配电网单相接地故障特征分析

程雄

摘要：随着配电网自动化的发展，一些基于配电网自动化的故障区段定位和隔离方法随之出现，国外已有算法成功应用于现场。因此，配电网的单相接地故障选线和定位问题至今仍是困惑电力系统的难题。

关键词：配电网；单相接地；故障特征

针对小电流接地系统过电压等弊端，特别是故障线路选择、故障点定位、测距的困难性，有专家建议我国配电网改用小电阻接地方式。但这样不仅要花费巨额的设备改造费，还丧失了小电流接地系统供电可靠性高的优点。随着社会的发展，对供电质量的要求越来越高，小电流接地方式无疑具有独特的优点。如果能够解决小电流接地故障的可靠检测问题，及时发现接地故障线路，找到故障点，并采取相应的处理措施，减少甚至避免接地故障带来的不良影响，小电流接地方式将是一种理想的模式。因此，研究中低压配电网的单相接地故障特征很有必要。

一，中性点不接地系统单相接地故障特征

（1）零序稳态量故障特征

对于中性点不接地系统，正常运行时若忽略三相对地的不对称，则线路对地电容中流过三相对称的电流，因而没有零序电流流过。实际电网对地总是存在一定的不对称，但不对称度一般小于15%，可忽略不计。需要指出的是，一般所说的不对称指的都是负荷不对称，而负荷不对称与电网对地不对称是不同的概念，负荷不对称可能导致线路存在较大负序电流，但不会出现零序电流。当发生单相接地故障时，三相对地通路的对称性遭到破坏，由于中性点悬空，一相接地后中性点电位将发生偏移，导致其三相对地电压变化。特别地，当发生单相金属性接地时，接地相电压为零，对地电容被短接。两个非故障相对地电压升高倍，对地电容电流也相应升高倍，两相电压及两相电流之间的相位差均为60°。因此，电网将出现零序电压，幅值等于电网正常运行时单相对地电压。在非故障线路上，零序电流幅值等于正常运行时单相对地电容电流，方向从母线指向线路：而故障线路上，由于同一母线各条出线的对地电容电流都要经过接地点返回电源，零序电流幅值等于所有非故障线路零序电流之和（即大于任一条非故障线路零序电流），方向从线路指向母线。

当接地点存在一定过渡电阻时，接地相电压不再为零，其幅值随过渡电阻增大而增加。系统零序电压和各条出线零序电流也随之减小，但它们之间的相位关系不变。

（2）零序暂态量故障特征

对故障暂态过程进行详尽、准确的分析较为困难，一般均根据系统简化模型得出一些初步结论：

接地点暂态电流是以下两个电流之和：其一是由于故障相电压突然降低而引起的放电电容电流，它通过母线流向故障点，其振荡频率较高（一般在数千赫兹），衰减较快：其二是由非故障相电压突然升高而引起的充电电容电流，它通过电源形成回路，其振荡频率较低（一般仅为数百赫兹），衰减较慢。健全相充电电流占整个暂态电流主要成分。

由等效电感、电容、电阻组成的串联回路计算的暂态零序电流表达形式，二者所得结论相同。即暂态零序电流由工频强制分量和自由振荡分量组成，自由振荡频率一般为几百到几千赫兹，从理论上证明了暂态电流最大值与未经补偿的工频稳态电流之比近似等于暂态信号频率与工频之比，即暂态电流幅值比稳态值可大数倍到数十倍。

单相接地故障的模量分析中，在特征频段SFB内暂态信号分布规律：所有健全线路和故障线路的检测阻抗均呈容性，均可以等效为集中参数电容，故障线路零模电流比健全线路幅值大，且流向和极性与健全线路相反。SFB上限为所有健全线路第一次串联谐振频率的最小值，下限为0（不接地或高阻接地系统）或使故障线路零模电流幅值大于任一健全线路且流向相反的最低频率（经消弧线圈接地系统）。SFB外零模电气量分布差异不明显或临界频率不易确定，故障电流线模分量的极性和流向关系也不确定。

二，中性点经消弧线圈接地系统单相接地故障特征

运行实践证明，接地电流较大时，会在故障点造成持续性电弧接地。为消除电弧过程可能带来的危害，相关规定：在3-10KV系统中接地电容电流超过30A，20KV及以上系统中超过10A，其系统中性点均应采取消弧线圈接地方式。

（1）零序稳态量故障特征

对消弧线圈接地系统，正常时中性点电压为零，消弧线圈不起作用。单相接地故障时，三相及零序电压变化与不接地系统类似。中性点电压升高在消弧线圈中产生的感性电流与线路零序电容电流极性相反，可减小故障点接地电流，使故障电弧在电流过零时易于熄灭。如果故障点绝缘恢复速度大于故障相电压恢复速度，电网将恢复正常运行。根据对电容电流补偿程度的不同，消弧线圈补偿方式分为全补偿、欠补偿、过补偿。为了防止线路发生串联谐振，实践中一般采用过补偿方式。在过补偿方式下，故障线路的零序电流幅值很小，甚至是小于健全线路。方向与健全线路也相同，从母线指向线路。对自动跟踪补偿系统，正常运行时全补偿，单相接地故障时，故障线路的零序电流幅值更小，理论上为零。

（2）零序暂态量故障特征

对于暂态过程，由于消弧线圈对于暂态高频电流其电抗非常大，几乎可以认为是开路，因此实际上它不影响暂态电流分量的计算。同时，考虑到消弧线圈正常状态下的电流约等于零，不能发生突变，所以中性点经消弧线圈接地系统的暂态过渡过程與中性点不接地系统近似相同。

由于暂态电感电流的最大值应出现在接地故障发生在相电压经过零值瞬间，而当故障发生在相电压接近于最大值瞬间时，暂态电感电流约等于零。因此，暂态电容电流较暂态电感电流大很多，在同一电网中，不论中性点不接地还是经消弧线圈接地，在相电压接近于最大值时发生故障，其过渡过程是近似相同的。在暂态过程的初始阶段，暂态接地电流特性主要由暂态电容电流所确定；暂态电感电流中的直流分量虽不会改变接地电流首半波的极性，但对其幅值影响较大。

中性点不接地系统馈线上各相暂态电流分量（TCC）的形成与分布特征，TCC是由故障馈线的非故障相提供的自供性TCC和其它非故障馈线提供的相似性TCC组成。经消弧线圈接地系统单相接地故障TCC的分布特征，在故障馈线的故障相中，谐振接地模式下的故障相TCC不仅由本故障馈线非故障相提供的自供性TCC和其它非故障馈线提供的相似性TCC组成，而且还包含了由消弧线圈补偿产生的感性TCC。

参考文献

【1】刘健等编著，配电自动化系统[M]，中国水利水电出版社，2009