中低压配电系统单相接地故障及其保护分析
1 概述
中低压配电系统故障分为相间短路和单相接地，相间短路又分为三相短路和两相短路。相间短路称为金属短路或永久性短路，短路电流比较大，危害也大，继电保护必须可靠、迅速而有选择性将故障切除。单相接地故障的故障电流随配电系统中性点接地方式不同有很大差别。电源中性点不接地以及经大电阻或消弧线圈接地的配电系统，发生单相接地故障后，由于没有形成回路，接地故障电流为对地电容电流一般比较小，可继续运行一定时间，但应有报警，以便及时查找故障。电源中性点直接接地的配电系统发生单相接地故障后，接地相经过大地与电源中性点形成回路，故障电流为短路电流就比较大，继电保护应可靠、迅速而有选择性将故障切除。
电源中性点不接地以及经大电阻或消弧线圈接地的配电系统，接地故障［Earth fault］是指相线和电气装置的外露导电部分，以及大地间的短路，它属于单相对地故障，它和相线与中性线的单相短路无论在危害后果与保护措施上都十分不同。绝缘损坏或损伤是较常见的接地故障，此时为非金属性短路，短路电流随绝缘损坏程度不同差别比较大，故障电流相差也比较大。这就给继电保护选择与整定造成较大困难。绝缘损坏往往会带来人身电击伤害和火灾，因此必须采取一定措施限制故障电压升高和其作用时间，防范人体与危险电压的接触，并且要求电器装置的接地要合理可靠，并应有接地故障保护。
2 电源中性点不直接接地配电系统的单相接地故障与保护
2.1电源中性点不直接接地配电系统单相接地故障分析
我国目前6～10kV与35kV配电系统为小电流接地系统，其电源中性点有不接地、经大电阻或消弧线圈接地三种方式。正常运行时三相对地电容电流大小相等，相位各落后于相电压90度，电容电流分布与相量图。见图1。
图1中性点不接地系统单相接地电容电流分布与相量图
当发生单相接地故障时，电源中性点对地电位升高为相电压，故障相电位接近或等于地电位，其它两相对地为升高为线电压，其值为相电压的√3 倍。各相之间的电压大小和相位均无变化，仍然对称，这是电源中性点不接地配电系统发生单相接地之后仍可运行一段时间的主要原因，一般规定为1到2小时。
由图1可知发生单相接地后三相电压计算公式为：
Ua ＝ Ea－Ea ＝ 0
Ub ＝ Eb－Ea ＝√3× Ea ×e－j150°
Uc ＝ Ec－Ea ＝√3× Ea ×e＋j150°
电容电流分布见图2，向量图见图3。
图2单相接地时接地电容电流分布与单相接地保护原理分析示意图
图中：1—电缆头 2—电缆金属外壳 3—电缆头接地线 TAN—零序电流互感器
KA—电流继电器 I1～I6—通过线路对地分布电容C1～C6的接地电容电流
图2为电源中性点不接地配电系统单相接地保护原理分析示意图。发生单相接地故障后，零序电流互感器TAN1检测到单相接地故障电流后，驱动继电器KA发出报警或跳闸信号。
由于接地相电压对地降为零，非接地相对地电压升高√3 倍，非接地相对地电容电流比正常运行状态下也就升高 √3倍，假设A相接地，A相对地电容电流为零；B相与C相对地电容电流分别为：
Ib ＝jωC0 Ub ＝j×√3×ω×C0×Ea×e－j150°
Ic ＝jωC0 Uc ＝j×√3×ω×C0×Ea×e＋j150°
从接地点流回电源的接地电流数值上为其它两相对地电容电流之向量和：
IE ＝ －IA ＝IB＋IC ＝ j×ω×C0 ×（Ub ＋UC）＝－j×3×ω×C0×Ea
此时母线上的零序电压为：
U0 ＝ 1/3（UA＋UB＋UC）＝－Ea
三相线路的零序电流为：
I0 ＝ 1/3（IA＋IB＋IC）＝0
当母线上有若干回路引出时，每回路出线均有对地电容存在，各回路均有对地电容电流流入接地点，其数值为各回路其它两相对地电容电流之向相和：
3I0 ＝IB＋IC＝－j×3×ω×C0×Ea
流入接地点的总的接地电流为：
当发生单相接地故障时，未发生接地的各回路引出线路始端零序电流为本身正常时各相对地电容电流之和，方向为母线指向线路，相位上超前零序电压90度。
故障回路始端零序电流为全网络非故障回路各对地电容电流之和，其方向为由线路指向母线，相位上滞后零序电压90度。向量图见图3。
假设A相接地，对地电容
电流为：
Idc ＝√3×Ibc＋√3×Icc
＝√3×（Ibc＋Icc）
＝√3×（COS30°×Ibc
＋COS30°×Icc）
＝√3×（√3／2×Ibc
＋√3／2×Icc）
＝√3×√3×Ibc
＝3×Ib
图3单相接地时接地电容电流向量图
由以上分析可知，电源中性点不接地的配电系统发生单相接地时有以下三个特点。
（1）发生接地相对地电压降为零，非接地相对地电压升高为线电压，即为相电压的√3倍。
（2）单相接地后，三相间电压（线电压）大小不变，仍然对称，电源中性点不发生漂移。
（3）有多回路引出线时，非故障相上零序电流（3Io）大小等于线路本身各相对地电容电流之向量和，其方向为由母线指向线路，故障相上零序电流（3Io）大小等于所有非故障相线路各相对地电容电流之向量和，其方向由线路指向母线，并落后于零序电压90度。
2.2 电源中性点不直接接地配电系统单相接地绝缘监视
三相五柱式或三个单相电压互感器二次侧为YO/YO/开口三角形接线是中性点不直接接地配电系统单相接地绝缘监视常用的一种方案，除正常测量电压之外，再增加三只对地测量电压表或用一只电压表经过转换开关进行三相转换。正常时三个电压表指示均为零。当某相发生单相接地时，该相对地电压指示为零，非接地相电压升高为线相电压，由转换开关转换时，也可以轮流检测到接地相电压为零，非接地相电压为线相电压。
有开口三角形时，可以在开口三角形输出端接一块电压表进行指示，还可用一个电压继电器进行预告报警，正常时电压指示为零，或不平衡电压，电压继电器不工作。发生单相接地故障时，开口三角形上有电压输出，其大小为-EA，电压表指示为线电压，电压向量和超过电压继电器线圈电压整定值时，电压继电器吸合，常开接点发出预告报警信号。线路图见图4。
图4单相接地测量与报警电路图
用Y0/Y0/△电压互感器做单相接地的绝缘监视接线简单安装调试方便，在工业与民用建筑变电站得到普遍应用。它只能在变电站发生单相接地故障后发出报警信号，无法确定出是哪一个回路发生接地故障。这时就需要在规定的时间内，逐一拉闸来找出发生接地故障的回路，对于不允许短时停电或出线回路比较多时，就要选用单相接地选线或保护装置。
2.3供电电源中性点不直接接地配电系统单相接地小流接地选线装置
供电电源中性点不直接接地的配电系统相间发生短路故障，短路电流较大，电流保护动作后可将故障回路切除。当发生单相接地故障时，单相接地故障相的电容电流虽然有所增加，但其值比较小，很难使过电流保护动作。发生单相接地故障后，如果需要检测出是那一路发生单相接地故障，并发出报警或跳闸信号，就需要选用零序电流互感器或由三个电流互感器组成的零序电流滤序器以及配套的电流继电器进行报警，也可以选用微机型小电流接地选线装置进行报警或跳闸。
三个相同的电流互感器组成的零序电流滤序器主要用于架空线，零序电流互感器应用于电缆出线。在正常运行以及发生三相或相间短路时，穿过零序电流互感器的各相导线中的电流在铁芯中产生的磁通的向量和为零，二次绕组中没有感应电动势，也就不会产生感应电流。当发生单相接地时，单相接地回路对地电容电流增加，方向也发生变化，铁芯中产生的磁通向量和不为零，二次绕组中就会感应电流。由三个相同的电流互感器组成零序电流滤序器在发生单相接地故障后，三个电流互感器副边电流的向量和不为零，由于三个电流互感器的特性及误差很难完全一致，零序电流滤序器比零序电流互感器灵敏度要低很多。
每个回路安装零序电流互感器后，可选用微机型小电流接地选线装置，直接找出单相接地回路，不再需要逐路拉闸查找单相接地故障。有些变配电站综合自动化装置（微机保护）可以采集零序电流与电压进行单相接地保护，这时就不再需要选用微机型小电流接地选线装置。
3 供电电源中性点不直接接地配电系统单相接地保护的整定
单相接地故障保护的动作电流一般应大于本线路的零序电流：
式中：K 可靠系数，保护瞬时动作时可取4～5，保护延时动作时可取1.5～20。
Ici本线路三相对地电容电流之和，即 Ici＝3×I0i
Coi 本线路每相对地电容 Uφ 线路的相电压。
保护的灵敏系数为：
3I0n(min)为系统最小运行方式下发生单相接地时，所有非故障回路各相对地电容电流总和，它等于最小运行方式下全系统三相对地电容电流之和减去单相接地相对地电容电流。
选用零序电流互感器灵敏系数Ks取下限1.25，选用零序电流滤序器时灵敏系数Ks取1.5。各相对地电容电流总和Ic2可按以下公式进行近似计算：
式中：Ici 第i=1回路对地电容电流（A） UN 额定线电压（KV）
Lcab 各回路电缆线路的总长度（Km）。 Loh 各回路架空线路的总长度（Km）
也可以用实测方法求出各相对地电容电流来确定。采用变配电站综合自动化装置（微机保护）后，可利用变配电站综合自动化装置（微机保护）进行实测。
当供电电源中性点不直接接地的配电系统比较小时，发生单相接地故障后，故障回路零序电流和非故障回路的零序电流相差较小，单相接地故障保护灵敏度难以满足要求，此时就应考虑加装零序功率方向保护。由以上分析可知，故障线路零序电流由线路流向母线，相位上落后零序电压90度，非故障回路零序电流由母线流向线路，相位上超前零序电压90度，所选用的变配电站综合自动化装置（微机保护）有无此功能设计时应落实。
4 零序电流互感器的选型与安装
电缆要从零序电流互感器中穿过，选择零序电流互感器时要注意其内径可以穿过的电缆最大外经。零序电流互感器一次侧电流为20A与40A两种，二次侧电流为0.1A、0.2A与0.5A三种。一次侧电流根据全系统单相对地电容电流来选择，一般选20A。变配电站综合自动化装置（微机保护）零序电流输入电流为0～1A，二次侧电流应选0.5A。接地电容电流通过电缆金属外皮与大地流通，零序电流互感器安装位置以上部分要与电缆支架绝缘，并将电缆头及金属外皮的接地线穿过零序电流互感器以后再接地，这样流过金属外皮的电流就可以与流过接地线的电流相互抵消，保证测量的准确性。
5 10kV变配电站高压侧单相接地保护设计
5.1当前我国10 kV配电系统为电源中性点不直接接地系统，上一级变电站一般都有单相接地保护。当变配电站站内出线回路数较少时，可以采用Yo/Yo/△开口三角形进行绝缘监视。采用的变配电站综合自动化装置（微机保护）具有单相接地保护功能时，可在进线回路安装零序电流互感器，进行全站单相接地预告报警。在没有较长距离电缆出线引向车间变电站时，出线回路也可不安装零序电流互感器，也不需要设计小电流接地选线装置。
5.2 电站出线回路较多时，特别是在有电缆引出线引到车间变电站的情况下，可在出线安装零序电流互感器，母线发生单相接地故障机率很低，此时进线可以不安装零序电流互感器。采用的变配电站综合自动化装置（微机保护）具单相接地保护功能时，可不再选用小电流接地选线装置。
6 10kV变配电站变压器单相接地保护设计
6.1 10kV变配电站变压器高压侧单相接地保护
单相接地故障可利用绝缘监视进行预告报警，也可安装零序电流互感器利用电流继电器或具单相接地保护功能的变配电站综合自动化装置（微机保护）进行报警与跳闸。也可采用由三个电流互感器组成的零序电流滤序器取得保护动作电流，但由于精度低、较少采用。
6.2 10kV变配电站10kV变压器出线安装三个电流互感器时，可利用高压侧过电流保护作为低压侧单相接地故障保护的后备保护，保护的动作电流和动作时限与过电流保护相同，保护的灵敏系数按最小运行方式下，低压侧母干线末端单相接地时，流过高压侧保护电流互感器的短路电流来校验。
6.3 10kV变配电站变压器高压侧过电流保护与低压侧出线断路器保护，在低压侧母干线末端发生低压侧单相接地故障灵敏系数达不到要求时，应设置安装在变压器低压侧中性线上的零序电流互感器进行低压侧单相接地故障保护。它的整定要躲过正常运行时最大不平衡电流。按规定变压器的不平衡负荷不应超过额定容量的25％，保护装置动作电流还应与低压出线上单相接地保护相配合，保护的灵敏系数按最小运行方式下，低压侧母干线末端单相接地的稳态电流来校验，保护的动作时限一般取0.5秒。
电流互感器应安装于变压器中性线引出线上，如图5所示的a处，安装于b处时为剩余电流保护，它保护不了一相对中性线短路，这一点应引起注意。
图5低压零序电流互感器安装位置示意图
7 10 kV电容器单相接地保护
电容器安装与支架绝缘时可不装设单相接地保护。有电缆引出线时，可设计单相接地保护，高压侧装零序电流互感器，按最小灵敏系数为1.5考虑，其一次动作电流应小于电网电容电流除以灵敏系数1.5。
8 10 kV高压电动机单相接地保护
10 Kv高压电动机一般与10 kV变电站有一定距离，大都采用电缆引出，按有关规定单相接地电流大于5A时，应装设单相接地保护，大于10A时动作于跳闸，5至10A之间时动作于信号。采用的变配电站综合自动化电动机微机保护装置（微机保护）具单相接地保护功能时，可不再选用小电流接地选线装置。
9 220/380V低压配电系统接地故障及保护
9.1 220/380V低压配电系统接地是指电源中性点与电气装置的外露导电部分是否需要接地。前者需要根据电力系统继电保护要求来决定是否接地，后者是为了保证人身和设备的安全而进行必要的接地。电源中性点对地的关系，接地用字母T表示，不接地用字母I表示，电气装置外露导电部分与地的关系，接地与电源中性点连接后统一接地用N表示，不与电源中性点直接连接而单独接地用T，中性线用N表示，接地保护线用PE表示，二者合为一用PNE表示。在接地系统表示中，电源中性线与保护地线分开用S表示，合二为一用C表示。
220/380V低压配电系统根据应用场所不同分为TN－S、TN－C－S、TN－C、TT以及IT系统。
9.2 220/380V低压配电系统为TN－S、TN－C－S、TN－C与TT时，任何一相与电源中性线或地短路为单相短路，其短路电流比较大，继电保护必须能够可靠动作将故障切除。保护元件为低压熔断器与低压断路器。低压短路器已进入智能化，保护功能不断加强与改善，但还没有将计算机网络功能用于保护配合中，这是220/380V低压配电系统继电保护研究与开发的发展方向。
对于TN－S、TN－C－S与TN－C系统，单相接地故障与三个相线分别与电源中性线（N）短路、三个相线分别与保护地线（PE）以及电气装置外露导电部分短路故障造成的危害不完全相同。它不仅影响到配电系统的安全运行，发生单相接地故障后，为非金属性短路时，故障电流就比较小，容易引起电气火灾，对人身安全以及电子设备的安全与正常运行都会造成危害。除直接保护设施、间接保护措施以及电气接地措施外，漏电保护器（RCD）的应用也非常重要，这方面已有许多专著进行了详细论述，有关电气设计规范也作了规定，并开始执行国际电工委员会（IEC）标准。
