小电流接地系统发接地信号时的故障类型判断

       小电流接地系统是农网的主要组成部分，而接地故障、铁磁谐振、PT断线、线路断线是小电流接地电网中的常见故障，需要人工排除。发生上述故障时，它们有一个共同特点，就是发接地信号（输电线路专指单电源单回线）。对于接地与谐振，在一些书籍和规程中说的较具体，大家比较熟悉。但在发接地信号时，一些运行人员对PT回路是否正常容易忽视，特别是对输电线路断线时的特征不了解，往往误判断为接地故障，造成不必要的接地选择停电，并且拖延事故处理的时间。为此，有必要对后两种故障进行计算分析，并对各故障的特点进行比较。
1　故障时的电压计算分析
　　1．1　PT故障时的电压计算分析
　　正常时，由于3U0取自PT的变比为／／，因此PT开口三角所属三绕组电压Ua＝Ub＝Uc＝100／3　V，
　　（1）开口三角绕组接反
　一相（c相）接反时，3＝－2_c，即3U₀＝66．7V；
　　两相（b、c）接反时，3₀＝_a－_b－_c＝2_a，即3U₀＝66．7V。
　　（2）二次中性线断线
　　二次中性线断线时，由于各相二次负载相同，二次三相电压不变，指示为Ua＝Ub＝Uc＝100／＝57．7V；当一次系统发生单相接地时，由于二次三相电压所构成的电压三角形Δabc为等边三角形，相同的各相二次负载所产生的三相对称电压在二次中性线断口形成57．7V的断口电压，因此二次三相电压仍不变，指示为57．7V，但开口三角电压为100V。
　　（3）一次一相（两相）断线
　　由于PT二次相间和各相均有负载，其负载阻抗所形成电路决定断相电压，以及三相磁路系统的影响，断相电压不为0，但要降低，其它相电压正常。

　　                                图1　单电源单回线断线运行
　　一相（C相）断线时，3₀＝_a＋_b＝－_c，即3U0＝33．3V；两相（B、C）断线时，30＝a，即3₀＝_a。
　　（4）二次一相（两相）断线
　　由于无磁路系统的影响，断相电压比一次断线时要低，其他相正常。
　　1．2　线路断线时的电压计算分析
　　（1）　单电源单回线路一相断线
　　在图1所示系统中，M及N侧主变中性点不接地或通过消弧线圈接地，当线路MN发生A相断线时的边界条件为：
　　_A＝0；_B＋_C＝0；Δ_B＝0；Δ_C＝0
　　将上述条件用对称分量表示：
　　_A＝A1＋A2＋₀＝0
_B＋_C＝α²A1＋αA2＋₀＋αA1＋α²A2＋₀
　　　　＝－（A1＋A2）＋2₀＝0
　　因此A1＝－A2；₀＝0
而　ΔA1＝（Δ_A＋αΔ_B＋α²Δ_C）／3＝Δ_A／3
ΔA2＝（Δ_A＋α²Δ_B＋αΔ_C）／3＝Δ_A／3
Δ₀＝（Δ_A＋Δ_B＋Δ_C）／3＝Δ_A／3
　　根据上述对称分量边界条件，可得复合序网如图2所示。在该单电源供电系统中，ΔA＝A－0＝A。在发生单相断线后，电动机将停止转动，综合正序阻抗等于负序阻抗为。由于M及N侧主变中性点不接地或通过消弧线圈接地，故0＝∞。
　　根据复合序网：
　　
　　因此　Δ_A＝3ΔA2＝3_A／2。

　                   　图2　单电源单回线单相断线复合序网
　　在A相断线后，由于N侧A相对地电容通过N侧主变形成电容电流，将使M侧中性点形成电压偏移OM。因此N侧电压为：
　　AN＝AM－Δ_A＝_A＋OM－3_A／2
　　＝－_A／2＋OM
BN＝BM－Δ_B＝_B＋OM－0＝_B＋OM
CN＝CM－Δ_C＝_C＋OM－0＝_C＋OM
3ON＝AN＋BN＋CN＝－3_A／2＋3OM
　　所以　3OM－3ON＝3_A／2
　　由上式可知，A相断线后，M、N两侧开口三角电压向量差的模为50 V。若断相前，三相对地电容相等，则OM与ON方向相反，M、N两侧开口三角电压数值之和为50 V，至于两侧开口三角电压的大小分配则取决于线路的断线位置。当M侧出线较多，N为末端变电站时，M侧开口三角电压接近0，N侧开口三角电压接近50 V，N侧发出接地信号，两侧电压向量图如图3所示。

　                        　图3　单电源单回线A相断线时两侧电压向量图
　　断线后，如M侧断线相相继发生接地，则M侧A相电压降至0；开口三角电压为100 V，发接地信号。N侧A相电压上升至3／2倍相电压；开口三角电压为150 V，发接地信号（两侧电压向量见图4）。

　　             图4　单电源单回线A相断线M侧A相接地时两侧电压向量图
　　断线后，如N侧断线相相继发生接地，则M侧A相电压上升至3／2倍相电压，开口三角电压为50 V，发接地信号。N侧A相电压降至0，开口三角电压为0，不发接地信号（两侧电压向量见图5）。

　　                图5　单电源单回线A相断线N侧A相接地时两侧电压向量图
　　（2）单电源单回线路两相断线
　　在图1所示系统中，如线路MN发生BC相断线时的边界条件为：
　　Δ_A＝ΔA1＋ΔA2＋Δ₀＝0
　　_B＝0；_C＝0
　　而　A1＝（_A＋α_B＋α²_C）／3＝_A／3
　　　　A2＝（_A＋α²_B＋α_C）／3＝_A／3
　　　　₀＝（_A＋_B＋_C）／3＝_A／3

　　根据上述对称分量边界条件，可得复合序网如图6所示。其参数，Δ_A＝_A－0＝_A，综合正负序阻抗为，₀＝∞。
　　
　　Δ_?A2＝－A2＝0
　　ΔA1＝_A－A1＝_A
　　Δ₀＝－Δ_?A1＝－_A
　　因此　Δ_B＝_B－_A
　　　　Δ_C＝_C－_A

　　                    图6　单电源单回线两相断线复合序图
　　断线时，由于N侧B、C相对地电容通过N侧主变形成电容电流，将使M侧中性点形成电压偏移OM，其方向与A相反，则N侧电压：
　　AN＝AM－Δ_A＝_A＋OM
　　BN＝BM－Δ_B＝_A＋OM
　　CN＝CM－Δ_C＝_A＋OM
　　3ON＝AN＋BN＋CN＝3_A＋3OM
　　所以　3ON－3OM＝3_A
　　若断相前，三相对地电容相等，则B、C相断线后，OM与ON方向相反，即M、N两侧开口三角电压数值之和为100 V，至于两侧开口三角电压的大小分配则取决于线路的断线位置。当M侧出线较多，N为末端变电站时，M侧开口三角电压接近0，N侧开口三角电压接近100 V，N侧发出接地信号。两侧电压向量图如图7所示。由于N侧A、B、C三相与M侧A相电位相等，因此当断线相相继发生单相接地时，其电压很容易从向量图中求出。

　                      　图7　单电源单回线BC两相断线时两侧电压向量图
　　（3）单电源双回线路断线
　　由于断线后，另一回线路保持着正常的电气联系，在复合序网中，两侧的电势差Δ等于负荷电流在单回运行时线路上的压降，而Δ₀＜Δ，则每回线路两端间的零序电压为Δ₀／2＜Δ／2。因线路两侧的零序电压小于线路两端间的零序电压，若单回运行最大负荷时的线路压降最大为额定电压的30%，则线路两侧的开口三角电压小于15 V，而接地继电器的整定动作电压为15～30　V，因此不会发出接地信号。
　　（4）　双电源线路断线
　　对于双回线路，其结果与单电源双回线路类似，不会发接地信号。对于单回线路，其计算方法与单电源单回线路类似。
　　单相断线时：3OM－ON≈3Δ／2（约等于是因为正、负序阻抗不相等）
　　两相断线时：3ON－3OM＝3Δ
　　单相断线后，若两侧电源电势差小于额定电压的30%，或两相断线后，两侧电源电势差小于额定电压的15%，均不会发接地信号。
2　故障判断
　　综上所述，在发接地信号时，不同的故障类型及不同的故障性质，其三相电压及开口三角电压具有不同的特点．
　　2．1　单相接地
　　金属性一相接地：一相电压为零，另两相电压上升为线电压，开口三角电压等于100 V。
　　非金属性接地：一相电压低，不为零；另两相电压上升，接近线电压，开口三角电压小于100 V。
　　2．2　铁磁谐振
　　分频谐振：三相电压依次轮换升高，且电压表指针在同范围内出现低频摆动，一般不超过2倍相电压，开口三角电压一般小于100 V。
　　基波谐振：一相（两相）电压降低，不为零；另两相（一相）电压升高，大于线电压，一般不超过3倍相电压，开口三角电压小于100 V。
　　高频谐振：三相电压同时升高，升高数值大于线电压，一般不超过3～3．5倍相电压。开口三角电压大于100 V。
　　2．3　PT断线
　　（1）开口三角绕组一相或两相接反：三相电压正常，开口三角电压等于66．7V。
　　（2）二次中性线断线，同时一次系统单相接地：三相电压不变，开口三角电压等于100 V。
　　（3）一次一相（两相）断线：一相（两相）电压降低，其他相电压正常，开口三角电压等于33．3　V。
　　2．4　单电源单回线路断线及相继接地
　　（1）单相断线：电源侧一相电压上升，小于3／2倍相电压；两相电压下降，大于0．866倍相电压；对于末端线路断线，其变化幅度不大。负荷侧一相电压降低，小于0．5倍相电压；另两相电压降低，大于0．866倍相电压，对于末端线路断线，其变化幅度不大。两侧开口三角电压之和为50 V（设断线前三相对地电容相等），当为末端线路断线时，电源侧接近0，负荷侧接近50 V。
　　（2）单相断线且电源侧相继接地：电源侧一相电压为0，另两相电压上升为线电压，开口三角电压等于100 V。负荷侧一相电压上升为3／2倍相电压，另两相上升为线电压，开口三角电压等于150 V。
　　（3）单相断线且负荷侧相继接地：电源侧一相电压上升为3／2倍相电压，另两相电压下降为0．866倍相电压，开口三角电压等于50 V。负荷侧一相电压下降为0，另两相电压下降为0．866倍相电压，开口三角电压等于0。
　　（4）两相断线：电源侧一相电压降低，另两相电压上升，对于末端线路断线，其变化幅度不大。负荷侧三相电压降低，对于末端线路断线，其变化幅度不大。两侧开口三角电压之和为100 V，当为末端线路断线时，电源侧接近0，负荷侧接近100 V。
　　（5）两相断线且电源侧相继单相接地：电源侧一相电压为0，另两相电压上升为线电压，开口三角电压等于100 V。负荷侧三相电压上升为线电压，开口三角电压等于173 V。
　　（6）两相断线且负荷侧相继接地：电源侧一相电压为0，另两相电压上升为线电压，开口三角电压等于100 V。负荷侧三相电压下降为0，开口三角电压等于0。
　　总的来说，PT断线在某一时刻一般只发生在一个变电站的一段母线。单相接地时，整个小电流接地系统都将发生相同的电压变化；线路断线时，其两侧电压有较大区别，线路电流也有明显变化；而铁磁谐振，其电压变化特征特别突出。另外，几种故障同时发生也是常见的，以PT断线与其他类型的故障同时发生的几率大。目前，大多数变电站未装设接地保护选线装置，需要进行人工判断，并需要人工排除故障。为此，在发接地信号时，正确地判断故障的类型和性质是关键。首先，要根据变电站内并列运行的各段母线三相相电压及开口三角电压进行初步判断；其次要询问其他变电站的异常情况，并进一步观察消弧线圈的仪表指示、线电压、三相电流是否正常；必要时要进行适当的检查，如PT熔断器、PT刀闸辅助接点是否完好，用验电器验电等，只要掌握了以上基本原理和特征，不断积累故障分析的经验，在实际工作中灵活运用，故障类型不难判断。