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知识目标
1.了解中性点不接地系统发生接地时的特点。
2.掌握配电线路接地保护的原理。
能力目标
1.能分析母线电压不平衡的原因。
2.能进行配电线路单相接地故障的信号分析及简单处理。
白马垅变发“10 kV Ⅰ母线接地”告警信号。试对主控台信号进行分析，初步判断故障原因，并进行简单处理。
（1）规程准备
《电力安全工作规程 发电厂和变电站电气部分》（GB 26860—2011）、《白马垅变运行规程》、《继电保护和安全自动装置技术规程》（GB / T 14285—2023）。
（2）设备、资料准备
熟悉白马垅变电站 10 kV一次接线及设备，收集小电流系统选线保护装置说明书。
（3）知识准备
预习本节相关知识内容，并回答以下问题：
①10 kV线路发生单相接地时有何特点？
②10 kV线路单相接地保护原理有哪些？
35 kV及以下系统为中性点非直接接地方式，也称小接地电流系统。在这种系统中，接地故障电流往往比负荷电流小得多，而且三相之间的线电压仍然保持对称，对用户供电影响不大，故在接地时可坚持运行 1~2 h，供电可靠性相对较高。而在电压等级较高的系统中，绝缘费用在设备总价格中占相当大比重，降低绝缘水平带来的经济效益非常显著，一般就采用中性点直接接地方式，辅以其他措施来提高供电可靠性。
小接地电流系统单相接地的电压特点
（1）单相接地时电压的特点
假设在A相发生金属性单相接地，则A相对地电压降为零，其他两相的对地电压升高 3倍，为线电压，如图2.20 所示。由相量图可知，系统的线电压仍然是对称的，且出现零序电压，其大小等于相电压，方向与原A相电压相反。
图2.20 单相接地时电压相量图
（2）单相接地时电流的特点
输电线路在运行时有三相对地电容。设正常运行时电容相同，均为C，则每相都有微小的超前于相电压 90°的电容电流流入大地，三相电流之和为零。如图2.21 所示，在系统中某一线路发生A相接地故障时，各线路与电源出线端的零序电流分析如下：
①在非故障线路 1 上，由于系统A相电压降为零，故A相电容电流也为零，其他两相电容电流方向不变，即仍为从母线流向线路，其大小因电压的升高而升高 3倍。
②发电机出线端上的零序电流与非故障线路情况一样，为本身的电容电流，方向为从母线流向发电机。
③在故障线路 2 上，B,C相零序电流为本身电容电流，而故障相A相流回了全系统的电容电流，方向也为从线路流向母线。零序电流等于全系统非故障元件对地电容电流之总和，恰好与非故障线路零序电流的方向相反。
综上所述，小接地电流系统发生金属性单相接地时的特征有：故障相电压降为零，非故障相电压升高为线电压，故障线路上的零序电流为全系统非故障元件对地电容电流之总和，大于非故障线路，方向从线路流向母线，与故障线路方向相反。
图2.21 单相接地时电容电流分布图
（1）绝缘监视装置
在发生单相接地故障时，系统将出现零序电压，因此在发电厂和变电站母线上的电压互感器二次开口三角形处接一过电压继电器。在正常运行时，系统三相电压之和为零，无零序电压，电压互感器开口三角无电压输出，过电压继电器不动作。而在发生单相接地故障时，电压互感器开口三角出现零序电压，过电压继电器延时动作。此装置即绝缘监视装置。由于发生单相接地故障，在同一电压等级系统中都将出现零序电压，因此，绝缘监视装置只能判断系统是否出现接地，判断故障相别，不能判断故障线路，其给出的信号是没有选择性的。要查找具体的接地线路，需由运行人员按拉路法的原则，依次短时断开每条线路来进行查找。若系统中两条线路发生同相接地等特殊情况，采用拉路法来查找接地线路，将使用户停电时间更长。绝缘监视装置接线如图2.22 所示。
图2.22 绝缘监视装置接线图
（2）零序电流保护
故障线路上的零序电流为全系统非故障元件对地电容电流之总和，大于非故障线路零序电流。利用此特点可在各线路上提取零序电流，依据零序电流的大小来判断故障线路，且此保护的动作具有选择性。零序电流保护接线如图2.23 所示。
图2.23 零序电流保护接线图
图2.24 零序功率方向保护接线图
（3）零序功率方向保护
小电流接地系统发生单相接地故障的另一特点是故障线路零序功率方向发生改变，为从线路流向母线。利用此特点也可实现有选择性的保护，动作于信号或跳闸。这种方式适用于零序电流保护灵敏度不满足要求和接线复杂的网络中，或用于出线较少且有选择性动作的电网。零序功率方向保护接线如图2.24 所示。
小电流接地系统中通过零序电流或零序功率判断，在理论上可实现有选择性的动作，但事实上，由于零序电流是系统电容电流，数值通常很小，且受变电站的电磁干扰、运行方式改变和电容电流改变等因素的影响，使保护装置很难正确判断出故障线路。此外，消弧线圈的装设也使选线更为困难。
在电缆出线较多的变电站，电容电流较大，则可能因电弧的延伸造成相间短路跳闸或引起间歇性弧光接地过电压，导致异地异相设备绝缘损坏，并且还容易出现因电磁型电压互感器饱和导致的谐振和电压互感器熔丝熔断等情况。因此，《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范》（GB / T 50064—2014）规定：35 kV,66 kV系统单相接地故障电容电流超过10 A时，应采用消弧线圈接地；6~35 kV系统单相接地故障电容电流不超过 7 A时，可采用中性点高电阻接地，故障总电流不超过 10 A。采用消弧线圈补偿可减小电容电流，防止因电容电流过大而发生更严重事故的情况，但这也给故障的判断带来困难。消弧线圈采用过补偿方式，即补偿的电感电流大于系统中的电容电流，那么补偿后故障线路零序功率方向也变为与非故障线路一样从母线流向线路，零序功率方向保护也无法正确判断故障线路。
（4）新型小电流选线方法
由于上述传统的选线方法的局限性，目前小电流接地系统（谐振接地系统）故障选线通常采用多种选线方法，进行综合判断。新型选线方法有谐波比幅比相法、有功分量法、小波法、智能群体比幅比相法、首半波法及突变量选线法等。
1）有功分量法
由于线路存在对地电导以及消弧线圈存在电阻损耗，因此，故障零序电流中含有有功分量。故障线路零序电流的有功分量比非故障线路大且方向相反，根据这一特点，可选出故障线路。有功分量法的优点是不受消弧线圈的影响，但由于有功分量非常小，且受线路三相参数不平衡的影响，因此检测灵敏度低。
2）基于（五次）谐波量的方法
由于故障点电气设备的非线性影响，因此，故障电流中存在着谐波信号，其中以五次谐波分量为主。由于消弧线圈对五次谐波的补偿作用仅相当于工频时 1 /25，可忽略其影响。因此，故障线路的五次谐波电流比非故障线路的都大且方向相反，据此现象可选择故障线路，称为五次谐波法。其缺点是五次谐波含量较小（小于故障电流的 10%），检测灵敏度低且受间歇性电弧现象影响。
3）注入信号寻迹法
注入信号寻迹法简称注入法，在发生接地故障后，通过三相电压互感器的中性点向接地线路注入特定频率的电流信号，注入信号会沿着故障线路经接地点注入大地，用信号探测器检测每一条线路。因只有故障线路的故障相才有此信号电流，故障线路即可被选出。该方法的优点是不受消弧线圈的影响，不要求装设零序电流互感器，并且用探测器沿故障线路探测还可确定架空线路故障点的位置。
4）首半波法
电网接地故障是因绝缘被击穿，当相电压将接近最大值的瞬间，绝缘即被击穿，此时故障相电容电荷通过故障相线路向故障点放电。在此瞬间，暂态电容电流可看成故障相的放电电容电流和非故障相的充电电容电流之和。发生故障的最初半个周波内，可利用故障线路零序暂态电流最大值大于非故障线路，且首半波方向相反的特点实现选线。由于不论是中性点不接地系统还是经消弧线圈系统，故障发生瞬间的暂态过程近似相同，因此，此方法不受消弧线圈的影响。
5）谐波比幅比相法
谐波比幅比相法是在线路发生故障时，比较所有线路零序电流谐波分量的幅值与相位，利用故障线路零序电流幅值较大且相位应与正常线路零序电流反相的特点进行选线。若所有线路零序电流同相，则判断为母线接地。此方法与传统零序电流、功率法相比，采用了有效的数字滤波手段，提取出能量最高的谐波频带范围，避免了提取单一谐波频率而导致的误差，提高了选线的正确性。
（1）保护信息分析
1）事故详细描述
①主要象征
在白马垅变电站中，主控台告警信息窗显示以下信号：
2019 年 1 月 1 日 00:24:10:568 白马垅变 白宝Ⅰ回接地-动作
2019 年 1 月 1 日 00:24:10:568 白马垅变 10 kV Ⅰ母接地-动作
2019 年 1 月 1 日 00:24:10:578 白马垅变 事故总-动作
值班人员检查 10 kV Ⅰ母电压为A相 10 kV,B相 10 kV,C相 0.0 kV。
②事故前运行方式
仿真变一次接线图及保护配置见附录。110 kV白马垅变10 kV母线分列运行，母联300断路器在断开位置，10 kV线路故障前处运行状态，配置绝缘监视装置。
2）信号分析与判断
①发信原因
中性点不直接接地系统母线电压不平衡、发接地信号的原因有以下 6 种：
A.线路或母线及附属设备发生单相接地
10 kV系统发生单相接地分为金属性接地与经过渡电阻接地两种情况：一是金属性接地：接地相对地电压降为零，其他两相对地电压升为线电压；二是过渡电阻接地：受过渡电阻影响，接地相电压降低，但不为 0，其他两相对地电压高于相电压，且低于线电压。
原因主要有线路断线接地、瓷瓶击穿、线路避雷器击穿、配变避雷器击穿、电缆击穿及线路柱上断路器击穿等。
B.电压互感器二次回路断线
由于熔丝熔断发生在低压侧，影响的将只是某一个绕组的电压，因此，不会出现零序电压，不发接地告警信号。熔断相电压为零，其余两相电压基本不变。
C.电压互感器高压熔丝熔断
当电压互感器高压熔丝熔断时，受负载影响，熔断相电压降低，但不为零，通常情况下可达到 40 V。此时，其他两相电压应保持为正常相电压或稍低。同时，因断相出现在互感器高压侧，故互感器低压侧会出现零序电压，其大小通常高于接地信号限值，启动接地装置，发出接地信号。
D.谐振
在合空载母线时，可能发生铁磁谐振过电压，报出接地信号。10 kV母线电压三相指示同时或波浪形上升或降低，峰值可超过线电压，谷值可低于相电压（但不会为零），三相数值不稳定，可伴随有母线接地告警的声光信号。
E.断线
线路断线可分为单相断线和两相断线。单相断线时，电压一般显示为一相升高、两相降低；或一相降低、两相升高。两相断线时，电压一般显示为一相升高、两相降低；或一相降低、两相升高。断线时，电压的变化幅度与断线的长度成正比。
F.对地电容不平衡
用变压器对空载母线合闸充电时，断路器三相合闸不同期，三相对地电容不平衡，使中性点发生位移，三相电压不对称，报出接地信号。这种情况在操作时发生，只要检查母线及连接设备无异常，即可判定。投入一条线路或投入一台所用变，接地信号即可消失。
②故障判断
根据母线电压值变化判断，故障为 10 kV Ⅰ母系统C相发生金属性接地，故障点可能发生在 10 kV Ⅰ母的出线，也可能在 10kV Ⅰ母线及附属设备。
（2）具体处理流程
1）故障情况及时间记录及第一次汇报
1 月 1 日 00:24 白马垅变发“10 kV Ⅰ母线接地”信号，10 kV Ⅰ母电压为A相 10 kV,B相 10 kV,C相 0.0 kV。天气晴。现场设备及保护装置情况待检查。
2）现场检查
值班人员应注意穿绝缘靴，做好安全防范措施，再到检查现场 10 kV Ⅰ母线及所属设备有无接地或异常。现场检查 10 kV Ⅰ母、TV等设备无异常。
3）第二次汇报
现场检查白马垅变 10 kV Ⅰ母设备无异常。
4）加强监控并在当值调度员指令下进行事故处理
根据调度命令，查找故障线路。
配电线路单相接地故障处理任务工单见表2.7。
表2.7 配电线路单相接地故障处理任务工单
续表
续表
任务描述：
白马垅变 220 kV变电站 10 kV线路发生两点异地单相接地故障时，请对出现的信号进行识读与初步分析判断，并进行简单处理。