中性点经消弧线圈接地系统的接地电流分析

（1）中性点经消弧线圈的接地方式

中性点不接地系统单相接地故障时，虽然非故障相对地电压升高倍，但由于系统中相对地绝缘是按线电压设计的，据此中性点不接地系统在发生单相接地时可以继续运行，但是不能长期工作，规程中规定继续运行时间不得超过2 h。不能长期工作的原因是接地电流将在故障点形成电弧。电弧有稳定和间歇性两种。稳定性电弧很可能烧坏设备或引起两相甚至三相短路。产生间歇性电弧的原因是：在单相接地时由于电网的电容和电感容易形成一个振荡回路，就有可能因振荡出现周期性熄灭和重燃的间歇电弧。间歇性电弧将导致相对地电压的升高而危害系统的设备绝缘，在接地电流大于5 A时最容易引起间歇性电弧，电网的电压越高。间歇性电弧引起的过电压危害性越大，由此可能引起相间故障，使事故扩大。

为了减小接地电流，避免因间歇电弧引起过电压危害，在我国的《交流电气装置过电压和绝缘配合》（GB/T 50064—2014）的电力行业标准中新规定所有的35 kV，6 kV系统及10 kV不直接连接发电机的架空线路构成的系统在单相接地故障超过10 A时，应采用消弧线圈的接地方式（注意：原标准规定10 kV系统为30 A）；当3～6 kV非钢筋混凝土或金属杆塔的架空线路构成的系统及3～20 kV电缆线路构成的系统在单相接地故障电容电流超过30 A时，与原规定相同应采用消弧线圈的接地方式。这种中性点经消弧线圈接地方式发生单相接地故障时流过故障点的电流比较小，所以也属于小电流接地系统。

因为接地电流在数值上与系统电压、频率和相对地的电容及线路结构、长度均有关，因此理论仍很难用一个公式准确计算出来。在实际应用中，可以通过估算方法近似地计算：对架空线路IC=UL/350，对电缆线路IC=UL/10，式中U单位为kV，L单位为km。按以上式子可估算出系统的接地电流并进一步判断是否应采用经消弧线圈接地的方式。

（2）消弧线圈的补偿方式及其作用

中性点接入消弧线圈的目的主要是消除单相接地时故障点的瞬时性电弧。其作用是：尽量减小故障接地电流；减缓电弧熄灭瞬间故障点恢复电压的上升速度。

消弧线圈减小故障接地电流的方式有过补偿、欠补偿和全补偿3种方式。消弧线圈以感性电流IL补偿系统接地电容电流Iec的程度称为补偿度（也称为脱谐度），定义为

按过去的规定，不采用全补偿和欠补偿。因为全补偿有可能发生谐振，使中性点电压超过规定限制的15%相电压，而欠补偿在切除若干线路后也有可能进入全补偿的状态，因此也有可能发生谐振。如果在消弧线圈与地之间串接阻尼电阻，使得在进入全补偿状态时谐振电流变得较小，从而有效地避免了发生中性点过电压的现象。因此目前有的消弧线圈经阻尼电阻接地，允许其工作在全补偿、过补偿、欠补偿的全工况状态。

此外，理论上可以证明：减小补偿度，即尽可能接近全补偿状态，可以在故障点消弧的瞬间，减缓故障点恢复电压上升速度，避免了故障点恢复电压上升过快引起的电压振荡。因此自动跟踪调节消弧线圈电感，应使补偿度调节在适当范围内才能使熄弧效果最佳。

（3）单相接地时零序电压、电流的特点

中性点经消弧线圈接地的系统，当在线路XL-3的A相发生单相接地时，电容电流的分布如图1.43所示。

图1.43　中性点经消弧线圈接地电网中单相接地时电容电流的分布图

图中表示了单相接地时，加在消弧线圈两端的中性点位移电压为在该电压作用下，在消弧线圈中产生电感电流IL，这个电流流入故障接地点，流入故障接地点的系统电容电流与图1.41完全相同。IL与系统电容电流的相量相位关系如图1.44所示，

图1.44　经消弧线圈IL补偿后的接地电流

由此可见，在过补偿的条件下经消弧线圈IL补偿后，接地电流与未经补偿的比较明显小了许多，同时还可看出补偿后，故障线路的零序电流的方向与非故障线路的零序电流3I01和3I02方向完全相同，而数值大小也无明显差异。所以在中性点经消弧线圈接地的电网中，就不能利用基波零序电流的数值大小和方向来作自动接地选线的依据。比较有效的判别接地方案是五次谐波判别法和有功分量判别法。(www.xing528.com)

（4）五次谐波判别法原理

在电力系统中，由于发电机的电动势中存在着高次谐波，某些负荷的非线性也会引起高次谐波，所以系统中的电压和电流均含有高次谐波分量，其中以五次谐波分量数值最大。前面分析过，中性点经消弧线圈接地的系统中，在单相接地时消弧线圈的电感电流补偿接地电容电流是针对基波零序电流而言的，对于五次谐波来说，情况就大不相同了。

图1.45　五次谐波等值电路图

图1.45所示的是小电流接地系统中性点经消弧线圈接地，在单相接地故障时的五次谐波零序等值电路图。图中假设第一条线路发生单相接地，U0.5就是第一条线路接地时故障处的五次谐波零序电压。在U0.5作用下，消弧线圈L中流过电感性的零序五次谐波电流IL5，各线路中非故障相流过电容性的五次谐波电流分别为I01.5、I02.5…I0n.5（注意：故障线路非故障相的五次谐波电流应称电容电流，记作IC1.5，非故障线路五次谐波电流为零序电流记作）。它们在接地故障点K汇合后成为故障线路的故障相接地电流，根据基尔霍夫定律，在K点有下式：

对于五次谐波来说，由于消弧线圈的电抗（ω5L）增大5倍，通过消弧线圈的电感电流IL5=U0.5/ω5L减小5倍；而线路容抗1/ω5·Ci减小5倍，电容电流（I01.5=ω5CiU0.5）增加5倍。所以消弧线圈的五次谐波电流（IL5）相对于非故障相五次谐波接地电容电流（∑I01.5）来说是非常小的，可以认为，上述的Ie′c式子可以改写为：，即对于五次谐波而言，相当于中性点不接地系统，IL5并不起补偿作用。所以根据式（1.57），故障线路首端五次谐波零序电流：

上式表明：①中性点经消弧线圈接地系统，在发生单相接地故障时，故障线路首端的五次谐波零序电流（I01.5）在数值上等于系统非故障线路五次谐波电容电流的总和。②其方向与非故障线路中五次谐波零序电流方向相反。该结论与中性点不接地系统中基波零序电流的规律完全相同。因此，当发生单相接地时，故障线路的首端五次谐波零序电流方向从线路指向母线，落后于U0.5五次谐波零序电压90°，非故障线路首端的零序电流为本线路五次谐波零序电容电流，方向从母线流向线路，超前于U0.5为90°。如果系统是3条线路，其相量图如图1.46所示。图中第一条线路单相接地其非故障相五次谐波电容电流为IC1.5线路首端测出的五次谐波零序电流为I01.5。

以上结论是中性点经消弧线圈接地的单相接地选线的判别依据，即五次谐波判别法。

图1.46　中性点经消弧线圈接地单相接地时五次谐波零序电流相量图

（5）有功分量判别法原理

五次谐波判别法与基波零序电流判别法都存在一个主要的缺点，即当系统的引出线长度较短时，单相接地故障线路的五次谐波和基波零序电流均较小，其方向也较难判断，因此其接地判别的准确率并不是很高。

当消弧线圈采用自动跟踪消弧线圈并经阻尼电阻（阻尼电阻的作用详见1.4.4节）接地时，系统单相接地选线可以采用基波有功分量判别法。

基波有功分量判别法的原理是：单相接地时，故障线路通过接地点与消弧线圈和阻尼电阻构成串联回路。该回路在中性点零序电压UO作用下，产生的基波零序电流必然流经阻尼电阻，因而基波零序电流含有有功分量IR。而有功分量IR在消弧线圈的电感电流对接地电容电流补偿中是不会被补偿消失的，因此该有功分量电流将全部流回故障线路的首端，被零序电流互感器测量出来，如图1.51（a）所示。而非故障线路没有与消弧线圈阻尼电阻构成回路，必然没有流过消弧线圈的有功电流分量，只有本线路的零序电容电流，其中包含的有功电流为线路对地泄漏电流，数值很小。因此可以测量各线路基波零序电流中的有功电流分量值，比较它们的大小，最大者即为接地线路。

有功分量判别法是接地选线的一种新技术，该方法必须与带阻尼电阻的自动跟踪消弧线圈装置配套使用。其理论与实际验证，都证明了其选线准确率很高。