中低压配电系统单相接地故障及其保护分析

中低压配电系统单相接地故障及其保护分析

中低压配电系统单相接地故障及其庇护分析

1 概述

中低压配电系统故障分为相间短路和单相接地，相间短路又分为三相短路和两相短路。相间短路称为金属短路或永久性短路，短路电流比较大，危害也大，继电庇护必需可靠、迅速而有选择性将故障切除。单相接地故障的故障电流随配电系统中性点接地方式不同有很大差别。电源中性点不接地以及经大电阻或消弧线圈接地的配电系统，发生单相接地故障后，由于没有形成回路，接地故障电流为对地电容电流一般比较小，可继续运行必定时间，但应有报警，以便及时查找故障。电源中性点直接接地的配电系统发生单相接地故障后，接地相经过大地与电源中性点形成回路，故障电流为短路电流就比较大，继电庇护应可靠、迅速而有选择性将故障切除。

电源中性点不接地以及经大电阻或消弧线圈接地的配电系统，接地故障［Earth fault］是指相线和电气装置的外露导电部分，以及大地间的短路，它属于单相对地故障，它和相线与中性线的单相短路无论在危害后果与庇护办法上都十分不同。绝缘损坏或损伤是较常见的接地故障，此时为非金属性短路，短路电流随绝缘损坏程度不同差别比较大，故障电流相差也比较大。这就给继电庇护选择与整定造成较大困难。绝缘损坏往往会带来人身电击损害和火灾，因此必需采取必定办法限制故障电压升高和其作用时间，防范人体与危险电压的接触，并且要求电器装置的接地要合理可靠，并应有接地故障庇护。

2 电源中性点不直接接地配电系统的单相接地故障与庇护

2.1电源中性点不直接接地配电系统单相接地故障分析

我国日前6～10kV与35kV配电系统为小电流接地系统，其电源中性点有不接地、经大电阻或消弧线圈接地三种方式。正常运行时三相对地电容电流大小相等，相位各落后于相电压90度，电容电流分布与相量图。见图1。

图1中性点不接地系统单相接地电容电流分布与相量图

当发生单相接地故障时，电源中性点对地电位升高为相电压，故障相电位接近或等于地电位，其它两相对地为升高为线电压，其值为相电压的√3 倍。各相之间的电压大小和相位均无变化，仍然对称，这是电源中性点不接地配电系统发生单相接地之后仍可运行一段时间的主要原因，一般规定为1到2小时。

由图1可知发生单相接地后三相电压计算公式为：

Ua ＝Ea－Ea ＝0

Ub ＝Eb－Ea ＝√3× Ea ×e－j150°

Uc ＝Ec－Ea ＝√3× Ea ×e＋j150°

电容电流分布见图2，向量图见图3。

图2单相接地时接地电容电流分布与单相接地庇护原理分析示意图

图中：1;电缆头2;电缆金属外壳3;电缆头接地线TAN;零序电流互感器

KA;电流继电器I1～I6;通过线路对地分布电容C1～C6的接地电容电流

图2为电源中性点不接地配电系统单相接地庇护原理分析示意图。发生单相接地故障后，零序电流互感器TAN1检测到单相接地故障电流后，驱动继电器KA发出报警或跳闸暗号。

由于接地相电压对地降为零，非接地相对地电压升高√3 倍，非接地相对地电容电流比正常运行状态下也就升高√3倍，假设A相接地，A相对地电容电流为零；B相与C相对地电容电流分别为：

Ib ＝jωC0 Ub ＝j×√3×ω×C0×Ea×e－j150°

Ic ＝jωC0 Uc ＝j×√3×ω×C0×Ea×e＋j150°

从接地点流回电源的接地电流数值上为其它两相对地电容电流之向量和：

IE ＝－IA ＝IB＋IC ＝j×ω×C0 ×（Ub ＋UC）＝－j×3×ω×C0×Ea

此时母线上的零序电压为：

U0 ＝1/3（UA＋UB＋UC）＝－Ea

三相线路的零序电流为：

I0 ＝1/3（IA＋IB＋IC）＝0

当母线上有若干回路引出时，每回路出线均有对地电容存在，各回路均有对地电容电流流入接地点，其数值为各回路其它两相对地电容电流之向相和：

3I0 ＝IB＋IC＝－j×3×ω×C0×Ea

流入接地点的总的接地电流为：

当发生单相接地故障时，未发生接地的各回路引出线路始端零序电流为本身正常时各相对地电容电流之和，方向为母线指向线路，相位上超前零序电压90度。

故障回路始端零序电流为全网络非故障回路各对地电容电流之和，其方向为由线路指向母线，相位上滞后零序电压90度。向量图见图3。

假设A相接地，对地电容

电流为：

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

图3单相接地时接地电容电流向量图

由以上分析可知，电源中性点不接地的配电系统发生单相接地时有以下三个特点。

（1）发生接地相对地电压降为零，非接地相对地电压升高为线电压，即为相电压的√3