配電網單相接地故障特征分析

程雄

摘要：隨著配電網自動化的發展，一些基于配電網自動化的故障區段定位和隔離方法隨之出現，國外已有算法成功應用于現場。因此，配電網的單相接地故障選線和定位問題至今仍是困惑電力系統的難題。

關鍵詞：配電網；單相接地；故障特征

針對小電流接地系統過電壓等弊端，特別是故障線路選擇、故障點定位、測距的困難性，有專家建議我國配電網改用小電阻接地方式。但這樣不僅要花費巨額的設備改造費，還喪失了小電流接地系統供電可靠性高的優點。隨著社會的發展，對供電質量的要求越來越高，小電流接地方式無疑具有獨特的優點。如果能夠解決小電流接地故障的可靠檢測問題，及時發現接地故障線路，找到故障點，并采取相應的處理措施，減少甚至避免接地故障帶來的不良影響，小電流接地方式將是一種理想的模式。因此，研究中低壓配電網的單相接地故障特征很有必要。

一，中性點不接地系統單相接地故障特征

（1）零序穩態量故障特征

對于中性點不接地系統，正常運行時若忽略三相對地的不對稱，則線路對地電容中流過三相對稱的電流，因而沒有零序電流流過。實際電網對地總是存在一定的不對稱，但不對稱度一般小于15%，可忽略不計。需要指出的是，一般所說的不對稱指的都是負荷不對稱，而負荷不對稱與電網對地不對稱是不同的概念，負荷不對稱可能導致線路存在較大負序電流，但不會出現零序電流。當發生單相接地故障時，三相對地通路的對稱性遭到破壞，由于中性點懸空，一相接地后中性點電位將發生偏移，導致其三相對地電壓變化。特別地，當發生單相金屬性接地時，接地相電壓為零，對地電容被短接。兩個非故障相對地電壓升高倍，對地電容電流也相應升高倍，兩相電壓及兩相電流之間的相位差均為60°。因此，電網將出現零序電壓，幅值等于電網正常運行時單相對地電壓。在非故障線路上，零序電流幅值等于正常運行時單相對地電容電流，方向從母線指向線路：而故障線路上，由于同一母線各條出線的對地電容電流都要經過接地點返回電源，零序電流幅值等于所有非故障線路零序電流之和（即大于任一條非故障線路零序電流），方向從線路指向母線。

當接地點存在一定過渡電阻時，接地相電壓不再為零，其幅值隨過渡電阻增大而增加。系統零序電壓和各條出線零序電流也隨之減小，但它們之間的相位關系不變。

（2）零序暫態量故障特征

對故障暫態過程進行詳盡、準確的分析較為困難，一般均根據系統簡化模型得出一些初步結論：

接地點暫態電流是以下兩個電流之和：其一是由于故障相電壓突然降低而引起的放電電容電流，它通過母線流向故障點，其振蕩頻率較高（一般在數千赫茲），衰減較快：其二是由非故障相電壓突然升高而引起的充電電容電流，它通過電源形成回路，其振蕩頻率較低（一般僅為數百赫茲），衰減較慢。健全相充電電流占整個暫態電流主要成分。

由等效電感、電容、電阻組成的串聯回路計算的暫態零序電流表達形式，二者所得結論相同。即暫態零序電流由工頻強制分量和自由振蕩分量組成，自由振蕩頻率一般為幾百到幾千赫茲，從理論上證明了暫態電流最大值與未經補償的工頻穩態電流之比近似等于暫態信號頻率與工頻之比，即暫態電流幅值比穩態值可大數倍到數十倍。

單相接地故障的模量分析中，在特征頻段SFB內暫態信號分布規律：所有健全線路和故障線路的檢測阻抗均呈容性，均可以等效為集中參數電容，故障線路零模電流比健全線路幅值大，且流向和極性與健全線路相反。SFB上限為所有健全線路第一次串聯諧振頻率的最小值，下限為0（不接地或高阻接地系統）或使故障線路零模電流幅值大于任一健全線路且流向相反的最低頻率（經消弧線圈接地系統）。SFB外零模電氣量分布差異不明顯或臨界頻率不易確定，故障電流線模分量的極性和流向關系也不確定。

二，中性點經消弧線圈接地系統單相接地故障特征

運行實踐證明，接地電流較大時，會在故障點造成持續性電弧接地。為消除電弧過程可能帶來的危害，相關規定：在3-10KV系統中接地電容電流超過30A，20KV及以上系統中超過10A，其系統中性點均應采取消弧線圈接地方式。

（1）零序穩態量故障特征

對消弧線圈接地系統，正常時中性點電壓為零，消弧線圈不起作用。單相接地故障時，三相及零序電壓變化與不接地系統類似。中性點電壓升高在消弧線圈中產生的感性電流與線路零序電容電流極性相反，可減小故障點接地電流，使故障電弧在電流過零時易于熄滅。如果故障點絕緣恢復速度大于故障相電壓恢復速度，電網將恢復正常運行。根據對電容電流補償程度的不同，消弧線圈補償方式分為全補償、欠補償、過補償。為了防止線路發生串聯諧振，實踐中一般采用過補償方式。在過補償方式下，故障線路的零序電流幅值很小，甚至是小于健全線路。方向與健全線路也相同，從母線指向線路。對自動跟蹤補償系統，正常運行時全補償，單相接地故障時，故障線路的零序電流幅值更小，理論上為零。

（2）零序暫態量故障特征

對于暫態過程，由于消弧線圈對于暫態高頻電流其電抗非常大，幾乎可以認為是開路，因此實際上它不影響暫態電流分量的計算。同時，考慮到消弧線圈正常狀態下的電流約等于零，不能發生突變，所以中性點經消弧線圈接地系統的暫態過渡過程與中性點不接地系統近似相同。

由于暫態電感電流的最大值應出現在接地故障發生在相電壓經過零值瞬間，而當故障發生在相電壓接近于最大值瞬間時，暫態電感電流約等于零。因此，暫態電容電流較暫態電感電流大很多，在同一電網中，不論中性點不接地還是經消弧線圈接地，在相電壓接近于最大值時發生故障，其過渡過程是近似相同的。在暫態過程的初始階段，暫態接地電流特性主要由暫態電容電流所確定；暫態電感電流中的直流分量雖不會改變接地電流首半波的極性，但對其幅值影響較大。

中性點不接地系統饋線上各相暫態電流分量（TCC）的形成與分布特征，TCC是由故障饋線的非故障相提供的自供性TCC和其它非故障饋線提供的相似性TCC組成。經消弧線圈接地系統單相接地故障TCC的分布特征，在故障饋線的故障相中，諧振接地模式下的故障相TCC不僅由本故障饋線非故障相提供的自供性TCC和其它非故障饋線提供的相似性TCC組成，而且還包含了由消弧線圈補償產生的感性TCC。

參考文獻

【1】劉健等編著，配電自動化系統[M]，中國水利水電出版社，2009