貫通線三相不平衡引發虛假接地故障的分析

閆 平，董 菲

0 引言

國內10 kV 電力貫通線普遍采用中性點不接地和中性點接消弧線圈2 種方式，單相接地故障（小電流接地故障）是10 kV 電力貫通線頻繁發生故障的主要原因；現場對小電流接地故障主要是通過零序過電壓、零序過電流為特征進行判別。10 kV電力貫通線三相不平衡也能引發零序過電壓現象，可能會造成誤判即虛假接地，給現場判斷和及時檢修帶來一定困難，給運營單位的檢修質量和經濟效益帶來較大影響。

文獻[1]為解決小電流接地系統高阻接地故障檢測的難題，發明了基于接地故障電阻測量的高阻接地保護方法，該方法簡單實用，被廣泛引用在現場當中。文獻[2]針對汕頭特區的配電網采用小電阻接地方式出現的問題及處理方法作了分析。文獻[3]著重介紹了經消弧線圈接地系統最新采用的并聯中值電阻選線方法，并取得較好的效果。文獻[4]提出了加裝小接地電流系統消弧、過壓、感電保護裝置的方案。文獻[5]運用相關分析方法，通過計算各出線零序電流和母線零序電壓導數之間的相關系數實現故障選線，采用該方法可以減小過渡電阻和故障初相角的影響。文獻[6]介紹了基于零序功率方向和5 次諧波分量法的在線定位方法。文獻[7]和文獻[8]對10 kV 電力系統中幾種虛假接地故障進行了分析。

本文針對貫通線三相不平衡導致的零序過電壓現象，對10 kV 電力貫通線進行了理論分析和計算；采用消弧線圈并聯電容消除線路中的串聯諧振現象，能有效解決該種虛假接地故障和小電流接地故障判別問題。

1 小電流接地故障分析

配電網中采用中性點不接地或者接消弧線圈和高阻接地運行的三相系統，當某一相發生接地故障時，由于不構成短路回路，接地故障的電流比正常負荷下的負荷電流小很多，該系統被稱為小電流接地系統。對于小電流接地故障的研究已有很多的探討，其中對中性點不接地運行方式發生單相接地故障的處理，已經比較有效，采用測量各個饋線出口處的故障前和故障后零序電壓、零序電流的幅值和相位，對測量到的值進行比較，經過分析和計算后得出哪條饋線發生了單相接地故障，該方法能有效地克服電流互感器引發的三相不平衡問題。隨著電網中電纜用量的增大，系統對地的電容電流（零序電流）不斷增大，為減少單相接地帶來的電容電流的增大，采用中性點接消弧線圈的運行方式，補償電網的電容電流使得接地點的殘流減小，有利于滅弧。

當貫通線三相不平衡時，現場終端設備FTU報警（零序過電壓），與小電流接地信號設備檢測出來的情況類似，很難確定到底是什么原因引起的FTU 報警。由于10 kV 電力架空線路發生故障不集中，受自然條件影響較大，電力工通過巡視也很難找到問題發生的原因，所以有必要分清是單相接地還是虛假接地引發的零序過電壓。

2 貫通線虛假接地故障理論分析

引起零序過電壓現象有很多原因，本文僅研究中性點接消弧線圈運行方式下，因三相不平衡（線路不平衡）而引發的虛假接地故障。由于工作需要，增加配電所饋出的電纜數量，隨著電纜數量和長度的增加，消弧線圈很難及時調整參數，以達到較好的配合度；中性點接消弧線圈采用欠補償和全補償容易產生串聯諧振，形成較高過電壓；當三相不平衡時，消弧線圈會加劇系統的不平衡造成虛假接地故障。

2.1 貫通線正常運行電壓偏移

一條由架空線路 LGJ-70 和電纜線路YJLV22-8.7/10-3×95 混合架設的線路，導線的幾何均距為0.935 m，變壓器分別采用SL7-400、SL7-250、SL7-315，且功率因數cosφ = 0.8。線路的距離和具體變壓器的分配如圖1 所示。

架空線路 LGJ-70：Zk= 0.446 4 +j0.335 6 Ω/km，Ck= 9.94×10-9F/km。

電纜線路YJLV22-8.7/10-3×95：Z1= 0.246 7 +j0.103 Ω/km，C1= 2.4×10-7F/km。

電力變壓器SL7-400、SL7-250、SL7-315 參數見表1。

由圖1 可知，實線為架空線路，虛線為電纜線路；將變壓器低壓側負荷歸算到高壓側。變壓器高壓側的計算負荷：

同理可得，Se= 0.256 9 + j0.208 1(MV·A)，Sf=0.323 2 + j0.2262 2(MV·A)。將圖1 簡化為圖2，求取貫通線正常運行時，配電網中各個負荷點的電壓損失及其電壓偏移。

同理可得，ΔUAe= 514.5 V，ΔUAe%= 5.145＜7；ΔUAd= 414.6 V，ΔUAd%= 4.146＜7。由此可以得出，以上電壓偏移完全符合要求。

由以上計算可知，若供電線路增長或者增加饋出電纜的線路，就會導致電壓偏移增大。

圖1 10 kV 貫通線電路示意圖

表1 電力變壓器的各項參數值表

圖2 10 kV 貫通線等值電路示意圖

2.2 三相不平衡導致零序過電壓

一般來說，貫通線三相不平衡主要原因有：變壓器三相繞組中某相繞組發生異常，輸送出來不對稱電壓；三相負荷在貫通線分布不均或線路參數不平衡；動力、照明混合混用，其中單相負荷較多，如家用電器、電爐、焊機、車站信號電源等過于集中使用三相中的某相交流電，或單相用戶增容。

若貫通線發生三相不平衡時，線路中的電容電流較正常時增大，故此在分析電路時，必須考慮電納的影響；在中性點接消弧線圈運行方式下，消弧線圈與架空線路、電纜線路對地點電容發生串聯諧振，并且加劇電壓偏移，使得系統越來越不平衡。

圖3 貫通線等值電路示意圖

在圖3 中，以f 點零序過電壓為研究對象并對圖3 中的電路進行簡化，可將其等效為圖4。

圖4 零序過電壓原理示意圖

由圖4 的零序電路得出方程：

圖4 中C 為整個電路的對地電容之和，L 為消弧線圈的電感，Za0為線路上阻抗，Ufa0為f 點處的零序電壓值。為了便于分析，令Za0= a+ jb =2.849 5+j2.126 2 (Ω)。應用基爾霍夫第一定律將式（1）簡化為

應用2.1 節的Ck和C1經過分析和計算可得出，C = 127.34 μF。一般消弧線圈采用過補償，令L=1.08C = 86.02(mH)。因為各種原因，線路對地電容增大導致零序（電容）電流增大，破壞了電感電流和電容電流的平衡狀態，如表2 所示。

表2 對地電容增大時線路各參數一覽表

目前，國標規定，10 kV 電力系統的零序過電壓不得大于30 V，零序過電流不得大于10 A。由表2 看出，在發生單相增容、饋電線電纜線路增多、C 和L 發生串聯諧振，使整體線路對地電容增大，由此可見，線路的零序過電壓增大會產生貫通線電壓偏移變大，導致三相系統更加不平衡，就會產生FTU 裝置的零序過電壓報警，增加現場工作人員排查故障的難度。

3 針對虛假接地故障采取的措施

一般來說，采用中性點接消弧線圈的三相系統中，發生虛假接地故障的原因主要是電容電流和電感電流不能相互匹配。線路對地電容不平衡或增大，就會使零序電流增大。通過改變消弧線圈的電感，會加大成本投資，而且往往很難及時調整消弧線圈的電感。針對該情況，采用較為成熟的電容投切技術，破壞形成串聯諧振的條件，使電路遠離諧振點，避免對小電流接地和虛假接地故障的誤判，如圖5 所示。

由圖5 可知，并聯電容投切相當于增大線路中的總電容量，使電路遠離諧振點，避免零序過電壓，計算數據如表3。

圖5 抑制串聯諧振電路圖

由表3 計算結果可知，并聯電容投切可以有效抑制零序過電壓，能夠滿足判別貫通線虛假接地和小電流接地故障。電容投切采用電壓過零投切，消除故障后退出系統避免激發更大的過電壓。

表3 遠離諧振點計算結果表

4 結語

根據現場實際終端設備（FTU）測試能力和FTU 故障報警的實際情況，通過分析正常情況下貫通線潮流分布和電壓偏移情況；同時也分析了因為三相系統對地電容分布不平衡（三相不平衡）所導致虛假接地故障，得出抑制零序過電壓可以有效地判別小電流接地和虛假接地2 種故障，減少人力、物力、財力的支出，能有效地提高公司的經濟效益。

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