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6~10 kV电网中性点经中电阻接地的单相接地保护

北极星电力网技术频道    作者:范迎青 高文逸   2009/6/24 10:26:55   

 关键词:  单相接地 跳闸 故障保护

摘 要:阐述了6~10 kV电网中性点传统接地方式下单相接地故障时,在升高的稳态电压下继续运行的弊端,并作了定性分析。对6~10 kV电网中性点取电阻接地方式的单相接地故障进行矢量分析,提出具有可靠选择性的单相接地故障保护方式,并指出单相接地故障取跳闸方式的必要性和可靠性。

The Protection of Single-phase Earth Fault in 610 kV Power System Grounding with Medium Resistance

FAN Ying-qing
Nanjing Power Chemical Industry Design Institute,Nanjing 210042,China

GAO Wen-yi
Nanjing Power Chemical Industry Design Institute,Nanjing 210042,China

AbstractThe shorts of earth fault protection are expounded and qualitatively analyzed, which is running in higher steady voltage when single-phase earth fault occurs in 610 kV power system with traditional earth connection.The vector analysis of single-phase earth fault in 610 kV power system grounding with medium resistance is presented.The protection mode with reliable selectivity for single-phase earth fault is drawn out,and the necessity and reliability of breaker trip for it are given.
Keywords
neutral point; earth connection way; single-phase earth fault

1 当前6~10 kV电网中性点接地方式的发展趋势

  6~10 kV电网中性点接地方式目前有一种倾向于电阻接地的趋势,有以下主要论点。
  a. 6~10 kV电网中性点往常采用不接地或经消弧线圈接地方式,在大城市以电缆为主的6~10 kV配电网、大中型工矿企业配电网、中小型发电机电压直配电网等电网中,已暴露出许多弊端。如内过电压倍数高达3.5~4倍相电压,特别是间歇性电弧接地过电压和谐振过电压,迫使提高电网总体绝缘水平;而对于有大量高压电动机的工矿企业和火力发电厂,绝缘配合是困难的。
  b. 规程规定单相接地故障时,在升高的稳态电压下运行达2 h,不仅会导致绝缘早期老化,或在绝缘薄弱处发生闪络,而且会诱发多点故障,酿成断路器异相开断,恶化断路器开断条件。
  c. 配电网电容电流越来越大(有的地区达100~150 A),因此消弧线圈及接地变压器的容量必将增大很多,况且运行中电容电流随机性变化范围很大,给消弧线圈自动跟踪补偿带来极大困难。
  d. 电力电缆为非自恢复绝缘,发生单相接地必为永久故障,不允许继续运行,必须迅速切除单相接地故障,因此消弧线圈就不能充分发挥作用。
  e. 人身触电不立即跳闸,难以保障人身安全。
  f. 对于主要由电缆线路组成的电网,电容电流超过10 A时,宜采用中性点经电阻接地方式,单相接地故障取立即跳闸方式。由于立即跳闸影响供电连续性,可从提高线路或设备的冗余度来解决。
  g. 中性点宜采用中电阻(10~120 Ω)接地方式,保证IR=(1~1.5)IC,以限制内过电压不超过2.6倍相电压,同时使保护具有灵敏度和选择性。
  我国上海、广州、珠海等城市配网中性点已在试行电阻接地方式(采用10 Ω以下低电阻)。南京地区已在多个110 kV变电所及220 kV下关变电所10 kV系统试行中电阻接地方式。10 kV系统中性点采用电阻接地方式可能是一种发展趋势。本文试图探讨一下此种接地方式在单相接地故障时继电保护的配置。为此首先对单相接地故障进行必要的矢量分析,并以图1线路Ⅲ C相经过渡电阻RG的单相接地进行分析。

C相经过渡电阻RG接地,金属性接地时RG=0,
此时C相对地电容电流为0

图1 单相接地时阻容电流分布图

2 线路分析

  电力系统接地电流的大小决定于系统中性点接地装置的阻抗、电网的对地电容及故障点的过渡电阻。在正常情况下,各相对地电容电流与负荷电流在各相之间形成通路(三相对称),在单相接地故障时,电容电流将通过接地点。
  当图1中线路Ⅲ经过渡电阻RG接地时,非故障线路Ⅰ,Ⅱ及故障线路Ⅲ的各相对地电容电流经过渡电阻RG流到线路Ⅲ的C相,当过渡电阻RG=0时(金属性接地C相电容被短接),没有电流流过C相对地电容。在下面的讨论中仅考虑RG为常数的单相接地情况。
  故障点的总电流IG可根据等效发电机原理(赫尔姆霍斯-戴维南定理)来确定。从RG两端看过去,等效阻抗(不计接地变阻抗)为

          (1)

式中

故障点的电流

  UC前取负号是考虑IG与UC正方向相反,也即是IG由线路流向母线,与习惯所定正方向相反。

          (2)

  式(2)中第一项为通过故障点的总电容电流即

  式(2)中第二项为通过故障点的阻性电流,即

  中性点由于单相接地引起的电压偏移U0则由IR0在中性点接地电阻R0上的压降确定,即

      (3)

  由式(3)可知当RG=0时(即金属性接地),U0=-UC,与系统对地电容C及中性点电阻R0无关;当RG≠0时,U0的大小、相位将受制于RG,C,R0
  当R0确定后,U0的大小、相位将随系统对地电容C及故障点过渡电阻RG的变化而变化。但IC超前U0 90°,IR0与U0同相的关系始终不变。
   系统单相接地时(不论是金属性接地或经过渡电阻RG接地),系统线间电压维持不变,而各相对地电压为(见图2):

UA=UA+U0=UA-(-U0)
UB=UB+U0=UB-(-U0)
UC=UC+U0=UC-(-U0)

图2 单相接地向量图

  A相对地电压为

     (4)

其中,a为运算子,下同。
  A相对地总电容电流为IC(A),且超前UA 90°

           (5)

  B相对地电压为

     (6)

  B相对地总电容电流为IC(B),且超前UA 90°

           (7)

  C相对地电压为

          (8)

  C相对地总电容电流为IC(C),且超前UA 90°

           (9)

  单相接地时流过故障点的容性电流IC为式(5)、(7)、(9)之和。考虑到a2UC+aUC+UC=0,所以

              (10)

式(10)与式(2)的第一项完全一致。
  重点分析一下C相接地后UC的组成部分,以利确定U0大小及相位的变化。
  根据式(8)

          (11)

由式(3)可知,式(11)可表示为

         (12)

  由式(11)、(12)可知C相接地后,C相对地电压UC既是UC与-U0的向量差,又等于故障点电流在过渡电阻上压降的负值。由此可得-U0的末端始终落在以U0为直径的半圆内,-U0落后UC的角度为0°~90°。
  前述故障点的总电流IG及其分量IC(容性),IR0(阻性)与各馈出线的零序电流不属同一概念。单相接地时,健全线路的零序电流为
  线路Ⅰ I0(Ⅰ)=IC(Ⅰ)=U0.3jωC(Ⅰ)                      (13)
  线路Ⅱ I0(Ⅱ)=IC(Ⅱ)=U0.3jωC(Ⅱ)                      (14)

  从式(13)、(14)可知,健全线路仍有零序电流,但数字较小,且超前U0 90°,呈容性(见图3)。

图3 线路Ⅰ,Ⅱ的零序电流、电压向量图

  对于故障线路

       (15)

  IG前取负号是考虑到与母线流向线路的习惯正方向相反。
  从式(15)知,故障线路零序电流含阻性电流U0/R0分量,这就为单相接地选线提供了明白无误的判据。可以准确无误判别故障线路(见图4)。

图4 发生单相接地线路Ⅲ的零序电流、电压向量图

  由于电压互感器开口三角通常是按照-3U0接线,对于故障线路可检测到零序功率中的有功分量P0=|-U0I0Ⅲcos3|。对于非故障线路不仅零序功率数值较小,且不含有功分量,对-U0而言呈感性。
  从图2、图4中可知3总是小于2,当中性点电阻R0的取值使得IR0=IC时,2=45°;当IR0>IC时,0°<2<45°;当IR0=1.5IC时,2≈37°。根据上述分析,可设定一个恰当的有功功率继电器最灵敏角。所以6~10 kV中性点经电阻接地时,采用零序电流启动的零序功率方向保护,并取跳闸方式为较好的保护方式,并辅以三相一次重合闸。
  单相接地时,零序功率继电器检测到的P0愈大,继电器愈灵敏,也即是IR0愈大愈好。但IR0的选择(中性点接地电阻R0的选择)受诸多因素的制约,R0的取值请参阅相关文献。■

作者简介:范迎青(1961-),男,工程师,现从事输变电工程设计;
     高文逸(1973-),女,助理工程师,现从事输变电工程设计。
作者单位:
范迎青(南京动力化工设计研究院,江苏 南京 210042)
     高文逸(南京动力化工设计研究院,江苏 南京 210042)

参考文献:

[1]杨济川.10 kV配电系统中性点接地方式发展方向的探讨[C].1992年广东城市配电网过电压绝缘配合及中性点接地方式研讨会论文集.中国电机工程学会广东分会,1992
[2]李福寿.中性点经电阻接地电网[M].上海:上海交通大学出版社,1990
[3]要焕年.城市电网中性点接地方式问题[J].过电压与绝缘,1989(2)
[4]唐艳波.10 kV配电网单相接地电容电流补偿方式的研究[J].电力自动化设备,1999,19(4):52~55

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