小电流接地系统实验平台研制和实验内容开发

王庆华，陈新苗，贺秋丽

(广西大学 电气工程学院，广西 南宁530004)

0 引 言

中性点不接地和经消弧线圈接地的电力系统称为小电流接地系统，它是电力系统的重要组成部分，位置处在电力网的末端，直接和广大用户用电设备相连接，数量庞大、覆盖面广。小电流接地系统有以下一些特点［1］:①发生单相接地时，网络线电压的大小和相位差仍然维持不变。因此，用电设备的工作不会受到破坏，可以继续运行一定的时间，这是这种接地方式最大的优点。②单相接地故障时接地电流只是很小的电容电流且不稳定，不会引起继电保护动作跳闸，所以接地故障选线技术和方法十分困难和复杂，至今实际使用效果普遍都不理想。③小电流接地系统有一些特有的运行技术问题，如绝缘监视、铁磁谐振、串联谐振、接地电流补偿等。

高校电力专业的电力系统运行分析课程都是针对大容量、高压和超高压的输电系统的，涉及小电流接地系统运行的内容很少，且都是纸上谈兵，学生没有实践体验。而地方院校以及高专高职电力专业的学生毕业后大多到电力生产的一线工作，直接面对小电流接地系统的许多运行技术问题，由于在校时没有这方面的实践基础，往往难于适应实际工作的要求，因此研制小电流接地系统实验装置，开发相关实验内容，加强实践教学是很必要的。但是，现代电力系统是一个十分庞大复杂的高电压大容量网络，在实验室对它进行物理模拟是相当困难的，而且费用很高，能借鉴的资料很少。多年来，我们一直致力于探索如何将现场复杂的小电流接地系统“复制”到实验室来，经过长期的努力，自行研制开发了一个低成本、低电压、小容量的独具特色的综合实验平台［2］，来模拟实际小电流接地系统正常运行和发生各种事故的现象，并自主开发了各种相关的实验内容，用于课程实验、专业综合实验、创新实验以及毕业设计中，让学生在直接的体验和探索中，观察系统运行中各种故障的现象、分析故障的机理、寻找故障的原因、提出防止故障的措施，在实际电力系统中是无法做到的。从而提高学生分析和解决工程实际问题的能力，得到在校和毕业工作学生普遍好评，在培养创新应用型人才方面取得了满意的效果［3］。

1 实验平台的构建

由于380 V 电源系统中性点是接地的，需要在实验室构建一个隔离而独立的小电流接地系统供实验用，实验平台的原理接线如图1 所示。实验平台由下列主要部件构成:

(1)隔离变压器1TM。1TM 由3 只BK 型控制变压器组成YNy 接法，通过电源开关1QK 接AC380 V电源，1TM 单只容量500 kVA，电压220/220 V，副边形成380 V 中性点不接地系统。

(2)线路WL-1，2，3。实验系统设3 条线路，用集中电容C 代替线路的分布电容，每相通过2 只1 μF、630 V 的电容器接地。

图1 小接地电流系统实验平台的原理接线图

(4)消弧线圈L。1 TM 中性点可通过开关3 QK接入消弧线圈，消弧线圈由一台1 kVA 的单相调压器构成，接调压器A、a 端，可调节消弧线圈的电抗值。

(5)用户变压器2TM。2TM 由三只BK 型控制变压器改制，组成Yynd 接法，2TM 单只容量500 kVA，电压220/220，36 V，副边接3 只100 W 白炽灯作负载。设置三角形的笫三绕组是为使三次谐波电流流通，改善波形并使正常运行时中性点位移电压很小。

(6)接地支路。在线路WL-1 的C 相通过开关2QK 设置接地，可直接接地和通过可调的过渡电阻R接地，R 为10 kΩ、1 A 的滑线电阻。1 ～6 A采用500 mA 交流电流表。

(7)接地选线装置。每一线路装三只电流互感器接成零序接线，也可以采用一只穿芯型的零序电流互感器，互感器电流比为5/5 A，各线路零序电流接至接地选线装置。线装置可以自制或外购。

实验装置的费用较低，除选线装置外一套才数千元，因而可以配置较多套数，以利于培养学生的动手实践能力，应让学生自己完成实验系统的安装接线。

2 实验内容的开发

2.1 单相接地故障实验

2.1.1 单相直接接地时参数的变化

中性点不接地的三相系统在正常运行时三相对地电压均为相电压，中性点对地电压和电压互感器的开囗三角电压都为零。当任何一相绝缘受到破坏而产生单相直接接地时，相关参数有以下变化:接地相对地电压为零，非接地相对地电压升高为线电压;中性点对地电压升高为相电压;电压互感器的开囗三角电压为100 V(额定情况)，会发系统接地信号;接地点流过电容电流;3 个线电压的大小和相位并不因单相接地而改变，仍然是对称系统［4］。

2.1.2 单相直接接地实验

只在线路WL-1 且拉开4QS、短接1TA 二次侧做实验，首先在正常无故障情况下，测量并记录系统一次侧3 个线电压(UAB、UBC、UCA)，3 个相电压(UAN、UBN、UCN)，3 个相对地电压(UAd、UBd、Ucd)，变压器中性点对地电压UNd、3 只电容器的电流(IcA、IcB、IcC)和公共接地处的电流Ic以及电压互感器二次侧3 个线电压(Uab、Ubc、Uca)，3 个相对地电压(Uad、Ubd、Ucd)、开口三角各绕组电压(Ua2、Ub2、Uc2)和开口电压Uo。对测值进行分析。

合上短路开关2QK 使C 相直接接地，测量并记录接地电流Id及上述各量，与正常运行值比较，画出相量图分析单相完全接地的特点。

注意:因TV 一次中性点接地也会产生电流流入接地点，方向与Ic相反，故Id略小于Ic，可以退出TV做实验对比。

2.1.3 单相不完全接地实验

中性点不接地系统中，三相对地导纳为YA、YB、YC，各相对地电压表示为:

中性点位移电压由下式计算:

式中:

rA、rB、rC为各相对地泄漏电阻，一般可认为无限大;C为各相对地电容;ωL 为电压互感器各相感抗，它比电容的容抗大得多。设C 相通过接地过渡电阻Rd接地，如认为各相对地泄漏电阻和互感器的感抗为无限大，并且CA=CB=CC=C0，则式(3)各相对地的导纳变为

将式(4)代入中性点位移电压算式(2)得

分析式(5)可知，当Rd变化时，相量U·Nd始端的轨迹是以接地相的电压U·C为直径的位于其顺时针一侧的半圆，如图2 所示。从图可见，当Rd在0 ～∞之间变化时，UNd的值则在Up～0(Up为相电压)范围内变动［5］。

单相不完全接地实验和分析比较复杂，可作为毕业设计或创新实验的内容，通过实验和原理分析，掌握单相不完全接地的特点，得出确定接地相的规律。

发生单相接地时，TV 的开囗三角上会出现反映变压器中性点对地电压的零序电压，当数值大于设定值时，就会发接地信号。但是，TV 高压熔断器熔断、铁磁谐振、线路断线等故障也会产生零序电压而发接地信号，这就要进行鉴别以便正确处理故障。

图2 C 相不完全接地时的相量图

2.2 电压互感器实验

2.2.1 高压熔断器熔断分析

电压互感器正常运行时，其激磁电抗很大，往往比电网对地电容的容抗大得多，故电压互感器的一次侧电流比电网对地电容电流小得多，电压互感器一相或两相高压熔断器由于某种原因熔断后，熔断相一次电流为零，但因网络对地电容电流相对很大，故并不会使电压互感器的一次侧中性点产生明显的位移，在开口三角上就会出现约100/3 V 的电压。接地告警电压一般整定值为15 ～20 V，所以会发出接地信号［6］。

电压互感器高压熔断器熔断一相或两相虽然也发接地信号，但是根据其非熔断相对地电压基本不变的特点，就可以与单相接地故障相区别。

2.2.2 高压熔断器熔断实验

分别使互感器一次侧和二次侧熔断器熔断(拔下)，测量并记录互感器一次侧的3 个线电压UAB、UBC、UCA，3 个相电压UAN、UBN、UCN;二次侧星形绕组3个线电压Uab、Ubc、Ubc，3 个相电压U1a、U1b、U1c，开口三角电压Uo和各绕组电压U2ab、U2bc、U2ca，并和熔断前的测值比较。特别注意3 个相电压U1a、U1b、U1c和开口三角电压Uo与单相接地故障时的区别。

2.2.3 极性错误实验

2 个及以上相互有电磁连系的线圈就会存在极性问题，互感器极性如果接反了，测量参数的数值和相位都可能是错误的。实验时分别将1TV 一相的一次侧A、X 端、二次侧星形a1、x1端、二次侧开囗三角a2、x2端接线对调，测量并记录互感器二次侧星形绕组3 个线电压Uab、Ubc、Ubc，3 个相电压U1a、U1b、U1c，开口三角电压Uo和各绕组电压U2ab、U2bc、U2ca，并和正确接线比较，画出互感器二次侧电压相量图进行分析。

2.3 铁磁谐振实验

2.3.1 铁磁谐振的产生

电压互感器是一种铁磁元件，正常运行时，互感器不饱和，其电感很大，式(3)中各相导纳表现为容性且三者相差甚小，式(2)表示的中性点位移电压是很小的。但是，当产生某种故障或冲击扰动时，可能使一相或多相对地电压骤然升高，致使电压互感器的铁心趋于饱和，激磁电感急剧下降，使中性点位移电压明显上升。在某些情况下，当参数的配合使总导纳(YA+YB+YC)很小时，就会产生铁磁谐振，使系统中性点的位移电压大大增加，导致一相、两相或三相对地电压显著升高，从而在电压互感器流过大大超过额定值的电流，这是互感器高压熔断器不正常熔断或烧毁以及避雷器爆炸的主要原因，中性点不接地系统运行中，铁磁谐振是比较常见的故障［7］。

2.3.2 电压互感器铁磁谐振实验

从式(2)可知，如果使(YA+YB+YC)数值很小，就能使中性点位移电压UNd很大，产生铁磁谐振。正常情况下，由于电压互感器激磁电感较大，(YA、YB、YC)表现为容性，如果在实验接线中将一相电容拆除，该相的导纳即变成纯感性，(YA+YB+YC)就变得较小，中性点位移电压UNd就较高，产生铁磁谐振现象。

实验的步骤是:电容不拆前，先测量1TV 正常运行时各相对地电压及开口三角电压。然后将A 相所接的电容断开，使系统各相对地参数不平衡，测量各相对地电压及开口三角电压，与正常运行时的数值对比，观察电压互感器铁磁谐振时各量的变化，分析铁磁谐振与单相接地故障的区别。由于某些相的对地电压升高，电压互感器会饱和发出异声并发热，因此不要长时间通电。为防止电压过高烧毁互感器，也可以B、C 相只接一只电容器做实验［8］。

2.3.3 铁磁谐振防止措施实验

(1)在A 相无电容的情况下，将1TV 开口三角绕组上分别并接200 W 和100 W 的白炽灯泡，测量各相对地电压及开口三角电压，说明这一措施对抑制铁磁谐振的作用。

(2)将1TV 的开口三角绕组短接，在高压侧中性点串接一台零序电压互感器一次绕组，测量有关电压，说明零序电压互感器对抑制铁磁谐振的作用。

(3)1TV 的高压侧中性点串接一只可调电阻，测量有关电压，说明串接电阻对抑制铁磁谐振的作用。

(4)如果外购或自制有消谐器，在发生铁磁谐振时可以自动接入，观察对抑制铁磁谐振的作用［9］。

2.4 线路断线实验

2.4.1 断线情况的分析

线路断线是小电流接地系统常见故障，但断线一般不会引起继电保护动作跳闸。为此，要认真分析和正确判断线路断线故障，以便及时处理。

图3 单相断线时的相量图

其他断线情况的分析方法是类似的，这里不再作分析。

2.4.2 断线实验

实际电力系统电压互感器的激磁电抗比系统对地电容的容抗大得多(ωL≫1/(ωC))，可以认为电压互感器激磁电抗为无限大。但实验接线中，因电容器的数值不宜选得过大，互感器的激磁电抗比电容的容抗不会相差很大，故需将电压互感器退出，否则可能引起铁磁谐振而影响实验结果。这时只能测一次侧的参数，互感器开口三角电压可以从变压器中性点对地电压换算而得。

实验在线路WL-1 上进行，将A 相在电源端断线，分别测量电源侧和负载侧3 个线电压、3 个相电压、3个相对地电压、变压器中性点对地电压。对实验结果进行分析，并与理论值比较。还可以在线路上安装3只电流表和三相有功表，比较断线前后的电流和功率。

再将A 相的两只电容器分开接在断点两边，模拟线路在中间断线，测量上述各电压值并进行分析。

同样方法可做两相断线、断线并在电源侧接地、断线并在负载侧接地、断线并两侧都接地等各种情况的实验。其中，断线并在负载侧接地的情况最为复杂，两侧中性点位移电压与断线线路的变压器容量以及断线系统的电容电流有关，可以将理论分析和实验研究结合起来作为毕业设计的内容。

2.5 消弧线圈接地系统实验

发生单相接地时，接地电流在故障点形成电弧，当接地电流较小时，电弧往往能够自行熄灭，但是，当接地电流较大时，单相接地故障的电弧就难于自行熄灭，而形成稳定电弧或间歇电弧。这可能烧坏电气设备和引起较高的过电压，并容易发展为相间短路，电力系统中性点经消弧线圈接地，可以减少接地电流。

2.5.1 消弧线圈的作用

发生单相接地时，对地电容电流和消弧线圈电感电流都流过接地点，由于两者相位相反而互相抵消，使接地电流变得很小，单相接地时产生的电弧就能自行熄灭［12］。

2.5.2 消弧线圈实验

如图1 所示，变压器中性点通过开关3QK 接入单相调压器的输入端A，滑动头a 通过电流表接地(模拟可调的消弧线圈)。电压互感器一次侧熔断器拔下，以消除互感器电抗对电容电流的补偿作用。调节调压器以变化电抗值，观察接地电流Id、IL的变化，观察消弧线圈的补偿作用，注意得到IL=Ic、IL＜Ic、IL＞Ic三种补偿方式，记录并分析IL、Id、Ic的数值。

说明:从理论上说，可以补偿到接地电流Id=0，这是认为消弧线圈是纯电抗，现场的消弧线圈由于容量大、导线粗，电阻是很小的。但实验用的调压器容量小，电阻不能忽略，不能补偿到接地电流为零。可根据实测时Ic、IL值计算出Ic和IL的相位差。

2.6 接地故障选线实验

2.6.1 故障选线原理

小电流接地故障选线的主要任务是自动选择接地故障线路。现有故障选线原理，按照利用信号方式不同可分为利用故障稳态信息、利用故障暂态信息、向电网注入信号三大类［13-14］。

当电网发生单相接地故障后，电容电流形成的零序电流有以下特点:

(1)零序电流的大小。非故障线路首端的零序电流就是该线路电容电流的相量和;故障线路的零序电流在数值上等于系统非故障线路全部电容电流的总和。

(2)零序电流的方向。非故障线路零序电流的方向为由母线指向线路，而故障线路零序电流的方向为由线路指向母线，与非故障线路零序电流方向相反。

这就是中性点不接地系统基波零序电流方向自动接地选线装置软件工作原理。具体实现方式可以是零序电流比幅法、零序电流比相法、零序电流比辐比相法，选线装置上可以选择。

2.6.2 故障选线实验

实验装置设置3 条线路，在WL-1 的C 相接地，可以做以下实验:①零序电流比幅法;②零序电流比相法;③零序电流比辐比相法;④将WL-1 的一相电流互感器二次侧的极性对调，观察选线装置的工作情况;⑤通过不同数值的过渡电阻接地，观察选线装置的工作情况;⑥解除WL-1 的C 相接地，改由母线单相接地，观察选线装置的工作情况。

目前国内有些高校也研制了小电流接地系统单相接地故障选线实验系统［15］，但实验内容比较单一，且采用高压系统，费用很大。

3 结 语

用一些低压电气组件构建了小电流接地系统综合实验平台，能够对高压系统进行物理模拟，除做正常运行实验外，主要功能是做各种运行故障的实验，让学生在直接的体验和探索中，提高工程素质和能力。实验平台是一个开放性的实验系统，适用于各个环节的实践教学，且通用性强，成本低廉，可在高校电力类专业中普遍采用。

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