小電阻接地系統應用中的關鍵點分析

張 偉，劉曉倩

（云南電網有限責任公司昆明供電局，云南 昆明650100）

引言

隨著35kV 及其以下電壓等級的低壓電力系統中性點改造為小電阻接地系統，系統發生單相接地故障時，對保護的配置要求也隨之改變，工程實際運用中，保護裝置誤動或拒動的情況時有發生，本文結合一起工程實例，分析了影響保護正確動作的因素，總結了工程實際運用中的關鍵點。

1 準備知識

電力系統中發生的短路故障以單相接地故障的概率最大，由電力系統不對稱短路故障分析可知，當電力系統發生單相接地故障時，系統中存在零序電流，零序電流的大小取決于系統等效正序阻抗、負序阻抗和零序阻抗，零序電流的分布取決于系統中的零序網絡結構。在分析小電阻接地系統中發生單相接地故障時，只需要確定系統的零序網絡，即能找出零序電流的分布規律。

2 小電阻接地系統單相接地時零序電流分布及保護配置

小電阻接地系統的典型結構如圖1 所示，當發生單相接地故障時，需要對故障時的電氣量進行分析，確定唯一的電氣量變化關系，準確定位故障點。

零序電流的分布取決于系統中是否有零序通路，在形成零序通路，站內主變壓器10kV 側繞組為三角形接線，也不能形成零序通路，只有站內接地變壓器，其高壓側繞組為星形接線，中性點經小電阻接地，低壓側繞組為三角形接線，當接地變壓器高壓側施加三相零序電壓時，零序電流可以流通，所以接地變壓器作為唯一的零序電流通路。構成零序電流保護。當線路3 發生單相接地時，線路3 保護設備檢測到零序電流，判斷為該線路有接地故障，保護設備動作切除故障線路，同時接地變壓器保護設備也檢測到零序電流，判斷為10kV 系統內有接地故障，作為接地故障的后備保護，當線路3 保護設備或斷路器拒動時，經延時動作切除主變壓器。

圖1 單相接地時零序電流通路

3 工程實際運用中的關鍵點分析

作者在工程實際中，以一起某變電站10kV 側小電阻接地系統一條10kV 出線發生單相接地故障，線路零序保護拒動事件為例，分析故障時保護裝置拒動的原因。

變電站的一次主接線與圖1 的結構類似，某日10kV母線上其中一條10kV 線路發生A 相接地故障，該間隔線路保護零序保護拒動，接地變零序保護延時動作切除10kV 母線。線路保護及接地變保護采集的波形分別如下圖2、圖3 所示：

圖2 故障線路電流、電壓波形

圖3 接地變電流、電壓波形

圖2 中故障時，10kV 母線A 相電壓驟降，故障線路A 相電流較大，B、C 相電流相比可忽略不計。圖3 中故障時A 相電壓驟降，接地變A、B、C 三相電流波形相等（B相未安裝電流互感器），即接地變的三相電流僅有零序電流，正序、負序分量可忽略不計，考慮接地變壓器的負荷通常較小，即等效正序、負序阻抗很大，短路故障時可以忽略其影響，在系統接地故障時，接地變壓器作為唯一的零序電流通路，所以故障時接地變壓器的電流僅包含零序分量，即接地變壓器的三相電流應幅值相等且相位相同。

利用波形分析軟件對波形進行數據分析如表1。

（1）故障線路的相電流為安裝在各相上的電流互感器取得，零序電流為安裝在電纜上的零序電流互感器取得，理論上三相電流的和與零序電流應相等，但在表中三相電流的和為510 安，而零序電流僅為184 安，兩者并不相等。

表1 故障線路、接地變電流值

（2）根據本文第2 小節中分析，接地故障時，零序電流的通路僅有故障支路和接地變，接地變的零序電流與故障支路的零序電流應相等，表中接地變的三相電流和為492 安，零序電流為504 安，故障線路的三相電流和為510 安，可以看出接地變的零序電流與故障支路的零序電流相等，誤差可忽略不計。

綜上分析，接地故障時，故障線路的零序電流僅為184 安，明顯小于實際線路上的零序電流值，而線路零序電流保護定值為200 安，所以故障線路的零序電流保護拒動；接地變的零序電流為504 安，零序電流保護定值為240 安，所以接地變的零序電流保護動作。

進一步分析故障線路零序電流偏小的原因，現場檢查了故障線路零序電流互感器的安裝及二次接線情況，二次接線正確，變比使用正確，零序電流互感器的安裝如下圖4 所示：

圖4 零序電流互感器的安裝

查閱相關資料，用于電力電纜的零序電流互感器及電纜屏蔽層接地線的安裝如圖5 所示。對照分析發現故障線路的零序電流互感器及電纜屏蔽層接地線安裝存在兩個問題：

（1）電纜屏蔽層接地線為金屬導體，未進行絕緣包裹，金屬部位裸露在外，與站內槽鋼等構架觸碰。

（2）電纜屏蔽層接地線需要穿過零序電流互感器，但故障間隔的電纜屏蔽層接地線穿過零序電流互感器的方向與圖5 中不符，圖5 中接地線從上至下穿過零序電流互感器接地，而故障間隔的接地線從下至上穿過零序電流互感器接地。

電力電纜的屏蔽層為包裹在各相芯線外的金屬導體，屏蔽層要求在電纜兩端接地。圖5 中要求的電纜屏蔽層接地線需要穿過零序電流互感器，目的是當屏蔽層上流過感應電流時，如圖6 所示，屏蔽層上的感應電流雖然經過了零序電流互感器，但是感應電流通過接地線，又經過了零序電流互感器，并且與屏蔽層的電流方向相反，這樣對于零序電流互感器而言，感應電流被抵消，零序電流互感器上采集的電流仍然是線路的零序電流。

圖5 零序電流互感器及屏蔽層接地線安裝示意圖

圖6 屏蔽層感應電流走向示意圖

綜上分析，問題：（1）電纜屏蔽層無絕緣包裹措施，與站內槽鋼等構架觸碰，而槽鋼本身是接地的，導致屏蔽層中的感應電流提前從槽鋼處進入地網，感應電流未完全經過零序電流互感器，不能形成完全抵消，零序電流互感器采集的電流中包含有屏蔽層電流未完全抵消的部分問題。（2）電纜屏蔽層接地線從下至上穿過零序電流互感器接地，感應電流不僅不能抵消，反而是兩倍的關系，零序電流互感器采集的電流中包含兩倍的屏蔽層電流。以上兩種情況均有可能造成零序電流互感器采集的電流受到屏蔽層中感應電流的影響，而感應電流的分布是無規律的，可能造成零序電流互感器采集的電流變大或變小，使得零序保護誤動或拒動。

該例子中，可以看出故障線路的零序電流僅為184安，明顯小于實際線路上的零序電流，而線路零序電流保護定值為200 安，所以故障線路的零序電流保護拒動。

4 規律總結

本文著重分析了小電阻接地系統發生單相接地故障時零序電流的分布，并結合工程實際進行了驗證，總結規律如下：（1）小電阻接地系統中，當發生單相接地故障時，零序電流的分布僅存在于故障支路和接地變壓器，利用故障支路和接地變壓器的零序電流，構成單相接地故障時的零序電流保護，保護原理簡單，滿足保護選擇性的要求。（2）小電阻接地系統改造施工過程中，應特別關注電力電纜屏蔽層接地線的施工工藝。首先，屏蔽層接地線為金屬導體，需要進行絕緣包裹處理，防止金屬部位裸露在外與站內槽鋼等構架觸碰，造成提前接地；其次，電纜屏蔽層接地線需要穿過零序電流互感器，接地線應從上至下穿過零序電流互感器接地，抵消屏蔽層上的感應電流影響，保證零序電流互感器上采集的電流仍然是線路的零序電流。

本文分析得出的規律，不僅能夠幫助讀者對小電阻接地系統單相接地故障時的零序電流分布有了解，也總結了電力電纜屏蔽層接地線的施工工藝，對工程實際應用提供了幫助。