相接地故障时，由于不构成短路回路，接地短路电流比负荷电流小很多，故障相对地电压降低，非故障两相的相电压升高，但线电压却依然对称，因而不影响对用户的连续供电，系统可运行 12h。因而小电流接地方式可显著提高供电可靠性，同时也具有提高对设备和人身安全性、降低对通讯系统电磁干扰等优点。1 但是若发生单相接地故障时电网长期运行，因非故障的两相对地电压升高，可能引起绝缘的薄弱环节被击穿，发展成为相间短路，使事故扩大，影响用户的正常用电，还可能使电压互感器铁心严重饱和，导致电压互感器严重过负荷而烧毁。同时，长时间带故障运行极易产生弧光接地，引起全系统过电压，进而损坏设备，破坏系统安全运行。长时间运行会破坏系统的绝缘，对接入系统的线路、配电、变电设备等造成损害。为防止另一相再接地而引起两相短路，甚至三相短路，因而必须限制一定时间内排除单相故障。为快速找到故障线路并予以切除，提高供电可靠性和减少线路损耗，达到配电网的安全，经济运行。需要建立小电流接地系统单相接地故障的仿真模型并进行仿真和分析，可靠地检测出小电流接地系统故障线路是十分重要的。但是，故障电流微弱、故障电弧不稳定等原因，也造成了小电流接地系统的单相接地故障比较困难。目前对接地故障点的判断一直没有得到很好的解决。所以小电流接地系统单相接地故障是制约配电自动化发展的关键问题，也是当前电力系统的一个重要研究课题。2-5 接地方式研究现状 国外中性点接地方式的发展概况 配电网接地方式的问题在世界各国是一个很有争议的热点。为了减少单相接地故障造成的危害，各国采用了不同的方法。第一次世界大战时期，德国人彼得逊首先提出并发明了消弧线圈，提出了经消弧线圈接地的电力系统谐振接地方式，于是当时该国在各种电压等级的电网中性点广泛地采用了经消弧线圈接地方式，电网电压范围为 30220kV，后因 220kV 电网中事故较多，19 世纪60 年代就不再应用消弧线圈了。在柏林市的 30kV 电网中，共有电缆 1400km，其电容电流高达 4kA，也采用了经消弧线圈接地方式。前苏联曾规定 366kV 电网中性点采用经消弧线圈接地方式，莫斯科市配电电缆网络至今仍是中性点经消弧线圈接地的运行方式。美国在 20 世纪 20 年代中期到 40 年代中期，在 2270kV 电网中，中性点直接接地方式所占比例高达 72%，且发展很快，逐步取代了中性点不接地的运行方式，一直延续至今。英国 66kV 电网中性点采用电阻接地方式，而对 33kV 及以下由架空线路组成的配电网，中性点逐步由直接接地方式改为中性点经消弧线圈接地方式；由电缆组成的配电网，仍采用中性点经小电阻接地方式。1950 年以来，日本 20kV 电缆和架空线路混合电网一直采用中性点不接地方式，随着电缆的增加，为防止接地继电器的误动、拒动和中性点位移，采用经低值电阻器接地方式。1975 年统计，1133kV 配电网中性点不接地占 2%。采用电阻接地方式一般限制接地电流数值为 100200A。东京电力公司所属配电网中，其中性点接地方式为 66kV 电网分别采用中性点经电阻、电抗和消弧线圈接地；22kV 系统采用中性点经电阻接地方式。法国电力公司从 1962 年开始将城市配电网的标称电压定为 20kV，其接地方式采用中性点经电阻或经电抗接地，故障线路要求快速跳闸，但不考虑故障发生到故障切除这段时间中的接触电压和跨步电压。至 20 世纪 80 年代，法国电力公司对 20kV 配电网中性点接地方式提出了新要求，即瞬时间地故障电流应降低到 4050A，同时要求考虑接触电压和跨步电压和对低压设备绝缘危害等问题。20kV 电网对地电容电流小于 50A 时，采用中性点经小电阻接地方式；电容电流在 50200A 之间，则在电阻器旁边并联补偿电容器，及消弧线圈。意大利、加拿大、瑞典、日本和美国等在中压电网升压运行后，大部分都采用电网中性点直接接地方式。世界各国的配电网中性点在 20 世纪 50 年代前后，大都采用不接地或经消弧线圈接地方式；到 60 年代以后，有的采用直接接地和低电阻接地方式，有的采用经消弧线圈接地方式。4 国内城乡配电网中性点接地方式的发展概况 建国初期，我国各大城市电网开始改造简化电压等级，将遗留下来的 3kV、6kV 配电网相继升压至 10kV，解放前我国城市配电网中性点不接地、直接接地和低电阻接地方式都存在过，上海 10kV 电缆配电网中性点不接地、经电缆接地、经电抗接地 3 种方式并存至今。北京地区 10kV 系统中性点低电阻与消弧线圈并联接地。上海 35kV 系统中性点经消弧线圈和低电阻接地两种方式并存至今。但是，从 20 世纪 50 年代至 80 年代中期，我国 1066kV 系统中性点，逐步改造为不接地或经消弧线圈接地两种方式。20 世纪 80 年代中期我国城市 10kV 配电网中，电缆线路增多，电容电流相继增大，而且运行方式经常变化，消弧线圈调整存在困难，当电缆发生单相接地故障时间一长，往往发展成为两相短路。从 1987 年开始，广州区庄变电站为了满足较低绝缘水平 10kV 电缆线路的要求，采用低电阻接地方式。随后深圳、珠海和北京的一些小区，以及苏州工业园 20kV配电网采用了低电阻接地。90 年代上海 35kV 配电网也全面采用电阻接地方式。20 世纪 90 年代对过电压保护设计规范（SDJ-79）进行了修订，在新规程中，310kV配电网中单相接地电容电流降低为大于 10A 时，要求装消弧线圈。近年来，我国引进了大量的国外设备，由于各国的接地方式不同，各国设备的设计标准也不一致，特别是设备的耐压不同，要使用这些设备，首先必须决定电力系统的接地方式。因此在对接地方式的选择上引起争论。有的大城市已局部将配电网中性点不接地方式改为小电阻接地方式，以消除弧光接地过电压的产生，减少异相接地的发生。有的改为大电阻接地方式，以消除谐振接地过电压的危害。但大部分仍主张改为经消弧线圈接地方式，补偿系统的电容电流，使得单相弧光接地时，故障点电流减小，降低故障相电压的恢复速度，达到熄弧效果，从而避免了单相瞬时接地故障的跳闸，提高系统运行的可靠性。1 论文的主要工作 针对目前小电流接地系统故障选线普遍存在的缺陷和需要解决的问题，本课题对小电流接地系统单相接地故障时的特征进行了研究。目的是为了快速准确的确定故障线路并给以排除，提高供电可靠性。论文主要分为三部分:第一部分，主要是对小电流接地系统单相接地故障的概况，简述了国内外的研究现状及选题的目的意义。第二部分，主要论述了小电流接地系统的主要特点，三种不同的中性点接地方式，重点分析了中性点不接地和经消弧线圈接地系统发生单相接地故障时的情况，分别分析了故障时的稳态量和暂态量，分析了故障后的零序电流和零序电压产生过程。通过分析，得出一些可供我们故障选线的结论，形成了本论文的理论基础。第三部分，也是本文的重点内容，在分析小电流接地系统发生单相接地故障时的暂态和稳态过程电气量特征的基础上，通过应用 Matlab 软件的 Simulink 仿真工具包，建立小电流接地系统仿真模型，采用相同的参数设置，分别对小电流接地系统中性点不接地方式发生单相接地故障和小电流接地系统中性点经消弧线圈接地方式发生单相接地故障仿真，并分析研究。第四部分,结论和展望。第 2 章 小电流接地系统单相接地故障过程分析 电力系统各种接线方式 电力系统的接线方式是指三相电力系统的中性点以何种方式接地。电力系统中性点可以有多种接地方式，中性点可以直接接地，可以经过某元件接地，也可以不接地。中性点以何种方式与大地相接的问题在工程上就称为中性点的接地方式。中性点接地方式对电力系统运行的很多方面都有影响，是一个很重要、很复杂的问题。电力系统接线方式的分类 电力系统常用的接地方式有：中性点直接接地、中性点不接地、中性点经消弧线圈接 地（又称谐振接地）、中性点经电阻接地。其中，中性点经电阻接地方式按接地电流大小 又分为高阻接地和低阻接地。上述四种中性点接地方式又可归纳为两大类：1.中性点有效接地系统：中性点直接接地或经一低值阻抗接地。通常其零序电抗0X与正序电抗1X的比值小于或等于 3（即0X/1X3），零序电阻0R与正序电抗1X的比值小于或等于 1（即0R/1X1）.这种接地系统中性点接地阻抗小，当发生单相接地故障时，故障回路中将流过很大的短路电流，要求保护装置立即动作，线路终止供电，所以此类系统又称为大电流接地系统。2.中性点非有效接地系统：中性点不接地，或经一高阻值接地或消弧线圈接地的系统。通常本系统的零序电抗0X与正序电抗1X的比值大于 3（即0X/1X 3），零序电阻0R与正序电抗1X的比值大于 1（即0R/1X1）.此类系统由于中性点接地阻抗非常大，发生单相接地故障时电流很小，所以又称为小电流接地系统。6 小电流接地方式的主要特点 在我国 666kV 电力系统中普遍采用中性点不接地或经消弧线圈接地的小电流接地方式，当发生单相接地故障时，由于不能构成低阻抗短路回路，接地故障电流很小，系统线电压的对称性并不遭到破坏，系统还可继续运行一段时间，规程规定一般为 12h，为防止系统事故扩大，在接地运行的这段时间里必须设法排除接地点。该接地方式的主要特点：电流信号很小 小电流系统单相接地时产生的零序电流是系统电容电流，其大小与系统规模大小和线路类型有关，数值很小。对于 10kV 架空线路来说，每 30 公里线路大约产生 1 安培的零序电流，电缆线路产生的零序电流稍大一些。这样微弱的故障信号混杂在上百安培的负荷电流中，使得传统的基本过流、方向、距离等原理的继电保护装置根本不可能正确反映故障情况。经中性点接入消弧线圈补偿后，其数值更小，且消弧线圈的补偿状态不同。干扰大、信噪比小 小电流接地系统中的干扰主要包括两个方面：一是在变电站和发电厂的小电流系统单相接地保护装置的装设地点，电磁干扰大；二是由于负荷电流不平衡造成的零序电流较大，特别是当系统较小，对地电容电流较小时，接地回路的零序电流甚至小于非接地回路的对应电流。随机因素的影响不确定 我国配电网一般都是小电流系统，其运行方式改变频繁，造成变电站出线的长度和数量频繁改变，其电容电流也频繁改变；此外，母线电压水平的高低，负荷电流的大小总在不断地变化；故障点的接地电阻不确定等等，这些都造成了零序故障电容电流的不稳定。电容电流波形不稳定 小电流接地系统单相接地故障，常常是间歇性的不稳定弧光接地，因而电容电流波形不稳定。4 小电流接地方式对选线的影响 在配电网接地故障的处理中，逐渐形成了两个方向：一是采用大电流接地方式并在配电网各出线上配以快速继电保护，在出现短路电流时立即动作，迅速准确的切除故障线路，从时间上限制接地故障的危害；二是采用小电流接地方式配以集中选线装置，使电网在发生接地故障后继续运行而不影响用户正常用电，通过选线装置选出故障线路后才切除故障线路，最大限度保障供电可靠性。选线是指对于有多条出线的配电网在发生线路接地故障尤其是单相接地故障时，通过一定的方法对故障信息的分析、判断，选出故障线路的保护技术，选线主要应用于小电流接地系统中。现代选线装置要求能够配合小电流接地技术，在电网发生接地故障时及时、准确的选出故障线路，使运行人员根据需要断开故障线路进而排除故障。选线是在小电流接地技术发展、成熟的过程中逐渐发展完善的，现代微机、电子技术、信号处理、通讯技术、自动化技术以及测量技术的进展对现代选线技术的发展提供了足够的技术支持，目前它已经成为小电流接地系统中必不可少的技术。但选线和小电流接地方式尤其是谐振接地方式在对接地电流的要求方面是矛盾的：小电流接地方式要求流过故障点的电流小，越小越有利于熄弧；而选线要求流过故障点的电流大，越大越有利于突出故障特征，选线越准确。在小电流接地系统中，一方面用于选线的故障信号较弱，有效故障信号难以采集；另一方面故障线路的零序电流与非故障线路故障电流的分布趋于一致，故障线路的故障特征不明显，加之各出线的参数不尽相同，选线装置很难在这种情况下准确选出故障线路。到目前为止，小电流接地选线问题仍然是本领域内比较棘手的问题。许多选线装置目前虽然广泛使用，但没有一种装置能准确地检测出故障线路，选线技术需进一步改进和提高。就选线问题而言，配电网中性点不同的接地方式对选线的准确度影响也很大。采用不同接地方式的配电网在发生接地故障时，故障电流的特性有很大差异，故障电流的特性对选线装置的准确度有较大影响。4 配电网接地方式的发展趋势 电力系统中性点的接地方式是一个涉及到技术、经济、安全等多个方面的综合问题。它可划分为两类，凡是需要断路器立即断开单相接地故障者，属于中性点有效接地方式，也称大电流接地方式，包括中性点直接接地和经小电阻接地；凡是单相接地电弧能够自行熄灭者，属于中性点非有效接地方式，也称小电流接地方式。小电流接地系统包括中性点不接地（中性点绝缘）系统、中性点经消弧线圈接地（即谐振接地）系统、经高阻或中阻接地系统、经高阻抗接地系统以及由控制装置控制的灵活接地系统。大电流接地方式的优点是在系统发生单相接地故障时，系统的对地过电压小，电气设备的绝缘等级可以按相电压选择；故障点和中性点构成短路回路，故障线路的故障电流很大，线路的零序继电保护可以迅速、准确的将故障线路从系统中切除。但在大电流接地方式下无论瞬时性故障还是永久性故障，故障线路的继电保护均跳闸，跳闸次数大大增加，供电可靠性低；投入的继电保护设备成本较高。小电流接地方式中最有代表性的是中性点不接地和谐振接地方式。中性点不接地方式是我国配电网采用最早、运用最多的一种方式，同时也是小电流接地方式中最具代表性的接地方式。采用该接地方式的系统在发生单相接地故障时，在接地点和电网中性点之间不会形成短路回路，故障电流较小；虽然非故障相电压升高，但系统三相之间的线电压仍然对称，短时间内不影响用户的正常用电，供电可靠性高。在小电流接地方式中，中性点不接地方式在电网容量扩大、对地电容电流不断增大的新形势下，难以限制并熄灭故障电弧，且故障选线困难，限制了它的应用；谐振接地方式能够根据运行需要在故障时和非故障时灵活的切换，兼具其它小电流接地方式的优点，从综合经济技术指标来看，谐振接地方式优于其他小电流接地方式，是一种很有前途的新型接地方式，具有良好的应用前景。8 小电流接地系统两种接地方式介绍 中性点不接地方式原理综述 通常所讲的中性点不接地，实际上是经过集中于电力变压器中性点的等效电容接地的。中性点不接地方式结构简单，运行方便，不需任何附加设备，若是瞬时故障，一般能自动熄弧，非故障相电压升高不大，不会破坏系统的对称性，单相接地电流较小，单相接地不形成短路回路，运行中可允许单相接地故障存在一段时间。电力系统安全运行规程规定可继续运行 12h，从而获得排除故障的时间，若是由于雷击引起的绝缘闪络，则绝缘可自行恢复，相对提高了供电可靠性。中性点不接地系统的最大优点在于：当线路不太长时能自动消除单相接地故障，而不需要跳闸。中性点不接地方式因其中性点是绝缘的，电网对地电容中储存的能量没有释放通路。在发生弧光接地时，对地电容的能量不能释放，造成电压升高，从而产生弧光接地过电压或谐振过电压，其值可达到相电压的数倍，乃至数十倍，对设备绝缘造成威胁。此外，由于电网中存在电容和电感元件，在一定条件下，因倒闸操作或故障，容易引发线性谐振或铁磁谐振，这时线路较短的电网会激发高频谐振，产生较高谐振过电压，导致电压互感器击穿；配电网中存在较长线路时容易激发分频铁磁谐振，在分频谐振时，电压互感器呈较小阻抗，其通过电流将成倍增加，引起熔丝熔断或电压互感器过热而损坏。为解决中性点不接地单相接地时引起的一些后果，早期曾采取过故障相自动接地的措施，但由于这一措施不能解决过电压的问题，且无助于将故障线路选出，故不就被中性点经消弧线圈接地方式和中性点经电阻接地方式所取代。10 中性点不接地方式运行状况分析 简单网络图如下图 2-1 所示：0CCEBEAENUdCIBICBA0C0C 图 2-1 中性点不接地系统单相接地示意图 不论是架空线路还是地下电缆，各相导线之间以及每相导线与大地之间都存在着分布电容，如图 2-1（本文忽略了导线间电容）。一般来说，线路零序电容的大小与线路的长度、导线的半径、几何均距以及线路与地面的距离因素有关。在考虑线路充分换位的情况下，相间电容是相等的，并且三相的对地电容也是对称的。当系统发生单相接地时，中性点电位与地电位不等，中性点对地绝缘，必须存在对地电容，此电容很小，因此中性点对地阻抗很大，从而系统中任一点的零序阻抗都很大。对零序电流而言，线路或者其它元件的串联阻抗，比以线路对地导纳表示的并联阻抗小得多。因此在小电流接地选线问题的研究中，忽略这些串联阻抗，主要分析各相对地的电容电流组成的回路。如图 2-1 所示的简单网络，在正常运行时，忽略电源和线路压降，三相各相对地电容C 相等。在相电压的作用下，每相都有一超前于相电压 90的电容电流注入地中。由于三相电压对称，无零序电压；忽略三相负载不对称产生的不平衡电流，三相电流之和等于零，无零序电流。即：0U=31（AU+BU+CU）=0 （）0I=31（AI+BI+CI）=0 （）在如图 2-1 所示的小电流接地系统（中性点不接地）d 点发生 A 相金属性接地时，其向量图如图 2-2 所示，用AE、BE、CE表示电源的各相电动势。AIBICUBUAE0UCEBECI 图 2-2 A 相接地时向量图 各相对地电压为 AU=0 （）BU=ABEE=AE3e 150j （）CU=CE-AE=AE3e150j （）可见，故障相电压为零，非故障相对地电压升高为原来的3倍。因此，系统的零序电压为 0U=31（AU+BU+CU）=31（0+BU+CU）=-AE （）各相对地电容电流为 BI=0CjUB=jAEC03e 150j （）CI=0CJUC=jAEC03e150j （）AI=-(BI+CI)=j3AEC0 （）用E相电动势的有效值，则AI、BI、CI的有效值为 AI=30CE （）BI=CI=30CE （）故障线路始端的零序电流为零，即 30I=AI+BI+CI=AI+（-AI）=0 （）由此可见，对于单条线路，当发生单相接地时，流过故障线路的零序电流为零，所以零序电流保护不起作用。中性点不接地方式系统特点 中性点不接地方式对于低压配电网具有运行维护简单、经济，单相接地时允许带故障运行两个小时，供电连续性好等优点。目前，国内 35kV 以下电网还采用该运行方式，在该运行方式下，接地电流为线路及设备的电容电流。但是，由于该方式对电网电容电流及负荷水平有严格的限制，超过一定数值后将引起电弧接地过电压，故该方式已经不再适合配电网的发展。中性点不接地方式的主要缺陷有：对电容电流有严格的要求，根据电力规程，对 35kV 及以下系统，规定当 310kV电网电容电流小于 30A，20kV 以上电网电容电流小于 10A 时，可采用中性点不接地运行方式。中性点不接地电网发生单相接地时，中性点电位偏移，过电压水平高，持续的时间长。而目前在我国随着经济发展，城镇配电网中大量采用电流和各类封闭组合电器，甚至进口设备，这些设备一般绝缘水平一般较低，且一旦被击穿很难修复，因而不宜带单相接地故障持续进行。单相接地时，避雷器长时间在工频过电压下运行，易发生损坏，甚至爆炸。目前采用提高氧化锌避雷器运行电压的方法，可以避免爆炸事故的发生，但这并不经济，因而这种接线方式不利于无间隙氧化锌避雷器的推广使用。从保证人身安全的角度来说，不宜采用中性点不接地系统来保证供电连续性。11 中性点经消弧线圈接地方式 近年来我国城市配电网发展较快，电力电缆在城市配电网中大量使用，配电网的对地电容电流迅速增大，单相接地电弧难以自行熄灭。随着网络的延伸，电容电流也愈益增大，以致完全有可能使接地点电弧不能自行熄灭并引起弧光接地过电压，甚至发展成严重的系统性事故。采用中性点经消弧线圈接地方式，即在中性点和大地之间接入一个电感消弧线圈。中性点经消弧线圈接地方式通常称为谐振接地方式，该接地方式将带气隙的感抗可调的电抗器接在系统中性点和地之间，当系统发生单相接地故障时，消弧线圈的电感电流能够基本补偿电网的接地电容电流，使故障点的接地电流变为数值显著减小的残余电流，残余电流的接地电弧就容易熄灭。由于消弧线圈的作用，当残流过零熄弧后，降低了恢复电压的初速度，延长了故障相电压的恢复时间，并限制了恢复电压的最大值，从而可以避免接地电弧的重燃，达到彻底熄弧的目的。因此中性点经消弧线圈接地方式的可靠性大大的高于中性点不直接接地系统运行方式。随着工农业、城市建设的迅速发展，大容量负荷中心的增多及城网建设电缆化，不但每个站得出现增多了，而且架空线路逐步为电缆所代替，单相接地电容电流相应增大，因弧光不能自动熄灭而产生相间短路或因间歇性弧光引起的过电压事故也增多，为提高供电可靠性，按有关规程规定，以架空线路为主的 10kV 系统电容电流超过 10A 以上者，必须改为中性点经消弧线圈接地的补偿方式。中性点经消弧线圈接地方式中，消弧线圈的运行要求比较苛刻，如果补偿过多或过少，使得接地残流过大，则不易消弧，而刚好完全补偿，则容易产生谐振过电压，而且由于消弧线圈的补偿，接地残流过小，接地故障辨别、故障选线困难。当系统发生单相故障时，由于接地点残流很小，且根据规程要求消弧线圈必须处于过补偿状态，故障线路和健全线路流过的零序电流方向相同，故零序过电流、零序方向保护无法检测出已接地的故障线路。因目前运行在电网的消弧线圈大多为手动调闸的结构，必须在退出运行时才能调整，也没有在线实时检测电网单相接地电容电流的设备，故在退出运行中不能根据电网电容电流的变化及时调节，所以不能很好地起到补偿作用，仍出现弧光不能自行熄灭及过电压问题。不过，由于微机接地保护和微机选线装置的出现，尤其是近年来，自动调节消弧装置的出现，使得经消弧线圈接地方式存在的这些问题有了很好的解决，它能够在单相接地故障发生时，精确补偿系统电容电流，有效熄灭接地点的电弧，使得单相接地故障不致发展为相间短路而引起线路跳闸，从而保证了设备安全和可靠供电。可见，中性点采用经消弧线圈接地的电网具有很高的运行可靠性。中性点经消弧线圈接地方式运行状况分析 中性点经消弧线圈接地系统单相接地的电流分布如图 2-3 所示。cEbEaELLI01C02C121cI2cIfICB A 图 2-3 谐振接地单相接地故障时电流分布 假设某个时刻线路 2 发生了单相金属性接地故障，A 相某点接地，对地电容被短接，各电压、电流的相量关系如图 2-4 所示。aEbEcE0UcIbIcgUbgUfIbI 图 2-4 单相接地故障电压、电流相量图 其中，A 相对地电压变为零，非故障相 B 相和 C 相电压分别变为相对 A 相的线电压，幅值升高至3倍，中性点电压由零上升为aU。故障点零序电压为：0fU=31(agU+bgU+cgU)=-aE （）若忽略负载不对称引起的不平衡电流及对地电容电流在线路及电源阻抗上的电