第2章 小电流接地系统单相接地故障过程分析
2.1 电力系统各种接线方式
电力系统的接线方式是指三相电力系统的中性点以何种方式接地。电力系统中性点可以有多种接地方式，中性点可以直接接地，可以经过某元件接地，也可以不接地。中性点以何种方式与大地相接的问题在工程上就称为中性点的接地方式。中性点接地方式对电力系统运行的很多方面都有影响，是一个很重要、很复杂的问题。
2.1.1 电力系统接线方式的分类
电力系统常用的接地方式有：中性点直接接地、中性点不接地、中性点经消弧线圈接 地（又称谐振接地）、中性点经电阻接地。其中，中性点经电阻接地方式按接地电流大小 又分为高阻接地和低阻接地。
上述四种中性点接地方式又可归纳为两大类：
1. 中性点有效接地系统：中性点直接接地或经一低值阻抗接地。通常其零序电抗X0与正序电抗X1的比值小于或等于3（即│X0/X1│≤3）， 零序电阻R0与正序电抗X1的比值小于或等于1（即R0/X1≤1）.这种接地系统中性点接地阻抗小，当发生单相接地故障时，故障回路中将流过很大的短路电流，要求保护装置立即动作，线路终止供电，所以此类系统又称为大电流接地系统。
2. 中性点非有效接地系统：中性点不接地，或经一高阻值接地或消弧线圈接地的系统。通常本系统的零序电抗X0与正序电抗X1的比值大于3（即X0/X1＞ 3），零序电阻R0与正序电抗X1的比值大于1（即R0/X1＞1）.此类系统由于中性点接地阻抗非常大，发生单相接地故障时电流很小，所以又称为小电流接地系统。[6]
2.1.2 小电流接地方式的主要特点
在我国6～66kV电力系统中普遍采用中性点不接地或经消弧线圈接地的小电流接地方式，当发生单相接地故障时，由于不能构成低阻抗短路回路，接地故障电流很小，系统线电压的对称性并不遭到破坏，系统还可继续运行一段时间，规程规定一般为1～2h，为防止系统事故扩大，在接地运行的这段时间里必须设法排除接地点。
该接地方式的主要特点：
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① 电流信号很小
小电流系统单相接地时产生的零序电流是系统电容电流，其大小与系统规模大小和线路类型有关，数值很小。对于10kV架空线路来说，每30公里线路大约产生1安培的零序电流，电缆线路产生的零序电流稍大一些。这样微弱的故障信号混杂在上百安培的负荷电流中，使得传统的基本过流、方向、距离等原理的继电保护装置根本不可能正确反映故障情况。经中性点接入消弧线圈补偿后，其数值更小，且消弧线圈的补偿状态不同。 ② 干扰大、信噪比小
小电流接地系统中的干扰主要包括两个方面：一是在变电站和发电厂的小电流系统单相接地保护装置的装设地点，电磁干扰大；二是由于负荷电流不平衡造成的零序电流较大，特别是当系统较小，对地电容电流较小时，接地回路的零序电流甚至小于非接地回路的对应电流。
③ 随机因素的影响不确定
我国配电网一般都是小电流系统，其运行方式改变频繁，造成变电站出线的长度和数量频繁改变，其电容电流也频繁改变；此外，母线电压水平的高低，负荷电流的大小总在不断地变化；故障点的接地电阻不确定等等，这些都造成了零序故障电容电流的不稳定。 ④ 电容电流波形不稳定
小电流接地系统单相接地故障，常常是间歇性的不稳定弧光接地，因而电容电流波形不稳定。[4]
2.1.3 小电流接地方式对选线的影响
在配电网接地故障的处理中，逐渐形成了两个方向：一是采用大电流接地方式并在配电网各出线上配以快速继电保护，在出现短路电流时立即动作，迅速准确的切除故障线路，从时间上限制接地故障的危害；二是采用小电流接地方式配以集中选线装置，使电网在发生接地故障后继续运行而不影响用户正常用电，通过选线装置选出故障线路后才切除故障线路，最大限度保障供电可靠性。
选线是指对于有多条出线的配电网在发生线路接地故障尤其是单相接地故障时，通过一定的方法对故障信息的分析、判断，选出故障线路的保护技术，选线主要应用于小电流接地系统中。现代选线装置要求能够配合小电流接地技术，在电网发生接地故障时及时、准确的选出故障线路，使运行人员根据需要断开故障线路进而排除故障。选线是在小电流接地技术发展、成熟的过程中逐渐发展完善的，现代微机、电子技术、信号处理、通讯技术、自动化技术以及测量技术的进展对现代选线技术的发展提供了足够的技术支持，目前它已经成为小电流接地系统中必不可少的技术。
但选线和小电流接地方式尤其是谐振接地方式在对接地电流的要求方面是矛盾的：小电流接地方式要求流过故障点的电流小，越小越有利于熄弧；而选线要求流过故障点的电流大，越大越有利于突出故障特征，选线越准确。在小电流接地系统中，一方面用于选线
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的故障信号较弱，有效故障信号难以采集；另一方面故障线路的零序电流与非故障线路故障电流的分布趋于一致，故障线路的故障特征不明显，加之各出线的参数不尽相同，选线装置很难在这种情况下准确选出故障线路。到目前为止，小电流接地选线问题仍然是本领域内比较棘手的问题。许多选线装置目前虽然广泛使用，但没有一种装置能准确地检测出故障线路，选线技术需进一步改进和提高。
就选线问题而言，配电网中性点不同的接地方式对选线的准确度影响也很大。采用不同接地方式的配电网在发生接地故障时，故障电流的特性有很大差异，故障电流的特性对选线装置的准确度有较大影响。[4]
2.1.4 配电网接地方式的发展趋势
电力系统中性点的接地方式是一个涉及到技术、经济、安全等多个方面的综合问题。它可划分为两类，凡是需要断路器立即断开单相接地故障者，属于中性点有效接地方式，也称大电流接地方式，包括中性点直接接地和经小电阻接地；凡是单相接地电弧能够自行熄灭者，属于中性点非有效接地方式，也称小电流接地方式。小电流接地系统包括中性点不接地（中性点绝缘）系统、中性点经消弧线圈接地（即谐振接地）系统、经高阻或中阻接地系统、经高阻抗接地系统以及由控制装置控制的灵活接地系统。
大电流接地方式的优点是在系统发生单相接地故障时，系统的对地过电压小，电气设备的绝缘等级可以按相电压选择；故障点和中性点构成短路回路，故障线路的故障电流很大，线路的零序继电保护可以迅速、准确的将故障线路从系统中切除。但在大电流接地方式下无论瞬时性故障还是永久性故障，故障线路的继电保护均跳闸，跳闸次数大大增加，供电可靠性低；投入的继电保护设备成本较高。
小电流接地方式中最有代表性的是中性点不接地和谐振接地方式。中性点不接地方式是我国配电网采用最早、运用最多的一种方式，同时也是小电流接地方式中最具代表性的接地方式。采用该接地方式的系统在发生单相接地故障时，在接地点和电网中性点之间不会形成短路回路，故障电流较小；虽然非故障相电压升高，但系统三相之间的线电压仍然对称，短时间内不影响用户的正常用电，供电可靠性高。
在小电流接地方式中，中性点不接地方式在电网容量扩大、对地电容电流不断增大的新形势下，难以限制并熄灭故障电弧，且故障选线困难，限制了它的应用；谐振接地方式能够根据运行需要在故障时和非故障时灵活的切换，兼具其它小电流接地方式的优点，从综合经济技术指标来看，谐振接地方式优于其他小电流接地方式，是一种很有前途的新型接地方式，具有良好的应用前景。
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2.2 小电流接地系统两种接地方式介绍
2.2.1 中性点不接地方式原理综述
通常所讲的中性点不接地，实际上是经过集中于电力变压器中性点的等效电容接地的。中性点不接地方式结构简单，运行方便，不需任何附加设备，若是瞬时故障，一般能自动熄弧，非故障相电压升高不大，不会破坏系统的对称性，单相接地电流较小，单相接地不形成短路回路，运行中可允许单相接地故障存在一段时间。电力系统安全运行规程规定可继续运行1～2h，从而获得排除故障的时间，若是由于雷击引起的绝缘闪络，则绝缘可自行恢复，相对提高了供电可靠性。中性点不接地系统的最大优点在于：当线路不太长时能自动消除单相接地故障，而不需要跳闸。
中性点不接地方式因其中性点是绝缘的，电网对地电容中储存的能量没有释放通路。在发生弧光接地时，对地电容的能量不能释放，造成电压升高，从而产生弧光接地过电压或谐振过电压，其值可达到相电压的数倍，乃至数十倍，对设备绝缘造成威胁。此外，由于电网中存在电容和电感元件，在一定条件下，因倒闸操作或故障，容易引发线性谐振或铁磁谐振，这时线路较短的电网会激发高频谐振，产生较高谐振过电压，导致电压互感器击穿；配电网中存在较长线路时容易激发分频铁磁谐振，在分频谐振时，电压互感器呈较小阻抗，其通过电流将成倍增加，引起熔丝熔断或电压互感器过热而损坏。
为解决中性点不接地单相接地时引起的一些后果，早期曾采取过故障相自动接地的措施，但由于这一措施不能解决过电压的问题，且无助于将故障线路选出，故不就被中性点经消弧线圈接地方式和中性点经电阻接地方式所取代。[10]
2.2.2 中性点不接地方式运行状况分析
简单网络图如下图2-1所示：
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图2-1 中性点不接地系统单相接地示意图
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不论是架空线路还是地下电缆，各相导线之间以及每相导线与大地之间都存在着分布电容，如图2-1（本文忽略了导线间电容）。一般来说，线路零序电容的大小与线路的长度、导线的半径、几何均距以及线路与地面的距离因素有关。在考虑线路充分换位的情况下，相间电容是相等的，并且三相的对地电容也是对称的。当系统发生单相接地时，中性点电位与地电位不等，中性点对地绝缘，必须存在对地电容，此电容很小，因此中性点对地阻抗很大，从而系统中任一点的零序阻抗都很大。对零序电流而言，线路或者其它元件的串联阻抗，比以线路对地导纳表示的并联阻抗小得多。因此在小电流接地选线问题的研究中，忽略这些串联阻抗，主要分析各相对地的电容电流组成的回路。
如图2-1所示的简单网络，在正常运行时，忽略电源和线路压降，三相各相对地电容C 相等。在相电压的作用下，每相都有一超前于相电压90°的电容电流注入地中。由于三相电压对称，无零序电压；忽略三相负载不对称产生的不平衡电流，三相电流之和等于零，无零序电流。
?+U?+U?）=0 （2.1） 即： U?0=（UABC1 I?0=（I?A+I?B+I?C）=0 （2.2）
331在如图2-1所示的小电流接地系统（中性点不接地）d点发生A相金属性接地时，其
?、E?、E?表示电源的各相电动势。 向量图如图2-2所示，用EABC?IA?IB?IC?UC?EA?U0?UB?EC?EB
图2-2 A相接地时向量图
各相对地电压为
?=0 （2.3） UA?=E? UBB??=3E?EAA?3EAe?j150 （2.4） ej150 （2.5）
???=E?-E?= UCCA 10