田晓鹤
呼和浩特铁路局集团有限公司呼和浩特供电段 010000
摘要：单相接地是铁路10KV电力线路最常见故障，本文对铁路电力线路发生单相接地时系统的电压、电流进行分析。并跟据正常运行小电流接地系统三相电压对称，发生接地时，接地相对地电压降低，非接地相对地电压升高的原理在配电所设置绝缘监视装置,用以快速查明故障。
关键字：中性点不接地系统 接地 绝缘监视
铁路电力系统的10千伏电力线路，大多采用中性点不接地的运行方式，又称为小电流接地系统。由于带电导体之间存在电容，所以电力线路的三相导线之间各相对地之间，沿导线全长都分布有电容，尤其是铁路电力系统的负荷小，线路较长，沿导线的分布电容就更大一些。
一、 系统的正常运行
小电流接地系统正常运行时，三相系统是对称的，将沿导线分布的电容用一集中电容代替，并忽略相间电容不计。如图1-1所示。由于系统正常运行时，三相对地电压UA UB UC是对称的，各相导线的长度是相等的，各相导线对大地的距离也基本相同，各相对地的电容电流ICO也是对称的，中性点虽然未接地，但中性点电位与大地同为零电位。
图1-1
二、系统发生单相接地时
小电流接地系统发生单相接地（假设为单相金属B相接地）时，原来的中性点为零电位变为接地相B相为零电位，而中性点则变为相电位。从这一点上可以认为，接地后与接地前接地相的相电压向量恰好调转180°.从图2-1可以看出，各相对地的电压UA UB UC 已变化为B相接地后的UA′ UB′ UC′
既：UA′=UA+（-UB）=UA-UB=-UAB
UB′=UB+(-UB-UB)=0
UC′=UC+(-UB)=UC-UB=UCB
从图2-1可以明显的看出，在B相接地之后，原来三相对称的关系不复存在，中性点发生了位移。各相之间的线电压在数值上是与原来相同的，但在相位上已经发生了变化。接地以后的中性点与大地之间已不是同为零电位，中性点的电位上升为相电位，此时大地的电位不再和中性点相等，而和接地相B电位相等。A、C两相对B相位，也就是所A、C两相对地电位比接地前提高了√3倍。既︳U′A︳= ︳U′C︳=√3︳UA︳, UA′和UC之间的夹角为60°A、C两相对大地电位升高了√3倍，其结果必然引起未接地相对大地的电容电流比接地前的Ico大√3倍，既Ica=Icb=√3Icc而原来接地前各相对地电容电流是相等的，为Ica=Icb=Icc。接地后，未接地相电容电流由于对地电位的升高，电容电流随之升高，接地相的电容电流为零。因为接地相的对地电压为零。
根据电工基础中的节点定律可知，在接地点处的电流应为：IB+(I′CA+I′CC)=0或IB=(I′CA+I′CC)。式中IB接地后的接地相接地电流，它在数值上等于未接地相电容电流向量之和，方向与向量之和相反。从图2-2上可以看出，接地前各相的Icc是 相等的。接地后未接地两相的电容电流仍然在数值上相等，但是比接地前的各相电容电流大√3倍，在相位上超前于接地相电压UA′、UC′相位90°。未接地相电容电流向量相加之后，数值上又增大√3倍，它等于接地相B相的接地电流。最后的结论是：接地相接地电流等于接地前各相对地电容电流的3倍。
从向量图可得出如下数学关系：
IB=√3ICA′=√3√3 ICC= 3ICO
电力线路电容电流计算分式为：
IC0=UΦ/XC
所以:IB=3Ico=3Uoωc
式中：UΦ ——正常运行时的相电压，千伏；
ω ——角频中，弧度每秒；
C——相对地的电容.法。
上式中除电容C的数据以外，其他数据都容易得到。为了避免求C值的困难，在实际中可用下式近似求得接地电流IB。
架空线路：IB=UI/350
电缆线路：IB=UI/10
式中:U——电网的线电压
I——不接地系统同一电压等级线路长度之和，公里。
经消弧线圈接地时，应采用过补偿的电感补偿方式以避免引起电力系统的串联谐振过电压。
图2-1
图2-2
三、小电流接地系统的保护
从以上分析中得出如下结论：
3.1小电流接地系统发生单相接地时，各相之间的线电压关系不变，不影响向用户继续供电，所单相接地只列为不正常工作状态。
3.2小电流接地系统发生单相接地时，中性点电位升高。在金属性接地的情况下中性点电位由原来的零电位升高为相电压，接地相对地电位为零；未接地相对电位√3倍相电压。由于非接地相对地电位升高，有可能制造成非接地相的接地，既形成第二点接地和两相对地短路，尤其时发生间歇性电弧接地引起系统的瞬间过电压时，发生第二点接地的可能性更大。
四、关于交流绝缘监视装置的设置
图4-1是利用三只单相电压互感器构成的绝缘监视装置。三只电压互感器的高、低压侧都为星形接法，目的是为了测量对中性点电位的变化。电压互感器一次线圈接地是为了测量非接地相对地之间电压，二次线圈的中性点接地是为了人身安全。但系统发生金属性接地时，如B相发生金属性接地时，B相电压表指示数大于零但低于相电压，A、C相电压表指示数大于相电压但低于线电压。如此不但可以判别是那一相接地，而且可以观察出接地状态。如不能发现时可利用停电后再送电的办法对各馈出电力线路逐一的进行选线。
图4-1
在6～10千伏的小电流接地系统中常采用三相五柱式电压互感器来构成交流绝缘监察装置，其中一个绕组接成星形，别一个绕组接成开口三角形，在单相接地时就从开口三角端子上输出的零序电压：ULN=Ua+Ub+Uc系统正常运行时，三相电压对称，其数值大小相等，相位互差120°。三相电压的向量和为零，开口三角输出零序电压为零，输出端接的电压继电器不会动作。假设在系统发生A相金属接地时，UA′=0，UB′和UC′在数值上升高了√3倍，在相位上相差60°。开口三角形绕组中三相电压相加后输出不为零，即ULN=UB′+UC′=3UO。其零序电压输出等于100伏。向量关系如图4-3所示。由于电压互感器在设计时考虑到一次单相金属性接地时，令其二次开口三角形接线输出电压3UO=100伏。也就是说发生非金属性接地时，零序电压输出将小于100伏。
结论: 利用三相五柱互感器或三台单相电压互感器组合使用,电压互感器一组二次线圈来满足电压、电能等电气参数测量及继电保护、自动装置的需要,另一组二次线圈首尾相接串连成一个开口三角形,可作为高压系统绝缘监测、单相接地报警使用。铁路贯通、自闭线路单相接地故障高达80%,铁路配电所微机保护装置与绝缘监察装置配合使用能够有效判别线路故障相别,为故障查找抢修提供可靠依据。
参考文献:
钱清泉《微机监控系统原理》,《中国铁道出版社》 1997
《电力设备运行与维护》华兴玉编著,中国铁道出版社 1995年第一版
陈生贵《电力系统继电保护》，重庆大学出版社，2004
张儒、胡学鹏等，《变电站综合自动化原理与运行》，中国电力出版社，2008