10 kV小電阻接地系統單相接地故障分析及應對措施

郝會鋒

（廣東電網汕頭濠江供電局，廣東 汕頭 515000）

0 引 言

由于市容市貌等要求，我國越來越多的城市在地下使用電纜線路，但由于電纜線路載流量大，對運行電壓的要求較高，所以中性點小電流接地的方式不適用于此，短路后的安全性得不到保證。同時，由于小電阻接地的方式能夠快速切除故障，有效抑制過電壓，所以在10 kV配電網得到了廣泛的應用[1-6]。目前，我國的小電阻接地故障保護主要通過零序過電流保護，啟動值很高，一般為50～60 A，金屬性接地甚至短路電流能達到數百安培。

當前常用的故障選線方式包括主動式選線和被動式選線兩種[7-8]。被動式選線利用既定信號進行判別，成本少，過程相對簡單。而主動式選線特征明顯，選線準確率較高，具有一定的發展前景[9-12]。

為了具體說明10 kV配網中性點經小電阻接地系統的電纜線路中單相短路故障的過程和基本規律，以及短路故障發生后自動化的處理情況，本文分析了某供電企業的角濱線、角吳線這兩條10 kV電纜線路發生金屬性單相接地導致跳閘的情況，并探究了故障原因，對短路故障的預防措施提出了建議，為以后減少此類狀況的發生提供了一定的參考依據。

1 理論分析

一般來講，我國的6～35 kV配電網的架空線路中一般采用中性點小電流接地的方式，包括中性點不接地、中性點經消弧線圈接地和中點經高阻接地等情況，這樣做的目的在于采用小電流接地可以保證發生單相接地短路故障的時候三相線電壓保持平衡，三相系統的穩定沒有遭到破壞，因此可帶故障繼續運行1～2 h，保證供電可靠性，但非故障相電壓會升高至原來的倍。而110 kV及以上架空線路中一般采用大電流接地的方式，包括中性點直接接地和中性點經小電阻接地，此舉的目的是保證中性點電壓不發生偏移，所以當發生單相接地故障時，非故障相電壓不會升高至倍相電壓，從而降低了系統的絕緣設備等級，減小了建造成本。

而對于電纜線路而言，由于電纜線路的電抗小于架空線路，所以其載流容量較大，且電纜線路的最高工作電壓不得超過其額定電壓的15%，因此，電纜線路無法在倍額定電壓的情況下穩定可靠工作。因此，為了保證電纜線路的安全性，我國部分10 kV配電網電纜線路也會采用大電流接地的方式。本文所述的角濱線、角吳線這兩條10 kV電纜線路對應母線即采用中性點經小電阻接地方式。

1.1 中性點不接地系統電氣量分析

在中性點不接地系統方式下，單相接地故障的電氣矢量關系如圖1所示。

圖1 中性點不接地系統電氣矢量關系圖

當單相短路故障發生后（以A相發生金屬接地短路為例，接地點為D點），非故障兩相的對地電壓升高到至原來的倍，即等于線電壓。由于非故障相的電壓抬升，非故障相中電容電流也隨之增大，其大小為原來相對地電容電流的倍，較大的電容電流會給系統安全帶來隱患。這種電容電流較大并且不容易被熄滅，接地點會出現弧光接地，電弧將周期性的熄滅和重燃，消耗大量電能。

1.2 小電阻接地系統電氣量分析

10 kV中性點經小電阻接地系統發生單相接地故障時，對于故障相而言相當于存在兩個接地點，所以當發生接地故障后，系統通過電阻與大地與故障點形成了電流的通路，電流較大。因此這種接地方式選線的可靠性較高，可以快速隔離故障，防止擴大故障。

根據中性點不接地系統中對各電氣量的的分析，同理可得中性點經小電阻接地系統發生單相短路故障后各電氣分量變化情況。具體分析如下。

圖2為小電阻系統發生單相接地短路故障的示意圖。其中，C1a、C1b、C1c、Cna、Cnb、Cnc表示各條健全線路的三相對地分布電容；Cfa、Cfb、Cfc表示故障線路的三相對地分布電容；R為小電阻，A、B、C為母線。

圖2 小電阻系統單相接地示意圖

中性點小電阻接地方式是指變壓器或發電機中性點經小電阻與大地進行電氣連接。在系統正常運行狀態下，線路上三相電流的數值相等而相位相差120°，其向量和等于零，三者相互抵消。故大地和中性點之間一般不存在電流流過，中性點對地電位為零，與中性點與地電位一致。

圖3為中性點小電阻系統中發生接地故障后的電氣關系矢量圖（以A相發生金屬接地為例，接地點為D點）。其中，EA、EB、EC分別為A、B、C三相電源的電動勢，If為流經中性點的短路電流，R為中性點和大地之間的小電阻。UBD和UCD分別為B相和C相對地電壓。

圖3 中性點低阻接地系統電氣矢量關系圖

當A相發生金屬性短路故障后，由于短路電流過大，短路電流流經中性點的小電阻后會造成中性點電壓偏移，中性點電位提升，此時中性點電壓為：

所以，由于中性點的偏移，B相和C相的對地電壓都會發生改變。

因此，在小電阻電壓的作用下，B相和C相電壓都有所抬高，相當于非故障兩相的對地電壓有所升高。若接地短路較為嚴重，短路電流較大，則可能造成非故障相對地電壓抬升嚴重。由于非故障相的電壓抬升，非故障相中電容電流也隨之增大，有時可達到幾十安培甚至上百安培，給系統安全帶來隱患。

在小電阻接地系統正常狀態下，負載均衡，容性電流平衡，正常情況下流過小電阻的零序電流很小，一般呈容性。當發生故障后，流過變中性點零序電流為：

其中，UA為故障點故障前的相電壓，R為中性點接地電阻，Rf為短路故障點的過渡電阻，Cm（m=1,2,……，n）為各出線對地零序電容，ω為角頻率。若故障點為金屬性接地，則Rf=0。

非故障出線段的零序電流為：

Ck為該段出線的對地零序電容。而故障出線段的零序電流為：

其中，分子中電容之和為所有非故障出線段對地零序電容之和[13]。

2 實例數據介紹

圖4和圖5為該變電站角濱線和角吳線的主接線圖。

其中，角濱線設備基本情況如下：變壓器兩臺，10 kV全電纜線路，主線電纜長度8.63 km，全線電纜長度31.25 km，線路中變壓器總數91臺，變壓器總容量為89.06 MVA。角吳線設備基本情況如下：變壓器兩臺，主線為電纜線路，長度3.9 km，全線電纜長度10.19 km，架空線路約0.07 km。

其中角濱線主要為三遙自動化柜，線路的光纖等自動化配套有所延誤，緩動型智能分布式策略未投入運行。角吳線主站功能尚不完善，只能用于主站監控。

2020年某日17:28，角濱線、角吳線兩回10 kV線路同時發生故障跳閘，故障類型為零序動作。

當故障發生后，由于自動化設備功能不完善，緩動型智能分布式饋線自動化策略未投入運行，所以需人工排除隱患，找出故障點。角濱線的故障處理經過與排查邏輯如下：

19:02斷開角濱線角濱段#1環網柜601開關后，向配調申請前段線路試送電。

19:14角石變電站10 kV角濱線514開關至角濱線角濱段#1環網柜601開關電纜線段送電成功，說明了角濱線514開關至角濱線角濱段#1環網柜601開關之間不存在永久性短路故障。

20:44角濱線除角濱段#2環網柜某用戶外，全部用戶均已送電，其中，角濱線#3環網柜601開關后段線路轉由角園線供電。而角濱線#2環網柜605開關至角濱線#3環網柜601開關隔離，該段所有懷疑故障點均經仔細檢查及試驗無故障。

00:03角濱線#2環網柜605開關至角濱線#3環網柜601開關電纜線段送電成功，開環點在角濱段#3環網柜601開關，證明該段線路不存在永久性短路故障。

同理，角吳線變電站故障處理經過與排查邏輯如下：

19:02斷開角吳線#1環網柜601開關后，向配調申請前段線路試送電，發現此時因變電站側開關異常，角吳線511開關暫無法送電。

21:18角吳線#6環網柜601開關后段線路轉由角東線供電，說明變電站523開關至角吳段#6環網柜601開關之間不存在短路故障點。

22:10角吳線#3環網柜發現明顯故障點，位于吳橋分支02T1開關處，除此外均查無問題。申請角吳線全線送電。22:47角吳線全線送電成功。

3 故障原因分析

3.1 角濱線故障原因分析

角濱線發生故障后，立即組織人員進行故障巡查，對懷疑點故障點進行試驗，仔細檢查后并未發現故障點。試送電全線恢復正常。

圖4 角濱線角圓-角濱段環網接線圖

圖5 角吳線角圓-角吳-角東段環網接線圖

故障發生時，變電站10 kV角濱線的518開關及角濱線#1環網柜601開關檢測到零序電流，分別為60 A和36 A，經查無明顯故障點。而角吳線511因外力破壞而導致接地故障，零序1段動作跳閘，兩者故障時間僅相隔19 ms，由此判斷兩者故障可能存在一定的相關性。角濱線全線為電纜線路，當角吳線發生金屬性接地故障時，零序故障電流高達352 A。

因此，由分析可知，非故障區段線電壓被抬升，電壓升高異常，非故障相電容電流也異常增大。角濱線電纜長度較大，根據以往故障經驗參照，電容電流增大達到零序電流過流保護動作值而導致跳閘。

3.2 角吳線故障原因分析

角吳線發生短路故障后，經巡線排查對懷疑故障點進行試驗，與22:00發現吳橋分支02T1開關處有大塊鐵皮壓住，即發生了單相金屬性接地短路故障。緊急處理后，合閘送電成功。

該線路目前自動化裝置均為三遙功能，開關為負荷開關，主要用于運行監控，主站型自愈策略尚未投入運行。在故障發生時故障點前自動化開關均檢測到故障電流，發出零序1段告警信號并上送主站，其中角吳線角吳段#2環網柜601、605開關、角吳線角吳段#3環網柜602開關動作電流均在370 A左右，與變電站10 kV角吳線開關動作電流352 A基本吻合，由此表明應該沒有問題。重合閘在故障后動作并未恢復供電，所以判斷角吳線為永久性故障。

經錄波儀的數據顯示，在發生金屬性接地短路故障后，非故障相的電壓最大被抬升至原電壓的的1.5倍，這也證實了本文的理論猜想和故障原因分析的正確性。

4 存在問題及建議

（1）角吳線受外力破壞，導致同一段母線上非故障相電壓升高，長電纜線路角濱線達到零序電流動作值后誤動，為避免這一情況，應將角濱線零序電流定值進行調整。

（2）角濱線在故障發生時，緩動型智能分布式饋線自動化策略尚未投入運行，若能加快自動化策略的應用步伐，對縮短故障處理時間，迅速恢復非故障區段的供電有很大的幫助。

（3）供電局調度端應加強監測，利用成型的自動化裝置，快速判斷故障區段，便于搶修人員迅速恢復搶修恢復供電。

（4）加快主站協同自愈功能的建設，多與高校研究院合作，盡快對具備條件的自動化線路投入主站系統自愈功能，縮短故障定位時間，快速恢復非故障段供電，提高故障處理效率。

5 結 論

本文研究基于配電網的接地短路故障分析，這兩條線路的故障實際上是角吳線發生單相接地故障導致的連鎖反應，造成非故障線路段的電流增大跳閘。這也與小電阻接地系統零序電流較大的理論相符。這種現象雖不常見，但本文經過理論分析客觀上確定了這種現象的存在。

本文分析了兩條10 kV電纜線路發生上述金屬性單相接地導致跳閘的情況，并探究了故障原因，對預防措施提出了建議，為以后減少此類狀況的發生提供了一定的參考依據。