中性点不接地系统的接地保护

1、配电网接地故障分析与分界开关控制器的接地判据新乡市裕诚电气郭君保1、 架空线路与电缆线路的接地故障现象和接地保护现状 架空线路接地故障主要集中在绝缘子、 PT 、高压电容器、高压熔断器、电力变压器 等设备绝缘故障和高压导线与树枝树叶或其它高空接地物体的接触，开始表现为暂态闪络和 高阻接地，接地电流变现为数值很小，时间很短，随着绝缘进一步破坏，碳化，逐步引发刚 性接地故障，此时线路有较大谐振过电压，另外两相工频电压提高 1.7 倍。如不快速断电处理 就会引发相间短路事故扩大，另外如果此时在其它线路上同时存在另外一相的接地故障，就 形成短路故障，将会造成较大的损失，并且恢复送电需要较长时间。电缆线

2、路接地故障常常 集中电缆终端，如环网柜电缆接头处、后插式避雷器还有高压电容器、高压熔断器、 PT 、电 力变压器等设备绝缘故障和安装工艺故障，还有城市建设经常出现高压电缆被挖断。这些接 地接地故障发生都会产生更为严重的影响。一般控制器能可靠处理接地故障将可以避免 80% 以上线路故障，减少多数短路故障的发生。接地故障初期接地电流一般很微弱，高阻接地一次电流毫安级，很难检测，需要感 应灵敏度高、采集精度高的零序互感器，而且三相ZCT 特性要求非常一致。还有闪络故障要求采集暂态波形而不是连续波形。一般接地电流越大形成短路故障时间越短，接地电流越小 持续时间越长而且不易发现。新乡市裕诚电气采用100

3、0/1,0.5 级 ZCT 解决了采集的问题。可以采集带 0.01A 一次值，最小保护设定 0.1A （一次值）。接地故障总是伴随相电压的变化和零序电压的产生，这是一个重要的判据，一般零 序电压越大，接地故障越严重，如果刚性接地那么零序电压等于相电压，裕诚电气采用 3-6 只电子式电压传感器采集进出线侧相电压，并合成出零序电压和线电压，它具有采集精度 高、角差误差小，采集波形不失真、损耗小，不怕二次短路，不怕一次线路过电压谐振等优 点，非常适合中压配网线路开关电压采集使用。中性点不接地系统接地故障都是容性电流，零序电流超前零序电压 90 度，负荷侧接 地在270 度左右，开关电源侧与负荷侧接地

4、零序电流方向相反，电源侧 90度左右。根据接地 回路负载感容负载或阻容负载不同相位角有相应的变化，但不超过 85 度。中性点消弧线圈接地系统一般分为过补偿和欠补偿，过补为阻感性负载，负荷侧接地 Vo、与Io的夹角在90-180度，欠补为感容性负载，负荷侧接地Vo、与Io的夹角在180-270度.所以VO与10的夹角是判定接地故障界内界外的最重要判据。现在市场上多数的开关零序电流互感器采用 20/1 的互感器，安匝比小，采集灵敏度低，精度差，很难达到 0.5级。甚至有些用10P10保护CT合成零序电流，这样采集的零序电 流不准，很难采集毫安级接地电流；另外控制器测量范围小，精度低，抗干扰能力差，

5、有些 0.2A 以下不能显示，有些可以测量更小的幅值，但零飘电流很大，抗干扰能力差；控制器接地判据仅仅是零序电流幅值，而真正判定接地故障界内界外的判据是VO和10的相位角。所以控制器判定接地故障要么有故障不动作，要么误判断接地故障误动作。也就错过接地故障 初期的判断和故障处理，也就谈不上可靠的接地保护了。传统控制器接地保护叫做零序保护，仅采用零序电流幅值为接地保护依据，设置幅值小时系统上开关乱动，设置幅值大时，接地保护不动，目前多数用户采用设置幅值大，报警 不动作来规避接地保护判断不准乱动的现状，这样就增加了短路故障的发生。裕诚电气引进 韩国技术生产的分界开关控制器、线路分段控制器和重合器不仅

6、可以形成局域配网自动化系 统（自动判断故障点、自动隔离故障点、快速自动恢复非故障区域送电、故障和动作信息上 传），而且均具备采用零序电流（最小一次设定动作值0.1A，采集值0.01A ），零序电压（10%-100% 相电压），相位角采集（误差小于2度，动作相位角基准 0-360度可调、判断范围0-180度可调）做综合判据，正确的设置判断接地故障准确率100%，可以准确判定那两台开关之间或那台分接开关负荷侧存在故障，并可以通过我公司超声波接地故障探测仪快 速找到故障点。曾有不少客户反应开关接地跳闸找不到故障点均被我公司协助找到，有些为 树枝短时接地（树枝已烧糊）有些微绝缘损坏（有较强闪络爬电痕迹

7、），接地保护采集闪络时暂态值，对比相位角并采集工频与谐波，滤除不相关干扰波形，准确采集数据。控制器就应 当做到预防故障为主，不能等到演变为短路故障再保护，那时已经造成巨大的损失，而且停 电时间会更长，停电面积会更大。、中性点不接地系统的接地分析1.在负荷侧（用户侧）发生接地故障时在中性点不接地系统上发生负荷侧接地故障时矢量图如下MPP- ASSZCTaClC2I011 021 b2Ic2在负荷侧发生接地故障时接地电流值如下:此时从裕诚电气控制器-ASS检测出来的零序电流值如下总吨+婪+竪=j应兀4 g近=(oC1V£120° + y/3 wCZSO0 =3血$£9

8、炉上述的计算式可以表现为如下图式.正常运行时18010190”Vo270发生接地故障时 零序电压和零序电流在实际系统上存在阻抗成分时的 零序电流和零序电压发生A相接地故障时在A相发生接地故障时，零序电压和零序电流如下。并且对地电容成分和 阻抗成分一起存在的矢量图如下：因此以零序电压的相位角为基准的零序电流的相位角位于270。附近.2.在电源侧发生接地故障时MPP- ASSi/c b a V V VTZC亠C1iI一.b 101-LI 02在电源侧发生接地故障时，电容电流 1仁检测不出来，此时零序电流值如下:发生A相接地故障时在A相发生接地故障时，如阻抗成分存在的话，零序电流的方向矢量图如下:1

9、8090阻抗成分存在的时候 零序电压和电感电流电源侧发生接地故障时零序电压和零序电流3. 概要 在中性点不接地系统上，接地电流为容性电流，零序电流超前与零序电压，如在负荷侧发生接地故障时零序电流以零序电压的相位为基准而位于270°附近，如在电源侧发生接地故障时零序电流的相位角位于90°角附近，所以易判别接地故障的方向。根据上述结果在中性点不接地系统中，控制器的最适当的相位设定 范围是270 ±85°，根据线路长度，线径、接线方式不同 ,如果接地回路为阻容负 载接地相位角在第四象限，如果接地回路为感容负载接地相位角在第三象限，动 作范围根据线路运行环境和条

10、件可以调整。二、消弧线圈接地系统的接地保护裕诚电气控制器是采用微电子技术，依据馈线接地故障稳态分量和对接地故障线路的故障相和非故障相暂态分量进行提取分析计算，依据零序电压V。和零序电流I。的幅值，零序电流I。,、零序电压V。的相位进行分析及比较，提取出更可靠的信号成分来作为接地故障位置的 判据。适用中性点不接地（NUS）、经小电阻（NRS）或经消弧线圈（NES）接地系统。从故障点暂态电流的组成分析，主要有： 1、故障相的对地电容的放电波；2、非故障相对地电容的充电波； 3、消弧线圈的暂态电感电流。由于暂态接地电流的频率很高，幅值很大，并且暂态零序电流与零序电压之间存在着固定的相位关系。说明：由

11、于消弧线圈的接入使NES的基波分布（如欠或过补偿）与NUM基波分布不一样，从而适用于NUS勺基波大小、相位判据对于 NES失效。（日本判据：基波无功方向方法）NE的于消弧线圈的接入，使得其单相接地故障判据较NUS难度增加很大，传统的单一判据很难正确判断故障或故障点，而综合判据原理巧妙利用了故障的暂静态特征量，减小了单一判据而导致的误判。1.在负荷侧（用户侧）发生接地故障时在消弧线圈接地系统上发生负荷侧接地故障时情况如下MPP- ASS1.1 在负荷侧发生接地故障时电流值如下:+ G + k此时从裕诚电气控制器-ASS检测出来的零序电流值如下:-»»» TJ =】&

12、amp;一1血=loi+k厂一厂.厂_（可-盜）4（可-勅 心十bl 一 JV 十 世JciJci£90c wC1wLVz(-90c)上述的计算式可以表现为如下图式Vc1.2在A相发生接地故障时，零序电压和零序电流如下，在实际系统线路上除了纯电感成分和对地电容成分以外，阻抗成分也一起存在。因此考虑电阻因素可以表现为 如下公式：一3Vf 宀 A90°+ «)g +(叫尸上述的计算式可以表现为如下图式.对零序电压的电容电流位于90°以上角度,电感电流位于-90。以下角度。clVa 180000180°发生接地故障时零序电压和电容电流，电感电流在实际

13、系统上零序电压和电容电流，电感电流270000过补偿时零序电压和零序电流1800 001800900欠补偿时零序电压和零序电流2700过补偿和欠补偿时零序电压和零序电流的关系如下:90° V180 °因此，以零序电压的相位为准，零序电流的相位在过补偿时位于 范围，在欠补偿时位于180 °V 270。范围。2.在电源侧发生接地故障时V3 VZ60D CdCAV3VZ120° + wC23V£90cWCnVb考虑阻抗成分的零序电流的方向如下:0002Ic2270°1800 00900在实际系统上零序电压和电容电流在电源侧发生接地故障时零序

14、电压和零序电流I 0218O0在电源侧发生接地故障时，以零序电压的相位为基准，零序电流的相位位于0 90°角度范围，3概要在消弧线圈接地系统中，如消弧线圈的电感补偿值充分补偿于线路电容值条件时（即IL> I c），在负荷侧发生接地故障时 零序电流值极小，零序电压和零序电流位于180。的相位差。但此时可以造成线路谐振，所以发生过补偿或欠补偿的问题。按上述计算方法，尤其经消弧线圈（NES）接地系统，无论安装在变电站出线端、线路中段和线路末端，在 负荷侧发生接地故障，过补偿时位于90°v 180。角度范围，如欠补偿时位于180 °v 270 °角度范围。

15、在电源侧发生接地故障时，位于0。 v 90 °角度范围。所以，裕 诚电气控制器-ASS的最适当的相位设定范围是 180°土 85 °。无论安装在变电 站出线端、线路中段和线路末端，依据零序电压Vo和零序电流Io的幅值以及零序电流I 0,零序电压Vo的相位能准确判定接地故障和故障点位置。裕诚电气控制器-ASS的接地故障的判据原理1、接地故障的判据原理单相接地保护、高阻抗接地故障保护和断线保护功能的判据：采用微电子技术，依据馈线接地故障稳态分量和对接地故障线路的故障相和非故障相暂态分量进行提取分析计算，依据零序电压 V）和零序电流丨0的幅值、零序电流I 0,零序电压V

16、）的相位进行分析及比较，提取出更可靠的信号成分来作为接地故障位置的综合判据，准确、迅速地判断接地故及故障点位置；2、接地故障的检测过程1）裕诚电气控制器-ASS采集故障线路暂态分量为主作为故障计算分析依据，结合采集稳态分量作为比较参数，采用以下三个因素和综合比较判据来判断接地故障与否和区内或区外的 接地故障。 零序电流Io的大小 零序电压V。的大小 以零序电压V）比较零序电流Io的相位角2）零序电流I o的检测过程如下.3）零序电压V。的计算过程如下.4）接地故障的判断过程3 设定相位角（经消弧线圈接地系统）相位角范围土 85°.4.单相接地故障判据:以V0（零序电压）相位角为设定基

17、准，MT是基相位角，TAW是相位角的范围。如在 MTA土 TAW的范围（划斜线的范围）满足零序电流I °和相位即判断为区内故障（负荷侧接地故 障）。在其（划斜线的范围）范围外判断为区外故障（电源侧故障）。1、稳态Io, Vol °原理的判据存在问题在中性点经消弧线圈接地系统发生单相接地故障，会造成采用稳态零序电流（I。）原理、零序功率方向（Vol。）原理的接地故障为判据的正确率急剧下降。其原因是中性点经消 弧线圈接地系统单相接地时，电容电流分布的情况与中性点不接地系统不一样了。a.欠补偿IlVlc刀时如果补偿以后的接地电流大于本身线路电容电流，且方向由线路流向母线，故障线路

18、零序电流将减少。如果补偿以后的接地电流小于本身线路电容电流，故障线路零序电流不但大小变化，且方向也变为由母线流向线路。b.当过补偿时，L >/即L 门，这种补偿 方式没有发生过电压的危险，因而得到了广泛的 应用。采用过补偿后，通 过故障线路保护安装处的电流为补偿以后的感性 电流，它与零序电压的相位关系和非故障 线路电 容电流与零序电压的相位关系相同，数值也和非故障 线路的容性 电流相差无几，故零序 过流、零 序方向保 护无法检测岀已接地的故障 线路。因此不接地系 统中常用的零序 电流选线原理和零序功 率方向选线原理已不能采用。（指深圳日高、平高安川的方向接地判据）C.目前在配网接地检测中

19、还存在的问题有：故障信号叠加在负载电流上、稳态幅值较小（与消弧线圈的补偿情况有关 ）、环境的电磁干扰等影响着故障分辩的正确性；系统运行方式多变、故障状态多变、不确定因素多，故要求检测方法具有更强的适应能力（单一的采用稳态零序电流（I。）原理为判据，尽管提高了 ZCT的检测精度，但在使用上存在较大的局限性，也已不能全部、准确判断故障，）；变电站的专用选线装置接线复杂，并与馈线故障点相距又远，保护不一体，影响了对故障点的在线参数感测的精度和准确性，不利于馈线自动化。2、裕诚电气控制器接地故障保护的判据要提高小 电流接地系 统单相接地故障判 断的正确率，必 须采用先进、可行的保 护原理，并对 接地故障的判 断依据2个以上的判据， 单相接地故障保 护的正确率才能 达到较高的水平。裕诚电气控制器是依据馈线接地故障暂态电流分量（Tra nsie nt Curre nt Compo ne nt，TCC）、零序电压Vo和零序电流Io为判据，能准确判定接地故障和故障点位置。1、依据零序电流I o的幅值；2、采用微电子技术，依据对接地故障线路的故障相和非故障相暂态电流的波形、零序电流1°,零序电压V。的幅值和相位进行分析及比较，提取出更可靠的信号成分来作为接地故障位置的判据。