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系统,统称为中性点非直接接地系统。故障点电流很小,一般都允许再继续运行1~2h。

单相接地时,一般只要求继电保护能选出发生接地的线路并及时发出信号;当单相接地对人身和设备的安全有危险时则应作用于跳闸。

中性点不接地系统单相接地故障的特点

简单网络单相接地分析

设立最简单网络接线,电源和负荷的中性点均不接地。正常运行情况下,三相对地有相同电容C~0~,相电压作用下,每一相都有超前于相电压90°的电容电流流入地中。

设A相发生单相接地:

  • 在接地处A相对地电压为0
  • 对地电容短接,电容电流为0
  • 其他两相对地电压升高$\sqrt{3}$倍
  • 对地电容电流也相应升高$\sqrt{3}$倍

忽略负荷电流和电容电流在线路阻抗上产生的电压降,在故障点处各相对地的电压为:

$$ \begin{cases} \dot{U}_{Ak}=0\\ \dot{U}_{Bk}=\dot{E}_B-\dot{E}_A=\sqrt{3}\dot{E}_Ae^{-j150°}\\ \dot{U}_{Ck}=\dot{E}_C-\dot{E}_A=\sqrt{3}\dot{E}_Ae^{j150°} \end{cases} $$

故障点k的零序电压

$$ \dot{U}_{k0}=\frac{1}{3}(\dot{U}_{Ak}+\dot{U}_{Bk}+\dot{U}_{Ck})=-\dot{E}_A $$

故障处,非故障相中产生的电容电流流向故障点

$$ \begin{cases} \dot{I}_B=\dot{U}_{Bk}j\omega C_0\\ \dot{I}_C=\dot{U}_{Ck}j\omega C_0 \end{cases}\\ $$

有效值$I_B=I_C=\sqrt{3}U_{\varphi}\omega C_0$,$U_\varphi$为相电压有效值

此时,A相接地点流过的电流是全系统非故障相电容电流之和:

$$ \dot{I}_k=\dot{I}_B+\dot{I}_C $$

有效值$I_k=3U_\varphi \omega C_0$,即正常运行时单相电容电流的3倍

存在发电机G和多条线路时的单相接地分析

以$C_{0G},C_{0I},C_{0II}$等集中电容表示各发电机和每条线路对地的电容,设线路Ⅱ A相接地。

在非故障的线路Ⅰ,A相电流为零,B相和C相中有本身的电容电流。则线路始端反应的零序电流

$$ 3\dot{I}_{0I}=\dot{I}_{BI}+\dot{I}_{CI} $$

有效值

$$ 3I_{0I}=3U_\varphi\omega C_{0I} $$

非故障线路特点:非故障线路中的零序电流为线路Ⅰ本身的电容电流,电容性无功功率的方向为由母线流向线路。

发电机特点与非故障线路特点相同。

在故障的线路Ⅱ,B相、C相有本身的电容电流$\dot{I}_{BII},\dot{I}_{CII}$,在接地点还要流回全系统B相和C相对地电容电流总和(线路Ⅰ、线路Ⅱ、发电机):

$$ \dot{I}_k=(\dot{I}_{BII}+\dot{I}_{CII})+(\dot{I}_{BII}+\dot{I}_{CII})+(\dot{I}_{BG}+\dot{I}_{CG}) $$

有效值

$$ I_k=3U_\varphi\omega(C_{0I}+C_{0II}+C_{0G})=3U\varphi\omega C_{0Σ} $$

其中$C_{0Σ}$是全系统每相对地电容的总和

在线路Ⅱ始端流过的零序电流

$$ \begin{aligned} 3\dot{I}_{0II} &= \dot{I}_{AII}+\dot{I}_{BII}+\dot{I}_{CII}\\ &=-(\dot{I}_{BI}+\dot{I}_{CI}+\dot{I}_{BG}+\dot{I}_{CG}) \end{aligned} $$

有效值

$$ 3I_{0II}=3U_\varphi\omega(C_{0Σ}-C_{0II}) $$

故障线路特点:故障线路中的零序电流,其数值等于全系统非故障元件对地电容电流总和(不包括故障线路本身),电容性无功功率的方向为由线路流向母线。

中性点不接地系统发生单相接地后零序分量分布的特点

  1. 零序网络由同级电压网络中元件对地的等值电容构成通路,网络的零序阻抗很大。
  2. 在发生单相接地时,相当于在故障点产生了一个其值与故障相故障前相电压大小相等、方向相反的零序电压,从而全系统都出现零序电压。
  3. 在非故障元件中流过的零序电流,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母线流向线路。
  4. 在故障元件中流过的零序电流,其数值为全系统非故障原件对地电容电流总和,电容性无功功率的实际方向为由线路流向母线。

中性点经消弧线圈接地系统中单相接地故障的特点

接地点要流过全系统的对地电容电流,如果此电流比较大,就会在接地点燃起电弧,引起弧光过电压,从而使非故障相的对地电压进一步升高,使绝缘损坏,形成两点或多点接地短路,造成停电事故。通常在中性点接入一个电感线圈,使接地点有一个电感分量的电流通过,减少流经故障点的电流,熄灭电弧。

单相接地的稳态特点

此时在接地点流回的总电流

$$ \dot{I}_k=\dot{I}_L+\dot{I}_{CΣ} $$

$\dot{I}_{CΣ}$:全系统的对地电容电流

$\dot{I}_L$:消弧线圈的电流,用L表示电感,则$\dot{I}_L=\frac{-\dot{E}_A}{j\omega L}$

两电流相位大约相差180°,故$\dot{I}_k$会因消弧线圈的补偿而减少。

消弧线圈的补偿方式

完全补偿

使$I_L=I_{CΣ}$,接地点电流近似为0。但完全补偿时满足$\omega L=\frac{1}{3\omega C_Σ}$,正常运行时电压中性点对地之间有电压偏移就会产生串联谐振,使电源中性点对地电压严重升高。

欠补偿

使$I_L<I_{CΣ}$,接地点电流仍然是电容性。

过补偿

使$I_L>I_{CΣ}$,补偿后的残余电流为电感性。这种方法不可能发生串联谐振的过电压问题,因此在实际中获得广泛的应用。引入过补偿度P:

$$ P=\frac{I_L-I_{CΣ}}{I_{CΣ}} $$

一般选择过补偿度P=5%~10%。

单相接地过渡过程的特点

过补偿方式下,无法利用功率方向的差别判别故障线路,也不能利用零序电流大小的不同来找出故障线路。单相接地时,电容电流的暂态分量可能较其稳态值大几倍到几十倍,考虑利用暂态电流实现故障选线。

  1. 由于故障相电压突然降低引起的故障相电容放电电流。通过母线流向故障点,放电电流衰减很快,振荡频率高达数千赫兹。
  2. 由非故障相A相电压突然升高引起的非故障相充电电容电流。通过电源、故障点形成回路。充电电流衰减较慢、振荡频率较低。

忽略消弧线圈电感$L_k$后,对暂态电容电流的分析就是一个R、L、C串联回路突然接通零序电压$u(t)=U_mcos\omega t$时过渡过程的分析。当$R<2\sqrt{\frac{L}{C}}$时,电流的过渡过程具有衰减的周期特性;当$R>2\sqrt{\frac{L}{C}}$时,电流经非周期衰减而趋于稳态值。对于架空线路,L较大,C较小,故障点电流具有迅速衰减地形式。

零序电压保护

在中性点非直接接地系统中,只要本级电压网络中发生单相接地故障,在同一电压等级的所有发电厂和变电所母线上都将出现数值较高的零序电压。

因此,在发电厂和变电所的母线上装设单相接地监视装置,利用零序电压带延时动作表明出现单相接地。信号没有选择性,需要手动确定故障相

零序电流保护

保护装置的动作电流应大于本线路电容电流:

$$ I_{set}=K_{rel}3U_\varphi\omega C_0 $$

$K_{rel}$:可靠系数;$C_0$:被保护线路每相的对地电容

保护的灵敏系数:

$$ K_{sen}=\frac{3U_\varphi\omega(C_Σ-C_0)}{K_{rel}3U_\varphi\omega C_0}=\frac{C_Σ-C_0}{K_{rel}C_0} $$

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