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小電流接地系統(tǒng) 單相接地故障分析與檢測 為了提高供電可靠性 配電網中一般采取變壓器中性點不接地或經消弧線 圈和高阻抗接地方式 這樣當某一相發(fā)生接地故障時 由于不能構成短路回路 接地故障電流往往比負荷電流小得多 因而這種系統(tǒng)被稱為小電流接地系統(tǒng) 小電流接地系統(tǒng)中單相接地故障是一種常見的臨時性故障 當該故障發(fā)生 時 由于故障點的電流很小 且三相之間的線電壓仍保持對稱 對負荷設備的 供電沒有影響 所以允許系統(tǒng)內的設備短時運行 一般情況下可運行 1 2 個小 時而不必跳閘 從而提高了供電的可靠性 但一相發(fā)生接地 導致其他兩相的 對地電壓升高為相電壓的 倍 這樣會對設備的絕緣造成威脅 若不及時處理3 可能會發(fā)展為絕緣破壞 兩相短路 弧光放電 引起去系統(tǒng)過壓 然而當系統(tǒng) 發(fā)生單相接地故障時 由于構不成回路 接地電流是分布電容電流 數(shù)值比負 荷電流小得多 故障特征不明顯 因此接地故障檢測仍是一項世界難題 很多 技術有待克服 單相接地故障分析 當任意兩個導體之間隔著絕緣介質時會形成電容 因此在簡單電網中 中 性點不接地系統(tǒng)正常運行時 各相線路對地有相同的對地電容 C0 在相電壓作 用下 每相都有一個超前于相電壓 900的對地電容電流流入地中 然而由于電 容的大小與電容極板面積成正比而與極板距離成反比 所以線路的對地電容 特別是架空線路對地電容很小 容抗很大 對地電容電流很小 系統(tǒng)正常運行時 如圖 1 由于三相相電壓 UA U B U C 是對稱的 三相 對地電容電流 Ico A I co B I co C 也是平衡的 因此 三相的對地電容電流矢量和 為 0 沒有電流流向大地 每相對地電壓就等于相電壓 圖 1 中性點不接地電力系統(tǒng)電路圖與矢量圖 當系統(tǒng)中某一相出現(xiàn)接地故障后 假設 C 相接地 如圖 2 所示 相當于在 C 相的對地電容中并聯(lián)了一個大電阻 由于故障電流 IC沒有返回電源的通路 只能通過另外兩項非故障 A B 相線路的對地電容返回電源 此時 C 相線路的對 地電壓為 UC UCD 0 而 A 相對地線電壓即 UA UAD UAC UCA 3 UC 300 UB 90 0 而 B 相對地線電壓即 UB UBC UB 30 0 則 UA 3 3 和 UB 相差 600 非故障相中流向故障點的電容電流 IAC UA jwC0 I BC UB jwC0 且 IAC I BC 超前 UA 和 UB 900 I AC I BC 大小相等為 Ico A 之間相差3 600 圖 2 中性點不接地電力系統(tǒng)發(fā)生 C 相接地故障電路圖與矢量圖 由此可見 C 相接地時 不接地的 A B 兩相對地電壓 UA 和 UB 由原來的相 電壓升高到線電壓 即值升高到原來的 倍 相位由原來的相差 1200 變?yōu)橄? 差 600 此時 從接地點流回的電流 IC 應為 A B 兩相的對地電容電流之和 即 IC IAC IBC 當網絡系統(tǒng)中有發(fā)電機 G 和多條線路存在時 如圖 3 所示 每臺發(fā)電機和 每條線路對地均有電容存在 這里用 C0G C 01 C 02 表示 當線路 2 中的 C 相 接地后 全系統(tǒng) C 相對地電壓均為 0 因此 C 相對地電容電流也為 0 同時 A B 相的對地電壓和對地電流升高到原來的 倍 在這種情況下 非故障線3 路 1 上 由于 C 相電流為 0 A 相和 B 相中有本身電容電流 因此 該線路上 的零序電流 3I01 IA1 IB1 方向由母線流向線路 圖 3 中性點不接地電力系統(tǒng)發(fā)生 C 相接地故障電路圖與矢量圖 在發(fā)電機 G 所在的線路上 首先有它本身 A 相和 B 相的對地電容電流 IAG IBG 但是 由于發(fā)電機還是產生電容電流的電源 因此從 C 相中要流回 從故障點返回的全部電容電流 而在 A 相和 B 相上又要分別流出各個線路上同 名相的對地電容電流 因此 在發(fā)電機線路上的零序電流仍為三相電流之和 但是 各線路的電容電流從 C 相流入后又從 A B 相流出相互抵消 只剩下發(fā) 電機本身的電容電流 故該線路的零序電流仍為 3I0G IAG IBG 方向由母線流 向發(fā)電機 在故障線路 2 上 A 相和 B 相的有本身的對地電容電流 IA2 I B2 不同之 處在于接地點要從 C 相流回統(tǒng) A 相和 B 相對地電容電流之和 因此從 C 相流 出的電流可表示為 IC1 ID 總 這樣線路 2 上的零序電流為 3I02 IA2 IB2 IC2 IAG IBG IA1 IB1 方向為由線路流向母線 經過以上分析可以得出 在小電流接地系統(tǒng)中 發(fā)生單相接地故障時 非 故障線路的零序電流等于該線路三相對地電容電流的向量和 方向由母線流向 線路 故障線路的零序電流等于全系統(tǒng)非故障線路對地電容電流的向量之和 方向由線路流向母線 目前已存在檢測單相接地故障的方法主要有 零序電流法 電容電流法等 分別分析如下 零序電流檢測法 在中性點不接地系統(tǒng)中 單相故障指示器是可以利用零序電流的方向和幅 值來檢測到故障線路的 但零序電流法存在如下問題 1 由于需要使用零序電流互感器或零序電流過濾器來采樣零序電流的變 化 結構復雜 安裝不方便 不能廣泛應用于 10kv 架空線路上 2 零序電流互感器精度較低 當一次側零序電流在 5A 以下時 變比誤差 可達到 10 以上 角度誤差達到 200以上 當一次零序電流小于 1A 時 二次側 基本無電流輸出 無法保證接地檢測的準確性 3 零序濾過器本身固有的不平衡輸出使其準確性較低 而且一般保護用 電流互感器額定一次電流值多在幾百安以上 在接地電容電流小于 10A 的小電 流接地系統(tǒng)使用零序濾過器 單相電容電流僅為保護用互感器一次額定電流的 0 6 根本無法保證互感器的必要準確度 4 在中性點經消弧線圈接地的電網中 發(fā)生單相接地故障后 由于消弧 線圈的補償作用 流過非接地線路的零序電流仍為自身的電容電流 但流過接 地點的零序電流為消弧線圈提供的感性電流與電網中所有非接地線路電容電流 之和的迭加 所以在中性點經消弧線圈接地的系統(tǒng)中 采用零序電流檢測法的 故障指示器檢測到的零序電流幅值和相位是隨消弧線圈的補償度的不同而變化 的 電容電流檢測法 在某一線路發(fā)生單相接地故障時 如果電網的線路總長度很長時 總的電容 電流與每條線路的電容電流相差很大 因此可以利用這個特征來判斷接地線路和 接地區(qū)段 但電容電流法存在如下問題 1 盡管在發(fā)生接地時接地線路的電容電流等于非接地線路的電容電流之 和 而非接地線路的電容電流只是自身的電容電流 但通常接地電容電流是不 大的 約為幾安培 對于架空線路則更小 而線路中的負荷電流值則很大 達 幾百安培 電容電流所占負荷電流的比例只有百分之幾 這樣就要求故障指示 器有很高的測量精度 2 單相接地故障的線路流過接地點的電容電流其幅值與接地點位置 所 在母線上各條出線的長度以及運行方式有關 在電網最小運行方式下有時接地 線路的電容電流值和非接地線路的電容電流值很接近 對設置動作電流非常不 利 另外運行方式的變化也對設置恰當?shù)膭幼麟娏髦翟黾与y度 而動作電流值 的設定直接影響其選擇性和靈敏性 3 在結構復雜的電網中 由于運行方式的變化和環(huán)網的分流作用等 采 用檢測電容電流進行接地判斷的故障指示器則得不到足夠動作電流 直接影響其 靈敏性 而造成拒動 故障錄波檢測法 小電流接地系統(tǒng)中 若某一線路發(fā)生單相接地故障時 從故障前穩(wěn)態(tài)到故 障后穩(wěn)態(tài)存在一個明顯的暫態(tài)過渡過程 該過程持續(xù) 5 20ms 其暫態(tài)過程具有 豐富的故障特征量 系統(tǒng)中的零序電流和零序電壓產生高頻暫態(tài)信號 暫態(tài)信 號幅值比穩(wěn)態(tài)信號大的多 并且這些特征量受系統(tǒng)參數(shù) 接地方式 負荷電流 等因素的影響很小 其主要特點如下 圖 1 接地故障暫態(tài)波形 1 非故障 健全 線路的暫態(tài)零序電流方向與故障線路的暫態(tài)零序電流方向 相反 且故障線路暫態(tài)零序電流為非故障線路暫態(tài)零序電流之和 2 接地故障點同側暫態(tài)零序電流差異小 詳細程度高 故障點前后的暫態(tài) 零序電流幅值 頻率差異較大 相似程度較低 幾種常見接地故障 1 原因 因導體搭接接地 接地相和大地之間形成穩(wěn)定的阻性通路 特征 零序電流出現(xiàn)月 160A 以上暫態(tài)峰值 接地后工頻電流 電場波形穩(wěn) 定 零序電流有效值約 15A 2 原因 非金屬性物體搭接接地 接地相和大地之間形成穩(wěn)定的較大阻值 通路 特征 零序電流出現(xiàn)約 170A 以上暫態(tài)峰值 接地后工頻電場波形基本穩(wěn)定 零序電流有效值小于 10A 且逐漸減小 3 原因 線路對地絕緣劣化存在薄弱點 發(fā)生弧光接地 特征 接地瞬間零序電流尖峰約 350A 以上 此后零序電流尖峰約在 100 240A 之間 4 原因 B 相瓷瓶對地擊穿 發(fā)生弧光接地 特征 接地瞬間零序電流尖峰最大超過 300A 每周波放電尖峰 3 4 次 5 原因 可能存在金屬性放電或異物觸碰 發(fā)生間歇性接地 特征 零序電流尖峰最大超過 600A 存在高頻振蕩 6 原因 接地故障演變?yōu)槿喽搪?特征 C 相接地約 11 個周波 一個周波弧光放電 半個周波 B C 相短路 隨后三相短路 短路電流超過 1000A