中性点不接地系统单相接地故障原理与分析

文/高俊杰

中性点不接地系统单相接地故障原理与分析

文/高俊杰

本文用电路分析的方法，对电力系统主回路进行了合理的简化、等效，通过计算最终求得在中性点不接地系统单相接地时电路中各电压、电流的方向与分布，供业内的朋友们参考。

电力系统 单相接地故障 原理

1 前言

在电力系统中，由于多种原因引起的供电线路上的单相接地是最常见的故障，它多发生在潮湿、多雨的恶劣天气。单相接地不仅影响了用户的正常供电，而且可能产生过电压、过电流，烧坏设备，甚至引起相间短路进而扩大事故。本文主要针对中性点不接地系统的单相接地故障进行原理分析，这对电力技术值班人员熟悉供电线路的工作原理有很大的帮助。

2 中性点不接地系统单相接地故障原理

众所周知，当中性点不接地系统发生单相接地时会有“一低两高三不变”的特点，即接地相对地电压变低,甚至为零;非接地两相的对地电压升高至线电压;各相间的线电压保持不变。我们为了弄清以上特点，仅用向量图法就不够明晰，就需要用电路分析的方法来解答这种现象。

在图1所示的电力系统中，电源和负载端的中性点均不接地，由最左端发电机三相绕组发出的电能经母线分配到多条线路（图中仅画出2条）至用户端。尽管中性点与地之间没有直接的联系，但三相电路在发电机和负载两侧还是有很小容量的对地电容存在，由于三相电路完全对称，在没发生接地故障前通过各相电容电流的矢量和为零，不会影响供电线路的对称性。

现假设在线路Ⅰ上的A相母线（黄色的）A点接地，此故障通常A相导线不断线，导线在A点经电阻R接地。由于各线路上的电容量很小，在工频段分布电容引起的容抗XC>>R，尤其在金属性接地时R→0，包括发电机在内的每条线路中的A相与地之间的分布电容被短接（也可以看作R和C的并联），这样流过所有A相分布电容的电流为零，它与B、C两相电流的矢量和为3*I0也就是我们所说的零序电流。在整个电力系统中，所有B、 C两相分布电容形成的零序电流经各自的电容接地后流过A点，沿着A相母线流过Ea线圈，再经Eb、Ec后回到B、C两相的母线构成回路。

由于零序电流等于三相电流之和，所以整个系统的零序电流分布为，在接地点A处流过包括发电机在内的所有线路的零序电流，然后再由B、C两相绕组流出，因而在发电机三相绕组上的零序电流的矢量和为零，在发电机出口（母线与发电机三相的交点处）和非故障线路上流过的零序电流就是其本身分布电容上的电容电流。在故障相始端（母线与线路Ⅰ三相的交点处）的零序电流为流过接地点A的所有零序电流与本线路B、C两相形成的零序电流之差，也即所有非故障相对地电容电流的总和。

为了进一步分析图1所示电路，我们暂时忽略电压互感器的影响，将图1中各线路的分布电容用三个集总参数元件进行替代简化后得到如图2所示的等效电路，图中小电阻R将电容C1短路而忽略。由图2可以看到中性点不接地系统可以看作是不接地负载（主要）和接地负载的并列运行，正常工作时电压互感器的感抗XL和分布电容的容抗XC非常巨大，可以看作是极大阻抗接地。完全的中性点不接地系统发生单相接地时与大地之间不能构成回路，是没有零序电流的；同时电压互感器初级线圈中性点也必须接地，否则它的A相线圈就不能被短接，因而是检测不到零序电压的，所以中性点不接地系统只是对地阻抗极大，它与地之间还是有一定联系的。

下面我们再忽略不接地三相对称负载ZAZBZC的影响，再把图2转化为图3所示电路，就可以用电路分析理论对其零序分量作如下分析。设I1、I2为网孔电流，令C1=C2=C3=C且ÉAÉBÉCÉ等均为向量，再设

通过网孔电流分析法列写方程，得

行列式解方程组得

最终我们求得经接地负载流过发电机三相绕组的电流

接地点A处的电压，

电源中性点o点电压，

当金属性接地时，R→0，UA→0，Uo→-E（三相不平衡中性点的电压应该就是零序电压）。电压互感器测量到的相电压UA、UB、UC是对地电压，UBA、UCA、UBC是线电压，单相接地时

由此可见发生单相接地故障时，UA→0（一低），UB、UC升高到绝对值√3É（两高），三个线电压保持不变的特点得到了印证。

3 结语

由于导线分布电容很小、低频段容抗很大，即便金属性接地零序电流也很小，它对中性点不接地系统线电压的对称性影响不大，因而供电系统仍可运行1～2小时。通常架空线的分布电容较小,而电力电缆的分布电容就不能忽略了，因而我们也要清楚地认识到在接地点的线路上流过所有线路的零序电流，必须引起人们足够的重视。

图1

图2

图3

[1]李瀚荪主编.电路分析基础[M].高等教育出版社,2013.

[2]秦曾煌主编.《电工学》上册电工技术部分[M].高等教育出版社,2011.

[3]罗崇萐,朱鋐道编.《高等数学》矩阵与线性方程组部分[M].高等教育出版社,2015.

[4]周浩,王慧芳等编著.电力工程[M].浙江大学出版社,2008.

[5]电工进网作业许可考试参考教材-高压类理论部分[M].中国财政经济出版社,2006.

作者单位 国家新闻出版广电总局五六四台 北京市100044