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单相接地论文
摘要
随着社会经济的发展，对电力需求日益增长，同时对供电质量和配电自动化的水平提出了更高的要求。
配电网大多采用小电流接地系统，因此小电流接地系统中的单相接地故障定位研究一直是电力系统的研究热点。
在电力系统中，单相接地故障占全部故障的60%以上，而单相接地故障产生的特点又与电力系统中的工作方式有关，所以有必要对各种中性点运行方式下的工作方式进行研究。
本论文在充分查阅总结该领域国内外现状的基础上，从中性点不接地系统的故障出发，了解配电网中的单相接地故障。
叙述单相接地故障的识别方法和工作原理，并着重介绍配电网自动化系统以及在配电网自动化系统中发生单相接地故障时产生的影响。
关键字：
单相接地故障；中性点不接地系统;配电网
ABSTRACT
Withthedevelopmentofsocietyandeconomy,thedemandforpowersupplyanditsabilityhasincreasedrapidlyinrecentyears.Theyuseasmallcurrentneutralgroundingsystemindistribution,sothesinglephasetogroundfaultinsmallcurrentneutralgroundingsystemlocalizationhasbeenahotresearchofpowersystem.
Inelectricpowersystem,morethan60%ofsinglephasegroundingfaulttotalfailure,andcharacteristicsofsinglephasegroundingfaultandworkrelatedtothewayinelectricpowersystem,sotheneedforavarietyofneutralpointoperationmoderesearchworkunderway.
Thispaperinfullaccessonthebasisofsummingupthesituationathomeandabroadinthefield,proceedingfromtheneutral-pointearthingsystemfault,understandingsinglephasetogroundfaultindistributionnetworks.Descriptionofsinglephasegroundingfaultidentificationmethodandhowitworks,andfocusesondistributionautomationsystemindistributionnetworkautomationsystemaswellastheimpactofsinglephasegroundingfault.
Keywords：
Singleline-to-groundfault;Isolatedneutralsystem； Powerdistributionnetwork
目录
摘要1
ABSTRACT2
目录3
第1章配电网接地故障研究现状4
1.1配电网判别单相接地故障的技术现状及存在问题4
1.1.1配电网判别单相接地故障的技术现状4
1.1.2我国配电网判别单相接地故障的存在问题4
1.2本文的主要工作5
第2章配电网单相接地故障简介6
2.1配电网中性点运行方式分析及接地故障分析6
2.1.1中性点不接地6
2.1.2中性点经消弧线圈接地8
2.1.3其他中性点运行方式及单相接地故障分析10
2.2本章小结11
第3章单相接地故障的识别方法12
3.1中性点不接地情况下发生单相接地故障12
3.2中性点经消弧线圈接地发生单相接地故障15
3.4本章小结16
第4章配电网自动化系统单相接地故障识别的技术17
4.1配电网自动化系统简介17
4.2配网自动化系统中单相接地故障的判别技术的研究现状18
4.2.1配电网单相接地故障识别18
4.3选择一种适合于配网自动化系统的方法21
4.4本章小结22
结论23
参考文献24
致谢25
第1章配电网接地故障研究现状
1.1配电网判别单相接地故障的技术现状及存在问题
1.1.1配电网判别单相接地故障的技术现状
配电网是电力系统的重要组成部分，是连接输电系统和电力用户的桥梁，配电网的安全稳定运行直接关系到用户的利益，是生产生活中不可缺少的一部分，一旦停电，所有的用电设备都不能正常运行。
配电网直接担负为千家万户供电的责任，只要配电网发生故障，就会降低对用户供电的可靠性和影响供电质量，带来恶劣的影响。
因此，当配电网发生故障时，以最短的时间，把故障隔离在最小的范围，保证其余绝大部分用户正常用电，并且迅速排查故障线路处理故障点，己经成为电力行业工作人员刻不容缓的责任。
随着技术的发展，近年来，随着计算机技术、微电子、ＤＳＰ、通信技术和网络技术的飞速发展及其在电力系统继电保护领域的广泛应用，出现了微机在线自动选线装置。
这种选线装置通过检测发生单相接地后各条线路及系统的电气量变化提取故障特征和辨识故障线路，在保证持续供电的条件下实现自动选线功能。
长期以来，国内外继电保护工作者对此类小电流接地系统单相接地故障选线装置进行了不懈的研究与探索，提出了基于不同方面故障特征的多种原理的选线方案，并且研制了相应的装置，在电力系统中发挥了相应的作用。
但是基于配网区别于输电网固有的特点：
节点多，分支线路多，广泛分布于城市及农村、直达所有的用户，这给配电网的单相接地故障选线和测距带来了困难。
小电流接地系统单相接地保护看似简单易行，但实践证明是十分复杂的，这也是一些国家不采用小电流接地方式的主要原因之一。
目前，配电自动化系统的选线功能远不及人们所要求的那样完美，有待人们进一步认识小电流接地系统的特点完善配网自动化功能，提高对用户供电的可靠性和供电质量。
因此进一步研究中低压配电网的单相接地故障检测方法并开发出相应的现场装置，具有很强的理论和实际意义。
1.1.2我国配电网判别单相接地故障的存在问题
在我国的电力系统中，电压等级在110kV以下、6kV以上的中低压配电网络主要为中性点不接地系统或者中性点经消弧线圈接地系统。
这样的系统在发生单相接地故障后，短路电流很小，三相线电压还是不对称的，因此一般为小电流接地系统。
在实际中，由于各种因素的影响，对小电流接地故障的判断存在一些误差，产生误差的主要原因主要有以下几个方面：
1、电流信号太小。
小电流系统单相接地时产生的零序电流其太小与系统规模的大小线路类型有关，数值不大。
经中心点接入消弧线圈补偿后，改用零序电流的谐波分量，其数值更小。
2、干扰打，信噪比小。
3、电容电流波行的不稳定。
4、其他随机因素影响的不确定。
在配电网中发生小电流单相接地故障时，除了有误差方面的影响，还有一些技术方面的影响，主要有以下几个方面：
（1）配电网自动化程度的重要标志是通讯是否符合自动化的要求，它担负着设备及用户与自动化的联络，起着纽带作用。
担负着信息的处理、命令的发送和返回。
所有数据的传递，没有可靠有效的通讯，配电网无法与自动化相联系。
（2）配电网络结构复杂，环网联络接点较多。
1.2本文的主要工作
1、分析中性点不接地电网发生单相接地故障的特点和中性点经消弧线圈接地电网的特点，并画出中性点不接地系统和中性点经消弧线圈接地电网接地故障的电流走向图及电流大小计算公式。
2、具体分析中性点不接地情况和中性点经消弧线圈接地情况下发生单相故障的特点。
3、详细分析配电网自动化系统的工作原理以及配电自动化系统中判断单相接地故障的常见方法，并针对实例中的电网的特点选择一种比较合适的方法进行重点分析，并评价其优越性。
第2章配电网单相接地故障简介
2.1配电网中性点运行方式分析及接地故障分析
2.1.1中性点不接地
图2-1（a）为一个中性点不接地的简单系统。
为分析方便，架设电网的负荷为零，并忽略电源和线路上的压降。
电网各相对地电容为C0，这三个电容相当于一对称Y形负载，其中性点就是大地。
正常运行时，电源中性点对地电压等于零，即
各相对地电压为相电势。
在三相对称电压也是对称的，并超前相应电压900。
其相量如图2-1（b）所示。
此时，三相对地电压之和与三相电容电流之和都为零，电网无零序电压和零序电流。
[1]
当A相发生单相接地时，A相对地电压变为零。
此时中性点对地电压就是中性点对A相的电压，即
。
各相对地电压和零序电压分别为
（2-1）
式2-1说明，A相接地后，B相和C相对地电压升高为原来的
倍，此时电压之和不再为零，出现了零序电压。
其相量图如图2-1（c）所示。
非故障相出现了超前相电压
的电容电流，即
（2-2）
线路上出现了零序电容电流，其值为：
（2-3）
下图（2-1）为中性点不接地的简单系统：
假设如图2-2所示的中性点不接地系统中，线路Ⅰ、Ⅱ和发电机的各相对地电容分别为C0Ⅰ、C0Ⅱ、C0g。
当线路上的K点发生A相故障时，系统中各元件的A相对地电容均被短路，因而各元件A相对地电容电流为零。
各元件的B相和C相对地电容电流都要通过大地、故障点、电源和本元件构成的回路，如图2-2（a）所示。
可见，非故障线路Ⅰ保护安装处流过的零序电容电流为：
（2-4）
发电机保护安装出流过的零序电容电流为：
（2-5）
故障线路Ⅱ保护安装处流过的零序电容电流为
仍以由母线流向线路作为假定正方向时，则
（2-6）
其相量如图2-2（b）所示。
综上所述，中性点不接地电网单相接地时有以下特征：
1、接地相对地电压降为零，其他两相对地电压上升为线电压，系统出现零序电压，其值等于电网正常运行时的相电压，且处处相等。
2、非故障线路保护安装处流过的是本线路的零序电容电流，其值为
，方向由母线指向线路，相位超前零序电压
。
3、故障线路保护安装处流过的是所有非故障元件的零序电容电流之和，其方向由线路指向母线，相位滞后零序电压
。
以上这些特点，是构成中性点不接地电网接地保护的依据。
[1]
2.1.2中性点经消弧线圈接地
《规程》规定：
22-66kV电网单相接地时，若故障点的电容总和大于10A，10kV电网电容电流总和大于20A，3-6kV电网总和大于30A时，中性点应采取消弧线圈接地的运行方式。
[1]
一、中性点经消弧线圈接地有以下优点：
1、提高电力系统的供电可靠性
首先系统发生瞬间单相接地故障时不断电。
消弧线圈是一个具有铁心的可调电感线圈，当由于电气设备绝缘不良、外力破坏、运行人员误操作、内部过电压等任何原因引起的电网瞬间单相接地故障时，接地电流通过消弧线圈呈电感电流，与电容电流的方向相反，可以使接地处的电流变得很小或等于零，从而消除了接地处的电弧以及由此引起的各种危害，自动消除故障，不会引起继电保护和断路器动作，大大提高了电力系统的供电可靠性
2、发生永久性接地故障时不被动
由于消弧线圈能够有力地限制单相接地故障电流，虽然非故障相对地电压升高倍，三相导线之间线电压仍然平衡，发电机可以免供不对称负荷，电力系统可以继续运行。
特别是在电源紧张或停电后果严重时，有足够的时间启动备用电源或转移负荷，避免突然中断对用户的供电而陷入被动局面。
3、对全网电力设备有保护作用
中性点经消弧线圈接地系统发生单相接地故障时，接地电流与故障点的位置无关。
由于残流很小，接地电弧可瞬间熄灭，有力地限制了电弧过电压的危害作用。
继电保护和自动装置、避雷器、避雷针等，只能保护具体的设备、厂所和线路，而消弧线圈却能使绝大多数的单相接地故障不发展为相间短路，发电机可免供短路电流，变压器等设备可免受短路电流的冲击，继电保护和自动装置不必动作，断路器不必动作，从而对所在系统中的全部电力设备均有保护作用。
4、电磁兼容性好
当今社会，多种信息处理系统广泛应用于国防、社会生产、生活的各个方面，但其抗干扰能力却很差，电磁兼容问题成为一个崭新的研究领域。
强电干扰弱电，电力系统是矛盾的主要方面。
目前最好地解决方法是引入光纤，却存在着投资增加。
实际上，由于中性点经消弧线圈接地系统有效地限制单相接地故障电流，所以不失为一种经济有效的办法，补偿系统能够向通信系统提供良好的电磁兼容环境。
二、中性点经消弧线圈接地系统发生单相接地故障时的特点
在中性点不接地系统中，当发生接地故障时，接地电流为电容电流，其特点是：
（1）非故障线路的零序电流数值等于本身对地电容电流，由母线流向线路，即超前零序电压90。
。
（2）故障线路的零序电流数值等于所有非故障线路的零序电流之和。
图2-3（a）所示为中性点经消弧线圈接地系统发生单相接地时的网络图及电流分布。
设线路Ⅱ的A相接地，零序电容电流的大小和分布与中性点不接地时是一样的；所不同之处是在零序电压的作用下，消弧线圈有电感电流
经接地点流回消弧线圈。
此时，流过接地点的电流由全系统零序电容电流
和消弧线圈的电感电流
两部分组成，即接地点的电流
。
由于
和
的相位相反，若
选择适当，
会因消弧线圈电感电流
的补偿而减小。
其零序等效网络如图2-3（b）所示。
[1]
下图2-3为中性点经消弧线圈接地体统单相接地时的电流分布图：
2.1.3其他中性点运行方式及单相接地故障分析
2.1.3.1经低电阻接地
在中性点不接地电网单相接地时，接地相（如A相）的对地电容C0被短接，A相的对地电压变为零，此时大地的电位不再和电网中性点的电位相等，而与A相电位相等，则B、C两相对地电压升高根号3倍。
配电系统多为中性点非直接接地或经低阻接地。
由于变压器的中性点是不直接接地的，因而当网络中发生单相接地时，只在接地点流过不大的电流。
在非直接接地系统中该电流的大小与该网络架空线或电缆的长度、截面及运行电压，消弧线圈的补偿度或接地电阻的大小有关。
但在6~10KV配电系统中的电容电流大于30A，及在36KV配电系统中电容电流大于10A时，变压器的中性点应经消弧线圈接地，此时单相接地的残余电流大小，与连接于变压器中性点的消弧线圈的补偿方式及补偿度有关，其值一般比负荷电流小得多。
此外，由于单相接地故障并不破坏系统电压的对称性，所以对电网中电气设备的运行和对用户的连续供电，没有多大影响。
运行经验指出：
大多数单相接地故障时瞬时性的，即使是稳定性的接地故障，因流过故障点的接地电流不太大，一般仍允许电气设备继续运行1~2h。
在这段时间内，运行人员来得及找出故障线路，并采取相应措施。
另外，当城市或工况企业内部主要由6~35KV电缆线路构成的配电系统，单相接地电流较大时，根据供电可靠性要求，故障瞬时暂态电压、电流对电气设备和通信及继电保护的综合要求，有时采用低阻接地方式。
2.2本章小结
本章首先对中性点不接地电网发生单相接地故障的特点进行了介绍，并画出了中性点不接地的简单系统图及中性点不接地系统单相接地时电容电流的分布图。
其次，本章还介绍了中性点经消弧线圈接地电网接地故障的特点，并画出了中性点经消弧线圈接地系统单相接地时电流的分布图。
最后介绍了其他中性点运行方式下的故障。
从中知道了中性点运行方式下发生的故障对配电网的影响。
第3章单相接地故障的识别方法
3.1中性点不接地情况下发生单相接地故障
中性不接地系配电系统中的单相接地故障，一般在配电所或变电所母线上装设接地监视信号。
有条件安装零序电流互感器的线路，如电缆线路或经电缆引出的架空线路，当单相接地电流能满足保护的选择性和灵敏性要求时，应装设作用于信号的单相接地保护。
如线路不能安装零序电流互感器，而单相接地电流又足以克服电流二次回路中不平衡电流的影响，如单相接地电流较大或保护装置反应接地电流的暂态值等，也可将保护装置接在由三个电流互感器构成的零序电流回路中。
根据中性点不接地系统单相接地的特点，针对网络的具体情况，可以采用下面几种保护。
1、零序保护
（1）零序电流保护
利用单相接地时，故障线路零序电流大，非故障线路零序电流小的特点，可以实现选择性的保护——零序电流保护。
对于架空线路采用零序电流滤序器的接线方式。
[2]
零序电流保护是利用故障线路始端零序电流大地特点实现的有选择性的保护。
这种保护使用于出线较多的电网，因为出线多得电网故障线路始端的零序电流比非故障线路始端的零序电流大得多。
同时出线多、结构复杂的电网用非选择性的绝缘监视装置来查找故障线路也较麻烦而且费时。
这种保护一般用在有条件安装零序电流互感器的线路上（如电缆线路或经电缆引出的架空线）。
[3]
保护的动作电流是按躲过其它线路发生接地故障时流过本保护的零序电流，即本线路本身的零序电容电流进行整定。
[3]
（3-1）
保护装置的灵敏度按在被保护线路上发生单相地接地故障时，流过该保护的最小零序电流来校验。
[3]
（2）零序方向保护
在出线较少的情况下，非故障线路零序电流与故障线路零序电流差别可能不大，采用零序电流保护灵敏度很难满足要求。
可采用零序方向保护。
在中性点不接地电网发生单相接地时，非故障线路零序电流超前零序电压90。
；故障线路零序电流滞后零序电压90。
。
因此，采用零序方向继电器可以明显区分故障线路与非故障线路。
当电网总得接地电容电流不大时，可以采用零序基波或其他谐波原理的功率方向保护。
当功率方向为沿线路流向母线时，保护动作，反之则制动。
2、功率方向保护
当电网总得接地电容电流不大时，可以采用零序基波或其他谐波原理的功率方向保护。
当功率方向为沿线路流向母线时，保护动作，反之则制动。
利用电压和电流的乘积判明电流流向（相位）的继电保护。
用于多侧电源的系统。
其主要元件是功率方向继电器，由电流互感器和电压互感器取得电流、电压信号，以判明短路故障位于保护装置处的正向或反向。
功率方向继电器的接入必须十分注意电流、电压接线端子的极性，以免造成系统继电保护的大面积误动或拒动。
用于相间短路的功率方向继电器，应采用90°接线方式，即A相继电器接夒Α和妧BC，依次类推。
这样可使两相短路时无电压死区（指无法保护的电压区段）；正确选择继电器内角，可使三相短路时的电压死区最小。
用于接地短路的功率方向继电器应接零序电流和零序电压，并特别注意正确接线方式是+3夒0和-3妧0（零序电压反极性）。
并非所有多侧电源的保护都要装功率方向继电器。
母线两侧的两相邻保护，其时限大者不必装设方向元件。
若反向短路电流大于起动元件的动作值，也不需装设方向元件。
3、绝缘监视装置
绝缘监视装置是利用单相接地时出现灵虚电压的特点构成的。
三相五柱式电压互感器的一次绕组接于发电厂或变电所母线上，二次侧的两个绕组，一个接成星形，用3只电压表分别接入各相对地电压，另一个接成开口三角形，在开口处接入一个过电压继电器，反应接地故障时出现的零序电流。
[4]
正常运行时，电网三相电压对称，没有零序电压，3个电压表读数相等，过电压继电器不动作，当母线上任一出线发生单相接地故障时，接地相对地电压上高根号3背，这可以从3只电压表的指示上看出。
同时在开口三角形接线开口处出现零序电压，因而过电压继电器动作，给出接地信号。
值班人员根据信号和电压表的指示，可以知道电网已发生接地故障，并知道接地的相别，但要想知道是哪条线路故障，还需运行人员依次短时断开线路查找，当断开某条线路后，信号消失，则说明故障在该条线路上。
[4]
为实现绝缘监视，电压互感器的二次侧应能测得系统相对地的电压，并有附加绕组可连接成零序电压滤过器，电压互感器的一次绕组接成完全星形，中性点接地。
通常采用三相五柱式电压互感器或三个单相三绕组电压互感器。
[4]
上图为绝缘监视装置的接线图，包括测量表计和继电器两部分。
测量表计有连接在相对地电压上的三个电压表组成。
该电压表用来指示接地故障的相别，并且以顺序断开线路的方法来配合寻找接地故障线。
在直流操作时可利用专设的接地实验按钮与自动重合闸装置配合来寻找接地线路，这样可缩短因寻找接地故障而引起的对用户停电时间。
接线之一是用按钮直接接断路器的跳闸线圈和自动重合闸装置。
另一接线是用按钮通过中间继电器KM来实现的，如下图所示。
[4]
当需要对某线路尽享接地检查是，按钮SB将断路器跳闸，自动重合闸装置AAR在将断路器合闸的同时，启动KM，其触点断开断路器跳闸线圈的电源，这样是断路器不致第二次跳闸。
在某一线路断路器跳闸后，如接地信号解除（母线电压表指示正常），即表示此线路存在接地，否则，需要对其他馈线进行检查。
[4]
4、谐波
由于微机型保护技术的迅速发展，目前国内已生产多种不同型号的微机选线装置，有的利用计算机的特长采用了新的原理。
如功率积分原理等构成微机型接地选线装置。
目前常见的选线装置采用的基波功率方向原理或5次谐波功率方向原理，简单的也有用最大零序电流作为判据的，还有的把基于不同原理的装置都制作在一个总得装置中由用户自选，还有的在装置中作出数种方案，可进行多种判断以达到判断准确。
应当指出，上述装置由于电流互感器的误差大，以及经消弧线圈补偿5次谐波分量电流较小且不够稳定等原因，还有不正确动作，需从设备和原理上不断改进提高，如采用新型高精度的零序电流互感器等。
微机型接地选线装置从结构和步骤特点看，一种是集中布置的。
这种布置需要把所有的电流回路都引至装置，往往二次电缆很多，如把装置放在电压互感器柜上，当回路太多时造成安装困难。
另一种是分散布置的，可不必把电流回路电缆集中引到一起。
国产ZD-5型接地信号装置是用在小接地电流系统中，反应零序电压及零序电流5次谐波分量的功率方向接地信号装置。
经分析可知，故障线路5次谐波电容电流等于非故障线路5次谐波电容电流之和，而非故障线路5次谐波电容电流等于本线路5次谐波电容电流之和。
引出线越多，二者差别越大，因此反应5次谐波分量使保护动作，其灵敏度将提高。
若规定3U0的正方向为线路对地，3I0的正方向为由线路指向母线，则当两者皆为正时，短路功率为正，故障线路上零序功率方向为正。
装于该线路上的接地信号装置动作，发出信号。
而非故障线路的接地信号装置则由于零序功率方向负而不会动作。
3.2中性点经消弧线圈接地发生单相接地故障
随着电力系统的发展，配电网采用的电缆线路越来越多，电缆线路的增加导致系统电容电流急剧增加，在中性点不接地的运行方式下电容电流的不断增加对设备绝缘的安全和保护设备的配备带来了严重影响。
因此我国在1997年颁布的DL/T620-1997标准规定当系统电容电流超过10A时，中性点需经消弧线圈接地线电压保持不变,允许继续运行2h，对提高供电可靠性、电气设备和线路的绝缘水平、减轻对通信系统的干扰等方面具有很好的保护作用。
消弧线圈有三种补偿方式:
全补偿、过补偿和欠补偿。
一般的做法是让消弧线圈工作在过补偿状态，脱谐度为5%-10%。
这样做的原因在于全补偿方式虽然使单相接地故障的接地电流最小，却容易引起串联谐振，使中性点出现很高的位移电压。
而欠补偿方式存在的缺点有：
1、当电网发生故障或切除部分线路，或者系统频率降低时，欠补偿趋向于全补偿容易引发串联谐振。
2、不能满足电力系统发展的要求。
3、弧隙恢复电压的恢复速度较快。
这
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