小电流接地系统接地故障分析.doc

小电流接地系统
单相接地故障分析与检测
为了提高供电可靠性，配电网中一般采取变压器中性点不接地或经消弧线圈和高阻抗接地方式，这样当某一相发生接地故障时，由于不能构成短路回路，接地故障电流往往比负荷电流小得多，因而这种系统被称为小电流接地系统。
小电流接地系统中单相接地故障是一种常见的临时性故障，当该故障发生时，由于故障点的电流很小，且三相之间的线电压仍保持对称，对负荷设备的供电没有影响，所以允许系统内的设备短时运行，一般情况下可运行1-2个小时而不必跳闸，从而提高了供电的可靠性。但一相发生接地，导致其他两相的对地电压升高为相电压的3倍，这样会对设备的绝缘造成威胁，若不及时处理可能会发展为绝缘破坏、两相短路，弧光放电，引起去系统过压。然而当系统发生单相接地故障时，由于构不成回路，接地电流是分布电容电流，数值比负荷电流小得多，故障特征不明显，因此接地故障检测仍是一项世界难题，很多技术有待克服。
单相接地故障分析
当任意两个导体之间隔着绝缘介质时会形成电容，因此在简单电网中，中性点不接地系统正常运行时，各相线路对地有相同的对地电容C0，在相电压作用下，每相都有一个超前于相电压900的对地电容电流流入地中，然而由于电容的大小与电容极板面积成正比而与极板距离成反比，所以线路的对地电容，特别是架空线路对地电容很小，容抗很大，对地电容电流很小。
系统正常运行时，如图1，由于三相相电压UA、UB、UC是对称的，三相对地电容电流Ico.A、Ico.B、Ico.C也是平衡的，因此，三相的对地电容电流矢量和为0，没有电流流向大地，每相对地电压就等于相电压。

图1中性点不接地电力系统电路图与矢量图
当系统中某一相出现接地故障后，假设C相接地，如图2所示，相当于在C相的对地电容中并联了一个大电阻，由于故障电流IC没有返回电源的通路，只能通过另外两项非故障A、B相线路的对地电容返回电源。此时C相线路的对地电压为UC’ = UCD = 0，而A相对地线电压即UA’ = UAD = UAC = -UCA = -3 UC∠-300 = 3 UB∠-900，而B相对地线电压即UB’ = UBC = 3 UB∠-300，则UA’和UB’相差600。非故障相中流向故障点的电容电流IAC = UA’jwC0，IBC = UB’jwC0，且 IAC、IBC超前UA’和UB’ 900，IAC、IBC大小相等为3Ico.A之间相差600。

图2中性点不接地电力系统发生C相接地故障电路图与矢量图
由此可见，C相接地时，不接地的A、B两相对地电压UA’和UB’由原来的相电压升高到线电压，即值升高到原来的3倍，相位由原来的相差1200变为相差600。此时，从接地点流回的电流IC应为A、B两相的对地电容电流之和，即IC = IAC + IBC。
当网络系统中有发电机G和多条线路存在时如图3所示，每台发电机和每条线路对地均有电容存在，这里用C0G、C01、C02表示，当线路2中的C相接地后，全系统C相对地电压均为0，因此C相对地电容电流也为0，同时A、B相的对地电压和对地电流升高到原来的3倍。在这种情况下，非故障线路1上，由于C相电流为0，A相和B相中有本身电容电流，因此，该线路上的零序电流3I01 = IA1 + IB1，方向由母线流向线路。

图3中性点不接地电力系统发生C相接地故障电路图与矢量图
在发电机G所在的线路上，首先有它本身A相和B相的对地电容电流IAG、IBG，但是，由于发电机还是产生电容电流的电源，因此从C相中要流回从故障点返回的全部电容电流，而在A相和B相上又要分别流出各个线路上同名相的对地电容电流，因此，在发电机线路上的零序电流仍为三相电流之和。但是，各线路的电容电流从C相流入后又从A、B相流出相互抵消，只剩下发电机本身的电容电流，故该线路的零序电流仍为3I0G = IAG + IBG。方向由母线流向发电机。
在故障线路2上，A相和B相的有本身的对地电容电流IA2、IB2，不同之处在于接地点要从C相流回统A相和B相对地电容电流之和，因此从C相流出的电流可表示为IC1 = -ID总，这样线路2上的零序电流为3I02 = IA2 + IB2+ IC2 = IAG + IBG + IA1 + IB1，方向为由线路流向母线。
经过以上分析可以得出，在小电流接地系统中，发生单相接地故障时，非故障线路的零序电流等于该线路三相对地电容电流的向量和，方向由母线流向线路，故障线路的零序电流等于全系统非故障线路对地电容电流的向量之和，方向由线路流向母线。
目前已存在检测单相接地故障的方法主要有：零序电流法、电容电流法等，分别分析如下。
零序电流检测法
在中性点不接地系统中，单相故障指示器是可以利用零序电流的方向和幅值来检测到故障线路的，但零序电流法存在如下问题：
1）、由于需要使用零序电流互感器或零序电流过滤器来采样零序电流的变化，结构复杂，安装不方便，不能广泛应用于10kv架空线路上。
2）、零序电流互感器精度较低，当一次侧零序电流在5A以下时，变比误差可达到10%以上，角度误差达到200以上，当一次零序电流小于1A时，二次侧基本无电流输出，无法保证接地检测的准确性。
3）、零序滤过器本身固有的不平衡输出使其准确性较低，而且一般保护用电流互感器额定一次电流值多在几百安以上。在接地电容电流小于10A的小电流接地系统使用零序滤过器,单相电容电流仅为保护用互感器一次额定电流的0.6%,根本无法保证互感器的必要准确度。
4）、在中性点经消弧线圈接地的电网中, 发生单相接地故障后, 由于消弧线圈的补偿作用, 流过非接地线路的零序电流仍为自身的电容电流, 但流过接地点的零序电流为消弧线圈提供的感性电流与电网中所有非接地线路电容电流之和的迭加。所以在中性点经消弧线圈接地的系统中, 采用零序电流检测法的故障指示器检测到的零序电流幅值和相位是随消弧线圈的补偿度的不同而变化的。
电容电流检测法
在某一线路发生单相接地故障时, 如果电网的线路总长度很长时,总的电容电流与每条线路的电容电流相差很大,因此可以利用这个特征来判断接地线路和接地区段。但电容电流法存在如下问题：
1）、尽管在发生接地时接地线路的电容电流等于非接地线路的电容电流之和, 而非接地线路的电容电流只是自身的电容电流。但通常接地电容电流是不大的, 约为几安培, 对于架空线路则更小, 而线路中的负荷电流值则很大, 达几百安培。电容电流所占负荷电流的比例只有百分之几, 这样就要求故障指示器有很高的测量精度。
2）、单相接地故障的线路流过接地点的电容电流其幅值与接地点位置、所在母线上各条出线的长度以及运行方式有关。在电网最小运行方式下有时接地线路的电容电流值和非接地线路的电容电流值很接近, 对设置动作电流非常不利, 另外运行方式的变化也对设置恰当的动作电流值增加难度。而动作电流值的设定直接影响其选择性和灵敏性。
3）、在结构复杂的电网中, 由于运行方式的变化和环网的分流作用等, 采用检测电容电流进行接地判断的故障指示器则得不到足够动作电流,直接影响其灵敏性, 而造成拒动。
故障录波检测法
小电流接地系统中，若某一线路发生单相接地故障时，从故障前稳态到故障后稳态存在一个明显的暂态过渡过程，该过程持续5-20ms,其暂态过程具有丰富的故障特征量，系统中的零序电流和零序电压产生高频暂态信号，暂态信号幅值比稳态信号大的多，并且这些特征量受系统参数、接地方式、负荷电流等因素的影响很小，其主要特点如下：

图1 接地故障暂态波形
1.非故障(健全)线路的暂态零序电流方向与故障线路的暂态零序电流方向相反，且故障线路暂态零序电流为非故障线路暂态零序电流之和。
2.接地故障点同侧暂态零序电流差异小，详细程度高，故障点前后的暂态零序电流幅值、频率差异较大，相似程度较低。
几种常见接地故障
1、原因：因导体搭接接地，接地相和大地之间形成稳定的阻性通路
特征：零序电流出现月160A以上暂态峰值、接地后工频电流、电场波形稳定，零序电流有效值约15A。

2、原因：非金属性物体搭接接地，接地相和大地之间形成稳定的较大阻值通路。
特征：零序电流出现约170A以上暂态峰值、接地后工频电场波形基本稳定，零序电流有效值小于10A，且逐渐减小；

3、原因：线路对地绝缘劣化存在薄弱点，发生弧光接地
特征：接地瞬间零序电流尖峰约350A以上，此后零序电流尖峰约在100-240A之间；

4、原因：B相瓷瓶对地击穿，发生弧光接地。
特征：接地瞬间零序电流尖峰最大超过300A，每周波放电尖峰3-4次。

5、原因：可能存在金属性放电或异物触碰，发生间歇性接地。
特征：零序电流尖峰最大超过600A、存在高频振荡。

6、原因：接地故障演变为三相短路
特征：C相接地约11个周波，一个周波弧光放电，半个周波B、C相短路，随后三相短路，短路电流超过1000A