中性点不接地系统的单相接地故障特征

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中性点不接地系统的单相接地故障特征
单相接地故障是指电网中某点由于内部或者外部原因，如绝缘损坏、树木搭接等，与大地相接而形成接地。

单相接地是电网系统最常见的故障，对电网运行的安全性、可靠性和经济性会产生很大的影响。

我国3～60kV电压等级电网多为小电流接地方式，发生单相接地故障的危害和影响主要体现在以下几方面：
1、对变电设备的危害
单相接地故障发生后，如果在接地点处产生间歇性电弧，将会发生几倍于正常电压的间歇性电弧接地过电压，危及变电设备的绝缘，严重者使变电设备绝缘击穿，造成更大事故。

2、对线路设备的危害
单相接地故障发生后，可能产生电弧，不仅会烧毁部分线路设备，如果在接地点附近有易燃物品，也可能发生电气火灾。

3、对区域电网的危害
需要注意的是，小电流接地方式并不仅限于中压配电网，我国发电厂的3-10kV厂用电系统，以及10kV和35kV风电场很多也采用小电流接地方式。

在这些与电源密切联系的电网中如果发生单相接地故障，有可能造成严重的短路事故，并影响电源的正常运行，破坏区域电网系统稳定，使较大范围地域停电，造成更大事故。

4、对人畜危害
对于导线落地这一类单相接地故障，如果接地配电线路未停运，对于行人和线路巡视人员，可能发生人身触电伤亡事故，也可能发生牲畜触电伤亡事故。

5、对供电可靠性的影响
发生单相接地故障后，传统的查找故障线路的方法是人工“试拉路”选线，有可能导致正常线路短时停电，中断正常供电，影响供电可靠性。

另一方面发生单相接地的配电线路将停运，在查找故障点和消除故障中，不能保障用户正常用电，特别是在庄稼生长期、大风、雨、雪等恶劣气候条件和山区、林区等复杂地区以及夜间，不利于查找和消除故障，将造成长时间、大面积停电，对供电可靠性产生较大影响。

6、对供电量的影响
发生单相接地故障后，由于要查找和消除故障，必然要停运发生单相接地故障配电线路，从而将造成长时间、大面积停电，减少供电量，影响供电企业的供电量指标和经济效益。

7、对线损的影响
发生单相接地故障时，由于配电线路接地相直接或间接对大地放电，将造成较大的电能损耗，如果按规程规定运行一段时间(不超过2小时)，将造成更大的电能损耗。

综上所述，单相接地故障可能会产生过电压、烧坏设备，甚至引起人身伤亡。

因此发生单相接地故障后，需要快速确定故障位置，并且排除故障。

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小电流接地方式发生单相接地故障后的电压、电流特征与高压输电网中性点直接接地方式的差异巨大。

为了快速、准确的确定故障位置，需要对小电流接地系统发生单相接地故障后的故障特征进行深入的分析，本章内容是后面几章内容的理论基础。

总的来说，小电流接地系统发生单相接地故障后的故障特征表现在以下几个方面[1]：
(1) 发生接地故障后，系统三个线电压AB U 、BC U 、CA U 幅值和相位差仍维持
不变，即对称性不变，由于配电变压器通常为Y/Y0接线或者△/ Y0接
线，因此0.4kV 低压配电网上的用电设备能够正常运行。

(2) 发生单相接地故障后，由于零序回路阻抗值很大，因此单相接地电流很
小，往往小于负荷电流，更远小于相间(包括三相)短路故障，因此继电
保护装置不会动作切除故障。

(3) 系统三个相电压A U 、B U 、C U 出现了不对称运行状态。

如果发生单相金
属性接地(接地电阻为零)，则故障相的电压降到零，非故障相的电压升
高到线电压。

此时电压互感器开口三角处测量出100V 电压。

如果发生单
相非金属性接地(接地电阻大于零)，则故障相的电压降低但不为零，非
故障相的电压降低或者升高，但达不到线电压。

电压互感器开口三角处
的电压在0-100V 之间。

如果非故障相长时间过电压运行，将有可能导致
第二点绝缘击穿，从而导致故障扩大。

因此我国规程规定，系统可以带
单相接地故障运行1-2个小时，超过了这个时间就必须停电。

(4) 单相接地故障后，各条线路都会出现零序电流，如果某条线路越长、线
路上电缆越多，则该线路的零序电流越大，故障线路的零序电流不一定
最大。

因此零序电流保护定值很难确定。

中性点不接地系统的单相接地故障特征
对于中性点不接地系统，发生接地故障后，通常情况下系统会先经过一个暂态过渡过程，然后进入带故障运行的稳态过程。

因此本书对稳态过程和暂态过程分别进行分析讨论。

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图2-1 电网电路图
中性点不接地电网简化电路可表示为图2-1，在母线上有三条线路，三条线路各相对地的电容分别为01C 、02C 、03C ，在分析过程中本书做如下假设：
(1) 三相电源的电动势对称，即图中A E •、B E •、C E •
对称。

(2) 三相对地电容相等，由于配电线路距离都较短，因此三相对地电容差异
不大。

需要注意的是，在配电线路上存在两个电容，第一是线路相间电
容，第二是线路对地电容，显然与单相接地故障相关的是线路对地电容。

(3) 线路采用集中式参数，由于配电网线路长度普遍较短，因此可以采用集
中参数。

(4) 在稳态过程分析时忽略线路的阻抗，由于单相接地时等值回路的容抗远大于阻抗，因此可以忽略线路的阻抗。

一、稳态过程中相电压、线电压及零序电压的特征
在分析单相接地故障的稳态特征时，可以采用两种分析方法：戴维宁定理和对称分量法，通常在分析电压特征时利用戴维宁更加简单[2]，而在分析电流特征时利用对称分量法更加直观[3]。

如图2-1所示，设A 相发生接地故障时。

采用戴维宁定理进行分析，将接地点和大地之间的电阻支路看作是外电路。

戴维宁等值电压应为外电路开路时的电压，显然等于A 相电源电动势A E •。

戴维宁等值阻抗应为系统的内部阻抗，由于线路对地容抗远大于线路电阻和电抗，因此戴维宁等值阻抗近似等于系统的对地容抗。

这样就得到了戴维宁等效电路，如图2-2所示。

其中)(3302001C C C C ++=∑
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A U +
−+
−
R A
E •∑
=C j X C ω1
图2-2 戴维宁等效电路
通过图2-2可以对戴维宁等效电路进行计算，求出接地电流和A 相电压的表达式为：
)1/(*∑∑••+=RC j C j E I A d ωω (2-1)
)1/(*∑∑••+=RC j RC j E U A A ωω (2-2)
式中：。

故障相电压，；
线路对地全部电容，；
接地接阻，；
电源电动势，；
接地电流，V F V A −−−−−−Ω−−−−−−−−−•
∑••A A d U C R E I
计算出接地电流后，回到原电路如图2-1所示，在原电路中对电源电动势A E •、中性点电压0•U 和故障相A 相电压A U •进行kVL 分析，可以求出中性点电压为：
)1/(∑••+−=RC j E U A O ω (2-3)
式中：。

中性点电压，V −−−•O U
由电路图2-1可知，电阻R 和容抗C X 上的电压相位差为90°，因此随着R 的变化，由式(2-2)和式(2-3)可做出中性点及三相电压随故障电阻变化的相量轨迹图，如图2-3所示。

图2-3中N 点表示大地电位，N 点的轨迹应为以A E O −为直径的右侧半圆。

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B
图2-3 中性点电压偏移轨迹
从相量图还可以得出如下结论：
(1) 当发生单相金属性接地时，该相对地电压将降为零，中性点电位将升为
相电压，这时其它两相对地电压升为线电压。

(2) 当A 相发生经电阻接地故障时，A 相电压一定降低，C 相电压一定升高。

(3) 当N 点位于O E C −延长线的下方时，B 相电压会降低，而且A 相电压高
于B 相电压。

(4) 当N 点位于O E C −延长线的上方时，B 相电压会升高，而且A 相电压低
于B 相电压。

通过上述分析可知，传统经验认为故障后“故障相电压降低，非故障相电压升高”是不全面的。

二、稳态电流特征
应用对称分量法分析单相接地故障，图2-1的序网图如图2-4所示。

故障电流的正序和负序分量由故障线路经过电源形成通路，而零序分量通过所有线路的对地电容构成回路。

相对于零序阻抗而言，正序阻抗和负序阻抗非常小，可以忽略。

根据序网图可以计算出接地电流为：
)1(*)33(*3)3(*30∑∑•
∑•••+
=+=+=RC j C j E R C j E R Z E I A A A d ωωω (2-4)
图2-4 单相接地序网图
对比式(2-1)和式(2-4)可以看出二者结果一致，说明采用戴维宁定理和对称分量法的计算结果是相同的。

下面分析图2-1所对应的零序网络图，如图2-5(a)所示，可以得出如下结论：
(1) 在忽略线路电阻和感抗的前提下，中性点电压等于零序电压。

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(2) 故障线路的零序电流通过母线流入正常线路，即所有正常线路的零序电
流同相，而正常线路与故障线路反相。

(3) 设母线指向线路的方位为电流正方向，则故障线路零序电流滞后零序电
压90°，正常线路零序电流超前零序电压90°。

(4) 故障线路的零序电流幅值等于正常线路的零序电流之和，如果线路数
量>=3条，故障线路的零序电流幅值最大。

(5) 接地电阻不影响零序电流和零序电压的相位关系。

O
(a)零序网络图
•
(b)相量图
图2-5 零序电压、零序电流特征图
图2-5(b)是各条线路的母线零序电压和各条线路零序电流相量图，图2-6是现场实际录波波形，为了方便比较相位，将零序电压和零序电流放到一个坐标系内。

对于零序电压波形来说，纵坐标表示PT 二次侧开口三角的测量电压；对于零序电流波形来说，纵坐标表示各条线路一次侧零序电流(以下波形与此相同)。

由图可见实际波形中故障线路零序电流滞后零序电压90°，且幅值最大，与相量图吻合，证明了上述结论符合实际情况。

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图2-6 现场录波波形
三、暂态电流的特征
上面分析了单相接地故障的稳态情况，下面进一步分析单相接地故障的暂态过程。

从物理模型上来说，每条线路的每一相可以用一个RLC 串联电路来表示，有不同的振荡频率，在暂态过程中有可能产生高频振荡电流。

单相接地暂态电流是以下两个电流之和：其一是由于故障相电压突然降低而引起的放电电容电流，它通过所有线路的故障相流向故障点，由于回路电感值较小，所以振荡频率较高，可达1000Hz 以上；其二是由于非故障相电压突然升高而引起的充电电容电流，它通过所有线路的正常相流向故障点，由于回路中有电源或变压器，因此回路电感值较大，振荡频率较低，可达数百Hz 。

从线路的始端测量，非故障线路各相的暂态电流，以及故障线路非故障相的暂态电流由本线路特征参数决定。

而故障线路的故障相暂态电流，则包含了其它所有线路暂态电流之和，而且方向与其它线路相反。

对于零序电流而言，从线路的始端测量，故障线路的暂态零序电流等于所有非故障线路的暂态零序电流之和，且方向所有非故障线路的方向相反。

需要指出，“暂态零序电流”这个概念其实是不严格的，因为正、负、零序电流的概念仅仅是针对于三相稳态正弦信号而言的，本文所说的“暂态零序电流”为各线路三相电流瞬时值之和(c b a i i i ++)/3。

下面定量计算各相的暂态电流，为了使分析过程更加简单，可以将各相回路的电感和电容合并成一个电感和一个电容，这种近似对于长度较小的配电网线路来说是完全可以的。

采用叠加定理进行分析，中性点不接地系统发生单相接地后相当于在接地点串联了一个电压源，各相的等值回路如图2-7所示。

母线零序
电压
故障线路
零序电流
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图2-7 单相接地故障暂态等值回路
图中：0C 为各相回路的对地等值电容；0L 为各相回路的等值电感，对于故障相来说0L 是线路的电感，对于非故障相来说0L 是线路的电感以及电源、变压器的等值电感之和；0R 为各相回路中的等值电阻，其中包括故障点的接地电阻；0u 为故障相在正常情况下的相电压。

根据图2-7可得微分方程式：
()000
1sin C C C m di R i L i dt U t dt C ωϕ++=+⎰ (2-5) 式中：
000F H
A V C m C L R i U ϕ−−−−−−−−−Ω−−−−−−−−−对地电容，；
等值电感，；等值阻值，；
电流，；
零序电压幅值，；短路时刻电源的相位角。

对单相接地暂态电流的特性进行分析，可以得到如下结论：
1、接地电阻较小时的暂态特性
对于图2-6所示的等效电路，当接地电阻较小时，即满足0R <系统处于欠阻尼状态。

故电容0C 充电速度较快，
0C 与0L 不断地交换能量，即电场能量与磁场能量互相转换频繁，同时少部分能量经0R 转换成热能。

因此，暂态电流具有周期性的振荡及衰减特性。

对式(2-5)进行时域分析，就可以求出暂态电流：
[(sin sin cos cos )cos()]C
t f c cm f i I t t e t τωϕωϕωωϕω−=−++
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式中：
A /s /cm C f I rad s rad rad s ωϕτω−−−−−−−−−−−−−−−电容电流的幅值，；
工频角频率，；
零序电压初始相位，；
电容回路的时间常数，；
自由振荡电流角频率，。

式中：
f ω= 现场录波波形图2-8反映了这种情况，图中纵坐标表示二次零序电压和一次零序电流，横坐标表示采样点数。

单相接地故障发生后，暂态过程明显，各条线路都产生了较大的暂态零序电流。

图2-8 现场录波波形-暂态过程明显
2、接地电阻较大时的暂态特性
当接地电阻增大到0R >不存在振荡过程，而呈现非周期性的衰减特性。

现场录波波形图2-9反映了这种情况，单相接地故障发生后，暂态过程不明显，各条线路都没有产生了较大的暂态电流，很快过渡到了稳态。

故障线路
零序电流
母线零序
电压
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母线零
序电压
故障线路
零序电流
图2-9 现场录波波形-暂态过程不明显
四、线路上各区段零序电流特征
前面分析了变电站母线上各条线路始端测量零序电流的特征，下面分析在线路上各区段零序电流的特征。

定义由电源侧(线路母线)指向负荷终端(线路末端)的方向为电流的参考方向，定义电源点到故障点的所有主干线及分支线为故障路径。

分析零序网络如图2-10所示，故障路径上的零序电流相位滞后零序电压90°，而故障点后以及非故障分支的零序电流相位超前零序电压90°。

很显然，母线上的正常线路上主干线及分支的零序电流相位超前零序电压90°，故障路径上的零序电流与正常支路的零序电流相位相反。

线路上各区段暂态零序电流的特征是：在暂态过程中，沿故障路径越靠近故障点的暂态零序电流幅值越大，故障路径的暂态零序电流与非故障线路、非故障支路以及故障点之后的线路的暂态零序电流方向相反。

上述各区段零序电流的特点是第七章故障定位技术的理论基础。

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图2-10 故障线路零序电流
五、正序和负序电流特征
对于接地点的故障电流而言，可以通过图2-4分析故障电流的正序和负序分量，显然它们都等于零序分量，但是对于各条线路出口而言，情况就大不一样。

由于接地电流很小，所以负荷电流的影响不能忽略。

各条线路出口的正序电流应该按如下公式表示：
+•
+•+•+=F L I I I 其中+•I 表示某条线路在出口处的正序电流，+•
L I 表示该线路负荷电流的正序分量，+•F I 表示故障电流在该线路出口处的正序分量。

显然只有故障线路存在+•F I ，而其他线路的+•F I 应为零。

但是由于多数情况下++<<L F I I ，且在线路出口测量出来的电流是两个成分的相量和，所以很难从+•I 中提取出+•F I ，因此利用电流正序分量难以选线。

同理各条线路出口的负序电流应该按如下公式表示：
−•−•−•+=F L I I I 其中−•I 表示某条线路在出口处的负序电流，−•
L I 表示该线路负荷电流的负序分量，−•F I 表示故障电流在该线路出口处的负序分量。

显然只有故障线路存在−•F I ，而其他线路的−•F I 应为零。

但是由于多数情况下负荷电流存在不平衡且−−<<L F I I ，且在线路出口测量出来的电流是两个成分的相量和，所以很难从−•I 中提取出−•F I ，因此利用电流负序分量同样难以选线。

上述分析说明了故障点和线路出口处的正序、负序、零序电流特征，可以看出，虽然零序电流在各条线路的出口处都能检测到，但是不受负荷的影响。

而故障正序、负序电流虽然只流过故障线路的出口，但是受负荷电流的影响大，很难检查。

文章来源：北京丹华昊博电力科技有限公司。