电力系统故障基础

电力系统故障分析基础知识
一、故障的概念：
电力系统故障一般分为简单故障和复合故障。

简单故障是电力系统正常运行时某一处发生短路或断相故障的情况。

复合故障是两个或两个以上简单故障的组合。

1、短路故障（横向故障）是电力系统正常运行情况以外相与相之间或相与地之间的短路。

（三相短路、两相短路、单相短路）
2、断相故障（纵向故障）是一相或两相断开的非全相运行。

3、引起短路故障的主要原因：各种形式的过电压，绝缘材料自然老化、脏污，直接机械损伤造成电气设备载流部分的绝缘损坏。

4、电力系统中发生短路故障时，故障点的证序电压最低，从故障点到电源逐渐升高，到电源点等于电动势。

故障点负序电压最高，逐渐向电源中性点降落，到电源中性点时，负序电压降到零值。

负序电压在传递过程中，不受变压器联结组别的影响。

障点零序电压最高，从故障点到中性点逐渐降落，在传递过程中，受到变压器联结组别的影响。

负序电压和零序电压，离故障点越远，数值越低。

5、在中性点直接接地系统中，如果短路故障发生时没有零序电流，可判断为多相故障，如果有零序电流，则是接地故障，就要判断是单相接地还是两相短路接地。

6、电压互感器断线相二次电压降低，非断线相保持不变；二次出现负序相电压，二次负序相电压不会低于8伏；开口三角形侧出现零序电压，该电压值不会低于40伏。

7、引入到保护装置的电压二次回路发生一相或两相断线时，会出现负序电压和零序电压，不会低于15伏。

一相断线后，加到继电保护装置上的电压值、相位均发生畸变。

8、电压互感器引出回路一相断线时，二次电压中有零序电压和负序电压出现，在19.25-28.87之间变化。

二、小电流接地系统概述
在中性点非直接接地电网中通常有以下三种方式，即中性点不接地方式；经消弧线圈接地方式；经电阻接地方式，此类系统在发生单相接地时，由于故障点的电流很小，而且三相之间的线电压基本保持对称，对负荷的供电没有影响，因此，在一般情况下都允许再继续运行1～2小时，而不必立即跳闸，这是采用中性点非直接接地运行的主要优点，但是在单相接地后，其他两相的对地电压要升高3倍，对设备的绝缘造成了威胁，若不及时处理可能会发展为绝缘破坏、两相短路，弧光放电，引起全系统过电压。

为了防止故障的进一步扩大，应及时发出信号，以便运行人员采取措施予以消除。

因此，在单相接地时，一般只要求选择性地发出信号，而不必跳闸。

但当单相接地对人身和设备的安全有危险时，则应动作于跳闸。

另外一种情况是，当中性点非直接接地系统发生单相接地故障时，接地点将通过接地线路对应电压等级电网的全部对地电容电流。

如果此电容电流相当大，就会在接地点产生间歇性电弧，引起过电压，从而使非故障相对地电压极大增加。

在电弧接地过电压的作用下，可能导致绝缘损坏，造成两点或多点的接地短路，使事故扩大。

为此，我国采取的措施是：当各级电压电网单相接地故障时，如果接地电容电流超过一定数值(35kV电网为10A，10kV电网为20A，3～6kV电网为30A)，就在中性点装设消弧线圈，其目的是利用消弧线圈的感性电流
来补偿接地故障时的容性电流，就可以减少流经故障点的电流，以致自动熄弧，保证继续供电。

该接地方式因电网发生单相接地的故障是随机的，造成单相接地保护装置动作情况复杂，寻找故障点比较难。

消弧线圈采用无载分接开关，靠人工凭经验操作比较难实现过补偿。

消弧线圈本身是感性元件，与对地电容构成谐振回路，在一定条件下能发生谐振过电压，给继电保护的功能实现增加了困难。

所以当电缆线路较长、系统电容电流较大时，也可以采用经电阻接地方式，即中性点与大地之间接入一定阻值的电阻。

该电阻与系统对地电容构成并联回路，由于电阻是耗能元件，也是电容电荷释放元件和谐振的阻压元件，对防止谐振过电压和间歇性电弧接地过电压，有一定优越性。

中性点经电阻接地的方式有高电阻接地、中电阻接地、低电阻接地等三种方式。

这三种电阻接地方式各有优缺点，要根据具体情况选定。

三、三种接地方法的特点
1、中性点不接地系统的特点：
①在发生单相接地时，全系统都将出现零序电压。

②在非故障相的元件上有零序电流，其数值等于本身的对地电容电流，电容性无功功率的方向为由母线流向出线，即零序电流超前零序电压90°。

③在故障线路上，零序电流为全系统非故障元件对地电容电流之总和，数值一般较大，电容性无功功率的实际方向为由线路流向母线，即零序电压超前零序电流90°。

2、中性点经消弧线圈接地系统的特点：
①当采用完全补偿方式时，流经故障线路和非故障线路的零序电流都是本身的电容电流，电容性无功功率的实际方向都是由母线流向出线，在这种情况下，利用稳态零序电流的大小和功率方向都无法判断出哪一条线路上发生了故障。

②当采用过补偿方式时，流经故障线路的零序电流将大于本身的电容电流，而电容性无功功率的实际方向仍然是由母线流向线路，和非故障线路的方向一样，在这种情况下，首先就不能用功率方向来判断故障线路；其次由于过补偿度不大，也很难利用零序电流大小的不同来找出故障线路。

3、中性点经电阻接地系统的特点：
①可以有效地抑制弧光接地过电压。

这对运行多年的、设备绝缘弱点较多的老电网，或具有直配发电机的电网，或绝缘较低的电缆网络，均有提高运行安全可靠性的明显作用。

②可以降低设备绝缘水平，提高经济效益。

对于电缆、干式变压器等投资较高的设备，降低绝缘水平的经济效益十分明显。

③运行方式灵活。

为提高城市电网的供电可靠性，不少用电线路及用户常由多路电源供电，在线路切换时，往往会改变系统的电容电流，从而影响消弧线圈的调谐方式，而采用中性点经电阻接地方式，则无此弊病。

④发生永久接地时，能迅速切除故障，具有明显的安全性。

可以防止间隙性电弧接地过电压和谐振过电压等对设备的损害。

为了保证供电系统的稳定性，我们国家35kV/10kV配电系统，采用中性点不接地系统运行。

这样的好处是：当有一相接地后，大地就变成一相，和中性点及另外两相保持正常的相位关系，相电压线电压保持不变，线电流相电流也
保持不变，变压器、负荷都可以正常运行中性点不接地系统单相接地后虽然可以正常运行，但线路接地后，另两相对地变成了线电压，如果再有一相接地，就变成了两相接地短路的严重事故，所以规程规定，线路接地后，要在2小时之内找到原因排除故障，2小时之内故障还存在，就要停电处理。

开口三角主要是绝缘检查用的。

开口三角是指电压互感器三相的三个二次绕组的接法，三相二次绕组按三角形接线连接，但最后有一点不连上，即构成开口三角，即A相的头和C相的尾不接上，而是引出，C相的尾一般接地，A相的头连接到电压继电器。

正常情况下，开口三角上没有电压，当发生系统单相接地时，电压互感器一次绕组就会有一相上无电压，造成对应的二次绕组上也无电压，则开口三角上就会出现100V电压，电压继电器动作，或报警或跳闸。

电压互感器二次输出线电压为100V，正常情况下，开口三角形的开口电压为零（三相平衡，矢量和为零），当发生单相接地短路，只有另外两相的电压矢量相加，开口处的电压就是正常两相的线电压，当然就是100V了。

35KV是中心点不接地系统，当发生单相接地故障时，三相都有零序分量出现，并在电压互感器二次侧感应出来的。

而三相电源系统中，零序电分量的相序是一致的，所以开口三角处会出现单相零序电压的3倍电压，而我国将继电保护动作电压规定为100V，所以对于35KV这样的中心点不接地系统来讲，要求电压互感器二次侧的每一相零序电压都是100/3V，三相的零序电压叠加就是100V，于是在开
口三角形的开口处电压为100V。

而110KV是中心点直接接地系统，当发生单相接地故障时，故障相对地电压为零，而其他两相对地的电压还是相电压。

原来的三相电压向量和是零，当发生单相接地故障后，接地相电压为零，于是其余两相电压的向量和就是故障相的电压，在电压互感器的二次侧，两相非故障相的正常电压向量和，正好还是100V并出现的三角形绕组的开口处。

要注意，在110KV系统中的电压互感器二次侧的开口三角有一点是接地的。

从理论上分析，当电气设备中性点采用不接地方式时，由于需考虑设备或系统线路在发生单相接地故障时接地点有较大电容电流流
过(可能达到正常工作时单相对地电容电流的3倍)，产生强烈的、不能自行熄灭的电弧，损坏设备；而此时，中性点处对地电压升为相电压，非故障相电压升为线电压，因此，设备的中性点处绝缘应按相电压绝缘考虑，设备各相的绝缘应按线电压绝缘考虑，设备制造的复杂性和成本因而增加。

若设备的中性点采取直接接地方式，考虑设备或系统线路在发生单相接地故障时，中性点处对地电压仍为零，非故障相电压不会升高，仍为相电压；故设备的中性点处绝缘和各相的绝缘仍按正常时情况考虑，不必升高，设备造价相对低一些。

但此时故障点的电容电流很大，甚至可能超过三相短路时电流，造成故障点、设备中性点构成的回路中流过的电流很大，引起事故并扩大；故线路上需加装断路器，在继电保护装置的配合下跳闸，及时将故障相切除，消缺后又自动重
合闸。