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小电流接地系统单相接地故障特征分析及其应用

2023-10-25 88 上传者：管理员

摘要：小电流接地系统单相接地故障是一种典型的多发故障，长时间带故障运行可能引起整个系统的过电压，造成设备损坏等。本文基于单相接地故障的特点，从理论上分析了不接地系统、谐振接地系统，并量化分析暂稳态的零序电流值、故障前后配电网中各电气量的变化以及各馈线的故障特征。最后，应用本文方法对于一实际故障进行分析结果表明，选出恰当的角度对故障信息进行提取并定制合适选线方案具有一定意义。

关键词：
不接地系统
小电流选线
故障电流
谐振接地
零序电流
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目前，小电流接地系统广泛应用于我国大多数配电网中，主要由经消弧线圈接地系统以及中性点不接地系统两种系统组成，该类系统发生单相接地故障的概率高达80%以上[1,2]。由于该类系统在发生单相接地故障时，故障电流较小并且线电压仍能保持对称，因此可以带故障运行1～2 h。

随着社会和经济的不断发展，居民和企业的用电量逐步增加，配电电网更加复杂，电网中的引出线路也逐渐曾多，一旦发生单相接地故障，故障电流也因此增大，系统很难保持原有的动态平衡，长时间的带故障运行可能会造成孤光接地，从而引起整个系统的过电压，造成设备损坏，不利于供电系统的稳定运行。因此，充分了解小电流接地系统在发生单相接地故障时的特征，为合理选择选线算法提供充分的依据有着重要的意义。

目前单相接地故障选线问题一直是国内外研究的热点，目前已有多种方法被提出，针对小电流接地系统故障定位方法可以分为主动式与被动式定位方法两大类，主动定位法是指在系统发生故障后向故障线路注入特定型号，通过追寻这一特定信号判定故障位置；被动式故障定位方法是根据系统故障前后电流、电压的特征，设计定位判据并判定故障位置。

文本介绍了中性点不接地以及经消弧线圈接地方式的各自优缺点，分析了不同接地系统在发生接地故障时，故障稳态电流、故障暂态电流的特点，提出故障定位技术研究线路。

1、小电流接地系统单相接地故障理论分析

充分了解小电流接地系统在发生单相接地故障后电网中各馈线的电气量变化，对于排除系统故障有着十分重要的意义，系统故障电流、故障电压是选线装置研究的重要理论数据。为了方便针对不同接地形式下各电气量变化的研究，建立了如图1所示的接地系统简化模型。

图1 小电流接地系统简易电路模型

1.1 不接地系统理论分析

中性点无人为加以接地的系统称为中性点不接地方式，这种电力系统的中性点是浮动的。图1所示的系统中，当接触器K1断开时，系统的中性点为不接地状态。Ea、Eb、Ec为等效电压源，C01、C02、C03为馈电线路对地电容，且C01=C02=C03,当系统未发生故障时，系统的各相处于平衡的状态，电压、电流的矢量值为对称值，在非故障情况下系统中性点的电位为0,即Un=0(见图2)。当系统发生单相接地故障同时接地电容电流很小的情况下，系统不会形成稳定的接地电弧，故障点电弧可以迅速自熄，熄灭后绝缘可以自行恢复，无需使线路断开，通常可以带故障运行1～2 h, 提高了电网供电可靠性。但是在发生单相接地故障时，会产生弧光重燃过电压，对系统设备的绝缘水平要求较高。

图2 中性点不接地系统正常运行时电流电压关系

1.1.1 稳态时期故障分析

当A相发生单相接地故障，故障电流很小时，只使三相对地电位发生变化，故障相电压变为零，中性点位移电压升至UEN=EA,此时电压电流关系成图3中的状态。

图3 中性点不接地系统A相接地故障时电压电流关系

从图3中可以看出，系统各电气量的变化如下：

1)接地故障状态下，系统各电气量不再对称，三相电压矢量和不再为零，会产生零序电压U

,如公式(1)所示。U˙0=13(U˙A+U˙B+U˙C)=−E˙A

2)当故障相电压变为零时，非故障相电压上升至线电压，如公式(2)所示。

3)所有非故障相的零序电流大小与线路的相对地零序导纳成正比，此时零序电流的方向为母线流向线路；故障相的零序电流大小为非故障相零序电流之和[3],方向为线路流向母线。

1.1.2 暂态时期故障特征

当系统发生单相接地故障时，系统会经历一个暂态的过程，此过程中的故障电流峰值为稳态时的若干倍，且零序电流中存在大量的高频分量，利用该特点能精准的检测故障信息，作为故障选线的有力依据。将系统简化为图4所示的简易模型。

图4 不接地系统暂态电路模型

图4中各电气量关系可体现为式(3)。

R0iC+L0diCdt+1C0∫iCdt=Umsin(ωt+φ) (3)

其中：R0表示等效线路阻抗；iC表示线路对地电流；C0表示线路对地电容；L0表示等效线路电感。当R0>2L0/C0−−−−−√时，此时系统为阻尼状态，零序电流表现为非周期震荡特性同时伴随衰减；当R0<2L0/C0−−−−−√时,系统为欠阻尼状态，零序电流表现为周期震荡特性同时伴随衰减。暂态电流可采用式(4)表示。

式中：iCst为稳定分量；iCos为暂态分量。

1.2 谐振接地系统理论分析

该系统简化电路模型如图5所示，当K1闭合式，系统中性点通过消弧线圈进行接地，该种网络结构称为中性点经消弧线圈接地系统。

1.2.1 稳态时期故障特征

此时系统的接地电流包含电容电流以及由于消弧线圈的接入而产生的电感电流，其电气量关系可表示为式(5)。I˙D=I˙L+I˙C

(5)式中：I˙L表示电感电流；I˙C表示电容电流；N点处的电压与消弧线圈的电压存在数值相等，方向相反的关系，因此I˙L可以表示为式(6)。I˙L=U˙NjωL(6)

图5 谐振接地系统单相故障对地电容电流下载原图

通常将电容电流与电感电流的比值称为补偿度，用K表示，其表达式为：K=ILIC (7)

当K>1时，系统处于过补偿的状态，电感电流中和了系统发生故障时的电容电流，并预留部分电感电流，系统此时还具有增加出线数量的能力，并能够安全稳定运行；

当K=1时，表示消弧线圈产生的电感电流与线路的电容电流恰好抵消，系统处于谐振状态。谐振时系统容易产生过电压，对系统安全存在一定的威胁，若不及时发现，会产生严重的经济损失；

当K<1时，系统处于欠补偿的状态，消弧线圈产生的电感电流不足以抵消线路产生的电容电流，虽然能够起到抑制作用，允许短时间的运行，但是随着电网规模的扩大，系统的故障电流也增加，此时的消弧线圈已不足以维持系统的安全稳定运行。

1.2.2 暂态时期故障分析

通过前面分析可以得出：无论是哪种方式接地的小电流系统，在稳定时期的零序电流值都非常小，这对于故障选线非常不利。在故障发生后的四分之一到一个周期内，暂态时期的故障电流幅值可达稳定期的几倍到几十倍，这种暂态信息分析更有利于选线，系统故障时的状态可简化为电路图6。

图6 谐振接地系统单相接地故障暂态等效电路

1)暂态对地电容电流。

由谐振接地系统单相接地故障暂态等效电路可得出以下公式：

R0iC+L0diCdt+1C0∫t0iCdt=Umsin(ωt+φ) (8)

式中：ω为系统角频率；φ为故障合闸角[4]。

当R0>2L0/C0−−−−−√时，暂态零序电流表现为非周期震荡特性同时伴随衰减，此时线路中的自由分量趋于稳定；当R0<2L0/C0−−−−−√时，暂态零序电流表现为周期震荡特性同时伴随衰减，为稳态工频分量。在故障合闸角φ分别为0°和90°时，能达到最大值。

2)暂态电感电流。

在故障发生的瞬间，电感线圈还没有产生感性电流，假设此时的微分方程为初始状态，可得电感电流iL为下式：

iL=ILm[cosφet/τL-cos(ωt+φ)] (9)

式中：ILm=Um/ωL为电感电流幅值；τL为时间常数。

3)暂态接地电流。

暂态接地电流中包含电感电流中的暂态直流分量和电容电流中的暂态自由震荡分量，由公式(8)可计算得出电容电流iC,暂态接地电流公式可表达为：

从上述公式可以看出，暂态接地电流的大小与故障角度有关。当故障角度为90°时，电容电流值最大，电感电流值为0;当故障角度为0时，电感电流达到最大值，电容电容值为0。电感电流仅存在于接地线，并且为衰减的直流分量，暂态的电容电流在整个系统中都有体现，在故障线路及正常运行的线路中都有电容电流，因此零序电流的整体流向主要体现在暂态时期的电容电流中。

2、案例分析

小电流选线装置在长岗污水处理厂三期工程中得到应用。长岗污水厂总负荷6 260 kVA,设置1处10 kV开闭所，共4路出线至厂区内变电所。由于污水厂内环境潮湿，存在线路接地风险，设计方案中在10 kV开闭所内选用XRA-600小电流选线装置，当系统发生单相接地故障时，发生故障回路的零序电流值将会增加，当达到保护装置的跳闸时，保护装置会自动切除故障线路，保护10 kV系统正常运行；当零序电流值较小，达不到跳闸值时，小电流选线装置会判断故障线路，可以迅速地把故障线路切除出系统，保证电气系统稳定。目前污水处理厂已投入运行，截至目前，装置运行正常，能在发生故障后及时动作并发送报警信息，该装置的投入使用缩短了选线时间，减少倒闸操作量，避免对厂区内正常线路的停电，减少安全生产事故，延长开闭所设备的检查周期，减少了设备检修费用。

3、结语

本文对电力系统不接地系统和谐振接地系统进行了理论分析，对暂态时期的故障分析对于提高小电流选线系统的精准性具有重要意义，因而为故障选线提供了理论依据。得到结论如下：

1)母线在发生单相接地故障时，出线的零序电流极性相同，均有母线流向馈线，通过此特征可以区分馈线故障和母线故障；

2)暂态电流远大于稳定时的零序电流，且稳态持续时间仅为0.5～1个工频周波，持续时间短[5];

3)正常线路的零序电流方向为母线流向馈线，发生故障时的零序电流方向恰好相反，由线路流向母线，并且幅值要大于正常线路零序电流。

通过上述分析可以看出，暂态时期的故障信息在小电流选线中具有重要意义，对于两种不同的小电流接地系统均可适用。通过对暂态时期的故障分析，对于提高小电流选线系统的精准性具有重要意义。

参考文献:

[1]高翔,张沛超.数字化变电站的主要特征和关键技术[J].电网技术,2006,30(23):67-71,87

[2]李兴源,魏巍,王渝红,等.坚强智能电网发展技术的研究[J].电力系统保护与控制,2009,37(17):1-7

[3]孟庆宇.基于多点信息的配电线路单相接地故障定位方法的研究[D].天津:天津大学,2009

[5]刘谋海,方涛,姜运,等.基于暂态主频分量相关性分析的故障选线方法[J].电力系统保护与控制,2016,44(2):74-79

文章来源:关荣根.小电流接地系统单相接地故障特征分析及其应用[J].水电与新能源,2023,37(10):39-42.