一起小電流接地系統單相接地故障的分析

王 偉 王 緒 楊世博 盧峰超 成方圓

（河北省電力公司檢修分公司，石家莊 050070）

單相接地是在電流接地系統中比較常見的故障，發生單相接地時，由于線間電壓的幅值不變，系統絕緣裕度允許故障短時運行，但是為避免兩相對地短路，必須盡快找到接地點[1-2]。在不接地的角形接線系統中，單相接地故障模型如圖1所示。

圖1 故障系統模型圖

目前查找故障點的方法主要是根據保護系統提供的錄波信息判斷故障支路，采用阻抗法[3]、行波法[4]和有功分量法[5-6]等方法測距，現在根據高次諧波引起的電場、磁場強度變化定位的方法也有研究和應用。上述方法對線路故障反應靈敏，選線和測距準確[7]，但是對于近距離多支路系統單相接地故障點的判斷存在困難，難以判斷具體位置[8]。例如在500kV 主變低壓側，存在眾多支持絕緣子，當出線絕緣子劣化時，很難應用以上方法查出故障點，本文分析故障點零序電壓、電流特征，分析了故障處接地電阻發熱功率隨零序電壓變化情況，提出利用紅外線探測故障點發熱查找接地點的方法。

1 單相接地特征分析

在故障系統中，三相電壓經支持絕緣子和母線電容式電壓互感器接地，總接地電容為C，以下討論均假設接地發生在35kV 系統A 相。故障點接地電阻為R，當R為無窮大時，各相對地電壓平衡，母線電壓互感器監測的3U0值趨近于零，若存在劣化絕緣子，接地電阻R的值決定零序電壓幅值，根據節點電壓法計算，不難得到零序電壓為

圖2 零序電壓示意圖

圖2中N為等效星形接線中性點，Ua、Ub、Uc為各相對N點電壓，U0為零序電壓，Ua'=Ua-U0，為相對地電壓。U0的變化范圍是以相對地電壓為直徑的半圓，當接地電阻R從0 變化到正無窮大時，零序電壓U0延虛線箭頭方向由Ua變為零。U0的變化同時引起相對地電壓的變化，電阻變小的同時，各相對地電壓變化如圖3所示，由于系統絕緣裕度的設計，允許相對地電壓為3Uan時系統短時運行，但是保護系統會發出告警信息，為避免相間短路，應及時找出故障點。

圖3 各相對地電壓隨R 的變化曲線

由于零序電壓的存在，使得接地電阻處流過零序電流，零序電流又導致發熱功率產生，從而引起發熱。零序電流為

所以，流經接地電阻R的電流

其引起的發熱功率為

由式（1）至式（4）可得發熱功率－接地電阻變化曲線。

圖4 發熱功率—接地電阻變化曲線

某一特定參數下不同接地電阻的發熱功率變化如圖4所示。以上發熱功率使得故障點在時間dt內產生的能量是Pdt，這個能量的一部分使物體本身溫度提高，另一部分能量由于物體和周圍介質的溫差而散發到周圍介質中，外表面溫度變化由初始值變到穩定溫度。最后的穩定溫度和達到穩定溫度的時間由環境溫度，材料熱性能，包括放熱系數、放熱面積、比熱值、重量、對流系數決定。現忽略對流的影響，可列如下方程

式中，c為材料的比熱（Wskg-1℃-1）；m，材料的質量（kg）；Δε，溫升（K）；S，散熱面積（m2）；λ，材料放熱系數（W/m-2℃-1）。

設穩態溫升為ΔK，則在穩定狀態有

設t=0時溫升為零，則式（5）的解為

由于系統單相接地故障中接地電阻通常不為零，所以接地點的發熱功率存在且范圍在幾十至幾千瓦特之間，接地點溫升由發熱功率、散熱面積、放熱系數共同決定，應用紅外線測試儀測量其穩定溫升，可以快速準確的發現故障點。

2 案例分析

2.1 現場紅外測試

河北省某500kV 變電站低壓側母線開口三角報警，顯示三相電壓不平衡，同時，濾波顯示A 相電壓基本不變，B 相電壓變小，C 相變大。現場檢查母線電容式電壓互感器，避雷器，主變壓器低壓側電流互感器均正常工作，二次回路檢查未見異常，主變低壓側僅有一臺站用變運行，且各設備狀態正常。

根據上述情況及前文分析，初步判斷故障為35kV 母線系統A 相支持絕緣子劣化導致的單相高阻接地故障，由于母線支持絕緣子眾多，為快速找到故障點，避免系統長時間帶故障運行，現場使用紅外線測試儀測試，發現發熱點如圖5所示。

圖5 故障點處紅外線圖像

發熱點位于2 號站用變串聯電抗器A 相，其一根支柱明顯存在7.8℃的溫升，判斷為故障點，及時停電更換該支柱后，缺陷消除。

2.2 故障點分析計算

隨后作者在試驗室對故障支瓶進行了一系列試驗，試驗結果及分析計算如下：

試驗測定故障支柱絕緣電阻為0.6MΩ，取35kV母線電容式電壓互感器電容量C= 40000pF ，母線電壓

以上條件帶入式（4）可得

零序電壓U0=879V

當零序電壓大于600V時，不平衡保護即可動作。本例中正是由于系統帶此故障運行，導致監控系統報警。同時在零序電壓作用下，故障處產生功率損耗：

發熱功率P=75.5W

為計算穩定溫升，取絕緣子放熱系數λ為15 W/m-2℃-1，散熱面積為0.5m2。

由式（6）分析，溫升

由于計算未考慮對流系數的影響，計算溫升略高與現場測試溫升，認為計算結果與現場測試結果吻合。

2.3 分析結果

綜合上述分析，由于絕緣問題造成小電流接地故障時，故障點會產生溫升，可以使用紅外線測試儀快速的查找到故障點，避免了長時間帶故障運行給系統帶來的風險，提高了缺陷處理的效率。

由此證明，利用紅外線探測單相接地故障點的方法是可行的。

3 結論

通過分析論證，小電流接地系統單相接地故障可以用紅外線探測的方法進行快速查找，尤其適合短距離多支路系統，是一種簡單有效的間接測量方法。

針對小電流接地故障的分析與處理，提出以下幾點建議。

1）發生單相接地故障時，根據故障信息，判斷故障位置，及時使用紅外線技術對相關設備進行全面測試，謹慎盲目試驗。

2）故障點溫升相對較小，應使用精度較高的檢測儀器，同時測試受環境溫度影響較大，單次測試時，與就近設備橫向比較是測試的關鍵。

3）加強系統的紅外監測，建立紅外數據庫，對設備進行橫向與縱向跟蹤監測。

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