小電流接地故障管理系統(tǒng)及其應(yīng)用

曹洪飛

（河南龍宇煤化工有限公司，河南永城 476600）

0 引 言

在3～35kV中壓輸配電供電系統(tǒng)中，為維持供電系統(tǒng)的可靠性，大都采用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈或高電阻接地的形式，這種接地方式稱之為小電流接地。在小電流接地形式下，若發(fā)生單相接地，系統(tǒng)線電壓仍然可以三相對(duì)稱運(yùn)行而不影響下側(cè)用戶各設(shè)備的正常工作，其供電方式的可靠性優(yōu)于中性點(diǎn)直接接地供電系統(tǒng)，但這種非直接接地的方式也會(huì)給系統(tǒng)的安全運(yùn)行帶來一定的威脅。為此，以下筆者據(jù)多年從事電氣運(yùn)行和檢修維護(hù)作業(yè)的經(jīng)驗(yàn)，談?wù)勑‰娏鹘拥叵到y(tǒng)的常見故障、故障處理以及其固有缺陷，并對(duì)小電流接地故障管理系統(tǒng)及其應(yīng)用作一簡(jiǎn)介。

1 小電流接地系統(tǒng)常見故障

（1）發(fā)生一相（如A相）完全接地，接地相電壓降至0，正常相電壓升高，電壓互感器開口三角處出現(xiàn)100V的電壓值，選線系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，實(shí)際生產(chǎn)中這種情況較為少見。絕大部分接地為不完全接地（如高電阻、電弧等），若發(fā)生這類接地故障，故障相電壓值會(huì)據(jù)接地情況不同而發(fā)生變化，非故障相電壓也會(huì)依據(jù)情況而變，此時(shí)系統(tǒng)中消弧線圈會(huì)產(chǎn)生容性電流進(jìn)行補(bǔ)償，若電纜絕緣不能恢復(fù)，則會(huì)被再次擊穿，如此反復(fù)，甚至引起相間短路，導(dǎo)致事故擴(kuò)大化。

（2）測(cè)量元件故障所引起的接地故障，多見于電壓互感器斷線或熔斷件熔斷等，此時(shí)故障相電壓有所降低，其他相的電壓為相電壓，電壓互感器三角處會(huì)有一個(gè)35V的電壓值去啟動(dòng)繼電器，發(fā)出接地報(bào)警，此時(shí)只要對(duì)測(cè)量用互感器進(jìn)行檢修或更換熔斷件即可處理。

2 小電流接地故障的處理

（1）發(fā)生接地故障后，值班人員應(yīng)根據(jù)設(shè)備運(yùn)行狀況作出判斷，弄清情況后報(bào)告上級(jí)電調(diào)和有關(guān)負(fù)責(zé)人員，然后查找具體接地線路和設(shè)備。

（2）檢查站內(nèi)各項(xiàng)電壓指示，查看各用電設(shè)備有無故障現(xiàn)象，并根據(jù)電壓指示和設(shè)備故障對(duì)接地位置進(jìn)行判斷；如果無法找出故障點(diǎn)，需考慮線路問題，查找線路時(shí)，考慮將電網(wǎng)進(jìn)行分割，從而判斷出接地區(qū)域；操作線路時(shí)，應(yīng)首先試?yán)我O(shè)備或空載線路，對(duì)重要設(shè)備可通過轉(zhuǎn)移負(fù)荷來進(jìn)行接地點(diǎn)查找。

（3）如果經(jīng)過以上查找，故障點(diǎn)仍未找到，此時(shí)就需要考慮兩條線路同時(shí)接地或母線接地的情況了，可以按一定順序選切線路，選切時(shí)關(guān)注各相相電壓指示的變化情況，如果選切完成后各相相電壓值沒有變化，則可能是站內(nèi)設(shè)備接地。

3 小電流接地系統(tǒng)的固有缺陷

中性點(diǎn)不直接接地的運(yùn)行方式雖有很多優(yōu)點(diǎn)，但筆者總結(jié)多年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，并從近年來中壓輸配電系統(tǒng)的發(fā)展情況來看，中性點(diǎn)不直接接地的小電流接地系統(tǒng)存在一些固有缺陷，具體如下。

（1）若發(fā)生一相接地，正常相電壓升高，特別是間歇性的弧光接地，接地相電壓可以升高數(shù)倍，引起絕緣擊穿，使事故擴(kuò)大化；與中性點(diǎn)接地系統(tǒng)相比，小電流接地系統(tǒng)易引起高壓振蕩，進(jìn)而導(dǎo)致各種過電壓事故。

（2）當(dāng)發(fā)生弧光接地時(shí)，還可能使PT鐵芯飽和，從而導(dǎo)致過負(fù)荷燒毀，同時(shí)其導(dǎo)致的全系統(tǒng)過壓還會(huì)破壞整個(gè)系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

（3）小電流接地系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)，最主要的現(xiàn)象就是相電壓的變化，而現(xiàn)有的選線系統(tǒng)多是基于各支路零序電容電流的大小、方向的區(qū)別進(jìn)行分析而確定的，但現(xiàn)實(shí)是零序電流的值很小，且極易受到各種干擾，難以快速認(rèn)定故障線路，從而導(dǎo)致該類選線系統(tǒng)的準(zhǔn)確率較低。

4 單相接地故障管理系統(tǒng)介紹

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，各種先進(jìn)的診斷技術(shù)和設(shè)備層出不窮，原有監(jiān)測(cè)設(shè)備的精度和準(zhǔn)確性也得到了不同程度的提升，利用現(xiàn)有的多項(xiàng)技術(shù)已能對(duì)單相接地進(jìn)行準(zhǔn)確地判斷了。

4.1 MXJD單相接地故障管理系統(tǒng)概況

MXJD單相接地故障管理系統(tǒng)是針對(duì)中性點(diǎn)不直接接地系統(tǒng)而開發(fā)的，適用于各類發(fā)電和用電單位；實(shí)際應(yīng)用中具有較強(qiáng)的通用性和靈活性，適用于3～35kV中壓配電中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，用戶可通過不同的組裝配置來滿足現(xiàn)場(chǎng)的需求；其模擬交流信號(hào)采用數(shù)字化傳輸，從而克服了以往小電流選線系統(tǒng)接地點(diǎn)阻抗變化較大、現(xiàn)場(chǎng)情況復(fù)雜、零序電流弱、電磁干擾等多種不利因素的影響，能較快地選出單相接地故障線路；另外，MXJD單相接地故障管理系統(tǒng)還提供臨時(shí)接地故障、永久性接地故障2種故障處理方法，既可保證供電的可靠性，又可解決設(shè)備運(yùn)行的安全性問題。

4.2 MXJD單相接地故障管理系統(tǒng)工作原理

MXJD單相接地故障管理系統(tǒng)（其應(yīng)用原理示意見圖1）通過從接地變壓器引出的中性點(diǎn)與高壓可控硅串聯(lián)之后與地相接，當(dāng)供電系統(tǒng)某一路發(fā)生接地故障后，中性點(diǎn)電位隨之升高，該電位信號(hào)會(huì)傳輸至主控制器，主控制器便觸發(fā)可控硅導(dǎo)通，于是故障支路流過一個(gè)可控的零序電流，故障支路脈沖式零序電流互感器（CT）監(jiān)測(cè)到該脈沖電流后，通過信號(hào)采集單元發(fā)送至主控制器，主控制器據(jù)此判斷出故障支路、故障類型、故障時(shí)間等；同時(shí)，MXJD單相接地故障管理系統(tǒng)可以根據(jù)接地的性質(zhì)采用不同的工作方式，讓消弧線圈與真空接觸器配合，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)，從而使系統(tǒng)的供電可靠性和安全性均得到提高。

圖1 MXJD單相接地故障管理系統(tǒng)應(yīng)用原理示意

當(dāng)發(fā)生接地故障時(shí)，MXJD單相接地故障管理系統(tǒng)在完成選線的同時(shí)啟動(dòng)故障相真空接觸器，該接觸器通過轉(zhuǎn)移流過故障相的高頻接地電容電流消除系統(tǒng)弧光過電壓，之后對(duì)消弧線圈進(jìn)行調(diào)諧，打開故障相的真空接觸器，在此過程中，流經(jīng)消弧線圈的電感電流與單相接地時(shí)的電容電流相抵消，從而避免電流再次流經(jīng)故障點(diǎn)，起到防止發(fā)生相間短路以及真空接觸器開合產(chǎn)生的操作過電壓；若故障消除，MXJD單相接地故障管理系統(tǒng)退出消弧線圈，反之系統(tǒng)會(huì)再次啟動(dòng)真空接觸器轉(zhuǎn)移故障電流，退出消弧線圈，保證系統(tǒng)約2h的供電。

4.3 MXJD單相接地故障管理系統(tǒng)的特點(diǎn)及功能

MXJD單相接地故障管理系統(tǒng)綜合了中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)和中性點(diǎn)有效接地系統(tǒng)兩者的優(yōu)點(diǎn)，既具備中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)的用電可靠性，又解決了弧光過電壓對(duì)系統(tǒng)帶來的安全隱患。另外，MXJD單相接地故障管理系統(tǒng)主控制器采用DSP技術(shù)，反應(yīng)速度可提至20ms以內(nèi)，可控硅的導(dǎo)通時(shí)間僅為工頻的半個(gè)周波，采用的相控原理對(duì)供電系統(tǒng)毫無影響，且其使用簡(jiǎn)單、安全可靠性高，可以從站內(nèi)直流系統(tǒng)直接接220V、110V、48V、24V電源使用；對(duì)于不同用戶，可以采取不同的工作方式，讓觸點(diǎn)消弧和消弧線圈互相配合，有效提高供電質(zhì)量；另外，由于其能瞬時(shí)放大接地電流信號(hào)，其自身準(zhǔn)確率也得到大幅提升，且在系統(tǒng)有故障發(fā)生時(shí)可以對(duì)電壓值進(jìn)行全過程監(jiān)測(cè)。

MXJD單相接地故障管理系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的功能較為全面，其主要功能有金屬接地告警、弧光接地動(dòng)作、低電壓告警、過電壓告警、電壓不平衡告警、PT斷線自診斷、控制器異常管理等；此外，其自身具有的記錄追憶功能還可以保存32個(gè)動(dòng)作、32個(gè)事件、16個(gè)錄波，并不會(huì)因掉電或復(fù)位而消失，從而可很好地滿足用戶定位查找事故原因的需要。

5 單相接地故障管理系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

筆者曾供職于一化工企業(yè)，由于該企業(yè)電纜所處生產(chǎn)環(huán)境較為惡劣，均存在不同程度的老化，加之使用時(shí)間較長(zhǎng)，曾發(fā)生過數(shù)次單相接地故障，由于原小電流選線系統(tǒng)比較陳舊，始終無法將故障線路選出進(jìn)行補(bǔ)償。2018年初，該企業(yè)4＃循環(huán)水泵電纜線路發(fā)生單相接地故障，其產(chǎn)生的過電壓導(dǎo)致相間絕緣被破壞，進(jìn)而引發(fā)相間短路，電纜一路從設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)損壞到高壓室，其產(chǎn)生的火花還將同層架設(shè)的其他高壓電纜和低壓電纜燒壞，而且由于種種原因該循環(huán)水泵所在斷路器沒有及時(shí)跳閘，進(jìn)而導(dǎo)致其上級(jí)斷路器跳閘，造成整個(gè)企業(yè)停產(chǎn)近1個(gè)月，經(jīng)濟(jì)損失巨大。之后，該企業(yè)于2018年8月采用單相接地故障管理系統(tǒng)進(jìn)行了全面的升級(jí)改造。

MXJD單相接地故障管理系統(tǒng)建成后，2019年4月某日23：35，該企業(yè)自備電站變電站蜂鳴器發(fā)出警報(bào)，與此同時(shí)，該變電站二段母線PT開口三角處測(cè)得電壓為56V，2＃偏磁式消弧線圈中性點(diǎn)電壓測(cè)量值為52.6V，超過正常啟動(dòng)電壓30V，故障指示燈亮起。種種跡象表明，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備發(fā)生了單相接地故障，隨即現(xiàn)場(chǎng)值班人員調(diào)取新投運(yùn)不久的MXJD單相接地故障管理系統(tǒng)查看報(bào)警頁(yè)面，頁(yè)面顯示持續(xù)時(shí)間5min，選線結(jié)果為06404線路8，備選線路為06415；隨即該變電站值班人員與工藝生產(chǎn)人員協(xié)商后，按照小電流選線系統(tǒng)提示立即停運(yùn)6＃循環(huán)水泵（即線路06404），停機(jī)后，警報(bào)消除，消弧線圈停止補(bǔ)償，各綜保裝置均恢復(fù)正常。隨后，電氣值班人員對(duì)6＃循環(huán)水泵進(jìn)行絕緣測(cè)量，其對(duì)地絕緣值顯示為0，進(jìn)一步驗(yàn)證了MXJD接地故障管理系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。判定出故障設(shè)備后，該企業(yè)連夜組織開展了對(duì)該設(shè)備的檢修維護(hù)。

6 結(jié)束語

如今，隨著大型廠區(qū)智能化水平的不斷提升，對(duì)供電系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性提出了更高的要求和標(biāo)準(zhǔn)，而大型廠區(qū)特別是大中型化工企業(yè)，由于部分線路和設(shè)備運(yùn)行環(huán)境較為惡劣，極易出現(xiàn)系統(tǒng)單相接地故障，如果不能及時(shí)將故障線路查找出來并從系統(tǒng)中予以切除，極易發(fā)生絕緣擊穿而導(dǎo)致事故進(jìn)一步擴(kuò)大，影響安全生產(chǎn)。為減少單相接地故障給電網(wǎng)運(yùn)行帶來的不良影響，不僅要求運(yùn)維人員熟悉有關(guān)規(guī)程，了解設(shè)備的運(yùn)行狀況，在實(shí)踐中不斷地總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，加強(qiáng)配電線路的維護(hù)管理，提高配電線路檢修人員的技術(shù)水平，還需通過專業(yè)的儀器設(shè)備幫助檢修人員更快、更準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)接地點(diǎn)或接地設(shè)備，從而縮短查找接地故障的時(shí)間。

總之，電力供電線路是大型智能化廠區(qū)的核心基礎(chǔ)設(shè)施，其在實(shí)際運(yùn)行過程中的安全性、可靠性和穩(wěn)定性十分重要。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，通過向標(biāo)準(zhǔn)化、自動(dòng)化和智能化方向發(fā)展，將有效處理好生產(chǎn)中遇到的各種故障現(xiàn)象，在保證順利生產(chǎn)的同時(shí)提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。