攀鋼35kV礦變單相接地故障監(jiān)測預警研究及應用

攀鋼集團礦業(yè)有限公司生產(chǎn)服務分公司 趙 坪 簡紅峰

攀鋼35kV 礦變低壓6kV 配網(wǎng)系統(tǒng)采用中性點不接地方式，包括3段6kV 母線和19條出線，出線以電纜為主。由于出線多、供電距離遠，經(jīng)常發(fā)生單相接地故障，占所有故障的80%以上；本站前期沒有配置選線裝置，系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，由保護裝置發(fā)出接地告警信號，但無法報出實際接地線路，只能通過人工拉路的方式進行故障排除，故障處理效率低、系統(tǒng)帶故障運行時間長，期間容易發(fā)生第二點擊穿形成相間短路跳閘或損壞，此類事故時有發(fā)生。

2021年站內(nèi)安裝使用了基于暫態(tài)信號的選線裝置，運行過程發(fā)現(xiàn)，線路在發(fā)生破壞性單相接地故障前，暫態(tài)選線裝置往往會捕捉到該線路有多次瞬時對地放電現(xiàn)象，通過巡檢大部分得到確認和排除，使得系統(tǒng)單相接地故障發(fā)生率較前下降了47%以上，效果明顯。

1 面臨問題

長期以來，6～35kV 低壓配網(wǎng)小電流接地系統(tǒng)單相接地故障問題一直困擾著攀鋼的生產(chǎn)運行，小電流接地系統(tǒng)單相接地故障問題比較復雜，不單是涉及技術問題、也涉及社會民生問題。

首先是選線困難問題。由于小電流接地系統(tǒng)采用中性點非直接接地方式，線路發(fā)生單相接地后，接地點流過很小的電容電流（也稱零序電流），有時與正常線路的電容電流相差不大，通過檢測零序電流很難區(qū)分故障線路和正常線路；尤其是當中性點采用經(jīng)消弧圈接地方式時，由于消弧線圈的補償作用，流過接地故障點的零序電流很微弱，有時比正常線路還小[1]。因此，通過比較各條線路的零序電流來進行選線會更加困難，這是多年來困擾小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線的最大問題，屬于技術層面問題。

其次是跳閘策略問題。小電流接地系統(tǒng)在發(fā)生單相接地故障后，三相電壓仍保持平衡，不影響系統(tǒng)供電，因此電力規(guī)程規(guī)定允許系統(tǒng)繼續(xù)運行1～2小時。這條規(guī)定保障了生產(chǎn)供電安全，但大大增加了觸電風險，尤其是農(nóng)村地區(qū)，人畜觸電傷亡事故屢見不鮮。針對這個問題，2014年貴州電網(wǎng)研究并提出了農(nóng)網(wǎng)防人身傷害事故安全保護接地選跳技術，并在實際應用中驗證了方案的可行性[2]；2017年南方電網(wǎng)頒布的小電流接地選線技術標準規(guī)定了小電流接地系統(tǒng)單相接地故障的跳閘要求，從保生產(chǎn)安全轉向保人身安全，更注重社會民生問題。

保生產(chǎn)安全和保人身安全是一對矛盾，解決這個矛盾的關鍵在于預防和減少單相接地故障的發(fā)生。西安交通大學電氣學院長期研究配網(wǎng)小電流接地系統(tǒng)單相接地故障問題，在2003年提出了利用零序電流暫態(tài)信號進行選線的技術方向[3]，于2004—2006年提出并完善了特征頻帶選線算法[3-7]，于2009年研制了基于暫態(tài)信號特征頻帶算法的選線裝置，并在實際應用中取得了不錯的效果。暫態(tài)信號技術出現(xiàn)，使得解決上述問題成為可能。

2 單相接地故障特征

2.1 正常情況

電網(wǎng)在正常情況下，三相電壓和三相負載電流保持平衡，三相電纜對地的電容電流大小相等，相位相差120度，用公式表示如下：

2.2 故障情況

當電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時，系統(tǒng)故障相電壓會下降、正常相電壓會升高，如圖1所示。由于三相對地電壓不相同，三相對地泄放電容電流也不同，Ia、Ib、Ic也不再相等，計算零序電壓可以得到：計算各正常線路零序電流為其中k=1-n計算接地線路零序電流為以上式中：I01、I02…I0n表示正常線路的零序電流，I0J表示接地線路的零序電流。

圖1 中性點不接地系統(tǒng)單相接地時電壓和零序電流向量圖

零序電壓和零序電流具有如下特征：

接地相的電壓會降低，范圍在0～3.6kV。降低程度跟接地電阻有關，接地電阻越小接地相的電壓會越低；若接地電阻為零，則接地相電壓接近為零；正常相的電壓會升高，范圍在3.6～6.3kV。升高程度跟接地電阻有關，接地電阻越小正常相的電壓會越高；若接地電阻為零，則正常相電壓升高為線電壓6.3kV；系統(tǒng)產(chǎn)生零序電壓，接地電阻越小零序電壓越高，通常用零序電壓作為接地故障的判斷依據(jù)。在實際應用中，運行人員習慣將30V 零序電壓（二次值）作為接地故障判斷門檻，當零序電壓大于30V 時認為有接地故障發(fā)生，當零序電壓小于30V時認為接地故障消失。

正常線路會產(chǎn)生零序電流，方向從母線流向線路，流入接地點；零序電流大小與線路長度、線纜類型和接地電阻相關，線路越長零序電流越大，接地電阻越小零序電流越大，同樣長度下電纜線路產(chǎn)生的零序電流越大；接地故障線路零序電流為所有其它正常線路零序電流的總和，方向從線路流向母線，方向與正常線路相反；當電容電流比較大時，容易產(chǎn)生間歇性的弧光接地，造成系統(tǒng)過電壓，導致非故障相的絕緣薄弱處發(fā)生二點對地擊穿，使得單相故障變成相間故障。因此，當出線多、系統(tǒng)電容電流比較大時，需要加裝消弧設備，加強保護。

因此，理論上通過檢測零序電壓可以判斷是否發(fā)生接地故障，通過判斷零序電流大小和方向可以分析和找出接地線路。但在實際中，由于零序電流很小，選線的可靠性得不到保證。

2.3 暫態(tài)信號

研究發(fā)現(xiàn)，在接地故障發(fā)生瞬間，因故障相電壓突然降低，其對地電容電流迅速釋放，形成高頻衰減振蕩信號。該信號很強，是正常電容電流的幾倍到幾十倍；頻率很高，最大達到幾千赫茲；衰減很快，持續(xù)過程最短只有幾個毫秒，甚至更短。上述振蕩過程稱為暫態(tài)過程，振蕩電流稱為暫態(tài)電流。

暫態(tài)信號屬高頻信號，不受消弧線圈補償影響，能夠真實反映接地故障。零序電流暫態(tài)信號跟系統(tǒng)規(guī)模、接地電阻、接地初相角相關，系統(tǒng)越大暫態(tài)信號越強；接地電阻越小暫態(tài)信號越大；接地初相角越大暫態(tài)信號越強。因此，利用故障發(fā)生初期零序電流暫態(tài)信號是穩(wěn)態(tài)信號的幾倍到幾十倍，而且包含豐富的故障信息的特點，通過捕捉零序電流暫態(tài)信號并提取故障特征頻帶，可以實現(xiàn)準確的接地選線和接地預警。

3 設備運行分析及監(jiān)測系統(tǒng)可靠性評估

3.1 設備運行分析

設備于2021年7月28日投入試運行，截止至2021年12月9日監(jiān)測系統(tǒng)自動記錄的接地次數(shù)為236次，具體如表1所示。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析如下。

表1 監(jiān)測系統(tǒng)自動記錄的接地次數(shù)（部分）

瞬時性接地和非瞬時性接地：持續(xù)時間小于5s的瞬時性接地故障共計151次，占比63.98%；持續(xù)時間大于5s 小于8s 的短時性接地故障共計14次，占比5.93%；持續(xù)時間大于8s 的長久性接地故障共計71次，占30.06%。

系統(tǒng)電壓擾動：根據(jù)表1數(shù)據(jù)，母線I 發(fā)生44次接地報警，母線II 發(fā)生19次接地報警、共計63次，占比26.69%，其中時間超過8s 的有10次。引起母線接地告警的原因有三種：母線發(fā)生接地；區(qū)外接地故障，比如進線；系統(tǒng)電壓擾動，引起零序電壓異常。本站為35kV 變電站，結合實際情況（沒有發(fā)生母線接地情況），排除1和2兩種可能，說明主要原因是系統(tǒng)電壓振動。錄波數(shù)據(jù)顯示，系統(tǒng)擾動引起的零序電壓往往比較小，大部分只有30～50V(二次電壓)。

線路運行工況對比：根據(jù)表1數(shù)據(jù)，在運行期間報接地告警次數(shù)最多的是674線（36次）和6912線（33次），合計69次、占比29.24%，占了近三分之一，說明這兩條線路運行環(huán)境比較惡劣，安全隱患比較大；其次是652（20次）、672（26次）、693（26次）、694（15次），合計87次、占比36.86%，也值得重點關注；I 段母線和II 段母線：根據(jù)表1數(shù)據(jù)，I 段母線有11條出線，發(fā)生線路接地報警139次。II 段母線有8條出線，發(fā)生線路接地報警34次。

3.2 監(jiān)測系統(tǒng)可靠性評估

表1數(shù)據(jù)為監(jiān)測系統(tǒng)試運行期間自動記錄，數(shù)據(jù)可靠性需要結合實際情況比照分析。根據(jù)值班室“采場35kV 單相接地故障監(jiān)測預警管理系統(tǒng)（試用）運行臺帳”記錄，在2021年7月28日～2021年12月9日期間，共發(fā)生135次接地故障，其中111次為可恢復性接地故障，24次為永久性接地故障（有1次為避雷針擊穿，23次為電纜爆裂著火）。

針對永久性接地故障進一步發(fā)現(xiàn)：臺帳記錄的接地故障均與監(jiān)測系統(tǒng)記錄數(shù)據(jù)一一對應，且選線全部正確；線路發(fā)生永久性接地故障發(fā)生前，監(jiān)測系統(tǒng)多次報該線路接地，從首次到最后一次時間間隔最短只有3分46秒、最長時間有12天；在24次永久性接地故障中，有7次引起復壓過流保護動作，擴大了事故范圍。

以694線路在9月20日發(fā)生的接地故障為例，該線路于15:51:53發(fā)生了相間接地短路故障，引起站內(nèi)微機保護復壓過流I 段動作跳閘。監(jiān)測系統(tǒng)記錄顯示，該系統(tǒng)于9月8號～9月20號期間共發(fā)出6次694線路接地告警，持續(xù)時間最長超過6min。9月20日15:51:53監(jiān)測系統(tǒng)再次發(fā)出694線路接地告警，持續(xù)125s 后，復壓過流I 段動作?？梢耘袛?，發(fā)生第一次接地時故障可恢復，但由于絕緣薄弱、接地點電纜皮被反復擊穿，該過程系統(tǒng)波動頻繁過壓，引起第二點接地，形成相間短路，擴大故障范圍。

4 結語

線路在發(fā)生永久性接地故障前，往往會先出現(xiàn)多次瞬時性接地，反復擊穿絕緣薄弱點，直到永久性接地；在由瞬時性接地故障演變成的永久性接地過程中，系統(tǒng)電壓波動頻繁，這加快了其他絕緣薄弱節(jié)的老化，容易造成二點接地，形成短路故障，影響整個系統(tǒng)安全運行；瞬時性接地故障反映了線路絕緣狀態(tài)，通過監(jiān)測其零序電流暫態(tài)信號，可以對線路提前進行預警和排查，有利于減少事故、保障生產(chǎn)。