小电阻接地系统应用中的关键点分析

张 伟，刘晓倩

（云南电网有限责任公司昆明供电局，云南 昆明650100）

引言

随着35kV 及其以下电压等级的低压电力系统中性点改造为小电阻接地系统，系统发生单相接地故障时，对保护的配置要求也随之改变，工程实际运用中，保护装置误动或拒动的情况时有发生，本文结合一起工程实例，分析了影响保护正确动作的因素，总结了工程实际运用中的关键点。

1 准备知识

电力系统中发生的短路故障以单相接地故障的概率最大，由电力系统不对称短路故障分析可知，当电力系统发生单相接地故障时，系统中存在零序电流，零序电流的大小取决于系统等效正序阻抗、负序阻抗和零序阻抗，零序电流的分布取决于系统中的零序网络结构。在分析小电阻接地系统中发生单相接地故障时，只需要确定系统的零序网络，即能找出零序电流的分布规律。

2 小电阻接地系统单相接地时零序电流分布及保护配置

小电阻接地系统的典型结构如图1 所示，当发生单相接地故障时，需要对故障时的电气量进行分析，确定唯一的电气量变化关系，准确定位故障点。

零序电流的分布取决于系统中是否有零序通路，在形成零序通路，站内主变压器10kV 侧绕组为三角形接线，也不能形成零序通路，只有站内接地变压器，其高压侧绕组为星形接线，中性点经小电阻接地，低压侧绕组为三角形接线，当接地变压器高压侧施加三相零序电压时，零序电流可以流通，所以接地变压器作为唯一的零序电流通路。构成零序电流保护。当线路3 发生单相接地时，线路3 保护设备检测到零序电流，判断为该线路有接地故障，保护设备动作切除故障线路，同时接地变压器保护设备也检测到零序电流，判断为10kV 系统内有接地故障，作为接地故障的后备保护，当线路3 保护设备或断路器拒动时，经延时动作切除主变压器。

图1 单相接地时零序电流通路

3 工程实际运用中的关键点分析

作者在工程实际中，以一起某变电站10kV 侧小电阻接地系统一条10kV 出线发生单相接地故障，线路零序保护拒动事件为例，分析故障时保护装置拒动的原因。

变电站的一次主接线与图1 的结构类似，某日10kV母线上其中一条10kV 线路发生A 相接地故障，该间隔线路保护零序保护拒动，接地变零序保护延时动作切除10kV 母线。线路保护及接地变保护采集的波形分别如下图2、图3 所示：

图2 故障线路电流、电压波形

图3 接地变电流、电压波形

图2 中故障时，10kV 母线A 相电压骤降，故障线路A 相电流较大，B、C 相电流相比可忽略不计。图3 中故障时A 相电压骤降，接地变A、B、C 三相电流波形相等（B相未安装电流互感器），即接地变的三相电流仅有零序电流，正序、负序分量可忽略不计，考虑接地变压器的负荷通常较小，即等效正序、负序阻抗很大，短路故障时可以忽略其影响，在系统接地故障时，接地变压器作为唯一的零序电流通路，所以故障时接地变压器的电流仅包含零序分量，即接地变压器的三相电流应幅值相等且相位相同。

利用波形分析软件对波形进行数据分析如表1。

（1）故障线路的相电流为安装在各相上的电流互感器取得，零序电流为安装在电缆上的零序电流互感器取得，理论上三相电流的和与零序电流应相等，但在表中三相电流的和为510 安，而零序电流仅为184 安，两者并不相等。

表1 故障线路、接地变电流值

（2）根据本文第2 小节中分析，接地故障时，零序电流的通路仅有故障支路和接地变，接地变的零序电流与故障支路的零序电流应相等，表中接地变的三相电流和为492 安，零序电流为504 安，故障线路的三相电流和为510 安，可以看出接地变的零序电流与故障支路的零序电流相等，误差可忽略不计。

综上分析，接地故障时，故障线路的零序电流仅为184 安，明显小于实际线路上的零序电流值，而线路零序电流保护定值为200 安，所以故障线路的零序电流保护拒动；接地变的零序电流为504 安，零序电流保护定值为240 安，所以接地变的零序电流保护动作。

进一步分析故障线路零序电流偏小的原因，现场检查了故障线路零序电流互感器的安装及二次接线情况，二次接线正确，变比使用正确，零序电流互感器的安装如下图4 所示：

图4 零序电流互感器的安装

查阅相关资料，用于电力电缆的零序电流互感器及电缆屏蔽层接地线的安装如图5 所示。对照分析发现故障线路的零序电流互感器及电缆屏蔽层接地线安装存在两个问题：

（1）电缆屏蔽层接地线为金属导体，未进行绝缘包裹，金属部位裸露在外，与站内槽钢等构架触碰。

（2）电缆屏蔽层接地线需要穿过零序电流互感器，但故障间隔的电缆屏蔽层接地线穿过零序电流互感器的方向与图5 中不符，图5 中接地线从上至下穿过零序电流互感器接地，而故障间隔的接地线从下至上穿过零序电流互感器接地。

电力电缆的屏蔽层为包裹在各相芯线外的金属导体，屏蔽层要求在电缆两端接地。图5 中要求的电缆屏蔽层接地线需要穿过零序电流互感器，目的是当屏蔽层上流过感应电流时，如图6 所示，屏蔽层上的感应电流虽然经过了零序电流互感器，但是感应电流通过接地线，又经过了零序电流互感器，并且与屏蔽层的电流方向相反，这样对于零序电流互感器而言，感应电流被抵消，零序电流互感器上采集的电流仍然是线路的零序电流。

图5 零序电流互感器及屏蔽层接地线安装示意图

图6 屏蔽层感应电流走向示意图

综上分析，问题：（1）电缆屏蔽层无绝缘包裹措施，与站内槽钢等构架触碰，而槽钢本身是接地的，导致屏蔽层中的感应电流提前从槽钢处进入地网，感应电流未完全经过零序电流互感器，不能形成完全抵消，零序电流互感器采集的电流中包含有屏蔽层电流未完全抵消的部分问题。（2）电缆屏蔽层接地线从下至上穿过零序电流互感器接地，感应电流不仅不能抵消，反而是两倍的关系，零序电流互感器采集的电流中包含两倍的屏蔽层电流。以上两种情况均有可能造成零序电流互感器采集的电流受到屏蔽层中感应电流的影响，而感应电流的分布是无规律的，可能造成零序电流互感器采集的电流变大或变小，使得零序保护误动或拒动。

该例子中，可以看出故障线路的零序电流仅为184安，明显小于实际线路上的零序电流，而线路零序电流保护定值为200 安，所以故障线路的零序电流保护拒动。

4 规律总结

本文着重分析了小电阻接地系统发生单相接地故障时零序电流的分布，并结合工程实际进行了验证，总结规律如下：（1）小电阻接地系统中，当发生单相接地故障时，零序电流的分布仅存在于故障支路和接地变压器，利用故障支路和接地变压器的零序电流，构成单相接地故障时的零序电流保护，保护原理简单，满足保护选择性的要求。（2）小电阻接地系统改造施工过程中，应特别关注电力电缆屏蔽层接地线的施工工艺。首先，屏蔽层接地线为金属导体，需要进行绝缘包裹处理，防止金属部位裸露在外与站内槽钢等构架触碰，造成提前接地；其次，电缆屏蔽层接地线需要穿过零序电流互感器，接地线应从上至下穿过零序电流互感器接地，抵消屏蔽层上的感应电流影响，保证零序电流互感器上采集的电流仍然是线路的零序电流。

本文分析得出的规律，不仅能够帮助读者对小电阻接地系统单相接地故障时的零序电流分布有了解，也总结了电力电缆屏蔽层接地线的施工工艺，对工程实际应用提供了帮助。