文/高俊杰

中性點不接地系統(tǒng)單相接地故障原理與分析

文/高俊杰

本文用電路分析的方法，對電力系統(tǒng)主回路進行了合理的簡化、等效，通過計算最終求得在中性點不接地系統(tǒng)單相接地時電路中各電壓、電流的方向與分布，供業(yè)內的朋友們參考。

電力系統(tǒng) 單相接地故障 原理

1 前言

在電力系統(tǒng)中，由于多種原因引起的供電線路上的單相接地是最常見的故障，它多發(fā)生在潮濕、多雨的惡劣天氣。單相接地不僅影響了用戶的正常供電，而且可能產生過電壓、過電流，燒壞設備，甚至引起相間短路進而擴大事故。本文主要針對中性點不接地系統(tǒng)的單相接地故障進行原理分析，這對電力技術值班人員熟悉供電線路的工作原理有很大的幫助。

2 中性點不接地系統(tǒng)單相接地故障原理

眾所周知，當中性點不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地時會有“一低兩高三不變”的特點，即接地相對地電壓變低,甚至為零;非接地兩相的對地電壓升高至線電壓;各相間的線電壓保持不變。我們?yōu)榱伺逡陨咸攸c，僅用向量圖法就不夠明晰，就需要用電路分析的方法來解答這種現(xiàn)象。

在圖1所示的電力系統(tǒng)中，電源和負載端的中性點均不接地，由最左端發(fā)電機三相繞組發(fā)出的電能經母線分配到多條線路（圖中僅畫出2條）至用戶端。盡管中性點與地之間沒有直接的聯(lián)系，但三相電路在發(fā)電機和負載兩側還是有很小容量的對地電容存在，由于三相電路完全對稱，在沒發(fā)生接地故障前通過各相電容電流的矢量和為零，不會影響供電線路的對稱性。

現(xiàn)假設在線路Ⅰ上的A相母線（黃色的）A點接地，此故障通常A相導線不斷線，導線在A點經電阻R接地。由于各線路上的電容量很小，在工頻段分布電容引起的容抗XC>>R，尤其在金屬性接地時R→0，包括發(fā)電機在內的每條線路中的A相與地之間的分布電容被短接（也可以看作R和C的并聯(lián)），這樣流過所有A相分布電容的電流為零，它與B、C兩相電流的矢量和為3*I0也就是我們所說的零序電流。在整個電力系統(tǒng)中，所有B、 C兩相分布電容形成的零序電流經各自的電容接地后流過A點，沿著A相母線流過Ea線圈，再經Eb、Ec后回到B、C兩相的母線構成回路。

由于零序電流等于三相電流之和，所以整個系統(tǒng)的零序電流分布為，在接地點A處流過包括發(fā)電機在內的所有線路的零序電流，然后再由B、C兩相繞組流出，因而在發(fā)電機三相繞組上的零序電流的矢量和為零，在發(fā)電機出口（母線與發(fā)電機三相的交點處）和非故障線路上流過的零序電流就是其本身分布電容上的電容電流。在故障相始端（母線與線路Ⅰ三相的交點處）的零序電流為流過接地點A的所有零序電流與本線路B、C兩相形成的零序電流之差，也即所有非故障相對地電容電流的總和。

為了進一步分析圖1所示電路，我們暫時忽略電壓互感器的影響，將圖1中各線路的分布電容用三個集總參數(shù)元件進行替代簡化后得到如圖2所示的等效電路，圖中小電阻R將電容C1短路而忽略。由圖2可以看到中性點不接地系統(tǒng)可以看作是不接地負載（主要）和接地負載的并列運行，正常工作時電壓互感器的感抗XL和分布電容的容抗XC非常巨大，可以看作是極大阻抗接地。完全的中性點不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地時與大地之間不能構成回路，是沒有零序電流的；同時電壓互感器初級線圈中性點也必須接地，否則它的A相線圈就不能被短接，因而是檢測不到零序電壓的，所以中性點不接地系統(tǒng)只是對地阻抗極大，它與地之間還是有一定聯(lián)系的。

下面我們再忽略不接地三相對稱負載ZAZBZC的影響，再把圖2轉化為圖3所示電路，就可以用電路分析理論對其零序分量作如下分析。設I1、I2為網孔電流，令C1=C2=C3=C且éAéBéCé等均為向量，再設

通過網孔電流分析法列寫方程，得

行列式解方程組得

最終我們求得經接地負載流過發(fā)電機三相繞組的電流

接地點A處的電壓，

電源中性點o點電壓，

當金屬性接地時，R→0，UA→0，Uo→-E（三相不平衡中性點的電壓應該就是零序電壓）。電壓互感器測量到的相電壓UA、UB、UC是對地電壓，UBA、UCA、UBC是線電壓，單相接地時

由此可見發(fā)生單相接地故障時，UA→0（一低），UB、UC升高到絕對值√3é（兩高），三個線電壓保持不變的特點得到了印證。

3 結語

由于導線分布電容很小、低頻段容抗很大，即便金屬性接地零序電流也很小，它對中性點不接地系統(tǒng)線電壓的對稱性影響不大，因而供電系統(tǒng)仍可運行1～2小時。通常架空線的分布電容較小,而電力電纜的分布電容就不能忽略了，因而我們也要清楚地認識到在接地點的線路上流過所有線路的零序電流，必須引起人們足夠的重視。

圖1

圖2

圖3

[1]李瀚蓀主編.電路分析基礎[M].高等教育出版社,2013.

[2]秦曾煌主編.《電工學》上冊電工技術部分[M].高等教育出版社,2011.

[3]羅崇萐,朱鋐道編.《高等數(shù)學》矩陣與線性方程組部分[M].高等教育出版社,2015.

[4]周浩,王慧芳等編著.電力工程[M].浙江大學出版社,2008.

[5]電工進網作業(yè)許可考試參考教材-高壓類理論部分[M].中國財政經濟出版社,2006.

作者單位 國家新聞出版廣電總局五六四臺 北京市100044