電力系統(tǒng)的接地故障線路識(shí)別與綜合處理

冷江

摘?要：供電系統(tǒng)在運(yùn)行中各種故障都有可能發(fā)生，但是單相接地故障是其中危害比較嚴(yán)重的故障類型，而且發(fā)生頻率高，如果不能及時(shí)處理最終會(huì)發(fā)展為短路事故，造成非計(jì)劃停電。文章對(duì)接地故障進(jìn)行分析，并對(duì)如何進(jìn)行線路識(shí)別和綜合處理進(jìn)行綜述。

關(guān)鍵詞：中性點(diǎn)不直接接地系統(tǒng);接地故障;脈沖電流;消弧處理

企業(yè)的用電系統(tǒng)不同于電網(wǎng)公司的供電系統(tǒng)，為了保障供電的連續(xù)性，生產(chǎn)連貫進(jìn)行一般采用中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)或經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)。在這兩種接地系統(tǒng)中普遍存在著兩個(gè)比較棘手的問題。第一點(diǎn)：供電系統(tǒng)運(yùn)行中系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，值班人員無法找到故障線路，故障線路查找耗時(shí)時(shí)間長(zhǎng)，造成供電系統(tǒng)大面積接地報(bào)警，只能采用拉閘倒負(fù)荷的方法，造成非計(jì)劃性停電，用電可靠性得不到保障，嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)正常生產(chǎn)運(yùn)行。第二點(diǎn)：接地故障發(fā)生后值班人員無法完善的處理接地故障，經(jīng)常忙亂中出錯(cuò)，導(dǎo)致未能及時(shí)有效的處理接地故障，使非故障相電壓升高，發(fā)生絕緣閃絡(luò)或發(fā)展成短路事故。

1 系統(tǒng)問題分析

1.1 中性點(diǎn)不直接接地系統(tǒng)的故障線路識(shí)別問題

中壓電網(wǎng)采用中性點(diǎn)不直接接地運(yùn)行方式，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)（以下簡(jiǎn)稱接地故障）故障相電壓為零，非故障相電壓上升為線電壓，但是三相線電壓依然對(duì)稱，可以保證對(duì)設(shè)備的連續(xù)供電，且故障相接地電流不大，系統(tǒng)可以帶故障運(yùn)行1～2h，大大提高了系統(tǒng)的供電可靠性。

與接地故障后立即跳閘的大電流接地系統(tǒng)相比，這種接地方式在供電的連續(xù)性和穩(wěn)定性方面優(yōu)勢(shì)明顯，特別適合于生產(chǎn)型企業(yè)，對(duì)供電的連續(xù)性和可靠性方面有很高的要求。但是如果系統(tǒng)發(fā)生接地后也會(huì)出現(xiàn)一系列問題：（1）瞎子摸路：逐條斷開線路，造成不必要的停電。（2）故障升級(jí)：系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)絕緣易被擊穿升級(jí)為相間短路。（3）全系過壓：弧光接地會(huì)引起全系統(tǒng)過電壓，造成事故擴(kuò)大。（4）可怕后果：引發(fā)電纜爆炸;PT、母線燒毀;供電機(jī)組停運(yùn)等。所以供電可靠性和運(yùn)行安全性成為中壓系統(tǒng)一對(duì)主要矛盾，而且隨著現(xiàn)代電網(wǎng)的快速發(fā)展，這一矛盾越來越突出。解決這一矛盾的關(guān)鍵，在于快速、準(zhǔn)確的故障線路識(shí)別和有效的故障處理。

1.2 目前企業(yè)所使用的供電系統(tǒng)線路識(shí)別技術(shù)討論

供電系統(tǒng)在正常供電運(yùn)行時(shí)每個(gè)供電線路的電流大小穩(wěn)定，電流方向不變，但是當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)，故障線路的運(yùn)行工況就會(huì)發(fā)生改變，與之前的工況在電流大小和電流方向方面會(huì)發(fā)生很大的變化。電流大小方面，正常運(yùn)行的線路流過的零序電流僅僅是該線路的電容電流，而發(fā)生接地故障線路流過的零序電流是全系統(tǒng)的電容電流減去自身的電容電流，所以電流大小方面會(huì)有很大的不同。在電流方向方面，正常運(yùn)行的線路電流是從母線流向饋線，而故障線路的零序電流是從故障線路流向母線，這樣會(huì)使故障線路和非故障線路的電流方向剛好反相。通過這種不同電流的狀態(tài)可以判斷接地線路，所以目前市面上很多小電流接地選線裝置就是利用這種原理設(shè)計(jì)的，但是也加入了其它的智能算法以做綜合輔助的判斷?；镜脑硎牵和ㄟ^突變量啟動(dòng)、電壓比幅、電流大小排序、電流比幅比相進(jìn)行連續(xù)的線路識(shí)別。

但是通過這十多年的小電流原理的選線裝置的運(yùn)行結(jié)果看效果并不理想，而且真實(shí)的結(jié)果是選線的準(zhǔn)確率很低，通過以往連續(xù)多年國(guó)網(wǎng)的統(tǒng)計(jì)看，準(zhǔn)確率只有60～70%，從企業(yè)的運(yùn)行角度看如果線路識(shí)別不能達(dá)到100%，而通過人工識(shí)別再操作的工作量是一樣，不能作為可靠的線路識(shí)別判斷依據(jù)，也并沒有給值班人員減小工作量。

那具體的不準(zhǔn)確原因在什么地方呢？大致分析有以下幾種主要原因：

（1）是利用的小電流信號(hào)太小，當(dāng)系統(tǒng)接地時(shí)產(chǎn)生的零序電流是系統(tǒng)電容電流，而且電流的大小與饋線的負(fù)載大小和線路的長(zhǎng)度有直接的關(guān)系，如果負(fù)載大且線路長(zhǎng)電容電流就大，負(fù)載小線路短電容電流就小，所以會(huì)出現(xiàn)同一個(gè)變電站內(nèi)不同的饋線電容電流都不相同，再去判斷接地時(shí)的電流變化值就更難了。

（2）系統(tǒng)內(nèi)其它的電磁干擾大，在變電站和發(fā)電廠的小電流選線的裝設(shè)地點(diǎn)，電磁干擾大;二是由于負(fù)荷電流不平衡造成的零序電流和諧波電流較大。

（3）接地時(shí)的電容電流波形的不穩(wěn)定。系統(tǒng)單相接地故障，大部分間歇性的弧光接地，而不是穩(wěn)定的弧光接地，所以電容電流波形不穩(wěn)定，在比對(duì)電流的幅值時(shí)就很難比對(duì)。

（4）一般的企業(yè)供電系統(tǒng)在設(shè)計(jì)之初都安裝有消弧線圈和金屬接地的觸點(diǎn)消弧，當(dāng)接地發(fā)生時(shí)消弧線圈被主動(dòng)投入使用，利用電感電流補(bǔ)償電容電流，所以電容電流更小了，觸點(diǎn)消弧投入后，直接把間歇性弧光接地變?yōu)榉€(wěn)定的金屬性接地，電流被轉(zhuǎn)移。

1.3 系統(tǒng)在發(fā)生接地故障時(shí)的接地處理的問題討論

企業(yè)的供電系統(tǒng)多采用中性點(diǎn)不直接接地系統(tǒng)的運(yùn)行方式，這樣在系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)故障相對(duì)地電壓為零，非故障相的對(duì)地電壓將升高到線電壓，系統(tǒng)的線電壓維持不變。因此供電系統(tǒng)可以帶故障繼續(xù)運(yùn)行，從而保證供電的可靠性，不會(huì)對(duì)企業(yè)生產(chǎn)造成影響。但是接地故障也分為幾種類型，如果接地故障為金屬性接地，則故障相的電壓降為零，非故障相的相對(duì)地電壓升高至線電壓，這樣系統(tǒng)的電氣設(shè)備能夠承受線電壓而不會(huì)發(fā)生絕緣損傷事故，可以繼續(xù)運(yùn)行，給值班人員留有時(shí)間查找故障線路，不會(huì)造成非計(jì)劃停電。但是，如果接地故障為間隙性的弧光接地，就會(huì)在非故障相產(chǎn)生最高值達(dá)3.5倍相電壓的過電壓，這樣的高電壓長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行會(huì)反復(fù)沖擊系統(tǒng)絕緣，引發(fā)另外健全相絕緣擊穿，最終發(fā)展為相間短路事故。

2 針對(duì)性的解決辦法

以上中性點(diǎn)不直接接地系統(tǒng)的接地故障線路識(shí)別和接地故障處理問題，都有有效的解決辦法，具體如下：

2.1 接地故障的線路識(shí)別解決辦法

我們轉(zhuǎn)換一下思路，通過上文分析傳統(tǒng)的利用小電流選線的方式，選不準(zhǔn)故障線路的主要原因是短路電流太小，而導(dǎo)致短路電流太小的根本原因就是因?yàn)橹行渣c(diǎn)不直接接地系統(tǒng)。如果我們通過人為的干涉，能夠在系統(tǒng)出現(xiàn)接地故障時(shí)，人為的把中性點(diǎn)不直接接地系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為直接接地系統(tǒng)，在接地的瞬間制造出一個(gè)比較大的短路電流用來線路識(shí)別，這個(gè)問題不就迎刃而解了。通過控制中性點(diǎn)的接地時(shí)間和接地電流，從而得到一個(gè)易于識(shí)別的故障支路但又不引起系統(tǒng)不良反應(yīng)的大電流，此種方法可以準(zhǔn)確的識(shí)別故障線路。

基于上述可控電流的思想，可以在變電站的主母線上安裝一臺(tái)小容量接地變壓器，并在接地變壓器的中性點(diǎn)裝設(shè)接地可控接地電阻，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生接地后，接于接地變壓器中性點(diǎn)的可控接地電阻，在其兩端電壓過零附近使中性點(diǎn)與地之間瞬間導(dǎo)通，以產(chǎn)生一通路短路電流。該短路電流絕大部分會(huì)經(jīng)接地的故障點(diǎn)入地，再通過微機(jī)控制器對(duì)各條饋線的增大的短路電流加以檢測(cè)，檢測(cè)到有大電流通過的饋線即為接地線路。

具體的配置設(shè)備說明：信號(hào)采集單元安裝在每個(gè)饋線柜的二次室，用來采集零序電流互感器的電流信號(hào)并轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，它和主控制器保持實(shí)時(shí)通訊。零序電流互感器安裝于每個(gè)饋線柜的電纜室，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，接地變壓器中性點(diǎn)位置的可控接地電阻導(dǎo)通，系統(tǒng)通過中性點(diǎn)與其中一條饋線的接地點(diǎn)形成零序電流通道。此時(shí)零序CT的大電流信號(hào)傳輸?shù)叫盘?hào)采集單元，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后發(fā)送到主控制器。信號(hào)采集單元有固定的編碼，從而由主控制器直接識(shí)別故障線路。

這種觸發(fā)式的大電流選線的方法有很多的優(yōu)勢(shì)，其中三個(gè)主要優(yōu)勢(shì)：

（1）選線裝置柜內(nèi)的接地可控硅的電阻值是可以調(diào)節(jié)的，通過調(diào)節(jié)可控硅的電阻值，使系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)，導(dǎo)通可控硅后流過的瞬時(shí)短路大電流在不同的接地電阻的情況下都能保持足夠大的強(qiáng)度以便被檢測(cè)到，同時(shí)又可以保證不能電流大道影響到供電系統(tǒng)的正常運(yùn)行，所以選線裝置柜內(nèi)的可控硅的調(diào)節(jié)是要經(jīng)過反復(fù)驗(yàn)證和修改的。

（2）選線柜內(nèi)的可控硅是我們?nèi)藶榧由先サ?，而且可控硅的電阻大小及?dǎo)通角不同就可以是可控硅導(dǎo)通時(shí)瞬間的短路電流波形的特性有別與系統(tǒng)的其它電流，不容易受到其它系統(tǒng)的電流干擾，也是增加線路識(shí)別準(zhǔn)確率的一個(gè)重要的因素。

（3）當(dāng)選線裝置柜的主控制器檢測(cè)到系統(tǒng)發(fā)生接地時(shí)，但是這個(gè)時(shí)候還沒有確定是那條出線發(fā)生的單相接地，但是當(dāng)觸發(fā)可控硅導(dǎo)通后，此時(shí)產(chǎn)生的稍大的短路電流只能和接地的故障支路形成零序電流通路，非故障支路因?yàn)榻^緣完好無損，所以無法形成零序電流通路，這樣可以保證了選線的準(zhǔn)確性。

2.2 接地故障處理問題的解決辦法

2.2.1 消弧線圈單獨(dú)使用時(shí)的缺陷

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)，常見的故障處理方法有消弧線圈補(bǔ)償法和觸點(diǎn)消弧法，這兩種故障處理方法都是單獨(dú)應(yīng)用于系統(tǒng)中，不能根據(jù)系統(tǒng)發(fā)生接地故障的性質(zhì)來針對(duì)性的采取不同的處理方式，系統(tǒng)應(yīng)用都有很大的缺陷。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生瞬時(shí)性的接地故障時(shí)，由于消弧線圈前期的暫態(tài)過程比較長(zhǎng)，不能夠?qū)崿F(xiàn)快速消弧補(bǔ)償，而容易造成故障擴(kuò)大;另外，消弧線圈不能補(bǔ)償高頻接地電容電流，而補(bǔ)償?shù)男Ч^差;對(duì)于永久性的接地故障，消弧線圈也不能實(shí)現(xiàn)全補(bǔ)償，故障點(diǎn)有殘流，對(duì)于電纜支路，對(duì)于電纜固體絕緣材料一旦被擊穿即無法恢復(fù)，導(dǎo)致電纜“放炮”，或發(fā)展成相間短路。

2.2.2 觸點(diǎn)消弧單獨(dú)使用時(shí)的缺陷

觸點(diǎn)消弧法是當(dāng)發(fā)生接地故障時(shí)，直接利用真空接觸器把故障相變?yōu)榻饘傩越拥?，從而達(dá)到穩(wěn)壓消弧的作用。但是當(dāng)真空接觸器打開的瞬間，容易引起操作過電壓，也使故障點(diǎn)的再次擊穿而導(dǎo)致故障擴(kuò)大。另外：觸點(diǎn)直接接地后，立刻將弧光接地轉(zhuǎn)換為金屬性接地，非故障相的過電壓穩(wěn)定在√3倍，使故障的性質(zhì)是臨時(shí)性接地，還是永久性接地?zé)o法判定。

2.2.3 接地故障后的綜合消弧是最佳的方法

根據(jù)消弧線圈和觸點(diǎn)消弧的消弧原理，我們可以把消弧線圈配合觸點(diǎn)消弧綜合使用，根據(jù)接地故障的屬性以及負(fù)荷的重要性進(jìn)行不同的處理：

針對(duì)一、二級(jí)重要負(fù)荷，只要發(fā)生接地故障，觸點(diǎn)消弧快速動(dòng)作將故障相的弧光接地轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的金屬性接地，接地相電壓為零，非故障相電壓穩(wěn)定在√3倍，從而達(dá)到熄弧、穩(wěn)壓的作用。同時(shí)為了區(qū)分永久性弧光接地和瞬時(shí)性弧光接地，觸點(diǎn)消弧動(dòng)作后，可延時(shí)100ms投入偏磁式消弧線圈，對(duì)零序電流進(jìn)線補(bǔ)償，從而解決臨時(shí)性弧光接地故障。然后觸點(diǎn)試探性打開一次，觀察電壓變化，如果接地故障消失則判斷為臨時(shí)性接地故障。如果接地故障還存在，則觸點(diǎn)再次閉合，判斷為永久性接地故障，并可帶故障運(yùn)行2個(gè)小時(shí)，為檢修爭(zhēng)取時(shí)間。

3 結(jié)論

（1）通過以上問題分析及提出的解決方案，可以對(duì)單相接地故障利用中性點(diǎn)短時(shí)間接地的方法，把中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)瞬間轉(zhuǎn)換為中性點(diǎn)接地系統(tǒng)來解決傳統(tǒng)小電流選線的選線準(zhǔn)確率問題，即在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)當(dāng)發(fā)生單相接地時(shí)，人為轉(zhuǎn)換為小電阻接地，在保證不跳閘狀態(tài)下完成單相接地故障選線。從而解決困擾中壓不接地系統(tǒng)的選線問題。（2）在接地故障處理方面，利用消弧線圈和傳統(tǒng)的觸點(diǎn)消弧相互配合，既避免了消弧線圈消弧不徹底問題又解決了觸點(diǎn)消弧無法識(shí)別臨時(shí)性接地故障和永久性接地故障問題。兩者的配合使用可以在先保證熄弧穩(wěn)壓狀態(tài)下，即解決了臨時(shí)性接地故障又保證了永久性接地故障的處理時(shí)效問題。

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