單相接地故障脈選裝置在小電流接地系統中的應用

張 印

（福建三鋼集團動力廠，福建三明 365000）

引言

三鋼集團有限公司共有7個變電站，2個220 kV 變電站、1個110 kV 變電站、4個35 kV 變電站，分220 kV、110 kV、35 kV、10 kV、6 kV 共5個電壓等級，變電站6～35 kV 系統采用中性點不接地和經消弧線圈接地兩種方式，屬于小電流接地系統。雖然小電流接地系統發生單相接地時的故障電流很小，系統仍可運行1～2 h，但仍需盡快找出接地回路，此時非故障相的電壓升高1.732 倍，至線電壓。如果單相接地故障不能快速、有效處理，可能引起其他事故并發展為相間短路，致使事故擴大。

近年來三鋼供電系統已出現過多次單相接地故障沒有快速有效處理造成的供電事故。如前段時間，供電車間發生一起因35 kV 384#線路B相接地，A、C 相電壓升高1.732 倍，在故障排查倒閘時，35 kV 372#線路電纜C 相中間頭短時過壓造成絕緣擊穿，從而導致兩相接地短路故障，造成部分生產用電中斷，給企業帶來了很大的經濟損失。

統計三鋼近5 年6～35 kV 配電網故障情況，單相接地故障發生率最高，占比達87%，是電力事故的高發區。三鋼屬于鋼鐵企業，具有高溫高壓、連續性自動化生產的特殊性，因此對供電系統的可靠性和安全性有更高的要求。單相接地故障的快速、有效處理對電網的安全運行意義重大，但直至目前為止，仍然沒有令人十分滿意、準確度非常高的選線裝置。究其原因是選線裝置所依賴的原理有局限性，實際現場情況各不相同、所依賴的條件無法很好地滿足。為了選擇合適的故障選線系統，應該了解影響故障選線的因素，掌握供電系統實際運行情況。

1 影響小電流接地系統選線的因素分析

目前存在的小電流接地故障選線方法都不是盡善盡美的，為更好地實現小電流接地系統單相故障選線，要了解影響選線的因素。

（1）與中性點接地方式有關。由系統的工作原理可知，中性點不接地系統與經消弧線圈接地系統的故障特征是不同的，因此選線方法有顯著不同。

（2）與線路的長短與結構有關。單相接地故障電流是系統對地電容產生的，線路的電容與線路長短和結構相關。一般來說，線路長度與對地電容成正比，電纜線路的對地電容比架空線路大。

（3）與系統故障方式有關。單相接地故障電流與接地阻抗有關，不同的接地阻抗產生的接地電流是不同的，因此小電流接地系統的選線要滿足不同故障情況下故障電流采集的準確性。

（4）與零序電流互感器、電壓互感器有關。一般采用零序電流互感器獲得故障電流，電壓互感器采集零序電壓，通過這些電氣特征量進行選線。電流互感器、電壓互感器的精度、質量影響故障選線的質量。

2 現階段單相接地故障主要選線方法

目前，配電網小電流接地選線法根據是否利用及如何利用故障電氣特征量劃分以下幾類：穩態信息的故障選線方法、暫態信息的故障選線方法、信息融合的綜合故障選線方法、利用其他特征量的選線方法。

基于穩態特征量的選線方法是多次采集故障發生后的有用信號，主要是零序電流和零序電壓，通過特征量的分析、比較、計算判斷故障線路。主要選線方法有零序電流幅值法、零序電流比相法、零序電流群體比幅比相法、有功分量法、諧波分量法、零序導納法等。基于零序電流電壓量的比較方法，均需采集零序電流，小電流接地系統單相接地時電流小，對CT 精度要求較高，且受到消弧線圈補償、過渡電阻及不平衡電流運行影響比較大。

暫態選線方法利用暫態特征分量選線，由于暫態分量信息豐富、變化明顯、特征突出，其靈敏度高。主要選線方法有首半波法、小波變換法和暫態能量法等。由于暫態信號持續時間短，在數值上、變化規律上相差懸殊，不利于信號采集與處理。

基于信息融合的綜合故障選線方法有模糊控制綜合選線法、多層前饋神經網路法和模式識別。融合了人工智能和現代數學處理方法，在理論上能進一步提高選線準確度，但實際效果仍需驗證。

利用其他特征量的選線方法，目前主要有信號注入法。信號注入法不利用故障信息選線，通過主動地注入信號，注入信號僅在故障回路中流通，通過檢測該信號進行選線。主要選線方法有S 注入法、脈沖信號注入法，主要區別是S注入法注入的是非工頻的正弦信號；脈沖信號注入法注入的是1/2周期工頻信號，信號可控易于采集。信號注入法在一定程度上克服了穩態信號小、特征不明顯的不足，緩解了暫態信號時間短、采樣困難的難點。

3 單相接地故障脈選裝置原理

三鋼的熱回收焦爐余熱發電工程項目10 kV電氣系統是中性點經消弧線圈接地系統，電網出線是電纜線路，采用的電壓互感器、零序電流互感器符合行業規范要求，且零序電流互感器變比一致。為了克服利用穩態信號和暫態信號的不足，三鋼的熱回收焦爐余熱發電工程項目上采用了利用脈沖信號注入法的單相接地故障脈選裝置，系統原理如圖1。

在中性點不直接接地系統中，接地變壓器與可控硅串聯后接地。正常運行時，接地變壓器的中性點電壓為零或有很小的偏移電壓，可控硅不導通。當某條支路發生單相接地故障時，主控制器檢測到接地信號，判斷接地相，觸發可控硅導通，故障線路流過一個可控的強脈沖零序電流信號，該信號不受消弧線圈接地的影響，僅在故障回路中流通，經零序電流互感器采集，并轉化為數字信號再傳輸到主控制器，主控制器判斷故障回路、故障類型及故障信息，從而進行報警，提示電氣運行人員進行故障排除。

該系統在三鋼供配電系統中首次使用，為了檢驗該系統的單相接地故障檢測性能，進行了現場試驗。

4 單相接地故障脈選裝置功能試驗

試驗目的：驗證單相接地故障脈選裝置選線的準確性。

圖1 單相接地故障脈選裝置系統原理圖

前期準備：所在10 kV I段系統負荷已轉移，上級系統負荷已轉移，預防單相接地故障引起進線柜或上級供電柜跳閘，導致事故擴大。檢查相關保護裝置運行情況及保護定值，確保試驗過程不影響主線運行。試驗用YJV 3×70/10 kV 電纜（兩端電纜冷縮頭已制作完成）120 m，且絕緣良好。

試驗接線：選擇備用917#柜作為試驗柜，將該柜轉至檢修狀態，將試驗用電纜一端放置在水平水泥地面上，B 相與水泥地面接觸，A、C 相電纜頭與B 相電纜頭分開至安全距離并懸空。另一端電纜穿過917#柜零序電流互感器，B 相電纜頭與電纜室出線銅排連接，A、C 相電纜頭與B 相電纜頭分開至安全距離并懸空，如圖2。

圖2 接地試驗接線示意圖

試驗過程：進行2 s 內的瞬時接地，10 s 以上的永久接地試驗。試驗兩端派專人監護，接地端人員在安全距離外監護，將917#柜轉至熱備用狀態，遙控合、分斷路器，分別進行瞬時接地、永久接地試驗，觀察兩端情況。

試驗全部完畢后，線路轉至檢修狀態，拆除試驗各接線，系統恢復至原運行狀態。

試驗結果：接地故障脈選裝置能夠快速準確判斷917#柜瞬時接地、永久接地并顯示接地信息。永久接地試驗接地系統顯示如圖3，接地點電纜頭情況如圖4，故障數據如表1。

圖3 永久接地試驗系統

圖4 接地點電纜頭情況

表1 接地試驗數據對比

5 試驗效果

在線路發生單相接地故障時，該裝置能夠直接快速、準確判斷支路的接地信息。上述單相接地試驗中測試的項目僅進行了水泥接地試驗，有條件可以進行其他接地工況和其他相接地時的性能和效果的測試。

2019 年5 月13 日，三鋼的熱回收焦爐余熱發電站10 kV 電氣系統單相故障脈選裝置顯示支路010（1#鍋爐給水泵910#柜）C相接地故障。故障信息Ua：066.92 V，Ub：062.14，Uc：051.18，U0：009.48，故障電流1 A，當班電氣人員配合汽機、鍋爐人員及時地完成了倒閘換泵操作，消除了可能造成的事故隱患。事后查出故障原因是施工過程中的電纜損傷引起的單相接地。

6 結語

通過現場試驗和應用實例，單相接地故障脈選裝置系統適用于三鋼的供配電系統，可在三鋼的其他相似的變配電系統中推廣應用。