淺談10kV配電網小電阻接地系統單相短路故障及其保護

李龍

摘 要：電能是企業生產、日常生活等各個方面的重要能源，配電網則承擔著將電能從發電廠（變電站）輸送到電力用戶的重任。因此，配電網系統的運行安全和可靠性直接關系到了各電力用戶的用電利益。文章首先概述了10kV配電網小電阻接地系統單相短路故障，隨后在分析其短路特性的基礎上，結合實際工作經驗，分別從獲取零序電流、零序電流的保護配置和整定、小電阻接地系統運行保護等方面，提出了單相短路保護的可行性策略。

關鍵詞：10kV配電網；小電阻接地系統；短路故障；保護策略

中圖分類號：TM713 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）19-0171-02

引言

在城鎮化建設深入推進的同時，我國城市和農村配電網的改造工作也在不斷進行，在擴大電網容量、智能控制技術研發以及優化電網結構等方面取得了良好層級。但是在配電網實際運行過程中，由于多種因素的影響，容易出現各類問題，短路故障就是其中較為常見的故障之一。大量的實踐證明，中性點接地方式可以顯著提高配電網的穩定性和經濟性。因此，有必要以此為著手點，探究保護10kV配電網安全運行的措施。

1 短路故障及其保護概述

短路是配電網運行過程中的一種多發故障，通常發生在相與相之間，在部分中性點直接接地的電力系統中，短路則有較大的概率出現在相與地之間。無論是哪一種形式，當發生短路故障時，故障區域電路的瞬時電流可能會達到十幾萬安，這遠遠超出了電力系統的額定運行電流，由此會給電路相連的電氣設備造成損害，嚴重情況下還會危機到設備操作人員或周邊人員的健康安全。所以，10kV配電網中所用的電氣設備，都要求具備較高的熱穩定性和抗擊穿能力或是外加保護裝置，在面對瞬時強電流沖擊時，能夠正常工作。

導致配電網短路故障的因素較多，其中最主要的是電氣設備的絕緣性能不達標。例如設備安裝之前沒有進行絕緣性能試驗，或是后期使用過程中出現絕緣老化、損壞等。對于10kV配電網小電阻接地系統來說，一旦發生短路故障，不僅故障源的電流較大，容易造成設備損壞和增加維修難度，而且還會對通訊造成干擾影響。因此，加強10kV配電網小電阻接地系統單相短路故障原因的分析及制定保護措施，成為保障整個配電網系統安全、可靠運行的關鍵。

2 10kV配電網小電阻接地系統單向短路特性分析

一直以來，國內10kV配電網中性點接地方式有三種方式，分別是中性點不接地、消弧線圈接地和小電阻接地。三種接地方式各有應用優勢，但是經過近年來的電網改造以及電纜線路覆蓋面積的增加，中性點不接地和消弧線圈接地兩種方式逐漸暴露一些缺陷，例如選線困難、難以進行容量調節等。因此，小電阻接地在國內10kV配電網中得到了比較廣泛的使用。

2.1 小電阻接地系統單相短路穩態特性分析

當小電阻接地系統出現短路故障后，三相系統中的總電壓沒有發生變化，此時10kV配電網中各個電氣設備的運行不會受到明顯的干擾。與此同時，系統中的非故障電壓會升高約1.5倍，在電阻不變的情況下，電路中的電流也會相應提高，電氣設備承受的電流負荷增加，絕緣裝置面臨較大壓力。隨著短路電流的不斷增加，會在故障發生區域的兩端形成較高的跨步電壓，如果該故障區域暴露在空曠環境下，很有可能給周邊的行人造成安全威脅。

短路的穩態特性有：（1）所有流進故障源的零序電流，其電流總量等于各中性點支路零序電流的總和；（2）對于非故障相元件，可以近似的將零序電流看作為對地電容電流，但是相應的電壓方向相反；（3）零序網絡由同級電壓網絡中的元件對地的等值電容及中性點支路構成通路，與中性點不接地系統的零序網絡的通路有著不同，網絡的零序阻抗較小，短路時零序接地電流較大。

2.2 小電阻接地系統單相短路暫態特性分析

在理論研究中，為了便于進行理解和計算，我們將整個短路過程看做為一個穩定狀態；但是在實際情況下，短路故障需要經過一個過渡過程，然后才進入穩定狀態，我們將這個過渡過程稱之為暫態。在這一階段，由于電力系統單相接地，因此在故障區域的對地電壓會有所下降，而相應的非故障對地電壓則會有所提升，暫態過程中的電容電流即為兩者之和。

短路的暫態特性有：（1）受故障區域電壓下降的影響，相應的故障相電流也會同步衰減。由于該電流的流向是從母線到故障點，當電流變弱時，故障點的過渡電阻、振蕩頻率等線路參數也會出現不同程度的波動變化；（2）受非故障相電壓提升的影響，非故障相的電容電流呈現出瞬時增加狀態，由于故障點處短路，電流不能形成閉合回路，因此在故障點兩側堆積，電感較大，但是振蕩頻率較低。

3 10kV配電網小電阻接地系統保護方案

3.1 檢測并獲取零序電流

零序電壓和零序電流是設計小電阻接地系統保護方案中的兩個重要參數，對于零序電壓的檢測和獲取比較容易，通常情況下可以利用電壓互感器，在線路低壓側測量開口三角回路即可。但是對于零序電流，則有兩種不同的檢測和獲取方式：一種是類似與零序電壓的獲取方式，利用零序電流互感器直接獲得；另一種則是需要借助于三相線路過電流濾器，對獲取數據進行簡單的計算后在得出具體的零序電流。

零序電流保護系統主要分為三部分，分別是零序電流過濾器、電流繼電器和零序方向繼電器。當發生單相短路故障后，可以借助于零序電流過濾器檢測此時線路中零序電流的具體數值，隨后利用電流過濾器降低電流值，使其維持在電力系統正常運行狀態下的電流數值。電流過濾器一般采用三相星型連接方式，流入繼電器的電流I=Ia+Ib+Ic=3I0。如圖1 所示。

3.2 零序電流的保護配置和整定方法

通過上文分析可知，當小電阻接地系統發生單相短路故障后，系統內的零序電流甚至要高于額定電流，為了避免零序電流對正常電氣設備造成損害，還需要對零序電流進行必要的整地和保護。

（1）零序電流的保護配置。中性點電阻零序電流保護可作為10kV母線以和中性點小電阻的主保護，同時作為相鄰出線的后備保護。架空線路系統還應該配置自動重合閘裝置（三相一次重合閘方式），使得瞬時性故障重合閘成功來保證供電可靠性。而電纜線路，鑒于其自身的非自恢復的絕緣特性特點和永久性故障占較高比例的特點，可以不必裝設自動重合閘裝置。（2）過流繼電器的動作時限考慮與10kV各條出線的零序過流保護相配合，發生故障后，此保護以較短的第一時限跳開10kV分段斷路器，同時閉鎖備自投裝置；根據實際需求來設置第二時限跳開主變低壓側斷路器；設置第三時限跳開主變高、低壓側全部斷路器。接地變的保護接線較為簡單并能有效準確的隔離故障。

3.3 零序電流保護性能穩定性分析

（1）當電流回路斷線時，可能造成曲折變的零序電流保護保護誤動作，這是零序電流保護靈敏度較高時的弱點。但斷線情況較少發生，可以利用相鄰電流互感器零序電流閉鎖的方法來防止這種誤動作，一方面能夠保障在短路狀態下，整個電力系統可以得到一部分電力供應；另一方面也有效降低了因為短路對電力系統中電氣設備帶來的沖擊影響。（2）在系統單相重合閘發生時，此過程中將有可能出現非全相運行狀況，因此系統有可能出現數值較大的零序電流，會影響零序電流保護的正常工作，在一定程度上增加了零序電流繼電器的荷載。對于上述情況的發生，需要注意考慮整定計算，或單相重合閘動作過程中使零序電流保護短時間退出運行。

4 結束語

在10kV配電網小電阻接地系統出現短路故障后，會在故障區域形成高達上千伏的跨步電壓，對接地點周邊人們的健康安全構成了嚴重威脅。另外，由于短路時線路中瞬時電流增加，對于沒有按照絕緣裝置或是絕緣層老化的電氣設備，還有可能發生擊穿，損害電氣設備的正常運行。因此，需要綜合分析可能導致小電阻接地短路故障的原因，并以此為著手點，探究可行性的保護措施，保障電力系統運行安全，為電力用戶提供更加優質和穩定的電力能源。

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