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小電流接地系統(tǒng)單相接地故障分析

文檔作者：王曉峰洪彩涼文檔來源：南安電力公司		點擊數：	更新時間： 2022年02月10日
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76 《電氣開關》(2013．No．4)
文章編號：1004—289X(2013)04—0076—05
小電流接地系統(tǒng)單相接地故障分析
王曉峰，洪彩涼
(南安電力公司，福建 南安362300)
摘 要：簡述了小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線的意義和選線影響因素，并詳細地分析了小電流接地系統(tǒng)及單
相接地故障機理，建立小電流接地系統(tǒng)單相接地故障的MATLAB仿真模型；針對故障合閘角、過渡電阻和故障距
離等多個影響因素進行了大量仿真，獲取小電流接地系統(tǒng)單相接地故障零序電流的波形，并進行分析。
關鍵詞：小電流接地系統(tǒng)；單相接地故障；零序電流
中圖分類號：TM71 文獻標識碼：B
Fault Analysis of the Single-Phase Grounding of Small Current Earthed System
WANG Xiao-feng，HONG Cai—liang
(Nanan Electric Power Company，Nanan 362300，F(xiàn)ujian Province，China)
Abstract：Describes the small current grounding system and location single-phase ground fault location of the signifi—
cance and influence factors，and analyzed in detail in the small curent grounding system and single-phase ground fault
mechanism．Establish the small current grounding system phase—to—ground fault of MATLAB simulation；For more influ—
ence factors about fault feeder angle，fault resistance and fault distance of the large simulation；For the small curent
grounding system single-phase ground fault zero sequence current wave form and analyzed．
Key words：small curent grounding system；single-phase ground fault；zero—sequence curent；zero—sequence voltage
1 引言
電力系統(tǒng)中性點接地方式主要有大電流接地方式
和小電流接地方式兩種，其中，小電流接地方式又包括
中性點不接地方式、中性點經消弧線圈接地方式和中
性點經高阻接地方式? 。在小電流接地系統(tǒng)中，單相
接地是一種常見的故障，在該系統(tǒng)中，若發(fā)生單相接地
故障，將導致非故障相電壓升高，且易出現(xiàn)瞬時弧光過
電壓，可能使單相接地故障進一步擴大成相間短路，造
成更大的事故 。
小電流接地系統(tǒng)由于發(fā)生單相接地故障后還可繼
續(xù)運行幾個小時等特點，在我國配電網中被廣泛采用。
據不完成統(tǒng)計，在配電系統(tǒng)中單相接地故障發(fā)生次數
占配電故障總數的80％以上；故對小電流接地系統(tǒng)中
單相接地故障的研究極具現(xiàn)實意義。
本文對小電流接地系統(tǒng)中單相接地故障的機理進
行分析，建立小電流接地系統(tǒng)單相接地故障的MAT．
LAB仿真模型，針對故障合閘角、過渡電阻和故障距
離等多個影響因素進行了大量仿真，獲取小電流接地
系統(tǒng)單相接地故障零序電流的波形，并進行分析。
2 小電流接地系統(tǒng)單相接地故障分析
2．1 幾種常見小電流接地系統(tǒng)單相接地故障分析
2．1．1 中性點不接地系統(tǒng)
中性點不接地系統(tǒng)具有運行維護簡單、經濟的優(yōu)
點，在我國農村地區(qū)廣泛采用。圖1所示為一中性點
不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障示意圖，圖中假定A相
發(fā)生單相接地故障。
假定三相線路參數一致，三相線路有相同的對地
電容c。，正常運行時，三相零序電流和為零 。
由彌爾曼定理推出故障線路三相對地電壓為：
，U 一d=E + 一d=(1一Z)E
J b—d= b+Vo—d=(e 巧 一z)k (1)
【 一d= 。+Vo—d=e( 一Z)E
故障線路中性點位移公式為：
《電氣開關》(2013．No．4) 77
線路I
線路1I
圖1 中性點不接地系統(tǒng)單相接地故障示意圖
Uo— d=一Z E (2)
其中z= a,RN為故障相接地電阻。
據公式(1)、(2)繪出故障線路的三相向量關系
圖，如圖2所示。
圖2 中性點不接地系統(tǒng)向量關系示意圖
從圖2可知，若接地發(fā)生在直線od 以上的半圓
位置時，Uo—d>Ub—d>Ua—d；若恰好發(fā)生在d 點時，
Uc— d> Ub— d=Ua— d；若接地發(fā)生在od1之間時，U 一d>
一 > Ub一 ；但不管如何變化，故障相的電壓總是最高
的。
故障線路中非故障相流向故障點的電容性電流
為：
r，6= Uh
— jo9Co
{． ． (3)
【， =Uo—dogc0
非故障線路始端的零序電流為：
3，0I=， I+ ，bI+，。I= ，bI+，。I (4)
故障線路接地電流為：
Id=3U,po9(C0I+ lI+C0G)=3U,pogC0Σ (5)
故障線路Ⅱ始端的零序電流為：
3IoII=3U O9(CoΣ一C【1I1) (6)
其中c。 為全系統(tǒng)對地電容之和。
由公式(1)～(6)可知，故障相線路的對地電壓幅
值減小，非故障相線路的對地電壓則升高，此時中性點
發(fā)生偏移，A相對地電容增大，對地電容性電流也相應
地增大，但三相中的負荷電流和相電壓仍然對稱 。
由故障線路流向母線的零序電流，數值等于全系統(tǒng)非
故障元件對地電容電流的總和，容性無功功率的方向
為由線路流向母線，與非故障線路的容性無功功率方
向相反。
2．1．2 中性點經消弧線圈接地系統(tǒng)
在電纜饋線比例較大的配電系統(tǒng)中，為解決故障
過電壓問題，通常在中性點處接人一個產生感性電流
分量的消弧裝置，從而減小流經故障點的電流，以達到
熄滅電弧的目的。圖3所示為中性點經消弧線圈接地
系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障示意圖，圖中假定A相發(fā)生單
相接地故障。
圖3 中性點經消弧線圈接地系統(tǒng)接地故障示意圖
中性點經消弧線圈接地系統(tǒng)各相電壓變化原理同
中性點不接地系統(tǒng)，但接入消弧線圈后，由于消弧線圈
的補償作用，各饋線零序電流發(fā)生顯著變化。故障線
路的零序電流為：
r 1
3to =U,p[3o9(CoΣ一C0- )一 J (7)
當采用過補償方式時，流經故障線路的零序電流
將大于本身的電容電流，故中性點經消弧線圈接地系
統(tǒng)單相接地故障后線路的電容性無功功率的實際方向
仍然是由母線流向線路，方向同非故障線路的零序電
流流向 。
2．1．3 中性點經電阻接地系統(tǒng)
中性點經高阻接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，性
質上與中性點不接地方式一樣，故不另行分析。
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2．2 小電流接地系統(tǒng)暫態(tài)分析
小電流接地系統(tǒng)單相接地故障線路暫態(tài)電路原理
圖如圖4所示。
0
圖4 單相接地故障暫態(tài)電流等效電流
經拉氏變換等運算后可得暫態(tài)電容電流：
[( sin mot-cos6costot ?s(? )]
(8)
暫態(tài)電感電流
iL= L [cos~e一 一COS(o)t+ )] (9)
暫態(tài)接地電流
id=(，c 一，Lm)COS( +( )+，lJnl cos(~)e一；TL+，c
ineot-cos~costoft e-t (10)
式(10)是由式(8)和式(9)疊加而成的，第一項為
接地電流穩(wěn)態(tài)分量，其值等于穩(wěn)態(tài)電容電流和穩(wěn)態(tài)電
感電流的幅值之差；其余為接地電流的暫態(tài)分量，其值
等于電容電流的暫態(tài)自由振蕩分量與電感電流的暫態(tài)
直流分量之和，兩者的幅值不僅不能相互抵消，甚至還
可能彼此相加，使暫態(tài)接地電流的幅值明顯增大。在
暫態(tài)過程的初始階段，暫態(tài)接地電流的特性，主要由暫
態(tài)電容電流的特性所確定。
3 MATLAB模型設計
為了進一步對小電流接地系統(tǒng)單相接地故障進行
分析，本文使用MATLAB軟件及Simulink工具箱進行
建模仿真，并對發(fā)生故障時各條線路的零序電流波形
以及合閘角、接地電阻、故障位置對中性點經消弧線圈
接地系統(tǒng)單相接地故障時零序電流的影響進行分析。
圖5所示為Matlab仿真模型圖。
圖5 Matlab模型
配電網線路一般為短線路，為了保證仿真結果的
準確，防止電網常出現(xiàn)不對稱電壓性，因此采用分布式
參數的線路模型【 ；該系統(tǒng)有三種運行方式：過補償、
欠補償、完全補償。配電網中常采用過補償的運行方
式，本次仿真取過補償度8％。
由于現(xiàn)在電力變壓器種類繁多，參數不盡相同，故
變壓器參數采用SimPowerSystems專用庫中變壓器模
型的參數；線路長度的選擇直接關系到系統(tǒng)的穩(wěn)定性
及仿真的準確性 J，因此在長度的選擇上要符合當前
的現(xiàn)場實際，本文中共設置4條線路，依次為30km架
空線路長度，lOkm電纜線路，2km電纜與12km架空
線路的纜線混合線路，lOkm架空線路；而電容值的大
小直接影響仿真效果的可靠性與可觀性 ，電纜線路
的電容值要明顯大于架空線路的電容值，經計算后參
《電氣開關》(2013．No．4) 79
數見表1、表2。令第四條線路c相發(fā)生接地故障，最
終MATLAB仿真圖形見圖6。
表1 線路正序參數
正序電阻(DJkm)正序電容(uF／km)正序電感(mI-I／km)
零序電阻(D．／km)零序電容(uF／km)零序電感(mH／km)
3．1 單相接地時各線路的零序電流波形
由圖6可知，經消弧線圈接地系統(tǒng)在發(fā)生單相接
地后，流過故障線路的零序電流不再是非故障線路零
序電流之和，而是全系統(tǒng)故障線路的電容性電流之和
與經消弧線圈產生的電感性電流的疊加。在8％過補
償時，故障線路的穩(wěn)態(tài)零序電流的極性與非故障線路
的零序電流的極性相同，而穩(wěn)態(tài)幅值甚至比非故障線
路零序電流的穩(wěn)態(tài)幅值還要小，因此根據零序電流穩(wěn)
態(tài)幅值的故障選線不再適用。在故障發(fā)生后的暫態(tài)過
程中，故障線路零序電流首半波的幅值仍為最大，且極
性與非故障線路的零序電流暫態(tài)首半波的極性相反；
而此后隨電感電流增大，使故障線路的暫態(tài)故障特征
被補償得不明顯。
圖6 各線路始端的零序電流
3．2 合閘角對零序電流的影響
在其他條件恒定時，依次調整合閘角，觀察故障波
形的變化。如圖7所示，故障合閘角0為時，故障零序
電壓和故障零序電流的高頻振蕩分量最小¨ 。但此
時在中性點經消弧線圈接地系統(tǒng)中，故障線路流過較
大的感性衰減直流分量，該感性直流分量僅流經故障
線路和消弧線圈構成的回路，而不流經非故障線路。
高頻振蕩分量的幅值隨故障合閘角0正弦模值的增大
而增大，故在故障合閘角在到變化時，暫態(tài)零序電流高
頻分量幅值呈單調遞增的趨勢。
10O
80
60
40
20
一 O
一20
— 40
— 60
— 80
一
圖7 不同故障合閘角故障線路零序電流
3．3 接地電阻對零序電流的影響
故障相經接地電阻接地后，中性點電壓發(fā)生偏移，
非故障相的穩(wěn)態(tài)相電壓不再是倍的故障前相電壓，故
障相的穩(wěn)態(tài)電壓也不再為零。接地電阻越大，故障相
電壓越大，而各線路穩(wěn)態(tài)零序電流和零序電壓的幅值
越小，穩(wěn)態(tài)零序電壓和電流的相位也發(fā)生變化，但線路
之間的線電壓仍保持對稱。隨著過渡電阻的增大，流
過各線路零序電流的高頻衰減分量也逐漸減小，使得
故障線路零序電流的首半波幅值逐漸減少甚至消失。
在中性點經消弧線圈接地系統(tǒng)中，接地電阻較大時，暫
態(tài)零序電流的幅值比穩(wěn)態(tài)值更小。仿真波形圖如圖8
所示
圖8 不I司過渡電阻時故障線路零序電流
3．4 故障位置對零序電流的影響
從圖9可以看出，當故障進入穩(wěn)態(tài)時，線路的零序
電流和零序電壓幾乎不隨故障距離的增長而發(fā)生變
化，這是因為小電流接地系統(tǒng)單相接地電流的大小主
要取決于系統(tǒng)的電容分布，在故障線路變化較小的時
候，基本不改變系統(tǒng)的電容分布，只有當故障距離變化
(下轉第83頁)
《電氣開關》(2013．No．4) 83
值計算中的 值不必取3～5倍，而可適當減小(如取
2—3倍速)，以提高保護的靈敏度。
2．6 變壓器過負荷保護
根據變壓器各側繞組及自耦變壓器的公共繞組可
能出現(xiàn)過負荷情況，應裝設過負荷保護。過負荷保護
的動作電流應按躲過繞組的額定電流整定，即，出=
KkI e／K
式中： 一可靠系數，采用1．05；Kj 一返回系數，
取0．85～0．95(電磁型保護取0．85，微機型保護取
0．95)；，n一變壓器各側一次額定電流的二次值。
保護的動作時間應與變壓器允許的過負荷時間相
配合，同時應大于相間故障后備保護的最大動作時間
(通常可大2個時間階段)。取過負荷時間8s，只動作
于信號。
2．7 啟動風冷
電流定值：Id =Kk，H。
式中：， 一高壓側一次額定電流二次值；K 一可
靠系數(0．6～1)。
時間定值取5s。
2．8 過載閉鎖調壓
電流定值取過負荷電流整定值，時間取5s。
3 結束語
綜上所述，在地區(qū)1 10kV運行方式和微機保護配
置已規(guī)范化的前提下，參照部頒規(guī)程的規(guī)定，并結合實
際運行經驗，簡化和優(yōu)化了1 10kV主變微機保護相關
的整定原則。采取上述整定計算方法之后，一方面更
加符合微機保護裝置的技術特性，另一方面也節(jié)省了
大量的整定計算時間，提高了工作效率，對提高繼電保
護運行管理工作水平具有實際意義。
參考文獻
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2003
收稿日期：2012—08—02
作者簡介：凌艷(1983一)，女，湖北武漢。咸寧供電公司電力調度中心從事保護整
定工作：
劉杰(1985一)，男。湖北黃石，咸寧供電公司電力調度中心從事電網運
行工作。
(上接第79頁)
達到一定程度時，才會有明顯的變化。因此，在配電網
中利用穩(wěn)態(tài)信息的故障選線方法可不考慮故障距離的
影響，但故障距離對暫態(tài)特征有一定的影響。隨著故
障距離的增長，流過故障線路的高頻振蕩分量減小，且
振蕩頻率變小。在故障距離較短時，發(fā)生單相接地故
障易引起系統(tǒng)振蕩。
圖9 不同故障位置下故障線路零序電流
4 結論
小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障后，在故障點
就有衰減很快的暫態(tài)電容電流和衰減很慢的暫態(tài)電感
電流流過。不論系統(tǒng)的中性點為諧振接地還是不接地
方式，暫態(tài)接地電流的幅值和頻率主要由暫態(tài)電容電
流所確定，且其變化均和故障合閘角、接地電阻故障位
置有關。暫態(tài)接地電流的幅值雖然很大，但持續(xù)時間
很短，給暫態(tài)選線增加了較大難度。
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收稿日期：2012—11—05
作者簡介：王曉峰(1970一)，男，本科，工程師。長期從事電力系統(tǒng)規(guī)劃、工程設
計、建設和運行、檢修維護工作；
洪彩涼(1971一)。女，本科，工程師，長期從事電力系統(tǒng)規(guī)劃、工程設計
工作。

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