35kV 單芯電纜線路接地短路事故分析

王智睿 周建偉 朱春濤 國網江蘇省電力有限公司鎮江供電分公司

近些年，隨著我國能源全球化發展，配電網的建設與安全運行也越來越受到人們的關注，尤其是在35kV 電力供電或配電系統中，發生單相接地故障的概率較高，且當中性點發生單相接地故障時，相電壓升高，可能引起線路絕緣破壞甚至被擊穿，出現短路故障；如果故障點產生間歇性電弧，會引起諧振過電壓，損壞或者燒毀電力系統設備，嚴重危及設備和人身安全，給配電網的安全經濟運行帶來重大影響。因此，電力系統工作或運行維護人員，必須掌握35kV 電力系統單相接地故障分析與處理方法，系統出現單相接地故障時需及時準確的找到故障點并予以切除，從而保證和維護電力系統安全經濟運行和生產。一般地，單相接地故障可能出現的原因主要有：①線路或設備絕緣發生破壞，引起絕緣擊穿接地，如配電變壓器繞組絕緣破損、接地等；②線路遭外力破壞導致斷線，如大風、覆冰舞動災害天氣；③惡劣復雜的外界自然環境，如雷擊、鳥害、漂浮物、動物搭接、樹枝等；④工作人員誤操作。因此，針對不同的引起單相接地故障的原因需要采取相對應的措施，才能及時恢復系統的供電。

一、接地系統的分類

電力系統采用星形連接的發電機或變壓器的中性點（一般認為發電機中性點不接地，通常指變壓器的中性點）按照接地方式的不同，可以分為有效接地（大電流接地）和非有效接地（小電流接地）2 種，而我國電力系統中性點常見的接地方式有6 種，其中，大電流接地系統主要可以分為中性點有效接地和中性點全接地，以及中性點經小阻抗接地；小電流接地系統主要可以分為中性點不接地和中性點經消弧線圈接地，以及中性點經高阻抗接地。

（一）大電流接地系統

在中性點直接接地或經低阻抗接地的三相電力系統中，當發生單相接地故障時，接地短路電流很大，所以稱為大電流接地系統。在電力系統中性點直接接地的三相電力系統，當發生單相接地故障時，可快速切除故障，安全性好，可靠性較差，中性點不發生漂移，中性點電壓不變，絕緣按相電壓考慮，絕緣成本低。一般在135kV 及以上系統或380/220V 的三相四線制系統，在大電流接地系統中則有X0/X1 ≤4～5，其中，X0 為系統零序電抗，X1 為系統正序電抗。

（二）小電流接地系統

在中性點不接地或經過消弧線圈或高阻抗接地的三相電力系統中，又可以稱為中性點間接接地系統。當某一相發生接地故障時，由于接地相對地不能構成短路回路，故接地故障電流與負荷電流相比較小，所以把這種系統稱為小電流接地系統。小電流接地系統可靠性高、經濟性差，發生單相接地故障時，中性點會發生漂移，非故障相電壓升高為線電壓，可繼續帶電運行1～2h，絕緣按線電壓考慮，絕緣成本高，并且在小電流接地系統中一般可以認為X0/X1＞4～5。

二、35kV 單芯電纜線路接地短路事故原因

（一）電壓互感器二次輔助繞組接線錯誤損壞

電壓互感器二次帶有保險或者空氣斷路器短路保護，二次一般接用電壓表、微機保護繼電器等。如果接線錯誤會發生短路保險熔斷或者開關跳閘，或者電壓表及微機保護器電壓顯示異常，可以及時被發現改正。在DL/T516-2012《火力發電廠、變電站二次接線設計技術規程》中7.2.6 條，要求電壓互感器二次輔助繞組接成開口三角的二次繞組不應裝設熔斷器或自動開關。對于開口三角一般接用零序電壓表、XDL 或者XXQ 裝置，系統正常運行時電壓平衡開口三角電壓為0，即使接線錯誤短路也不容易被發現，當開口三角出現電壓時就容易燒壞電壓互感器。

（二）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，于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370A 左右，與變電站35kV 角吳線開關動作電流352A 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。

三、35kV 單芯電纜線路接地短路故障處理措施

（一）單相接地故障排查

1）當系統出現某一相對地電壓明顯降低，另外兩相對地電壓升高為線電壓，則這種情況視為單相接地故障。如果變電站母線出現排列不對稱、跌落式熔斷器發生熔斷、倒閘操作出現不同期等，都會使得中性點電壓因三相對地電容不平衡而升高，此時實際線路并未發生接地故障。2）在合閘空母線時，由于勵磁感抗與對地電抗形成不利組合而產生鐵磁諧振過電壓；當35kV 線路因受雷擊而出現間歇性接地時，可能會引起互感器電壓升高。或者當35kV 線路遭受雷擊時，導線附近電場發生畸變、雷電波沿線路入侵等，而實際系統并沒有發生接地故障。針對單相接地故障的排查和處理，尤其是在中性點不直接接地小電流系統中，當系統發生單相接地故障，且起絕緣監視和繼電保護的裝置出現接地信號時，運行值班或調度人員應及時采取措施進行處理。并根據現場實際情況進行綜合分析，作出決策，向上級調度部門和領導請示，做好相關調度處理的記錄。電網調度部門最初可以根據接地性質或類型和接地時的故障特征進行識別，找到對應的分網運行部分，縮小停電范圍，在作出判斷與決策時，需考慮各分網之間的功率平衡和保護動作的配合等因素的影響。通過確定設備是否完好、有無放電痕跡、有無斷線脫落等，在沒有問題的前提下，可以采取瞬停依次拉閘查找法。針對35kV 出線處已經安裝有微機保護選線裝置或者接地信號裝置的，在裝置正常運行條件下，當系統有接地故障時，其故障線路是比較容易找到和區分的。針對35kV 出線處未安裝微機保護選線裝置或者接地信號裝置的，則可以通過依次斷開35kV 線路母線側的開關，如果出現斷開某路開關其接地信號消失，裝置絕緣監視的電壓表立即恢復正常值，則表明該停電線路帶有接地故障，可安排工作人員消除故障。如果對線路采用瞬停分路開關法后，接地信號仍然存在，則說明故障沒有發生在此線路，可以對其進行恢復供電，以此類推，依次進行其他線路的排查，但絕不允許將所有出線側都斷開，假如將出線側所有分路開關切斷，極易使得系統的電容電流出現較大程度的下降，導致殘余電流增幅過大，可能引起消弧線圈失效，從而在接地點因過電壓而產生間歇性弧光放電，嚴重威脅線路和設備的絕緣安全。因此，在采用瞬停依次拉閘查找法時，嚴禁將出線側全部斷開并進行查找，可以考慮采取停一路查一路的方式，當恢復供電后再停另外一路。

（二）正常運行時護層感應電壓計算

護層感應電壓的計算以《電力工程電纜設計規范》（GB50217-2007）附錄F 中的相關要求為準，同時參考文獻計算結果可以看出：1）不同排列方式對電纜護層感應電壓有一定影響，采取多根并聯方式，可有效降低護層感應電壓。2）多回電纜同溝或相鄰敷設時，其對電纜護層感應電壓的增助作用比較明顯，此時如果能采用逆相序排列方式，可有效改善邊相的感應電壓。3）護層感應電壓與電纜敷設長度及電纜負荷電流密切相關，在電纜負荷電流較大時，為控制電路護層感應電壓，一側單點接地方式應將電纜長度控制在600m 以下。如存在多回共溝敷設情況，則控制長度還應縮小，或者應采取中點一點接地，兩側保護接地的方式，以縮短感應電壓的計算長度。4）單電纜外徑增大時，護層感應電壓明顯呈現下降趨勢，根據計算，等三角排列時，當電纜外徑為80mm 時，其護層感應電壓比50mm 時下降約20%，其它排列方式也均有下降。中的相應公式計算，計算結果可以看出：1）不同排列方式對電纜護層感應電壓有一定影響，采取多根并聯方式，可有效降低護層感應電壓。2）多回電纜同溝或相鄰敷設時，其對電纜護層感應電壓的增助作用比較明顯，此時如果能采用逆相序排列方式，可有效改善邊相的感應電壓。3）護層感應電壓與電纜敷設長度及電纜負荷電流密切相關，在電纜負荷電流較大時，為控制電路護層感應電壓，一側單點接地方式應將電纜長度控制在600m 以下。如存在多回共溝敷設情況，則控制長度還應縮小，或者應采取中點一點接地，兩側保護接地的方式，以縮短感應電壓的計算長度。4）單電纜外徑增大時，護層感應電壓明顯呈現下降趨勢，根據計算，等三角排列時，當電纜外徑為80mm 時，其護層感應電壓比50mm時下降約20%，其它排列方式也均有下降。

（三）常規保護的相位補償

三相變壓器的接線組別不同時，其兩側的電流相位關系也不同。以常用的Yd11 接線的變壓器為例，它們兩側的電流之間就存在著300°的相位差。這時，即使變壓器兩側電流互感器二次電流的大小相等，也會在差動回路中產生不平衡電流Ibp。為了消除這種不平衡電流的影響，就必須消除縱聯差動保護兩臂電流的相位差。通常采用相位補償的方式，即將變壓器星形接線一側電流互感器的二次繞組接成三角形，而將變壓器的三角形側電流互感器的二次繞組接成星形，以便將電流互感器二次電流的相位矯正過來，從而有效地消除因兩側電流相位不同而引起的不平衡電流。若僅從相位補償角度出發，也可將變壓器三角形側電流互感器二次繞組接成三角形。如果采用這種補償方式，若變壓器高壓側采用中性點接地的工作方式，則當差動回路外部發生單相接地短路故障時，變壓器高壓側差動回路將有零序電流，而變壓器三角形側無零序分量，使不平衡電流增大。因此，對于常規變壓器而言，差動保護是不允許采用變壓器低壓側進行相位補償的接線方式。

四、結語

中性點不接地系統發生單相金屬性接地，接地相對地電壓為0V，接地短路電流為接地相正序、負序、零序電流矢量和，當系統饋出線較多、對地容抗很大時，忽略系統線路、元件阻抗，系統單相接地電流變為全部對地電容電流矢量和。并且在接地電容電流大于30A 時，要求采取限制接地短路電流措施，安裝消弧線圈。