電力系統配網接地故障實用性案例分析

沈 春

（國網江蘇省電力有限公司東臺市供電分公司，江蘇 鹽城 224200）

0 引 言

在現代社會，電力系統作為支撐日常生活和工業活動的基礎設施，其穩定、可靠運行至關重要[1-4]。電力系統配網的安全性和效率直接影響著整個社會的能源供應與經濟發展。在眾多影響電力系統穩定性的因素中，接地故障尤為突出。它不僅是配電網絡中最常見的故障類型之一，而且是導致電網故障和供電中斷的主要原因。接地故障的發生可能會導致電網失穩、設備損壞、甚至觸發大規模的電力中斷，給社會經濟帶來巨大的負面影響[5]。因此，深入理解接地故障的性質、影響及其解決方案對于保障電力系統的安全運行具有重要意義。

1 接地故障

在電力系統的配電網絡中，接地故障屬于一種頻繁出現的故障模式。這種故障發生時，通常表現為電力系統內的單相或多相電線與地面之間產生了非預期的電氣連接。這種故障通常由絕緣材料的老化、機械損傷、自然災害或設備故障等原因引起。

接地故障按照涉及的相數和故障特性可以分為多種類型，如單相絕緣損壞接地故障、單相斷線接地故障等。這些故障類型對電力系統的影響各不相同，但通常都會導致電網的電壓不穩定、功率損失增加，甚至引發安全事故。理解接地故障的基本概念和分類是診斷和解決這些問題的關鍵，也是保障電力系統穩定運行的基礎。

2 案例分析

2.1 單相絕緣損壞接地故障

單相絕緣損壞導致的接地故障是電力系統中最普遍的故障之一。在此類故障發生時，系統中的一個相線由于絕緣層的損壞意外地與地面建立了電氣連接。這種故障的典型成因包括線路絕緣因長期使用而老化、遭受機械性損傷，或是外部因素如動物干擾等。其主要表現為故障相線形成一條低電阻通路至地面，導致該相的電壓出現下降，而其他非故障相的電壓可能相應升高。這不僅影響了單個相線的運行，還可能導致整個電網出現電壓不平衡，這種不平衡不僅影響電力質量，還可能導致敏感設備的損壞。盡管單相絕緣損壞接地故障通常不會立即導致大規模的電力中斷，但如果不及時處理，則可能會演變為更嚴重的多相故障。因此，對于單相絕緣損壞接地故障的快速檢測和有效處理是保障電網穩定運行的關鍵。故障示意如圖1 所示，在該電力系統模型中，表示中性點，表示接地點，Uα、Uβ和Uγ分別表示α、β、γ三相的相電壓，Cα、Cβ和Cγ表示α、β、γ三相的接地電容。

圖1 單相絕緣損壞接地示意

在三相對稱系統中，3 個相位的電壓值相同且它們之間的相位差為120°。此外，這3 個相位對地的電容值也是相等的。當α相發生短路時，電容Cα會被短接，此時的接地阻抗為Q。這表示α相的接地電容被有效地去除，從而改變了該相與地之間的電氣特性。當α相發生單相接地故障時，可以使用節點電壓方程來確定系統中性點的對地電壓為

電力系統中的接地類型可以由Q值的大小分為金屬接地和非金屬接地。在金屬性接地的情況下，接地點的對地阻抗理想化為零，對地導納則無限大。運用極限的概念，可以推斷出系統中性點的對地電壓等于Uα，即α相的電壓，接地點的電壓則為零。根據電壓向量圖分析，在這種情況下，β和γ相的電壓將上升到原來的線電壓水平。接著基于實際案例進行分析，如圖2 所示，案例的對象是廣東省某地區實際電網，故障發生時間為2023 年3 月15 日16:45。從圖2 中可以明顯得出發生的故障是金屬性接地故障，其中α相的電壓驟變到8.25 kV，β相的電壓驟變到1.23 kV，γ相的電壓驟變到8.75 kV。

圖2 單相絕緣損壞接地故障

相反，當發生非金屬性接地時，中性點的對地電壓值會小于Uα。這種情況下的電壓向量圖顯示，雖然β和γ相的電壓仍然會有所提升，但不會達到線電壓的水平。這種差異在分析和處理接地故障時非常關鍵，影響著電力系統的整體電壓分布和穩定性。

2.2 單相斷線接地故障

單相斷線接地故障是電力系統中的一種更為嚴重的接地故障形式，通常發生在系統的一相導線發生斷裂或脫離連接，斷線的那一相與地面發生了接觸，進而引起的故障，如圖3 所示。

圖3 單相斷線接地示意

這類故障的發生通常是由于外部力量造成的損害（如風暴、車輛沖撞），材料的疲勞與腐蝕，或者是維護不當等。在發生單相斷線接地故障時，受影響的相線將完全失去電壓，從而導致電力供應出現中斷。這不僅會影響連接在該相上的用戶，還可能導致整個系統不平衡。當α相出現單相斷線接地故障時，可以利用節點電壓方程來計算此時電力系統中性點相對于地面的電壓為

從式（2）可知，在發生單相斷線接地故障的情況下，發生故障的那一相電壓會降低，同時伴隨著其他兩相電壓的相應上升。基于實際案例進行分析，如圖4 所示，案例的對象是廣東省某地區實際電網，故障發生時間為2023 年6 月25 日12:15。從圖4 中可以明顯得出發生的故障是單相斷線接地故障，其中γ相發生斷線故障，α相的電壓驟變到2.15 kV，β相的電壓驟變到3.75 kV，γ相的電壓驟變到8.95 kV。

圖4 單相斷線接地故障

3 常規處理流程

在處理電力系統中的接地故障時，實施一套精確和系統化的處理程序是極為關鍵的。需要對故障類型進行準確的判斷，可以通過觀察三相電壓的不平衡特征來實現，從而將故障歸類為單相絕緣損壞接地故障或單相斷線接地故障等。一旦識別為這2 類故障之一，就要確定相關變電站是否具備接地故障選線程序。目前大多數變電站均裝配了接地故障選線系統，對于迅速定位故障點至關重要。如果變電站配置了該系統，操作人員將根據系統的指示執行拉路操作；反之，如果沒有該系統，將根據預先制定的接地拉路序位表手動進行。拉路操作旨在隔離故障并恢復正常的母線電壓。完成此步驟后，將派遣線路人員進行詳細巡檢，以確切地定位故障源。在整個過程中，強調安全預防措施至關重要。故障點一經確認，相關情況將立即上報給調度中心。然后，調度人員會根據現場的具體情況，指導對故障點的隔離，并嘗試遠程操作變電站的主開關。一旦試送操作成功，標志著故障已得到有效處理。通過這一連串周密的操作步驟，電力系統中的單相接地故障和單相斷線故障得以有效解決，從而保障電網的穩定運行和整體安全性。

4 預防措施

為了有效預防電力系統中的接地故障，采取一系列預防措施至關重要。首先，定期的系統檢查和維護是預防故障的基礎。這包括對電線、絕緣材料、接地系統以及其他關鍵組件的定期檢查和更換。通過這些措施，可以提前發現并修復可能導致故障的磨損或損壞。其次，升級電力系統的監控和自動化技術同樣重要。利用先進的傳感器和監控系統，可以實時監控電網的運行狀態，并在異常情況出現時及時發出警報。這有助于及時識別潛在的故障源，從而避免故障的發生。再次，加強對電力系統的物理保護，如適當的隔離、覆蓋和防護，尤其是在容易受到外部因素影響的區域（如易受風暴影響或動物活動頻繁的區域），也是預防故障的有效方法。這可以防止外部因素如樹枝、動物等直接導致的故障。最后，對于電力系統操作員和維護人員的培訓也不可忽視。通過培訓，確保他們了解最新的維護技術和故障預防策略，這對于及早發現和處理潛在問題至關重要。除此之外，建立一個全面的風險評估和管理體系，以識別電力系統中潛在的弱點和風險區域，從而提前采取措施，防止故障的發生。通過這些綜合性的預防措施，可以顯著降低電力系統中接地故障的發生概率，確保電力供應的穩定性和安全性。

5 結 論

文章深入探討了電力系統配電網絡中的接地故障問題，并提出了一套常規處理流程和預防措施，旨在為相關行業提供更有效的手段來解決接地故障問題。未來的工作方向應該集中在開發更為先進的故障檢測技術，提高故障處理的效率，并實施更有效的預防措施。