山東配電網單相接地故障的危害及對策分析

國網山東省電力公司 趙辰宇

1 引言

單相接地是配電網中常見的故障類型，據近期運行數據統(tǒng)計，山東配網單相接地故障約占故障總數的60%。單相接地故障如果不及時切除，有可能引發(fā)嚴重后果，近期湖南公司發(fā)生了一起因單相接地引起10千伏線路斷線并導致鐵路停運的事故。因此，有必要對我省配電網單相接地情況進行進一步分析，明確單相接地故障特征、危害程度，制定有效對策，避免單相接地故障引發(fā)嚴重事故。

2 山東配網單相接地故障處理方式

理論分析與實踐經驗表明，當系統(tǒng)電容電流小于10安培時，接地電弧在過零點容易自行熄滅，瞬時性故障可自行恢復；而電容電流大于10安培時電弧難以自行熄滅。因此相關標準均規(guī)定：單相接地故障電容電流在10安培及以下時，采用中性點不接地方式；電容電流超過10安培且小于100安培～150安培時，采用經消弧線圈接地方式；電容電流超過100安培～150安培以上，則采用經小電阻接地方式。

中性點經小電阻接地方式下，單相接地故障電流較大，稱為大電流接地故障。此時系統(tǒng)三相電壓不再對稱，無法正常供電，線路保護及時動作切除故障，一般不會產生嚴重后果。

中性點不接地和經消弧線圈接地方式下，單相接地故障電流較小，稱為小電流接地故障，故障時三相電壓對稱情況不變，可帶故障運行一段時間，通常是查找到故障點后再停電處理，從而提高供電可靠性。但小電流接地故障位置查找往往耗時較長，在故障點查找期間，故障電流與過電壓持續(xù)作用有可能導致故障進一步發(fā)展。

山東配電網按照接地故障電流一般不超過10安培的原則確定中性點接地方式。采用不接地、經消弧線圈接地和經小電阻接地三種中性點接地方式。2017年初數據顯示，全省配出35千伏與10千伏線路變電站共計6548座，其中中性點不接地運行方式4505座、占比68.8%，中性點經消弧線圈接地1995座、占比30.47%，中性點經小電阻接地48座、占比0.73%，如圖1所示。

圖1 山東配網中性點接地方式

山東配電網中性點采用不接地和經消弧線圈接地兩種方式的占比達99.27%。因此配電線路發(fā)生的單相接地故障，基本都是小電流接地故障，通常帶故障運行查找故障點，確定故障點后再停電進行處理，帶故障運行時間一般不超過2小時。

3 小電流接地故障分析

配電線路發(fā)生的單相接地故障，按故障點穩(wěn)定程度可分為穩(wěn)定接地故障與弧光接地故障。

3.1 穩(wěn)定接地故障

穩(wěn)定接地故障是故障線路與大地可靠連接，例如避雷器、互感器下引線搭接橫擔，導線與樹木搭接等情況。接地故障發(fā)生瞬間，一般存在明顯的暫態(tài)過渡過程，暫態(tài)過程的故障電流幅值是對地電容電流的幾倍至十幾倍。根據現場錄波數據分析，暫態(tài)故障電流峰值有時可達200安培以上，如圖2所示。但暫態(tài)尖峰電流持續(xù)時間較短，一般不超過10毫秒，相應產生的能量也很小。暫態(tài)過程結束后，故障進入穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)態(tài)故障電流一般小于10安培。

圖2 典型暫態(tài)故障電流錄波圖

發(fā)生穩(wěn)定接地故障時，對于中性點不接地和經消弧線圈接地系統(tǒng)，非故障相對地電壓升高，升高幅度與接地點過渡電阻有關，但最大不超過線電壓，即不超過額定電壓的倍。

3.2 弧光接地故障

弧光接地是不穩(wěn)定的接地故障形式，據文獻統(tǒng)計弧光接地故障比例在10%左右。其主要特點是線路對地絕緣降低，在相電壓上升到一定程度時絕緣擊穿，產生沿面或經空氣放電，電壓下降后絕緣恢復，如此反復循環(huán)多次。架空線路絕緣子存在裂縫、線路絕緣外皮損傷、導線與建筑物過近等情況下，都可能導致絕緣在電壓作用下擊穿，發(fā)生弧光接地。由于弧光接地存在多次擊穿過程，電荷在短時間內大量移動，會產生多次瞬時大電流，幅值可達數百安，對導線破壞力較強。典型弧光接地故障電流如圖3所示。

圖3 典型弧光接地故障電流錄波圖

發(fā)生弧光接地故障時，由于高頻振蕩過程積累能量，過電壓情況比較突出。對中性點不接地系統(tǒng)，理論分析表明非故障相弧光接地過電壓最高可達3.5倍額定電壓。但實際出現如此高幅值過電壓的概率非常低，現場發(fā)生的絕大部分弧光過電壓不超過3倍額定電壓。消弧線圈在限制單相接地故障電流的同時，還可以降低故障相恢復電壓上升速度，從而降低弧光接地過電壓的幅值。因此經消弧線圈接地系統(tǒng)中的弧光接地過電壓，明顯較中性點不接地系統(tǒng)低，所測得的弧光過電壓最高為2.5倍額定電壓。

圖4 一次弧光接地過電壓錄波圖

4 小電流接地故障危害分析

由于小電流接地故障電流較小，一般不超過線路額定負荷電流，不會引起保護動作，也不會導致線路過載。故障危害主要體現在故障點通流發(fā)熱燒損線路，以及過電壓對系統(tǒng)絕緣產生破壞。

4.1 穩(wěn)定接地故障危害分析

穩(wěn)定接地故障多發(fā)生于架空裸導線，流經故障點的電流一般不超過10安培，且電流隨過渡電阻的增加而減小。由于穩(wěn)定接地故障電流小，產生的能量有限，一般不會導致架空裸導線熔化（鋁的熔點為660℃），不會造成實質危害。需要注意的是，如果線路通過搭接樹木接地，故障電流產生的熱量有可能引燃樹木，從而造成導線熔斷或引發(fā)火災。

架空絕緣導線和電纜由于有絕緣層防護，極少發(fā)生穩(wěn)定接地故障。在特殊情況下出現穩(wěn)定接地時（如電纜被挖斷接地），故障電流小于10安培，也不會對導線本體造成實質危害。但導線外皮一般為交聯聚乙烯材料，其軟化分解溫度在140℃左右，故障電流產生的熱量有可能造成外皮軟化分解甚至熔化。

對于穩(wěn)定接地故障，非故障相對地電壓最大升高到額定線電壓，由于配電線路絕緣裕度較高，穩(wěn)定接地故障過電壓一般不會對線路絕緣水平造成破壞。

4.2 弧光接地故障危害分析

發(fā)生弧光接地時，每個工頻周波存在兩次熄弧過程，單次弧光持續(xù)時間為幾個毫秒（均值約5毫秒）。由于電弧能量高度集中，會產生大量熱量，弧光表面溫度一般可達3000～4000℃，電弧中心區(qū)甚至高達上萬攝氏度。理論分析認為，裸導線發(fā)生弧光接地時，接地電弧在電磁力作用下可沿導線自由移動，熱量不會在一點累積，因此耐電弧能力較強；絕緣導線由于絕緣層的限制，電弧不能移動，電弧對導線存在較大危害，甚至導致燒毀斷線。中國電科院曾進行過工頻電弧燃燒試驗，分析故障電弧對導線的危害。從試驗結果來看，裸導線在單相接地故障電弧作用下，沒有出現斷線、斷股和局部蝕損現象，試驗后導線機械拉伸強度與試驗前相比無明顯降低；對于絕緣導線，10安培的單相接地故障弧光電流即可引燃導線絕緣層，電弧被絕緣層熔化物固定，持續(xù)15分鐘后，導線已經重度氧化脆化，輕彎即斷。

結合理論分析與試驗結果，可以認為：架空裸導線對故障電弧的耐受能力較強，一般不會發(fā)生導線燒灼斷線的情況；對于架空絕緣導線，接地電弧在短時間內即可導致燒損斷線；電纜燒灼情況與架空絕緣線路類似，電弧在短時間內即可造成斷線，由于電纜溝道內往往存在可燃氣體，接地電弧還可能引起電纜溝道火災，導致嚴重后果。

弧光接地故障產生的過電壓幅度較大，不接地系統(tǒng)可達3.0倍額定電壓，消弧線圈接地系統(tǒng)可達2.5倍額定電壓。接地故障期間，弧光過電壓對非故障相的絕緣存在較強危害，可能導致絕緣薄弱點擊穿，從而單相接地故障發(fā)展為相間短路，引起保護動作跳閘。經分析某地2016年發(fā)生的71次單相接地故障記錄發(fā)現，有2次單相接地故障持續(xù)期間線路短路跳閘，占比為2.82%。

4.3 事故斷線機理分析

架空裸導線對穩(wěn)定電流與電弧的耐受能力都很強，一般不會因單相接地故障導致斷線。但現場也存在少數例外情況，例如某公司10千伏線路接地故障前，故障線路#45桿C相絕緣子應該存在明顯裂紋，甚至絕緣子已經破碎。C相導線與絕緣子鋼腳距離很近，導線向絕緣子鋼腳頂部放電，發(fā)生單相弧光接地故障。接地弧光電流很大并且持續(xù)時間較長，產生的熱量造成導線局部受熱軟化，在兩側拉力的作用下最終導致導線斷裂。實際運行中絕緣子突然碎裂的情況很少，大多是絕緣子有裂紋導致多次瞬時性弧光放電，接地電弧燒斷裸導線的概率很小。

5 結語

山東配電網主要是中性點不接地與經消弧線圈接地方式。發(fā)生穩(wěn)定的單相接地故障時，故障電流一般不會超過10安培，過電壓幅值不會超過倍，故障電流與過電壓對線路危害較小。弧光接地對線路存在較大危害，故障電弧可造成架空絕緣導線與電纜燒灼斷線，弧光過電壓可能導致線路絕緣損壞，甚至引發(fā)人身觸電、電纜溝道起火、線路短路跳閘等嚴重后果。

針對山東配電網單相接地故障可能導致的危害，可以采取以下預防措施：

一是加強重點線路巡視與檢測。進一步加強跨越線路的巡視與檢測，通過超聲局放檢測、紅外測溫等帶電檢測手段，及時發(fā)現異常線路與設備消除故障隱患，減少單相接地故障的發(fā)生。另外，對于架空絕緣線路、溝道敷設的電纜線路和頻繁發(fā)生瞬時性接地故障的線路，也應加強巡視與檢測工作。

二是快速就近隔離故障。目前在發(fā)生單相接地故障后，一般帶故障運行查找故障點，確定故障點后再停電處理，但故障持續(xù)期間可能導致嚴重后果。國網公司2016年版《配電網技術導則》提出，對永久性單相接地故障，在定位故障點后，宜按快速就近隔離故障的原則進行處理。建議在繼續(xù)提升新型故障指示器選線與定位效果的基礎上，選擇新型故障指示器覆蓋率較高區(qū)域，試點快速就近隔離故障的處理方式，積累成功經驗后逐步推廣。

三是排查整改消弧線圈補償情況。消弧線圈應將接地故障電流限制在10安培以下，有效降低故障電流危害。但現場運行的部分消弧線圈補償度調整不當時，補償后電流遠超10安培限值，增加故障電流對導線的危害程度。建議對消弧線圈實際補償情況進行排查整改，確保消弧線圈補償后接地故障電流小于10安培，從而切實發(fā)揮消弧線圈作用。

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