小電流接地系統電壓判定方法分析

蘭　嵐

（國網江蘇省電力公司南京供電公司，江蘇 南京　210019）

小電流接地系統電壓判定方法分析

蘭嵐

（國網江蘇省電力公司南京供電公司，江蘇 南京210019）

針對小電流接地系統中存在的接地、斷線、鐵磁諧振、壓變熔絲熔斷、對地電容不對稱、耦合零序電壓等異常現象，提出了基于最大和與最小差的小電流接地系統電壓判定方法，并對所提的電壓判定方法進行了實際應用，進一步總結了電壓判定方法失效的主要原因，為調度員快速判斷電壓異常原因提供了借鑒。

小電流接地系統；最大和；最小差；電壓判定

0　引言

6-35 kV配電網通常采用中性點非有效接地方式（即小電流接地系統），在發生單相接地故障（占線路總故障的70 %-80 %）后，因不構成短路回路，線電壓保持對稱，不影響對用戶的供電，因此不必立即切除故障線路，允許帶電運行2 h。

實際電網運行中，小電流接地系統發生單相接地故障時一相電壓為零，另兩相電壓升高為線電壓的情況是一種理想的情況，而大多數情況下由于接地程度不同（過渡電阻），電壓信息有時不明顯。此外，系統發生鐵磁諧振、斷線等異常時，也會伴有一定的電壓異常，只要電網三相對地電壓不對稱使得中性點發生位移，位移電壓達到接地監視裝置的整定值（二次值一般整定為15-30 V），即發出接地告警。

對電網而言，不論是接地，還是斷線、鐵磁諧振、壓變熔絲熔斷、對地電容不對稱、耦合零序電壓，均是不正常的運行狀態。尤其在接地故障下故障點存在電弧，可能引發火災事故，健全相過電壓可能損壞絕緣并引發相間故障。

為此，配網調度員需從電壓信息中準確判斷產生電壓異常的原因，判定是否為接地故障，進而采取相應的處理措施。目前，小電流接地系統電壓主要依靠調度員的工作經驗進行判定。以下從已有的配電網電壓異常現象分析結果入手，分析接地故障及各類假接地的本質區別，提出基于最大和與最小差的小電流接地系統電壓判定方法，為調度員快速判斷電壓異常原因提供必要的參考。

1　小電流接地系統異常狀態分析

1.1單相接地

以中性點不接地系統發生A相接地為例，此時中性點位移電壓公式為：

圖1　A相接地故障時三相電壓及中性點電壓相量

為表示出各相電壓的大小關系，引入表示接地程度的接地系數K，則有：

式（2）中：Ud0為中性點位移電壓值；UA0為故障前相電壓值；UAd，UBd，UCd為故障后三相電壓值；K為接地系數；θ為A0與d0夾角。

K越小，表明接地越不明顯，過渡電阻越大。A相接地故障時，三相電壓大小隨K的變化規律如圖2所示。

圖2　A相接地故障時三相電壓隨K的變化規律

由圖2可知，A相接地故障時，C相電壓總是高于A，B相電壓。以A→B→C→A為序，則相電壓最高相的下一相即為接地相。

如果中性點經消弧線圈接地，則式（1）中需考慮消弧線圈電感對電容的補償，即：

式（3）中：L為消弧線圈電感值，ω為電流角頻率配電網中通常采用過補償，因此有：

故中性點經消弧線圈接地時，圖1中d點運動軌跡將在以OA為直徑的左半圓，此時B相電壓總是高于A，C相電壓。以A→B→C→A為序，則相電壓最高相的上一相即為接地相。

1.2線路一相斷線

線路發生A相斷線但不接地時，A相對地電容減小，從而引起中性點電壓偏移。此時，中性點位移電壓公式為：

式（5）中：CA為斷線后A相對地電容，CB，CC為B，C相對地電容，CB=CC，α為A，B，C相之間相角差的向量，幅值為1，角度為120°。

由此可得出，A相斷線時三相電壓及中性點電壓相量，如圖3所示。

圖3　A相斷線時三相電壓及中性點電壓相量圖

為表示出各相電壓的大小關系，仍引入反映斷線程度的系數K，則有：

K越小，表明斷線越不明顯，越靠近線路末端。

A相斷線時，三相電壓隨K的變化規律如圖4所示。

由圖4可知，A相斷線時，A相電壓總是高于B，C相電壓，且B，C相電壓總是相同。因此，相電壓最高相即為斷線相。

圖4　A相斷線時三相電壓隨K的變化規律

1.3線路兩相斷線

線路發生B，C相斷線但不接地時，B，C相對地電容減少，從而引起中性點電壓偏移。此時，中性點位移電壓公式為：

式（7）中：CA為A相對地電容；CB，CC為斷線后B，C相對地電容，CB=CC；α為A，B，C相之間相角差的向量，幅值為1，角度為120°。

由此可得出，B，C相斷線時三相電壓及中性點電壓相量圖，如圖5所示。

圖5　BC相斷線時三相電壓及中性點電壓相量圖

K越小，表明斷線越不明顯，越靠近線路末端。B，C相斷線時，三相電壓隨K的變化規律如圖6所示。

圖6　B，C相斷線時三相電壓隨K的變化規律

由圖6可知，B，C相斷線故障時，A相電壓總是低于B，C相電壓，且B，C相電壓總是相同。因此相電壓最低相即為非斷線相。

1.4鐵磁諧振

鐵磁諧振是由于變壓器、電壓互感器等鐵磁電感的飽和作用所引起的持續性、高幅值諧振過電壓現象。諧振回路中鐵芯電感為非線性的，電感量隨電流增大、鐵芯飽和而趨于平穩。

鐵磁諧振需要一定的激發條件使電壓、電流幅值從正常工作狀態轉移到諧振狀態，如線路瞬時弧光接地或斷路器合閘時電源電壓暫時升高。激發因素消失后，鐵磁諧振存在自保持現象，過電壓仍然可以繼續長期存在。

由于鐵磁諧振與設備參數、電氣接線有密切關系，量化起來較為困難，現進行定性分析。由于對地電容和互感器的參數不同，可能產生基波諧振、高頻諧波諧振和分頻諧波諧振3種頻率的諧振。3種頻率共振的表現形式如下：

（1） 當發生基頻諧振時，一相對地電壓降低，兩相對地電壓升高且超過線電壓，或者二相電壓降低，一相電壓升高，以前者為常見；

（2） 當發生高頻諧振時，三相電壓均升高，且過電壓很大；

（3） 當發生分頻諧振時，三相電壓均升高，但過電壓較小。

1.5電壓互感器熔絲熔斷

在電網運行過程中，雷擊、鐵磁諧振及短路都可能產生過電壓，從而使電壓互感器熔絲熔斷。當高壓熔絲熔斷時，正常相的電壓指示正常，熔斷相考慮存在感應電壓，熔斷相電壓不為0，但比正常指示小得多。當低壓熔絲熔斷時，正常相的電壓指示正常，熔斷相電壓降低為0。

1.6耦合電容傳遞零序電壓

變壓器高壓側存在的不對稱電壓經變壓器繞組間的電容傳遞至低壓側，使低壓側產生電壓偏移，當零序電壓達到整定值時，即出現接地告警。此外，平行線路間的電容傳遞，也會使線路過電壓傳遞給正常線路，引起正常線路電壓偏移。

這一類現象所引起的電壓規律不明顯，只是呈現三相電壓不同，但可依據高電壓等級母線電壓及附近變電站同電壓等級母線電壓的情況進行判斷，如均無異常，可排除耦合電容傳遞零序電壓引起的電壓波動。

1.7短時電壓異常

開關三相動作不同時會造成三相對地電容短時間不平衡，從而出現短時電壓偏移。雷雨天氣時雷電感應過電壓類似于階躍波，使得零序電壓中低頻分量增大，也可能發短時接地告警。但這些電壓異常現象時間較短，易于判斷，對電網影響不大。

2　小電流接地系統電壓判定原理

基于上述分析，在理想情況下，可依據電壓變化判定系統異常。若定義最大和UCd為三相電壓中任兩相和的最大值，最小差Ur為三相電壓中任兩相差的絕對值最小值，取標幺值，基準值為相電壓。那么，可根據表1的數值來判斷各類異常。

但在實際情況下，會存在如下問題。

（1） 臨界點的判斷將存在誤差。由于接地程度或斷線程度不會太輕，因此認為K＞0.2，即接地、斷線時最大和將大于2.1。

表1　各類異常現象對應的最大和、最小差

（2） 正常情況下電網允許電壓波動在±5 %內，因此不可能存在絕對0。為此，引入制動原理，借助最小差來實現0的測定。同時，當Ur在0附近時，判定準確率將降低，為此，針對邊界區域補充了驗證算法，即，

對于一相斷線故障，應滿足：

對于單相接地故障，應滿足：

（3） 單相接地在K=0，0.5，1時，與斷線所呈現的電壓特征相近，無法判別。

由此可以得出電壓判定流程，如圖7所示。

3　小電流接地系統電壓判定方法的實際應用

為檢驗上述電壓判定方法的適用性，對某配電網2015年178次電壓異常數據進行分析判定，并比對現場實際的查線結果，發現共145次判定正確，正確率為81.46 %。

實際應用的判定界面如圖8所示，當值調度員只需在界面上輸入三相電壓值和電壓等級，即可初步判定系統異常情況。10組判定正確的情況如表2所示，5組判定錯誤的情況如表3所示。

由表2和表3可以看出，電壓判定方法失效主要來自以下原因：

（1） 所分析的異常因素不包括實際現場的設備缺陷原因，如總控遙測板損壞等；

（2） 在判定的臨界處，判定準確率低，如Ucd≈kUr時，接地與斷線易判錯；Ucd≈2.1時，接地與熔絲熔斷易判錯；

（3） 存在系統異常時現場采集到的電壓與所對應理論分析的電壓不符合的情況，如系統諧振時未出現顯著超過線電壓的情況。

圖7　電壓判定流程

圖8　電壓判定界面

4　結論

在小電流接地系統中，單相接地故障、斷線故障所呈現的母線電壓與接地、斷線程度存在函數關系；電壓互感器熔絲熔斷、耦合電容傳遞零序電壓所呈現的電壓特征明顯，易識別；諧振時所呈現的電壓變化情況復雜，但多數情況下特征明顯。

基于上述情況提出了基于最大和與最小差的電壓判定方法，便于調度員通過簡單的計算初步判定系統是否發生了單相接地、斷線、壓變熔絲斷、諧振等異常。在實際應用中，該方法對大部分的電壓異常情況診斷準確，但在判定方法的臨界值處應用效果欠佳，還有待完善。

1 宗劍，牟龍華，張鑫，等.配電網單相接地故障類型及程度的判據［J］.電力系統及其自動化學報，2004，16（4）：27-29.

2 趙有鋮，盧繼平，鄧恩宏，等.基于MATLAB的配電網異常狀態分析［J］.重慶大學學報：自然科學版，2004，27（1）：45-48.

表2　基于最大和與最小差的小電流接地系統電壓判定正確的舉例

表3　基于最大和與最小差的小電流接地系統電壓判定錯誤的舉例

3 亓富軍，田洪東，任振洲，等.配電網兩類接地故障異常電壓辨析［J］.中國新通信，2013，15（2）：12-13.

4 國家電網公司人力資源部.國家電網公司生產技能人員職業能力培訓專用教材：電網調度［M］.北京：中國電力出版社，2010.

國家電網公司圓滿完成G20峰會重要保電任務

江南憶，最憶是杭州。當二十國領導人和與會嘉賓陸續離開杭州，帶走的除了中國給出的創新經濟增長藥方，腦海中也一定留下了關于華美杭州的印記。而正是電賦予了這座城市神奇的流光溢彩。9月5日，G20峰會宣布閉幕時，國家電網公司駐守在保電一線的所有值守人員在緊繃了多日后終于略微松了一口氣：最關鍵的保電任務順利完成，“設備零故障、電網零閃動、工作零差錯、服務零投訴”的目標圓滿達成。峰會期間，杭州電網運行正常，浙江電網運行正常，保電客戶供用電正常，未發生峰會保電之外的重大突發應急事件。

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這是一場準備充分、連續作戰的堅定行動。全體保電人員按運維、信通、營銷等專業，分列十余個戰區，緊密協作，各司其職，發揚“保電有我、有我必勝”的連續作戰精神，確保了各項重要活動用電的萬無一失。來自蕭山供電公司的李國慶、陸岷等就駐守在峰會主會場——杭州國際博覽中心。陸岷負責蹲點看護的配電間，直接為核心會議室供電，“近在咫尺，心情很激動，但盯著設備眼睛都不敢眨一下。”李國慶則像排球比賽中的“自由人”，負責巡視主會場各處保電點，一旦某處出現異常，他就要立即前往協助處理。

在每個保電場所，國網浙江省電力公司為值守人員準備一本“一館一冊”匯編資料，詳細記載場館內所有供配電設備情況，被電力保障人員稱為“綠寶書”。李國慶說，會期只有2天，但他們已經準備了很久，對杭州電網、對自己、對公司有必勝的信心。

（來源：國家電網報 2016-09-07）

2016-05-22。

蘭嵐（1988-），女，工程師，主要從事電力系統調度工作，email：lanlanziyu@126.com。