中性点不接地系统故障相经低励磁阻抗变压器接地方式的研究

唐传佳, 魏曼荣, 朱汇静

1. 蚌埠供电公司 安徽蚌埠 233000 2. 安庆供电公司 安徽安庆 246000

笔者所研究的中性点不接地系统故障相经低励磁阻抗变压器接地方式，可以实现对小电流接地系统单相接地燃弧的彻底熄弧，无残弧。当人员或动物发生电击事故时，可进行快速保护，避免人身伤害事故。这一技术对提高供电可靠性与安全性具有重要意义。

1 现状分析

目前我国35kV及以下系统大多采用中性点非有效接地方式，包括中性点不接地方式和中性点经消弧线圈接地方式[1]。非有效接地方式运行时一旦发生单相接地，没有有效的熄弧措施。

由此可见，中性点不接地方式和中性点经消弧线圈接地方式存在一定的缺陷，具体表现在如下几个方面。

(1) 人畜电击而发生单相接地故障时，由于线路不会快速跳闸，人畜将无法得到有效保护，后果就是电击时间延长，造成重大伤害事故。

(2) 中性点不接地系统没有任何熄弧措施，中性点经消弧线圈接地系统中，消弧线圈只能补偿接地电流中的工频无功分量，无法补偿接地电流中的工频有功分量和高频分量，熄弧效果有限。一旦电弧产生，将引起弧光过电压，造成电网连锁故障。同时电弧会引发火灾等事故，给电网和用户造成重大损失[2]。

(3) 目前随着架空线路长度的增加和电缆线路的增多，系统电容电流越来越大。当电容电流增大到一定程度时，消弧线圈的制造将非常困难，而且成本过高。为了解决这个问题，35kV及以下系统将中性点的接地方式改为经小电阻接地，这样就牺牲了中性点非有效接地方式供电可靠性高的优点。

(4) 单相接地故障选线和故障定位问题没有得到很好的解决，很多变电站通过人工拉路的方法进行故障选线，并通过人工巡线的方法进行故障定位，延长了停电时间，增加了带故障运行的风险，也降低了供电可靠性[3]。

2 经低励磁阻抗变压器接地方式的优势

在发展智能电网的大背景下，为了提高供电安全性、可靠性和经济性，需要建立一个全新的接地方式并形成一个集监测、保护、控制于一体的综合成套系统，在不改变中性点非有效接地方式优势的前提下，彻底解决上述问题。

故障相经低励磁阻抗变压器接地是单相接地故障综合保护装置的一个组成部分，单相接地故障综合保护装置是集消弧、抑制过电压、人身电击保护，以及接地选相、选线、定位与保护自动复归功能于一体的智能化设备。通过快速接地转移，可减轻对电击人员的伤害，避免间歇性接地引发系统过电压和单相接地引发相间短路故障，同时实现接地故障自动识别，方便检修人员快速定位接地点，对保证电力企业安全生产、可靠供电及社会群众的生命安全有重要意义。

3 技术原理

在小电流接地系统中，系统线路的多少决定对地电容电流的大小，10kV系统一般为10～100A。由于电力设施的相间距离相对较大，多数人身电击均为单相接地电击，系统对地电压较高，电击后电弧不能熄灭，使被电击人员不能脱离电源。电流的长时间作用一般会给被电击人员带来致命伤害，电击对人体的伤害取决于电流大小和作用时间长短两个因素，由于接地电流由系统决定，所以缩短电流作用时间是减轻电击伤害的决定性因素[4]。

应用故障相经低励磁阻抗变压器接地方式，在每个变电所的不接地系统中每相装设一台能够自动投入的接地器，由一组单相断路器来控制，当分相开关控制系统在母线电压互感器测量到系统接地并判别相别后，将接地相接地器以最短时间投入，同时闭锁其它相。由于接地器实现了低电阻接地，使该相对地电压钳制到与地基本等电位，使电击人员接地电流降至很小，且使电弧不能保持，人员脱离导电部分。由于作用在人体的电流时间很短，一般为0.05～0.2s，因此该接地方式能对电击人员起到有效的保护。

应用故障相经低励磁阻抗变压器接地方式的关键是使用电气设备保护人身安全，属于一种新的思路，一组自动控制的单相断路器是技术的核心，快速实现接地转移是技术的关键点。

4 研究内容与技术方案

单相接地故障是系统发生频次最多的一种故障，对于涉及到单相接地故障的消弧、抑制过电压、人身电击保护、接地选相选线、测距、故障定位等技术，多年来受系统接地方式制约，一直未能得到很好解决。

基于以上原因，笔者提出了故障相经低励磁阻抗变压器接地方式，其实质是故障相自动经低励磁阻抗变压器接地。这一技术采用以降低故障相对地电压的方式熄灭单相接地故障电弧，以将故障相、人体、大地三者强迫等电位的方式实现对人身电击保护，以稳态保护接地方式限制间歇性接地过电压，以零序电压模角比较的稳态选相方法和相电压斜率比较的间歇性接地选相方法进行选相，以保护接地前后零序电流转移特征方程的选线方法准确选择接地线路，以低阻抗变压器二次线圈注入信号进行单相接地保护状态下的故障定位和自动复归[5]。这一技术理想解决了现有单相接地故障时消弧、抑制过电压、人身电击保护、接地选相选线、测距、故障定位困难等问题。

4.1 人身电击保护

35kV及以下供电系统具有分布区域广、离人居住地近的特点，针对人身电击事故，应着重解决人身单相电击保护措施。影响人身电击伤害的因素很多，但人体电击电流为系统接地电流，其大小、途径等因素是不可控的，唯一能够控制的就是电击时间的长短。高压人身单相电击事故发生时人体距离高压带电体短于安全距离，高压带电体对人体放电，在高压带电体和人体间由放电电弧形成回路。由于我国多数采用小电流接地方式，规程规定可带单相接地运行1～2h，发生人身单相电击事故，系统正常运行，放电电弧无法自行熄灭。

根据上述研究，提出了人身单相电击的保护方法： 快速转移系统接地电流，强迫故障相与大地等电位，使放电弧光没有足够电压支持而熄灭，避免跨步电压危害，从而使受电击人员脱离。参照国际电工委员会对低压漏电保护器动作时间的规定，保护动作时间应小于100ms。

4.2 接地方式

故障相经低励磁阻抗变压器接地方式在正常运行时不接地，只有发生单相接地时，快速使故障相经低励磁阻抗变压器接地。故障相经低励磁阻抗变压器接地强迫故障相与大地等电位，同时与接地点并联。由于低励磁阻抗变压器阻抗小于1Ω，并且直接接入地网，接地电阻值很小，因此具有很好的分流效果，使电弧不能维持而自动熄灭。单相间歇性电弧在20ms时间内可在非故障相形成3.5倍过电压，但系统中的无间隙金属氧化物避雷器可以将过电压限制到2.5倍，持续时间仅1～2s。故障相经低励磁阻抗变压器接地方式在100ms内将间歇性接地转变为稳态接地，与无间隙金属氧化物避雷器相配合，实现过电压保护。

这一接地方式的优点为： 无论是工频电弧还是高频电弧，均可实现熄弧彻底，无残弧；不受系统接地电流大小限制；不影响系统正常供电；可抑制间歇性过电压。

4.3 故障定位

经过对S注入法的研究分析[6]，提出了经低励磁阻抗变压器注入信号进行故障定位的方法。当系统发生单相接地故障时，使故障相经低励磁阻抗变压器接地，此时故障相、接地点与低励磁阻抗变压器同大地构成回路，通过低励磁阻抗变压器二次线圈向系统注入信号。注入信号在故障相变电站与接地点间流通，通过检测设备沿线查找此注入信号，即可查找出接地点的确切位置，实现故障定位。

低励磁阻抗变压器二次额定电流为50A，匝比为1∶3，根据i1/i2=1/n计算，二次注入信号为40A时，得到注入电网信号最大为13A，是原方法注入信号的25倍，即使经10kΩ过渡电阻[7]，仍具有较高的定位精度。

故障相经低励磁阻抗变压器接地方式下的S注入法，既加大了注入信号的强度，提高了定位精度，又保证了系统正常运行，不影响向用户供电，特别是在对故障相实施有效保护的状态下，实现了故障定位。

5 系统组成

根据总体设计思想，在故障相经低励磁阻抗变压器接地方式的基础上研发了故障相自动接地成套装置，装置由一次接地保护柜和二次控制屏组成，如图1所示。一次设备包括单相断路器、低励磁阻抗变压器、零序电流互感器、开关柜体及相关附属配件，二次设备包括单相接地选相控制单元、接地选线单元、信号发生器、手持信号接收装置等。

图1 故障相自动接地成套装置示意图

故障相自动接地成套装置实时采集变电所母线相/线电压、零序电压，根据零序电压与线电压的模角变化判断系统有无单相接地故障及接地相别。当发生单相接地故障时，控制故障相的单相断路器快速合闸，在断路器合闸后，强迫故障相对地等电位，实现人身电击保护，熄灭接地电弧，避免人身伤害事故发生。当接地性质为间歇性接地时，这一装置可以将不稳态接地转变为稳态金属接地，避免产生间歇性过电压。

接地选线单元在单相断路器动作前后进行录波，根据各线路零序电流在单相断路器合闸前后的变化，采用零序电流特征方程确定接地故障线路[8]。

如接地故障长时间未能恢复，操作者持手持式信号接收装置沿接地选线单元选择的故障回路进行巡视，查找故障点。手持式信号接收装置显示接收信号由强变弱时，即为故障点，这样就完成了单相接地故障定位。

6 主要技术难点

6.1 判断接地故障相别

小电流接地系统自动分相接地保护成套装置的关键在于小信号准确选相算法和快速启动，也就是要保证系统的灵敏性和准确性。

采用零序电压与线电压模角比较方法判断接地相别，同时采用零序电压突变量启动判断，提高了装置动作的灵敏性，并使用零序电压修正法比较理论计算轨迹与实际采样计算轨迹，提高了装置动作的准确性。

6.2 选择接地回路

小电流接地系统接地选线受信号幅值较小、零序电流变化不明显等因素影响，一直较难解决。此外，自动分相接地保护装置一般在故障发生后50ms 内动作，要求选线装置必须具备同步快速启动的性能。

采用高速数字信号处理器，采样速率达到每周波640次，多通道同步对单相断路器动作前后各回路零序电流和系统零序电压进行采样，保证各信号的同步性。接地回路选线利用了自动分相接地保护装置独有的动作前后故障回路零序电流会发生变化的特点，准确率高。

6.3 故障定位

在有效保护状态下，零序电压为系统最大值，此时若故障消失，系统无法根据零序电压的变化进行判断，加之分相保护装置保护效果明显，故障点处没有明显痕迹，因此为巡视人员确定故障点带来难度[9-10]。目前单相接地故障定位技术一般在停电或无有效保护状态下实施，在单相接地保护状态下的故障定位还基本处于空白[11-13]。将装置按图2方式与系统放电间隙、单相断路器及接地装置安装在室外固定围栏内，由单相电力电缆与变电所闲置间隔相连。采用经低励磁阻抗变压器的二次线圈耦合高频信号注入系统的方法，有效解决了问题。

图2 故障相自动接地成套装置安装示意图

7 结论

中性点不接地系统故障相经低励磁阻抗变压器接地方式具有消弧、接地选线、过电压保护等功能，不但可以对人身电击实现保护，而且可以保护系统设备，提高供电可靠性，是小电流接地系统的改进，使城区供电系统成为一种接地转移小电流接地系统。接地方式理论简单，容易接受，受到技术人员的欢迎，具有良好的社会效益。

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