配网小电阻系统单相接地故障模拟试验研究.pdf

第3 2卷第4期 湖南电力 H U N A N E L E C T R I C P O WE R 2 0 1 2年 8月 d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 8 - 0 1 9 8 2 0 1 2 0 4 0 0 4 配网小 电阻 系统单相接地故障模拟试验研究 周恒逸 ，毛柳明，刘昧果，赵邈 ( 湖南省电力公 司科 学研究院，湖南 长沙 4 1 0 0 0 7 ) 摘要：基于中性点经小电阻接地方式具有快速切除故障、过电压水平低等优点。文章 通过人为模拟 变电站 出线单相接地故障试验 ，研 究中性点小电阻系统接地故障时的瞬时 过电压、跨步 电位等关键 问题。 关键词 ：配电网；中性点；小电阻；单相接地 中图分类号 ：T M 7 2 7 ； T M 8 6 文献标识码 ：A 文章编号 ：1 0 0 8 0 1 9 8 ( 2 o 1 2 ) o 4 0 0 1 3 0 4 Si mu l a t i o n t e s t s t ud y o n s i ng l e ph a s e g r o und i ng f a u l t f o r di s t r i bu t i o n ne t wo r k wi t h l o w r e s i s t a nc e ne u t r a l g r o u nd i ng s Z HOU He n g y i ， MAO L i u mi n g，L I U W e i g u o ， Z HAO Mi a o ( H u n a n E l e c t r i c a l P o w e r C o r p o r a t i o n R e s e a r c h I n s t i t u t e ， C h a n g s h a 4 1 0 0 0 7，C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h e n e u t r a l g r o u n d i n g v i a l o w r e s i s ta n c e i s wi d e l y u s e d w i t h a d v a n t a g e o f r a p i d r e mo v a l o f f a u l t s a n d l o w v o l t a g e l e v e 1 Th r o u g h t h e s i n g l e p h a s e g r o u n d f a u l t s i mu l a t i o n t e s t o f s u b s t a t i o n o u tl e t ， t h e k e y p r o b l e ms o f s t e p v o l t a g e an d i n s ta n t a n e o u s o v e r v o l t a g e i n s i n g l e p h a s e g r o u n d f a u l t o f t h e l o w r e s i s t a n c e n e u t r a l g r o u n d i n g s s t e m a r e r e sea r c h ed i n t h i s p a p e r Ke y wo r ds ：d i s t r i b ut i o n n e t w o r k；n e u t r a l g r o u n d i n g s ；l o w r e s i s t a n c e；s i n g l e p h a s e g r o u n d i n g f a ul t 长期以来 ，我 国的配电网主要是采用架空放射 型线路结构 1 0 k V配电网中一般选择 中性 点不接 地的运行方式。如果系统发生单相接地故障，中性 点不接地系统的线电压仍保持对称 。不影响用户继 续工作，当电容电流较小时，瞬时性接地故障一般 能 自行恢复 这对提高供电可靠性非常有效 。 但是随着电力系统的发展 。城市电缆线路 日渐 增多 ，配网电容电流大幅增大 ，中性点不接地运行 方式 已不 能满足需要 。当系统发 生单相接地 故障 时。故障相的接地 电流是非故障相对地电容 电流之 和。而当电容电流值超过 1 0 A时。接地 电弧不能 可靠熄弧 ，将会产生弧光接地过 电压 。最终单相接 地事故必将发展为相间短路而酿成更大的事故 】 。 近几年 ，中性点经小电阻接地运行方式在我 国 沿海省份广泛应用，该方式具有快速切除故障、过 电压水平低、人身安全事故几率低等优点。目前湖 南 电网小电阻接地系统还处于试点应用阶段 。本文 通过变电站出线模拟单相接地故障试验。研究了中 收稿 日期 ：2 0 1 2 O 1 - 1 3 性点小电阻系统接地故障时的瞬时过电压、跨步电 位等关键问题 。 1 配电网系统中性点接地方式 1 1中性点不接地 这 种方式 主要应用 于电容 电流不大 的电网系 统。中性点不接地时。当系统发生单相接地故障 时 ，将允许带故障持续运行 1 2 h 。这是基于当电 网电容电流较小时，瞬时性接地故障一般会 自行恢 复，中性点不接地对提高供 电可靠性非常有效。这 种运行方式因具有结构简单、投资少的特点 。在我 国电网发展初期以及 目前大多数 的农网 中被采用 。 但是 ，随着城市配电网电缆线路 的增多 ，电容电流 越来越大，接地电弧已经不可能自行可靠熄弧，因 此 中性点不接地系统带来的风险也随之增大。 1 2 中性点经消弧线圈接地 该接地方式也称为中性点谐振接地。消弧线圈 实际上是一种带空气问隙铁芯的可调电感。当电网 l 3 第 3 2卷 第4期 湖南电力 2 0 1 2年 8月 发生单相接地故障时消弧线圈上的电感 电流将补 偿系统对地的电容电流，以达到限制接地故障电流 的作用 ，使得 电弧更易熄灭 。当残余电流过 0熄灭 后 消弧线圈还具有降低接地电弧的重燃率以及故 障相恢复电压上升的初速度和幅值的作用 。该方式 最大的优点是当电力系统发生单相瞬时性接地故障 时，只要系统电容电流或经消弧线圈补偿后的残余 电流小到 自行熄灭的程度时 瞬时接地故障可 以自 行恢复：而如果故障为永久性的，谐振接地系统可 带单相接地故障持续运行 2 h ，从而可 以有充 足的 时间消除故障，以保证对用户的不问断供 电 。 1 3中性点经小 电阻接地 该方式被认为是一种介于中性点不接地与中性 点直接接地之间的接地方式。目前世界上以美 国为 主的一些 国家大量选择中性点通过小电阻运行 的接 地方式。采用这种方式 ，可以起 到释放线路上的过 剩电荷和限制弧光接地过电压的作用。中性点 串联 的电阻一般较小 ，当电网发生单相接地故障时 ，小 电阻将流过接地点的电流限制在 1 05 0 0 A之 间， 通过启动出线开关的零序电流保护动作 ，可以快速 切除线路单相接地故障。该方式具有准确可靠选 线、快速 切 除 故 障、限制 系统 谐 振 过 电压 等优 点 引 2 配 电网中性点小 电阻接地 系统原理 中性点通过小 电阻接地电网发生单相接地故障 时的示意图如图 1所示。根据故障示意图可列 ： 玉 图 1 中性点经小电阻接地 系统原理 图 击+ ( + J c ) + ( + J c ) + ( + j c ) + 百 1= 0 ( 1 ) = 半 ( 2 ) 联立式( 1 ) ， ( 2 ) 可得 ： 1 4 - 5 A 挚 一 + + + j 3 c I R =- I R N = L A ( 6 ) 3 模拟单相接地故障试验 图 2 单相对横担接地试验接线图 3 2 试验过程 3 2 1 试验前准备 试验前变电站已将所供负荷合理转供，试验时 变电站 l 0 k V 母出线仅保留本次试验线路。其余 出线断路器均处于断开状态 ，试验前检查变 电站出 线、接地站用变零序保 护投入正常， 2小电阻设备 第3 2卷第4 期 周恒逸等：配网小电阻系统单相接地故障模拟试验研究 2 0 1 2年8月 图3单相直接接地试验接线图 贫N 公路 霸 I 操 作 者 昌 录 波 仪 蓄 誊 圈圆圆圆 付 地 跨 一 m 1 I m l l m I 围墙 I J 1 1 图 4 电杆 试 验平 面 布置 示意 图 运行正常。退出试验出线断路器 的重合闸功能。 3 2 2试验方法 将长约 2 m的 J K L Y J 一 1 2 0铝线一端用铝带 电 线夹固定在杆塔 B相隔离开关工字 处 ，另一端用 导线同规格铝鼻子经螺杆固定在隔离开关横担穿孔 处的方法人为模拟单相对横担接地故障。 将 2 0 m长的铝线 一端 固定在杆塔 B相隔离开 关工字处 。另一端 固定在直径为 1 0 c m的圆形铁 饼上 ，并将该铁饼直接置于靠近塔基 的泥土地 面上 的方法模拟单相直接接地故障。 当系统发生单相接地故障时，在接地现场使用 电能测量分析仪 ，记录短路时的跨步电位差 ，在变 电站内采用录波记录仪 ，记录系统过 电压波形 ，变 电站 内录波仪接线如图 5所示。 4 模 拟试 验结果分析 4 1 单相对横担接地试验结果分析 4 1 1 单相对横担接地故障过电压分析 ，U e ，U 。为 母母线 三相 电压 ；3 为母 D F 3 3 8 6 录波仪 图 5 变电站 站 内录波仪 接 线示 意 图 线零序 电压 ；3 t o( 3 3 4 3 )为接地站用变上的零序 电流，即小电阻上的电流 ；3 I o( 3 6 0 )为本次试验 出线上零序电流，B相为接地相。 图 6中，横坐标为录波时间。t = 0时，合闸送 电 ( 接地线路 已经 连好 ) ； = 0 3 1 4 ms ，横担和 电杆尚未被击穿 。接地短路故 障尚未实 际发生 ；t = 3 1 4 1 6 5 7 m s ，横担和电杆击穿，接地故障开 始 ，之后达到继 电保护定值 ，跳闸，切除接地短路 故障。 3 u o 3 3 3 4 3 ) 3 3 6 o ) 合 闸信号 图6 单相对横担短路时变电站录波仪记录波形 由图 6可见 B相发生对横担接地短路 ，故障 相电压明显降低 ，健全相 A，c相 电压升高 ，且不 均衡 ；试验时由于天气干燥 ，短路接线与横担之问 接触不紧密 ，且 横担 和电杆较难击穿 。所 以经过 3 1 4 ms 后 ，实 际的接地短路 才开始 出现零序 电 压和零序电流 ；试验过程变 电站 出线零序 电流 3 ， n ( 3 6 0 )达到其 段零序保 护定值 ( 7 A，0 6 s ) ， 跳闸切除短路故障。 由实测数据计算 出过渡电阻为 ： = 丽 3 2 1 5 8_ 1 0 4 5( Q) 接地过渡 电阻较 小 因此故 障相 电压 下降较 多。接地过程 中 A相过电压为 1 2 3 P U ，B相电压 跌落为 0 5 3 P U C相过电压 1 3 6 P u 。系统过电 压水平较低 。 4 1 2 接地故障时跨步电位、接触电位分析 1 5 第 3 2卷第 4期 湖南电力 2 0 1 2年 8月 单相对横担接地故障时跨步电位测量数据如表 1。 表 1 单相对横担短路时的跨步电位差实测数据 从试验结果可以看出接触电位差高达 6 1 1 4 v但跨步 电位差衰减很快 。距离杆塔 4 m时已衰 减到 7 8 2 V。 4 - 2 单相直接接地故障试验结果分析 4 2 1 单相直接接地故障过电压分析 图 7中，横坐标为录波时间。t ： 0时，合闸送 电 ( 接地线路已经连好 ) ；t = 01 3 6 7 ms ，直接对 地击穿 ( 接地点洒水 ，与地面接触 良好 ) ，接地故 障开始，之后零序电流达到继电保护定值 ，跳闸 ， 切除接地短路故障。 图7 单相对地短路 时变电站 录波仪记录波形 由图 7可见 B相发生对地短路 时，故障相 电 压降低不明显，健全相 A，c相电压变化不大，且 不均衡 ；由于单相直接对地短路时 ，衔接钢板与地 面紧贴 ，且周 围洒水保证接触 良好 ，合 闸开关投 人 ，实际接地短路立 即发生 ，因此立即出现零序电 压和零序电流。变电站出线零序电流 3 厶 ( 3 6 0 )达 到其段零序保护定值 ( 0 6 6 7 A ，1 3 s ) ，延时 1 3 s 跳闸切除短路故障。 由实测数据计算 出过渡电阻为 ： 睾一 等= _ 19 1 7 4 ( Q ) 接地过渡电阻较大，因此故障相电压较高。即 下降不明显，为0 9 3 P U 。健全相 A，C无过电压 现象，其 中 A相过电压 0 9 9 P U ，C相过电压 1 0 3 P U 。零序电压和零序电流较小。 4 2 2 接地故障时跨步电位、接触电位分析 单 相直接接地故 障时跨 步电位测量数 据如表 2。 从试验结果可以看出。发生单相直接接地故障 l 6 时 ，短路点 ( 故障点 )周 围 1 m跨 度 的电位差 高 达5 3 3 4 6 k V， 接近 l 0 k V系统相电压，这是 由于模 拟试验中短路点与干燥泥土地面接触 电阻大 测量 表 2 单相直接接地时的跨步电位差实测数据 值约3 0 0 Q。故障时零序回路中电压降集中于接触 电阻 R上 ，同时实测零序电流仅 5 O A，而非故 障 相电压下降不明显 ，为典型的高阻接地现象。跨步 电位差衰减很快 ，距离接地点 2 m外跨步电位差即 降到安全值以下。 5 结 论 1 )配网中性点经小电阻接地系统发生单相接 地故