王慶華，陳新苗，賀秋麗

(廣西大學(xué) 電氣工程學(xué)院，廣西 南寧530004)

0 引 言

中性點(diǎn)不接地和經(jīng)消弧線圈接地的電力系統(tǒng)稱為小電流接地系統(tǒng)，它是電力系統(tǒng)的重要組成部分，位置處在電力網(wǎng)的末端，直接和廣大用戶用電設(shè)備相連接，數(shù)量龐大、覆蓋面廣。小電流接地系統(tǒng)有以下一些特點(diǎn)［1］:①發(fā)生單相接地時(shí)，網(wǎng)絡(luò)線電壓的大小和相位差仍然維持不變。因此，用電設(shè)備的工作不會(huì)受到破壞，可以繼續(xù)運(yùn)行一定的時(shí)間，這是這種接地方式最大的優(yōu)點(diǎn)。②單相接地故障時(shí)接地電流只是很小的電容電流且不穩(wěn)定，不會(huì)引起繼電保護(hù)動(dòng)作跳閘，所以接地故障選線技術(shù)和方法十分困難和復(fù)雜，至今實(shí)際使用效果普遍都不理想。③小電流接地系統(tǒng)有一些特有的運(yùn)行技術(shù)問題，如絕緣監(jiān)視、鐵磁諧振、串聯(lián)諧振、接地電流補(bǔ)償?shù)取?/p>

高校電力專業(yè)的電力系統(tǒng)運(yùn)行分析課程都是針對(duì)大容量、高壓和超高壓的輸電系統(tǒng)的，涉及小電流接地系統(tǒng)運(yùn)行的內(nèi)容很少，且都是紙上談兵，學(xué)生沒有實(shí)踐體驗(yàn)。而地方院校以及高專高職電力專業(yè)的學(xué)生畢業(yè)后大多到電力生產(chǎn)的一線工作，直接面對(duì)小電流接地系統(tǒng)的許多運(yùn)行技術(shù)問題，由于在校時(shí)沒有這方面的實(shí)踐基礎(chǔ)，往往難于適應(yīng)實(shí)際工作的要求，因此研制小電流接地系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置，開發(fā)相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)是很必要的。但是，現(xiàn)代電力系統(tǒng)是一個(gè)十分龐大復(fù)雜的高電壓大容量網(wǎng)絡(luò)，在實(shí)驗(yàn)室對(duì)它進(jìn)行物理模擬是相當(dāng)困難的，而且費(fèi)用很高，能借鑒的資料很少。多年來，我們一直致力于探索如何將現(xiàn)場復(fù)雜的小電流接地系統(tǒng)“復(fù)制”到實(shí)驗(yàn)室來，經(jīng)過長期的努力，自行研制開發(fā)了一個(gè)低成本、低電壓、小容量的獨(dú)具特色的綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)［2］，來模擬實(shí)際小電流接地系統(tǒng)正常運(yùn)行和發(fā)生各種事故的現(xiàn)象，并自主開發(fā)了各種相關(guān)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，用于課程實(shí)驗(yàn)、專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)以及畢業(yè)設(shè)計(jì)中，讓學(xué)生在直接的體驗(yàn)和探索中，觀察系統(tǒng)運(yùn)行中各種故障的現(xiàn)象、分析故障的機(jī)理、尋找故障的原因、提出防止故障的措施，在實(shí)際電力系統(tǒng)中是無法做到的。從而提高學(xué)生分析和解決工程實(shí)際問題的能力，得到在校和畢業(yè)工作學(xué)生普遍好評(píng)，在培養(yǎng)創(chuàng)新應(yīng)用型人才方面取得了滿意的效果［3］。

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建

由于380 V 電源系統(tǒng)中性點(diǎn)是接地的，需要在實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建一個(gè)隔離而獨(dú)立的小電流接地系統(tǒng)供實(shí)驗(yàn)用，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的原理接線如圖1 所示。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由下列主要部件構(gòu)成:

(1)隔離變壓器1TM。1TM 由3 只BK 型控制變壓器組成YNy 接法，通過電源開關(guān)1QK 接AC380 V電源，1TM 單只容量500 kVA，電壓220/220 V，副邊形成380 V 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)。

(2)線路WL-1，2，3。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)3 條線路，用集中電容C 代替線路的分布電容，每相通過2 只1 μF、630 V 的電容器接地。

圖1 小接地電流系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的原理接線圖

(4)消弧線圈L。1 TM 中性點(diǎn)可通過開關(guān)3 QK接入消弧線圈，消弧線圈由一臺(tái)1 kVA 的單相調(diào)壓器構(gòu)成，接調(diào)壓器A、a 端，可調(diào)節(jié)消弧線圈的電抗值。

(5)用戶變壓器2TM。2TM 由三只BK 型控制變壓器改制，組成Yynd 接法，2TM 單只容量500 kVA，電壓220/220，36 V，副邊接3 只100 W 白熾燈作負(fù)載。設(shè)置三角形的笫三繞組是為使三次諧波電流流通，改善波形并使正常運(yùn)行時(shí)中性點(diǎn)位移電壓很小。

(6)接地支路。在線路WL-1 的C 相通過開關(guān)2QK 設(shè)置接地，可直接接地和通過可調(diào)的過渡電阻R接地，R 為10 kΩ、1 A 的滑線電阻。1 ～6 A采用500 mA 交流電流表。

(7)接地選線裝置。每一線路裝三只電流互感器接成零序接線，也可以采用一只穿芯型的零序電流互感器，互感器電流比為5/5 A，各線路零序電流接至接地選線裝置。線裝置可以自制或外購。

實(shí)驗(yàn)裝置的費(fèi)用較低，除選線裝置外一套才數(shù)千元，因而可以配置較多套數(shù)，以利于培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，應(yīng)讓學(xué)生自己完成實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的安裝接線。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的開發(fā)

2.1 單相接地故障實(shí)驗(yàn)

2.1.1 單相直接接地時(shí)參數(shù)的變化

中性點(diǎn)不接地的三相系統(tǒng)在正常運(yùn)行時(shí)三相對(duì)地電壓均為相電壓，中性點(diǎn)對(duì)地電壓和電壓互感器的開囗三角電壓都為零。當(dāng)任何一相絕緣受到破壞而產(chǎn)生單相直接接地時(shí)，相關(guān)參數(shù)有以下變化:接地相對(duì)地電壓為零，非接地相對(duì)地電壓升高為線電壓;中性點(diǎn)對(duì)地電壓升高為相電壓;電壓互感器的開囗三角電壓為100 V(額定情況)，會(huì)發(fā)系統(tǒng)接地信號(hào);接地點(diǎn)流過電容電流;3 個(gè)線電壓的大小和相位并不因單相接地而改變，仍然是對(duì)稱系統(tǒng)［4］。

2.1.2 單相直接接地實(shí)驗(yàn)

只在線路WL-1 且拉開4QS、短接1TA 二次側(cè)做實(shí)驗(yàn)，首先在正常無故障情況下，測量并記錄系統(tǒng)一次側(cè)3 個(gè)線電壓(UAB、UBC、UCA)，3 個(gè)相電壓(UAN、UBN、UCN)，3 個(gè)相對(duì)地電壓(UAd、UBd、Ucd)，變壓器中性點(diǎn)對(duì)地電壓UNd、3 只電容器的電流(IcA、IcB、IcC)和公共接地處的電流Ic以及電壓互感器二次側(cè)3 個(gè)線電壓(Uab、Ubc、Uca)，3 個(gè)相對(duì)地電壓(Uad、Ubd、Ucd)、開口三角各繞組電壓(Ua2、Ub2、Uc2)和開口電壓Uo。對(duì)測值進(jìn)行分析。

合上短路開關(guān)2QK 使C 相直接接地，測量并記錄接地電流Id及上述各量，與正常運(yùn)行值比較，畫出相量圖分析單相完全接地的特點(diǎn)。

注意:因TV 一次中性點(diǎn)接地也會(huì)產(chǎn)生電流流入接地點(diǎn)，方向與Ic相反，故Id略小于Ic，可以退出TV做實(shí)驗(yàn)對(duì)比。

2.1.3 單相不完全接地實(shí)驗(yàn)

中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中，三相對(duì)地導(dǎo)納為YA、YB、YC，各相對(duì)地電壓表示為:

中性點(diǎn)位移電壓由下式計(jì)算:

式中:

rA、rB、rC為各相對(duì)地泄漏電阻，一般可認(rèn)為無限大;C為各相對(duì)地電容;ωL 為電壓互感器各相感抗，它比電容的容抗大得多。設(shè)C 相通過接地過渡電阻Rd接地，如認(rèn)為各相對(duì)地泄漏電阻和互感器的感抗為無限大，并且CA=CB=CC=C0，則式(3)各相對(duì)地的導(dǎo)納變?yōu)?/p>

將式(4)代入中性點(diǎn)位移電壓算式(2)得

分析式(5)可知，當(dāng)Rd變化時(shí)，相量U·Nd始端的軌跡是以接地相的電壓U·C為直徑的位于其順時(shí)針一側(cè)的半圓，如圖2 所示。從圖可見，當(dāng)Rd在0 ～∞之間變化時(shí)，UNd的值則在Up～0(Up為相電壓)范圍內(nèi)變動(dòng)［5］。

單相不完全接地實(shí)驗(yàn)和分析比較復(fù)雜，可作為畢業(yè)設(shè)計(jì)或創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容，通過實(shí)驗(yàn)和原理分析，掌握單相不完全接地的特點(diǎn)，得出確定接地相的規(guī)律。

發(fā)生單相接地時(shí)，TV 的開囗三角上會(huì)出現(xiàn)反映變壓器中性點(diǎn)對(duì)地電壓的零序電壓，當(dāng)數(shù)值大于設(shè)定值時(shí)，就會(huì)發(fā)接地信號(hào)。但是，TV 高壓熔斷器熔斷、鐵磁諧振、線路斷線等故障也會(huì)產(chǎn)生零序電壓而發(fā)接地信號(hào)，這就要進(jìn)行鑒別以便正確處理故障。

圖2 C 相不完全接地時(shí)的相量圖

2.2 電壓互感器實(shí)驗(yàn)

2.2.1 高壓熔斷器熔斷分析

電壓互感器正常運(yùn)行時(shí)，其激磁電抗很大，往往比電網(wǎng)對(duì)地電容的容抗大得多，故電壓互感器的一次側(cè)電流比電網(wǎng)對(duì)地電容電流小得多，電壓互感器一相或兩相高壓熔斷器由于某種原因熔斷后，熔斷相一次電流為零，但因網(wǎng)絡(luò)對(duì)地電容電流相對(duì)很大，故并不會(huì)使電壓互感器的一次側(cè)中性點(diǎn)產(chǎn)生明顯的位移，在開口三角上就會(huì)出現(xiàn)約100/3 V 的電壓。接地告警電壓一般整定值為15 ～20 V，所以會(huì)發(fā)出接地信號(hào)［6］。

電壓互感器高壓熔斷器熔斷一相或兩相雖然也發(fā)接地信號(hào)，但是根據(jù)其非熔斷相對(duì)地電壓基本不變的特點(diǎn)，就可以與單相接地故障相區(qū)別。

2.2.2 高壓熔斷器熔斷實(shí)驗(yàn)

分別使互感器一次側(cè)和二次側(cè)熔斷器熔斷(拔下)，測量并記錄互感器一次側(cè)的3 個(gè)線電壓UAB、UBC、UCA，3 個(gè)相電壓UAN、UBN、UCN;二次側(cè)星形繞組3個(gè)線電壓Uab、Ubc、Ubc，3 個(gè)相電壓U1a、U1b、U1c，開口三角電壓Uo和各繞組電壓U2ab、U2bc、U2ca，并和熔斷前的測值比較。特別注意3 個(gè)相電壓U1a、U1b、U1c和開口三角電壓Uo與單相接地故障時(shí)的區(qū)別。

2.2.3 極性錯(cuò)誤實(shí)驗(yàn)

2 個(gè)及以上相互有電磁連系的線圈就會(huì)存在極性問題，互感器極性如果接反了，測量參數(shù)的數(shù)值和相位都可能是錯(cuò)誤的。實(shí)驗(yàn)時(shí)分別將1TV 一相的一次側(cè)A、X 端、二次側(cè)星形a1、x1端、二次側(cè)開囗三角a2、x2端接線對(duì)調(diào)，測量并記錄互感器二次側(cè)星形繞組3 個(gè)線電壓Uab、Ubc、Ubc，3 個(gè)相電壓U1a、U1b、U1c，開口三角電壓Uo和各繞組電壓U2ab、U2bc、U2ca，并和正確接線比較，畫出互感器二次側(cè)電壓相量圖進(jìn)行分析。

2.3 鐵磁諧振實(shí)驗(yàn)

2.3.1 鐵磁諧振的產(chǎn)生

電壓互感器是一種鐵磁元件，正常運(yùn)行時(shí)，互感器不飽和，其電感很大，式(3)中各相導(dǎo)納表現(xiàn)為容性且三者相差甚小，式(2)表示的中性點(diǎn)位移電壓是很小的。但是，當(dāng)產(chǎn)生某種故障或沖擊擾動(dòng)時(shí)，可能使一相或多相對(duì)地電壓驟然升高，致使電壓互感器的鐵心趨于飽和，激磁電感急劇下降，使中性點(diǎn)位移電壓明顯上升。在某些情況下，當(dāng)參數(shù)的配合使總導(dǎo)納(YA+YB+YC)很小時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生鐵磁諧振，使系統(tǒng)中性點(diǎn)的位移電壓大大增加，導(dǎo)致一相、兩相或三相對(duì)地電壓顯著升高，從而在電壓互感器流過大大超過額定值的電流，這是互感器高壓熔斷器不正常熔斷或燒毀以及避雷器爆炸的主要原因，中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)運(yùn)行中，鐵磁諧振是比較常見的故障［7］。

2.3.2 電壓互感器鐵磁諧振實(shí)驗(yàn)

從式(2)可知，如果使(YA+YB+YC)數(shù)值很小，就能使中性點(diǎn)位移電壓UNd很大，產(chǎn)生鐵磁諧振。正常情況下，由于電壓互感器激磁電感較大，(YA、YB、YC)表現(xiàn)為容性，如果在實(shí)驗(yàn)接線中將一相電容拆除，該相的導(dǎo)納即變成純感性，(YA+YB+YC)就變得較小，中性點(diǎn)位移電壓UNd就較高，產(chǎn)生鐵磁諧振現(xiàn)象。

實(shí)驗(yàn)的步驟是:電容不拆前，先測量1TV 正常運(yùn)行時(shí)各相對(duì)地電壓及開口三角電壓。然后將A 相所接的電容斷開，使系統(tǒng)各相對(duì)地參數(shù)不平衡，測量各相對(duì)地電壓及開口三角電壓，與正常運(yùn)行時(shí)的數(shù)值對(duì)比，觀察電壓互感器鐵磁諧振時(shí)各量的變化，分析鐵磁諧振與單相接地故障的區(qū)別。由于某些相的對(duì)地電壓升高，電壓互感器會(huì)飽和發(fā)出異聲并發(fā)熱，因此不要長時(shí)間通電。為防止電壓過高燒毀互感器，也可以B、C 相只接一只電容器做實(shí)驗(yàn)［8］。

2.3.3 鐵磁諧振防止措施實(shí)驗(yàn)

(1)在A 相無電容的情況下，將1TV 開口三角繞組上分別并接200 W 和100 W 的白熾燈泡，測量各相對(duì)地電壓及開口三角電壓，說明這一措施對(duì)抑制鐵磁諧振的作用。

(2)將1TV 的開口三角繞組短接，在高壓側(cè)中性點(diǎn)串接一臺(tái)零序電壓互感器一次繞組，測量有關(guān)電壓，說明零序電壓互感器對(duì)抑制鐵磁諧振的作用。

(3)1TV 的高壓側(cè)中性點(diǎn)串接一只可調(diào)電阻，測量有關(guān)電壓，說明串接電阻對(duì)抑制鐵磁諧振的作用。

(4)如果外購或自制有消諧器，在發(fā)生鐵磁諧振時(shí)可以自動(dòng)接入，觀察對(duì)抑制鐵磁諧振的作用［9］。

2.4 線路斷線實(shí)驗(yàn)

2.4.1 斷線情況的分析

線路斷線是小電流接地系統(tǒng)常見故障，但斷線一般不會(huì)引起繼電保護(hù)動(dòng)作跳閘。為此，要認(rèn)真分析和正確判斷線路斷線故障，以便及時(shí)處理。

圖3 單相斷線時(shí)的相量圖

其他斷線情況的分析方法是類似的，這里不再作分析。

2.4.2 斷線實(shí)驗(yàn)

實(shí)際電力系統(tǒng)電壓互感器的激磁電抗比系統(tǒng)對(duì)地電容的容抗大得多(ωL?1/(ωC))，可以認(rèn)為電壓互感器激磁電抗為無限大。但實(shí)驗(yàn)接線中，因電容器的數(shù)值不宜選得過大，互感器的激磁電抗比電容的容抗不會(huì)相差很大，故需將電壓互感器退出，否則可能引起鐵磁諧振而影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這時(shí)只能測一次側(cè)的參數(shù)，互感器開口三角電壓可以從變壓器中性點(diǎn)對(duì)地電壓換算而得。

實(shí)驗(yàn)在線路WL-1 上進(jìn)行，將A 相在電源端斷線，分別測量電源側(cè)和負(fù)載側(cè)3 個(gè)線電壓、3 個(gè)相電壓、3個(gè)相對(duì)地電壓、變壓器中性點(diǎn)對(duì)地電壓。對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，并與理論值比較。還可以在線路上安裝3只電流表和三相有功表，比較斷線前后的電流和功率。

再將A 相的兩只電容器分開接在斷點(diǎn)兩邊，模擬線路在中間斷線，測量上述各電壓值并進(jìn)行分析。

同樣方法可做兩相斷線、斷線并在電源側(cè)接地、斷線并在負(fù)載側(cè)接地、斷線并兩側(cè)都接地等各種情況的實(shí)驗(yàn)。其中，斷線并在負(fù)載側(cè)接地的情況最為復(fù)雜，兩側(cè)中性點(diǎn)位移電壓與斷線線路的變壓器容量以及斷線系統(tǒng)的電容電流有關(guān)，可以將理論分析和實(shí)驗(yàn)研究結(jié)合起來作為畢業(yè)設(shè)計(jì)的內(nèi)容。

2.5 消弧線圈接地系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

發(fā)生單相接地時(shí)，接地電流在故障點(diǎn)形成電弧，當(dāng)接地電流較小時(shí)，電弧往往能夠自行熄滅，但是，當(dāng)接地電流較大時(shí)，單相接地故障的電弧就難于自行熄滅，而形成穩(wěn)定電弧或間歇電弧。這可能燒壞電氣設(shè)備和引起較高的過電壓，并容易發(fā)展為相間短路，電力系統(tǒng)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地，可以減少接地電流。

2.5.1 消弧線圈的作用

發(fā)生單相接地時(shí)，對(duì)地電容電流和消弧線圈電感電流都流過接地點(diǎn)，由于兩者相位相反而互相抵消，使接地電流變得很小，單相接地時(shí)產(chǎn)生的電弧就能自行熄滅［12］。

2.5.2 消弧線圈實(shí)驗(yàn)

如圖1 所示，變壓器中性點(diǎn)通過開關(guān)3QK 接入單相調(diào)壓器的輸入端A，滑動(dòng)頭a 通過電流表接地(模擬可調(diào)的消弧線圈)。電壓互感器一次側(cè)熔斷器拔下，以消除互感器電抗對(duì)電容電流的補(bǔ)償作用。調(diào)節(jié)調(diào)壓器以變化電抗值，觀察接地電流Id、IL的變化，觀察消弧線圈的補(bǔ)償作用，注意得到IL=Ic、IL＜Ic、IL＞Ic三種補(bǔ)償方式，記錄并分析IL、Id、Ic的數(shù)值。

說明:從理論上說，可以補(bǔ)償?shù)浇拥仉娏鱅d=0，這是認(rèn)為消弧線圈是純電抗，現(xiàn)場的消弧線圈由于容量大、導(dǎo)線粗，電阻是很小的。但實(shí)驗(yàn)用的調(diào)壓器容量小，電阻不能忽略，不能補(bǔ)償?shù)浇拥仉娏鳛榱?。可根?jù)實(shí)測時(shí)Ic、IL值計(jì)算出Ic和IL的相位差。

2.6 接地故障選線實(shí)驗(yàn)

2.6.1 故障選線原理

小電流接地故障選線的主要任務(wù)是自動(dòng)選擇接地故障線路?，F(xiàn)有故障選線原理，按照利用信號(hào)方式不同可分為利用故障穩(wěn)態(tài)信息、利用故障暫態(tài)信息、向電網(wǎng)注入信號(hào)三大類［13-14］。

當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障后，電容電流形成的零序電流有以下特點(diǎn):

(1)零序電流的大小。非故障線路首端的零序電流就是該線路電容電流的相量和;故障線路的零序電流在數(shù)值上等于系統(tǒng)非故障線路全部電容電流的總和。

(2)零序電流的方向。非故障線路零序電流的方向?yàn)橛赡妇€指向線路，而故障線路零序電流的方向?yàn)橛删€路指向母線，與非故障線路零序電流方向相反。

這就是中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)基波零序電流方向自動(dòng)接地選線裝置軟件工作原理。具體實(shí)現(xiàn)方式可以是零序電流比幅法、零序電流比相法、零序電流比輻比相法，選線裝置上可以選擇。

2.6.2 故障選線實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)置3 條線路，在WL-1 的C 相接地，可以做以下實(shí)驗(yàn):①零序電流比幅法;②零序電流比相法;③零序電流比輻比相法;④將WL-1 的一相電流互感器二次側(cè)的極性對(duì)調(diào)，觀察選線裝置的工作情況;⑤通過不同數(shù)值的過渡電阻接地，觀察選線裝置的工作情況;⑥解除WL-1 的C 相接地，改由母線單相接地，觀察選線裝置的工作情況。

目前國內(nèi)有些高校也研制了小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)［15］，但實(shí)驗(yàn)內(nèi)容比較單一，且采用高壓系統(tǒng)，費(fèi)用很大。

3 結(jié) 語

用一些低壓電氣組件構(gòu)建了小電流接地系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，能夠?qū)Ω邏合到y(tǒng)進(jìn)行物理模擬，除做正常運(yùn)行實(shí)驗(yàn)外，主要功能是做各種運(yùn)行故障的實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生在直接的體驗(yàn)和探索中，提高工程素質(zhì)和能力。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是一個(gè)開放性的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，適用于各個(gè)環(huán)節(jié)的實(shí)踐教學(xué)，且通用性強(qiáng)，成本低廉，可在高校電力類專業(yè)中普遍采用。

［1］ 王輯祥，王慶華，陳新苗. 縣級(jí)電網(wǎng)電氣運(yùn)行技術(shù)［M］. 北京:中國電力出版社，2012:89-114.

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