小电流接地选线原理

目前,电力系统依据中性点接地方式不同可分小电流接地系统(不直接接地)和大电流接地系统(直接接地)。我国的现状是当配电网在110kV以上时,主要考虑的是绝缘问题,故广泛使用大电流接地系统。66kV 及以下配电网为了保证给用户持续供电而大多使用小电流接地系统。小电流接地系统又分为三类,分别为中性点不接地系统、中性点经电阻接地系统、中性点经消弧线圈接地系统

中性点不接地系统:中性点对地是绝缘的,这种接地方式节约成本且结构简便,在一些电容电流较小的系统中应用广泛。该系统在正常运行三相平衡,中性点对地电压为零,各相电压滞后电流 90°,线路中没有零序电压。

中性点经消弧线圈接地系统:随着配电网规模变化,不接地系统出现故障电流变大且存在电弧很难自熄的问题,由此出现了经消弧线圈系统(也叫谐振接地系统),即在中性点处连接一个电感线圈,利用电感线圈产生的电流来补偿线路过大的电容电流,接地电流变小,电弧更好熄灭

中性点经电阻接地系统:经电阻接地就是在中性点与大地间接入一个合适的电阻,可理解为该电阻和线路中电容形成并联关系。由于接地电阻的阻尼作用可以较好的抑制弧光过电压,并且不需要像经消弧线圈接地系统严格匹配电容电流。故障后接地电流更大,有利于故障选线,但对设备绝缘要求更高。

今天主要讨论的是中性点经消弧线圈接地系统

经消弧线圈接地系统故障分析图片

稳态特征分析 

中性点不直接接地系统发生接地故障时,全系统伴随零序电压的产生会有零序电流产生,所有非故障线路上元件的对地电容电流之和在数值上等于故障线路的零序电流,故障相电流方向从线路流向母线,与非故障线路相反

由于消弧线圈的补偿作用,使得故障电流方向变为与非故障线路相同(过补偿时),因此,基于稳态量选线原理的选线方法难以奏效。

暂态特征分析

当发生故障后半个周期到一个周期内被认为是暂态时期,一般暂态期零序电流幅值比较大,是稳态期几倍到几十倍,且有高频分量。

配电网发生接地故障时,全网络的暂态电容电流相当于放电电流和充电电流这两个电容电流之和:

放电电流,此电流方向由母线流向故障点处,是由于故障线路的电压突然降低而产生;充电电流,该电流通过电源形成回路,是由于非故障线路的电压突然升高而产生。

一般在相电压接近最大值时刻较多地发生接地故障,此时电容电流远远大于电感电流,消弧线圈补偿作用可以忽略不计,所以可以认为中性点不接地系统和经消弧线圈接地系统发生故障时的暂态特征是相似的,因此可以利用故障时的暂态特征作为选线的基本依据。

常用选线装置原理

并联中电阻投切

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并联中电阻投切的选线方法本质上是基于稳态量的选线方法。

系统发生单相接地障时,对于瞬时接地故障:由于流过消弧线圈的电感性电流与流入接地点的电容性电流相位相反,接地弧道中所剩残流很小,瞬间接地将自行消失;当选线装置判定故障为永久性故障时,经一定延时后投入并联电阻(投入时间小于1秒),在中性点电压作用下,并联电阻会产生有功电流分量。

该电流分量只通过接地点流过故障线路的故障相,使故障线路的零序电流增大,且远大于非故障线路的零序电流。并联电阻产生的电流方向与系统零序电压方向相反,使故障线路的零序电流增大很多,但是非故障线路零序电流的大小仍为自身对地电容电流

因此在故障选线时,通过对比各线路的零序电流大小,其中零序电流最大的为故障线路;或比较各线路有功电流的大小及相位,其中有功分量最大且与零序电压方向相反的为故障线路

暂态选线原理

暂态选线方法主要包括暂态电流群体比较暂态(无功功率)方向两种。

暂态电流群体比较选线的依据是:故障线路暂态零序电流幅值最大,流向与健全线路相反,如下图所示。选线装置比较变电站各出线的暂态零序电流,将暂态电流幅值最大、极性与其他线路相反的线路选为故障线路;在所有出线暂态电流极性一致时,判为母线接地故障。

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暂态(无功功率)方向的原理为:在某一选定的低频区段内,所有健全线路分别可用一集中电容等效。在该选定频段内,故障线路的暂态零序电流或无功功率方向与非故障线路相反:健全线路的暂态容性无功功率从母线流向线路,方向为正;故障线路的暂态容性无功功率从线路流向母线,方向为负。

有点绕?没关系,我们仔细研究一下。

我们都知道电容电流、电容和电压这三者之间的数学关系:

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对于非故障线路来说:

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对于故障线路来说:

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Ck为第k条非故障线路的等效电容,Coh为所有非故障线路的零序电容之和。暂态方向的原理就是通过判断电压变化率与电流间的正负关系来检测故障线路的。

故障线路:

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非故障线路:

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由上图可见,特定频带内故障线路零序电压导数与电流波形始终保持反极性非故障线路零序电压导数与电流的波形始终同极性,保证了接地故障方向检测的可靠性。

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