小電流接地系統(tǒng)單相接地或諧振等故障的判斷與處理

金汝 寧夏電力公司固原供電局

小電流接地系統(tǒng)單相接地或諧振等故障的判斷與處理

金汝 寧夏電力公司固原供電局

分析了小電流接地系統(tǒng)單相接地故障時電壓和電流的特點(diǎn)，列舉了單相接地或諧振等故障的危害及象征，并提出了在分析判斷和處理方式存在很大的差異，若處理不當(dāng)，極有可能將異常引發(fā)為事故。本文就結(jié)合幾年來的運(yùn)行工作經(jīng)驗(yàn)，探討在實(shí)際工作中所遇到10kV系統(tǒng)發(fā)生單相接地或諧振等故障的判斷與處理。

單相接地；諧振；判斷與處理

隨著電網(wǎng)的快速發(fā)展，電網(wǎng)網(wǎng)架已達(dá)到比較合理穩(wěn)定的局面，由于10～35kV系統(tǒng)均采用不接地運(yùn)行方式。這種運(yùn)行方式在系統(tǒng)發(fā)生單相接地時，由于單相接地時故障電流不大，線電壓仍然對稱，對負(fù)荷供電沒有影響，因此允許一定的時間內(nèi)帶故障運(yùn)行，系統(tǒng)允許運(yùn)行2h，因而大大提高了供電的可靠性。但隨著小電流接地系統(tǒng)饋線的不斷增加，城域電網(wǎng)的超前發(fā)展，配網(wǎng)自動化系統(tǒng)的應(yīng)用，開閉式電壓互感器數(shù)量的增加，系統(tǒng)對地電容也不斷增大，對電網(wǎng)及設(shè)備的安全造成影響。近幾年來系統(tǒng)內(nèi)某地區(qū)電網(wǎng)某110kV變電站由于10kV系統(tǒng)發(fā)生間歇性接地，引發(fā)諧振過電壓，造成部分饋線開關(guān)跳閘、隔離開關(guān)絕緣損壞及電壓互感器燒毀事故。本人通過此次事故分析認(rèn)為小電流系統(tǒng)單相接地故障、諧振以及電壓互感器故障，從現(xiàn)象上看，存在著相似性，但又有著不同的區(qū)別。在運(yùn)行過程中，如果判斷不清，處理不當(dāng)，延誤了處理時間，有可能將異常處理成事故，引起設(shè)備損壞。

2 單相接地故障時電壓和電流的特點(diǎn)

2.1 單相接地故障時電壓和電流的分析

單相接地時（如A相），A相對地電容C0被短接，此時電流分布圖及相量圖如下圖所示。

A相對地電壓ùA變?yōu)榱悖藭r大地的點(diǎn)位不再和電網(wǎng)的中性點(diǎn)的點(diǎn)位相等，而與A相點(diǎn)位相等，此時B、C兩相對地電壓為B、C兩相對A相的電壓，則B、C兩相對地電壓升高倍。電網(wǎng)中性點(diǎn)電壓ùN以及各相對地電壓為

電網(wǎng)出現(xiàn)零序電壓：即

由于ùA=0，各條線路A相對地電容電流為零，而B、C兩相的電容電流不為零，此時出現(xiàn)零序電容電流，即

發(fā)生接地時，接地電流等于正常時一相對地電容電流的3倍。保護(hù)安裝處各相電流（未計及負(fù)荷電流）為：

2.2 單相接地故障時ù0和ì0的特點(diǎn)

（1）發(fā)生單相接地時，出現(xiàn)零序電壓ù0，ù0的大小等于故障前電網(wǎng)的相電壓，且系統(tǒng)各處零序電壓相等。

（2）故障線路的保護(hù)通過的零序電流為所有非故障線路的零序電流之和，也就是所有非故障線路接地電容電流之和，一般只有10～30A，其方向是從線路流向母線。

（3）非故障線路的保護(hù)通過的零序電流為該線路本身非故障相對地電容電流之和，其方向是從母線流向線路。

3 單相接地或諧振故障的危害

3.1 單相接地故障的危害

（1）在10kV中性點(diǎn)不接地的小電流接地系統(tǒng)中，若一相接地時，則未接地相對地電壓升高為相電壓的倍，系統(tǒng)中的絕緣薄弱點(diǎn)可能擊穿，造成短路故障。

（2）由于在接地時產(chǎn)生電弧，電弧對相間絕緣有熱作用，會燒壞設(shè)備并可能發(fā)展成為相間短路故障。

（3）故障點(diǎn)產(chǎn)生間歇性電弧接地時，在一定條件下，將產(chǎn)生串聯(lián)諧振過電壓，其值可達(dá)相電壓的2.5～3倍，對系統(tǒng)設(shè)備的絕緣危害很大，進(jìn)而出現(xiàn)更頻繁的故障。

3.2 諧振過電壓故障的原因及危害

電壓互感器諧振對于yo/yo電磁式電壓互感器，在正常情況下線路發(fā)生單相接地不會出現(xiàn)鐵磁諧振過電壓，但在下列條件下，就可能引發(fā)鐵磁諧振。

（1）對于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地時，故障點(diǎn)流過電容電流，未接地的兩相相電壓升高倍。但是，一旦接地故障點(diǎn)消除，非接地相在接地故障期間已充的線電壓電荷只能通過電壓互感器高壓線圈經(jīng)其自身的接地點(diǎn)流入大地，在這一瞬間電壓突變過程中，電壓互感器高壓線圈的非接地兩相的勵磁電流就要突然增大，甚至飽和，由此構(gòu)成串聯(lián)諧振。

（2）中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中，用變壓器對母線充電時，電壓互感器的電感和母線、線路的電容會構(gòu)成振蕩回路，但在一定條件下，就可能引起鐵磁諧振，由于鐵磁諧振引起三相、兩相及單相對地電壓升高，或由于低頻擺動產(chǎn)生很高的零序電壓分量，使三相高壓側(cè)熔斷器熔斷，甚至燒壞電壓互感器。此外，在個別情況下，還會使斷路器的套管等設(shè)備發(fā)生閃絡(luò)和損壞，避雷器爆炸等。

（3）由于配電線路用戶電壓互感器等設(shè)備數(shù)量的增加，使得10kV配電系統(tǒng)的電氣參數(shù)發(fā)生了很大的變化，導(dǎo)致諧振的頻繁出現(xiàn)。在系統(tǒng)諧振時，電壓互感器將產(chǎn)生過電壓使電流激增，此時除了造成一次側(cè)熔斷器熔斷外，還將導(dǎo)致電壓互感器燒毀。

（4）配電人員隨意帶負(fù)荷拉開分支線路隔離開關(guān)或帶負(fù)荷拉開配電變壓器的高壓跌落開關(guān)，造成刀閘間弧光短路而引發(fā)諧振。

（5）當(dāng)配電變壓器高壓線圈接地故障時，故障電流將通過抗電能力的絕緣油對地放電，也會產(chǎn)生不穩(wěn)定的電弧激發(fā)電網(wǎng)諧振。

4 單相接地或諧振等故障的象征與判斷

4.1 單相接地故障的判斷

（1）警鈴響，后臺機(jī)并彈出信息框，“××kV×段母線接地”或“×× kV×段××線線路接地”信號。

（2）電壓指示：故障相電壓降低（不完全接地）或?yàn)榱悖ㄍ耆拥兀韮上喔哂谙嚯妷海ú煌耆拥兀┗蜈呄蚓€電壓（完全接地），此時為穩(wěn)定性接地。

（3）若指示不停的擺動或變化，則為間歇性弧光接地，此時非故障相的相電壓有可能升高到額定電壓的2.5～3倍（可能伴有母線輕微震動，電壓互感器發(fā)出較小聲響）。

4.2 單相接地故障相的判斷

（1）如果一相電壓指示為零，另兩相指示為線電壓，那么指示為零的一相是接地相。

（2）如果一相電壓指示較低，另兩相較高且不相等，電壓低的一相不一定是接地相。

（3）如果一相電壓接近線電壓，另兩相電壓相等，不能判其任何一相為接地相。

綜上所述，就后兩種情況而言，判別單相接地故障相的原則是電壓指示高的相的下一相（按A、B、C相序往下推）為接地相。

4.3 電壓互感器保險熔斷的判斷

（1）警鈴響，后臺機(jī)并彈出信息框，“××kV×段母線接地”（高壓保險熔斷）、“電壓回路斷線”（低壓保險熔斷）信號。

（2）電壓指示：熔斷相下降為相電壓的1/3左右，非熔斷相電壓不變，線電壓指示則會降低（高壓保險熔斷）。

（3）電壓指示：熔斷相下降為相電壓的1/2左右，非熔斷相電壓不變，線電壓指示則會降低（低壓保險熔斷）。

4.4 諧振過電壓故障的判斷

（1）警鈴響，后臺機(jī)并彈出信息框，“××kV×段母線接地”信號。

（2）分頻諧振：三相電壓依次輪流升高，超過線電壓，但一般不超過2倍相電壓，三相電壓表在相同范圍內(nèi)出現(xiàn)低頻擺動。伴有母線震動，電壓互感器發(fā)出較大聲響，開口三角電壓一般在85～95V也有等于或超過100V。

（3）基波諧振：某一相電壓降低，但不為零，其余兩相電壓升高，超過線電壓，一般不超過3倍相電壓。伴有母線震動，電壓互感器發(fā)出較大聲響，開口三角電壓超過100V。

（4）高頻諧振：三相電壓同時升高或其中一相明顯升高，超過線電壓，但不超過3～3.5倍相電壓。伴有母線震動，PT發(fā)出較大聲響，開口三角電壓超過100V。

5 單相接地或諧振等故障的處理

5.1 單相接地故障的處理

（1）根據(jù)信號、電壓指示、天氣、運(yùn)行方式、系統(tǒng)操作等情況，判明故障性質(zhì)、相別，并全面巡視檢查本站設(shè)備有無異常。

（2）五分鐘內(nèi)不消失，匯報調(diào)度。對采用小電流接地系統(tǒng)選線裝置，根據(jù)后臺機(jī)報文顯示的“××線路接地”信號，首先對××線路進(jìn)行選切，若接地現(xiàn)象未消失應(yīng)盡快設(shè)法選出接地故障線路。

（3）用母線分割網(wǎng)絡(luò)判別接地區(qū)域，縮小范圍，如將母線分段運(yùn)行（注意分割后的各部分功率平衡、保護(hù)協(xié)調(diào)、電壓質(zhì)量等情況）。

（4）斷開母線無功補(bǔ)償電容器斷路器。再按選線原則進(jìn)行選線操作，對已知的經(jīng)常性接地的線路；空載線路；分支多、線路長、負(fù)荷輕以及用電性質(zhì)次要的線路；分支少、線路短、負(fù)荷重以及用電性質(zhì)重要的線路。上述順序應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況，靈活掌握。

（5）選出接地的線路，及時通知查線處理，并加強(qiáng)對相關(guān)設(shè)備的進(jìn)一步檢查，嚴(yán)密監(jiān)視電壓變化，允許帶接地運(yùn)行（10kV不超過2小時），在規(guī)定時間內(nèi)接地仍未消失的，將故障線路退出運(yùn)行。經(jīng)判斷接地故障為電壓互感器高壓繞組絕緣擊穿所致，應(yīng)將故障電壓互感器所在母線瞬間停電，再拉開故障電壓互感器。

（6）在逐條線路查找后，仍未找到故障線路，應(yīng)考慮是2條線路同相接地或站內(nèi)母線設(shè)備接地。在逐條選切線路時，應(yīng)特別注意切每條線路時三相對地電壓指示的變化。若全選切后，三相對地電壓指示沒有變化，說明不是線路接地，而是變電站內(nèi)設(shè)備接地；三相對地電壓指示有變化，則為2條配電線路同相發(fā)生單相接地（含斷線）故障。

（7）2條線路異相接地，多發(fā)生在雷雨、大風(fēng)和冰雪天氣。主要現(xiàn)象是2條線路同時跳閘，或只有1條線路跳閘，跳閘時電網(wǎng)有單相接地現(xiàn)象。判斷依據(jù)是：若2條線路都跳閘，電網(wǎng)接地現(xiàn)象消失；若2條線路只有1條跳閘時，電網(wǎng)仍有接地現(xiàn)象，但單送其中1條時電網(wǎng)單相接地相別發(fā)生改變。

（8）在小電流接地系統(tǒng)中，由于某些操作或運(yùn)行方式發(fā)生改變，致使系統(tǒng)發(fā)生某些不對稱狀態(tài)，后臺機(jī)也彈出接地信號，應(yīng)根據(jù)當(dāng)前運(yùn)行情況進(jìn)行判定，并妥善處理。

1）在進(jìn)行倒閘操作時，用變壓器對空載母線充電時，開關(guān)三相合閘不同期，三相對地電容不平衡，使中性點(diǎn)位移，三相電壓不對稱，報出接地信號。

判定依據(jù)：這種情況是在操作時發(fā)生的，只要檢查母線及連接設(shè)備無異常，即可進(jìn)行判定，投入一條線路或投入一臺站用變，即可消失。

2）系統(tǒng)中三相參數(shù)不對稱，消弧線圈的補(bǔ)償度調(diào)整不當(dāng)，有倒運(yùn)行方式操作時，報出接地信號。

判定依據(jù)：此情況多發(fā)生在倒運(yùn)行方式操作時。經(jīng)匯報調(diào)度，在相互聯(lián)系時，可以了解到。可先恢復(fù)原運(yùn)行方式，消弧線圈停電調(diào)分接頭，然后投入，重新倒運(yùn)行方式。

5.2 電壓互感器熔斷器熔斷

應(yīng)首先用萬用表檢查二次側(cè)各相熔斷器的進(jìn)、出線端相電壓是否有電壓（相電壓約58V，線電壓約100V），或?qū)⑷蹟嗥魅∠掠萌f用表電阻擋測量通斷，判斷熔絲是否熔斷。如果熔絲完好，則故障發(fā)生在一次高壓側(cè)。處理的方法是：先取下低壓二次熔斷器，拉開電壓互感器高壓側(cè)隔離開關(guān)，經(jīng)驗(yàn)明無電后，做好現(xiàn)場安全措施，在仔細(xì)檢查電壓互感器一次套管、端蓋處有無破裂、異物和絕緣部分的異常氣味等。當(dāng)檢查到有異常時，應(yīng)用兆歐表測量絕緣電阻。在確認(rèn)電壓互感器正常后，戴上絕緣手套更換符合標(biāo)準(zhǔn)的高壓熔斷器，進(jìn)行試送電。如再次熔斷，則應(yīng)考慮電壓互感器的內(nèi)部故障，并進(jìn)一步作直流電阻、變比等實(shí)驗(yàn)來決定電壓互感器好壞。而再停用電壓互感器前，應(yīng)考慮到對繼電保護(hù)、自動裝置和計量的影響，應(yīng)先將備用電壓互感器投入運(yùn)行，如果是單臺電壓互感器，在取得調(diào)度和有關(guān)負(fù)責(zé)人的許可后將保護(hù)裝置、自動裝置暫時停用，以防其它設(shè)備誤動作。

5.3 諧振過電壓故障的處理

（1）由于操作后產(chǎn)生的諧振過電壓，一般可以立即恢復(fù)到操作以前的運(yùn)行方式。

（2）當(dāng)出現(xiàn)諧振時，嚴(yán)禁拉開電壓互感器的隔離開關(guān)，應(yīng)考慮增大母線電容和并聯(lián)電感，即合上一條空載線路或者空載的變壓器來破壞諧振條件，或者暫時斷開電源斷路器，再次送電可使三相電壓恢復(fù)平衡。

（3）如果在運(yùn)行中，突然發(fā)生諧振過電壓，可以試斷開一個不重要負(fù)荷的線路，改變參數(shù)，消除諧振。若諧振現(xiàn)象消失以后，仍有接地信號，三相對地電壓不平衡，一相降低，另兩相高于相電壓，但是低于或等于線電壓，說明諧振的同時，有單相接地或斷線故障。

6 防止諧振過電壓故障的措施

（1）運(yùn)行人員在恢復(fù)送電時，應(yīng)嚴(yán)格按操作規(guī)程進(jìn)行操作，確認(rèn)電壓互感器的隔離開關(guān)在拉開位置后，才對空母線送電，再合上電壓互感器的隔離開關(guān)。

（2）檢修人員應(yīng)將其隔離開關(guān)三相同期性調(diào)整好，并選用伏安特性較好的電壓互感器，以改善技術(shù)性能，使其工作點(diǎn)在伏安特性的線性部分，當(dāng)有激發(fā)因素時，鐵芯不易飽和，也就難于激發(fā)諧振。

（3）減少電壓互感器的并聯(lián)臺數(shù)。一則可以增大XL，減少自振固有頻率，避免配網(wǎng)系統(tǒng)擾動而發(fā)生母線諧振過電壓。二則當(dāng)電網(wǎng)一旦出現(xiàn)諧振也可以減少一次損壞的互感器臺數(shù)。

（4）電壓互感器發(fā)生諧振時的電壓是相電壓的3倍，則在開口三角處將會產(chǎn)生100V～200V電壓，因此在電壓互感器開口三角處可并聯(lián)一只220V/200W消諧燈泡（或選用220V/800W/60Ω標(biāo)準(zhǔn)電阻。消諧電阻功率不得大于電壓互感器極限容量的2.4倍），也可在電壓互感器零序回路中裝設(shè)專用消諧器，以改變XL及零序磁路。

（5）采用零序電壓互感器，它有4臺電壓互感器組成，其中3臺為主電壓互感器，1臺為零序電壓互感器。主電壓互感器一次側(cè)繞組接成星形，中性點(diǎn)通過零序電壓互感器的一次繞組接地；主電壓互感器二次側(cè)繞組接成星形，其中性點(diǎn)通過零序電壓互感器的二次繞組接地；主電壓互感器二次的輔助繞組接成閉口三角形。作用是中性點(diǎn)經(jīng)零序電壓互感器的一次繞組接地，感抗補(bǔ)償零抗，使得XL足夠大，以消除諧振。中性點(diǎn)零序電壓互感器一次繞組的固有電阻（約10kΩ）具有消振和防止熔絲熔斷的作用。為增大零序電壓互感器的電阻，其高壓繞組采用鐵漆包線繞成，其電阻約為同型號銅線的5～7倍。

運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，在10kV及以下的配電網(wǎng)中，采用零序電壓互感器是防止電磁式電壓互感器燒損的有效措施。

7 結(jié)論

綜上所述，單相接地與諧振過電壓故障有著根本的不同。只要我們掌握了小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地或諧振等故障的特點(diǎn)，認(rèn)真觀察分析系統(tǒng)各種異常狀態(tài)出現(xiàn)的象征，作出正確判斷和積極有效的處理方法，就不會造成在現(xiàn)場運(yùn)行中對諧振過電壓誤判為單相接地而耽誤了及時、準(zhǔn)確處理的時間，而引發(fā)事故的情況，對維護(hù)系統(tǒng)穩(wěn)定和安全運(yùn)行有著非常重要的作用。

[1] 范錫普.發(fā)電廠和變電所電氣設(shè)備的運(yùn)行.水利電力出版社

[2] 高永昌.電力系統(tǒng)繼電保護(hù).水利電力出版社