小電流接地系統(tǒng)電壓判定方法分析

蘭　嵐

（國網(wǎng)江蘇省電力公司南京供電公司，江蘇 南京　210019）

小電流接地系統(tǒng)電壓判定方法分析

蘭嵐

（國網(wǎng)江蘇省電力公司南京供電公司，江蘇 南京210019）

針對小電流接地系統(tǒng)中存在的接地、斷線、鐵磁諧振、壓變?nèi)劢z熔斷、對地電容不對稱、耦合零序電壓等異?，F(xiàn)象，提出了基于最大和與最小差的小電流接地系統(tǒng)電壓判定方法，并對所提的電壓判定方法進行了實際應用，進一步總結(jié)了電壓判定方法失效的主要原因，為調(diào)度員快速判斷電壓異常原因提供了借鑒。

小電流接地系統(tǒng)；最大和；最小差；電壓判定

0　引言

6-35 kV配電網(wǎng)通常采用中性點非有效接地方式（即小電流接地系統(tǒng)），在發(fā)生單相接地故障（占線路總故障的70 %-80 %）后，因不構(gòu)成短路回路，線電壓保持對稱，不影響對用戶的供電，因此不必立即切除故障線路，允許帶電運行2 h。

實際電網(wǎng)運行中，小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時一相電壓為零，另兩相電壓升高為線電壓的情況是一種理想的情況，而大多數(shù)情況下由于接地程度不同（過渡電阻），電壓信息有時不明顯。此外，系統(tǒng)發(fā)生鐵磁諧振、斷線等異常時，也會伴有一定的電壓異常，只要電網(wǎng)三相對地電壓不對稱使得中性點發(fā)生位移，位移電壓達到接地監(jiān)視裝置的整定值（二次值一般整定為15-30 V），即發(fā)出接地告警。

對電網(wǎng)而言，不論是接地，還是斷線、鐵磁諧振、壓變?nèi)劢z熔斷、對地電容不對稱、耦合零序電壓，均是不正常的運行狀態(tài)。尤其在接地故障下故障點存在電弧，可能引發(fā)火災事故，健全相過電壓可能損壞絕緣并引發(fā)相間故障。

為此，配網(wǎng)調(diào)度員需從電壓信息中準確判斷產(chǎn)生電壓異常的原因，判定是否為接地故障，進而采取相應的處理措施。目前，小電流接地系統(tǒng)電壓主要依靠調(diào)度員的工作經(jīng)驗進行判定。以下從已有的配電網(wǎng)電壓異?，F(xiàn)象分析結(jié)果入手，分析接地故障及各類假接地的本質(zhì)區(qū)別，提出基于最大和與最小差的小電流接地系統(tǒng)電壓判定方法，為調(diào)度員快速判斷電壓異常原因提供必要的參考。

1　小電流接地系統(tǒng)異常狀態(tài)分析

1.1單相接地

以中性點不接地系統(tǒng)發(fā)生A相接地為例，此時中性點位移電壓公式為：

圖1　A相接地故障時三相電壓及中性點電壓相量

為表示出各相電壓的大小關(guān)系，引入表示接地程度的接地系數(shù)K，則有：

式（2）中：Ud0為中性點位移電壓值；UA0為故障前相電壓值；UAd，UBd，UCd為故障后三相電壓值；K為接地系數(shù)；θ為A0與d0夾角。

K越小，表明接地越不明顯，過渡電阻越大。A相接地故障時，三相電壓大小隨K的變化規(guī)律如圖2所示。

圖2　A相接地故障時三相電壓隨K的變化規(guī)律

由圖2可知，A相接地故障時，C相電壓總是高于A，B相電壓。以A→B→C→A為序，則相電壓最高相的下一相即為接地相。

如果中性點經(jīng)消弧線圈接地，則式（1）中需考慮消弧線圈電感對電容的補償，即：

式（3）中：L為消弧線圈電感值，ω為電流角頻率配電網(wǎng)中通常采用過補償，因此有：

故中性點經(jīng)消弧線圈接地時，圖1中d點運動軌跡將在以OA為直徑的左半圓，此時B相電壓總是高于A，C相電壓。以A→B→C→A為序，則相電壓最高相的上一相即為接地相。

1.2線路一相斷線

線路發(fā)生A相斷線但不接地時，A相對地電容減小，從而引起中性點電壓偏移。此時，中性點位移電壓公式為：

式（5）中：CA為斷線后A相對地電容，CB，CC為B，C相對地電容，CB=CC，α為A，B，C相之間相角差的向量，幅值為1，角度為120°。

由此可得出，A相斷線時三相電壓及中性點電壓相量，如圖3所示。

圖3　A相斷線時三相電壓及中性點電壓相量圖

為表示出各相電壓的大小關(guān)系，仍引入反映斷線程度的系數(shù)K，則有：

K越小，表明斷線越不明顯，越靠近線路末端。

A相斷線時，三相電壓隨K的變化規(guī)律如圖4所示。

由圖4可知，A相斷線時，A相電壓總是高于B，C相電壓，且B，C相電壓總是相同。因此，相電壓最高相即為斷線相。

圖4　A相斷線時三相電壓隨K的變化規(guī)律

1.3線路兩相斷線

線路發(fā)生B，C相斷線但不接地時，B，C相對地電容減少，從而引起中性點電壓偏移。此時，中性點位移電壓公式為：

式（7）中：CA為A相對地電容；CB，CC為斷線后B，C相對地電容，CB=CC；α為A，B，C相之間相角差的向量，幅值為1，角度為120°。

由此可得出，B，C相斷線時三相電壓及中性點電壓相量圖，如圖5所示。

圖5　BC相斷線時三相電壓及中性點電壓相量圖

K越小，表明斷線越不明顯，越靠近線路末端。B，C相斷線時，三相電壓隨K的變化規(guī)律如圖6所示。

圖6　B，C相斷線時三相電壓隨K的變化規(guī)律

由圖6可知，B，C相斷線故障時，A相電壓總是低于B，C相電壓，且B，C相電壓總是相同。因此相電壓最低相即為非斷線相。

1.4鐵磁諧振

鐵磁諧振是由于變壓器、電壓互感器等鐵磁電感的飽和作用所引起的持續(xù)性、高幅值諧振過電壓現(xiàn)象。諧振回路中鐵芯電感為非線性的，電感量隨電流增大、鐵芯飽和而趨于平穩(wěn)。

鐵磁諧振需要一定的激發(fā)條件使電壓、電流幅值從正常工作狀態(tài)轉(zhuǎn)移到諧振狀態(tài)，如線路瞬時弧光接地或斷路器合閘時電源電壓暫時升高。激發(fā)因素消失后，鐵磁諧振存在自保持現(xiàn)象，過電壓仍然可以繼續(xù)長期存在。

由于鐵磁諧振與設備參數(shù)、電氣接線有密切關(guān)系，量化起來較為困難，現(xiàn)進行定性分析。由于對地電容和互感器的參數(shù)不同，可能產(chǎn)生基波諧振、高頻諧波諧振和分頻諧波諧振3種頻率的諧振。3種頻率共振的表現(xiàn)形式如下：

（1） 當發(fā)生基頻諧振時，一相對地電壓降低，兩相對地電壓升高且超過線電壓，或者二相電壓降低，一相電壓升高，以前者為常見；

（2） 當發(fā)生高頻諧振時，三相電壓均升高，且過電壓很大；

（3） 當發(fā)生分頻諧振時，三相電壓均升高，但過電壓較小。

1.5電壓互感器熔絲熔斷

在電網(wǎng)運行過程中，雷擊、鐵磁諧振及短路都可能產(chǎn)生過電壓，從而使電壓互感器熔絲熔斷。當高壓熔絲熔斷時，正常相的電壓指示正常，熔斷相考慮存在感應電壓，熔斷相電壓不為0，但比正常指示小得多。當?shù)蛪喝劢z熔斷時，正常相的電壓指示正常，熔斷相電壓降低為0。

1.6耦合電容傳遞零序電壓

變壓器高壓側(cè)存在的不對稱電壓經(jīng)變壓器繞組間的電容傳遞至低壓側(cè)，使低壓側(cè)產(chǎn)生電壓偏移，當零序電壓達到整定值時，即出現(xiàn)接地告警。此外，平行線路間的電容傳遞，也會使線路過電壓傳遞給正常線路，引起正常線路電壓偏移。

這一類現(xiàn)象所引起的電壓規(guī)律不明顯，只是呈現(xiàn)三相電壓不同，但可依據(jù)高電壓等級母線電壓及附近變電站同電壓等級母線電壓的情況進行判斷，如均無異常，可排除耦合電容傳遞零序電壓引起的電壓波動。

1.7短時電壓異常

開關(guān)三相動作不同時會造成三相對地電容短時間不平衡，從而出現(xiàn)短時電壓偏移。雷雨天氣時雷電感應過電壓類似于階躍波，使得零序電壓中低頻分量增大，也可能發(fā)短時接地告警。但這些電壓異?，F(xiàn)象時間較短，易于判斷，對電網(wǎng)影響不大。

2　小電流接地系統(tǒng)電壓判定原理

基于上述分析，在理想情況下，可依據(jù)電壓變化判定系統(tǒng)異常。若定義最大和UCd為三相電壓中任兩相和的最大值，最小差Ur為三相電壓中任兩相差的絕對值最小值，取標幺值，基準值為相電壓。那么，可根據(jù)表1的數(shù)值來判斷各類異常。

但在實際情況下，會存在如下問題。

（1） 臨界點的判斷將存在誤差。由于接地程度或斷線程度不會太輕，因此認為K＞0.2，即接地、斷線時最大和將大于2.1。

表1　各類異常現(xiàn)象對應的最大和、最小差

（2） 正常情況下電網(wǎng)允許電壓波動在±5 %內(nèi)，因此不可能存在絕對0。為此，引入制動原理，借助最小差來實現(xiàn)0的測定。同時，當Ur在0附近時，判定準確率將降低，為此，針對邊界區(qū)域補充了驗證算法，即，

對于一相斷線故障，應滿足：

對于單相接地故障，應滿足：

（3） 單相接地在K=0，0.5，1時，與斷線所呈現(xiàn)的電壓特征相近，無法判別。

由此可以得出電壓判定流程，如圖7所示。

3　小電流接地系統(tǒng)電壓判定方法的實際應用

為檢驗上述電壓判定方法的適用性，對某配電網(wǎng)2015年178次電壓異常數(shù)據(jù)進行分析判定，并比對現(xiàn)場實際的查線結(jié)果，發(fā)現(xiàn)共145次判定正確，正確率為81.46 %。

實際應用的判定界面如圖8所示，當值調(diào)度員只需在界面上輸入三相電壓值和電壓等級，即可初步判定系統(tǒng)異常情況。10組判定正確的情況如表2所示，5組判定錯誤的情況如表3所示。

由表2和表3可以看出，電壓判定方法失效主要來自以下原因：

（1） 所分析的異常因素不包括實際現(xiàn)場的設備缺陷原因，如總控遙測板損壞等；

（2） 在判定的臨界處，判定準確率低，如Ucd≈kUr時，接地與斷線易判錯；Ucd≈2.1時，接地與熔絲熔斷易判錯；

（3） 存在系統(tǒng)異常時現(xiàn)場采集到的電壓與所對應理論分析的電壓不符合的情況，如系統(tǒng)諧振時未出現(xiàn)顯著超過線電壓的情況。

圖7　電壓判定流程

圖8　電壓判定界面

4　結(jié)論

在小電流接地系統(tǒng)中，單相接地故障、斷線故障所呈現(xiàn)的母線電壓與接地、斷線程度存在函數(shù)關(guān)系；電壓互感器熔絲熔斷、耦合電容傳遞零序電壓所呈現(xiàn)的電壓特征明顯，易識別；諧振時所呈現(xiàn)的電壓變化情況復雜，但多數(shù)情況下特征明顯。

基于上述情況提出了基于最大和與最小差的電壓判定方法，便于調(diào)度員通過簡單的計算初步判定系統(tǒng)是否發(fā)生了單相接地、斷線、壓變?nèi)劢z斷、諧振等異常。在實際應用中，該方法對大部分的電壓異常情況診斷準確，但在判定方法的臨界值處應用效果欠佳，還有待完善。

1 宗劍，牟龍華，張鑫，等.配電網(wǎng)單相接地故障類型及程度的判據(jù)［J］.電力系統(tǒng)及其自動化學報，2004，16（4）：27-29.

2 趙有鋮，盧繼平，鄧恩宏，等.基于MATLAB的配電網(wǎng)異常狀態(tài)分析［J］.重慶大學學報：自然科學版，2004，27（1）：45-48.

表2　基于最大和與最小差的小電流接地系統(tǒng)電壓判定正確的舉例

表3　基于最大和與最小差的小電流接地系統(tǒng)電壓判定錯誤的舉例

3 亓富軍，田洪東，任振洲，等.配電網(wǎng)兩類接地故障異常電壓辨析［J］.中國新通信，2013，15（2）：12-13.

4 國家電網(wǎng)公司人力資源部.國家電網(wǎng)公司生產(chǎn)技能人員職業(yè)能力培訓專用教材：電網(wǎng)調(diào)度［M］.北京：中國電力出版社，2010.

國家電網(wǎng)公司圓滿完成G20峰會重要保電任務

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（來源：國家電網(wǎng)報 2016-09-07）

2016-05-22。

蘭嵐（1988-），女，工程師，主要從事電力系統(tǒng)調(diào)度工作，email：lanlanziyu@126.com。