小電流接地系統(tǒng)單相接地故障分析及預(yù)防措施

李建鴻，夏金亮，蔣 偉

（南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211100）

0 引言

中壓配電網(wǎng)絡(luò)直接與廣大電力用戶相連，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜且分布廣泛，配電網(wǎng)絡(luò)中性點(diǎn)接地方式的選擇與供電可靠性、人身及設(shè)備安全、絕緣水平等密切相關(guān)［1-3］。國內(nèi)3～66 kV中壓配電網(wǎng)采用的中性點(diǎn)接地方式大都為中性點(diǎn)非直接接地方式，主要分為中性點(diǎn)不接地、中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地及中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地3種［4-5］，由于發(fā)生瞬時(shí)接地故障時(shí)接地點(diǎn)電流較小，不至于引起開關(guān)跳閘，因此保證了供電的可靠性，但若發(fā)生永久接地故障，為了避免進(jìn)一步發(fā)展為多相短路故障及由于非故障相電壓升高導(dǎo)致絕緣損壞等故障擴(kuò)大現(xiàn)象，根據(jù)國家電網(wǎng)公司規(guī)范文件Q/GDW 10370《配電網(wǎng)技術(shù)導(dǎo)則》要求在此期間必須就近快速隔離故障，以免擴(kuò)大事故，必要時(shí)進(jìn)行負(fù)荷轉(zhuǎn)供。上述3種配電網(wǎng)中性點(diǎn)接地方式中，中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地方式因其可有效解決弧光接地過電壓問題，同時(shí)能快速切除故障［6-7］，因此，在采用全電纜電路或以電纜電路為主及環(huán)網(wǎng)供電方式的城市配網(wǎng)系統(tǒng)中逐漸得到應(yīng)用。而中性點(diǎn)不接地與中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式，雖然存在弧光接地過電壓問題，但仍是目前配電網(wǎng)中性點(diǎn)主要運(yùn)行方式［8-10］，故針對(duì)中性點(diǎn)不接地、中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式開展相關(guān)工作并提出相應(yīng)的預(yù)防措施。

在中壓配電網(wǎng)故障中，受自然因素、人為破壞、配電設(shè)備自身因素及配網(wǎng)管理疏忽等方面原因造成的單相接地故障占所有故障80%左右［11］，因此需重點(diǎn)對(duì)配電網(wǎng)單相接地故障進(jìn)行分析并制定預(yù)防措施，提高配電網(wǎng)供電連續(xù)性。某城市配網(wǎng)10 kV線路大多以架空線路為主，對(duì)中性點(diǎn)不接地及經(jīng)消弧線圈接地時(shí)的配電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行單相接地故障理論分析，并借助仿真平臺(tái)對(duì)采用中性點(diǎn)不接地方式的某35 kV變電站1號(hào)主變壓器及4條10 kV出線構(gòu)成的配電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行單相接地故障分析，根據(jù)各出線架空線路、電纜線路參數(shù)得到10 kV出線發(fā)生單相金屬性接地及經(jīng)不同過渡電阻接地時(shí)的故障點(diǎn)電流、三相電壓及電流、零序電壓及電流大小變化情況，在深入分析單相接地故障的基礎(chǔ)上給出了相應(yīng)的預(yù)防措施。

1 小電流接地系統(tǒng)單相接地故障

在對(duì)10 kV線路的分析中，將其負(fù)荷在配電網(wǎng)變壓器高壓側(cè)進(jìn)行等效，因此等效負(fù)荷為中性點(diǎn)不接地方式，所以雖然配電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生了單相接地故障，但上級(jí)變電站10 kV電源側(cè)三相線電壓保持對(duì)稱，系統(tǒng)仍能正常運(yùn)行，配電網(wǎng)變壓器高壓側(cè)不接地使得負(fù)荷對(duì)10 kV線路單相接地故障點(diǎn)電流無影響，接地故障電流只受線路參數(shù)及變電站主變壓器接地方式影響，因此，以下分析中將負(fù)荷忽略并以一回線路為例。

1.1 中性點(diǎn)不接地

當(dāng)10 kV配電網(wǎng)系統(tǒng)正常工作時(shí)三相線路對(duì)地電容相等，三相線路對(duì)地電容電流和為0，三相線路對(duì)地電壓為正常相電壓U，當(dāng)A相發(fā)生單相金屬性接地故障時(shí)，系統(tǒng)潮流分布如圖1所示。

圖1 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)單相接地

圖中，uA，uB，uC分別為主變壓器 10 kV 側(cè)電源A，B，C 三相相電壓；iA，iB，iC分別為主變壓器 10 kV側(cè)電源三相電流；CA，CB，CC分別為三相線路對(duì)地電容，正常運(yùn)行方式下三相線路對(duì)地電容大小均為C。

當(dāng)A相發(fā)生金屬性單相接地時(shí)，A相對(duì)地電壓變?yōu)?，非故障相B，C相對(duì)地電壓升高為線電壓，由于非故障相電壓升高，其對(duì)地電容電流iCB，iCC增大，而A相對(duì)地電容被短接，由圖1電流流向可得：iA=-ik=iCB+iCC，其有效值變?yōu)?倍正常情況下單相對(duì)地電容電流，即Ik=3ωCU，ω為50 Hz交流系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的角頻率，其大小為314 rad/s。

可見，對(duì)于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，當(dāng)線路發(fā)生單相接地故障時(shí)，若對(duì)應(yīng)接地電容較大，則接地電流較大，當(dāng)10 kV單相接地故障電流超過30 A時(shí)，將會(huì)在接地點(diǎn)產(chǎn)生斷續(xù)電弧，并引發(fā)過電壓。為有效減小單相接地故障電弧電流，對(duì)此類供電系統(tǒng)考慮采用系統(tǒng)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式。

1.2 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地

中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的配電網(wǎng)系統(tǒng)單相接地故障電路如圖2所示。

當(dāng)站內(nèi)主變壓器采用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式時(shí)，在正常情況下中性點(diǎn)對(duì)地電壓近似為0，消弧線圈無電流流過。在線路發(fā)生單相接地故障時(shí)，故障點(diǎn)接地電流中增加了感性電流iL，其方向與對(duì)地容性電流相反，因此兩者相互抵消，使總的接地電流減小甚至接近于0，為避免出現(xiàn)容抗與感抗相等從而引發(fā)電磁諧振，實(shí)際運(yùn)行中采用過補(bǔ)償?shù)姆绞?，使單相接地時(shí)流過消弧線圈的電流大于總的對(duì)地電容電流。

圖2 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)單相接地

為達(dá)到過補(bǔ)償效果，用ν表示過補(bǔ)償度，消弧線圈電感計(jì)算公式為

得到消弧線圈電感大小為

2 系統(tǒng)仿真

為更進(jìn)一步說明中性點(diǎn)小電流接地方式配電系統(tǒng)線路單相金屬性接地及經(jīng)過渡電阻接地故障前后線路三相對(duì)地電容電流、線路三相對(duì)地電壓、接地故障點(diǎn)電流變化情況，以某配電網(wǎng)中35 kV變電站1號(hào)主變壓器及其4條10 kV配電線路為例借助仿真平臺(tái)建立配電系統(tǒng)模型，并進(jìn)行單相接地故障的詳細(xì)分析。為便于分析線路故障前后對(duì)地電容電流的變化情況，以及考慮到單相接地故障時(shí)負(fù)荷不影響對(duì)地電容及故障電流且不影響負(fù)荷正常工作，因此在仿真平臺(tái)中不考慮負(fù)荷的影響。該主變壓器的型號(hào)為 SZ9-10000/35， 電壓等級(jí)為 35 kV/10 kV，4 條10 kV出線的架空及電纜長度如表1所示。

表1 各出線線路長度 km

將架空線路部分用π型等值電路模擬，其單位長度正序及零序參數(shù)如表2所示。

表2 架空線路單位長度正序及零序參數(shù)

電纜線路部分用集中電容表示，由于電纜長度較短，主要考慮其對(duì)地電容，大小為0.27 μF/km。

對(duì)于主變壓器中性點(diǎn)不接地的配電系統(tǒng)，當(dāng)10 kV出線4的A相在0.1 s時(shí)刻發(fā)生金屬性單相接地故障時(shí)，母線三相對(duì)地電壓及三相電流波形如圖3所示，可見A相線路對(duì)地電壓近似為0，中性點(diǎn)電壓上升為相電壓，B，C相對(duì)地電壓升高到線電壓。由于忽略負(fù)荷影響，iB，iC即表示4回出線總的B，C相對(duì)地電容電流，可見由于故障后對(duì)地電壓升高，對(duì)地電容電流增大，故障后A相電流有效值為故障點(diǎn)接地電流有效值。

圖3 系統(tǒng)中性點(diǎn)不接地時(shí)三相電壓電流波形

故障點(diǎn)接地電流波形如圖4所示，其幅值為6.12 A，由于接地點(diǎn)電流未達(dá)到能引起接地點(diǎn)處燃弧所需的電流值，因此主變壓器采用中性點(diǎn)不接地的方式適用于該配電網(wǎng)系統(tǒng)。

圖4 單相接地故障點(diǎn)電流波形

將各10 kV出線線路首端三相對(duì)地電壓相加除以3即可得到各出線零序電壓uo，在正常運(yùn)行時(shí)三相線路對(duì)地電壓對(duì)稱，零序電壓為0，而發(fā)生單相接地短路時(shí)，故障相對(duì)地電壓為0，非故障相對(duì)地電壓變?yōu)榫€電壓，因此零序電壓不再為0，對(duì)于接在同一母線的不同回路，任一線路發(fā)生單相接地故障時(shí)各回路零序電壓相同。不同回路首端三相電流之和再除以3可得到各回路零序電流io。10 kV出線3和10 kV出線4的零序電壓電流波形如圖5所示。

圖5 非故障回路零序電壓電流

可見，對(duì)于非故障回路，其零序電壓波形滯后零序電流波形90°，而對(duì)于故障回路，其零序電壓超前零序電流90°，且故障回路零序電流更大，這是因?yàn)榉枪收匣芈返牧阈螂娏髦饕獮榉枪收舷郆相、C相的容性電流之和的1/3，而故障回路零序電流為4回線路所有B，C相電容電流之和取負(fù)數(shù)的1/3，由于包括了所有故障相對(duì)地電容電流，因此零序電流更大，兩者之間的差別構(gòu)成了中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)配電線路二次保護(hù)中單相接地故障回路基波零序電流比幅比相選線法的基本原理。

為模擬實(shí)際中常出現(xiàn)的如樹枝接觸線路等單相經(jīng)過渡電阻接地的故障情況，通過改變故障點(diǎn)過渡電阻Re大小得到相應(yīng)的電壓電流有效值如表3所示。

表3 單相接地故障點(diǎn)不同過渡電阻時(shí)電壓電流值

由表3可見，當(dāng)接地點(diǎn)過渡電阻較小時(shí)，接地電流較大，故障相對(duì)地電壓接近0，非故障相對(duì)地電壓接近線電壓，對(duì)設(shè)備的絕緣造成危害，也使得電能大量損失。當(dāng)過渡電阻變化范圍較小時(shí)，接地電流值變化不大，隨著過渡電阻變大，接地點(diǎn)電流變小，故障相對(duì)地電壓逐漸變大，非故障相對(duì)地電壓逐漸減小，使得非故障相對(duì)地電容電流減小，極限情況就是過渡電阻為無窮大及不發(fā)生單相接地故障，因此在發(fā)生金屬性單相接地故障時(shí)，為避免事故擴(kuò)大，應(yīng)在短時(shí)間內(nèi)找到并切除故障。

3 預(yù)防措施

由于10 kV配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障的頻率較高，因此有必要制定專門的預(yù)防措施來盡量減少此類故障的發(fā)生，從而提高供電可靠性。

1）加強(qiáng)對(duì)配電網(wǎng)絡(luò)的巡視管理，采用定期或不定期的方式對(duì)配電線路、設(shè)備展開巡視工作，主要檢查導(dǎo)線在絕緣子上的綁扎是否牢固，導(dǎo)線與建筑物、樹木的距離是否在安全范圍，金具固定螺絲有無松動(dòng)，拉線、裸導(dǎo)線有無斷股，導(dǎo)線弧垂是否過小或過大等。

2）電力公司應(yīng)積極進(jìn)行用電安全宣傳知識(shí)，提高廣大電力用戶保護(hù)電力設(shè)施的意識(shí)，避免發(fā)生人為破壞、偷盜電力設(shè)施的情況。

3）應(yīng)定期對(duì)配電線路上分支斷路器、避雷器、絕緣子等設(shè)備進(jìn)行絕緣測試，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并更換不合格試品。

4）應(yīng)定期對(duì)配電變壓器進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)存在的問題并及時(shí)維修或更換。

5）在各個(gè)分支線路加裝斷路器，以縮小停電面積和停電時(shí)間，并有助于快速隔離、發(fā)現(xiàn)故障。

6）在重要10 kV配電線路區(qū)域加強(qiáng)避雷設(shè)施的安裝，以及采用其他避免自然環(huán)境造成配電線路單相接地故障的措施。

4 結(jié)語

對(duì)某配電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中不接地與經(jīng)消弧線圈接地2種方式下的單相接地故障進(jìn)行理論分析，并進(jìn)行系統(tǒng)仿真，仿真結(jié)果表明在發(fā)生金屬性單相接地故障時(shí)，有引起事故擴(kuò)大的風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)在短時(shí)間內(nèi)找到并切除故障。針對(duì)小電流系統(tǒng)運(yùn)行方式，發(fā)生單相接地故障頻率較高的情況下給出明確的預(yù)防措施，對(duì)于現(xiàn)場實(shí)際生產(chǎn)工作具有一定的指導(dǎo)意義，下一步將繼續(xù)針對(duì)小電流接地選線方面開展研究工作。