薄宏巖

（中國(guó)神華煤制油化工有限公司鄂爾多斯煤制油分公司，內(nèi)蒙古鄂爾多斯017209）

不接地系統(tǒng)單相接地故障分析和處理

薄宏巖

（中國(guó)神華煤制油化工有限公司鄂爾多斯煤制油分公司，內(nèi)蒙古鄂爾多斯017209）

摘要：介紹了6（10）kV中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)的組成，分析了系統(tǒng)對(duì)地容抗屬性，詳細(xì)闡述了單相接地短路電流與非接地相對(duì)地電壓矢量理論關(guān)系，以及電壓互感器開(kāi)口三角作用。重點(diǎn)論述了工程實(shí)際應(yīng)用中存在的電壓互感器鐵磁諧振過(guò)電壓、電壓互感器二次錯(cuò)誤接線及切換并列裝置存在的問(wèn)題等，針對(duì)需要注意的事項(xiàng)，明確了單相接地事故的危害和防范措施。

關(guān)鍵詞：不接地系統(tǒng)；單相接地；鐵磁諧振；過(guò)電壓

1　引言

在工業(yè)企業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活保障等各領(lǐng)域，6（10）kV中性點(diǎn)不接地供電系統(tǒng)的應(yīng)用非常廣泛，主要用于電源能量傳輸和接用電氣負(fù)荷使用。但是在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中經(jīng)常會(huì)發(fā)生系統(tǒng)單相接地短路故障，以及由于接地短路發(fā)生聯(lián)鎖性的電氣事故造成危害，進(jìn)而發(fā)生停電、電氣設(shè)備損壞等，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。這其中涉及到電氣設(shè)計(jì)、選型、安裝、檢修試驗(yàn)、運(yùn)行維護(hù)等方方面面存在的問(wèn)題，導(dǎo)致電纜超壓擊穿、接地短路電流過(guò)大弧光不能自熄，引起系統(tǒng)過(guò)電壓損壞設(shè)備，系統(tǒng)發(fā)生鐵磁諧振引起過(guò)電壓損壞設(shè)備，接線錯(cuò)誤發(fā)生短路燒毀電壓互感器等事故。本文針對(duì)這些問(wèn)題深入分析研究，提出了必要的處理方法和防范措施。

2　不接地系統(tǒng)電壓電流矢量分析

2.1正常運(yùn)行電路

圖1所示是中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)電路圖，E.A、E.B、E.C為系統(tǒng)電源電勢(shì)，理想情況下6kV系統(tǒng)三相對(duì)地電容等同為C0，TV是三組單相電壓互感器組成Y0／Y0／△開(kāi)口三角型接線電壓互感器。以6kV系統(tǒng)為例，電壓變比為6／√3＼100／√3＼100／3kV，TV中性點(diǎn)接地端PE。理想情況下電壓互感器一次電感等同為L(zhǎng)。圖2所示是忽略了電壓互感器電阻三相對(duì)地電抗電路，每一相是系統(tǒng)對(duì)地電容和電壓互感器電感并聯(lián)組成，電壓互感器對(duì)地感抗很大，并且電壓互感器的感抗ωL＞1／ωC0，為此在忽略電壓互感器三相對(duì)地電感的情況下，三相對(duì)地只有電容電流IC0。圖3所示是三相對(duì)地電容對(duì)稱時(shí)電壓電流矢量圖，單相對(duì)地電容電流相位超前相電壓90°。電壓互感器一次、二次接線方式為Y0／Y0接線，二次電壓和一次電壓的頻率、相位相同。系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)三相對(duì)地相電壓為6／√3kV，三相線電壓為6kV。開(kāi)口三角是三組電壓互感器二次輔助線圈首尾相連接，正常運(yùn)行時(shí)三相電壓矢量和為0，當(dāng)出現(xiàn)一相金屬性接地時(shí)開(kāi)口三角零序電壓為100V。

圖1　不接地系統(tǒng)電路圖

圖2　系統(tǒng)三相對(duì)地電抗

圖3　相電壓與對(duì)地電容電流矢量

2.2單相接地短路

圖1中系統(tǒng)C相發(fā)生金屬性接地不對(duì)稱短路故障，短路點(diǎn)的邊界條件為：接地點(diǎn)處C相U.C＝0，不接地相A、B對(duì)接地點(diǎn)電流為I.fA＝I.fB＝0。下面采用對(duì)稱分量法進(jìn)行分析。

（1）系統(tǒng)對(duì)短路點(diǎn)的阻抗由于系統(tǒng)的變化，阻抗值也在變化，設(shè)系統(tǒng)對(duì)短路點(diǎn)的正序阻抗為X1∑、負(fù)序阻抗為X2∑、零序阻抗為X0∑，靜止元件的正序、負(fù)序阻抗相等。

（2）單相接地時(shí)短路點(diǎn)電壓U.C各序電壓和短路點(diǎn)電流I.fC各序電流的關(guān)系為［1］：

式中：U.C1、U.C2、U.C0為C相接地短路點(diǎn)的正序、負(fù)序、零序電壓；I.fC1、I.fC2、I.fC0為C相接地短路點(diǎn)的正序、負(fù)序、零序電流。

（3）單相接地短路與同一點(diǎn)三相短路電流大小比較。

接地點(diǎn)處的三相短路電流為：

C相單相接地短路電流為：

上述公式，當(dāng)X0∑＜X1∑時(shí)單相接地短路電流大于同一點(diǎn)的三相短路電流，對(duì)于大型發(fā)電變電站電力系統(tǒng)變壓器中性點(diǎn)直接接地點(diǎn)越多，在中性點(diǎn)附近接地短路就會(huì)出現(xiàn)上述情況。當(dāng)X0∑＝X1∑時(shí)單相接地短路電流等于同一點(diǎn)的三相短路電流。當(dāng)X0∑＞X1∑時(shí)單相接地短路電流小于同一點(diǎn)的三相短路電流。對(duì)于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，當(dāng)X0∑→∞時(shí)，單相接地短路電流相對(duì)于同一點(diǎn)的三相短路電流很小或者接近0值。

（4）短路點(diǎn)處A、B、C三相對(duì)地電壓

圖1中C相接地對(duì)地電壓U.C＝0，非接地相A、B對(duì)地電壓為：

圖4所示是單相接地電壓矢量圖，其中兩條豎直線表示非接地相A、B對(duì)地電壓U.A、U.B各序矢量變化關(guān)系：

a）當(dāng)直接接地系統(tǒng)X0∑＝0時(shí)，圖4中U.A、U.B電壓為非故障相A、B對(duì)地電壓：

上述接地點(diǎn)處的非接地相對(duì)地電壓U.A、U.B小于電源電勢(shì)。

b）當(dāng)X0∑＝X1∑時(shí)，非故障相A、B對(duì)地電壓與電源電勢(shì)相等，圖4中U.A＝E.A、U.B＝E.B。

c）對(duì)于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)X0∑→∞時(shí)，非故障相A、B對(duì)地電壓為：

上述接地點(diǎn)處的非接地相對(duì)地電壓U.A、U.B大于相電源電勢(shì)，并且升高為線電壓，電壓U.A、U.B之間的夾角為60°。

圖4　單相接地電壓矢量圖

d）圖4中系統(tǒng)單相接地，而且X0∑→∞時(shí)，三相對(duì)地電壓矢量和為零序電壓：

電壓互感器二次輔助開(kāi)口三角電壓：

不接地系統(tǒng)單相金屬性接地時(shí)，非接地相電壓升高為線電壓，開(kāi)口三角電壓為100V。圖1中TV二次輔助開(kāi)口三角接有小電流接地選線裝置XDL，用于判斷母線接地還是饋出線接地。

e）中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)電力電纜絕緣水平選擇

上述論證分析了單相接地故障，三相系統(tǒng)不接地相電壓升高到線電壓，因此在電纜設(shè)計(jì)選型時(shí)，對(duì)于3kV－35kV系統(tǒng)，按照電纜單相接地故障持續(xù)1min－2h之間考慮，電纜單相對(duì)地電壓按表1數(shù)據(jù)選擇［2］。不接地系統(tǒng)選擇相對(duì)地電壓U02是正確的，比如系統(tǒng)線電壓6kV，相電壓為3.47kV，電纜選擇相對(duì)地電壓U02是6kV。當(dāng)系統(tǒng)單相接地后，不接地相電纜耐受電壓為√3×3.47≈6kV，所以電纜對(duì)地相電壓應(yīng)當(dāng)選擇U02＝6kV，選擇U01＝3.6kV是錯(cuò)誤的。這類工程事故案例比較多，應(yīng)引起設(shè)計(jì)人員、建設(shè)單位的重視。

表1　中壓系統(tǒng)電纜絕緣選擇（3kV－35kV系統(tǒng)）

3　多饋線單相接地短路電流分析

在上文圖1中分析了系統(tǒng)三相存在對(duì)地電容C0，系統(tǒng)饋出線較多時(shí)，每組饋出線三相都存在對(duì)地電容，并且容抗遠(yuǎn)大于其它阻抗。在系統(tǒng)C相金屬性接地，忽略線路及其它元件阻抗后，系統(tǒng)對(duì)接地點(diǎn)的正序和負(fù)序電抗X1∑＝X2∑＝0。系統(tǒng)C相接點(diǎn)短路電流為：

式中：Cn代表每個(gè)饋出回路相對(duì)地電容。

通過(guò)上述分析，系統(tǒng)單相接地時(shí)，接地電流為系統(tǒng)饋出所有對(duì)地電容電流之和，并且饋出回路越多，單相接地電流越大。當(dāng)接地電流過(guò)大時(shí)接地電弧不易自熄，將產(chǎn)生較高弧光間歇接地過(guò)電壓。因此在規(guī)程規(guī)范要求6（10）kV系統(tǒng)接地電流大于30A時(shí)，設(shè)計(jì)應(yīng)采用經(jīng)消弧線圈的接地系統(tǒng)。對(duì)于工礦企業(yè)，6（10）kV高壓電動(dòng)機(jī)相對(duì)較多，而且現(xiàn)場(chǎng)存在防爆區(qū)和非防爆區(qū)，設(shè)計(jì)手冊(cè)要求電動(dòng)機(jī)單相接地電流大于5A裝設(shè)單相接地保護(hù)，一般接地電流大于10A動(dòng)作于跳閘，當(dāng)5A－10A時(shí)可作用于跳閘或信號(hào)。

4　不接地系統(tǒng)鐵磁諧振

中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)因較容易發(fā)生鐵磁性諧振而產(chǎn)生系統(tǒng)過(guò)電壓，對(duì)于6（10）kV系統(tǒng)，采用鐵磁性電壓互感器較多，而電壓互感器激磁飽和是發(fā)生鐵磁諧振的主要原因，設(shè)計(jì)上采取防諧振措施。圖1系統(tǒng)圖中的TV開(kāi)口三角接有XDL裝置，通常帶有消諧功能。如果沒(méi)有消諧功能，就要單獨(dú)安裝消諧裝置XXQ，或者接消諧電阻。某變電所設(shè)計(jì)安裝采用的是XDL裝置MLA196X型，裝置本身只有接地選線功能沒(méi)有消諧功能，空送母線發(fā)生多次鐵磁諧振。

4.1諧振機(jī)理

圖1中系統(tǒng)設(shè)備和線路對(duì)地有電容、電感存在，系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，電壓互感器的感抗很大，所以系統(tǒng)對(duì)地電抗呈現(xiàn)容性［3］。三相電壓基本平衡，中性點(diǎn)O的位移電壓很小。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生變化，在沒(méi)有發(fā)生系統(tǒng)接地短路的情況下，中性點(diǎn)O發(fā)生位移，即系統(tǒng)三相電壓不平衡，中性點(diǎn)對(duì)地出現(xiàn)電壓，此時(shí)三相電壓互感器飽和程度不同，激磁飽和的電壓互感器感抗降低，容易發(fā)生鐵磁諧振。電源電壓不變，而電壓互感器三相電壓有的高、有的低，中性點(diǎn)O出現(xiàn)位移，對(duì)地出現(xiàn)了零序電壓，而實(shí)際上并沒(méi)有發(fā)生單相接地故障。試驗(yàn)表明，在二次電壓100kV電壓互感器加上額定電壓時(shí)電流為0.15A，當(dāng)加上1.9倍額定電壓時(shí)，電壓互感器飽和電流升到2.25A，接近15倍的電流。這就是為什么發(fā)生鐵磁諧振熔斷器熔斷或者電壓互感器燒毀的原因。

4.2諧振過(guò)電壓的現(xiàn)象及排除

某工廠變電所為6kV單母線分段，Ⅱ段母線檢修完畢送電，小電流接地選線裝置報(bào)出Ⅱ段母線接地故障，TV二次電壓表顯示A、C相對(duì)地電壓6kV，B相電壓為0V，開(kāi)口三角零序電壓為70V。估計(jì)B相接地有問(wèn)題，停電后檢查TV中性點(diǎn)接地完好，并做耐壓試驗(yàn)，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)接地故障點(diǎn)。再次送空母線，TV二次電壓表顯示A、C相對(duì)地電壓4.5kV，B相電壓為2.5V，開(kāi)口三角零序電壓為40V。通過(guò)檢查小電流裝置，咨詢廠家后得知，該裝置不具備消諧功能。在開(kāi)口三角加裝600W、25Ω電阻，反復(fù)試驗(yàn)沒(méi)有出現(xiàn)諧振過(guò)電壓現(xiàn)象。

5　電壓互感器二次輔助繞組接線錯(cuò)誤損壞

圖5　單母線分段系統(tǒng)

電壓互感器二次帶有保險(xiǎn)或者空氣斷路器短路保護(hù)，二次一般接用電壓表、微機(jī)保護(hù)繼電器等。如果接線錯(cuò)誤會(huì)發(fā)生短路保險(xiǎn)熔斷或者開(kāi)關(guān)跳閘，或者電壓表及微機(jī)保護(hù)器電壓顯示異常，可以及時(shí)被發(fā)現(xiàn)改正。在DL／T516－2012《火力發(fā)電廠、變電站二次接線設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》中7.2.6條，要求電壓互感器二次輔助繞組接成開(kāi)口三角的二次繞組不應(yīng)裝設(shè)熔斷器或自動(dòng)開(kāi)關(guān)。對(duì)于開(kāi)口三角一般接用零序電壓表、XDL或者XXQ裝置，系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)電壓平衡開(kāi)口三角電壓為0，即使接線錯(cuò)誤短路也不容易被發(fā)現(xiàn)，當(dāng)開(kāi)口三角出現(xiàn)電壓時(shí)就容易燒壞電壓互感器。

5.1接線錯(cuò)誤及后果

圖5所示是單母線分段系統(tǒng)，1TV、2TV為電壓互感器。一般設(shè)計(jì)兩段電壓互感器二次帶有并列切換裝置。圖6所示是電壓互感器二次并列切換裝置及TV二次小母線負(fù)荷電路，K1、K2、K3是切換裝置內(nèi)部繼電器，引入到電壓小母線，TV二次接用微機(jī)保護(hù)繼電器WJBH、消諧器XXQ1（2）、小電流接地選線裝置XDL，其中接入WJBH的三相電壓帶有分相斷路器，當(dāng)一相短路跳閘時(shí)，微機(jī)保護(hù)判斷TV斷線。其中XDL裝置有4組通道，每段TV開(kāi)口三角電壓接入對(duì)應(yīng)的零序電壓通道。圖中正確接線是1TV接入U(xiǎn)1－N通道，2TV接入U(xiǎn)2－N通道。按照規(guī)程的要求，開(kāi)口三角二次電壓小母線及負(fù)荷不設(shè)斷路器或者保險(xiǎn)。當(dāng)系統(tǒng)I段母線系統(tǒng)有單相接地點(diǎn)時(shí)，U1dc－N母線有電壓，U2dc－N母線沒(méi)有電壓輸出。如果輔助繞組接線有錯(cuò)誤短路就會(huì)燒毀TV，例如圖7和圖8所示，圖中TV輔助繞組連接X(jué)DL裝置接線出現(xiàn)了錯(cuò)誤。圖7中1TV、2TV輔助繞組dc端錯(cuò)誤接入XDL裝置N端，1TV、2TV輔助繞組N端錯(cuò)誤接入XDL裝置U1、U2端子，TV輔助繞組出現(xiàn)零序電壓時(shí)，相當(dāng)于1TV、2TV輔助繞組并接在一起短路，后果是1TV、2TV都燒毀。圖8中1T V輔助繞組dc端錯(cuò)誤接入XDL裝置N端子，1TV輔助繞組N端錯(cuò)誤接入XDL裝置U1端子，2TV輔助繞組N端接入XDL裝置N端、dc端接入U(xiǎn)2端子。1TV輔助繞組出現(xiàn)零序電壓時(shí)，相當(dāng)于1TV輔助繞組接地短路，后果是1TV燒毀。現(xiàn)場(chǎng)此類問(wèn)題導(dǎo)致TV燒毀、誤動(dòng)、拒動(dòng)等的情況時(shí)有發(fā)生，所以在設(shè)計(jì)、制造、安裝、檢修試驗(yàn)等要特別關(guān)注，防止接線錯(cuò)誤導(dǎo)致事故發(fā)生。

5.2TV切換并列裝置接線問(wèn)題

另外需要提一下，在圖6中TV二次輸出經(jīng)過(guò)并列裝置內(nèi)部K1、K2繼電器接入電壓小母線。圖9所示是TV切換并列裝置控制電路圖，K1勵(lì)磁的條件是圖5中斷路器手車位置或者隔離開(kāi)關(guān)輔助點(diǎn)1G閉合，K2勵(lì)磁的條件是斷路器手車位置或者隔離開(kāi)關(guān)輔助點(diǎn)2G閉合。當(dāng)出現(xiàn)直流接地需要選線時(shí)，斷開(kāi)直流母線KM后，繼電器K1、K2或者K3失電，電壓小母線失壓。容易發(fā)生微機(jī)保護(hù)繼電器判斷錯(cuò)誤誤動(dòng)。所以建議操作時(shí)要采取措施，或者修改TV并列裝置控制電路，防止斷開(kāi)直流時(shí)誤斷電壓小母線而發(fā)生誤動(dòng)作跳閘。

圖6電壓互感器二次并列切換裝置電路

圖7　輔助繞組接線錯(cuò)誤（一）

圖9　TV并列裝置控制電路

6　結(jié)論

中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)發(fā)生單相金屬性接地，接地相對(duì)地電壓為0V，接地短路電流為接地相正序、負(fù)序、零序電流矢量和，當(dāng)系統(tǒng)饋出線較多、對(duì)地容抗很大時(shí)，忽略系統(tǒng)線路、元件阻抗，系統(tǒng)單相接地電流變?yōu)槿繉?duì)地電容電流矢量和。并且在接地電容電流大于30A時(shí)，要求采取限制接地短路電流措施，安裝消弧線圈。非接地相對(duì)地電壓升高為線電壓，防止電纜擊穿，電纜對(duì)地電壓按照線電壓選擇。為防止系統(tǒng)鐵磁諧振過(guò)電壓，確認(rèn)TV中性點(diǎn)接地可靠，并且在開(kāi)口三角安裝消諧裝置或者消諧電阻。TV二次接線錯(cuò)誤容易造成電壓互感器損壞，尤其開(kāi)口三角不允許短路，安裝、校線、試驗(yàn)必須正確。TV切換并列裝置接線、控制方式要合理，防止小母線失壓誤動(dòng)作跳閘。

參考文獻(xiàn)：

［1］肖開(kāi)進(jìn)，魯庭瑞，等.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理與實(shí)用技術(shù)［M］.江蘇省電力公司編制，中國(guó)電力出版社，2006.

［2］任元會(huì)，卞鎧生，姚家袆.工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)（第三版）［M］.中國(guó)航空規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院組編.中國(guó)電力出版社，2005.

［3］姜斌，王大偉.6kV中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)電壓互感器鐵磁諧振抑制措施［J］.石油和化工設(shè)備，2009，（6）.

［4］DL／T516－2012.火力發(fā)電廠、變電站二次接線設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程［S］.

［5］崔家佩，孟慶炎，陳永芳，熊炳耀.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)與安全自動(dòng)裝置整定計(jì)算［M］.中國(guó)電力出版社，2014.

中圖分類號(hào)：TM774＋.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1005—7277（2015）06—0052—06

作者簡(jiǎn)介：

薄宏巖（1964－），男，副高職，主要從事石油化工、煤制油化工電力系統(tǒng)及電氣設(shè)備運(yùn)行與維護(hù)管理。就職于中國(guó)神華煤制油化工有限公司鄂爾多斯煤制油分公司機(jī)動(dòng)部。

收稿日期：2015－07－14

Analysis and treatment of single－phase grounding fault of the ungrounded system

BO Hong－yan
（Ordos Coal－derived Oil Branch，China Shenhua Coal－derived Oil Chemical Co.，Ltd.，Ordos 017209，China）

Abstract：The constitution of the 6（10）kV neutral point ungrounded system is introduced.The properties of the system capacitance to the earth are analyzed.The relationships of the vector theory between the single－phase grounding fault current and the ungrounded－phase voltage to the earth as well as the effect of the voltage transformer opening triangle are presented.The existing ferromagnetic resonance overvoltage of voltage transformer in the practical engineering application，the voltage transformer secondary wiring errors and some problems exist in switching parallel device are discussed.Aiming at the matters that should be paid much more attention，the harms and the relevant preventive measures of the single－phase grounding accidents are also given.

Key words：ungrounded system；single－phase grounding；ferromagnetic resonance；overvoltage