论文部分内容阅读
摘要:接地保护是配电网安全保护措施之一，其可靠性对保证电力安全稳定运行具有重大的意义。本文围绕中性点不接地系统的特点及保护方式等方面介绍了单相接地保护的现状，并对中性点直接接地的保护方式和存在的问题进行阐述，供电站接地设计人员参考。
关键词: 10kV配电网；单相接地；中性点；直接接地保护
中图分类号： U665.12文献标识码： A 文章编号：
随着我国社会经济的快速发展，社会对供电量每年都保持着较大增长的需求, 这对10kV配电网的安全可靠运行越来越高。保护接地是配电网的安全保护措施之一，主要分为接地保护和接零保护，由于不同的保护方式使用的客观条件不同，在配电网运行过程中时常会有接地故障现象的出现，若处理不当，不仅会影响用电客户使用的保护性能，严重情况下还会影响到配电网的供电可靠性。因此，如何正确合理地选择和使用保护接地成为了配电网络中电力客户需要关注的问题。本文介绍了单相接地保护的现状，阐述了配电网中性点直接接地的保护方式。
1 中性点不接地时单相接地特点
1）发生接地后，相当于中性点漂移接地，各相之间的电压不变，因此可以向用户继续供电为查找故障赢得时间，一般带故障运行时间是2小时。2）发生接地后，中性点电位升高，若是金属性接地，则升高为相电压，接地相对地电压为零，非接地相对地电压升高√3倍。
2 中性点不接地系统的保护方式
零序功率方向保护原理应用较多是小电流接地选线装置。现阶段在电网中大量运用的小电流接地选线装置主要采用检测接地线路稳态零序功率方向来确定发生接地故障的线路。这些装置一般只给出发生接地故障的线路名称，后续的检查处理要由运行值班人员拉路确认。
3 中性点经消弧线圈接地的保护
3.1 中性点经消弧线圈接地系统特点
中性点不接地系统发生单相接地时线路接地点将流过全系统的对地电容电流。如果此电流较大，就会在接地点燃起电弧，引起弧光过电压，导致故障相绝缘破坏，进而发展成相间短路故障，扩大事故。
中性点经消弧线圈接地后(如变压器绕组连接为△型，则可在母线上加装Y形绕组接地变压器，也就是设置人工中性点)。系统发生单相接地故障时，流过接地点的电流为全系统对地电容电流与消弧线圈产生的电感电流的向量和。
Id=IL+ICΣ
式中:Id为流过故障点的接地电流。
IL为消弧线圈生产生的电感电流，
IL=U0/jωL=－jU0/ωL。
ICΣ为全系统对地电容电流，ICΣ=3U0jωCΣ。
IL与ICΣ方向相反，这种利用IL抵消ICΣ的措施称为补偿。随加入IL补偿程度的不同，可分为三种补偿方式:全补偿、欠补偿和过补偿。
1)完全补偿方式:
Id=IL+ICΣ=0的补偿方式。这种补偿方式可使接地点故障电流为零，但有严重缺点，会引发危险的串联谐振过电压。
2)欠补偿方式:
IL＜ICΣ的补偿方式。采用这种方式时，接地故障点的故障电流仍然是容性的。这种补偿方式的缺点在于系统运行方式发生变化，如某些线路检修或故障停运时，系统电容电流减少，可能会成为全补偿而出现危险的谐振过电压。
3)过补偿方式
IL＞ICΣ的补偿方式。过补偿方式下，接地故障点的故障电流是感性的。不会因系统运行方式的变化，电容电流的减少而成为全补偿而出现危险的谐振过电压。这种补偿方式得到了广泛的应用。
IL的补偿程度可用补偿度K来表示。
K=(IL+ICΣ)/ICΣ一般取K=(5～10)%。
采用消弧线圈过补偿方式，流过故障线路的电流为补偿后的感性电流。它与U0的相位关系与非故障线路电容电流与U0的相位关系相同。其数值也和非故障线路的电容电流的容性电流差不多。因此，前述零序电流保护和零序方向保护都不能采用。
3.2 小接地电流系统保护方式
1)绝缘监察装置:消弧线圈不会改变系统零序电压的分布和大小，对绝缘监察装置没有影响。
2)短时破坏补偿的方法:在发生接地故障后利用系统出现零序电压的特点，短时将消弧线圈切除，这样就可以按不接地系统的方式实现有选择性的保护。待保护动作后再将消弧线圈投入。
3)短时投入有效电阻的方法:发生单相接地时在中性点与地之间投入一个有效电阻，使在接地点产生电阻分量电流，再利用余弦型功率方向继电器选出接地故障线路。经一定延时后，再把电阻切除。
以上三种方式应用较多还是绝缘监察装置。后两种方法因控制回路接线复杂，还有会在接地点产生较大接地電流，较少应用。
4 暂态分析小电流接地保护
4.1 暂态过程
一般情况下，由于电网中绝缘被击穿而引起的接地故障，经常发生在相电压接近最大值的瞬间，因此可以将暂态电容电流看成是以下两个电流值和:
1)故障相电压突然降低引起的放电电流。这个放电电流通过母线流向故障点，放电电流衰减很快，震荡频率高达数千赫兹。震荡频率主要决定与电网中的线路参数、故障点位置以及过渡电阻的数值。
2)由非故障相电压突然升高引起的充电电流。此电流要通过电源而成回路。由于通路的电感增大，因此，充电电流衰减较慢，震荡频率也较低。
对于中性点经消弧线圈接地的电网，由于暂态电感电流的最大值应出现在接地故障发生在相电压经过零值瞬间，当故障发生在相电压接近最大值瞬间时，暂态电感电流近似为零。因此暂态电容电流较暂态电感电流大很多，而正常时稳态电容电流完全为电感电流所补偿，所以随时间变化的特性也不同:
a.大多数接地故障都发生在相电压接近最大值的瞬间，所以不论中性点不接地还是经消弧线圈接地，在故障瞬间其暂态过程是近似相同的；
b.故障时的暂态零序电流第一个半波(简称首半波)的幅值与故障时故障相电压的辐角有关，当相电压在最大值的瞬间发生故障，暂态零序电流首半波幅值最大；
c．流过电网各点暂态零序电流首半波的最大值，较同一点稳态零序电流值大几倍至几十倍；
d．各线路中流过的暂态零序电流首半波的宽度，约为几十微秒到几百微秒。
e．电网发生单相接地故障时，靠近母线端故障线路的暂态零序电流与非故障线路暂态零序电流的方向相反。
4.2 小电流接地选线装置
利用小电流接地系统单相接地过渡过程的特点研制的小电流接地选线跳闸装置已投入系统试运行。装置利用现代微机继电保护技术，采用先进的小波分析计算方法能够准确地检测出单相接地暂态过程首半波的方向，进而选出接地线路。装置根据系统要求可选择告警或选择跳闸。
4.3 小电流接地保护方式
前面已提到故障时的暂态零序电流首半波的幅值与故障相电压的辐角有关，当相电压在零值或接近零点时暂态零序电流首半波幅值最小。在雷击或外界机械破坏等因素导致的故障可能发生在故障相电压的任意辐角下。当发生这种情况时基于暂态分析的小电流接地保护将不能准确、可靠的选出发生接地故障的线路。
5 中性点直接接地的保护方式
5.1 中性点直接接地的优点
1)系统中性点直接接地，发生接地时系统中性点不会漂移，非故障相电压不会大幅升高。
2)接地故障点将流过较大幅值的接地故障电流形成稳定的接地故障点，不易形成间歇性的电弧放电，不会产生间歇性弧光接地过电压。
3)中性点直接接地系统的零序保护是成熟的保护技术，利用在110kV及以上电网的成熟应用的零序过电流保护、零序方向过电流保护以及接地距离保护可在几百毫秒至几秒钟内有选择性地快速、灵敏、可靠地切除接地故障。
4)系统中性点直接接地后，发生接地故障会导致系统三相电压的对称性破坏，导致非故障线路不能正常供电。接地故障流过幅值较大的接地故障电流，时间长了会导致接地故障设备烧坏。但因保护能快速动作切除故障，系统电压能迅速恢复正常供电状态。故障电流持续时间较短，接地故障设备的损伤不大，也容易修复。对于瞬时性的接地故障还可以通过重合闸快速恢复故障线路的供电；对于永久性的接地故障，现代的微型计算机保护装置(故障录波测距装置)也能测出大致的接地故障距离，方便快速修复故障受损线路。
5)系统中性点直接接地的最大好处还在于，接地故障的持续时间大幅缩短，可将导致的人身触电伤害的可能性降至最低。
5.2 中性点直接接地存在的问题
10kV配电系统接地中性点问题:变电站主变压器10kV绕组一般连接成三角形，无中性点可引出接地。此问题可采用10kV系统加装消弧线圈所采用的方案，设置人工接地点方法解决。在变电站10kV母线上接入一台专用的接地变压器，变压器10kV侧三相绕组连接成Y形引出中性点就可解决此问题。
6 结束语
综上所述，10kv的配电网接地保护问题研究是一项综合性的工作，影响接地保护的因素比较多。在允许接地运行期间，通过逐条短时断开运行线路查找接地线路。这种方式存在诸多问题，其中最大的弊病单相接地后继续运行期间存在触电伤害的风险。实践证明，对10kv配电系统采用中性点直接接地，用在系统中的接地保护技术来快速切除10kv单相接地故障是一个较好的选择。
参考文献
[1] 厉剑波.浅谈低压配电网的保护接地体系[J].城市建设理论研究,2012年第27期
[2] 肖毅.10kv配电网中性点接地方式的分析[J].科技与生活,2011年第17期
关键词: 10kV配电网；单相接地；中性点；直接接地保护
中图分类号： U665.12文献标识码： A 文章编号：
随着我国社会经济的快速发展，社会对供电量每年都保持着较大增长的需求, 这对10kV配电网的安全可靠运行越来越高。保护接地是配电网的安全保护措施之一，主要分为接地保护和接零保护，由于不同的保护方式使用的客观条件不同，在配电网运行过程中时常会有接地故障现象的出现，若处理不当，不仅会影响用电客户使用的保护性能，严重情况下还会影响到配电网的供电可靠性。因此，如何正确合理地选择和使用保护接地成为了配电网络中电力客户需要关注的问题。本文介绍了单相接地保护的现状，阐述了配电网中性点直接接地的保护方式。
1 中性点不接地时单相接地特点
1）发生接地后，相当于中性点漂移接地，各相之间的电压不变，因此可以向用户继续供电为查找故障赢得时间，一般带故障运行时间是2小时。2）发生接地后，中性点电位升高，若是金属性接地，则升高为相电压，接地相对地电压为零，非接地相对地电压升高√3倍。
2 中性点不接地系统的保护方式
零序功率方向保护原理应用较多是小电流接地选线装置。现阶段在电网中大量运用的小电流接地选线装置主要采用检测接地线路稳态零序功率方向来确定发生接地故障的线路。这些装置一般只给出发生接地故障的线路名称，后续的检查处理要由运行值班人员拉路确认。
3 中性点经消弧线圈接地的保护
3.1 中性点经消弧线圈接地系统特点
中性点不接地系统发生单相接地时线路接地点将流过全系统的对地电容电流。如果此电流较大，就会在接地点燃起电弧，引起弧光过电压，导致故障相绝缘破坏，进而发展成相间短路故障，扩大事故。
中性点经消弧线圈接地后(如变压器绕组连接为△型，则可在母线上加装Y形绕组接地变压器，也就是设置人工中性点)。系统发生单相接地故障时，流过接地点的电流为全系统对地电容电流与消弧线圈产生的电感电流的向量和。
Id=IL+ICΣ
式中:Id为流过故障点的接地电流。
IL为消弧线圈生产生的电感电流，
IL=U0/jωL=－jU0/ωL。
ICΣ为全系统对地电容电流，ICΣ=3U0jωCΣ。
IL与ICΣ方向相反，这种利用IL抵消ICΣ的措施称为补偿。随加入IL补偿程度的不同，可分为三种补偿方式:全补偿、欠补偿和过补偿。
1)完全补偿方式:
Id=IL+ICΣ=0的补偿方式。这种补偿方式可使接地点故障电流为零，但有严重缺点，会引发危险的串联谐振过电压。
2)欠补偿方式:
IL＜ICΣ的补偿方式。采用这种方式时，接地故障点的故障电流仍然是容性的。这种补偿方式的缺点在于系统运行方式发生变化，如某些线路检修或故障停运时，系统电容电流减少，可能会成为全补偿而出现危险的谐振过电压。
3)过补偿方式
IL＞ICΣ的补偿方式。过补偿方式下，接地故障点的故障电流是感性的。不会因系统运行方式的变化，电容电流的减少而成为全补偿而出现危险的谐振过电压。这种补偿方式得到了广泛的应用。
IL的补偿程度可用补偿度K来表示。
K=(IL+ICΣ)/ICΣ一般取K=(5～10)%。
采用消弧线圈过补偿方式，流过故障线路的电流为补偿后的感性电流。它与U0的相位关系与非故障线路电容电流与U0的相位关系相同。其数值也和非故障线路的电容电流的容性电流差不多。因此，前述零序电流保护和零序方向保护都不能采用。
3.2 小接地电流系统保护方式
1)绝缘监察装置:消弧线圈不会改变系统零序电压的分布和大小，对绝缘监察装置没有影响。
2)短时破坏补偿的方法:在发生接地故障后利用系统出现零序电压的特点，短时将消弧线圈切除，这样就可以按不接地系统的方式实现有选择性的保护。待保护动作后再将消弧线圈投入。
3)短时投入有效电阻的方法:发生单相接地时在中性点与地之间投入一个有效电阻，使在接地点产生电阻分量电流，再利用余弦型功率方向继电器选出接地故障线路。经一定延时后，再把电阻切除。
以上三种方式应用较多还是绝缘监察装置。后两种方法因控制回路接线复杂，还有会在接地点产生较大接地電流，较少应用。
4 暂态分析小电流接地保护
4.1 暂态过程
一般情况下，由于电网中绝缘被击穿而引起的接地故障，经常发生在相电压接近最大值的瞬间，因此可以将暂态电容电流看成是以下两个电流值和:
1)故障相电压突然降低引起的放电电流。这个放电电流通过母线流向故障点，放电电流衰减很快，震荡频率高达数千赫兹。震荡频率主要决定与电网中的线路参数、故障点位置以及过渡电阻的数值。
2)由非故障相电压突然升高引起的充电电流。此电流要通过电源而成回路。由于通路的电感增大，因此，充电电流衰减较慢，震荡频率也较低。
对于中性点经消弧线圈接地的电网，由于暂态电感电流的最大值应出现在接地故障发生在相电压经过零值瞬间，当故障发生在相电压接近最大值瞬间时，暂态电感电流近似为零。因此暂态电容电流较暂态电感电流大很多，而正常时稳态电容电流完全为电感电流所补偿，所以随时间变化的特性也不同:
a.大多数接地故障都发生在相电压接近最大值的瞬间，所以不论中性点不接地还是经消弧线圈接地，在故障瞬间其暂态过程是近似相同的；
b.故障时的暂态零序电流第一个半波(简称首半波)的幅值与故障时故障相电压的辐角有关，当相电压在最大值的瞬间发生故障，暂态零序电流首半波幅值最大；
c．流过电网各点暂态零序电流首半波的最大值，较同一点稳态零序电流值大几倍至几十倍；
d．各线路中流过的暂态零序电流首半波的宽度，约为几十微秒到几百微秒。
e．电网发生单相接地故障时，靠近母线端故障线路的暂态零序电流与非故障线路暂态零序电流的方向相反。
4.2 小电流接地选线装置
利用小电流接地系统单相接地过渡过程的特点研制的小电流接地选线跳闸装置已投入系统试运行。装置利用现代微机继电保护技术，采用先进的小波分析计算方法能够准确地检测出单相接地暂态过程首半波的方向，进而选出接地线路。装置根据系统要求可选择告警或选择跳闸。
4.3 小电流接地保护方式
前面已提到故障时的暂态零序电流首半波的幅值与故障相电压的辐角有关，当相电压在零值或接近零点时暂态零序电流首半波幅值最小。在雷击或外界机械破坏等因素导致的故障可能发生在故障相电压的任意辐角下。当发生这种情况时基于暂态分析的小电流接地保护将不能准确、可靠的选出发生接地故障的线路。
5 中性点直接接地的保护方式
5.1 中性点直接接地的优点
1)系统中性点直接接地，发生接地时系统中性点不会漂移，非故障相电压不会大幅升高。
2)接地故障点将流过较大幅值的接地故障电流形成稳定的接地故障点，不易形成间歇性的电弧放电，不会产生间歇性弧光接地过电压。
3)中性点直接接地系统的零序保护是成熟的保护技术，利用在110kV及以上电网的成熟应用的零序过电流保护、零序方向过电流保护以及接地距离保护可在几百毫秒至几秒钟内有选择性地快速、灵敏、可靠地切除接地故障。
4)系统中性点直接接地后，发生接地故障会导致系统三相电压的对称性破坏，导致非故障线路不能正常供电。接地故障流过幅值较大的接地故障电流，时间长了会导致接地故障设备烧坏。但因保护能快速动作切除故障，系统电压能迅速恢复正常供电状态。故障电流持续时间较短，接地故障设备的损伤不大，也容易修复。对于瞬时性的接地故障还可以通过重合闸快速恢复故障线路的供电；对于永久性的接地故障，现代的微型计算机保护装置(故障录波测距装置)也能测出大致的接地故障距离，方便快速修复故障受损线路。
5)系统中性点直接接地的最大好处还在于，接地故障的持续时间大幅缩短，可将导致的人身触电伤害的可能性降至最低。
5.2 中性点直接接地存在的问题
10kV配电系统接地中性点问题:变电站主变压器10kV绕组一般连接成三角形，无中性点可引出接地。此问题可采用10kV系统加装消弧线圈所采用的方案，设置人工接地点方法解决。在变电站10kV母线上接入一台专用的接地变压器，变压器10kV侧三相绕组连接成Y形引出中性点就可解决此问题。
6 结束语
综上所述，10kv的配电网接地保护问题研究是一项综合性的工作，影响接地保护的因素比较多。在允许接地运行期间，通过逐条短时断开运行线路查找接地线路。这种方式存在诸多问题，其中最大的弊病单相接地后继续运行期间存在触电伤害的风险。实践证明，对10kv配电系统采用中性点直接接地，用在系统中的接地保护技术来快速切除10kv单相接地故障是一个较好的选择。
参考文献
[1] 厉剑波.浅谈低压配电网的保护接地体系[J].城市建设理论研究,2012年第27期
[2] 肖毅.10kv配电网中性点接地方式的分析[J].科技与生活,2011年第17期