35kV线路单相接地后母线电压异常原因分析

间。

对于小电流接地系统单相接地后的各种故障特征，各类文献已经做了较多的研究、分析，并给出了明确的说明。

但在电力系统的实际运行中，由于电力设备与理想模型存在差距，或设备安装、维护水平的不同，在某些情况下，小电流接地系统在发生单相接地后，其故障特征并不与理论分析值完全相同，或存在明显差异。

本文将会对现实情况中的一次典型案例进行分析，并对该案例中小电流系统发生单相接地后母线电压出现异常情况的原因进行分析。

1 事件概况
■1.1 事件主要概况
2020年2月14日17:33:23 220kV变电站甲35kV线路发生接地，选线装置选择线路为35kV甲乙线，35kV变电站乙显示B站接地，35kV变电站丙显示A相接地。

甲站拉开35kV甲乙线321开关后35kV母线电压恢复正常。

变电站丙4.6MW负荷；35kVⅠ段上35kV#1接地变35B1间隔带站用负荷，经消弧线圈接地，消弧线圈处于1挡过补偿状态；35kVⅡ段母线上35kV甲乙线321间隔带35kV变电站乙2.1MW负荷，并作为35kV丁站备用电源；35kVⅡ母线无PT间隔。

220kV变电站甲一次主接线图如图1所示。

图2 2020年2月14日17:33发生35kV线路发生接地时和2月15日21:30正常运行时后台机信息
2 现场检查情况
■2.1 后台检查显示
后台显示：2020年2月
14日17:33发生35kV线路
发生接地，小电流接地选线装
置（消弧线圈控制器）选线接
地线路为35kV甲乙线321，
但是未选出相别；检查2020
年2月15日21:30分正常运
行电压：A相20.74kV、B相
20.67kV、C相20.17kV、3U0
为3.99kV。

■2.2 小电流接地选线装置检查
小电流接地选线装置（消
图1 220kV变电站甲站内接线图
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弧线圈控制器）显示：2020.2.14 17:36:04至17:45:21发
生单相接地，选线接地线路为35kV甲乙线321，接地电
压为20829.2V，电感电流为15.6A，电容电流为14.6A，
35kV系统处于过补偿状态，但是未选出接地相别。

再次检
查屏柜内二次接线情况：该装置未采用对时线（未采用对时
引起小电流装置和后台机装置有3分钟左右差别属于正常
现象）；未取来自35kV母线的二次A相、B相、C相和开
口电压，开口电压取自消弧线圈控制柜内自带PT二次电压。

图3 2020年2月14日17:33发生35kV线路发生接地时小电流接地选线装置选线信息
■2.3 主变故障录波器波形检查
该站未配置35kV故障录波器，仅可以通过主变故障故录器查看接地时电压变化情况，图4显示接地瞬间波形，图5显示接地稳定时波形，图6显示即将结束时波形，图7显示结束时波形。

图4 2020年2月14日17:33:23发生35kV线路发生接地时瞬间主变故障录波器波形
图5 2020年2月14日17:33:25发生35kV线路发生接地时中间波形稳定时主变故障录波器波形图6 2020年2月14日17:42:39发生35kV线路发生接地即将消失时时主变故障录波器波形
图7 2020年2月14日17:42:39发生35kV线路发生接地消失时时主变故障录波器波形
■2.4 35kV开关柜检查
2.4.1 35kVⅠ段母线PT 35P1
检查35kVⅠ段母
线35P1间隔柜情况：①
电压互感器二次绕组采
用yn接线方式，保护小
室柜内二次接线正常且
一点接地，母线测控装
置显示2020年2月15
日21:30二次电压：A相
59.96V、B相59.21V、C
相57.73V、3U0为6.40V；
②电压互感器一次绕组采
用Y接线方式，采用3只单相全绝缘电压互感器连接而成，中性点连接在一起未接地（示意图如图8所示），PT相关参数见表1。

表1 35kVⅠ母线PT相关参数
35kV电压互感器参数
型号JDZX9-35BG
电压互感器形式全绝缘型
额定绝缘水平40�5/95/200kV
额定电压比35000/√3/100/√3/100/√3/100/√3/100/3V 功率因数cosφ=0�8滞后
出厂编号NO�3653508-001
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24.45kV、19.45kV，35kV甲丙线所带35kV变电站丙35kV 母线A、B、C三相电压为0.38kV、35.84kV、35.55kV，35kV甲乙线所带变电站乙35kV母线A、B、C三相电压分别为35.57kV、0.34kV、35.83kV。

显然，三站35kV母线电压显示差别较大，特别是35kV变电站乙、35kV变电站丙接地相别不对，但是表现出典型的单相金属性接地时电压变化特征；220kV变电站甲故障电压稍微升高，非故障相电压稍微降低，不是典型金属性接地时电压变化特征。

■2.6 220kV变电站甲站外35kV甲乙线检查情况
2月15日12:56 巡线人员多次巡线无异常，经检查35kV变电站乙、35kV变电站丙35kV母线PT显示数据均正确，申请对线路试送。

随即遥控合上35kV甲乙线321开关后，220kV变电站甲35kVⅠ段母线A、B、C三相电压
2020年2月14日17:33发生35kV线路发生接地，甲站小电流接地选线装置（消弧线圈控制器）选接地线路为35kV甲乙线321，调度随即遥控拉开35kV甲乙线321开关后，甲站、丙站、乙站35kV母线三相电压恢复平衡，说明小电流接线选线装置选线正常。

因装置原理设计未取来自35kV母线PT引出的二次A相、B相、C相和开口电压，接地零序电压取自消弧线圈控制柜内自带PT二次电压，因此能正常反应出接地时中性点对地电压为20829.2V，表现出典型的金属性接地，不能选出接地相别属于正常现象。

3 电压异常原因分析
■3.1 35kV乙站、丙站电压异常分析
在2020年2月14日17:34 35kV甲乙线接地时，35kV 甲丙线所带丙站显示A相接地，35kV甲乙线显示B相接地，
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两站接地相别不对。

根据巡线结果反馈的35kV甲乙线#97
杆避雷器B相击穿、35kV丙站35kV甲丙线在2019年11
月份送电时由正常的顺序A、B、C三相接成了C、A、B三
相，证明了35kV甲乙线接地相别为B相，是一起典型的金
属性单相接地故障。

■3.2 甲站35kV母线电压异常分析
220kV甲站35kVⅠ段母线PT一次绕组中性点未接地，
和原来设计的经消谐装置接地不符；二次绕组直接接地。

对
于Yyn接线方式的电压互感器，一次侧中性点不接地，一次绕组反应出来的是母线对中性点电压而不是母线对地电压。

假设三只电压互感器阻抗相同，当系统发生金属性单相接地时，中性点电压不偏移，接地相虽然对地电压为零，但是中性点电压仍然为相电压，这时施加于一次绕组的电压并没有改变，二次相电压也未改变，因而反映不出系统接地故障。

但是受系统参数、设备参数、负荷情况、三相PT差异、接地情况等因素影响不同，单相接地后电压互感器中性点N 点电压会发生偏移，其具体位置不宜判断。

假设三只电压互感器阻抗相同，当系统发生金属性单相接地时，中性点对地电压会上升到相电压左右，在主要考虑中性点电压升高对大地电容影响情况下，中性点往往向接地相电压反向偏移，使得接地相对中性点电压升高，两健全相对中性点电压降低。

4 电压互感器YNyn和Yyn接线方式单相接地时电压分析
对于小电流接地系统（不接地或者经消弧线圈接地）发生单相接地时，由于故障点电流很小，而且三相之间的线电压保持对称，对负荷的供电没有影响，因此，在一般情况下允许再继续运行1~2h。

■4.1 电压互感器YNyn接线方式单相接地时电压分析假设系统发生A相金属性接地（接地电阻为零），故障相电压降为0（与大地等电位），非故障相电压变为线电压，三相之间相电压不变，仍为线电压。

当采取三只单相PT星性连接且中性点接地时，如图9(a)所示，此时中性点电压将始终为0，即地电位，PT测得的电压即为故障情况下的各相实际对地电压，即接地相为0，非故障相升高至线电压。

■4.2 电压互感器Yyn接线方式单相接地时电压分析4.2.1 三只电压互感器阻抗相同的情况下单相接地时电压分析当PT一次绕组中性点未接地时，此时中性点电压悬空。

当发生单相接地金属性故障时，如果三相PT负载阻抗对称，则中性点电压将始终处于矢量三角形的中心，具体推理如下：
(b)YN接线方式单相接地时电压向量图
假设A相金属性接地故障，0A U= (电压均为相对大
地的电位值)、B BA
U E
=
、C CA
U E
=
，电压互感器A、B、C
N
U
(b)接线方式单相接地时电压向量图根据基尔霍夫电流定律可得出：
(-)/(-)/(-)/0
A N
B N
C N
U U Z U U Z U U Z
++=
把0A U= 、B BA
U E
=
、C CA
U E
=
带入式子得出：
303
N A B C BA CA A
U U U U E E E
=++=++=−
N A
U E
=−
结论：偏移后的中性点对地电压变为原来的相电压，方向相反。

母线A、B、C三相对中性点电压变为：
(1) 0()
AN A N A A
U U U E E
=−=−−=
(2) BN B N BA A B
U U U E E E
=−=+=
(3)CN C N CA A B
U U U E E E
=−=+=
由以上分析可以看出，理想情况下，当PT一次侧中性点未接地时，三相测得的相电压均为各相正常的额定电压，且不受系统运行情况影响。

4.2.2 三只电压互感器阻抗不相同的情况下单相接地时电压分析假设A、B、C三相阻抗分别为Z1、Z2、Z3，正常运行时，
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CN
U
AN U 会减小，BN U 、CN
U 会增大。

即三只电压互感器那相阻抗越大，那相对中性点测量电压就越大。

因此，当正常运行电压互感器采用Yyn 接线方式时，
两相测量电压基本相同时，另外一相测量电压不同时，说明这只互感器的阻抗特性和另外两只不同。

对于220kV 甲站，
正常运行A、B 相测量电压基本相同，C 相测量电压稍微偏小，
判断C 相电压互感器阻抗稍微大于其他两相。

因为三只电压互感器为同一批次设备，它们等值阻抗基本相同。

当A 相发生金属性接地时，假设B、C 两相阻抗特性一
样，即Z2=Z3，得出：12322
1231221
12(///)(//)(1/1/1/)(1/1/1/)
3 (2)
A B C BA CA N
A
U Z U Z U Z E Z E Z U Z Z Z Z Z Z Z E Z Z +++=++++=−+ 112
3(2)BN N A U U E Z Z Z =−=+ 当Z2 <Z1时，AN
U 会增大。

从此可以看出，当A 相阻抗大于B、C 相阻抗时，会产生A 相电压升高的情况。

因此，在发生单相金属性接地故障时，电压互感器中性
点电压会升高相电压，如果不考虑PT 中性点电压升高对系统容抗影响，那相测量电压越大，那相电压互感器的阻抗越大。

这和三相正常运行时，中性点电压很小时，反应三只电
压互感器阻抗大小特性是一样的。

4.2.3 考虑电压互感器中性点对地电容影响时单相接地时电压分析
考虑到接地时三相PT 中性点对地电压会上升，特别是
发生单相金属性接地故障时电压互感器中性点对地电压会升高到相电压左右，这是一个很高的对地电压。

因为中性点
对地电压很高，需要考虑对大地产生的电容影响。

假设A 相金属性接地故障，0A
U = (电压均为相对大N
(b) 计及电容影响单相接地时电压向量图根据基尔霍夫电流定律可得出：
(-)/(-)/(-)/(0-)/0A N B N C N N C
U U Z U U Z U U Z U Z +++= 把0A U = 、B BA U E = 、C CA
U E = 带入公式得出： (13)N A C U E Z Z =−+ 0(13)BN N A C
U U E Z Z =−=+ 其中m m
m Z R jX R j L ω=
+=+为电压互感器的励磁阻
抗；1C Z j C ω=，
C 为电压互感器中性点与大地之间的电容。

进一步化简2C m Z Z jR C LC ωω=
−。

由于励磁阻抗中Xm 远大于Rm，2C Z Z LC ω≈−，小于0，即-(1BN N A
U U E Z ==+ (13)C A Z Z E +> 。

由于中性点N 点电压N U 偏移到A E 反方向，且幅值大于相电压A E ，所以B 相和C 相对中性点测量电压
小于相电压。

5 结语
由上分析，对于电压互感器一次绕组采用Y 形接线方
式时，当系统正常运行时中性点电压接近为0，与大地接近
等电位，电容对电压分布的影响将会很小；但是发生金属单相接地时，中性点对地电压会升高到相电压左右，在考虑中性点对大地电容影响时，测量到的故障相对中性点电压大于相电压，非故障相对中性点电压小于相电压。

当220kV 甲站35kV 甲乙线B 相发生因避雷器击穿引
起接地时，由于35kV Ⅰ母线PT 其N 点未接地，一次绕组中性点N 点电压发生偏移，向接地B 相反向偏移。

经过接地暂态过程后三相电压趋于稳定（如图5所示），17:34接地稳定时，电压互感器反应出A 相18.8kV、B 相24.4kV、C 相19.4kV 属于正常现象。

从表1中可以看出，该电压互感器为全绝缘形式，
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信息工程
并且不考虑电路本身对外信号的影响；它的缺点显而易见，由于R1、R4、C2及Q1栅极电容的影响，使电路的输入阻
抗不高，还会对输入信号造成较强干扰。

图3 电压触发型双管单稳态电路
在Q1前端加入运放，可以修正上述缺点。

图4所示
电路，即为某些量产产品的实际电路。

其中，IC1是价格便宜的TL431,一般用作可控精密稳压源；但在该电路中，将
TL431等效为运放使用,相当于同相输入端接输入信号、反向输入端接2.495V 电压源的比较器（见图中细线框中的等效电路）。

由于TL431的K 端与Q1/b 极的直流工作点不同，
电容Cd 与C1一样，都是起耦合隔直的作用，否则，电路
是不能工作的。

图4 高输入阻抗电压触发式双管单稳态电路
需要注意的是，与前述电路不同，该电路的灵敏度已经
不再取决于Q1的饱和深度，而取决于Vcc、Ra、Rb，即Ra、Rb 对Vcc 分压后的电压值越接近2.495V，则触发灵敏度越高，而Q1、Q2和C2，只起到加大输出脉冲宽度的
作用。

■4.3 光敏灵敏度自动调节型电路
图5所示电路中，由于RL（光敏电阻）的存在，使得
电路的触发灵敏度随光照强度的变化而变化，光照变强，则触发灵敏度降低，光照变弱，则触发灵敏度提高,有趣 的是，输出脉宽也在跟着发生变化。

在实际应用当中，往往
会给RL
并联一个电阻，以减小RL 的变化范围。

图5 光敏灵敏度自动调节式双管单稳态电路
根据这个思路，许多对各种物理量敏感的器件都可以如
图5般应用，比如热敏、压敏等等。

参考资料
＊ [1]邹雪城,陈继明,郑朝霞,肖华.基于单稳态电路的PFM 控制器设计[J];华中科技大学学报(自然科学版);2008,36(1):22-25
＊ [2]张振华, 夏琳. 数字单稳态电路逻辑设计[J]. 微处理机, 2009,
30(1):28-29.
＊ [3]刘晓阳. 单稳态触发器及其工程应用[J]. 济南职业学院学报, 2006, 2006(1):45-46.N 接线柱绝缘性能满足40.5/95/200kV，即最高运行电压为40.5kV、工频耐受电压为95kV、雷电冲击耐受电压为200kV，可见系统单相接地故障时N 点电压远低于其工频耐
受电压，因此未对设备造成损坏。

综合现场检查情况，还原故障发展过程如下：2020年2月14日17:33，35kV 乙站内B 相避雷器故
障击穿，站内PT 显示B 相电压接近0V，A、C 相电压接近线电压；属于同一电源系统的35kV 丙站站内PT 显示A 相（实际为系统B 相）电压接近0V，B、C 相（实际为系统C、A
相）电压接近线电压；220kV 甲站由于35kV Ⅰ母线PT 一
次绕组中性点N 端未接地，N 端发生电压偏移，二次电压
为三相对于偏移后的N 点电压，而非相对地电压，电压显示A 相18.8kV、B 相24.4kV、C 相19.4kV。

调控人员遥控拉开35kV 甲乙线321开关后，220kV 甲
站35kV Ⅰ母线电压显示正常。

参考文献
＊ [1] 徐丙垠. 配电网继电保护与自动化[M].北京：中国电力出版社,2017.
＊ [2] 邱关源 .电路[M].北京：高等教育出版社,1979.＊ [3] 叶沛煜.小电流单相接地故障特征分析[M]. 中国石油和化工
标准与质量,2017,37(05):47-48.（上接第70页）。