小電阻接地系統單相接地分析和繼電保護整定

隨著國民經濟的發展，由于架空線的局限性，化工企業電網越來越多地采用電纜供電。隨著化工企業規模的擴大，用電量也隨之加大，供電電纜越來越長，過大的電容電流使得原有的中性點非有效接地的方式越來越不能滿足電網需求，使得中性點經低電阻接地廣泛應用在化工企業配電網。低電阻接地方式，單相接地故障電流為100～1 000 A。繼電保護裝置根據檢測的故障電流，有選擇性地快速切除故障線路。低電阻接地的優點是快速切除故障，過電壓水平低，可采用絕緣水平低的設備和電纜。

以往國內企業小電阻接地系統應用較少，工程設計人員對于系統發生單相接地的繼電保護整定還不是很明確，往往根據經驗進行整定。小電阻接地系統在我公司的涉外項目中，應用較廣泛，本文著重對小電阻接地系統單相接地短路電流和繼電保護整定做一些探討。

1 系統概況

首先，簡單介紹一下系統概況。此供電系統(見圖1)包括兩路電源，一路電源由外電網引入，主變壓器低壓側中性點經電阻接地，系統要求單相接地時流過中性點接地電阻的電流為100A；另一路電源為廠內自備發電機組，此發電機中性點也為電阻接地，要求單相接地時流過中性點的電流也為100A。

圖1 供電系統

2 小電阻接地系統模型

首先，利用對稱分量法計算電阻接地系統單相接地時的短路電流。小電阻接地系統的等效圖見圖2。

圖2 小電阻接地系統的等效圖

現用對稱分量法計算單相接地時故障點的短路電流和電壓。單相接地時的序網圖見圖3。

圖3 單相接地時各序網絡圖

正常運行時三序電壓條件為：

(1)

單相接地時系統的邊界條件為：

(2)

聯立(1)和(2)解得：

(3)

故a相故障時，故障電流為：

(4)

a相故障時，b、c相故障電流為0。

根據以上結論，可得故障處三相電壓為：

(5)

如果忽略各阻抗的電阻值，可得b、c兩相的電壓為：

(6)

(7)

當k<1，即X∑(0)

當k=1，即X∑(0)=X∑(1)時，非故障相電壓與正常時電壓相等。

當k>1，即X∑(0)>X∑(1)時，非故障相電壓較正常時升高。

中性點不接地時，可以認為X∑(0)=∞，得到故障處b、c相電壓為：

Ufb=Ub-Ua=Uba

(8)

Ufc=Uc-Ua=Uca

(9)

中性點電壓為：

(10)

通過以上分析，我們還可以知道：當k值越小，即零序阻抗越小，系統發生單相接地故障時，非故障處承受的過電壓越低，比如直接接地系統，零序阻抗很小，零序電流很大，零序電流保護作為線路單相接地故障的主保護。

當k值適中時，比如小電阻接地系統，零序電流也有幾百安培，系統發生單相接地故障時能快速切除故障，電纜和設備不需要承受較高的過電壓，可采用絕緣水平較低的電纜和設備。比如6 kV電纜可選用3.6/6 kV電纜，不必選用6/6 kV電纜，節約了成本。

k值越大，即零序阻抗越大，系統發生接地故障時，非故障處承受的過電壓越高，零序阻抗越大，單相接地時，流過故障點的電流為系統對地電容電流，此電流比較小，零序電流保護已經不能滿足繼電保護整定靈敏性的要求。故障點三相線電壓依然三相對稱，系統可以繼續運行1～2h，操作人員可以通過分合各斷路器或者小電流選線裝置找出接地故障線路。只是對電纜和設備的絕緣要求比較高，中性點不接地系統可以提高供電的連續性和可靠性。

3 中性點接地電阻值的確定

我們知道，將圖3中3個序網圖串聯起來，可以得到單相接地時系統的復合序網。

中性點經電阻接地系統中，單相接地時的零序電路圖見圖4，接地點零序電壓最高，相當于零序電源提供整個網路的零序電流。利用上述結論，可以將系統簡化為單電源系統單相接地等效圖(見圖5)。

圖4 單相接地時的零序電路圖

圖5 單電源系統單相接地時等效圖

從圖5中可以看出，當系統發生單相接地時，流過電阻的電流與電網電容電流相位相差90°(接地變壓器感抗足夠小，不然相位差<90°)，流過故障點接地電流就等于電容電流和有功電流的向量和，可以得到單相接地電流和中性點接地電阻為：

(10)

電阻接地網路中，令3I0=INe，INe為用戶所要求的系統單相接地電流，R為中性點接地電阻。

通過以上分析可得，系統給出INe、IN0、IC∑三者中的兩個就可以求出其他值。

電網中的單相接地電容電流由電路線路和電力設備(同步發電機、大量同步電動機及變壓器等)兩部分組成。電纜線路的單相接地電容電流可以近似估算為：

(11)

Ur為線路額定線電壓， kV；l為線路長度，km；S為電纜截面積，mm2。

電力設備的電容電流可以根據電壓等級增加一個附加值。6 kV系統的附加值為0.18。

這樣整個系統的單相接地電容電流為

IC∑=IC(1+0.18)

(12)

下面通過ETAP模型論證上述結論的正確性。

首先，通過以上公式計算出系統的對地電容電流。

系統運行在最小運行方式，計算系統對地電容電流為Ic=30A。當系統發生單相接地時，測得系統單相接地電流為105A，電流分量為35A，即IL11=IL12=I0=35A。

通過ETAP模型，將系統運行在最大運行方式，如果主變壓器和發電機并列運行，可以認為發電機中性點接地電阻、變壓器中性點接地電阻、電纜對地阻抗三者并聯(見圖6)。此時系統對地電容電流最大測得系統單相接地電流為215A，電流分量為72A，即IL11=IL12=I0=72A。

圖6 系統有兩個接地點的等效電路圖

依此類推，可以得出多個接地點的系統等效電路圖(見圖7)。

圖7 系統在多個接地點的等效電路圖

當有N個接地點時，零序電流近似為：

N為接地點的數量，UN為中性點電壓，R為接地電阻值。

零序電流的分布和大小與系統接地點的數量和接地電阻的大小有關系，與其他基本無關。

這樣簡化了繼電保護整定的計算和配置。

4 繼電保護整定方法

小電阻接地系統單相接地電流大小主要取決于中性點接地電阻的大小，并且單相故障時短路電流的數值比較大，約為100～1 000A。

零序電流保護是基于其他線路發生單相接地時和本線路單相接地時測得的零序電流不同，且本線路接地時測得的零序電流遠大于線路的電容電流，這樣使零序電流保護有充分的余地，具有選擇性。

4.1 零序過流1段的整定

小電阻接地系統單相接地故障電流比較大，對系統設備尤其是中性點設備構成很大的威脅，這就需要零序過流I段能夠迅速動作，及時斷開故障線路，防止事故擴大。

零序過流I段按以下公式整定：

(13)

其中，I0為單相接地故障電流；Km為靈敏系數，規程要求不小于2。故本工程一次動作電流取50A。

為了保證系統單相接地故障時保護能迅速斷開故障線路，零序電流I段的動作時限為0s，即要求瞬時動作。

4.2 零序過流Ⅱ段的整定

零序過流I段保護能夠快速斷開發生單相金屬性接地故障的線路，但線路的接地故障并非只有金屬性接地，有可能經過過渡電阻接地的，如果故障電流介于整定值和中性點設備額定值之間，保護不會動作，就會造成系統長期帶故障運行，燒壞中性點設備。

故僅裝設零序電流I段保護并不能完全保證線路安全，因此需要裝設后備保護，即零序電流Ⅱ段保護。

當系統發生單相接地故障時，非故障線路流過本身的對地電容電流，零序過流Ⅱ段保護的定值只需躲過此電容電流。這樣保證保護的靈敏性，并且不會誤動。

零序過流Ⅱ段按以下公式整定：

(14)

零序過流Ⅱ段保護作為零序過流I段保護的后備保護，動作時限比零序過流I段保護的動作時限要大一個級差，本系統最末一級取動作時間為0.3s。

4.3 零序電流保護上下級之間的配合問題

變電所出線零序過流I段保護，與上級變電所10 kV(6 kV)出線零序I段保護，均為保證低電阻接地系統中，高壓對配電變壓器外殼短路時，人身及設備的安全需要而配置與整定，兩者之間無定值配合關系。

為了保證上下級之間具有選擇性，按階梯原則整定，時限級差取0.3～0.5s。即從中性點經低電阻接地配電網的最末一級開始，每一級的動作時限都要比下一級的保護動作時限大至少一個時限級差。因此，變電所接地變壓器的零序過流保護可以作為零序保護總后備，可以設置兩段定時限零序保護。

根據此原則，得出圖1中繼電保護的時間配合關系。總變壓器或發電機作為零序保護的總后備，配置兩端定時限零序保護，一段時限取0.6 s，動作跳本段母線相鄰母聯斷路器CB5；二段時限取0.9 s，動作跳本段母線主斷路器CB4。

5 結語

通過分析，得出小電阻接地系統的適用范圍，利用工程實例，證明了中性點接地電阻和接地電流計算方法的正確性，最后給出了零序電流保護在系統發生單相接地中的應用和整定方法。

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