小电流接地系统单相接地故障分析与仿真

小电流接地系统单相接地故障分析与仿真

兰州石化公司 许志军

摘要：本文结合石化厂内部电网中性点接地方式的优化改造，对中性点不接地系统和经消弧线圈接地系统的单相接地故障进行了综述，并利用MATLAB软件对两种系统下的单相接地故障进行了仿真，得到了与理论分析相一致的结论，使的单相接地故障的分析更为直观。

关键词：小电流接地系统 单相接地故障 数值仿真 消弧线圈接地 中性点

电力系统常用的接地方式有两种，即中性点有效接地系统和非有效接地系统，也称为大电流接地系统和小电流接地系统。对于小电流接地系统，当发生单相接地故障时，只是非故障相对地电压升高√3倍，而线电压维持不变，故不影响三相设备的正常运行，当单相接地电容电流不大时，其所引起的热效应能为电网的各个元件的绝缘所承受，故规程允许电网带接地故障运行1～2小时。但当接地电流较大时，产生的电弧不易熄灭，易损坏设备绝缘，造成相间短路，或发生间歇性弧光接地，造成弧光接地过电压，持续时间较长时，将对网络中的设备绝缘寿命产生不良影响。

兰州石化公司的6kV系统全部为小电流接地系统，建初因为电力系统较小，中性点全采用了不接地方式，其优点是单相接地电流小，系统带故障能继续运行，但随着公司生产规模的不断扩大，各电力网络也随着变大，单相接地电流增加，发生单相接地时极易引起弧光短路，造成整个电网电压波动，致使各套装置经常停车，设备损坏。鉴于此，石化厂组织对本厂电力系统中性点运行方式进行了优化改造。这里结合石化厂改造情况并利用MATLAB软件的电力系统仿真工具箱，对6kV电力系统中性点不接地和经消弧线圈接地两种方式作一简析。

1 中性点不接地系统运行方式及分析

1. 1中性点不接地系统原理

中性点不接地系统属小电流接地系统，图1.1为最简单的中性点不接地系统正常运行时

图1.1 中性点不接地系统原理图

a：接线简图 b：电流电压相量图

电容电流的分布，三相对地集中电容相当于一个对称的星形负荷，其中性点电位与电源中性点电位相等，对地电位为零，故各相对地电压分别为各相的相电压 ，三相电容中的电流是对称的电容电流ICA，ICB，ICC,分别超前相应的相电压90°,三相对地电容电流之和为零，各相对地电容电流值为

I=jUXωC0

如图1.2a示，当A相直接接地故障时，A相对地电容被短接，相当于容抗为无穷大，A相对地电容电流为零，A相对地电压也为零，而其它两相对地电压则升高√3倍，其相量关系如图1.2b所示，A相接地后，各相间电压仍然是对称的，各相电压为

图1.2 中性点不接地系统单相接地示意图

a：接线简图 b：电流电压相量图

UAD=0

UBD=EB-EA=EAexp(-j150°)

UCD=EC-EA=EAexp(j150°)

非故障相中流向故障点的对地电容电流

ICB'=jUBDωC0

ICC'=jUCDωC0

故障点电流

Id=ICB'+ICC'

其有效值Id=3UXωC0，为正常运行时相对地电容电流的3倍，相位超前故障点电压

Ud0 90°，即

Id=j3Ud0ωC0

如图1.3所示，假设系统中有ｍ条线路，每条各相对地电容分别为C１,C２,…,Cｍ,第ｉ条线路发生A相经电阻R接地，其接地电流为整个系统非故障相电容电流之和，故障线路零序电流为非故障线路电容电流之和减去故障线路电容电流。

通过以上分析，可知中性点不接地系统单相金属性直接接地后，接地点电流为系统正常时单相对地总电容电流的3倍，故障线路零序电流为此接地电流减去故障线路本身的电容电流，而非金属性的接地，则相应的电流值要小一些，但很明显故障线路的零序电流值比非故障线路的零序电流值都要大。

1. 2石化厂中性点不接地系统运行状况

表1.1是石化厂1989年到1997年30变电网中性点不接地运行期间的单相接地事故资料，多次瞬间接地因未造成影响，所以记录上也未录入，只对单相接地引起的短路事故和永久性接地进行了统计，从中可以看出，9年间共计有11次单相接地造成短路事故影响到了生产，

图1.3 中性点不接地系统单相接地故障电流示意图

平均1.2次／年，这对要求长周期稳定运行的乙烯生产企业来说损失是相当大的，因为一次电网波动造成的影响是全方位的，轻则产品质量受影响，重则管线堵塞，炉管烧毁，物料放空，一年1.2次的电网单相接地造成的电气事故给厂里带来了巨大的损失。

中性点不接地系统其优点是投资少，相比大电流接地系统连续供电可靠性高，在电网相对小的时候不失为一种理想的运行方式。但随着电网的扩容改造，电网对地电容电流变大，

事故发生时间 事故发生地点 影响范围 事故原因

1989.1.9 30变馈23变电缆 5个车间停车 单相接地引发短路

1989.4.28 30变馈32变电缆 5个车间停车 单相接地引发短路

1989.8.25 30变馈32变电缆 3个车间停车 单相接地引发短路

1989.9.29 30变母线 0 单相接地

1991.4.7 30变馈33变电缆 3个车间停车 单相接地引发短路

1991.11.13 30变馈106油品电缆 2个车间停车 单相接地引发短路

1992.8.8 30变馈25变电缆 1个车间停车 单相接地引发短路

1996.4.1 30变馈28变电缆 1个车间停车 单相接地

1996.7.5 30变馈24变电缆 1个车间停车 单相接地引发短路

1996.8.21 30变馈106油品电缆 4个车间停车 单相接地引发短路

1996.8.21 33变母线接地 4个车间停车 单相接地引发短路

1997.12.28 30变馈106油品电缆 3个车间停车 单相接地引发短路

表1.1 1989~1997年石化厂30变系统单相接地事故情况表

单相接地电弧不易熄灭，容易产生间歇接地过电压，绝缘击穿造成相间短路事故。另外，新增的变电所有远有近，总变馈出线长短相差悬殊，传统的零序过电流继电器在选线方面也不能满足要求，经常误选，故障回路不能及时切除，单相接地时间过长，接地电弧也容易烧毁电缆绝缘，造成相间短路。

1.3中性点不接地系统单相接地仿真 为了对以上概念有一个直观的比较清楚的认识，这里利用MATLAB软件提供的电力系统工具箱对中性点不接地系统发生单相接地时的一些情况进行仿真，给出一些图形解释。如图1.4所示，此三相系统有5条馈线，L1=18km,

L2=12km,L3=12km,L4=13km,L5=15km,为突出主要因素，将入端简化为无穷大容量的三相电压源，出端以等效的负荷形式代换，将小电流接地系统模型化。

图1.4中性点不接地系统仿真图

如图1.5,假定t=0.065s时线路L5终端A相发生直接接地，图a,b,c是系统三相对地电压波形，可看出接地后A相对地电压变为零，B，C相对地电压升高到线电压，d是接地点电流波形，e是中性点电压波形，f,g,h,i是L1,L2,L3,L4四条非故障线路零序电流波形，j是故障线路L5的零序电流波形，可看到故障线路零序电流是总接地电流减去非故障线路零序电流和，其值最大，其相位与其它非故障线路相反，与理论分析一致。

a b

c d

e f

g h

i j

图1.5线路L5终端A相接地仿真波形图

2 中性点经消弧线圈接地系统运行方式分析

2.1中性点经消弧线圈接地原理 在电网中性点与地之间接入消弧线圈之后，电网发生单相接地时，其单相接地电容电流将会得到有效补偿，如能使故障点的残余电流减至5A左右，就可促使电弧不易重燃。消弧线圈实际上是具有铁芯的电抗器，它有自动跟踪补偿方式和非自动跟踪补偿方式两种，现在新建的都采用自动跟踪补偿消弧系统。如图2.1所示，因

Y/△ 接法变压器6kV侧无中性点引出，所以通过接地变压器产生中性点，有载电动调节消弧电抗器是由调匝式消弧线圈配上有载电动开关构成，控制器用于实时测量系统电容电流并控制消弧线圈调档，阻尼电阻是为了限制位移过电压，串接在消弧线圈与地之间。

图2.1 6kV系统中性点经消弧线圈接线方式

如图2.2所示，假设系统中有ｍ条线路，每条各相对地电容分别为C１,C２,…,Cｍ,第ｉ条线路发生A相经电阻R接地，其接地电流为整个系统非故障相电容电流与消弧线圈电感电流之和，故障线路零序电流为非故障线路电容电流之和减去故障线路电容电流和电感电流。

图2.2中性点经消弧线圈接地系统单相接地故障示意图

2.2中性点经消弧线圈接地运行状况 中性点经消弧线圈接地也属小电流接地系统，单相接地故障绝大部分瞬间可自动消除，少数永久接地故障因接地电流小，在一定时间内电网可以带故障运行，同时，电网绝缘闪络接地故障的建弧率得到了降低，减少了发生间歇性接地的机率，从而使电缆绝缘烧坏的可能性减小，因单相接地而引起短路的事故也大为减少，表2.1是石化厂1998年到现在30变电网中性点经消弧线圈接地以来的单相接地事故情况，除1次外单位施工时挖断电缆外，只有一次造成电缆短路，平均0.14次/年，同类事故的发生率大为降低。

事故发生时间 事故发生地点 影响范围 事故原因

1999.2.6 41变馈出电缆 0 单相接地

2000.6.25 30变热联进线电缆 0 单相接地

2001.3.26 30变馈32变电缆 3个车间停车 施工挖断电缆

2001.8.21 30变馈24变电缆 5个车间停车 单相接地引发短路

2002.10.17 30变馈33变电缆 0 单相接地

表2.1 1998年～2004年石化厂30变系统单相接地事故情况表

2.3中性点经消弧线圈接地的仿真 如图2.3所示，电路参数同前面不接地系统，只是中性点经消弧线圈接地。图2.4是线路L5终端发生单相接地时的系统各点电流电压波形图，其中a是接地点电流，b,c,d,e是L1,L2,L3 ,L4各线路的接地零序电流，f是L5线路的零序电流，g是消弧线圈补偿电流，h，i，j是L5终端A相接地时系统的三相电压波形，k是中性点电压波形，假设系统是t=0.065s时发生单相接地。接地是通过在线路L5末端A相与地之间加一个开关来实现，通过开关的开合来控制接地。可以看出，L1,L2,L3 ,L4的零序接地电流相比中性点不接地系统未发生变化，L5零序电流和接地点的接地电流得到了感性电流的补偿，幅值变小，系统B相，C相电压和中性点不接地系统一样，在A相接地后对地电压升高到线电压。消弧线圈补偿电流与接地电流相位相反。