小电流接地系统接地故障分析

小电流接地系统 单相接地故障分析与检测 为了提高供电可靠性 配电网中一般采取变压器中性点不接地或经消弧线 圈和高阻抗接地方式 这样当某一相发生接地故障时 由于不能构成短路回路 接地故障电流往往比负荷电流小得多 因而这种系统被称为小电流接地系统 小电流接地系统中单相接地故障是一种常见的临时性故障 当该故障发生 时 由于故障点的电流很小 且三相之间的线电压仍保持对称 对负荷设备的 供电没有影响 所以允许系统内的设备短时运行 一般情况下可运行 1 2 个小 时而不必跳闸 从而提高了供电的可靠性 但一相发生接地 导致其他两相的 对地电压升高为相电压的 倍 这样会对设备的绝缘造成威胁 若不及时处理3 可能会发展为绝缘破坏 两相短路 弧光放电 引起去系统过压 然而当系统 发生单相接地故障时 由于构不成回路 接地电流是分布电容电流 数值比负 荷电流小得多 故障特征不明显 因此接地故障检测仍是一项世界难题 很多 技术有待克服 单相接地故障分析 当任意两个导体之间隔着绝缘介质时会形成电容 因此在简单电网中 中 性点不接地系统正常运行时 各相线路对地有相同的对地电容 C0 在相电压作 用下 每相都有一个超前于相电压 900的对地电容电流流入地中 然而由于电 容的大小与电容极板面积成正比而与极板距离成反比 所以线路的对地电容 特别是架空线路对地电容很小 容抗很大 对地电容电流很小 系统正常运行时 如图 1 由于三相相电压 UA U B U C 是对称的 三相 对地电容电流 Ico A I co B I co C 也是平衡的 因此 三相的对地电容电流矢量和 为 0 没有电流流向大地 每相对地电压就等于相电压 图 1 中性点不接地电力系统电路图与矢量图 当系统中某一相出现接地故障后 假设 C 相接地 如图 2 所示 相当于在 C 相的对地电容中并联了一个大电阻 由于故障电流 IC没有返回电源的通路 只能通过另外两项非故障 A B 相线路的对地电容返回电源 此时 C 相线路的对 地电压为 UC UCD 0 而 A 相对地线电压即 UA UAD UAC UCA 3 UC 300 UB 90 0 而 B 相对地线电压即 UB UBC UB 30 0 则 UA 3 3 和 UB 相差 600 非故障相中流向故障点的电容电流 IAC UA jwC0 I BC UB jwC0 且 IAC I BC 超前 UA 和 UB 900 I AC I BC 大小相等为 Ico A 之间相差3 600 图 2 中性点不接地电力系统发生 C 相接地故障电路图与矢量图 由此可见 C 相接地时 不接地的 A B 两相对地电压 UA 和 UB 由原来的相 电压升高到线电压 即值升高到原来的 倍 相位由原来的相差 1200 变为相3 差 600 此时 从接地点流回的电流 IC 应为 A B 两相的对地电容电流之和 即 IC IAC IBC 当网络系统中有发电机 G 和多条线路存在时 如图 3 所示 每台发电机和 每条线路对地均有电容存在 这里用 C0G C 01 C 02 表示 当线路 2 中的 C 相 接地后 全系统 C 相对地电压均为 0 因此 C 相对地电容电流也为 0 同时 A B 相的对地电压和对地电流升高到原来的 倍 在这种情况下 非故障线3 路 1 上 由于 C 相电流为 0 A 相和 B 相中有本身电容电流 因此 该线路上 的零序电流 3I01 IA1 IB1 方向由母线流向线路 图 3 中性点不接地电力系统发生 C 相接地故障电路图与矢量图 在发电机 G 所在的线路上 首先有它本身 A 相和 B 相的对地电容电流 IAG IBG 但是 由于发电机还是产生电容电流的电源 因此从 C 相中要流回 从故障点返回的全部电容电流 而在 A 相和 B 相上又要分别流出各个线路上同 名相的对地电容电流 因此 在发电机线路上的零序电流仍为三相电流之和 但是 各线路的电容电流从 C 相流入后又从 A B 相流出相互抵消 只剩下发 电机本身的电容电流 故该线路的零序电流仍为 3I0G IAG IBG 方向由母线流 向发电机 在故障线路 2 上 A 相和 B 相的有本身的对地电容电流 IA2 I B2 不同之 处在于接地点要从 C 相流回统 A 相和 B 相对地电容电流之和 因此从 C 相流 出的电流可表示为 IC1 ID 总 这样线路 2 上的零序电流为 3I02 IA2 IB2 IC2 IAG IBG IA1 IB1 方向为由线路流向母线 经过以上分析可以得出 在小电流接地系统中 发生单相接地故障时 非 故障线路的零序电流等于该线路三相对地电容电流的向量和 方向由母线流向 线路 故障线路的零序电流等于全系统非故障线路对地电容电流的向量之和 方向由线路流向母线 目前已存在检测单相接地故障的方法主要有 零序电流法 电容电流法等 分别分析如下 零序电流检测法 在中性点不接地系统中 单相故障指示器是可以利用零序电流的方向和幅 值来检测到故障线路的 但零序电流法存在如下问题 1 由于需要使用零序电流互感器或零序电流过滤器来采样零序电流的变 化 结构复杂 安装不方便 不能广泛应用于 10kv 架空线路上 2 零序电流互感器精度较低 当一次侧零序电流在 5A 以下时 变比误差 可达到 10 以上 角度误差达到 200以上 当一次零序电流小于 1A 时 二次侧 基本无电流输出 无法保证接地检测的准确性 3 零序滤过器本身固有的不平衡输出使其准确性较低 而且一般保护用 电流互感器额定一次电流值多在几百安以上 在接地电容电流小于 10A 的小电 流接地系统使用零序滤过器 单相电容电流仅为保护用互感器一次额定电流的 0 6 根本无法保证互感器的必要准确度 4 在中性点经消弧线圈接地的电网中 发生单相接地故障后 由于消弧 线圈的补偿作用 流过非接地线路的零序电流仍为自身的电容电流 但流过接 地点的零序电流为消弧线圈提供的感性电流与电网中所有非接地线路电容电流 之和的迭加 所以在中性点经消弧线圈接地的系统中 采用零序电流检测法的 故障指示器检测到的零序电流幅值和相位是随消弧线圈的补偿度的不同而变化 的 电容电流检测法 在某一线路发生单相接地故障时 如果电网的线路总长度很长时 总的电容 电流与每条线路的电容电流相差很大 因此可以利用这个特征来判断接地线路和 接地区段 但电容电流法存在如下问题 1 尽管在发生接地时接地线路的电容电流等于非接地线路的电容电流之 和 而非接地线路的电容电流只是自身的电容电流 但通常接地电容电流是不 大的 约为几安培 对于架空线路则更小 而线路中的负荷电流值则很大 达 几百安培 电容电流所占负荷电流的比例只有百分之几 这样就要求故障指示 器有很高的测量精度 2 单相接地故障的线路流过接地点的电容电流其幅值与接地点位置 所 在母线上各条出线的长度以及运行方式有关 在电网最小运行方式下有时接地 线路的电容电流值和非接地线路的电容电流值很接近 对设置动作电流非常不 利 另外运行方式的变化也对设置恰当的动作电流值增加难度 而动作电流值 的设定直接影响其选择性和灵敏性 3 在结构复杂的电网中 由于运行方式的变化和环网的分流作用等 采 用检测电容电流进行接地判断的故障指示器则得不到足够动作电流 直接影响其 灵敏性 而造成拒动 故障录波检测法 小电流接地系统中 若某一线路发生单相接地故障时 从故障前稳态到故 障后稳态存在一个明显的暂态过渡过程 该过程持续 5 20ms 其暂态过程具有 丰富的故障特征量 系统中的零序电流和零序电压产生高频暂态信号 暂态信 号幅值比稳态信号大的多 并且这些特征量受系统参数 接地方式 负荷电流 等因素的影响很小 其主要特点如下 图 1 接地故障暂态波形 1 非故障 健全 线路的暂态零序电流方向与故障线路的暂态零序电流方向 相反 且故障线路暂态零序电流为非故障线路暂态零序电流之和 2 接地故障点同侧暂态零序电流差异小 详细程度高 故障点前后的暂态 零序电流幅值 频率差异较大 相似程度较低 几种常见接地故障 1 原因 因导体搭接接地 接地相和大地之间形成稳定的阻性通路 特征 零序电流出现月 160A 以上暂态峰值 接地后工频电流 电场波形稳 定 零序电流有效值约 15A 2 原因 非金属性物体搭接接地 接地相和大地之间形成稳定的较大阻值 通路 特征 零序电流出现约 170A 以上暂态峰值 接地后工频电场波形基本稳定 零序电流有效值小于 10A 且逐渐减小 3 原因 线路对地绝缘劣化存在薄弱点 发生弧光接地 特征 接地瞬间零序电流尖峰约 350A 以上 此后零序电流尖峰约在 100 240A 之间 4 原因 B 相瓷瓶对地击穿 发生弧光接地 特征 接地瞬间零序电流尖峰最大超过 300A 每周波放电尖峰 3 4 次 5 原因 可能存在金属性放电或异物触碰 发生间歇性接地 特征 零序电流尖峰最大超过 600A 存在高频振荡 6 原因 接地故障演变为三相短路 特征 C 相接地约 11 个周波 一个周波弧光放电 半个周波 B C 相短路 随后三相短路 短路电流超过 1000A