【正文】 經(jīng)電阻接地占 30％，直接接地占 2％。東京電力公司所屬配電網(wǎng)，其中性點(diǎn)接地方式為 66kV 電網(wǎng)分別采用電阻、電抗和消弧線圈接地； 22kV 系統(tǒng)采用電阻接地方式。故障線路要求快速跳閘，但不考慮故障發(fā)生到故障切除這段時(shí)間中的接觸電壓和跨步電壓。對(duì) 20kV 電網(wǎng)對(duì)地電容電流小于 50A 時(shí)，采用中性點(diǎn)經(jīng) 120?電阻器接地方式，對(duì)電容電流在 50～ 200A 之間則在電阻器旁并聯(lián)補(bǔ)償電抗器（消弧線圈）。 又如意大利、加拿大、瑞典、日本和美國(guó)等在中壓電網(wǎng)升壓運(yùn)行后，大部分電網(wǎng)中性點(diǎn)都采用直接接地的 運(yùn)行方式。 對(duì)于故障選線的研究，在前蘇聯(lián)，小接地電流系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用，并對(duì)其保護(hù)原理和裝置的研究給予了很大的重視，發(fā)表了多篇論文，研制了幾代裝置，在供電和煤炭行業(yè)中得到了應(yīng)用，保護(hù)原理從過(guò)流、無(wú)功方向發(fā)展到了群體比幅；裝置由電磁式繼電器、晶體管發(fā)展到模擬集成電路和數(shù)字電路 ，而微機(jī)構(gòu)成的裝置較少。德國(guó)多使用諧振接地系統(tǒng)，并于 30 年代就提出了反映故障開始暫態(tài)過(guò)程的單相接地保護(hù)原理，研制了便攜式接地報(bào)警裝置。而挪威一公司則利用測(cè)量空間電場(chǎng)和磁場(chǎng)的相位，反映零序電壓和零序電流的相位，研制了懸掛式接地指示器 。 設(shè)計(jì)（論文）專用紙 8 我國(guó)發(fā)展現(xiàn)狀 近年來(lái)，我國(guó)引進(jìn)了大量的國(guó)外設(shè)備，由于各國(guó)的接地方式不同，各國(guó)設(shè)備的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)也不一致，特別是設(shè)備的耐壓不同，要使用這些設(shè)備，首先必須決定電力系統(tǒng)的接地方式。有的大城市已局部將配電網(wǎng)的中性點(diǎn)不接地方式改為小電阻接地方式，以消除弧光接 地過(guò)電壓的產(chǎn)生，減少異相接地的發(fā)生。但大部分仍主張改為經(jīng)消弧線圈接地方式，補(bǔ)償系統(tǒng)的電容電流，使得單相弧光接地時(shí)，故障點(diǎn)電流減少，降低故障相電壓的恢復(fù)速度，達(dá)到熄弧效果，從而避免了單相瞬時(shí)接地故障的跳閘，提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。 50 年代我國(guó)有根據(jù)首半波極性研制成功的接地保護(hù)裝置和利用零序電流五次諧波研制成功的接地選線定位裝置。有些運(yùn)行部門還采用反映零序電流增大的零序電流保護(hù)來(lái)選線。其中由南京自動(dòng)化研究院研制的微機(jī)小電流接地系統(tǒng)單相接地選線裝置，其主要原理是比較線路零 序電流五次諧波的大小和方向；華北電力大學(xué)利用零序電流的五次諧波比相原理研制的 ML98 型小電流接地系統(tǒng)單相接地微機(jī)選線裝置等。人工拉路會(huì)造成非故障線路供電短時(shí)中斷，影響用戶用電設(shè)備的正常工作，這在越來(lái)越重視電能質(zhì)量的今天十分不可取。配電自動(dòng)化的一個(gè)重要內(nèi)容是自動(dòng)故障定位、隔離及非故障線路恢復(fù)供電。因此，電力部門迫切希望能夠開發(fā)出可靠實(shí)用的小電流接地故障保護(hù)技術(shù)。 90 年代初期選線裝置的研制達(dá)到高潮，大量選線裝置投入運(yùn)行。 小電流接地故障的檢測(cè)與選線之所以困難，其主要原因在于： （ 1）、故障電流小，特別是經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，流過(guò)故障線路的穩(wěn)態(tài)電流十分微弱，甚至比健全線路感受到的電流變化還小。在饋線接地點(diǎn)匯聚小電流接地系統(tǒng)的全部對(duì)地電容電流，一旦在接地處燃起電弧，接地電弧是一 高度非線性時(shí)變過(guò)程，電弧包含電阻及等值的電感電容分量，具體形態(tài)隨電弧電流、電弧長(zhǎng)度、周圍環(huán)境的變化而千差萬(wàn)別。故障點(diǎn)不穩(wěn)定電弧，將使故障電壓電流信號(hào)嚴(yán)重畸變，這亦影響著利用故障穩(wěn)態(tài)信號(hào)的選線方法分辨故障的正確性； （ 3）人們對(duì)小電流接地故障暫態(tài)特性尚缺乏深入的了解。此外，利用零序暫態(tài)信號(hào)的首半波法和小波分析法應(yīng)用效果亦不理想。 現(xiàn)有的選線技術(shù)都還僅僅是利用故障的部分有用信息，因此都存在一定的局限性，不可能對(duì)所有故障情況都適用。但是，如果過(guò)于依賴數(shù)學(xué)分析工具而忽略了故障特征本身的透徹分析，對(duì)問題的解決無(wú)疑于舍本逐末。但是故障發(fā)生在相電壓過(guò)零點(diǎn)附近時(shí)的情況也時(shí)有發(fā)生，應(yīng)當(dāng)研究此種情況下如何檢出單相接地故障問題。因此，開發(fā)、研制出 性能優(yōu)越的小電流接地保護(hù)必然成為當(dāng)今電力部門迫切需要解決的技術(shù)難題。 首先，對(duì)小電流接地系統(tǒng)及其單相接地故障特征從原理上進(jìn)行深入的分析，以便對(duì)解決問題的對(duì)象有一個(gè)清楚的認(rèn)識(shí)； 其次，建立用于仿真的小電流接地系統(tǒng)，對(duì)各種選線技術(shù)進(jìn)行比較驗(yàn)證，研究各種選線方法的優(yōu)缺點(diǎn)，并找出各種選線方法的失效范圍，為建立優(yōu)化的選線方案作好基礎(chǔ)；再次，對(duì)故障情況進(jìn)行分類，分為大、小故障角的情況 ，對(duì)于大故障角的情況，重點(diǎn)研究利用電流分解的自適應(yīng)選線新方法；而對(duì)于小故障角的情況下，重點(diǎn)研究利用衰減直流分量的新方法； 最后，全面考慮正確進(jìn)線的因素，將選線方法進(jìn)行融合，進(jìn)行完善的小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線技術(shù)。其中的關(guān)鍵課題是如何解決中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)的故障選線問題，這也是本文所要解決的問題。通過(guò)分析可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于小電流接地系統(tǒng)單相接地故障，暫態(tài)信號(hào)中含有豐富的特征分量，如果能利用這些特征分量，則有望顯著提高選線精度。對(duì)于這幾種不同的接地方式有著各自不同的優(yōu)缺點(diǎn)。 中心點(diǎn)不接地方式的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行方便，不需任何附加設(shè)備，若是瞬時(shí)故障，一般能自動(dòng)熄弧，非故障相電壓升高不大，不會(huì)破壞系統(tǒng)的對(duì)稱性，單相接地電流較小，單相接地不形成短路回路，運(yùn)行中可允許單相接地故障存在一段時(shí)間，電力系統(tǒng)安全運(yùn)行規(guī)程規(guī)定可繼續(xù)運(yùn)行 1～ 2 個(gè)小時(shí)，從而獲得排除故障時(shí)間，若是由于雷擊引起的絕緣閃絡(luò)，則絕緣可能自行恢復(fù)，相對(duì)地提高了供電的可靠性。 中性點(diǎn)不接地方式的缺點(diǎn)是因其中性點(diǎn)是絕緣的，電網(wǎng)對(duì)地電容中儲(chǔ)存的能量沒有釋放通路。此外，由于電網(wǎng)存在電容和電感元件，在一定條件下，因倒閘操作或故障，容易引發(fā)線性諧振或鐵磁諧振，這時(shí)饋線較短的電網(wǎng)會(huì)激發(fā)高頻諧振，產(chǎn)生較高諧振過(guò)電壓，導(dǎo)致電壓互感器擊穿。 為了解決中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)單相接地時(shí)引起的一些后果，早期曾采取過(guò)故障相自動(dòng)接地的措施，但由于這一措施不能解決過(guò)電壓的問題，且無(wú)助于將故障線路選擇出來(lái)予以切除，故不久被另兩個(gè)措施取代了，即中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地和經(jīng)電阻接地。二、由于消弧線圈的作用，降低了恢復(fù)電壓的初速度，延長(zhǎng)了故障相電壓的恢復(fù)時(shí)間，并限制了恢復(fù)電壓的最大值，從而可以避免接地電弧的重燃，達(dá)到徹底消弧的目的。 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式的優(yōu)點(diǎn)是：在系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)，流過(guò)接地點(diǎn)的電流較小，其特點(diǎn)是線路發(fā)生單相接地時(shí)，可不立即跳閘，按規(guī)程規(guī)定電網(wǎng)可帶單相接地故障運(yùn)行 2小時(shí)。另外，中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)還具有人身設(shè)備安全性好、電磁兼容性強(qiáng)和運(yùn)行維護(hù)工作量小等一系列優(yōu)點(diǎn)。 當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生接地時(shí)，由于接地點(diǎn)殘流很小，且根據(jù)規(guī)程要求消弧線圈必須處于過(guò)補(bǔ)償狀態(tài)，接地線路和非接地線路流過(guò)的零序電流方向相同，故零序過(guò)流、零序方向保護(hù)無(wú)法檢測(cè)出已接地的故障線路。 不過(guò)由于微機(jī)接地保護(hù)和微機(jī)選線裝置的出現(xiàn)，尤其是近年來(lái)，自動(dòng)消弧裝置的出現(xiàn)，使得經(jīng)消弧線圈接地方式存在的 這些問題都有了很好的解決，它能夠在單相接地發(fā)生時(shí)，精確補(bǔ)償系統(tǒng)電容電流，有效熄滅接地點(diǎn)的電弧，使單相接地不致發(fā)展成相間短路而引起線路跳閘，從而保證了設(shè)備安全和可靠供電。 設(shè)計(jì)（論文）專用紙 13 中性點(diǎn)經(jīng)高值電阻接地 中性點(diǎn)經(jīng)高值電阻接地方式，即是中性點(diǎn)與大地之間接入一定電阻值的電阻，該電阻與系統(tǒng)對(duì)地電容構(gòu)成并聯(lián)回路，其單相接地故障時(shí)的電阻電流被限制到等于或略大于系統(tǒng)總電容電流。高電阻接地方式是以限制單相接地故障電流為目的，并可以防止阻尼諧振過(guò)電壓和間歇性電弧接地過(guò)電壓。 這種接地方式看上去與消弧線圈接地方式相似，但性質(zhì)不同，消弧線圈是接近于開路的純感性元件，感性電流與容性電流相位差 180ｏ ，對(duì)電容電流起補(bǔ)償作用：而經(jīng)高電阻接地方式以電阻為主，與容性電流接近 90ｏ 的相位差，接地電流是容性電流和電阻性電流的相量和。 但是在中性點(diǎn)為高電阻接地方式的情況下，為使 接地電弧瞬時(shí)熄滅，一般說(shuō)來(lái)單相接地電容應(yīng)不大于 10A，所以適用范圍受到限制，只宜在規(guī)模較小的 10kV 及以下電網(wǎng)中應(yīng)用。可見，中性點(diǎn)經(jīng)高阻接地方式還不如中性點(diǎn)不接地方式方便。但隨著電纜線路的增多，電容電流不斷增大，而我國(guó)大多中壓電網(wǎng)采用的是經(jīng)消弧線圈接地方式。鑒于以上 設(shè)計(jì)（論文）專用紙 14 因素，我國(guó)如上海、廣州、北京及青島等地已采用中性點(diǎn)經(jīng)小電阻 接地方式運(yùn)行了多年，取得了不少寶貴經(jīng)驗(yàn)。該變電站為了減少接地變的停電幾率，單獨(dú)增設(shè) Z型接地變接于變壓器的出口處，如圖 所示。對(duì)于暫態(tài)過(guò)程比較復(fù)雜經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，我們將著重討論其單相接地時(shí)情況。 設(shè)計(jì)（論文）專用紙 15 圖 22 諧振接地系統(tǒng)單相接地時(shí)的電流分布圖 圖 22中 C C C5和 Cf等表示各線路對(duì)地電容， Ln表示消弧線圈電 感， Lr表示等效電感， Rf表示接地點(diǎn)的過(guò)渡電阻， F F2為接地點(diǎn)，在 F1點(diǎn)故障即為線路故障，在 F2點(diǎn)故障即為母線故障。由于兩者的頻率和幅值顯著不同，在暫態(tài)過(guò)程中就不能互相補(bǔ)償。 圖 23 計(jì)算 單相接地暫態(tài)電流的等值回路 圖 23中， C表示諧振接地系統(tǒng)的三相對(duì)地電容， L0表示三相線路和電源變壓器等在零序回路中的等值電感， R0表示零序回路中的等值電阻（其中包括故障點(diǎn)的接地電阻和弧道電阻）， rL、 L分別表示消弧線圈的有功損耗電阻和電感， U0表示等效零序 設(shè)計(jì)（論文）專用紙 16 電源。當(dāng)發(fā)生單相金屬接地時(shí)，圖中的 R0和 L0可根據(jù)三相線路和電力變壓器的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。 暫態(tài)電容電流 在分析電容電流的暫態(tài)特性時(shí)，因其自由振蕩頻率一般較高，考慮到消弧線圈的電感 LL0，故圖 中的 rL和 L可以不予考慮。 根據(jù)圖 可寫出下面的微分方程式： R0ic+L0dtdic+ ?tocic1dt=UΦ msin(ω t+? ) (21) 當(dāng) R02CL0時(shí)，回路電流的暫態(tài)過(guò)程具有周期性的振蕩及衰減特性；當(dāng) R0≤2CL0時(shí)，回路電流則具有非周期性的振蕩衰減特性，并逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)。 因?yàn)闀簯B(tài)電容電流 ic是由暫態(tài)自由振蕩分量 ic′和穩(wěn)態(tài)工頻分量 ic″兩部分組成，利用 t=0時(shí) ic′＋ ic″ =0 這一初始條件和 Icm=UФ mω C 的關(guān)系，經(jīng)過(guò)拉氏變換運(yùn)算可得： ic= ic′＋ ic″ =Icm[(??f sin?sinω t － cos? cos f? t) te?? +cos(ω t+?)] (22) 式中， UФ m 為相電壓的幅值， Icm 為電容電流的幅值， ω f 為暫態(tài)自由振蕩分量的角頻率，δ =1/?c=R0/2L0，為自由振蕩分量的衰減系數(shù)，其中的 ?c為回路的時(shí)間常數(shù)。當(dāng) ?c較大時(shí)，自由振蕩衰減較慢；反之，則衰減較快。當(dāng) ?＝ 0 (即故障發(fā)生在相電壓零值 ) 時(shí)，其值最小，當(dāng) ?＝ ?/2(即故障發(fā)生在相電壓峰值 ) 時(shí)，其值最大，電容電流的自由振蕩分量 ic′的振幅表現(xiàn)為最大 Icmax′，時(shí)間為t=Tf/4(Tf =2?/ω f)，其值為： Icmax= Icm ??f )4( cfTTe? (23) 由式 (23)可知，暫態(tài)自由振蕩電流分量的最大幅值 Icmax′與自振角頻率 ω f和工頻角頻率 ω 之比成正比。 暫態(tài)電感電流 根據(jù)非線性電路的基本理論，暫態(tài)過(guò)程中的鐵心磁通與鐵心不飽和時(shí)的方程式相同，因此，只要求出暫態(tài)過(guò)程中消弧線圈的鐵心磁通表達(dá)式，消弧線圈中的電感電流便迎刃而解了。因?yàn)樵谘a(bǔ)償電流的工作范圍內(nèi)，消弧線圈的磁化特性曲線應(yīng)保持線性關(guān)系，故 iL=LLW?。利用這一初始條件，同時(shí)將 iL 的值代入式（ 2－ 4）便可求得磁通?L的方程式： ? L＝ ? L″ ZL? [cos(? +?) Lte ? cos(ω t +? +?)] (25) 式中 ? L″＝ WUm?? ， 為穩(wěn)狀態(tài)時(shí)的磁通； ?＝ tg1 LRL? w，為補(bǔ)償電流的相角； Z＝22 )( LRL ?? ， 為消弧線圈的阻抗； ?L為電感回路的時(shí)間常數(shù)?？紤]道 ?L＝ ?L′＋ ?L″，這樣代入式（ 2－ 5）并化簡(jiǎn)后可得： ? L＝ ? L″ [cos? Lte?? cos(ω t +? )] (26) 設(shè)計(jì)（論文）專用紙 18 根據(jù)式（ 2－ 6），考慮到 iL= iL′＋ iL″和 ILm=LUm??，便可以寫出暫態(tài)電感電流iL的表達(dá)式： iL=ILm [cos? Lte?? cos(ω t +? )] (27) 消弧線圈的磁通 ?L和電感電流 iL均是由暫態(tài)的直流分量和穩(wěn)態(tài)的交流分量組成的，而暫態(tài)過(guò)程的振蕩角頻率與電源的角頻率相等，且其幅值與 接地瞬間電源電壓的相角 ?有關(guān)。若在 ?＝ 0時(shí)發(fā)生接地故障，經(jīng)過(guò)半個(gè)工頻周期或 t=T/2=?/ω后 ?L和 iL均達(dá)到最大值，兩者分別為： ? Lmax=? L″ (1+ ??LRLe? ) (28) iLmax=iLm(1+ ??LRLe? ) (29) 暫態(tài)接地電流 暫態(tài)接地電流是由暫態(tài)電容電流和暫態(tài)電感電流疊加而成，其特性隨兩者的具體情況而定。所以，工頻狀態(tài)下殘流、失諧度和合諧度等概念在分析暫態(tài)問題時(shí)均