中性点不接地电网接地选线的研究设计

摘 要因故障电流小，系统可带故障继续运行一定时间，不影响对负荷的连续供电等特点，国内外中低压配电网中性点广泛采用小电流接地方式(包括不接地、经消弧线圈接地和经高阻接地三种方式)。同时由于故障电流微弱、电弧不稳定等原因，小电流接地系统单相接地故障检测比较困难，一直缺乏可靠的故障线路选择方法，长期以来是电力系统继电保护工作的重要课题。随着配电网自动化技术的兴起和发展，使得采用自动装置快速、准确地判断接地故障线路变得越来越重要。在深入分析中性点不接地系统发生单相接地故障时的零序信号特征的基础上，总结了不接地选线的各种方法，分别阐述了其基本选线原理和存在的局限性。对其中的零序电流比幅法、零序功率法、注入信号法四种自动选线法做了详细的论述，分析了其选线原理、与其它方式相比较的优点、仍存在的问题以及它的实际应用情况。在此基础上，设计了基于单片机 INTEL80296SA 中性点不接地装置硬件系统，包括高速 AD 采样转换器 MAX125，采用 MAX706 的“看门狗” 电路，基于 MAX485 的 RS-485 通讯电路，以及人机交换电路部分，并给出最终结论。关键词：不接地系统； 单相接地故障； 选线； 中央处理器；AD 转换器AbstractIndirectly grounded power system is widely used in medial and low voltage distribution networks in the world (including the neutral point is not grounded, by the Petersen-coil or by high-resistors), which is benefit to improve the reliability of power system, because its characters that fault current is low and the system can continue to provide power to load while single-phase ground fault occurs. There isnt existed an effective method to select the fault line nowadays, which has been an important task for the relay protection researchers of power system. It is difficult to detect the signals while single-phase ground fault occurs, because the fault current is small and the electricity arc is instability. With the research and development of power automation, it has become more and more important to verdict the fault line correctly and promptly by auto-mechanism.On the basis of analyzing the steady electric parameters in neutral point is not grounded system while single-phase ground fault occurs in detail, summarizes the most fashionable protection schemes for single-phase ground fault briefly in neutral point is not grounded system .Each scheme s basic principle and limitation was also shown. Particularly discusses the zero-sequence current comparative scheme, zero-sequence power scheme, fifth harmonic scheme and the signal input method in detail .Analyzes their principles, merit compared with other schemes, problems still exist and their practical applications.Then, on the basic concept of grounded the earth neutral point by high-resistors and mathematical analysis. At last, I project a hardware circuit which grounded the earth neutral point by high-resistors .mostly introduce clearly open circuit AD switch normalizing function of the stomach and center processor. proposed SCM harmonic measurement device hardware system based on the Intel80296SA. Keywords: neutral point is not grounded； single-phase ground fault; line selecting CPU; AD switch目 录1 绪论 .11.1 课题的背景和意义 .11.2 国内外研究状况 .11.3 尚需解决的问题 .41.4 本论文所做的工作 .42 中性点不接地系统单相接地故障分析 .62.1 中性点不接地的方式 .62.1.1 中性点不接地 .62.1.2 中性点经电阻接地 .72.1.3 中性点经消弧线圈接地 .72.2 中性点不接地的特点 .92.3 中性点不接地系统单相接地故障危害 .112.4 中性点不接地系统单相接地故障特征分析 .132.5 中性点不接地电网中单相接地保护 .162.6 中性点不接地系统故障选线法的综述 .222.6.1 利用故障电流实现选线法 .222.6.2 不利用故障电流实现选线的方法 .232.7 接地故障选线装置现状及微机保护趋势 .242.8 影响小电流接地选线的因素 .253 中性点不接地硬件电路的设计 .283.1 装置的总体框图 .283.2 中央处理单元 .283.3 A/D 转换器 .363.4 人机接口电路 .383.5 设计通信电路 .403.6 看门狗电路的设计 .423.7 开关量输入输出电路 .444 结论和展望 .464.1 主要研究结论 .464.2 待解决的问题和展望 .484.2.1 目前存在的问题 .484.2.2 展望 .49参考文献 .50附录 .53英文翻译 .55英文原文 .55 中文翻译 .67致谢 .76中国矿业大学 2009 届本科毕业设计（论文） 第 1 页1 绪论1.1课题的背景和意义单相接地故障占配电网故障的 以上，如何准确地检测并隔离接地80%故障线路，成为配电网自动化的一个重要研究课题。我国 360kV 的配电网一般采用中性点不接地或经消弧线圈接地的工作方式，因其发生接地故障时，流过接地点的电流小，所以常被称为小电流接地系统。当系统发生单相接地故障时，由于三相线电压依然对称，且接地残流比负荷电流小很多，特别是中性点经消弧线圈接地系统接地电流很小，不影响负荷供电，故不必立即跳闸，规程规定可以继续运行 12 小时。但此时系统中非故障相对地电压升至原电压的 倍，很容易在电网的绝缘薄弱处发生另一点对地击3穿，从而形成相间短路。因此，当系统发生单相接地故障时，一般要求继电保护能有选择性的发出信号，不必马上跳闸。但随着配电网规模的扩大及城网、农网改造的进一步深化，整个系统的对地电容电流越来越大，使弧光接地引起的过电压倍数甚高;由于不能及时排除故障，在电厂用电、二次变电站和大型厂矿企业的高压供配电系统中曾发生过电缆爆炸、烧毁PT，造成电厂机组停运，工艺流程中断等恶性事故，极大地影响配电网的供电安全性，因此为了进一步提高供电可靠性和配电网的综合自动化水平，应当寻找一种能够尽快找到故障线路、排除故障的方法。传统方法是通过装设在母线上的零序电压互感器来检测是否发生单相接地故障，若有接地故障，则靠值班人员逐条出线顺序拉闸停电来确定故障线路，转移负荷，退出故障线路，显然这既浪费人力物力，又将严重影响其他线路的供电可靠性和安全性。为此，国内外的科研工作者对小电流接地系统发生单相接地故障时的故障机理及选线判据做了大量的研究，提出了很多选线方法。【1】在我国 35kV 及以下电力系统中，基本上采用中性点不接地或经消弧线圈接地的运行方式。由于系统配电线路数较多，所以经常发生单相接地的故障。尽管接地电流很小，并不影响用电设备线电压的对称性，但是非接地相的电压有可能上升为相电压的 倍，如不及时发现处理，将会使事故3扩大，以致造成电网的两相或三相短路，对电网的安全运行造成很大的威胁，因此及时准确地找出接地点就显得十分重要。 【5】1.2国内外研究状况 国际上对小电流接地系统单相接地故障的理论研究较多，对接地保护的处理方式各不相同。前苏联采用中性点不接地方式和经消弧线圈接地方中国矿业大学 2009 届本科毕业设计（论文） 第 2 页式，保护主要采用零序功率方向原理和首半波原理。日本采用高阻抗接地方式和不接地方式，但电阻接地方式居多，其选线原理较为简单，不接地系统主要采用功率方向继电器，电阻接地系统采用零序过电流保护瞬间切除故障线路。近年来一些国家在如何获取零序电流信号及接地点分区段方面做了不少工作并已将人工神经网络应用于接地保护。美国电网中性点主要采用电阻接地方式，利用零序过电流保护瞬间切除故障线路，但故障跳闸仅用于中性点经低阻接地系统，对高阻接地系统，接地时仅有报警功能。法国过去以电阻接地方式居多，利用零序过电流原理实现接地故障保护，随着城市电缆线路的不断投入，电容电流迅速增大，已开始采用自动调谐的消弧线圈以补偿电容电流，并为解决此种系统的接地选线问题，提出了利用 Prony 方法和小波变换以提取故障暂态信号中的信息 (如频率、幅值、相位)以区分故障与非故障线路的保护方案，但还未应用于具体装置。挪威一公司采用测量零序电压与零序电流空间电场和磁场相位的方法，研制了一种悬挂式接地故障指示器，分段悬挂在线路和分叉点上。加拿大一公司研制的微机式接地故障继电器也采用了零序过电流的保护原理，其软件算法部分采用了沃尔什函数，以提高计算接地故障电流有效值的速度。我国从 1958 年开始研究，保护方案从零序电流过流到无功方向保护，从基波方案发展到五次谐波方案，步进式继电器到群体比幅比相以及首半波方案，并先后推出了不少产品，如许昌继电器厂的 ZD 系列产品，北京自动化设备厂的 XJD 系列装置，中国矿大的 UP-1 型微机检测装置和华北电力大学研制的系列微机选线装置，山东工业大学研制的基于 S 注入法 TY-O1. TY-02型微机选线装置等。90 年代以来，开始进行将人工神经网络及专家系统方法应用于保护的理论研究。 【9】国内从 20 世纪 50 年代就开始了对接地(漏电)保护原理和装置的研究。但 20 世纪 70 年代前，我国基本上采用“拉闸试停”的原始方法，70 年代后，先后推出了几代产品，如许继的 ZD 系列产品，北京自动化设备厂的XJD 系列，沈阳继电器厂的 BLD 系列，山东大学的 BF 型接地选线装置、TY 型接地选线与定位保护装置，华北电力大学研制的 ML 系列微机选线装置等。综上所述，小电流接地系统单相接地故障选线是一个长久以来未得到很好解决的问题。由于系统故障信号微弱，易受到各种干扰的影响;同时故障条件、运行方式不同，信号特征也不一样，己经提出并且在实践中取得应用的一些方法都存在着一定的缺陷，无法适应复杂多变的故障情况。小电流接地系统故障定位问题的理论研究较为活跃，但应用于现场实际的定中国矿业大学 2009 届本科毕业设计（论文） 第 3 页位装置却很少，且现有的故障选线装置准确率亦较低，与配电网自动化水平不相适应，很有必要对此进行进一步的研究。 【33】对小电流接地系统而言，单相接地故障发生后，线电压仍然对称，故障电流小，不影响对负荷连续供电，规程规定可以继续运行 12 小时。但是，随着馈线的增多，电容电流在增大，长时间运行容易使故障扩大成两点或多点接地短路，弧光接地还会引起全系统过电压，所以必须予以清除。然而，长期以来，小电流接地系统单相接地故障选线一直未能得到很好解决。传统的方法是通过装设在母线上的零序电压互感器来检测是否发生单相接地故障，若有接地故障，则采用逐条线路拉闸的方法判断哪条线路出现故障。当故障线路被拉断时，接地故障指示将消失，这就可以确定故障线路。有一些向重要用户供电的线路不允许停电，那么只好人工逐线查找。所以这种传统的方法即浪费人力，又降低了供电的可靠性和安全性。其中有一类方法是靠暂时增大接地故障电流来判断故障线路，即在故障发生后，人工或自动在中性点与大地之间投入接地电阻(或者直接接地)，从而形成短路回路，保护装置检测短路电流而动作，实现故障线路的选择。对于经消弧线圈接地的系统，则与消弧线圈串联或并联接地电阻。另一种方法是把消弧线圈临时跳开，然后自动重合，这样可以增加故障点的无功电流。使用断路器将其余两完好相中的一相接地也可以达到相似的效果。总之，这样做的结果是单相接地故障变成通过大地形成短路或变成一个两相接地故障，而能被电网的保护识别。 【16】应该承认，这类方法的确能可靠地做出判断。但是这种做法是与小电流接地方式的原则直接违背的:本来的目的是通过中性点不接地或补偿接地尽可能减小故障电流，增大故障电流就使这种接地方式的优点丧失了。因此，我们仍然需要在不改变系统短路电流的情况下实现故障线路正确选择的方法。究其原因，为什么这个问题这么棘手呢？通过上面的分析，可以大概地对问题的本质及其难点所在有一个定性的了解，即:过去进行选线所采用的故障电流主要为稳态电容电流，其幅值较小，在故障前后的变化量非常微弱，不容易检测。故障情况复杂，接地电阻的存在进一步加大了选线的难度。不同系统在出线多少、长短、补偿方式上差别较大，对选线装置的灵活性要求较高。 【23】这个难题，国内外专家曾经从各个角度寻找选线方案。国外，原苏联中国矿业大学 2009 届本科毕业设计（论文） 第 4 页广泛应用中性点不直接接地系统，先后采用了过流、无功方向，群体比幅等原理进行保护;日本的配电网在供电、钢铁、化工用电中也普遍采用了中性点不接地和中性点经电阻接地，他们采用基波无功方向方法进行保护。德国多是谐振接地系统，并于 30 年代就提出了反映接地故障开始时暂态过程的单相接地保护原理。法国开发出了零序导纳接地保护。90 年代初，国外己将人工神经网络原理应用于保护并有文献提到应用专家系统方法。 【24】我国从 1958 年起就一直对此问题有研究。50 年代末，我国利用接地故障暂态过程研制成功了选线装置。80 年代中期又研制成功了微机接地选线装置，进入 21 世纪，我国又研制成功了残流增量法微机接地选线装置。 【2】1.3 尚需解决的问题对小电流接地系统单相接地故障选线原理的研究，多年来取得了很多成果。但是因为配电网系统的运行情况复杂多变，以及对单相接地故障过程机理缺乏全面深入的研究，根据这些故障选线原理制造的选线装置还不能适应各种系统运行情况，误判、漏判时有发生，一些问题急待解决: 【8】小电流接地系统中线路单相接地后跳闸的要求日益迫切，目前利用稳态量的选线原理难于满足跳闸的选择性要求，必须研究新的选择性更好、可靠性更高的选线原理;对小电流接地系统单相接地故障暂态过程的研究还有待深入突破，只有得到了具有普遍意义的故障暂态特征，才能有的放矢地应用小波分析或其它信号处理手段，得到更好地故障选线方法;对于配电网运行中各种状态下的故障情况还有待于做大量的专门的研究与仿真，使得选线方法可以适用各种情况。1.4 本论文所做的工作小电流接地系统单相接地故障的选线问题尽管是一个老问题，而且在这方面也确实投入了一定资金调动了一定的人力来设法解决，但多年来却一直没有得到很好的解决。本论文主要进行了以下工作：首先论述了电力系统小电流接地选线的背景和意义及发展情况。简要分析了小电流接地方式的性能以及小电流接地系统单相接地的故障机理介绍了现有选线方法的选线原理和应用这一部分的内容是进一步研究选线理论和开发装置的单片机方式的理论基础。中国矿业大学 2009 届本科毕业设计（论文） 第 5 页其次对中性点不接地系统单相接地故障进行了详细分析，目的是对解决问题的对象有一个清楚的认识为选线提供理论依据。第三论述了研制装置单片机实现方式所做的工作包括（1）装置的硬件电路整体设计方案 7 个主要模块的搭建及芯片选取采用的几种硬件技术等;采用软件定时器中断与任务型设计思路相结合的软件系统整体设计方案软件定时器的中断服务程序设计等。中国矿业大学 2009 届本科毕业设计（论文） 第 6 页2 中性点不接地系统单相接地故障分析中性点不接地方式是一种最简单的方式。在这样的系统中，变压器中性点悬空，与大地完全没有电气连接。当这种系统发生单相接地故障时，依靠线路对地电容构成故障回路，流经接地点的电流主要是电容电流，接地电流的大小取决于变电所出线的类型和长度。由于没有任何感性电流的补偿，接地电流有可能会较大，特别是出线较多，线路长度较长，或者包含大量电缆线路（电缆要比同样长度架空线的电容电流大 25 倍50 倍）的变电所，接地的容性电流会达到几十安培甚至上百安培，给系统的安全带来隐患，所以此种接地方式主要应用在变电站出线以架空线为主、单相接地故障大多是可恢复的绝缘故障、对运行的可靠性要求较高，而系统的对地电容较小的系统中。 【29】为了对各种算法将要采用的故障信息有一个全面的了解，下面将对小电流接地系统单相接地故障进行分析，取得各种故障信息的特征和规律，为评价各种选线算法的优劣和界定适用范围提供条件。2.1中性点不接地的方式电力系统中性点接地方式是一个综合性的技术问题，它的确定是一个涉及到供电安全可靠性和连续性、配电网和线路结构、过电压保护和绝缘配合、继电保护方式、设备安全和人身保安、通信干扰、系统稳定等多方面因素的一个系统工程。不同地区、不同特点的配电网，在不同的发展阶段，这些因素和要求都不一样，由此就需考虑采用不同的中性点接地方式。因此必须要事先全面分析，进行充分的技术经济比较分析，综合考虑各种因素，才能确定具体适合系统的中性点接地方式。 【32】2.1.1 中性点不接地中性点不接地，实际上是经过集中于电力变压器中性点的等值电容(绝缘状态欠佳时还有泄漏电阻)接地的，其零序阻抗多为一有限值，而且不一定是常数。此时，系统的零序阻抗呈现容性，因接地程度系数 k0,U 可中国矿业大学 2009 届本科毕业设计（论文） 第 7 页能高于相电压，故非故障相的工频电压升高会略微高过线电压。最早的城市中压电网由于规模不大，多采用中性点不接地方式。在这种接地方式下，系统发生单相接地故障时，流过故障点的电流为所有非故障线路电容性电流的总和。在规模不大的架空线路网架结构中，这个值是相当小的，对用户的供电影响不大。而且各相间的电压大小和相位维持不变，三相系统的平衡性未遭破坏，允许继续运行一段时间(2h 以内)。但是这种接地方式有一个极大的缺陷，就是当接地电流超过一定值时容易产生弧光接地过电压，将使系统的安全性受到很大的影响，对系统绝缘水平要求更高。近几年国家和地方大力投资进行城网、农网改造，电网规模扩大，电缆线路不断增加，635kV 中压电网原有的中性点不接地方式己不再适宜，并己逐渐被其他接地方式取代。 【30】2.1.2 中性点经电阻接地对于中压电网来说，中性点经电阻接地的最初出发点，主要是为了限制电弧接地过电压。电阻接地方式可以避免不接地方式中弧光接地过电压的产生，同时由于增大了故障线路的接地电流，使得故障选线可以很方便地实施，进而实现快速跳闸，使非故障线路不需要长时间承受过电压，降低了绝缘水平要求。对于以电缆为主又能实现环网供电的城市中压电网，这是一种较为理想的接地方式。因为以电缆线路为主的电网发生单相接地故障时，流过故障点的电容电流很大，容易发展为相间故障，且多为永久性接地故障，需要及时跳闸，切除故障线路。而环网供电可保证供电的连续性，最大限度地减少停电范围。从目前国内农网及城网的发展情况看，依然是架空线路占多数，或架空线路和电缆混合电网，环网供电水平较低，这些情况决定了国内中压电网以中性点经消弧线圈接地，也就是通常说的谐振接地方式为主要的接地方式。 【31】2.1.3 中性点经消弧线圈接地谐振接地系统即中性点经消弧线圈接地的电力系统。因为消弧线圈是一种补偿装置，故这种系统通常又被称为补偿系统。消弧线圈是一种铁心带有空气间隙的可调电感线圈，它装设于中压电网的中性点。当系统发生瞬间单相接地故障时，可经消弧线圈作用消除，保证系统不断电;当为永久单相接地故障时消弧线圈动作可维持系统运行一定时间，可以使运行部门有足够的时间启动备用电源或转移负荷，不至于造成被动。系统单相接地中国矿业大学 2009 届本科毕业设计（论文） 第 8 页时消弧线圈作用可有效避免电弧接地过电压，对全网电力设备起保护作用;由于接地电弧的时间缩短，使其危害受到限制，因此也减少维修工作量;由于瞬时接地故障等可由消弧线圈自动消除，因此减少了保护错误动作的概率;系统中性点经消弧线圈接地可有效抑制单相接地电流，因此可降低变电所和线路接地装置的要求，且可以减少人员伤亡，对电磁兼容性也有好处。同时由于消弧线圈还会使故障相恢复电压上升速度变慢，保证电弧的熄灭和避免发生重燃，从而有降低过电压水平、使瞬时性接地故障自动消除等优点。需要注意的是，补偿电网在正常运行期间，为了限制中性点位移电压的升高，要求非自动消弧线圈适当的偏离谐振点运行。否则，预调式的自动消弧线圈一般应加限压电阻，以利于电网的安全运行。 【23】表 2-1 对这三种接地方式在各个方面进行了比较：接地方式 中性点不接地谐振接地 中性点经电阻接地接地故障电流 电容接地故障电流被中和抵消 降低了，但大于电容接地故障电流接地故障（健全相）全线电压或稍高全线电压 全线电压，有时更大工频 相序颠倒的接地故障可能 不大可能 不大可能弧光接地 可能 避免 避免操作过电压 最高 可控制 最低直接 没有实际差别过电压暂态大气过电压间接 产生中性点谐振 中性点谐振受到抑制暂态接地故障电容性电弧受抑制 转化为受抑制的故障电流发生单相接地时对设备的损害可观 避免 减轻断路器负载要经常操作和维护不时常操作，两项接地故障时恢复电压大经常操作，单相接地故障时负载减轻接地故障继电保护 不可靠 可以做到合用 简单及合用避雷器负在正常平衡情况 负载在额定值以下工频续流受抑制 负载在额定值以下中国矿业大学 2009 届本科毕业设计（论文） 第 9 页接地故障时间隙上的电压，以 E3百分表示100105 100100105载机性能保护性能 正常变压器采用分段绝缘的可能性到相当程度，如果中性点对冲击波有保护措施到相当程度开关的绝缘 100%避雷器的基准绝缘水平停电引起的副作用 百分比大 不时常停电 百分比大单相接地故障时的系统稳定性不可靠 良好 通常有改善供电可靠性 不能保证 良好 通常有改善对系统布置的影响 最好有双电源单电源已足 宜有双电源和采用其它接地方式系统的连接要丧失原有特性不可能，除非经隔离变压器连接后的系统应从重新归类，可能影响继电保护操作过程 简单 要监视调谐情况，有时要调整接头简单2.2 中性点不接地的特点在中性点非直接接地电网中发生单相接地时，由于故障点的电流很小，而且三相之间的线电压仍然保持对称，对负荷的供电没有影响，因此，在一般情况下都允许再继续运行 12 小时，而不必立即跳闸，这也是采取中性点非直接接地运行的主要优点。但是在单相接地以后，其它两相的对地电压要升高 倍。为了防止故障进一步扩大成两点或多点接地短路，就应3及时发出信号，以便运行员采取措施予以消除。不接地系统除经由电力设备本身的分布电容可以接地外，其余发电机及变压器的绕组并不接地。其优点为接地故障电流甚低，对电力设备的破坏不致严重，可毋须将故障快速隔离。多用于较低压的工业电网上，其缺点则为在故障时可能产生的瞬间过电压，对设备及人身安全威胁，故在决定使用时应慎重。不接地系统除经有电力设备本身的分布电容可以接地外，其余发电机及变压器的绕组并不接地。其优点为接地故障电流甚低，对电力设备的破坏不致严重，可不需隔离。多用于较低电压的工业电网上。其缺点则为在故障时可能产生瞬间过电压，对设备及人身安全威胁。中国矿业大学 2009 届本科毕业设计（论文） 第 10 页a) 单相接地时电路图b) 电流相量图图 2-2 典型不接地系统故障时的电流流向图在中性点不接地系统中，线路和电气设备的对地绝缘水平都是按线电压设计的，虽然非故障相对地电压升高到 倍，对设备的绝缘水平并不会3造成破坏，但若长期带接地故障运行可能会引起非故障相绝缘薄弱处的损坏，继而发展成为两相短路。所以在中性点不接地系统中，一般都设有绝中国矿业大学 2009 届本科毕业设计（论文） 第 11 页缘监测装置或继电保护装置，当发生单相接地故障时，发出接地故障信号，使值班人员尽快采取行动，查找故障位置并消除故障。 【31】据统计，电力网中单相接地故障约占全部短路故障的 80%，特别是35kv 及以下的电力网，由于单相接地电流不大，一般接地电弧能自动熄灭，所以这种电力网采用中性点不接地方式最为合适。但当接地电流较大(大于30A 时)，将产生稳定的电弧，形成持续性的电弧接地，电弧的大小与接地电流成正比，强烈的电弧将会损坏设备，甚至导致相间短路;当接地电流小于 30A 而大于 5A 时，有可能产生间歇性电弧，出现间歇性过电压，其幅值可达 2.53 倍相电压，足以危及整个网络的绝缘。故对整个电力网的绝缘水平要求高，对电压等级较高的电力网，其绝缘方面的投资大为增加。所以中性点不接地系统的适用范围为: 【11】(1)电压低于 500V 的三相三线制装置;(2) 310kv 系统当接地电流 30A 时;(3)2060kv 系统当接地电流 10A 时;如不能满足以上条件，通常采用中性点经消弧线圈接地方式或中性点直接接地方式。2.3中性点不接地系统单相接地故障危害中性点不接地系统中，发生单相接地故障时，故障点不会产生大的短路电流，流过故障点的电流为系统所有线路对地电容电流之和，可以按照下式计算:Ic=3 ，其中 Ic 为单相接地时流过故障点的电容电流，C 为电网每相对地电容;U ph 为电网正常运行时相电压;故障相是地电位，非故障相对地电位上升至线电压，中性点位移电压约为相电压，三相对地电位严重不平衡。如果故障点电弧不能熄灭，则非故障相可能产生最大为 3.5 倍相电压的间歇性电弧接地过电压，这种过电压持续时间较长，而且遍及全网，对网内装设的绝缘较差的老设备、线路上存在的绝缘弱点，尤其是直配电网中绝缘强度很低的旋转电机等，都存在较大的威胁，在一定程度上影响电网的安全运行。随着配电网规模的扩大，电网中电缆线路数量的增多，使电网对地电容电流大幅度增大。这样单相接地故障时故障点的电弧往往不能自行熄灭，会产生稳定或间歇性弧光接地过电压，在 610kV 系统中，由于对地电容电流过大而容易发生电缆放炮、开关绝缘子爆炸等事故。由于母线绝缘监视用 PT 的改型，其伏安特性的降低造成了普遍的铁磁谐振过电压现象，若同时伴随有电弧间歇性击穿就可能会造成 PT 被烧毁，甚至发中国矿业大学 2009 届本科毕业设计（论文） 第 12 页展成“火烧连营”的严重事故。 【12】中性点不接地系统属于非直接接地系统的一种，实际上可以看成是经容抗接地的接地系统。该容抗是由电网中的架空线路、电线线路、电动机和变压器绕组等对地混合电容所组成。当发生单相接地时，流过故障点的故障电流为单相接地电容电流，并有以下特点：(1)当发生单相接地故障时，仅非故障相对地电压升高到原来正常相电压的 倍，而相间电压对称性并未破坏，故不影响三相用电设备的供电。当3单相接地电容不大时，所引起的热效应为电网元件的绝缘所能承受，故允许电网带接地故障继续运行一段时间，通常为 l 2 小时。对于单相接地电流较大的系统，许多瞬时性接地闪络常常不能自动消弧，并可能转化为稳定性接地故障。(2)当发生单相接地时，一般情况下是按间歇性电弧接地(又称弧光接地)稳定电弧接地金属性接地的过程进行的。根据实测，先形成间歇性电弧接地，持续时间可达 0.2s2s，频率可达 300Hz3000Hz，然后形成稳定电弧接地，持续时间可达 2s10s，最后，故障点被烧熔成为金属接地，即所谓永久性故障接地。 (3)最危险的情况是发生在单相间歇性电弧接地（又称弧光接地）时刻。由于不稳定间歇性电弧多次不断地熄灭和重燃，在故障相和非故障相的电感电容回路上会引起不同的高频振荡过电压。其在非故障相上发生的弧光接地过电压最高(可高达 34 倍相电压)，通过电弧接地故障点的高频振荡电流最大(可达数百安培) ，时间虽短，电弧危害却很大。从电工原理可知，在电路内从一种稳定状态过渡到另一种稳定状态，必须经过高频振荡过程，在较短时间内，振荡电流可达到高出稳态下的很多倍，对电力设备的危害极大，主要表现在以下几个方面： A.随着我国电网的发展，具有固定绝缘的电缆线路逐渐取代了架空线路。由于固体绝缘击穿的积累效应，当系统发生单相弧光接地时，在约 3.5 倍过电压的持续作用下，造成电气设备绝缘的积累性损伤，在非故障相的绝缘薄弱环节造成对地击穿，进而发展成为相间短路事故。 【26】B.弧光接地过电压使电压互感器磁饱和，容易激发铁磁谐振，导致过电压或电压互感器爆炸事故。C.弧光接地过电压的能量由电源提供，持续时间较长，当过电压超过避雷器所能承受的 400A，2ms 的能量时，就会造成避雷器的爆炸事故。近年来，随着用户用电容量设备增加，中低压配电线路加长，尤其是电缆供电网，使电网的电容电流增大，这样，当发生单相接地故障时，由于中国矿业大学 2009 届本科毕业设计（论文） 第 13 页电容电流比较大，电弧可能无法自行熄灭，很容易造成故障点电缆过热使电缆绝缘被破坏而引起两相短路或三相短路故障，也可能形成间隙电弧过电压。2.4中性点不接地系统单相接地故障特征分析在中性点非直接接地电网(又称小接地电流系统)中发生单相接地时，由于故障点的电流很小，而且三相之间的线电压仍然保持对称，对负荷的供电没有影响，因此，在一般情况下都允许再继续运行 l 2 小时，而不必立即跳闸，这也是采用中性点非直接接地运行的主要优点。但是在单相接地以后，其他两相的对地电压要升高 倍。为了防止故障进一步扩大成两点3或多点接地短路就应及时发出信号，以便运行人员采取措施予以消除。【22】中性点不接地系统正常运行时，线路每相的分布电容近似相等而相电压也是对称的，因此产生的三相电容电流相等，矢量和等于零 。流经大地的总电流等于零。而当某一相故障时，对称结构破坏，相电压发生变化。 【21】如图 2-3 所示的最简单的网络接线，在正常运行情况下，三相对地有相同的电容 C0。在相同的电压作用下，每相都有一超前于相电压 90电容电流流入地中，而三相电流之和等于零。假设在 A 相发生单相接地，则 A 相对地电压变为零，对地电容被短接。而其它两相的对地电压升高 倍，对3地电容电流也相应的增大 倍。为了防止故障进一步扩大在 A 相接地以后，3各相对地电压为 【21】A-D=0 （1）B-D= B- A= Ae-j150 （2）C-D= B- A= Ae-j150 （3）故障点 d 的零序电压d0= ( A-D + B-D + C-D )=- （4）在非故障相中流向故障点的电容电流为中国矿业大学 2009 届本科毕业设计（论文） 第 14 页（5）其有效值为 IB=IC= C0 ,式中 为相电压的有效值3 此时，从接地点流回的电流为 = + ，其有效值为 =3 ，即正 0常运行时，三相对地电容电流的算数和。当网络中有发电机(F)和多条线路存在时，如图 2-3 所示，每台发电机和每条线路对地均有电容存在，设以 、 、 等集中的电容来表示，00 0当线路A 相接地后，如果忽路负荷电流和电容电流在线路阻抗上的电压降，则全系统 A 相对地的电压均等于零，因而各元件 A 相对地的电容电流也等于零，同时 B 相和 C 相的对地电压和电容电流也都升高 倍。 【21】3图 2-3 单相接地时，用三相系统表示的电容电流分布图由图 2-3 可见，在非故障的线路 1 上，A 相电流为零，B 相和 C 相中留有本身的电容电流，因此，在线路始端所反应的零序电流为3 = +0111当电网中的线路很多时，上述结论可适用于每一条非故障的线路。 在发电机 F 上，首先有它本身的 B 相和 C 相的对地电容电流 和 ，但是，1由于它还是产生其它电容电流的电源，因此，从 J 相中要流回从故障点流上来的全部电容电流而在 B 相和 C 相中又要分别流出各线路上同名相的对地电容电派此时从发电机出线端所反应的零序电流仍应为三相电流之和，12中国矿业大学 2009 届本科毕业设计（论文） 第 15 页由图可见，各线路的电容电流由于从 A 相流入后义分别从 B 相和 C 相流出了，因此，相加后互相抵消，而只剩下发电机本身的电容电流，故3 = +0有效值为 3 =3 。即零序电流为发电机本身的电容电流，其电容性无00功功率的方向是由母线流向发电机，这个特点与非故障线路是一样的。 【21】现在再来看看发生故限的线路 2，在 B 相和 C 相上，与非故障的线路一样，流有它本身的电容电流 和 ，而不同之处是在接地点要流回全系22统 B 相和 C 相对地电容电流之总和，其值为=( + )+( + )+( + )11 22 由此可见，由故障线路流向母线的零序电流，其数值等于全系统非故降元件对地电存电流之总和(但不包括故障线路本身)，其电容性无功功率的方向为由线路流向母线恰好与非故障线路上的相反。对中性点不接地电网中的单相接地故障，利用图 23 的分析，可以给出清晰的物理概念，但是计算比较复杂，使用不方便，而根据该图的分析方法得出如图 2-4 所示的零序等效网络以后，对计算零序电流的大小和分布则是十分方便的。总结以上分析的结果，可以得出如下结论： 【21】(1)在发生单相接地时，全系统都将出现零序电压。(2)在非故障的元件上有零序电流，其数值等于本身的对地电容电流，电容性无功功率的实际方向为由母线流向线路。3)在故障线路上，零序电流为全系统非故障元件对地电容电流之总和，数值一般较大，电容性无功功率的实际方向为由线路流向母线。这些特点和区别，将是考虑保护方式的依据。2-4 单相接地时的零序等效网络中国矿业大学 2009 届本科毕业设计（论文） 第 16 页因此，在单相接地时，一般只要求继电保护能有选择性地发出信号，而不必跳闸。但当单相接地对人身和设备的安全有危险时，则应动作于跳闸。在小电流接地系统中发生单相接地故障的情况下，单相短路接地故障将不会形成大电流的回路，故障电流主要由线路对地电容提供。这个电流在数值上是很小的。对于 10kV 架空线路来说，每 30 公里线路产生大约 1 安培的零序电流。电缆线路产生的零序电流稍大一些。这样微弱的故障信号混杂在上百安培的负荷电流中，使得传统的基于过流、方向、距离等原理的几点保护装置根本不可能正确反映故障情况。由图 2-3 所示，故障线路流出零序电流，非故障线路以及中性点流入零序电流故障线路故障相流出容性电流，非故障线路非故障相流入容性电流。中性点不接地系统可以看作是经容抗接地系统，该容抗是由电网中的架空线路、电缆线路、电动机和变压器绕组等对地混合电容所组成。中性点不接地系统零序电压与线路零序电流的相角关系如图 2-5 所示。其中，I g 为故障线路零序电流，由两部分叠加而成:I n 为健全线路产生的有功电流，I C 是故障线路的对地电容电流，其值为非故障线路零序电流之和的负值; 为故障线路零序电流与系统零序电压之间的夹角;I L 为非故障线路零序电流; 为非故障线路零序电流与系统零序电压之间的夹角。图 2-5 不接地系统单相接地零序电压线路零序电流向量当任何一相绝缘受到破坏时，各相对地电压，对地电容电流也发生变化，中性点电压不再为零。设 C 相完全接地，故障相对地面电压为零，中性点对地电压为相电压，故障相对地电压值升高 倍。则 c 相电压变为 ，A 相对地电压为3，则 等于 A 相电压加中性点对地电压，即 ， 。设 B 相对地电压为 ，则 等于 A 相电压加中性点对地电压，即 。所 以， 与 之间的夹角为 60 ，A, B 两相对地电压升高变为线电压，即其对地电容上所加电压升高 倍，所以对地电容电流 Ic3升高倍。单相接地时的接地电流等于正常时一相对地电容电流的 倍。3中国矿业大学 2009 届本科毕业设计（论文） 第 17 页2.5中性点不接地电网中单相接地保护根据网络接线的具体情况，可利用以下方式来构成单相接地保护。1)绝缘监视装置在中性点不接地电流系统中，任意一点发生单相接地，都会出现零序电压，根据这一特点，可以实现无选择的接地保护，该保护装置称为绝缘监视装置。这一保护方式一般是带延时动作于信号的，如图 2-6 所示，该装置是把一个过电压继电器接于电压互感器二次侧开口三角形的输出端而构成的，当电网中任意线路发生单相接地时，全系统出现零序电压，此时装置动作，发出信号。为了找出故障线路，必须有运行值班人员依次断开各条线路，并继之以自动重合闸将断开的线路投入。当断开某一线路时，零序电压信号消失，即说明该线路发生了单相接地。 【21】在发电厂或变电所的母线上，装有一套三相五柱式电压互