中低壓配電系統單相接地故障及其保護分析

1 概述

中低壓配電系統故障分為相間短路和單相接地，相間短路又分為三相短路和兩相短路。相間短路稱為金屬短路或永久性短路，短路電流比較大，危害也大，繼電保護必須可靠、迅速而有選擇性將故障切除。單相接地故障的故障電流隨配電系統中性點接地方式不同有很大差別。電源中性點不接地以及經大電阻或消弧線圈接地的配電系統，發(fā)生單相接地故障后，由于沒有形成回路，接地故障電流為對地電容電流一般比較小，可繼續(xù)運行一定時間，但應有報警，以便及時查找故障。電源中性點直接接地的配電系統發(fā)生單相接地故障后，接地相經過大地與電源中性點形成回路，故障電流為短路電流就比較大，繼電保護應可靠、迅速而有選擇性將故障切除。
電源中性點不接地以及經大電阻或消弧線圈接地的配電系統，接地故障［Earth fault］是指相線和電氣裝置的外露導電部分，以及大地間的短路，它屬于單相對地故障，它和相線與中性線的單相短路無論在危害后果與保護措施上都十分不同。絕緣損壞或損傷是較常見的接地故障，此時為非金屬性短路，短路電流隨絕緣損壞程度不同差別比較大，故障電流相差也比較大。這就給繼電保護選擇與整定造成較大困難。絕緣損壞往往會帶來人身電擊傷害和火災，因此必須采取一定措施限制故障電壓升高和其作用時間，防范人體與危險電壓的接觸，并且要求電器裝置的接地要合理可靠，并應有接地故障保護。

2 電源中性點不直接接地配電系統的單相接地故障與保護

2.1電源中性點不直接接地配電系統單相接地故障分析
我國目前6～10kV與35kV配電系統為小電流接地系統，其電源中性點有不接地、經大電阻或消弧線圈接地三種方式。正常運行時三相對地電容電流大小相等，相位各落后于相電壓90度，電容電流分布與相量圖。見圖1。

圖1中性點不接地系統單相接地電容電流分布與相量圖

當發(fā)生單相接地故障時，電源中性點對地電位升高為相電壓，故障相電位接近或等于地電位，其它兩相對地為升高為線電壓，其值為相電壓的√3 倍。各相之間的電壓大小和相位均無變化，仍然對稱，這是電源中性點不接地配電系統發(fā)生單相接地之后仍可運行一段時間的主要原因，一般規(guī)定為1到2小時。
由圖1可知發(fā)生單相接地后三相電壓計算公式為：
Ua ＝ Ea－Ea ＝ 0
Ub ＝ Eb－Ea ＝√3× Ea ×e－j150°
Uc ＝ Ec－Ea ＝√3× Ea ×e＋j150°
電容電流分布見圖2，向量圖見圖3。

圖2單相接地時接地電容電流分布與單相接地保護原理分析示意圖

圖中：1—電纜頭 2—電纜金屬外殼 3—電纜頭接地線 TAN—零序電流互感器
KA—電流繼電器 I1～I6—通過線路對地分布電容C1～C6的接地電容電流

圖2為電源中性點不接地配電系統單相接地保護原理分析示意圖。發(fā)生單相接地故障后，零序電流互感器TAN1檢測到單相接地故障電流后，驅動繼電器KA發(fā)出報警或跳閘信號。
由于接地相電壓對地降為零，非接地相對地電壓升高√3 倍，非接地相對地電容電流比正常運行狀態(tài)下也就升高 √3倍，假設A相接地，A相對地電容電流為零；B相與C相對地電容電流分別為：
Ib ＝jωC0 Ub ＝j×√3×ω×C0×Ea×e－j150°
Ic ＝jωC0 Uc ＝j×√3×ω×C0×Ea×e＋j150°
從接地點流回電源的接地電流數值上為其它兩相對地電容電流之向量和：
IE ＝ －IA ＝IB＋IC ＝ j×ω×C0 ×（Ub ＋UC）＝－j×3×ω×C0×Ea
此時母線上的零序電壓為：
U0 ＝ 1/3（UA＋UB＋UC）＝－Ea
三相線路的零序電流為：
I0 ＝ 1/3（IA＋IB＋IC）＝0
當母線上有若干回路引出時，每回路出線均有對地電容存在，各回路均有對地電容電流流入接地點，其數值為各回路其它兩相對地電容電流之向相和：
3I0 ＝IB＋IC＝－j×3×ω×C0×Ea
流入接地點的總的接地電流為：

當發(fā)生單相接地故障時，未發(fā)生接地的各回路引出線路始端零序電流為本身正常時各相對地電容電流之和，方向為母線指向線路，相位上超前零序電壓90度。

故障回路始端零序電流為全網絡非故障回路各對地電容電流之和，其方向為由線路指向母線，相位上滯后零序電壓90度。向量圖見圖3。

假設A相接地，對地電容
電流為：
Idc ＝√3×Ibc＋√3×Icc
＝√3×（Ibc＋Icc）
＝√3×（COS30°×Ibc
＋COS30°×Icc）
＝√3×（√3／2×Ibc
＋√3／2×Icc）
＝√3×√3×Ibc
＝3×Ib

圖3單相接地時接地電容電流向量圖

由以上分析可知，電源中性點不接地的配電系統發(fā)生單相接地時有以下三個特點。
（1）發(fā)生接地相對地電壓降為零，非接地相對地電壓升高為線電壓，即為相電壓的√3倍。
（2）單相接地后，三相間電壓（線電壓）大小不變，仍然對稱，電源中性點不發(fā)生漂移。
（3）有多回路引出線時，非故障相上零序電流（3Io）大小等于線路本身各相對地電容電流之向量和，其方向為由母線指向線路，故障相上零序電流（3Io）大小等于所有非故障相線路各相對地電容電流之向量和，其方向由線路指向母線，并落后于零序電壓90度。
2.2 電源中性點不直接接地配電系統單相接地絕緣監(jiān)視
三相五柱式或三個單相電壓互感器二次側為YO/YO/開口三角形接線是中性點不直接接地配電系統單相接地絕緣監(jiān)視常用的一種方案，除正常測量電壓之外，再增加三只對地測量電壓表或用一只電壓表經過轉換開關進行三相轉換。正常時三個電壓表指示均為零。當某相發(fā)生單相接地時，該相對地電壓指示為零，非接地相電壓升高為線相電壓，由轉換開關轉換時，也可以輪流檢測到接地相電壓為零，非接地相電壓為線相電壓。
有開口三角形時，可以在開口三角形輸出端接一塊電壓表進行指示，還可用一個電壓繼電器進行預告報警，正常時電壓指示為零，或不平衡電壓，電壓繼電器不工作。發(fā)生單相接地故障時，開口三角形上有電壓輸出，其大小為-EA，電壓表指示為線電壓，電壓向量和超過電壓繼電器線圈電壓整定值時，電壓繼電器吸合，常開接點發(fā)出預告報警信號。線路圖見圖4。

圖4單相接地測量與報警電路圖

用Y0/Y0/△電壓互感器做單相接地的絕緣監(jiān)視接線簡單安裝調試方便，在工業(yè)與民用建筑變電站得到普遍應用。它只能在變電站發(fā)生單相接地故障后發(fā)出報警信號，無法確定出是哪一個回路發(fā)生接地故障。這時就需要在規(guī)定的時間內，逐一拉閘來找出發(fā)生接地故障的回路，對于不允許短時停電或出線回路比較多時，就要選用單相接地選線或保護裝置。
2.3供電電源中性點不直接接地配電系統單相接地小流接地選線裝置
供電電源中性點不直接接地的配電系統相間發(fā)生短路故障，短路電流較大，電流保護動作后可將故障回路切除。當發(fā)生單相接地故障時，單相接地故障相的電容電流雖然有所增加，但其值比較小，很難使過電流保護動作。發(fā)生單相接地故障后，如果需要檢測出是那一路發(fā)生單相接地故障，并發(fā)出報警或跳閘信號，就需要選用零序電流互感器或由三個電流互感器組成的零序電流濾序器以及配套的電流繼電器進行報警，也可以選用微機型小電流接地選線裝置進行報警或跳閘。
三個相同的電流互感器組成的零序電流濾序器主要用于架空線，零序電流互感器應用于電纜出線。在正常運行以及發(fā)生三相或相間短路時，穿過零序電流互感器的各相導線中的電流在鐵芯中產生的磁通的向量和為零，二次繞組中沒有感應電動勢，也就不會產生感應電流。當發(fā)生單相接地時，單相接地回路對地電容電流增加，方向也發(fā)生變化，鐵芯中產生的磁通向量和不為零，二次繞組中就會感應電流。由三個相同的電流互感器組成零序電流濾序器在發(fā)生單相接地故障后，三個電流互感器副邊電流的向量和不為零，由于三個電流互感器的特性及誤差很難完全一致，零序電流濾序器比零序電流互感器靈敏度要低很多。
每個回路安裝零序電流互感器后，可選用微機型小電流接地選線裝置，直接找出單相接地回路，不再需要逐路拉閘查找單相接地故障。有些變配電站綜合自動化裝置（微機保護）可以采集零序電流與電壓進行單相接地保護，這時就不再需要選用微機型小電流接地選線裝置。

3 供電電源中性點不直接接地配電系統單相接地保護的整定

單相接地故障保護的動作電流一般應大于本線路的零序電流：

式中：K 可靠系數，保護瞬時動作時可取4～5，保護延時動作時可取1.5～20。
Ici本線路三相對地電容電流之和，即 Ici＝3×I0i
Coi 本線路每相對地電容 Uφ 線路的相電壓。
保護的靈敏系數為：

3I0n(min)為系統最小運行方式下發(fā)生單相接地時，所有非故障回路各相對地電容電流總和，它等于最小運行方式下全系統三相對地電容電流之和減去單相接地相對地電容電流。
選用零序電流互感器靈敏系數Ks取下限1.25，選用零序電流濾序器時靈敏系數Ks取1.5。各相對地電容電流總和Ic2可按以下公式進行近似計算：
式中：Ici 第i=1回路對地電容電流（A） UN 額定線電壓（KV）
Lcab 各回路電纜線路的總長度（Km）。 Loh 各回路架空線路的總長度（Km）
也可以用實測方法求出各相對地電容電流來確定。采用變配電站綜合自動化裝置（微機保護）后，可利用變配電站綜合自動化裝置（微機保護）進行實測。
當供電電源中性點不直接接地的配電系統比較小時，發(fā)生單相接地故障后，故障回路零序電流和非故障回路的零序電流相差較小，單相接地故障保護靈敏度難以滿足要求，此時就應考慮加裝零序功率方向保護。由以上分析可知，故障線路零序電流由線路流向母線，相位上落后零序電壓90度，非故障回路零序電流由母線流向線路，相位上超前零序電壓90度，所選用的變配電站綜合自動化裝置（微機保護）有無此功能設計時應落實。

4 零序電流互感器的選型與安裝

電纜要從零序電流互感器中穿過，選擇零序電流互感器時要注意其內徑可以穿過的電纜最大外經。零序電流互感器一次側電流為20A與40A兩種，二次側電流為0.1A、0.2A與0.5A三種。一次側電流根據全系統單相對地電容電流來選擇，一般選20A。變配電站綜合自動化裝置（微機保護）零序電流輸入電流為0～1A，二次側電流應選0.5A。接地電容電流通過電纜金屬外皮與大地流通，零序電流互感器安裝位置以上部分要與電纜支架絕緣，并將電纜頭及金屬外皮的接地線穿過零序電流互感器以后再接地，這樣流過金屬外皮的電流就可以與流過接地線的電流相互抵消，保證測量的準確性。

5 10kV變配電站高壓側單相接地保護設計

5.1當前我國10 kV配電系統為電源中性點不直接接地系統，上一級變電站一般都有單相接地保護。當變配電站站內出線回路數較少時，可以采用Yo/Yo/△開口三角形進行絕緣監(jiān)視。采用的變配電站綜合自動化裝置（微機保護）具有單相接地保護功能時，可在進線回路安裝零序電流互感器，進行全站單相接地預告報警。在沒有較長距離電纜出線引向車間變電站時，出線回路也可不安裝零序電流互感器，也不需要設計小電流接地選線裝置。
5.2 電站出線回路較多時，特別是在有電纜引出線引到車間變電站的情況下，可在出線安裝零序電流互感器，母線發(fā)生單相接地故障機率很低，此時進線可以不安裝零序電流互感器。采用的變配電站綜合自動化裝置（微機保護）具單相接地保護功能時，可不再選用小電流接地選線裝置。

6 10kV變配電站變壓器單相接地保護設計

6.1 10kV變配電站變壓器高壓側單相接地保護
單相接地故障可利用絕緣監(jiān)視進行預告報警，也可安裝零序電流互感器利用電流繼電器或具單相接地保護功能的變配電站綜合自動化裝置（微機保護）進行報警與跳閘。也可采用由三個電流互感器組成的零序電流濾序器取得保護動作電流，但由于精度低、較少采用。
6.2 10kV變配電站10kV變壓器出線安裝三個電流互感器時，可利用高壓側過電流保護作為低壓側單相接地故障保護的后備保護，保護的動作電流和動作時限與過電流保護相同，保護的靈敏系數按最小運行方式下，低壓側母干線末端單相接地時，流過高壓側保護電流互感器的短路電流來校驗。
6.3 10kV變配電站變壓器高壓側過電流保護與低壓側出線斷路器保護，在低壓側母干線末端發(fā)生低壓側單相接地故障靈敏系數達不到要求時，應設置安裝在變壓器低壓側中性線上的零序電流互感器進行低壓側單相接地故障保護。它的整定要躲過正常運行時最大不平衡電流。按規(guī)定變壓器的不平衡負荷不應超過額定容量的25％，保護裝置動作電流還應與低壓出線上單相接地保護相配合，保護的靈敏系數按最小運行方式下，低壓側母干線末端單相接地的穩(wěn)態(tài)電流來校驗，保護的動作時限一般取0.5秒。
電流互感器應安裝于變壓器中性線引出線上，如圖5所示的a處，安裝于b處時為剩余電流保護，它保護不了一相對中性線短路，這一點應引起注意。

圖5低壓零序電流互感器安裝位置示意圖

7 10 kV電容器單相接地保護

電容器安裝與支架絕緣時可不裝設單相接地保護。有電纜引出線時，可設計單相接地保護，高壓側裝零序電流互感器，按最小靈敏系數為1.5考慮，其一次動作電流應小于電網電容電流除以靈敏系數1.5。

8 10 kV高壓電動機單相接地保護

10 Kv高壓電動機一般與10 kV變電站有一定距離，大都采用電纜引出，按有關規(guī)定單相接地電流大于5A時，應裝設單相接地保護，大于10A時動作于跳閘，5至10A之間時動作于信號。采用的變配電站綜合自動化電動機微機保護裝置（微機保護）具單相接地保護功能時，可不再選用小電流接地選線裝置。

9 220/380V低壓配電系統接地故障及保護

9.1 220/380V低壓配電系統接地是指電源中性點與電氣裝置的外露導電部分是否需要接地。前者需要根據電力系統繼電保護要求來決定是否接地，后者是為了保證人身和設備的安全而進行必要的接地。電源中性點對地的關系，接地用字母T表示，不接地用字母I表示，電氣裝置外露導電部分與地的關系，接地與電源中性點連接后統一接地用N表示，不與電源中性點直接連接而單獨接地用T，中性線用N表示，接地保護線用PE表示，二者合為一用PNE表示。在接地系統表示中，電源中性線與保護地線分開用S表示，合二為一用C表示。
220/380V低壓配電系統根據應用場所不同分為TN－S、TN－C－S、TN－C、TT以及IT系統。
9.2 220/380V低壓配電系統為TN－S、TN－C－S、TN－C與TT時，任何一相與電源中性線或地短路為單相短路，其短路電流比較大，繼電保護必須能夠可靠動作將故障切除。保護元件為低壓熔斷器與低壓斷路器。低壓短路器已進入智能化，保護功能不斷加強與改善，但還沒有將計算機網絡功能用于保護配合中，這是220/380V低壓配電系統繼電保護研究與開發(fā)的發(fā)展方向。
對于TN－S、TN－C－S與TN－C系統，單相接地故障與三個相線分別與電源中性線（N）短路、三個相線分別與保護地線（PE）以及電氣裝置外露導電部分短路故障造成的危害不完全相同。它不僅影響到配電系統的安全運行，發(fā)生單相接地故障后，為非金屬性短路時，故障電流就比較小，容易引起電氣火災，對人身安全以及電子設備的安全與正常運行都會造成危害。除直接保護設施、間接保護措施以及電氣接地措施外，漏電保護器（RCD）的應用也非常重要，這方面已有許多專著進行了詳細論述，有關電氣設計規(guī)范也作了規(guī)定，并開始執(zhí)行國際電工委員會（IEC）標準。