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 6～10 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）

Abstract：The shorts of earth fault protection are expounded and qualitatively analyzed, which is running in higher steady voltage when single-phase earth fault occurs in 6～10 kV power system with traditional earth connection.The vector analysis of single-phase earth fault in 6～10 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I_R=(1～1.5)I_C，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R_G的单相接地进行分析。

C相经过渡电阻R_G接地，金属性接地时R_G=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R_G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R_G流到线路Ⅲ的C相，当过渡电阻R_G=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R_G为常数的单相接地情况。
　　故障点的总电流I_G可根据等效发电机原理(赫尔姆霍斯-戴维南定理)来确定。从R_G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

　　U_C前取负号是考虑I_G与U_C正方向相反，也即是I_G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I_R0在中性点接地电阻R₀上的压降确定，即

　　　　　　(3)

　　由式(3)可知当R_G=0时(即金属性接地)，U₀=-U_C,与系统对地电容C及中性点电阻R₀无关；当R_G≠0时，U₀的大小、相位将受制于R_G，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R_G的变化而变化。但I_C超前U₀ 90°，I_R0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R_G接地)，系统线间电压维持不变，而各相对地电压为(见图2)：

U^′_A=U_A+U₀=U_A-(-U₀)
U^′_B=U_B+U₀=U_B-(-U₀)
U^′_C=U_C+U₀=U_C-(-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I_C(A)，且超前U^′_A 90°

　　　　　　　　　　　(5)

　　B相对地电压为

　　　　　(6)

　　B相对地总电容电流为I_C(B)，且超前U^′_A 90°

　　　　　　　　　　　(7)

　　C相对地电压为

　　　　　　　　　　(8)

　　C相对地总电容电流为I_C(C)，且超前U^′_A 90°

　　　　　　　　　　　(9)

　　单相接地时流过故障点的容性电流I_C为式(5)、(7)、(9)之和。考虑到a²U_C+aU_C+U_C=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U^′_C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U^′_C既是U_C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U_C的角度为0°～90°。
　　前述故障点的总电流I_G及其分量I_C(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　I_0(Ⅰ)=I_C(Ⅰ)=U₀^.3jωC_(Ⅰ)　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(13)
　　线路Ⅱ　I_0(Ⅱ)=I_C(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)

　　I_G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I_R0=I_C时，₂=45°；当I_R0>I_C时，0°<₂<45°；当I_R0=1.5I_C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I_R0愈大愈好。但I_R0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