小电流接地系统单相接地故障分析

王晓峰，洪彩凉

(南安电力公司，福建 南安 362300)

1 引言

电力系统中性点接地方式主要有大电流接地方式和小电流接地方式两种，其中，小电流接地方式又包括中性点不接地方式、中性点经消弧线圈接地方式和中性点经高阻接地方式［1］。在小电流接地系统中，单相接地是一种常见的故障，在该系统中，若发生单相接地故障，将导致非故障相电压升高，且易出现瞬时弧光过电压，可能使单相接地故障进一步扩大成相间短路，造成更大的事故［2］。

小电流接地系统由于发生单相接地故障后还可继续运行几个小时等特点，在我国配电网中被广泛采用。据不完成统计，在配电系统中单相接地故障发生次数占配电故障总数的80%以上;故对小电流接地系统中单相接地故障的研究极具现实意义。

本文对小电流接地系统中单相接地故障的机理进行分析，建立小电流接地系统单相接地故障的MATLAB仿真模型，针对故障合闸角、过渡电阻和故障距离等多个影响因素进行了大量仿真，获取小电流接地系统单相接地故障零序电流的波形，并进行分析。

2 小电流接地系统单相接地故障分析

2.1 几种常见小电流接地系统单相接地故障分析

2.1.1 中性点不接地系统

中性点不接地系统具有运行维护简单、经济的优点，在我国农村地区广泛采用。图1所示为一中性点不接地系统发生单相接地故障示意图，图中假定A相发生单相接地故障。

假定三相线路参数一致，三相线路有相同的对地电容C0，正常运行时，三相零序电流和为零［5］。由弥尔曼定理推出故障线路三相对地电压为:

故障线路中性点位移公式为:

图1 中性点不接地系统单相接地故障示意图

据公式(1)、(2)绘出故障线路的三相向量关系图，如图2所示。

图2 中性点不接地系统向量关系示意图

故障线路中非故障相流向故障点的电容性电流为:

非故障线路始端的零序电流为:

故障线路接地电流为:

故障线路Ⅱ始端的零序电流为:

其中C0∑为全系统对地电容之和。

由公式(1)～(6)可知，故障相线路的对地电压幅值减小，非故障相线路的对地电压则升高，此时中性点发生偏移，A相对地电容增大，对地电容性电流也相应地增大，但三相中的负荷电流和相电压仍然对称［6］。由故障线路流向母线的零序电流，数值等于全系统非故障元件对地电容电流的总和，容性无功功率的方向为由线路流向母线，与非故障线路的容性无功功率方向相反。

2.1.2 中性点经消弧线圈接地系统

在电缆馈线比例较大的配电系统中，为解决故障过电压问题，通常在中性点处接入一个产生感性电流分量的消弧装置，从而减小流经故障点的电流，以达到熄灭电弧的目的。图3所示为中性点经消弧线圈接地系统发生单相接地故障示意图，图中假定A相发生单相接地故障。

图3 中性点经消弧线圈接地系统接地故障示意图

中性点经消弧线圈接地系统各相电压变化原理同中性点不接地系统，但接入消弧线圈后，由于消弧线圈的补偿作用，各馈线零序电流发生显著变化。故障线路的零序电流为:

当采用过补偿方式时，流经故障线路的零序电流将大于本身的电容电流，故中性点经消弧线圈接地系统单相接地故障后线路的电容性无功功率的实际方向仍然是由母线流向线路，方向同非故障线路的零序电流流向［4］。

2.1.3 中性点经电阻接地系统

中性点经高阻接地系统发生单相接地故障时，性质上与中性点不接地方式一样，故不另行分析。

2.2 小电流接地系统暂态分析

小电流接地系统单相接地故障线路暂态电路原理图如图4所示。

图4 单相接地故障暂态电流等效电流

经拉氏变换等运算后可得暂态电容电流:

暂态电感电流

暂态接地电流

式(10)是由式(8)和式(9)叠加而成的，第一项为接地电流稳态分量，其值等于稳态电容电流和稳态电感电流的幅值之差;其余为接地电流的暂态分量，其值等于电容电流的暂态自由振荡分量与电感电流的暂态直流分量之和，两者的幅值不仅不能相互抵消，甚至还可能彼此相加，使暂态接地电流的幅值明显增大。在暂态过程的初始阶段，暂态接地电流的特性，主要由暂态电容电流的特性所确定。

3 MATLAB模型设计

为了进一步对小电流接地系统单相接地故障进行分析，本文使用MATLAB软件及Simulink工具箱进行建模仿真，并对发生故障时各条线路的零序电流波形以及合闸角、接地电阻、故障位置对中性点经消弧线圈接地系统单相接地故障时零序电流的影响进行分析。

图5所示为Matlab仿真模型图。

图5 Matlab模型

配电网线路一般为短线路，为了保证仿真结果的准确，防止电网常出现不对称电压性，因此采用分布式参数的线路模型［7］;该系统有三种运行方式:过补偿、欠补偿、完全补偿。配电网中常采用过补偿的运行方式，本次仿真取过补偿度8%。

由于现在电力变压器种类繁多，参数不尽相同，故变压器参数采用SimPowerSystems专用库中变压器模型的参数;线路长度的选择直接关系到系统的稳定性及仿真的准确性［8］，因此在长度的选择上要符合当前的现场实际，本文中共设置4条线路，依次为30km架空线路长度，10km电缆线路，2km电缆与12km架空线路的缆线混合线路，10km架空线路;而电容值的大小直接影响仿真效果的可靠性与可观性［9］，电缆线路的电容值要明显大于架空线路的电容值，经计算后参数见表1、表2。令第四条线路C相发生接地故障，最终MATLAB仿真图形见图6。

表1 线路正序参数

表2 线路零序参数

3.1 单相接地时各线路的零序电流波形

由图6可知，经消弧线圈接地系统在发生单相接地后，流过故障线路的零序电流不再是非故障线路零序电流之和，而是全系统故障线路的电容性电流之和与经消弧线圈产生的电感性电流的叠加。在8%过补偿时，故障线路的稳态零序电流的极性与非故障线路的零序电流的极性相同，而稳态幅值甚至比非故障线路零序电流的稳态幅值还要小，因此根据零序电流稳态幅值的故障选线不再适用。在故障发生后的暂态过程中，故障线路零序电流首半波的幅值仍为最大，且极性与非故障线路的零序电流暂态首半波的极性相反;而此后随电感电流增大，使故障线路的暂态故障特征被补偿得不明显。

图6 各线路始端的零序电流

3.2 合闸角对零序电流的影响

在其他条件恒定时，依次调整合闸角，观察故障波形的变化。如图7所示，故障合闸角θ为时，故障零序电压和故障零序电流的高频振荡分量最小［10］。但此时在中性点经消弧线圈接地系统中，故障线路流过较大的感性衰减直流分量，该感性直流分量仅流经故障线路和消弧线圈构成的回路，而不流经非故障线路。高频振荡分量的幅值随故障合闸角θ正弦模值的增大而增大，故在故障合闸角在到变化时，暂态零序电流高频分量幅值呈单调递增的趋势。

图7 不同故障合闸角故障线路零序电流

3.3 接地电阻对零序电流的影响

故障相经接地电阻接地后，中性点电压发生偏移，非故障相的稳态相电压不再是倍的故障前相电压，故障相的稳态电压也不再为零。接地电阻越大，故障相电压越大，而各线路稳态零序电流和零序电压的幅值越小，稳态零序电压和电流的相位也发生变化，但线路之间的线电压仍保持对称。随着过渡电阻的增大，流过各线路零序电流的高频衰减分量也逐渐减小，使得故障线路零序电流的首半波幅值逐渐减少甚至消失。在中性点经消弧线圈接地系统中，接地电阻较大时，暂态零序电流的幅值比稳态值更小。仿真波形图如图8所示。

图8 不同过渡电阻时故障线路零序电流

3.4 故障位置对零序电流的影响

从图9可以看出，当故障进入稳态时，线路的零序电流和零序电压几乎不随故障距离的增长而发生变化，这是因为小电流接地系统单相接地电流的大小主要取决于系统的电容分布，在故障线路变化较小的时候，基本不改变系统的电容分布，只有当故障距离变化达到一定程度时，才会有明显的变化。因此，在配电网中利用稳态信息的故障选线方法可不考虑故障距离的影响，但故障距离对暂态特征有一定的影响。随着故障距离的增长，流过故障线路的高频振荡分量减小，且振荡频率变小。在故障距离较短时，发生单相接地故障易引起系统振荡。

图9 不同故障位置下故障线路零序电流

4 结论

小电流接地系统发生单相接地故障后，在故障点就有衰减很快的暂态电容电流和衰减很慢的暂态电感电流流过。不论系统的中性点为谐振接地还是不接地方式，暂态接地电流的幅值和频率主要由暂态电容电流所确定，且其变化均和故障合闸角、接地电阻故障位置有关。暂态接地电流的幅值虽然很大，但持续时间很短，给暂态选线增加了较大难度。

［1］ 蔡润溟.小电流接地系统单相接地故障选线和测距方法的研究［D］.山东:山东大学，2007:13－19.

［2］ 袁钦成.配电系统故障处理自动化技术［M］.北京:中国电力出版社，2007:3－5.

［3］ 唐捷，伏进，孙才新，等.小电流接地系统单相接地故障选线新方法［J］.高电压技术，2007，33(12):143 －147.

［4］ 陈志亮，范春菊.基于5次谐波突变量的小电流接地系统选线［J］.电力系统及其自动化学报，2006，18(5):37 －41，69.

［5］ 薛永端，冯祖仁，徐丙垠.中性点非直接接地电网单相接地故障暂态特征分析［J］.西安交通大学学报，2004，38(2):195 －199.