全電纜貫通線單相接地故障相關分析

劉小明

（杭州鐵路設計院有限責任公司，杭州 310006）

電力貫通線路對鐵路沿線負荷供電，具有線路長、敷設環境復雜、供電負荷等級高等特點。為提高供電可靠性，減少不利自然條件、污穢環境等對線路運行影響，客運專線鐵路電力貫通線路普遍采用電纜敷設方式，但由于電纜結構特性，出現內過電壓、繼電保護、通信線路干擾、人身安全等技術問題。單相接地故障分析、計算可為上述問題的解決提供基本依據，也是確定供電方案重要的基本分析要素。

1 單相接地電容電流與系統中性點接地方式的選擇

單相接地是電網常見的主要故障，單相接地電容電流的大小，是系統中性點接地方式選擇的重要依據之一。單相接地電容電流較小的系統，暫時性弧光接地電流故障后電弧會自動熄滅，系統能恢復正常。當超過一定數值，故障會形成間歇性不穩定電弧，導致系統內電感電容元件之間的電磁振蕩，造成弧光接地過電壓，可能危及設備絕緣，引起相間短路，擴大事故。目前限制弧光過電壓的有效措施是采用中性點經消弧線圈和經電阻接地方式。

《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》（DL/T 620—1997）3.1.2條：“3～10kV不直接連接發電機的系統和35kV、66kV系統，當單相接地電容電流不超過下列數值時，應采用不接地方式；當超過下列又需在接地故障條件下運行時，應采用消弧線圈接地方式。

1）3～10kV鋼筋混凝土或金屬桿塔的架空線路構成的系統和所有35kV、66kV系統，10A。

2）3～10kV非鋼筋混凝土或非金屬桿塔的架空線路構成的系統，當電壓為。

（1）當電壓為3kV和6kV時，30A。

（2）當電壓為10kV時，20A。

3）3～10kV電纜線路構成的系統，30A”。

其3.1.4條還規定：“6～35kV主要由電纜線路構成的送配電系統，單相接地故障電容電流較大時，可采用低電阻接地方式。但應考慮供電可靠性要求，故障時瞬態電壓、電流對電氣設備的影響、對通信的影響和繼電保護技術要求以及本地的運行經驗”。

鐵路貫通線路長度一般在30～60km之間，全部采用電纜，線路分布電容電流值較大，采用低電阻接地方式，可克服消弧線圈補償容量大、選線正確率不易保證、電纜不易長時間帶故障運行、過電壓幅值較高等問題。

2 單相接地故障電流的計算

經低電阻接地貫通線屬中性點有效接地系統，單相接地為不對稱故障，采用對稱分量法分析。圖1為貫通線簡化接線圖，其簡化正序網絡、負序網絡、零序網絡如圖2（a）、（b）、（c）所示。

圖1 全電纜貫通線簡化電路接線圖

圖2 正序網絡、負序網絡和零序網絡

圖中各阻抗取值考慮因素：

1）系統電抗 Xs取決于接引電源的系統短路容量，一般可視為無窮大，等值阻抗為零；但電源接引點為中小變配電所，系統電抗不可忽略。

2）貫通調壓器容量較低，阻抗對短路電流有影響，按照選用調壓器電氣參數計算各序阻抗。由于兼顧中性點接地方式，調壓器繞線組別選用Dyn11，饋電側中性點可直接經低電阻接地，零序電流可經故障接地點→電纜線路→調壓器二次星形繞組→接地低電阻構成通路。調壓器一次△繞組，零序電流僅繞組內流通，電源側不受影響，無零序電抗。

3）全電纜貫通線選用非勵磁鎧裝單芯電纜，電纜根據廠家提供電氣參數及敷設方式計算各序電抗。計算時應注意故障點發生處與電源距離，距離短，影響小，距離長影響值較大。

4）并聯電抗器一般采用分散布置方式，補償線路電容充電效應。電抗器采用三角形連接，發生單相接地故障不流通零序電流，正序及負序電流又為對稱分量，對接地故障電流不構成影響，在各序網絡圖中不計電抗值。

5）接地故障點過渡電阻，接地故障多發生在電纜頭等絕緣薄弱處，大多可形成金屬性短路，過渡電阻可忽略。

圖3 單相短路復合序網

圖4 復合序網簡化圖

單相接地故障產生的短路電流大部分由故障點經故障線路流向電源，非故障線路的容性電流相對很小。短路電流的大小主要是由零序阻抗決定，而零序阻抗主要取決中性點低電阻的阻值。電路中調壓器阻抗、電纜阻抗、故障位置及過渡電阻有一定影響關系。

3 單相接地故障的保護

電纜線路發生接地故障難以恢復，需要快速切除故障線路，《電力裝置的繼電保護和自動裝置設計規范》（GB/T 50062—2008）5.0.4條明確規定：“3～10kV經低電阻接地單側電源線路，除應配置相間故障保護外，還應配置零序電流保護。零序電流保護應設二段，第一段應為零序電流速斷保護，時限應與相間保護相同；第二段應為零序過電流保護，時限應與相間過電流保護相同。當零序電流速斷保護不能滿足選擇性要求時，也可配置兩套過電流保護。零序電流可取自三相電流互感器組成的零序電流濾過器，也可取自加裝的獨立零序電流互感器，應根據接地電阻阻值、接地電流和整定值大小確定”。

鐵路貫通線考慮對通信干擾，一般限制零序電流為400～600A，零序電流速斷保護動作電流按滿足靈敏系數2.0，Ⅰ段動作電流應取貫通線末端3倍最大零序電流值 Ixd01=k I0max（k取 1.2～1.3），時限取 0.1～0.2s。零序Ⅱ段保護動作電流按躲開其他線路故障時，本線路流過的對地電容電流，取值20～40A，時限取 t=0.5～1.0s。中性點電阻器柜同樣安裝一套零序保護裝置，保護也設為二段，作用于調壓器受電斷路器跳閘。Ⅰ段與由貫通饋出線路最大零序Ⅰ段動作電流配合，Id01=kpIxd01，配合系數kp取1.2～1.3，作為貫通母線接地的主保護，時限較線路Ⅰ段△t=0.3s。Ⅱ段保護與貫通饋出Ⅱ段保護配合，動作電流按調壓器所帶全部貫通饋出正常對地電容電流值之和整定，時限與貫通饋出零序Ⅱ段保護極差△t=0.3～0.5s。

4 單相接地故障對通信線路的影響

全電纜貫通線經低電阻接地，發生單相接地等不對稱短路故障時，產生很大的零序電流，通過電磁感應、靜電感應和地電流幾方面對通信線路產生危險影響和干擾影響。危險影響是指強電線路在通信線路上產生的感應電壓和電流足以影響維護人員、使用電信人員的健康、甚至危及生命安全，或損壞通信設備，引起機房火災或鐵路信號裝置的錯誤動作等。干擾影響是指通信線路上由于強電線路所產生的感應電壓或電流足以破壞通信設備的正常工作，在電話回路中形成雜音、數字傳輸失真、圖像傳真模糊不清等方面影響。

通信線路一般以短路電流感應的危險電壓和強電線路正常負荷電流感應電壓矢量和的縱電壓這兩個指標來衡量影響程度[2]。

危險電壓E1=jαπfMLI1k1k2其中：M為電力電纜與通信電纜的互感；L為電力電纜與通信電纜的平行距離；I1為通過電纜導體的單相短路電流；k1為電力電纜對故障電流屏蔽系數；k2為綜合屏蔽系數。

縱電壓E2=其中：E2L為負荷電流感應的縱電壓；E2S為以大地為回路電纜金屬護套電流感應的縱電壓；E20為零序電流感應的縱電壓。

按國際電報和電話咨詢委員會（CCITT）和國標《電信線路遭受強電線路危險影響的容許值》（GB 6830—1986）規定：縱電壓不得超過 60V；危險電壓如能在0.2s之內切斷故障電流不得超過430V，否則不得超過300V。

為減少單相接地故障電流對通信線路的影響，從單芯電纜排列、限制單相短路電流，增大與弱電線路的距離，選用屏蔽電纜和接地等幾種措施，降低危險電壓和縱電壓。

5 供電點高壓單相接地故障對低壓系統的影響

全電纜貫通線供電負荷點多采用箱式或變電所與建筑物合建方式，功能接地與保護接地共用，若所內高壓側發生接地故障，合用接地極流過大接地故障電流，出現高故障電壓，沿低壓PE或PEN傳導至用電設備外殼帶危險接觸電壓如圖5所示。

圖5 故障電壓傳導示意圖

這種故障電壓可能引起：①低壓系統對地電位普遍升高，它可能導致低壓設備絕緣擊穿；②低壓系統外露可導電部分對地電位普遍升高，往往導致故障和接觸電壓。為此《交流電氣接地裝置》規定，配電變壓器在建筑物外，高壓側工作于低電阻接地系統下，低壓系統不得與電源配電變壓器的保護接地共用接地裝置；配電變壓器在建筑物內，高壓側工作于低電阻接地系統，當變壓器的保護接地裝置電阻符合 R≤2000/I的要求，且建筑物內總等電位聯結時，低壓系統電源接地點可與該變壓器保護接地共用接地裝置（按IEC要求R≤（1200+U0）/I）。

由于高鐵空間限制，即使利用箱變，低壓系統單獨設置接地非常困難，箱變僅能利用共用接地裝置，做好箱變及箱變周圍地帶 3m范圍內（考慮伸臂范圍）的等電位聯結。低壓接地系統應采用 TT系統，防止故障電壓傳導至用電設備金屬外殼；還需要盡量降低RB的阻值，限制短路電流Id的數值，故障電壓幅值限制在IEC規定的Uf＜1200+U0（V）內，避免故障電壓造成絕緣擊穿事故。

6 結論

全電纜貫通線經低電阻接地，單相接地故障電流幅值較大，成為影響供電可靠性的多發因素。其故障電流、電壓對電氣設備的危害、通信線路的干擾、繼電保護技術要求、人身安全等方面應加以研究，采取相應技術措施，在不斷結合運行經驗的基礎上，完善鐵路供配電系統技術手段，提高客運專線鐵路供電的安全性、可靠性。

[1]李潤先.中壓電網系統接地實用技術[M].北京:中國電力出版社, 2001.

[2]李國征.電力電纜線路設計施工手冊[M].北京:中國電力出版社, 2007.

[3]平紹勛,周玉芳.電力系統中性點接地方式及運行分析[M].北京:中國電力出版社, 2010.

[4]廖宇.全電纜貫通線低電阻接地系統的設計研究[J].鐵道工程學報, 2009(8): 88-92, 95.