小電流接地系統單相接地故障分析

摘要:本文主要針對經消弧線圈接地的多級35kV局域網(以陽煤礦區局域網為例)，分析闡述小接地電流系統單相接地故障危害性、消弧線圈性能以及運行部門查找處理故障的要點等，確保系統安全、穩定、可靠運行。

關鍵詞:小電流接地系統 故障選線

1 小電流接地系統簡介

1.1 小接地電流系統的概念

中性點非直接接地方式即中性點不接地系統，包括中性點經消弧線圈接地方式系統，接地故障電流往往比負荷電流小得多，故亦稱其為小接地電流系統。標準規定X0/X1>4～5的系統屬于小接地電流系統。供電可靠性高，對絕緣要求較高。而在電壓等級較高的系統中，絕緣費用在設備總價格中占相當大比重，降低絕緣水平帶來的經濟效益非常顯著，一般就采用中性點直接接地方式，以其它措施提高供電可靠性。在電壓等級較低的系統中，一般就采用中性點不接地方式以提高供電可靠性，筆者所在地區沒有60kV電壓等級，因此35kV及以下系統采用小接地電流系統。

1.2 小接地電流系統的供電可靠性和優點

小接地電流系統供電可靠性高。單相接地故障時，因暫不構成短路回路，接地相電流不大，往往比負荷電流小得多，而且三相之間的線電壓仍然保持對稱，對負荷的供電暫沒有影響，系統仍可繼續運行1～2小時，不必立即切除接地相，斷路器不必立即跳閘，并不立即對設備造成損壞，從而保證了對用戶的不間斷連續供電，提高了供電可靠性。

1.3 小接地電流系統的缺點

它的主要缺點是在發生單相接地故障時無法迅速確認問題出在那一條線路上。由于這種故障引起的相電壓升高對系統性能構成很大威脅，必須迅速查出故障線路并加以排除。復雜局域網尤其是經消弧線圈接地的電網，在接地情況下，如何準確及時選出故障線路對于配電自動化的實現有著重要的意義。

1.4 陽煤礦區35kV電網簡介

陽煤集團陽泉礦區電網始建于1984年。25年來隨著煤礦生產能力的不斷提高，供電網絡逐年拓展，已形成了一個規模龐大、結構復雜的電力系統。目前陽煤礦區電網已經形成一個以礦區110kV變電站為唯一電源，接帶局域內24個35/6kV用戶變電站，兩個自備熱電廠和三個煤層氣發電站。當局部區域因接地造成系統隱患時，如果不能及時排除故障接地線路，將嚴重威脅到礦井的安全生產。

2 小電流接地系統故障選線

2.1 故障選線的不同原理及其應用

2.1.1 80年代后期研制出的全國第一代選線裝置。由于理論和技術上的局限，靈敏度和準確率都不高，90年代后都相繼退出了運行。

2.1.2 20世紀初涌現出了以KA2003型小電流接地電網單相接地故障選線裝置為代表的新一代選線裝置。克服了第一代小電流選線產品存在的諸多影響選線準確率的問題，將各種選線判據有機地集成充分的判據，并與多種數據處理算法和各種選線方法融為一體。構成了各種判據有效域優勢互補，能適應變化多端的單項接地故障形態的多層次的全方位的智能化選線系統。KA2003系列89選線裝置實時采集系統故障信號，應用多種選線方法進行綜合選線，具體包括:智能群體比幅比相法。諧波比幅比相法、小波法、首半波法、有功分量法、能量法、零序電流突變法。裝置通過確定各種選線方法的有效域，根據故障信號特征自動對每一種選線方法得出的故障選線結果進行可信度量化評估，應用證據理論將多種選線方法融合到一起，最大限度的保證各種選線方法之間實現優勢互補。我想重點介紹一下比幅比相法和諧波法:

智能型比幅比相方法的基本原理是:對于中性點不接地系統，比較母線的零序電壓的幅值和相位，故障線路零序電流相位應滯后零序電壓90°并與正常線路零序電流反相，若所有線路零序電流同相，則為母線故障。

諧波方法的基本原理是:對于中性點經消弧線圈接地系統，對諧波分量來說消弧線圈處于欠補償狀態，如果線路零序電流中含有豐富的諧波成分，則比較所有線路零序電流分量的幅值與相位，故障線路零序電流幅值較大且相位應與正常線路零序電流反相，若所有線路零序電流電流同相，則為母線故障。

2.1.3 90%以上的小電流接地系統僅安裝有兩相CT。對這種僅裝兩相CT小電流接地系統， 至今尚沒有理想的接地選線和故障定位方法，仍不得不沿用原始落后的拉路法進行接地選線。兩相CT接線的小電流接地系統的單相接地選線與故障定位問題，成為技術難題。山東山大桑教授關于“S 注入法”的提出，是繼零序電流法之后，在小電流接地系統單相接地選線及定位方面又一突破，它解決了困擾電力系統幾十年的兩相CT架空饋線的單相接地選線問題;進一步完善了小電流接地系統兩相CT接線體制，避免了為單相接地選線加裝B相CT和拉傳輸零序電流的電纜，從而簡化了變電所的一、二次設備，起到了很好的經濟效益和社會效益。

此裝置由主機和信號探測器兩部分組成，主機通過五芯電纜接于PT二次側(A、B、C、N、L)，實時監控三相四線PT的相電壓和零序電壓運行情況，判斷是否有接地故障發生。當發生接地故障時，主機通過PT二次側向接地相注入一種特殊的電流信號，如圖1(1)，該電流信號耦合到PT的一次側，將沿接地線路的接地相流動并經接地點入地，與大地形成電流環，如圖1(2)。信號探測器為該特殊信號電流的接收裝置，采用高靈敏度無線傳感器，對探測到的信號電流經高精度A/D轉換后進行濾波，取出注入信號電流并找出故障線路。它只反映注入信號電流而不反映工頻及其他各次諧波和零序電流。用于具有配電網自動化系統中時，故障啟動后，各個分段開關處的信號探測器利用通訊網絡將信號傳送到主機，根據故障饋線上各個分段開關傳送的對特殊信號電流的探測結果，自動判別故障線路并上傳調度中心。

2.2 小電流接地系統發生接地故障時如何快速定位

對于小電流接地系統，如何快速查找單相接地故障，我給大家介紹一些簡單可行的方法。

2.2.1 人工查找方法 如果變電站內沒有安裝接地選線裝置，線路上也沒有安裝接地故障指示器或者短路接地二合一故障指示器，也沒有很好的接地故障探測儀，那就只好采用人工查找的笨辦法了。查找步驟如下:

①通過人工(或調度，以下同)依次拉閘，可知道變電站哪條出線接地，通過調度知道哪相接地。

②接下來有兩種方法來查找故障點:一是將線路逐級分段，或者將經常有故障的線路拉開，用2.5kV搖表測接地相對地絕緣，絕緣電阻小的那段為故障段，以此縮小查找范圍(當然，在變電站出線側一定要做好掛接地線等安全保護措施);二是將線路盡可能分段，然后逐級試合送電，與調度互動配合，有零序電壓報警時該段為故障區段。

人工查找方法操作很麻煩，如果線路長、分支多、開關分段又少，那就不好操作了，再加上天色和天氣不佳，那就更不好處理了。建議還是采用一些設備投資少的科技手段來配合人工查找，可取得事半功倍的效果，既提供了供電可靠性和社會效益，也創造了經濟效益。

2.2.2 利用接地選線裝置和故障指示器來查找

變電站一般都安裝了接地選線裝置，雖然有時不準，但可以為人工拉閘提供技術參考。然后在線路上安裝一些接地故障指示器(或者短路接地二合一故障指示器)，以此指示接地故障途徑。目前比較可靠的接地故障檢測方法是采用信號源法，比較靈敏的的接地故障檢測方法是采用首半波法或者直流暫態分析法。建議采用兩種接地故障指示器相結合的方法來查找接地故障比較好，以信號源法為主，以首半波法或者直流暫態分析法為輔。

2.2.3 改變中性點接地方式來查找

配電系統采用中性點不接地或者經過消弧線圈接地方式，有利也有弊。針對故障查找困難的“弊端”和由此帶來的一些人身財產安全問題，用戶自己也在做進一步的思考，思考出來的方案主要有兩種:

①將中性點改為經小電阻接地。改造以后，利用出口斷路器的零序兩段保護功能和短路故障指示器，基本上可以解決掉70%左右的接地故障查找問題，但還有30%左右的中阻和高阻接地故障不好查找，可能還存在與線路熔斷器的保護配合問題。針對這種系統，目前比較好的解決方法是利用數字化的故障指示器，將線路零序電流(電纜)、線路總電流(架空)、對地絕緣電壓(架空)等指示器的測量數據通過通訊網絡發送到調度系統，經綜合分析變電站實時和歷史信息，可判斷接地點位置。

②中性點改為小電阻+斷路器或者中電阻+高壓接觸器的模式。斷路器或高壓接觸器平時處于分位，只有當檢測到系統零序電壓抬高以后才延時合閘，短時變為小電阻或者中電阻接地，然后通過以小電阻接地方式下的檢測方法來查找故障。另外，由于中性點電阻的通斷可以靈活控制，則可以在消弧線圈動作以后，再以一定的合分時序來控制電阻的通斷，以便讓保護裝置動作或者讓接地故障指示器識別該信號并指示出接地電流途徑。

2.2.4 復雜35kV電網(以我們陽煤礦區35kV電網為例)接地下的綜合查找

陽煤110kV樞紐站及其一級35kV站安裝了“S注入法”及KA2003兩套獨立的小電流接地選線系統，且在調度安裝分析軟件，通過光纖網將數據傳回調度，經統計約70%的接地選線比較正確(兩套系統判斷統一)，能及時將接地線路和設備隔離。約30%的情況判斷不準確(兩套系統判斷不統一)，此時通過執行接地處置預案，將兩套接地選線選出兩個區域利用樞紐站母聯與非選線區域分成兩個相對獨立的35kV子系統，經統計接地點多在小電流選線選出的兩個區域，此時繼續通過樞紐站將其中一個區域倒至另一區域，可確定接地區域，從而進一步通過接地區域的選線裝置逐步縮小范圍，最終將接地點隔離，實踐證明，此種綜合查找接地的方法快速、準確、效果明顯，特別適合復雜35kV電網接地的查找。

參考文獻:

[1]BA2008小電流選線裝置說明書.

[2]TY-03微機小電流接地選線裝置說明書.

作者簡介:

孫志強(1972-)，男，山西省陽泉市人，電氣工程師，現國陽新能股份有限公司發供電分公司供電工區主任。