随着国民经济的发展，由于架空线的局限性，化工企业电网越来越多地采用电缆供电。随着化工企业规模的扩大，用电量也随之加大，供电电缆越来越长，过大的电容电流使得原有的中性点非有效接地的方式越来越不能满足电网需求，使得中性点经低电阻接地广泛应用在化工企业配电网。低电阻接地方式，单相接地故障电流为100～1 000 A。继电保护装置根据检测的故障电流，有选择性地快速切除故障线路。低电阻接地的优点是快速切除故障，过电压水平低，可采用绝缘水平低的设备和电缆。

以往国内企业小电阻接地系统应用较少，工程设计人员对于系统发生单相接地的继电保护整定还不是很明确，往往根据经验进行整定。小电阻接地系统在我公司的涉外项目中，应用较广泛，本文着重对小电阻接地系统单相接地短路电流和继电保护整定做一些探讨。

1 系统概况

首先，简单介绍一下系统概况。此供电系统(见图1)包括两路电源，一路电源由外电网引入，主变压器低压侧中性点经电阻接地，系统要求单相接地时流过中性点接地电阻的电流为100A；另一路电源为厂内自备发电机组，此发电机中性点也为电阻接地，要求单相接地时流过中性点的电流也为100A。

图1 供电系统

2 小电阻接地系统模型

首先，利用对称分量法计算电阻接地系统单相接地时的短路电流。小电阻接地系统的等效图见图2。

图2 小电阻接地系统的等效图

现用对称分量法计算单相接地时故障点的短路电流和电压。单相接地时的序网图见图3。

图3 单相接地时各序网络图

正常运行时三序电压条件为：

(1)

单相接地时系统的边界条件为：

(2)

联立(1)和(2)解得：

(3)

故a相故障时，故障电流为：

(4)

a相故障时，b、c相故障电流为0。

根据以上结论，可得故障处三相电压为：

(5)

如果忽略各阻抗的电阻值，可得b、c两相的电压为：

(6)

(7)

当k<1，即X∑(0)

当k=1，即X∑(0)=X∑(1)时，非故障相电压与正常时电压相等。

当k>1，即X∑(0)>X∑(1)时，非故障相电压较正常时升高。

中性点不接地时，可以认为X∑(0)=∞，得到故障处b、c相电压为：

Ufb=Ub-Ua=Uba

(8)

Ufc=Uc-Ua=Uca

(9)

中性点电压为：

(10)

通过以上分析，我们还可以知道：当k值越小，即零序阻抗越小，系统发生单相接地故障时，非故障处承受的过电压越低，比如直接接地系统，零序阻抗很小，零序电流很大，零序电流保护作为线路单相接地故障的主保护。

当k值适中时，比如小电阻接地系统，零序电流也有几百安培，系统发生单相接地故障时能快速切除故障，电缆和设备不需要承受较高的过电压，可采用绝缘水平较低的电缆和设备。比如6 kV电缆可选用3.6/6 kV电缆，不必选用6/6 kV电缆，节约了成本。

k值越大，即零序阻抗越大，系统发生接地故障时，非故障处承受的过电压越高，零序阻抗越大，单相接地时，流过故障点的电流为系统对地电容电流，此电流比较小，零序电流保护已经不能满足继电保护整定灵敏性的要求。故障点三相线电压依然三相对称，系统可以继续运行1～2h，操作人员可以通过分合各断路器或者小电流选线装置找出接地故障线路。只是对电缆和设备的绝缘要求比较高，中性点不接地系统可以提高供电的连续性和可靠性。

3 中性点接地电阻值的确定

我们知道，将图3中3个序网图串联起来，可以得到单相接地时系统的复合序网。

中性点经电阻接地系统中，单相接地时的零序电路图见图4，接地点零序电压最高，相当于零序电源提供整个网路的零序电流。利用上述结论，可以将系统简化为单电源系统单相接地等效图(见图5)。

图4 单相接地时的零序电路图

图5 单电源系统单相接地时等效图

从图5中可以看出，当系统发生单相接地时，流过电阻的电流与电网电容电流相位相差90°(接地变压器感抗足够小，不然相位差<90°)，流过故障点接地电流就等于电容电流和有功电流的向量和，可以得到单相接地电流和中性点接地电阻为：

(10)

电阻接地网路中，令3I0=INe，INe为用户所要求的系统单相接地电流，R为中性点接地电阻。

通过以上分析可得，系统给出INe、IN0、IC∑三者中的两个就可以求出其他值。

电网中的单相接地电容电流由电路线路和电力设备(同步发电机、大量同步电动机及变压器等)两部分组成。电缆线路的单相接地电容电流可以近似估算为：

(11)

Ur为线路额定线电压， kV；l为线路长度，km；S为电缆截面积，mm2。

电力设备的电容电流可以根据电压等级增加一个附加值。6 kV系统的附加值为0.18。

这样整个系统的单相接地电容电流为

IC∑=IC(1+0.18)

(12)

下面通过ETAP模型论证上述结论的正确性。

首先，通过以上公式计算出系统的对地电容电流。

系统运行在最小运行方式，计算系统对地电容电流为Ic=30A。当系统发生单相接地时，测得系统单相接地电流为105A，电流分量为35A，即IL11=IL12=I0=35A。

通过ETAP模型，将系统运行在最大运行方式，如果主变压器和发电机并列运行，可以认为发电机中性点接地电阻、变压器中性点接地电阻、电缆对地阻抗三者并联(见图6)。此时系统对地电容电流最大测得系统单相接地电流为215A，电流分量为72A，即IL11=IL12=I0=72A。

图6 系统有两个接地点的等效电路图

依此类推，可以得出多个接地点的系统等效电路图(见图7)。

图7 系统在多个接地点的等效电路图

当有N个接地点时，零序电流近似为：

N为接地点的数量，UN为中性点电压，R为接地电阻值。

零序电流的分布和大小与系统接地点的数量和接地电阻的大小有关系，与其他基本无关。

这样简化了继电保护整定的计算和配置。

4 继电保护整定方法

小电阻接地系统单相接地电流大小主要取决于中性点接地电阻的大小，并且单相故障时短路电流的数值比较大，约为100～1 000A。

零序电流保护是基于其他线路发生单相接地时和本线路单相接地时测得的零序电流不同，且本线路接地时测得的零序电流远大于线路的电容电流，这样使零序电流保护有充分的余地，具有选择性。

4.1 零序过流1段的整定

小电阻接地系统单相接地故障电流比较大，对系统设备尤其是中性点设备构成很大的威胁，这就需要零序过流I段能够迅速动作，及时断开故障线路，防止事故扩大。

零序过流I段按以下公式整定：

(13)

其中，I0为单相接地故障电流；Km为灵敏系数，规程要求不小于2。故本工程一次动作电流取50A。

为了保证系统单相接地故障时保护能迅速断开故障线路，零序电流I段的动作时限为0s，即要求瞬时动作。

4.2 零序过流Ⅱ段的整定

零序过流I段保护能够快速断开发生单相金属性接地故障的线路，但线路的接地故障并非只有金属性接地，有可能经过过渡电阻接地的，如果故障电流介于整定值和中性点设备额定值之间，保护不会动作，就会造成系统长期带故障运行，烧坏中性点设备。

故仅装设零序电流I段保护并不能完全保证线路安全，因此需要装设后备保护，即零序电流Ⅱ段保护。

当系统发生单相接地故障时，非故障线路流过本身的对地电容电流，零序过流Ⅱ段保护的定值只需躲过此电容电流。这样保证保护的灵敏性，并且不会误动。

零序过流Ⅱ段按以下公式整定：

(14)

零序过流Ⅱ段保护作为零序过流I段保护的后备保护，动作时限比零序过流I段保护的动作时限要大一个级差，本系统最末一级取动作时间为0.3s。

4.3 零序电流保护上下级之间的配合问题

变电所出线零序过流I段保护，与上级变电所10 kV(6 kV)出线零序I段保护，均为保证低电阻接地系统中，高压对配电变压器外壳短路时，人身及设备的安全需要而配置与整定，两者之间无定值配合关系。

为了保证上下级之间具有选择性，按阶梯原则整定，时限级差取0.3～0.5s。即从中性点经低电阻接地配电网的最末一级开始，每一级的动作时限都要比下一级的保护动作时限大至少一个时限级差。因此，变电所接地变压器的零序过流保护可以作为零序保护总后备，可以设置两段定时限零序保护。

根据此原则，得出图1中继电保护的时间配合关系。总变压器或发电机作为零序保护的总后备，配置两端定时限零序保护，一段时限取0.6 s，动作跳本段母线相邻母联断路器CB5；二段时限取0.9 s，动作跳本段母线主断路器CB4。

5 结语

通过分析，得出小电阻接地系统的适用范围，利用工程实例，证明了中性点接地电阻和接地电流计算方法的正确性，最后给出了零序电流保护在系统发生单相接地中的应用和整定方法。

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