摘要: 比较配电网中性点直接接地、不接地、经消弧线圈（或小电阻）接地等三种方式的特点，确定东坑变中性点不接地和小电流接地选线装置的配合是解决单相接地故障问题的最优的方案。通过分析小电流接地系统单相接地故障的暂态信号特征，提出了基于暂态零序电流特征频带的选线理论，并且基于此理论开发了能够快速跳闸的小电流接地选线装置。通过试验和现场实际运行，验证了该装置能够准确选线并快速跳闸，可显著降低单相接地故障造成的人身伤害事故，具有十分显著的社会效益。
关键词:中性点接地系统；零序电流；暂态量；频率特征；小电流接地系统；
0引言
中性点接地方式是指电力系统中发电机和变压器的中性点与大地的电气连接方式。一般分为大接地电流系统和小接地电流系统，前者即中性点直接接地系统（有效接地系统），后者又分为中性点不接地系统和中性点经消弧线圈（或电阻）接地系统（非有效接地系统）。对于大电流接地系统，若发生单相接地故障，由于存在短路回路，接地相电流很大，保护装置动作切除故障。而在小电流接地系统中发生单相接地故障时，由于中性点非有效接地，故障点不会产生大的故障电流，仅有较小的电容电流，三相之间仍然对称，因此允许短时间带故障运行，这对于减少用户停电时间，降低用户停电损失，提高供电可靠性是有意义的。但是，短时带故障运行存在隐患，主要是：
1）容易造成人（或动物）在接地点遭电击。
2）接地故障时形成过电压，导致绝缘薄弱处对地击穿，事故发展为相间短路。
电力系统中性点接地方式是一个综合性的技术经济问题。接地方式的选择对供电可靠性和运行安全至关重要，它与供电可靠性、人身安全、设备安全、绝缘水平、过电压保护、继电保护、通讯干扰及接地装置等技术密切相关，并具有理论研究和实践经验紧密结合的特点。
陕西榆林电网是城乡一体化电网，由于所处地理位置，用户对供电可靠性和安全性都提出非常高的要求，因此，如何选择电力系统中性点接地方式及如何快速切除单相接地故障非常重要。
本文的研究对象是榆林110kV东坑变电站（以下简称东坑变）。中性点接地方式与系统中频繁的单相接地故障关系最为密切，因此，研究的目的主要就在于正确认识和恰当处理此类故障，结合东坑变的实际情况，选择适当的中性点接地方式及配置相应的单相接地故障处理手段，以提高系统的运行绩效，使效益投资比更高、运行维护费用更低。
1中性点接地方式分类及特点
美国电机工程师学会(AIEE)的第32号标准，从开始执行以来一直沿用至今，在国际上得到了广泛的认同。当系统或其指定部分的各点上，只要零序电抗与正序电抗之比不大于3(X0/X1≤3)、零序电阻与正序电抗之比不大于1(R0/X1≦≤1≤)时，则它们的中性点为有效接地方式;反之，为非有效接地方式。
中性点有效接地方式，因接地系数较低，当系统发生单相接地故障时，非故障相的工频电压升高均低于80%线电压，它适用于高压系统;若接地系数更低，非故障相电压的升高将远低于80%线电压，则称之为非常有效接地方式，它适用于超高压和特高压系统。
中性点非有效接地方式，因接地系数普遍较高，非故障相电压的升高均大于80%线电压，有的可达100%、乃至105%线电压。此类中性点接地方式，适用于中压电力系统(电网)。同时，以单相接地电弧能否自动熄灭为必要和充分条件，又可分成大、小电流接地方式。
俄罗斯，110 kV采用中性点直接接地方式，10-35kV采用中性点不接地或经消弧线圈接地方式。德国，30-220kV的系统均采用中性点经消弧线圈接地的接地方式；美国主要采用中性点直接接地方式；日本配电网的接地方式相对比较复杂，有4种接地方式：中性线多重直接接地、中性点直接接地、低电阻接地、高电阻接地。
关于电力系统中性点接地方式，我国电力行业标准有相关规定，在《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》(DL/T620-1997)中，主要有下面几点：
该标准的3.1.2条规定：
3-10kV不直接连接发电机的系统和35、66kV系统，在单相接地故障的电容电流值不超过下列数值时，应采用不接地方式；在超过下列数值且又需在接地故障条件下运行时，应采用经消弧线圈接地方式：
1）3-10kV金属杆塔或钢筋混凝土的架空线路构成的系统及所有35、66kV系统，数值为10A。
2）3-10kV非金属杆塔或非钢筋混凝土的架空线路构成的系统，电压等级为3kV和6kV时，数值为30A；电压等级为10kV时，数值为20A。
3）3-10kV电缆构成的系统，数值为30A。
1.1中性点直接接地方式
中性点直接接地方式是指将变压器的中性点与大地直接相连的一种运行方式，它具备以下特点：
1）系统中性点始终保持地电位。正常运行时，中性点无电流通过；单相接地时，会构成短路回路，接地相短路电流很大，各相之间电压不再是对称的，中性点电位不变，非故障相对地电压接近于相电压。
2）非故障相对地电压接近相电压，过电压水平较低，绝缘水平要求可降低，减少了设备造价，在高压和特高压电网，经济效益显著。
3）直接接地时单相短路电流很大，为防止短路电流造成的设备损坏及故障扩大，需要有继电保护装置迅速将故障线路切除，保证非故障线路的正常运行。
应用范围：目前我国110kV及以上电网一般都采用中性点直接接地系统。
1.2中性点不接地方式
中性点不接地运行方式是指变压器的中性点与大地绝缘的一种运行方式。而实际系统的三相与大地之间存在着分布电容，这种接地方式的最大优点就是供电连续性高，适用于以架空线路为主，单相接地故障电流很小的农村和中小城市城区配电网。
正常时，各相对地电压是对称的，三相对地电容电流平衡，中性点对地电压为零。系统中性点电流为零，发生单相接地故障时，流过故障点的电流主要为电容电流，系统中性点电压上升为相电压，故障相对地电压为零，非故障相对地电压升高为电网线电压，电网出现零序电压3U0和零序电流3I0，故障线路的电流为所有非故障线路电容电流之和，方向是流向母线；非故障线路的电容电流是该线路自身对地电容电流，方向是由母线流向线路。接地故障的电容电流为正常时单相电容电流的3倍。
图1 中性点不接地系统单相接地时电压和零序电流向量图
中性点不接地方式的特点：
1）供电可靠性较高
发生单相接地故障时，因未构成明显的短路回路，短路电流不大，可不必立即切除故障，接在线电压上的电气设备仍能运行，提高了供电可靠性。
2）对信息系统的干扰小
发生单相接地故障时流过故障点的电流为电容电流，跨步电压和接触电压低。
3）非故障相电压升为线电压
线路绝缘水平要高于中性点直接接地方式。当电容电流达到几十安培时，会引起时间较长的弧光接地过电压或间歇性的弧光接地过电压。电弧会导致电网电磁震荡，在非故障相的绝缘薄弱处可能发生对地击穿，使得单相故障变成相间故障。
应用范围：国内20kV及以下的中压配电网部分采用中性点不接地方式，采用这种方式的配电网基本以架空线为主，在电网规模不大的情况下，采用这种运行方式的配电网运行状况良好。
1.3中性点经消弧线圈接地方式
消弧线圈一般是带有铁芯和气隙的可调电感线圈，中性点经消弧线圈接地可以提供电感电流，补偿接地电容电流，流过消弧线圈的电流与单相接地时电容电流的方向相反，其抵消作用使得接地电流减少，达到熄弧的目的。
补偿方式分为全补偿，过补偿和欠补偿三种。在全补偿中，接地电流为0，系统中会产生谐振过电压，这是不被允许的。过补偿中，接地电流为纯感电流，这是系统运行中经常使用的补偿方式，并且可以避免或减少谐振过电压的产生；当接地电流为电容电流时，称为欠补偿的补偿方式，一般不采用欠补偿运行方式，以防止在切除线路或系统频率下降时，出现全补偿状态从而导致谐振过电压。
中性点经消弧线圈接地的特点：
1）消弧线圈不仅可以有效减少产生弧光接地过电压的概率，还可以有效地抑制过电压的幅值，最大限度地减小故障点热破坏作用及接地电压；
2）对运行中所有电力设备的内部绝缘和外部绝缘均可起到保护作用；
3）由于优化谐振接地方式可靠地防止了故障点附近地电位的升高，可以防止危险接触电压和跨步电压的产生；
消弧线圈在保证电网安全运行方面的作用明显，但是消弧线圈在实际中的作用经常被夸大，许多人错误的认为只要装设消弧线圈就不会再有过电压和弧光接地电流。事实上，消弧线圈有以下局限：
1）消弧线圈只能限制弧光过电压出现的频率和幅值，而不能消除弧光接地过电压。
在消弧线圈接地系统发生单相接地时，弧光接地过电压是由于接地故障点接地电弧中高频震荡电流的熄弧重燃而产生的暂态过电压，随着接地电弧重燃次数的增加，高频暂态过电压不断升高。而消弧线圈只是对稳态的接地电容电流起补偿作用，对高频震荡电流不起作用，因此采用消弧线圈不能消除弧光接地过电压。
2）消弧线圈只能熄灭电弧而不能消除电弧。
消弧线圈接地系统产生单相接地故障的瞬间，流过故障点的暂态接地电流是由暂态电容电流和暂态电感电流组成，两者的频率和幅值显著不同，在暂态过程中不能相互补偿。在接地的瞬间，消弧线圈的电感电流不能突变，接地瞬间处于高阻状态，接地电容在接地瞬间处于低阻状态。在高频震荡的过度过程中，由于消弧线圈和电网电容两者的频率特性相差悬殊，是不可能互相补偿或调谐的。当单相接地故障进入稳态后通过接地点的电流才是经消弧线圈补偿后的残流，消弧线圈的补偿可以使残流最小以促使接地电弧的迅速熄灭，并且不再重燃。因此消弧线圈只能是在发生稳定接地电弧后有效地促使接地电弧的迅速熄灭，而不能消除接地瞬间的接地电弧。
3）消弧线圈不能补偿谐波电流也不能补偿电流中的有功分量。
应用范围：10-66kV的中压配电网系统中。
1.4中性点经小电阻接地方式
中性点经电阻接地方式，即是中性点与大地之间接入一定阻值的电阻。该电阻与系统对地电容构成并联回路，由于电阻是耗能元件，也是电容电荷释放元件和谐振的阻压元件，对防止谐振过电压和间歇性电弧接地过电压有一定优越性。
根据中性点接地电阻的电阻值的不同，可以将中性点经电阻接地方式分为高电阻、中电阻和低电阻接地三种情况。目前三种方式在国内外电网中都有应用。
小电阻接地方式的特点：
1）有效提高了系统防止接地故障时的过电压水平
分析配电网接地电容电流谐波含量，含有比例高达5%~15%的5次谐波电流，即使将工频接地电流计算得非常准确，但消弧线圈在电网50Hz下工作，还是无法补偿5%~15%接地电容电流中的谐波电流值，无法消除弧光接地过电压。而采用中性点经电阻接地方式，中性点经小电阻接地在发生单相故障时能有效地抑制系统的谐振过电压，加速释放回路的残余电荷，可以限制过电压值，有效降低配电网系统过电压水平，从而保证了配电设备安全可靠运行。
根据有关过电压模拟装置的实际模拟程序计算，以及国内外大量电阻应用经验，配电系统内部过电压水平随着单相接地故障情况下流过中性点电阻的额定电流增加而降低。
当
时，过电压水平大约降到2.5 倍的额定电压以下；
当
时，过电压水平大约降到2.2倍的额定电压以下；
当
时，过电压水平大约降到2.0倍的额定电压以下；
备注：以上
为单相接地故障情况下流过中性点电阻的额定电流，
为系统电容电流。
2）接地选线功能容易实现
在小电阻接地系统中，通过流过接地故障点提供一定零序电流，启动线路零序保护，方便配置单相接地故障保护，可在短时间内有选择地快速切除接地故障线路，故障排查时间缩短，单相接地造成人身触电及相间短路发生概率大大减少。
3）供电安全性得到提高
以电缆占据主要线路的配电网，其单相接地故障多为绝缘损坏和下降而引起，比如系统设备在一定条件下因为自身绝缘缺陷造成击穿，而且接地残流较大，尤其是接地点在电缆上时，容易导致接地电弧为封闭性电弧，电弧难于自行熄灭，对交联聚乙烯电缆，单相接地电容电流所产生的弧光能自行熄灭的数值仅为5A，与规程所规定的数值相比较小，由此可见：配电网中的电缆一旦发生单相接地故障，多为永久性故障。而中性点经消弧线圈接地系统为小电流接地系统，当发生单相接性故障并持续相当一段时间，故障点的检出相对困难，一般采用试拉手段来检出单相接地故障点所在线路。在对线路试拉过程中分、合断路器，有时伴随着幅值较高的操作过电压，在没有迅速检出故障点所在线路的情况，容易发展为相间故障或三相故障。通过以上分析可以看出，系统采用中性点经消弧线圈接地方式，不仅仅使系统设备承受长时间过电压作用，威胁设备绝缘，另外，多次试拉开关，使用户不断电的优势也将不复存在。小电阻接地方式具有准确快速切除故障线路的优势，大大提高了供电安全性。
4）线路跳闸次数增加，降低了供电可靠性
系统不管发生永久性的还是非永久性的接地故障时，保护均作用于跳闸，线路的跳闸次数会增加，在一定程度上影响了用户的正常供电，降低了供电可靠性。但对于架空线路，可以采用保护自动重合闸进行校正，而电缆线路单相接地故障多为永久性故障，保护快速切除开关，可以避免故障扩大，有利于较短时间恢复供电。
5）接地故障电流大，接触电压和跨步电压会对人身造成威胁，设备安全和通信干扰均需要采取一定的措施予以防范。
2东坑变电容电流测试及中性点运行方式选择
东坑变属于中性点不接地系统，采用信号注入法测试电容电流：从PT二次侧的开口三角端注入一个幅值恒定，但频率不同的信号，通过测量PT开口三角侧返回电压、电流的幅值和相位，求解出系统的对地电容值，从而计算出电网电容电流。
2.1测量基本原理
测试原理如图所示，PT三相一次绕组分别为
，三相二次绕组
形成开口三角形，设定A、B、C三相对称，每相对地电容为X，PT变比设为n1：n2。
将一大小恒定的电流
通入PT开口三角形侧，
分别为一次绕组A、B、C中感应出来的零序电流，假定ABC三相励磁电流分别为
，一次绕组n1匝，二次绕组n2匝，
图2 配电网电容电流测量原理图
则：
PT的单相等值电路如下图所示：
图3 配电网电容电流测量的等效电路图
PT的励磁阻抗（约数兆欧）远大于PT漏抗（约数千欧）和绕组电阻（约上万欧），同时，电网单相对地电容数值一般大约在0.1-30uF之间，而相应的容抗大约在100-1000欧之间，故PT的励磁电流
基本为零，可忽略不计。因此，可认为PT一次侧感应出的ABC三相电流是相等的，即
，它们的大小由注入的电流
确定。正是由于
是ABC三相的零序电流，只能从线路对地电容流过形成回路，而不能通过电源和负载形成回路，为信号注入法实现从PT二次侧测量对地电容电流提供了理论基础。
若在PT开口三角形侧注入一恒定电流
，会在高压侧感应出3个幅值相位都相等的
，它们将分别在PT的漏电阻R、漏电抗
和对地电容
上产生压降
。正常运行时，PT相参数是对称的，所以，零序电流
在变压器漏抗以及系统对地电容流过的电压几乎一样，即
。因此，PT开口三角处电压满足：
(2-4）
根据PT低压侧折算至高压侧等值电路图得：
(2-5）
根据固有的电压电流关系得：
因此，可以得到开口二次侧注入的电流66666666的关系式：
相量关系：
（2-10）
数量关系：
(2-11）
因此，通过测量PT开口二次侧的电压及电流，就可以计算得到系统对地的电容。
2.2 东坑变中性点运行方式选择
根据DL/T620-1997的3.1.2条规定，
3-10kV非金属杆塔或非钢筋混凝土的架空线路构成的系统，电压等级为10kV时，电容电流不超过20A时，中性点应采用不接地方式。
中性点不接地方式，若发生单相接地故障，虽然流过故障点电流仅为电网对地的电容电流，其值很小，但带故障运行，存在烧坏变压器、烧坏用电设备、严重时发展为相间短路及人身触电伤害等隐患，需装设准确率高的小电流接地选线装置，以便迅速处理故障。
东坑变的10kV侧的电容电流测试结果为 18.5A。
因此，东坑变采用中性点不接地+小电流接地选线装置的运行方式。
配置小电流接地选线装置的意义：
1）降低触电伤害的概率；
2）提高变压器及其它用电设备的寿命；
3）减少非故障线路的不必要的停电；
4）提高单相接地故障的处理效率；
5）提高供电可靠性；
6）降低事故扩大的概率：
据统计，单相接地故障占总的电力故障的70%左右，大量的单相接地故障不及时处理导致事故扩大为相间短路故障，严重时系统崩溃。
3暂态量选线法
3.1单相接地时零序电流暂态量分布特征
中性点不接地系统，单相接地故障时，其零序电流的分布如图4所示（开关S为断开状态），图中箭头标示出暂态电流故障分量的流通回路。
图4 单相接地故障时零序电流的分布图
在故障时刻，故障相（A相）电压突然降低，其电容快速放电，而非故障相电压突然升高，其电容快速充电。故障相放电电流的电阻和电感都很小，因此放电电流振荡频率较高，可能达到几千赫兹，衰减很快。非故障相充电电流要通过电源形成回路，电感和电阻相对较大，因此充电电流振荡频率较低，只有几百赫兹，衰减较慢。从图中电流回路流向可知，故障线路J故障相（A相）的零序电流暂态分量由本线路B、C相的零序暂态电流分量和健全线路I各相零序暂态电流分量组成。
3.2零序电流暂态量相频特性分析
单线路零序阻抗的相频特性是在正负90°上交变的周期方波函数（见图5），随着频率升高线路零序阻抗的容性、感性频带交替出现，且出现的第一个频带为容性。即任何线路都有一个最低的容性频带，在这个频带里，各健全线路的零序电流都为容性，而影响暂态零序电流相位的主要因素为线路的零序阻抗角，即随着频率升高，暂态零序电流相位在正负90°交变出现，且在最低的频带为容性电流。
图5 相频特性
3.3零序电流暂态量选线原理
在所有线路暂态零序电流相位一致的频带内（称为特征频带），故障线路零序电流的幅值等于所有非故障线路零序电流的幅值之和；对于大于2条线路的母线，而任意一条健全线路零序电流幅值小于故障线路的零序电流的幅值。即：故障线路零序电流幅值大于健全线路零序电流幅值，具有最大暂态电容电流。因此通过选择一个健全线路电流相位一致的频带，利用此频带内暂态电流分量幅值比较，选择故障线路，这就是零序电流暂态量选线理论。
4结论
1）本文分析了中性点直接接地、中性点不接地、中性点经消弧线圈接地、中性点经电阻接地等几种运行方式的特点，在此基础上确定了榆林东坑变应用中性点不接地+小电流接地选线装置的运行方式。
2）基于暂态量选线法的小电流接地选线装置在中性点不接地系统中，具有100%的选线正确率。
3）基于高准确率的小电流接地选线装置，综合接地信息进行分级处理，能够在保证供电可靠性的同时，显著降低系统带单相接地故障运行的时间，极大地避免人身伤害事故的发生。
4）对于榆林东坑变的单相接地故障问题处理，最优的方案是中性点采用不接地方式，同时配置高准确率的应用暂态量选线理论的小电流接地选线装置。
参考文献:
[1]李润先,中压电网系统接地实用技术,中国电力出版社,2002
[2]要焕年，曹梅月,电力系统谐振接地,中国电力出版社,2000
[3]毛柳明,周恒逸,10KV配电网小电阻接地系统单相接地故障特性研究,湖南省电力公司科学研究院，湖南长沙,湖南电力第32卷第1期,2012.2.
[4]曾荣华,10KV配网中性点接地方式改造探讨,广东电网公司，梅州供电分公司，梅州,高电压技术第31卷第6 期,2005.6
[5]赵冉，谭伟璞，杨以涵,配电网中性点接地方式分析,华北电力大学电气与电子工程学院，北京；继电器第35卷第4期,2007.2.16
论文作者:马岩浩,呼瑞升,李亚峰
论文发表刊物:《电力设备》2018年第26期
论文发表时间:2019/1/16
标签：电流论文; 故障论文; 过电压论文; 单相论文; 方式论文; 电容论文; 系统论文; 《电力设备》2018年第26期论文;