35kV 單芯電纜線路接地短路事故分析

王智睿 周建偉 朱春濤 國網(wǎng)江蘇省電力有限公司鎮(zhèn)江供電分公司

近些年，隨著我國能源全球化發(fā)展，配電網(wǎng)的建設(shè)與安全運行也越來越受到人們的關(guān)注，尤其是在35kV 電力供電或配電系統(tǒng)中，發(fā)生單相接地故障的概率較高，且當中性點發(fā)生單相接地故障時，相電壓升高，可能引起線路絕緣破壞甚至被擊穿，出現(xiàn)短路故障；如果故障點產(chǎn)生間歇性電弧，會引起諧振過電壓，損壞或者燒毀電力系統(tǒng)設(shè)備，嚴重危及設(shè)備和人身安全，給配電網(wǎng)的安全經(jīng)濟運行帶來重大影響。因此，電力系統(tǒng)工作或運行維護人員，必須掌握35kV 電力系統(tǒng)單相接地故障分析與處理方法，系統(tǒng)出現(xiàn)單相接地故障時需及時準確的找到故障點并予以切除，從而保證和維護電力系統(tǒng)安全經(jīng)濟運行和生產(chǎn)。一般地，單相接地故障可能出現(xiàn)的原因主要有：①線路或設(shè)備絕緣發(fā)生破壞，引起絕緣擊穿接地，如配電變壓器繞組絕緣破損、接地等；②線路遭外力破壞導致斷線，如大風、覆冰舞動災害天氣；③惡劣復雜的外界自然環(huán)境，如雷擊、鳥害、漂浮物、動物搭接、樹枝等；④工作人員誤操作。因此，針對不同的引起單相接地故障的原因需要采取相對應的措施，才能及時恢復系統(tǒng)的供電。

一、接地系統(tǒng)的分類

電力系統(tǒng)采用星形連接的發(fā)電機或變壓器的中性點（一般認為發(fā)電機中性點不接地，通常指變壓器的中性點）按照接地方式的不同，可以分為有效接地（大電流接地）和非有效接地（小電流接地）2 種，而我國電力系統(tǒng)中性點常見的接地方式有6 種，其中，大電流接地系統(tǒng)主要可以分為中性點有效接地和中性點全接地，以及中性點經(jīng)小阻抗接地；小電流接地系統(tǒng)主要可以分為中性點不接地和中性點經(jīng)消弧線圈接地，以及中性點經(jīng)高阻抗接地。

（一）大電流接地系統(tǒng)

在中性點直接接地或經(jīng)低阻抗接地的三相電力系統(tǒng)中，當發(fā)生單相接地故障時，接地短路電流很大，所以稱為大電流接地系統(tǒng)。在電力系統(tǒng)中性點直接接地的三相電力系統(tǒng)，當發(fā)生單相接地故障時，可快速切除故障，安全性好，可靠性較差，中性點不發(fā)生漂移，中性點電壓不變，絕緣按相電壓考慮，絕緣成本低。一般在135kV 及以上系統(tǒng)或380/220V 的三相四線制系統(tǒng)，在大電流接地系統(tǒng)中則有X0/X1 ≤4～5，其中，X0 為系統(tǒng)零序電抗，X1 為系統(tǒng)正序電抗。

（二）小電流接地系統(tǒng)

在中性點不接地或經(jīng)過消弧線圈或高阻抗接地的三相電力系統(tǒng)中，又可以稱為中性點間接接地系統(tǒng)。當某一相發(fā)生接地故障時，由于接地相對地不能構(gòu)成短路回路，故接地故障電流與負荷電流相比較小，所以把這種系統(tǒng)稱為小電流接地系統(tǒng)。小電流接地系統(tǒng)可靠性高、經(jīng)濟性差，發(fā)生單相接地故障時，中性點會發(fā)生漂移，非故障相電壓升高為線電壓，可繼續(xù)帶電運行1～2h，絕緣按線電壓考慮，絕緣成本高，并且在小電流接地系統(tǒng)中一般可以認為X0/X1＞4～5。

二、35kV 單芯電纜線路接地短路事故原因

（一）電壓互感器二次輔助繞組接線錯誤損壞

電壓互感器二次帶有保險或者空氣斷路器短路保護，二次一般接用電壓表、微機保護繼電器等。如果接線錯誤會發(fā)生短路保險熔斷或者開關(guān)跳閘，或者電壓表及微機保護器電壓顯示異常，可以及時被發(fā)現(xiàn)改正。在DL/T516-2012《火力發(fā)電廠、變電站二次接線設(shè)計技術(shù)規(guī)程》中7.2.6 條，要求電壓互感器二次輔助繞組接成開口三角的二次繞組不應裝設(shè)熔斷器或自動開關(guān)。對于開口三角一般接用零序電壓表、XDL 或者XXQ 裝置，系統(tǒng)正常運行時電壓平衡開口三角電壓為0，即使接線錯誤短路也不容易被發(fā)現(xiàn)，當開口三角出現(xiàn)電壓時就容易燒壞電壓互感器。

（二）角吳線故障原因分析

角吳線發(fā)生短路故障后，經(jīng)巡線排查對懷疑故障點進行試驗，于22：00 發(fā)現(xiàn)吳橋分支02T1 開關(guān)處有大塊鐵皮壓住，即發(fā)生了單相金屬性接地短路故障。緊急處理后，合閘送電成功。該線路目前自動化裝置均為三遙功能，開關(guān)為負荷開關(guān)，主要用于運行監(jiān)控，主站型自愈策略尚未投入運行。在故障發(fā)生時故障點前自動化開關(guān)均檢測到故障電流，發(fā)出零序1 段告警信號并上送主站，其中角吳線角吳段#2 環(huán)網(wǎng)柜601、605 開關(guān)、角吳線角吳段#3 環(huán)網(wǎng)柜602 開關(guān)動作電流均在370A 左右，與變電站35kV 角吳線開關(guān)動作電流352A 基本吻合，由此表明應該沒有問題。重合閘在故障后動作并未恢復供電，所以判斷角吳線為永久性故障。經(jīng)錄波儀的數(shù)據(jù)顯示，在發(fā)生金屬性接地短路故障后，非故障相的電壓最大被抬升至原電壓的1.5 倍，這也證實了本文的理論猜想和故障原因分析的正確性。

三、35kV 單芯電纜線路接地短路故障處理措施

（一）單相接地故障排查

1）當系統(tǒng)出現(xiàn)某一相對地電壓明顯降低，另外兩相對地電壓升高為線電壓，則這種情況視為單相接地故障。如果變電站母線出現(xiàn)排列不對稱、跌落式熔斷器發(fā)生熔斷、倒閘操作出現(xiàn)不同期等，都會使得中性點電壓因三相對地電容不平衡而升高，此時實際線路并未發(fā)生接地故障。2）在合閘空母線時，由于勵磁感抗與對地電抗形成不利組合而產(chǎn)生鐵磁諧振過電壓；當35kV 線路因受雷擊而出現(xiàn)間歇性接地時，可能會引起互感器電壓升高?；蛘弋?5kV 線路遭受雷擊時，導線附近電場發(fā)生畸變、雷電波沿線路入侵等，而實際系統(tǒng)并沒有發(fā)生接地故障。針對單相接地故障的排查和處理，尤其是在中性點不直接接地小電流系統(tǒng)中，當系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障，且起絕緣監(jiān)視和繼電保護的裝置出現(xiàn)接地信號時，運行值班或調(diào)度人員應及時采取措施進行處理。并根據(jù)現(xiàn)場實際情況進行綜合分析，作出決策，向上級調(diào)度部門和領(lǐng)導請示，做好相關(guān)調(diào)度處理的記錄。電網(wǎng)調(diào)度部門最初可以根據(jù)接地性質(zhì)或類型和接地時的故障特征進行識別，找到對應的分網(wǎng)運行部分，縮小停電范圍，在作出判斷與決策時，需考慮各分網(wǎng)之間的功率平衡和保護動作的配合等因素的影響。通過確定設(shè)備是否完好、有無放電痕跡、有無斷線脫落等，在沒有問題的前提下，可以采取瞬停依次拉閘查找法。針對35kV 出線處已經(jīng)安裝有微機保護選線裝置或者接地信號裝置的，在裝置正常運行條件下，當系統(tǒng)有接地故障時，其故障線路是比較容易找到和區(qū)分的。針對35kV 出線處未安裝微機保護選線裝置或者接地信號裝置的，則可以通過依次斷開35kV 線路母線側(cè)的開關(guān)，如果出現(xiàn)斷開某路開關(guān)其接地信號消失，裝置絕緣監(jiān)視的電壓表立即恢復正常值，則表明該停電線路帶有接地故障，可安排工作人員消除故障。如果對線路采用瞬停分路開關(guān)法后，接地信號仍然存在，則說明故障沒有發(fā)生在此線路，可以對其進行恢復供電，以此類推，依次進行其他線路的排查，但絕不允許將所有出線側(cè)都斷開，假如將出線側(cè)所有分路開關(guān)切斷，極易使得系統(tǒng)的電容電流出現(xiàn)較大程度的下降，導致殘余電流增幅過大，可能引起消弧線圈失效，從而在接地點因過電壓而產(chǎn)生間歇性弧光放電，嚴重威脅線路和設(shè)備的絕緣安全。因此，在采用瞬停依次拉閘查找法時，嚴禁將出線側(cè)全部斷開并進行查找，可以考慮采取停一路查一路的方式，當恢復供電后再停另外一路。

（二）正常運行時護層感應電壓計算

護層感應電壓的計算以《電力工程電纜設(shè)計規(guī)范》（GB50217-2007）附錄F 中的相關(guān)要求為準，同時參考文獻計算結(jié)果可以看出：1）不同排列方式對電纜護層感應電壓有一定影響，采取多根并聯(lián)方式，可有效降低護層感應電壓。2）多回電纜同溝或相鄰敷設(shè)時，其對電纜護層感應電壓的增助作用比較明顯，此時如果能采用逆相序排列方式，可有效改善邊相的感應電壓。3）護層感應電壓與電纜敷設(shè)長度及電纜負荷電流密切相關(guān)，在電纜負荷電流較大時，為控制電路護層感應電壓，一側(cè)單點接地方式應將電纜長度控制在600m 以下。如存在多回共溝敷設(shè)情況，則控制長度還應縮小，或者應采取中點一點接地，兩側(cè)保護接地的方式，以縮短感應電壓的計算長度。4）單電纜外徑增大時，護層感應電壓明顯呈現(xiàn)下降趨勢，根據(jù)計算，等三角排列時，當電纜外徑為80mm 時，其護層感應電壓比50mm 時下降約20%，其它排列方式也均有下降。中的相應公式計算，計算結(jié)果可以看出：1）不同排列方式對電纜護層感應電壓有一定影響，采取多根并聯(lián)方式，可有效降低護層感應電壓。2）多回電纜同溝或相鄰敷設(shè)時，其對電纜護層感應電壓的增助作用比較明顯，此時如果能采用逆相序排列方式，可有效改善邊相的感應電壓。3）護層感應電壓與電纜敷設(shè)長度及電纜負荷電流密切相關(guān)，在電纜負荷電流較大時，為控制電路護層感應電壓，一側(cè)單點接地方式應將電纜長度控制在600m 以下。如存在多回共溝敷設(shè)情況，則控制長度還應縮小，或者應采取中點一點接地，兩側(cè)保護接地的方式，以縮短感應電壓的計算長度。4）單電纜外徑增大時，護層感應電壓明顯呈現(xiàn)下降趨勢，根據(jù)計算，等三角排列時，當電纜外徑為80mm 時，其護層感應電壓比50mm時下降約20%，其它排列方式也均有下降。

（三）常規(guī)保護的相位補償

三相變壓器的接線組別不同時，其兩側(cè)的電流相位關(guān)系也不同。以常用的Yd11 接線的變壓器為例，它們兩側(cè)的電流之間就存在著300°的相位差。這時，即使變壓器兩側(cè)電流互感器二次電流的大小相等，也會在差動回路中產(chǎn)生不平衡電流Ibp。為了消除這種不平衡電流的影響，就必須消除縱聯(lián)差動保護兩臂電流的相位差。通常采用相位補償?shù)姆绞?，即將變壓器星形接線一側(cè)電流互感器的二次繞組接成三角形，而將變壓器的三角形側(cè)電流互感器的二次繞組接成星形，以便將電流互感器二次電流的相位矯正過來，從而有效地消除因兩側(cè)電流相位不同而引起的不平衡電流。若僅從相位補償角度出發(fā)，也可將變壓器三角形側(cè)電流互感器二次繞組接成三角形。如果采用這種補償方式，若變壓器高壓側(cè)采用中性點接地的工作方式，則當差動回路外部發(fā)生單相接地短路故障時，變壓器高壓側(cè)差動回路將有零序電流，而變壓器三角形側(cè)無零序分量，使不平衡電流增大。因此，對于常規(guī)變壓器而言，差動保護是不允許采用變壓器低壓側(cè)進行相位補償?shù)慕泳€方式。

四、結(jié)語

中性點不接地系統(tǒng)發(fā)生單相金屬性接地，接地相對地電壓為0V，接地短路電流為接地相正序、負序、零序電流矢量和，當系統(tǒng)饋出線較多、對地容抗很大時，忽略系統(tǒng)線路、元件阻抗，系統(tǒng)單相接地電流變?yōu)槿繉Φ仉娙蓦娏魇噶亢汀２⑶以诮拥仉娙蓦娏鞔笥?0A 時，要求采取限制接地短路電流措施，安裝消弧線圈。