小電流接地系統(tǒng)電壓判定方法分析

蘭　嵐

（國網(wǎng)江蘇省電力公司南京供電公司，江蘇 南京　210019）

小電流接地系統(tǒng)電壓判定方法分析

蘭嵐

（國網(wǎng)江蘇省電力公司南京供電公司，江蘇 南京210019）

針對小電流接地系統(tǒng)中存在的接地、斷線、鐵磁諧振、壓變?nèi)劢z熔斷、對地電容不對稱、耦合零序電壓等異?，F(xiàn)象，提出了基于最大和與最小差的小電流接地系統(tǒng)電壓判定方法，并對所提的電壓判定方法進(jìn)行了實際應(yīng)用，進(jìn)一步總結(jié)了電壓判定方法失效的主要原因，為調(diào)度員快速判斷電壓異常原因提供了借鑒。

小電流接地系統(tǒng)；最大和；最小差；電壓判定

0　引言

6-35 kV配電網(wǎng)通常采用中性點(diǎn)非有效接地方式（即小電流接地系統(tǒng)），在發(fā)生單相接地故障（占線路總故障的70 %-80 %）后，因不構(gòu)成短路回路，線電壓保持對稱，不影響對用戶的供電，因此不必立即切除故障線路，允許帶電運(yùn)行2 h。

實際電網(wǎng)運(yùn)行中，小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時一相電壓為零，另兩相電壓升高為線電壓的情況是一種理想的情況，而大多數(shù)情況下由于接地程度不同（過渡電阻），電壓信息有時不明顯。此外，系統(tǒng)發(fā)生鐵磁諧振、斷線等異常時，也會伴有一定的電壓異常，只要電網(wǎng)三相對地電壓不對稱使得中性點(diǎn)發(fā)生位移，位移電壓達(dá)到接地監(jiān)視裝置的整定值（二次值一般整定為15-30 V），即發(fā)出接地告警。

對電網(wǎng)而言，不論是接地，還是斷線、鐵磁諧振、壓變?nèi)劢z熔斷、對地電容不對稱、耦合零序電壓，均是不正常的運(yùn)行狀態(tài)。尤其在接地故障下故障點(diǎn)存在電弧，可能引發(fā)火災(zāi)事故，健全相過電壓可能損壞絕緣并引發(fā)相間故障。

為此，配網(wǎng)調(diào)度員需從電壓信息中準(zhǔn)確判斷產(chǎn)生電壓異常的原因，判定是否為接地故障，進(jìn)而采取相應(yīng)的處理措施。目前，小電流接地系統(tǒng)電壓主要依靠調(diào)度員的工作經(jīng)驗進(jìn)行判定。以下從已有的配電網(wǎng)電壓異?，F(xiàn)象分析結(jié)果入手，分析接地故障及各類假接地的本質(zhì)區(qū)別，提出基于最大和與最小差的小電流接地系統(tǒng)電壓判定方法，為調(diào)度員快速判斷電壓異常原因提供必要的參考。

1　小電流接地系統(tǒng)異常狀態(tài)分析

1.1單相接地

以中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)發(fā)生A相接地為例，此時中性點(diǎn)位移電壓公式為：

圖1　A相接地故障時三相電壓及中性點(diǎn)電壓相量

為表示出各相電壓的大小關(guān)系，引入表示接地程度的接地系數(shù)K，則有：

式（2）中：Ud0為中性點(diǎn)位移電壓值；UA0為故障前相電壓值；UAd，UBd，UCd為故障后三相電壓值；K為接地系數(shù)；θ為A0與d0夾角。

K越小，表明接地越不明顯，過渡電阻越大。A相接地故障時，三相電壓大小隨K的變化規(guī)律如圖2所示。

圖2　A相接地故障時三相電壓隨K的變化規(guī)律

由圖2可知，A相接地故障時，C相電壓總是高于A，B相電壓。以A→B→C→A為序，則相電壓最高相的下一相即為接地相。

如果中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地，則式（1）中需考慮消弧線圈電感對電容的補(bǔ)償，即：

式（3）中：L為消弧線圈電感值，ω為電流角頻率配電網(wǎng)中通常采用過補(bǔ)償，因此有：

故中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地時，圖1中d點(diǎn)運(yùn)動軌跡將在以O(shè)A為直徑的左半圓，此時B相電壓總是高于A，C相電壓。以A→B→C→A為序，則相電壓最高相的上一相即為接地相。

1.2線路一相斷線

線路發(fā)生A相斷線但不接地時，A相對地電容減小，從而引起中性點(diǎn)電壓偏移。此時，中性點(diǎn)位移電壓公式為：

式（5）中：CA為斷線后A相對地電容，CB，CC為B，C相對地電容，CB=CC，α為A，B，C相之間相角差的向量，幅值為1，角度為120°。

由此可得出，A相斷線時三相電壓及中性點(diǎn)電壓相量，如圖3所示。

圖3　A相斷線時三相電壓及中性點(diǎn)電壓相量圖

為表示出各相電壓的大小關(guān)系，仍引入反映斷線程度的系數(shù)K，則有：

K越小，表明斷線越不明顯，越靠近線路末端。

A相斷線時，三相電壓隨K的變化規(guī)律如圖4所示。

由圖4可知，A相斷線時，A相電壓總是高于B，C相電壓，且B，C相電壓總是相同。因此，相電壓最高相即為斷線相。

圖4　A相斷線時三相電壓隨K的變化規(guī)律

1.3線路兩相斷線

線路發(fā)生B，C相斷線但不接地時，B，C相對地電容減少，從而引起中性點(diǎn)電壓偏移。此時，中性點(diǎn)位移電壓公式為：

式（7）中：CA為A相對地電容；CB，CC為斷線后B，C相對地電容，CB=CC；α為A，B，C相之間相角差的向量，幅值為1，角度為120°。

由此可得出，B，C相斷線時三相電壓及中性點(diǎn)電壓相量圖，如圖5所示。

圖5　BC相斷線時三相電壓及中性點(diǎn)電壓相量圖

K越小，表明斷線越不明顯，越靠近線路末端。B，C相斷線時，三相電壓隨K的變化規(guī)律如圖6所示。

圖6　B，C相斷線時三相電壓隨K的變化規(guī)律

由圖6可知，B，C相斷線故障時，A相電壓總是低于B，C相電壓，且B，C相電壓總是相同。因此相電壓最低相即為非斷線相。

1.4鐵磁諧振

鐵磁諧振是由于變壓器、電壓互感器等鐵磁電感的飽和作用所引起的持續(xù)性、高幅值諧振過電壓現(xiàn)象。諧振回路中鐵芯電感為非線性的，電感量隨電流增大、鐵芯飽和而趨于平穩(wěn)。

鐵磁諧振需要一定的激發(fā)條件使電壓、電流幅值從正常工作狀態(tài)轉(zhuǎn)移到諧振狀態(tài)，如線路瞬時弧光接地或斷路器合閘時電源電壓暫時升高。激發(fā)因素消失后，鐵磁諧振存在自保持現(xiàn)象，過電壓仍然可以繼續(xù)長期存在。

由于鐵磁諧振與設(shè)備參數(shù)、電氣接線有密切關(guān)系，量化起來較為困難，現(xiàn)進(jìn)行定性分析。由于對地電容和互感器的參數(shù)不同，可能產(chǎn)生基波諧振、高頻諧波諧振和分頻諧波諧振3種頻率的諧振。3種頻率共振的表現(xiàn)形式如下：

（1） 當(dāng)發(fā)生基頻諧振時，一相對地電壓降低，兩相對地電壓升高且超過線電壓，或者二相電壓降低，一相電壓升高，以前者為常見；

（2） 當(dāng)發(fā)生高頻諧振時，三相電壓均升高，且過電壓很大；

（3） 當(dāng)發(fā)生分頻諧振時，三相電壓均升高，但過電壓較小。

1.5電壓互感器熔絲熔斷

在電網(wǎng)運(yùn)行過程中，雷擊、鐵磁諧振及短路都可能產(chǎn)生過電壓，從而使電壓互感器熔絲熔斷。當(dāng)高壓熔絲熔斷時，正常相的電壓指示正常，熔斷相考慮存在感應(yīng)電壓，熔斷相電壓不為0，但比正常指示小得多。當(dāng)?shù)蛪喝劢z熔斷時，正常相的電壓指示正常，熔斷相電壓降低為0。

1.6耦合電容傳遞零序電壓

變壓器高壓側(cè)存在的不對稱電壓經(jīng)變壓器繞組間的電容傳遞至低壓側(cè)，使低壓側(cè)產(chǎn)生電壓偏移，當(dāng)零序電壓達(dá)到整定值時，即出現(xiàn)接地告警。此外，平行線路間的電容傳遞，也會使線路過電壓傳遞給正常線路，引起正常線路電壓偏移。

這一類現(xiàn)象所引起的電壓規(guī)律不明顯，只是呈現(xiàn)三相電壓不同，但可依據(jù)高電壓等級母線電壓及附近變電站同電壓等級母線電壓的情況進(jìn)行判斷，如均無異常，可排除耦合電容傳遞零序電壓引起的電壓波動。

1.7短時電壓異常

開關(guān)三相動作不同時會造成三相對地電容短時間不平衡，從而出現(xiàn)短時電壓偏移。雷雨天氣時雷電感應(yīng)過電壓類似于階躍波，使得零序電壓中低頻分量增大，也可能發(fā)短時接地告警。但這些電壓異?，F(xiàn)象時間較短，易于判斷，對電網(wǎng)影響不大。

2　小電流接地系統(tǒng)電壓判定原理

基于上述分析，在理想情況下，可依據(jù)電壓變化判定系統(tǒng)異常。若定義最大和UCd為三相電壓中任兩相和的最大值，最小差Ur為三相電壓中任兩相差的絕對值最小值，取標(biāo)幺值，基準(zhǔn)值為相電壓。那么，可根據(jù)表1的數(shù)值來判斷各類異常。

但在實際情況下，會存在如下問題。

（1） 臨界點(diǎn)的判斷將存在誤差。由于接地程度或斷線程度不會太輕，因此認(rèn)為K＞0.2，即接地、斷線時最大和將大于2.1。

表1　各類異?，F(xiàn)象對應(yīng)的最大和、最小差

（2） 正常情況下電網(wǎng)允許電壓波動在±5 %內(nèi)，因此不可能存在絕對0。為此，引入制動原理，借助最小差來實現(xiàn)0的測定。同時，當(dāng)Ur在0附近時，判定準(zhǔn)確率將降低，為此，針對邊界區(qū)域補(bǔ)充了驗證算法，即，

對于一相斷線故障，應(yīng)滿足：

對于單相接地故障，應(yīng)滿足：

（3） 單相接地在K=0，0.5，1時，與斷線所呈現(xiàn)的電壓特征相近，無法判別。

由此可以得出電壓判定流程，如圖7所示。

3　小電流接地系統(tǒng)電壓判定方法的實際應(yīng)用

為檢驗上述電壓判定方法的適用性，對某配電網(wǎng)2015年178次電壓異常數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判定，并比對現(xiàn)場實際的查線結(jié)果，發(fā)現(xiàn)共145次判定正確，正確率為81.46 %。

實際應(yīng)用的判定界面如圖8所示，當(dāng)值調(diào)度員只需在界面上輸入三相電壓值和電壓等級，即可初步判定系統(tǒng)異常情況。10組判定正確的情況如表2所示，5組判定錯誤的情況如表3所示。

由表2和表3可以看出，電壓判定方法失效主要來自以下原因：

（1） 所分析的異常因素不包括實際現(xiàn)場的設(shè)備缺陷原因，如總控遙測板損壞等；

（2） 在判定的臨界處，判定準(zhǔn)確率低，如Ucd≈kUr時，接地與斷線易判錯；Ucd≈2.1時，接地與熔絲熔斷易判錯；

（3） 存在系統(tǒng)異常時現(xiàn)場采集到的電壓與所對應(yīng)理論分析的電壓不符合的情況，如系統(tǒng)諧振時未出現(xiàn)顯著超過線電壓的情況。

圖7　電壓判定流程

圖8　電壓判定界面

4　結(jié)論

在小電流接地系統(tǒng)中，單相接地故障、斷線故障所呈現(xiàn)的母線電壓與接地、斷線程度存在函數(shù)關(guān)系；電壓互感器熔絲熔斷、耦合電容傳遞零序電壓所呈現(xiàn)的電壓特征明顯，易識別；諧振時所呈現(xiàn)的電壓變化情況復(fù)雜，但多數(shù)情況下特征明顯。

基于上述情況提出了基于最大和與最小差的電壓判定方法，便于調(diào)度員通過簡單的計算初步判定系統(tǒng)是否發(fā)生了單相接地、斷線、壓變?nèi)劢z斷、諧振等異常。在實際應(yīng)用中，該方法對大部分的電壓異常情況診斷準(zhǔn)確，但在判定方法的臨界值處應(yīng)用效果欠佳，還有待完善。

1 宗劍，牟龍華，張鑫，等.配電網(wǎng)單相接地故障類型及程度的判據(jù)［J］.電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報，2004，16（4）：27-29.

2 趙有鋮，盧繼平，鄧恩宏，等.基于MATLAB的配電網(wǎng)異常狀態(tài)分析［J］.重慶大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2004，27（1）：45-48.

表2　基于最大和與最小差的小電流接地系統(tǒng)電壓判定正確的舉例

表3　基于最大和與最小差的小電流接地系統(tǒng)電壓判定錯誤的舉例

3 亓富軍，田洪東，任振洲，等.配電網(wǎng)兩類接地故障異常電壓辨析［J］.中國新通信，2013，15（2）：12-13.

4 國家電網(wǎng)公司人力資源部.國家電網(wǎng)公司生產(chǎn)技能人員職業(yè)能力培訓(xùn)專用教材：電網(wǎng)調(diào)度［M］.北京：中國電力出版社，2010.

國家電網(wǎng)公司圓滿完成G20峰會重要保電任務(wù)

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（來源：國家電網(wǎng)報 2016-09-07）

2016-05-22。

蘭嵐（1988-），女，工程師，主要從事電力系統(tǒng)調(diào)度工作，email：lanlanziyu@126.com。