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【摘 要】在电网运行中，接地保护是一项十分重要的保护措施，对保障电网安全稳定运行起到关键作用。本文阐述了10kV配电网单相接地保护的现状，提出了一种中性点直接接地的保护方式，为10kV配电网的安全运行保驾护航。
【关键词】10kV；配电网；接地故障；接地保护；中性点直接接地
近年来，随着我国经济不断发展，社会用电需求每年都保持着较大的增长， 这对10kV配电网安全稳定运行的要求也越来越高。10kV配电网是电力系统的重要组成部分， 它直接关系到用电客户是否能够使用安全可靠的电能。接地保护是一项十分重要的保护措施，对保障电网安全稳定运行起到关键作用。但由于种种原因，在配电网运行过程中时常会出现接地故障，这不仅影响用户用电性能，严重情况下还会影响到配电网的供电可靠性。因此，如何做好10kV配电网接地保护工作就成为了电力部门亟待解决的任务。
1.单相接地保护现状
1.1 中性点不接地时单相接地特点
1）当系统发生单相接地时，全系统都会出现零序电压。
2）非接地线路通过的零序电流为该线路本身对地的电容电流，方向从母线流向线路。
3）接地线路通过的零序电流为所有非接地线路的对地电容电流的总和，方向从线路流向母线。
4）系统发生单相接地故障时，接地故障电流不大，系统相间电压仍然对称，不会破坏系统的稳定运行。现行规程、规范规定，小接地电流系统发生单相接地故障时允许继续运行1～2小时，在此期间采取措施消除故障一般不要求保护动作跳闸。
1.2 中性点不接地系统的保护方式
1）通过绝缘监视装置检测系统发生单相接地时出现的3U0电压动作发出系统接地信号。
2）零序电流保护，利用单相接地时，故障路线的零序电流大于非故障线路零序电流的特点也可以实现有选择性地保护。
3）零序功率方向保护，利用小接地电流系统单相接地故障时故障线路与非故障线路零序功率方向不同的特点，通过检测线路零序功率方向也可实现有选择性的保护。
1.3 中性点经消弧线圈接地的保护
（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 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。
（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电流，较少应用。
1.4 暂态分析小电流接地保护
（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。
（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。
（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。
2.中性点直接接地的保护方式
2.1 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。
2.2 中性点直接接地存在的问题
1）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。
2）当10kV系统采用中性点不接地或经消弧线圈接地时，馈线间隔保护及测量计量用电流互感器常采用两相星形接线，即电流互感器只安装在A、C两相上，这种接线方式既能满足馈电线路相间保护以及测量计量的需求又可节省投资，但不能组成零序电流滤过器。要满足大接地电流零序保护需采用三相星形的电流互感器接线方式。
3.结束语
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，采用中性点直接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，值得推广应用。
参考文献：
[1] 苏瑞雄.10kV配电网中性点接地问题的分析[J].装备制造技术，2009年第09期.
[2] 王艳松；解飞.配电网单相接地保护的研究[J].高电压技术，2008年02期.
【关键词】10kV；配电网；接地故障；接地保护；中性点直接接地
近年来，随着我国经济不断发展，社会用电需求每年都保持着较大的增长， 这对10kV配电网安全稳定运行的要求也越来越高。10kV配电网是电力系统的重要组成部分， 它直接关系到用电客户是否能够使用安全可靠的电能。接地保护是一项十分重要的保护措施，对保障电网安全稳定运行起到关键作用。但由于种种原因，在配电网运行过程中时常会出现接地故障，这不仅影响用户用电性能，严重情况下还会影响到配电网的供电可靠性。因此，如何做好10kV配电网接地保护工作就成为了电力部门亟待解决的任务。
1.单相接地保护现状
1.1 中性点不接地时单相接地特点
1）当系统发生单相接地时，全系统都会出现零序电压。
2）非接地线路通过的零序电流为该线路本身对地的电容电流，方向从母线流向线路。
3）接地线路通过的零序电流为所有非接地线路的对地电容电流的总和，方向从线路流向母线。
4）系统发生单相接地故障时，接地故障电流不大，系统相间电压仍然对称，不会破坏系统的稳定运行。现行规程、规范规定，小接地电流系统发生单相接地故障时允许继续运行1～2小时，在此期间采取措施消除故障一般不要求保护动作跳闸。
1.2 中性点不接地系统的保护方式
1）通过绝缘监视装置检测系统发生单相接地时出现的3U0电压动作发出系统接地信号。
2）零序电流保护，利用单相接地时，故障路线的零序电流大于非故障线路零序电流的特点也可以实现有选择性地保护。
3）零序功率方向保护，利用小接地电流系统单相接地故障时故障线路与非故障线路零序功率方向不同的特点，通过检测线路零序功率方向也可实现有选择性的保护。
1.3 中性点经消弧线圈接地的保护
（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
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。
（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电流，较少应用。
1.4 暂态分析小电流接地保护
（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。
（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。
（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。
2.中性点直接接地的保护方式
2.1 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。
2.2 中性点直接接地存在的问题
1）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。
2）当10kV系统采用中性点不接地或经消弧线圈接地时，馈线间隔保护及测量计量用电流互感器常采用两相星形接线，即电流互感器只安装在A、C两相上，这种接线方式既能满足馈电线路相间保护以及测量计量的需求又可节省投资，但不能组成零序电流滤过器。要满足大接地电流零序保护需采用三相星形的电流互感器接线方式。
3.结束语
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，采用中性点直接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，值得推广应用。
参考文献：
[1] 苏瑞雄.10kV配电网中性点接地问题的分析[J].装备制造技术，2009年第09期.
[2] 王艳松；解飞.配电网单相接地保护的研究[J].高电压技术，2008年02期.