貫通線三相不平衡引發(fā)虛假接地故障的分析

閆 平，董 菲

0 引言

國內(nèi)10 kV 電力貫通線普遍采用中性點(diǎn)不接地和中性點(diǎn)接消弧線圈2 種方式，單相接地故障（小電流接地故障）是10 kV 電力貫通線頻繁發(fā)生故障的主要原因；現(xiàn)場(chǎng)對(duì)小電流接地故障主要是通過零序過電壓、零序過電流為特征進(jìn)行判別。10 kV電力貫通線三相不平衡也能引發(fā)零序過電壓現(xiàn)象，可能會(huì)造成誤判即虛假接地，給現(xiàn)場(chǎng)判斷和及時(shí)檢修帶來一定困難，給運(yùn)營單位的檢修質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益帶來較大影響。

文獻(xiàn)[1]為解決小電流接地系統(tǒng)高阻接地故障檢測(cè)的難題，發(fā)明了基于接地故障電阻測(cè)量的高阻接地保護(hù)方法，該方法簡(jiǎn)單實(shí)用，被廣泛引用在現(xiàn)場(chǎng)當(dāng)中。文獻(xiàn)[2]針對(duì)汕頭特區(qū)的配電網(wǎng)采用小電阻接地方式出現(xiàn)的問題及處理方法作了分析。文獻(xiàn)[3]著重介紹了經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)最新采用的并聯(lián)中值電阻選線方法，并取得較好的效果。文獻(xiàn)[4]提出了加裝小接地電流系統(tǒng)消弧、過壓、感電保護(hù)裝置的方案。文獻(xiàn)[5]運(yùn)用相關(guān)分析方法，通過計(jì)算各出線零序電流和母線零序電壓導(dǎo)數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)實(shí)現(xiàn)故障選線，采用該方法可以減小過渡電阻和故障初相角的影響。文獻(xiàn)[6]介紹了基于零序功率方向和5 次諧波分量法的在線定位方法。文獻(xiàn)[7]和文獻(xiàn)[8]對(duì)10 kV 電力系統(tǒng)中幾種虛假接地故障進(jìn)行了分析。

本文針對(duì)貫通線三相不平衡導(dǎo)致的零序過電壓現(xiàn)象，對(duì)10 kV 電力貫通線進(jìn)行了理論分析和計(jì)算；采用消弧線圈并聯(lián)電容消除線路中的串聯(lián)諧振現(xiàn)象，能有效解決該種虛假接地故障和小電流接地故障判別問題。

1 小電流接地故障分析

配電網(wǎng)中采用中性點(diǎn)不接地或者接消弧線圈和高阻接地運(yùn)行的三相系統(tǒng)，當(dāng)某一相發(fā)生接地故障時(shí)，由于不構(gòu)成短路回路，接地故障的電流比正常負(fù)荷下的負(fù)荷電流小很多，該系統(tǒng)被稱為小電流接地系統(tǒng)。對(duì)于小電流接地故障的研究已有很多的探討，其中對(duì)中性點(diǎn)不接地運(yùn)行方式發(fā)生單相接地故障的處理，已經(jīng)比較有效，采用測(cè)量各個(gè)饋線出口處的故障前和故障后零序電壓、零序電流的幅值和相位，對(duì)測(cè)量到的值進(jìn)行比較，經(jīng)過分析和計(jì)算后得出哪條饋線發(fā)生了單相接地故障，該方法能有效地克服電流互感器引發(fā)的三相不平衡問題。隨著電網(wǎng)中電纜用量的增大，系統(tǒng)對(duì)地的電容電流（零序電流）不斷增大，為減少單相接地帶來的電容電流的增大，采用中性點(diǎn)接消弧線圈的運(yùn)行方式，補(bǔ)償電網(wǎng)的電容電流使得接地點(diǎn)的殘流減小，有利于滅弧。

當(dāng)貫通線三相不平衡時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)終端設(shè)備FTU報(bào)警（零序過電壓），與小電流接地信號(hào)設(shè)備檢測(cè)出來的情況類似，很難確定到底是什么原因引起的FTU 報(bào)警。由于10 kV 電力架空線路發(fā)生故障不集中，受自然條件影響較大，電力工通過巡視也很難找到問題發(fā)生的原因，所以有必要分清是單相接地還是虛假接地引發(fā)的零序過電壓。

2 貫通線虛假接地故障理論分析

引起零序過電壓現(xiàn)象有很多原因，本文僅研究中性點(diǎn)接消弧線圈運(yùn)行方式下，因三相不平衡（線路不平衡）而引發(fā)的虛假接地故障。由于工作需要，增加配電所饋出的電纜數(shù)量，隨著電纜數(shù)量和長(zhǎng)度的增加，消弧線圈很難及時(shí)調(diào)整參數(shù)，以達(dá)到較好的配合度；中性點(diǎn)接消弧線圈采用欠補(bǔ)償和全補(bǔ)償容易產(chǎn)生串聯(lián)諧振，形成較高過電壓；當(dāng)三相不平衡時(shí)，消弧線圈會(huì)加劇系統(tǒng)的不平衡造成虛假接地故障。

2.1 貫通線正常運(yùn)行電壓偏移

一條由架空線路 LGJ-70 和電纜線路YJLV22-8.7/10-3×95 混合架設(shè)的線路，導(dǎo)線的幾何均距為0.935 m，變壓器分別采用SL7-400、SL7-250、SL7-315，且功率因數(shù)cosφ = 0.8。線路的距離和具體變壓器的分配如圖1 所示。

架空線路 LGJ-70：Zk= 0.446 4 +j0.335 6 Ω/km，Ck= 9.94×10-9F/km。

電纜線路YJLV22-8.7/10-3×95：Z1= 0.246 7 +j0.103 Ω/km，C1= 2.4×10-7F/km。

電力變壓器SL7-400、SL7-250、SL7-315 參數(shù)見表1。

由圖1 可知，實(shí)線為架空線路，虛線為電纜線路；將變壓器低壓側(cè)負(fù)荷歸算到高壓側(cè)。變壓器高壓側(cè)的計(jì)算負(fù)荷：

同理可得，Se= 0.256 9 + j0.208 1(MV·A)，Sf=0.323 2 + j0.2262 2(MV·A)。將圖1 簡(jiǎn)化為圖2，求取貫通線正常運(yùn)行時(shí)，配電網(wǎng)中各個(gè)負(fù)荷點(diǎn)的電壓損失及其電壓偏移。

同理可得，ΔUAe= 514.5 V，ΔUAe%= 5.145＜7；ΔUAd= 414.6 V，ΔUAd%= 4.146＜7。由此可以得出，以上電壓偏移完全符合要求。

由以上計(jì)算可知，若供電線路增長(zhǎng)或者增加饋出電纜的線路，就會(huì)導(dǎo)致電壓偏移增大。

圖1 10 kV 貫通線電路示意圖

表1 電力變壓器的各項(xiàng)參數(shù)值表

圖2 10 kV 貫通線等值電路示意圖

2.2 三相不平衡導(dǎo)致零序過電壓

一般來說，貫通線三相不平衡主要原因有：變壓器三相繞組中某相繞組發(fā)生異常，輸送出來不對(duì)稱電壓；三相負(fù)荷在貫通線分布不均或線路參數(shù)不平衡；動(dòng)力、照明混合混用，其中單相負(fù)荷較多，如家用電器、電爐、焊機(jī)、車站信號(hào)電源等過于集中使用三相中的某相交流電，或單相用戶增容。

若貫通線發(fā)生三相不平衡時(shí)，線路中的電容電流較正常時(shí)增大，故此在分析電路時(shí)，必須考慮電納的影響；在中性點(diǎn)接消弧線圈運(yùn)行方式下，消弧線圈與架空線路、電纜線路對(duì)地點(diǎn)電容發(fā)生串聯(lián)諧振，并且加劇電壓偏移，使得系統(tǒng)越來越不平衡。

圖3 貫通線等值電路示意圖

在圖3 中，以f 點(diǎn)零序過電壓為研究對(duì)象并對(duì)圖3 中的電路進(jìn)行簡(jiǎn)化，可將其等效為圖4。

圖4 零序過電壓原理示意圖

由圖4 的零序電路得出方程：

圖4 中C 為整個(gè)電路的對(duì)地電容之和，L 為消弧線圈的電感，Za0為線路上阻抗，Ufa0為f 點(diǎn)處的零序電壓值。為了便于分析，令Za0= a+ jb =2.849 5+j2.126 2 (Ω)。應(yīng)用基爾霍夫第一定律將式（1）簡(jiǎn)化為

應(yīng)用2.1 節(jié)的Ck和C1經(jīng)過分析和計(jì)算可得出，C = 127.34 μF。一般消弧線圈采用過補(bǔ)償，令L=1.08C = 86.02(mH)。因?yàn)楦鞣N原因，線路對(duì)地電容增大導(dǎo)致零序（電容）電流增大，破壞了電感電流和電容電流的平衡狀態(tài)，如表2 所示。

表2 對(duì)地電容增大時(shí)線路各參數(shù)一覽表

目前，國標(biāo)規(guī)定，10 kV 電力系統(tǒng)的零序過電壓不得大于30 V，零序過電流不得大于10 A。由表2 看出，在發(fā)生單相增容、饋電線電纜線路增多、C 和L 發(fā)生串聯(lián)諧振，使整體線路對(duì)地電容增大，由此可見，線路的零序過電壓增大會(huì)產(chǎn)生貫通線電壓偏移變大，導(dǎo)致三相系統(tǒng)更加不平衡，就會(huì)產(chǎn)生FTU 裝置的零序過電壓報(bào)警，增加現(xiàn)場(chǎng)工作人員排查故障的難度。

3 針對(duì)虛假接地故障采取的措施

一般來說，采用中性點(diǎn)接消弧線圈的三相系統(tǒng)中，發(fā)生虛假接地故障的原因主要是電容電流和電感電流不能相互匹配。線路對(duì)地電容不平衡或增大，就會(huì)使零序電流增大。通過改變消弧線圈的電感，會(huì)加大成本投資，而且往往很難及時(shí)調(diào)整消弧線圈的電感。針對(duì)該情況，采用較為成熟的電容投切技術(shù)，破壞形成串聯(lián)諧振的條件，使電路遠(yuǎn)離諧振點(diǎn)，避免對(duì)小電流接地和虛假接地故障的誤判，如圖5 所示。

由圖5 可知，并聯(lián)電容投切相當(dāng)于增大線路中的總電容量，使電路遠(yuǎn)離諧振點(diǎn)，避免零序過電壓，計(jì)算數(shù)據(jù)如表3。

圖5 抑制串聯(lián)諧振電路圖

由表3 計(jì)算結(jié)果可知，并聯(lián)電容投切可以有效抑制零序過電壓，能夠滿足判別貫通線虛假接地和小電流接地故障。電容投切采用電壓過零投切，消除故障后退出系統(tǒng)避免激發(fā)更大的過電壓。

表3 遠(yuǎn)離諧振點(diǎn)計(jì)算結(jié)果表

4 結(jié)語

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際終端設(shè)備（FTU）測(cè)試能力和FTU 故障報(bào)警的實(shí)際情況，通過分析正常情況下貫通線潮流分布和電壓偏移情況；同時(shí)也分析了因?yàn)槿嘞到y(tǒng)對(duì)地電容分布不平衡（三相不平衡）所導(dǎo)致虛假接地故障，得出抑制零序過電壓可以有效地判別小電流接地和虛假接地2 種故障，減少人力、物力、財(cái)力的支出，能有效地提高公司的經(jīng)濟(jì)效益。

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