單相接地配電系統合環操作分析

霍健，尹茂林，劉博，劉琛，張兆笑

（國網山東省電力公司濟南供電公司，山東濟南250012）

單相接地配電系統合環操作分析

霍健，尹茂林，劉博，劉琛，張兆笑

（國網山東省電力公司濟南供電公司，山東濟南250012）

在配電系統單相接地故障處理過程中，合環調電操作是調控人員有效分割母線、確定故障范圍的重要手段。合環電流及單相接地故障電流均會對系統穩定性及合環操作的安全性造成影響。在闡述配電系統合環潮流以及中性點非直接接地系統單相接地故障電流的基礎上，分析了配電系統單相接地情況下合環調電操作的可行性及校驗項目，并以一實際故障處理案例說明配電系統單相接地情況下合環操作策略及其在故障處理中的作用。

配電系統；單相接地；合環操作；故障處理

0 引言

配電系統通常采用閉環接線、開環運行的方式［1］。合環調電操作不僅是提高供電可靠性的重要保證，也是調控人員在配電系統故障處理時的重要手段。在配電系統中，單相接地故障是發生頻率較高的故障之一［2］，調控人員在處理單相接地故障時，需根據配電系統運行方式采取合環調電操作，分割接地母線，縮小故障范圍，以快速確定故障線路及區段，并恢復非故障部分正常運行。

不同主變壓器之間通過配電線路合環會產生合環潮流，合環電流過大會造成相關設備過載甚至保護動作掉閘［3］；單相接地故障情況下，配電線路中出現的不平衡電流，增加了合環調電操作的危險性。特別是在特殊運行方式，如配電線路通過聯絡開關轉供母線及其出線情況下，發生單相接地故障，需通過不同配電線路的多個聯絡開關合環轉供，以分割接地母線，其操作方式和相關電氣量的變化都更加復雜。因此，有必要對配電系統單相接地情況下的合環操作進行分析，為配電系統調度控制及故障處理提供理論支持。

本文在闡述配電系統合環潮流以及中性點非直接接地配電系統單相接地故障電流的基礎上，分析了配電網單相接地情況下合環調電操作的可行性及需校驗的項目，并以一個在10 kV線路通過聯絡開關轉供10 kV母線及其出線方式下運行的配電系統單相接地故障的處理過程為例，說明配電系統單相接地情況下合環操作策略及其在故障處理中的作用。

1 配電系統合環操作潮流分析

目前，地區電網已形成220 kV環網運行、110 kV向10 kV輻射供電的輸配電格局［4］。10 kV線路進行合環操作時，220 kV系統通過10 kV線路形成一個電磁環網。一方面，由于負荷分配不均及合環點兩側設備參數不匹配，環網中會形成功率環流，另一方面，合環點兩側的電壓差，會造成合環操作時出現暫態沖擊電流。若合環電流過大，會導致保護動作［5］。

圖1 配電系統合環模型示意圖

配電系統合環模型如圖1所示，根據疊加原理，合環后的潮流由合環之前各線路的原始潮流及合環開關兩端電壓差引起的均衡潮流組成［6］。合環之前各線路的原始潮流由線路負荷決定，合環操作引起的均衡潮流可以通過戴維南等效原理計算［7］。

等效電源為合環前a、b兩點的開口電壓，若合環前a、b兩側電壓分別為Ua、Ub，則開口電壓ΔU表示為

戴維南等效阻抗Z∑=R∑+jX∑,為各線路及相應變壓器等值阻抗之和。根據戴維南等效原理，合環時的均衡電流為

均衡潮流ΔS＝UN，可表示為

由于配電系統中，線路及變壓器電抗相對較大，電阻相對較小，式（3）可簡化為

通過式（4）可以看出，均衡潮流有功部分主要由合環點兩側電壓差橫分量決定，無功部分主要由縱分量決定。進而可以得到，均衡潮流有功部分主要與合環點兩側電壓相角差有關，而無功部分主要與電壓幅值差有關。

配電線路的負荷較輕，線路末端電壓較始端電壓變化不大，在均衡潮流計算過程中，可以通過合環點兩側線路所在母線的電壓差近似計算ΔU［6］。

2.2 配電系統單相接地電流分析

為保證供電可靠性，35 kV及以下配電系統一般采用中性點非直接接地的運行方式，系統發生單相接地故障，由于接地點、大地與電源中性點不形成短路回路，接地故障電流較小［7］。

以圖2所示兩條出線的系統為例，對中性點非直接接地的配電系統單相接地情況下的接地故障電流進行分析。圖2中，配電線路采用文獻［8］提出的Γ形等值模型。

圖2 配電系統單相接地情況下故障電流分布

由于系統中性點不直接接地，根據基爾霍夫定律，接地故障點處列KCL方程為

即

由式（6）可得，中性點非直接接地系統發生單相接地故障，接地回路的故障電流為其所在母線所有線路電容電流的向量和，方向相反。略去接地瞬間故障電流中的高頻暫態分量，僅考慮其穩態分量，根據電容電流公式IC=jωCU，結合式（6），可得到對于l回出線的配電系統發生圖2所示C相接地故障時

特別地，對于C相金屬性接地，即圖2所示系統中Zf=0時，接地的C相與大地等電位，可認為C相線路的等效電容CC被接地回路短接，即UCF=0。對系統中非故障線路，及故障線路的非接地相，單相接地故障電流為AB兩相對地電容電流，方向由母線流出。所有非故障相的電容電流通過大地與接地點，經接地回路流向電源，接地回路的故障電流為其所在母線所有非故障相線路對地電容電流的向量和，方向相反。

由于配電系統單相接地時，非故障相電壓幅值升高為正常相電壓幅值的倍，兩相電壓間相角差由120°變為60°［9］，若系統正常運行時相電壓為Uph，則非故障兩相電壓的向量和的幅值：｜UA+UB｜= 3Uph。忽略同一線路不同相別之間對地電容的差異，式（7）可以寫為

由式（8）可知，對每條配電線路，非故障相電容電流增加為正常值的倍，而接地點故障電流為正常運行時一相電容電流的3倍。

為避免配電系統發生單相接地時故障電流過大，對電容電流較大的配電系統，采用中性點經消弧線圈接地的運行方式［10］。發生單相接地故障時，流過消弧線圈的感性電流部分或全部補償線路的容性電流，使故障電流減小［11］。相關規程規定，10 kV系統單相接地故障電流大于10 A而又需要在接地故障情況下運行時應采用消弧線圈接地方式，將接地電流控制在較小范圍內。

3 單相接地故障情況下合環操作可行性分析

根據相關規程規定，處理配電系統單相接地故障，首先利用母線分割法使并列運行的接地母線分列，確定接地母線；然后利用短時停電法尋找接地點。使用母線分割法，需要進行合環操作以實現母線的不停電轉供。若變電站內有備用變壓器，可通過變壓器低壓側開關實現站內轉供；若無法實現站內轉供，則需通過配電線路間聯絡開關合環調電，以配電線路通過聯絡開關轉供母線及其出線的方式，實現母線分割。進行合環操作時，應檢查合環點兩側相位相同、相角差和電壓差在允許范圍內，確保合環后潮流變化不超過繼電保護、設備容量等方面的限額。

對配電系統在正常及單相接地情況下進行電壓向量分析如3所示。在圖3中UAB=UABF，UBC=UBCF，UCA=UCAF，因此配電系統發生單相接地故障時，系統三相線電壓不僅仍然保持對稱，其幅值和相位與接地前的值也相等。單相接地的配電子系統與同一220 kV片區內未接地配電子系統進行合環操作，雖然合環點兩側三相相電壓差別較大，但三相之間的線電壓仍基本相同。校驗合環點兩側線電壓之差不超過規定值，即可確認滿足合環操作的電壓條件。

圖3 中性點不接地系統單相接地電壓向量圖

對單相接地的母線與其他母線進行合環操作，影響合環后潮流分布的因素主要有接地故障電流，線路、設備的負荷情況，以及合環時的均衡潮流。結合式（7）及式（8），可知對接地的配電系統進行合環操作，會造成線路結構的變化，導致線路對地電容的變化，進而改變系統的接地故障電流，但在實際運行中，接地故障電流經消弧線圈補償后的值較小，因此整體上，接地故障電流的變化對合環電流影響不大（小于10 A）。合環時的均衡潮流則可以通過合環點兩側線電壓，利用式（4）計算求得。

綜上所述，配電系統發生單相接地故障，若存在接地母線并列運行的情況，應檢查相應系統、線路的負荷、電壓，必要時，計算合環時的均衡潮流，在確認合環前后電流、電壓滿足設備容量、繼電保護要求的情況下，選擇合理的合環操作方式，實現接地母線的分割，以迅速確定故障點。進行合環調電操作前，應確保與之合環的系統無接地故障，避免兩個接地的特別是非同相接地的子系統合環造成短路掉閘。

4 實例分析

以某地區220 kV Y站10 kV 1號、2號母線，110 kV Q站10 kV 3號、4號母線接地故障處理過程為例，分析說明配電系統單相接地情況下合環操作的步驟及其在故障處理中的作用。

圖4 Q站、Y站10 kV系統接線及運行方式

220 kV Y站10 kV 1號、2號母線，110 kV Q站10 kV 3號、4號母線及其出線，以及相關聯絡線路的結構及運行方式如圖4所示，Q站線路Q3與K站線路K1通過聯絡開關F4022聯絡；線路Q8與Y站線路Y5通過線路Y5 HK01Z環網柜4號開關聯絡。因Q站2號主變壓器進線停電檢修，Q站2號主變壓器無法帶負荷，Q站10 kV3號、4號母線通過線路Q8由Y站線路Y5供電，線路Q3由線路K1供電。

Q站10 kV 3號、4號母線以及Y站10 kV 1號、2號母線發生B相接地故障，Y站小電流接地選線裝置選線為線路Y5。根據小電流選線系統提供的信息，可以初步推斷故障點在線路Y5及由其供電的Q站10 kV 3號、4號母線及其出線上。但由于Q站2號主變進線停電檢修，并列運行的10 kV 3號、4號母線無法實現站內的轉供；線路Y5為Q站10 kV 3號、4號母線臨時供電電源，直接試斷開Y站線路Y5的016開關將導致Y站10 kV 3號、4號母線失電。根據Y站、Q站的運行方式，調控人員處理該接地故障可采用兩種方案。

方案1是直接對由線路Y5供電的Q站10 kV 3號、4號母線上的線路依次進行試斷開，這樣的處理方案無需改變系統運行方式，無需在單相接地情況下進行10 kV線路的合環操作，但試斷開過程具有一定盲目性，不僅需要短時停電的線路較多，對供電可靠性影響大，而且斷開線路Y5的016開關或線路Q8的052開關，均會造成Q站10 kV 3號、4號母線失電，若接地點在線路Y5或線路Q8上，很難準確找到接地故障點。

方案2是首先以K站線路K1通過線路Q3供Q站10 kV 3號、4號母線及其出線的方式，實現Q站、Y站接地母線的分列運行，確定接地母線后，通過短時停電法確定接地線路。這樣的處理方式可以更迅速的確定接地線路，減少試斷開次數，但需對運行方式薄弱的系統在單相接地故障情況下通過配電線路開關進行合環調電操作，需進行電壓、電流及負荷校驗。

若使用母線分割法，需首先在線路Q3035開關處進行合環操作。取10 kV系統基準電壓Ub=10 kV，基準功率Sb=100 MVA，故障時K站、Q站、Y站10 kV系統相關母線電壓標幺值如表1所示，根據表1計算合環點兩側母線電壓之差標幺值ΔU=0.017+ j0.004。忽略10 kV配電線路等值電抗，結合上級電網運行方式，該操作由并列運行的220 kV系統經2臺220 kV變壓器與1臺110 kV變壓器合環，等值電抗標幺值X∑≈0.78，根據式（3），計算得到合環時均衡潮流有功部分標幺值ΔS≈0.005 1，轉化為有名值為0.51 MW，對應電流合環均衡電流約為28 A。

表1 K站、Q站、Y站10 kV系統母線電壓情況

故障時相關線路的負荷、限流數據如表2所示。由表2可知，線路K1、Q3、Q8、Y5的總負荷電流為363.6 A，且合環均衡電流為28 A，考慮合環操作導致接地故障電流變化不超過10 A，可知合環后流過線路K1、Q3、Q8、Y5的電流不大于401.6 A，未超過合環回路中相關元件限流值。同時根據表1可知，合環點兩端電壓幅值差1.6%，相位差0.354°，滿足合環條件。

調控人員合上Q站線路Q3035開關，首先斷開Q站線路Q8052開關，將Q站10 kV 3號、4號母線與Y站10 kV 2號母線分列運行，Q站10 kV 3號、4號母線接地信號消失，Y站10 kV 2號母線接地信號仍然存在，確定接地故障點不在Q站10 kV母線及其出線（線路Q8除外）上。

然后對Y站10 kV 2號母線，根據小電流選線信息，試斷開線路Y5016開關。Y站10 kV 1號、2號母線接地信號消失，確定接地點在線路Y5及由其供電的線路Q8上。斷開線路Y5 HK01Z環網柜4號開關，分別通過Q站052開關與Y站016開關對線路Q8及線路Y5送電，Q站無接地信號，Y站10 kV 1號、2號母線重新發出接地信號，確定線路Y5為接地故障線路。

最后對接地的線路Y5分段試斷開，確定故障區段為FXK02分支箱1號開關后段，運檢人員巡視查出故障點后，進行故障處理工作。

表210 kV線路負荷及限流情況A

在此次故障處理過程中，通過對單相接地的配電系統進行合環調電操作，調控人員利用母線分割法按照“變電站—母線—線路”的順序在不停電情況下逐級確認接地故障范圍，并僅通過一次試斷開確定了接地線路。與不進行母線分割，直接試斷開接地系統中的10 kV線路相比，通過合環操作進行母線分割的處理方式不僅更加迅速，而且增強了接地故障處理的針對性，避免了多次盲目對配電線路試斷開造成的停電。

5 結語

在配電系統單相接地故障處理過程中，合環調電操作是調控人員有效分割母線，確定故障范圍的重要手段。本文詳細梳理了合環均衡電流、單相接地故障電流的計算方法及其對單相接地配電系統合環操作安全性的影響，對Q站、Y站10 kV母線單相接地故障處理過程的分析，說明了配電系統單相接地情況下合環操作步驟、校驗內容以及注意事項，并證明了通過合理進行合環操作，分割母線，不僅可以有效提高配電系統單相接地處理效率，而且能夠減少頻繁盲目試斷開配電線路，提高供電可靠性。

［1］孔濤，程浩忠，王建民，等.城市電網網架結構與分區方式的兩層多目標聯合規劃［J］.中國電機工程學報，2009，29（10）：59-66.

［2］顧榮斌，蔡旭，陳海昆，等.非有效接地電網單相電弧接地故障的建模及仿真［J］.電力系統自動化，2009，33（13）：63-67.

［3］夏翔，熊軍，胡列翔.地區電網的合環潮流分析與控制［J］.電網技術，2004，28（22）：76-80.

［4］吳振輝，彭曉濤，沈陽武，等.一種配電網環型供電模型及其合環運行方式的研究［J］.中國電機工程學報，2013，33（10）：57-63.

［5］吳菲汝.配電網合環調度運行操作的分析［J］.中國電業，2013（9）：18-20.

［6］溫建春，孫忠良，李剛.典型配電網合環潮流分析及控制對策［J］.山東電力技術，2012，38（5）：22-24.

［7］李英武，沈喆.中壓供電系統單相接地故障有關問題分析［J］.建筑電氣，2015，34（11）：6-11.

［8］李玉志，林勇，吳金玉，等.配電系統單相接地全故障電流估算方法［J］.山東電力技術，2015，42（12）：5-9，19.

［9］夏道止.電力系統分析［M］.北京：中國電力出版社，2011.

［10］薛永端，李娟，徐丙垠.中性點經消弧線圈接地系統小電流接地故障暫態等值電路及暫態分析［J］.中國電機工程學報，2015，35（22）：5 703-5 714.

［11］劉方韡，成兵，汪晨，等.變電站10 kV消弧線圈接地調節方式及故障處理［J］.江蘇電機工程，2012，31（3）：60-64.

Closing Loop Operation Analysis under Single-phase Grounding Fault of Distribution System

HUO Jian，YIN Maolin，LIU Bo，LIU Chen，ZHANG Zhaoxiao
（State Grid Jinan Power Supply Company，Jinan 250012，China）

In the processing of single-phase grounding fault detection of distribution power system，closing loop operation is an important means for dispatchers to split the buses and determine the location of the fault.Both of the loop closing current and the single-phase grounding fault current would pose threat to the stability of the power system and the safety of the operation. The analysis of the feasibility and the verification points of closing loop operation under single-phase grounding fault is given based on the exposition of the loop closing current and the single-phase grounding fault current of distribution power system. Through the analysis of the treatment process of a grounding fault，the explanation of the strategy and the effect in the fault detection of closing loop operation for a single-phase grounding distribution system are given.

distribution power system；single-phase grounding fault；closing loop operation；fault detection

TM732

A

1007－9904（2017）05－0033－05

2016-12-19

霍健（1988）男，工程師，從事電網調度與控制相關工作；尹茂林（1965），男，工程師，從事電網調度與控制相關工作。