小電流接地系統的危害及整改措施

江蘇省電力有限公司蘇州供電公司 趙巳瑋

小電流接地系統頻繁發生單相接地多次引發過電壓從而造成開關柜設備爆炸，對維護人員人身安全以及電網和設備的維護、供電的可靠性都較為不利。因此，如何優化提升開關柜的安全性，是當前需要重點解決的問題[1]。

1 事故簡要經過

1.1 事故背景

某220kV 變電站10kV 側小電流接地系統為單母分段接線，未配置消弧線圈。2臺220kV 主變壓器分別經10kV Ⅰ、Ⅱ段母線供2臺站用變，400V站用電系統同樣為單母線分段接線，10kV 母線和400V 母線均分列運行。

1.2 事故經過

一是事故動作情況：#1、#2主變同時過流Ⅰ段動作，2臺主變10kV 開關跳閘，1XX 線保護啟動（開關未跳），10kV 母線和400V 母線全部失電，2臺主變風冷全停；在事故發生前，10kV Ⅰ段母線曾發生單相接地。現場檢查發現故障為10kV 母聯開關后倉內部發生爆炸。二是事故處理：由于2臺尚在運行中的強油風冷變壓器失去風冷，10kV 母線無其他明顯故障點，處理人員通過斷開母聯刀閘手車隔離故障點（10kV 母聯開關），依靠外來電源試送10kV Ⅰ段母線恢復供電。隨后試送主變開關，恢復10kV Ⅰ段母線和站用電系統。1XX 線保護啟動（開關未跳），結合單相接地現象，立即隔離1XX 線。

2 事故原因分析

10kV 母聯為熱備用狀態，導致其后倉發生爆炸主要原因如下：10kV 配電裝置為早期的落地式開關柜，制造工藝落后，設計不夠完善，后部母線倉（連接10kV Ⅰ段母線）和出線倉（連接母聯刀閘--10kV Ⅱ段母線）未設計隔板。檢查確認10kV 母聯開關斷開，開關柜前倉無故障，后倉內部發生絕緣故障，后倉炸開。

線路部門發現1XX 線某處發生過弧光接地，故10kV Ⅱ段母線發接地信號。由于某變10kV 母線未配置消弧線圈，接地點容性電弧難以熄滅，10kV Ⅱ段母線上產生弧光接地過電壓，理論上最高可達到相電壓的3～4倍。如圖1所示，過電壓首先擊穿100母聯開關后倉內下導電臂（連接至Ⅱ段母線）的絕緣。由于上方母線倉未設計隔板，短路飛弧引起了上導電臂（Ⅰ段母線）發生相間短路。至此，兩段母線先后發生相間短路，導致兩臺主變低后備保護幾乎同時動作跳閘[2]。

圖1 10kV 母聯開關柜故障爆炸推演圖

3 暴露問題

3.1 小電流接地系統的弧光接地過電壓問題

單相接地故障是電力系統中的主要故障形式，我國低壓配電網多采用在小電流接地（中性點不接地）系統發生單相接地時，故障點流過較小的容性電流，系統的三相電源電壓仍維持其對稱性，不影響對外供電，允許帶故障運行一段時間（不超過2h），但是單相接地會使健全相對地電壓上升到線電壓，系統中流過容性的接地電流。故障電流I=√3I2=3ωC Uph。即：單相接地時流過故障點的容性電流I與線路對地電容和系統額定電壓成正比。

實際架空線路的接地多為非金屬性接地，比如導線對樹枝放電，出現間歇性電弧。若系統較小，對地電容小，接地電流也小，電弧容易自動熄滅。然而隨著系統的發展，單相接地故障電流將成比例增加。比如10kV線路，總長度超過1000km 時，電容電流超過30A，電弧將難以自動熄滅，進而產生弧光接地過電壓。

假定A 相發生接地故障，設以UA、UB、UC代表三相電源電壓，以U1、U2、U3代表三相線路的對地電壓。故障點發弧后，電路中將有一電磁振蕩過程，在這個過程中，故障相電容C1的電荷通過電弧電流泄放入地，電壓突然降為零。兩健全相電容C2、C3則有一個由電源線電壓通過電源內電抗Ls 進行充電的高頻振蕩過程。設A 相在達到最大值Uphm 時發弧，發弧前t-前電壓分別為：

U1（t-）=Uphm

U2（t-）=U3（t-）=-0.5Uphm

以上是振蕩過程的電壓起始值。其穩態值則為：

U1（t+）=0

U2（t+）=UBA=-Uphm+（-Uphmcos60°）=-1.5Uphm

U3（t+）=UCA=-Uphm+（-Uphmcos60 °）=-1.5Uphm

由于振蕩引起的過電壓由兩部分組成，一為穩態值，二為振蕩部分。振蕩部分的幅值為穩態值減起始值，所以：

過電壓=穩態值+振蕩值=穩態值+[穩態值-起始值]=2倍穩態值-振蕩值

即：Umax=-2.5Uphm

電源電壓A 相由正半周轉為負半周，如在其最大值時重燃，則過電壓將達到-3.5Uphm。

由于電弧過程的強烈隨機性，過電壓倍數亦具有統計性質。據國內外實測，弧光接地過電壓一般不超過3倍，個別可達3.5倍甚至4倍。這種過電壓持續時間可能較長，若不采取措施，可能危及設備絕緣，引起相間短路，使事故擴大。

由于10kV 配網線路越來越長，并且大量敷設電纜，導致系統對地電容節節攀升，早期設計已無法解上述問題。據統計，某公司所轄各變電站10kV中性點不接地系統的平均電容電流在2008年時為49.67A，該數值在2016年已攀升至103.54A。此外，根據有關檢測數據統計，在雷雨等惡劣天氣多發季節，變電站平均每站單月發生6次母線單相接地，部分變電站會在短時間內出現數十次的頻繁接地，間歇性弧光接地過電壓發生的概率大為增加。

3.2 開關柜的設計、工藝質量及運行維護等問題

在本次事故中，由于母線倉和出線倉未設置隔板，導致短路故障范圍擴大，全站低壓側失電的危急事故。近10年來，某公司所轄變電站頻繁發生開關柜爆炸事故，其中多數與系統發生接地有直接關系。鎧裝式高壓開關柜結構緊湊，倉內空間狹小，對產品工藝和安裝施工要求高，絕緣裕度低。一旦發生過電壓，易發生絕緣擊穿故障。此外，由于本地區天氣多雨，部分開關室布置在變電站一層，開關柜下方即是電纜溝，倉內易受潮、凝露、銹蝕等，加劇了開關柜的絕緣問題。

3.3 保護配置問題

低壓側小電流接地系統中的母線主保護采用的是主變相應電壓等級后備過流保護，通常帶有一定延時，為了和線路保護配合，該保護的延時時間較長，本次事故發生時，主變10kV 側后備保護延時1.5s 出口跳閘切除故障。如圖2所示，紅色區域為母線范圍，一旦此處發生短路，為變壓器出口處的近區短路故障，故障電流巨大。但沒有靈敏可靠的速動保護與之匹配，巨大的短路電流在狹小的開關柜空間內經“漫長”的延時才被切除，勢必造成劇烈的爆炸。如果同類問題發生在老式的戶內敞開式設備上，事故劇烈程度則減輕不少。這是一二次設備在當下電網運行情況下面臨的新問題。

圖2 開關柜內設備保護區域

綜上所述，由于戶內布置的母線故障概率較低，低壓側母線未配置速動主保護。鎧裝式開關柜進行了全封閉處理，故障概率理論上進一步降低。但持續擴張的配電網絡伴隨著不斷上漲的系統對地電容電流，與此同時線路單相接地故障也日益增加，綜合導致數量劇增的弧光接地過電壓把變電站外部的電網異常轉換成了變電站內部的設備故障，將原有的安全防線一舉“擊穿”，引發嚴重的設備事故--開關柜爆炸。

4 整改防范措施

4.1 加裝消弧線圈防止小電流接地系統出現間歇性弧光接地過電壓

任何形式的單相接地故障，都存在由暫態到穩態的過渡過程，金屬性接地其接觸前的瞬間也存在著空氣放電的問題。所以減少接地故障時的電容電流是降低弧光接地時的重燃次數、降低弧光接地過電壓的有效措施。因此，須監視小電流接地系統電容電流，當10kV 系統對地電容電流大于30A 時，須加裝消弧線圈。

安裝消弧線圈的目的：減少接地時的殘流值，減緩恢復電壓的上升速度，抑制諧振過電壓的產生，本次事故發生后，某公司立即對其10kV 系統加裝了接地變和消弧線圈。

4.2 保護接地處理時的人身安全

在接地異常處理中，對于系統對地電容電流較大的變電站，尤其是配電裝置為開關柜者，處理人員切記冒然進入開關室內檢查，應穿戴好安全防護，確保接地消失后方可進開關室內檢查，防止弧光過電壓引發爆炸事故，同時應注意跨步電壓等危險。

4.3 改善低壓側母線的保護配置

應當更加精細的區分主變后備保護的保護范圍和優化配合，如圖3所示。

圖3 主變后備保護范圍情況

主變10kV（35kV）側后備應配置高低兩個定值。其中，較低定值用于保護線路，經過復合電壓閉鎖，并采用較長延時與線路保護配合。較高定值應充分匹配站內母線發生故障的短路情況，按母線故障Klm ≥1.5整定，不經復壓電壓閉鎖，經短時限跳本側開關，保護母線，經較長時限跳主變各側，保護死區及開關拒動故障，高定值延時均應短于低定值延時。

此外，可以嘗試新技術的運用。比如，在開關柜內部配置光傳感器，當內部發生短路放電時立即啟動主變后備保護，解決開關柜母線倉內短路故障時的保護配合問題，提升保護速度，大大降低開關柜爆炸的發生概率[3]。

4.4 加強對開關柜的運行維護和檢測

新的探測儀器和技術逐步運用于開關柜的早期故障偵測。各類絕緣缺陷發展到最終擊穿，釀成事故之前，往往先經過局部放電階段，局部放電的強度能夠在一定程度上反映絕緣的狀態，因此可通過在線監測局部放電來判斷絕緣狀態。對母線等金屬導體包裹絕緣熱縮套可以一定程度上解決開關柜內部絕緣裕度低等問題。與此同時，也應考慮開關柜內部散熱及受潮等問題的影響。

4.5 低壓側配網的接地方式選擇

對于小電流接地系統，加裝消弧線圈只是大幅降低間歇性接地發生的概率，并不能絕對消除這一過電壓，因此有些變電站雖然配置有消弧線圈，但仍有發生接地時設備爆炸。一些變電站的10kV 母線對地電容電流已超過150A（單臺消弧線圈最大補償電流為150A），甚至部分變電站超過了200A。只能采用并接方式對消弧線圈進行擴容。

與此同時，城市配網自動化等新技術的推廣，原有的電網設計理念已經逐漸發生改變，供電可靠性不必過度依賴單條線路的“堅持”運行。因此，將10kV配網改為直接接地系統很好的解決了上述問題，通過配置零序保護，當發生母線單相接地時，立即切除故障線路，從根本上杜絕弧光接地過電壓問題。