配電網(wǎng)單相接地快速處置裝置運行情況研究

陳潔羽，左寶峰，談 震，權(quán) 立，張志華，林 圣

（1.國網(wǎng)陜西電力科學(xué)研究院，陜西 西安 710100；2.國網(wǎng)西安供電公司，陜西 西安 710032；3.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川 成都 610000）

0 引言

在我國配電網(wǎng)的運行中，單相接地故障占配電線路總故障次數(shù)的80%以上[1]。小電流接地系統(tǒng)因其發(fā)生單相接地故障后可繼續(xù)短時運行并保持負荷平衡供電的優(yōu)點，在我國配電網(wǎng)中得到廣泛的應(yīng)用[2]。然而，小電流接地系統(tǒng)單相接地造成的非故障相對地電壓升高以及弧光接地可能引起的系統(tǒng)過電壓，都對設(shè)備絕緣提出更高要求；隨著配電網(wǎng)饋線的增多，不斷增大的電容電流增加了故障自行消除的難度[1-3]。單相接地后長時間運行易使故障范圍擴大，威脅電網(wǎng)安全，必須盡快選出并切除故障線路。

目前，國內(nèi)配電網(wǎng)單相接地故障處理技術(shù)已經(jīng)較為成熟，消弧線圈已經(jīng)從傳統(tǒng)固定補償式發(fā)展成為自動跟蹤補償式消弧線圈[4-9]，適用于諧振接地系統(tǒng)的暫態(tài)量選線技術(shù)已取得突破性進展，達到實用化水平[10-22]。但是，單相接地故障處理的效果一直不甚理想，原因如下：（1）大量在運消弧線圈的運行狀況不理想，且消弧線圈容量配置不足的情況普遍存在；（2）造成小電流接地選線正確率低的主要原因在于現(xiàn)場零序電流互感器安裝及裝置二次回路接線問題較多，因選線裝置無法與電網(wǎng)環(huán)境或消弧線圈的動作特性相配合導(dǎo)致選線錯誤的問題也存在。為確保單相接地快速處置方案的正確動作水平，需要對消弧線圈以及選線裝置的動作性能進行測試[23-24]，而仿真分析或?qū)嶒炇覘l件下的測試均難以完全模擬裝置所處真實電網(wǎng)環(huán)境，因此有必要開展真實運行環(huán)境下的單相接地試驗，對消弧線圈以及小電流選線裝置的動作性能進行系統(tǒng)測試。

本文以在西安地區(qū)開展的真實環(huán)境下人工單相接地試驗及實際發(fā)生的接地故障為基礎(chǔ)，總結(jié)了消弧線圈運行中存在的控制器故障、本體故障、容量不足及小電流選線裝置自身故障、二次接線錯誤等問題。結(jié)合發(fā)現(xiàn)問題，進一步給出配電網(wǎng)單相接地故障快速處置改造施工和運行的相關(guān)建議。

1 單相接地試驗方法

真實環(huán)境下人工單相接地試驗接線如圖1 所示。

圖1 人工接地試驗接線圖Fig.1 Artificial grounding test circuit

人工單相接地裝置掛于被試線路，試驗時接地導(dǎo)線接入電網(wǎng)運行設(shè)備任意一相。試驗前接地導(dǎo)線連接斷路器處于斷開位置，電網(wǎng)線路處于正常帶電運行狀態(tài)，通過遠程遙控的方式合接地線斷路器以實現(xiàn)單相接地。裝置可用于模擬過渡電阻接地或間歇性弧光接地。接地時間可以人為設(shè)置，以模擬瞬時接地故障和永久接地故障。在試驗中記錄被測裝置的動作結(jié)果和相關(guān)電氣量信息，以核實消弧線圈技術(shù)參數(shù)是否符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求、排查現(xiàn)場二次回路存在的問題等。

2 裝置運行水平分析

2.1 消弧線圈運行水平

目前，現(xiàn)場運行的消弧線圈分為預(yù)調(diào)式和隨調(diào)式兩大類，其中預(yù)調(diào)式包括調(diào)匝式、調(diào)容式2 種，隨調(diào)式包括相控式、偏磁式（已被淘汰）2 種。依據(jù)人工單相接地系統(tǒng)測試，總結(jié)消弧線圈運行中存在以下幾類故障：

2.1.1 消弧線圈控制器故障

控制器故障是消弧線圈出現(xiàn)問題最多的一類故障，消弧線圈技術(shù)參數(shù)參考文獻[25]，缺陷分布統(tǒng)計情況見表1。從表1 中可以看出，目前消弧線圈裝置中控制器的質(zhì)量水平與系統(tǒng)中其他二次控制設(shè)備相比普遍存在較大差距，消弧線圈控制器檢測規(guī)范及入網(wǎng)檢測要求較低，導(dǎo)致消弧線圈控制器故障頻發(fā)。多數(shù)消弧線圈不具備自檢功能與故障錄波功能，在控制器發(fā)生故障或出現(xiàn)異常時，裝置無法給出報警信號，不利于運維人員發(fā)現(xiàn)故障及時消缺。

表1 消弧線圈控制器故障統(tǒng)計表Table 1 Fault statistics of arc suppression coil controller

2.1.2 消弧線圈本體故障

按故障部位來分，消弧線圈本體故障見表2。按其原因統(tǒng)計情況來看，消弧線圈設(shè)計及制造工藝水平低是消弧線圈出現(xiàn)調(diào)檔開關(guān)故障拒動、阻尼電阻燒毀等本體故障的主要原因。

表2 消弧線圈本體故障統(tǒng)計表Table 2 Fault statistics of arc suppression coil

2.1.3 其他問題

包括消弧線圈容量不足、控制器超期運行等。

2.2 小電流選線裝置運行水平

近年來，單相接地故障檢測方面已形成以暫態(tài)法（包括行波法）為主流的小電流系統(tǒng)單相接地選線技術(shù)。通過人工單相接地試驗，對選線裝置動作性能開展的分析來看，造成小電流接地選線正確率低的原因包括裝置自身問題和現(xiàn)場二次回路接線問題兩大類。

2.2.1 裝置自身問題

選線裝置自身故障見表3?；跁簯B(tài)量的配電網(wǎng)單相接地故障選線技術(shù)雖然從原理上能有效檢測諧振接地系統(tǒng)下的單相接地故障，但由于實際應(yīng)用經(jīng)驗缺乏，仍存在一些現(xiàn)場實際運行問題需要解決。

表3 小電流選線裝置自身故障統(tǒng)計表Table 3 Fault statistics of small current line selection device

2.2.2 外部回路問題

外部回路問題統(tǒng)計見表4。由于系統(tǒng)正常運行時不平衡度小，無法監(jiān)測開口三角電壓情況，二次接線錯誤等問題在調(diào)試期間無法排查，只有在接地期間才能發(fā)現(xiàn)零序電壓二次回路存在的問題。另一方面，小電流接地選線原理對現(xiàn)場零序電流互感器的安裝及裝置二次回路接線的要求極高，缺乏相關(guān)的施工、檢驗與驗收規(guī)范，導(dǎo)致單相接地故障處理的實際效果并不理想。

表4 小電流選線裝置外回路問題統(tǒng)計表Table 4 Fault statistics of external circuit of small current line selection device

2.3 典型案例分析

2.3.1 消弧線圈在接地消失后無法退出補償狀態(tài)

1）事件經(jīng)過。某110 kV 變電站10 kV II—IV母線均是諧振接地系統(tǒng)，站內(nèi)按母線分段配置消弧線圈與集中式小電流選線裝置。消弧線圈配置為預(yù)調(diào)式，脫諧度為-3%（過補償）。

在10 kV IV 母110 間隔C 相制造人工單相接地故障，接地時消弧線圈阻尼電阻被可靠短接，以提供相應(yīng)檔位的補償電流，將接地殘流限制在規(guī)定范圍以內(nèi)。同時，站內(nèi)配置的小電流選線保護裝置選線正確。

當(dāng)人工單相接地消失后，系統(tǒng)零序電壓未按預(yù)期衰減，其數(shù)值依舊超過單相接地故障閾值，波形如圖2 所示，導(dǎo)致調(diào)度自動化推拉程序啟動，自動推拉第一條在運線路后，零序電壓恢復(fù)正常。

圖2 接地消失后零序電壓虛高Fig.2 Waveforms of zero sequence voltage after grounding fault disappearance

2）原因分析。當(dāng)單相接地消失后，系統(tǒng)零序電壓數(shù)值仍超過單相接地故障檢測閾值，由于此時系統(tǒng)中并無真實接地故障，分析原因為消弧線圈未及時退出補償狀態(tài)所致。

當(dāng)單相接地故障消失瞬間，預(yù)調(diào)式消弧線圈和阻尼電阻無法立刻投入運行，仍被短接；對隨調(diào)式消弧線圈，可控硅導(dǎo)通角仍維持不變，消弧線圈仍等效為一定阻抗的電感。此時，消弧線圈等效電感與系統(tǒng)對地電容構(gòu)成串聯(lián)回路，中性點電壓Un為：

式中：U0為電網(wǎng)不對稱電壓；Xl表示消弧線圈感抗；Xc為線路對地容抗；ν為脫諧度。

通常ν設(shè)定為5%～8%，此時中性點電壓被放大了12.5～20 倍以上。如系統(tǒng)不對稱電壓為50 V，此時中性點電壓最高可達1 000 V。這么高的電壓足以使阻尼電阻短接不返回或消弧線圈啟動不返回，造成接地消失后中性點電壓依然較高，出現(xiàn)虛假接地現(xiàn)象。當(dāng)調(diào)度推拉1 條在運線路后，系統(tǒng)電容電流發(fā)生變化，串聯(lián)諧振條件被打破，消弧線圈啟動條件返回。

3）相關(guān)建議。（1）調(diào)整消弧線圈運行參數(shù)或控制策略。將脫諧度適度調(diào)大或?qū)⑾【€圈檔位調(diào)高，可以有效抑制這種現(xiàn)象的發(fā)生；或消弧線圈間隔一定時間退出一次，以檢測接地故障是否消失。（2）降低系統(tǒng)不對稱電壓。調(diào)整接地變偏置開關(guān)人為降低系統(tǒng)不對稱度，可降低系統(tǒng)的不對稱電壓，抑制接地消失后的串聯(lián)諧振現(xiàn)象。

2.3.2 小電流選線裝置零序有功功率方向原理誤動

1）事件經(jīng)過。某110 kV 變電站10 kV I，II 母均是諧振接地系統(tǒng)，站內(nèi)配置集中式小電流選線裝置。在10 kV I 母124 間隔A 相制造人工單相接地故障。1 000 Ω過渡電阻接地時，小電流選線裝置誤選為非故障線路163 間隔。

2）裝置動作情況。消弧線圈配置為預(yù)調(diào)式，脫諧度為-3%（過補償），故障發(fā)生后20 ms 消弧線圈動作，將接地殘流限制在10 A 以內(nèi)。小電流選線裝置采用暫態(tài)量與穩(wěn)態(tài)量結(jié)合的綜合選線原理，500 Ω及以下接地時裝置選線正確，1 000 Ω接地故障時選線錯誤，誤選為163 間隔。試驗前已將所有支路出口壓板斷開，本次試驗未造成非故障線路誤跳閘。

3）原因分析。選線裝置錄波文件如圖3 所示，電壓電流相量關(guān)系如圖4 所示，圖4 中數(shù)字代表各支路通道編號，其中通道4 為零序電壓，通道11、12、18 為非故障線路零序電流，通道14 為故障線路零序電流。

圖4 1 000 Ω過渡電阻接地電壓電流相量圖Fig.4 Grounding fault voltage and current phasor diagram of transition resistance of 1 000 Ω

分析發(fā)現(xiàn)接地后各條線路均出現(xiàn)了阻性電流分量，此時非故障線路零序電流方向為100°～130°（第二象限），故障線路零序電流方向為-150°（第三象限），相量分析如圖3 所示。故障線路與非故障線路有功功率方向均為負，均滿足有功功率方向動作判據(jù)，此時以接入選線裝置的第一條支路（163 間隔）作為選線結(jié)果。

圖3 1 000 Ω過渡電阻接地故障波形Fig.3 Grounding fault waveforms of transition resistance of 1 000 Ω

此時消弧線圈支路阻尼電阻已短接，提供的電流為純感性，不含阻性分量。由此推斷，各支路零序電流中的阻性分量為零序互感器角差導(dǎo)致。該站10 kV 出線零序互感器配置均為150/51VA，帶載能力差，高阻接地時各支路零序電流一次值均在5 A以下，一次電流過小時零序互感器工作在非線性區(qū)，此時比差、角差均遠超規(guī)程要求，角度誤差甚至可達10°～50°，使得利用零序有功功率方向原理的選線裝置無法正常工作。

4）相關(guān)建議。目前沒有針對零序互感器技術(shù)參數(shù)的明確要求，現(xiàn)場使用的零序互感器角差嚴(yán)重超標(biāo)，要求退出零序有功功率方向選線原理，對同型號裝置進行排查；同時合理設(shè)置暫態(tài)電壓門檻值，防止暫態(tài)原理失效。

2.3.3 異名相兩點相繼接地故障

1）事件經(jīng)過。2021 年1 月9 日15:01:40，某110 kV 變電站10 kV II 母發(fā)生C 相完全接地故障，小電流接地選線裝置啟動，判斷故障線路為146 間隔，隨后跳開146 間隔后，接地未消失；15:02，145間隔限時速斷保護動作，開關(guān)跳閘（重合閘未投），接地消失。

2）裝置配置情況。該站配置預(yù)調(diào)式消弧線圈與站內(nèi)集中式小電流選線裝置作為單相接地故障處理裝置，選線裝置采用暫態(tài)量選線原理，啟動電壓15 V，出口跳閘時間5 s。各間隔零序CT 變比為150/5。

各間隔相CT 變比為600/5，配置兩段式過流保護，限時速斷保護定值為4 200 A，0.3 s，過流保護定值為730 A，0.6 s。

3）原因分析。選線裝置錄波文件如圖5 所示。從圖5 中可以看出，146 間隔首先發(fā)生C 相完全接地故障，2 s 后145 間隔A 相絕緣擊穿轉(zhuǎn)為兩線路異名相接地短路故障。小電流選線裝置在啟動5 s后跳開146 間隔開關(guān)。然而145 間歇性接地故障仍然存在，本次接地故障并未完全消失。接地發(fā)生55 s 后，145 間歇性接地故障轉(zhuǎn)為相間故障，限時電流速度保護動作跳閘，而后故障消失。

圖5 異名相兩點接地故障波形Fig.5 Waveforms of two-point grounding fault on different phase

目前站內(nèi)集中式選線裝置均不具備相繼接地故障的檢測能力。在單相接地期間發(fā)生第二點異名相接地時，對第二條故障線路無任何檢測判據(jù)，只能通過調(diào)度自動化系統(tǒng)自動/人工推拉的方式選出故障線路，該過程用時較長，期間有可能引發(fā)相間短路，擴大故障范圍。從本次事故波形來看，第二點異名相接地時有類似單相接地故障的暫態(tài)特征，可用于進行該類故障的識別。

4）相關(guān)建議。站內(nèi)集中式選線裝置需完善對于異名相兩點相繼接地故障的檢測判據(jù)，防止因線路絕緣破壞引起第二點接地時無法快速切除故障，導(dǎo)致事故范圍進一步擴大。

3 整改措施

3.1 消弧線圈新增與擴容

根據(jù)系統(tǒng)實測電容電流數(shù)值，對于最大運行方式下電容電流超過10 A 的母線應(yīng)加裝消弧線圈，新裝消弧線圈應(yīng)選擇預(yù)調(diào)式。

根據(jù)系統(tǒng)實測電容電流數(shù)值，對于補償容量不足的消弧線圈應(yīng)進行擴容。結(jié)合站內(nèi)外現(xiàn)場勘查結(jié)果，選擇整體置換增容、站內(nèi)并接增容或站外分布式補償方式。其中，站外分布式補償可通過在開關(guān)站、配電室或架空線路上加裝固定容量補償裝置實現(xiàn)。

3.2 消弧線圈改造與升級

結(jié)合消弧線圈運行情況和存在問題，對于控制器存在的缺陷應(yīng)及時消缺，對于落后原理的消弧線圈應(yīng)進行升級或更換。

自動跟蹤補償式消弧線圈與系統(tǒng)實際運行狀況必須相互匹配，如系統(tǒng)電容電流大小、系統(tǒng)不平衡大小、系統(tǒng)自身阻尼率等。針對現(xiàn)場試驗中發(fā)現(xiàn)的消弧線圈測量精度不滿足要求的問題，應(yīng)及時調(diào)整消弧線圈系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)定，如接地變不平衡度、阻尼電阻抽頭檔位、控制器相關(guān)參數(shù)等，直至計算準(zhǔn)確、跟蹤良好。

針對隨調(diào)式消弧線圈啟動時間過長、無法識別高阻接地故障的問題，有條件整改的廠家應(yīng)對控制器進行改造，以提高高阻接地識別能力。對不具備改造條件的廠家，可選擇整體更換為預(yù)調(diào)的方式，也可在不改變相控式消弧一次結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，增加阻尼電阻，改進控制器邏輯，將可控硅觸發(fā)信號改為持續(xù)輸出，避免接地啟動延遲問題。

3.3 對選線裝置原理的改進

結(jié)合現(xiàn)場運行中選線裝置存在的問題，需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題包括：選線裝置定值整定問題、提升抗過渡電阻能力問題、間歇性弧光接地應(yīng)對問題、異名相兩點接地故障應(yīng)對問題等。

目前站內(nèi)集中式選線裝置均僅采用零序電壓作為啟動條件，建議小電流選線裝置增加零序電流（突變量）啟動判據(jù)，以保證高阻接地的啟動靈敏性，出口結(jié)合零序電壓閉鎖判據(jù)，以防頻繁啟動、誤出口等問題發(fā)生。

由于正常運行時無法監(jiān)測開口三角電壓情況，建議選線裝置采用自產(chǎn)電壓與外接電壓相結(jié)合的啟動方式，防止因開口三角電壓不準(zhǔn)確導(dǎo)致裝置不正確動作。

合理設(shè)置選線裝置啟動定值，與消弧線圈動作定值相協(xié)調(diào)，防止由于消弧線圈補償速度超標(biāo)導(dǎo)致暫態(tài)法選線原理失效。

完善關(guān)于間歇性故障的處理判據(jù)，在選線裝置內(nèi)設(shè)置累加器，一段時間窗內(nèi)同一線路接地次數(shù)達到定值設(shè)定次數(shù)即出口跳閘，以應(yīng)對間歇性故障在選線裝置未達到出口時間就返回的特點。

利用異名相第二點接地時的暫態(tài)特征量，完善關(guān)于異名相兩點接地故障的處理判據(jù)。

3.4 完善外部回路

結(jié)合現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)的二次回路存在問題，要求施工、驗收單位加強對零序電流互感器安裝的正確性檢查，一次電纜屏蔽層接地應(yīng)正確，確保電流互感器能正確測量線路的接地故障電流。

由于不同型號、變比的零序CT 在同等工況下精度差異明顯，為防止因各支路零序CT 特性不同而導(dǎo)致選線裝置不正確動作，建議一段母線盡量選用同一型號的零序互感器。

對零序CT 極性錯誤間隔，盡量通過更改外部接線的方式進行糾正，避免軟件升級等因素導(dǎo)致設(shè)置信息復(fù)歸。

定期對母線PT 開口三角繞組所裝的二次消諧器進行檢測，防止因二次消諧器不正確動作導(dǎo)致開口三角電壓測量的誤差。

3.5 加強管理

制定標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系。制定小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線裝置、消弧線圈成套裝置的現(xiàn)場驗收、運維管理、檢驗與試驗等標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)程，明確運行維護管理及技術(shù)職責(zé)。

建立信息監(jiān)控系統(tǒng)。對消弧線圈、選線裝置的運行情況、動作情況進行實時監(jiān)視，將相關(guān)信息有效篩選、及時上送、發(fā)現(xiàn)問題、處理問題，以保證消弧線圈和單相接地自動化裝置的動作正確水平。

加強監(jiān)管力度。記錄每次單相接地故障的發(fā)生時間、故障位置、動作情況、消缺情況等信息，定期統(tǒng)計上報消弧線圈和單相接地故障保護裝置的動作正確率、消缺率等指標(biāo)。

4 結(jié)語

單相接地故障處理是一個系統(tǒng)工程，消弧線圈、選線裝置、二次回路上的缺陷以及它們配合上的不足，必須通過人工單相接地系統(tǒng)測試才能發(fā)現(xiàn)和明確。以西安地區(qū)開展的人工單相接地系統(tǒng)試驗為基礎(chǔ)，針對西安地區(qū)配電網(wǎng)單相接地故障快速處置改造工作中設(shè)備運行情況進行全面的總結(jié)和深入分析，并針對消弧線圈運行中普遍存在的控制器故障、容量不足，以及選線裝置原理的改進、二次回路整改等問題，進一步給出改造施工和運行的相關(guān)建議，為提高單相接地故障快速處置技術(shù)的正確動作水平奠定了基礎(chǔ)。