簡析單相接地故障的特點以及應對措施

王晨

（上海高橋捷派克石化工程建設有限公司，上海 200137）

簡析單相接地故障的特點以及應對措施

王晨

（上海高橋捷派克石化工程建設有限公司，上海 200137）

電力系統故障主要分為短路故障和斷線故障，對于以電纜作為配電方式的電力系統來說，線路故障絕大多數為短路故障，而其中又以永久性單相接地故障的發生頻率為最高，本文結合高橋石化煉油板塊供配電實際情況，對電力系統的單相接地故障的原理、特征及利害做一個簡要的分析，同時提出一些故障發生后，如何快速查找故障，減少事故擴大的簡單有效的方法。

單相接地 消弧線圈 中性點非直接接地 過電壓 故障排查

我廠的電力系統的電壓等級主要有110kV、35kV、6kV以及0.4kV。運行方式屬于中性點非直接接地方式，或稱之為經消弧線圈接地的小電流接地系統。用電負荷主要為6kV和0.4kV三相電動機，負荷等級大多為一、二級負荷，而該類負荷對供電的連續性要求相對較高，因三相負載的對稱性，使得當系統僅發生單相接地故障時，生產負荷的持續性供電不會受到影響，這一運行方式恰好從另一個側面輔助保證了連續性供電。單相接地故障時，系統內部的各個電氣量究竟發生了什么變化，系統是如何保持持續運行的，以下將從六大方面詳細分析

1 單相接地故障的電氣量特點

假設線路A相單相金屬性完全接地時，基本邊界條件為非故障相B、C相相電流為零，故障相A相電壓為零。在故障相（A相）的復合序網中，正序、負序、零序三個網絡串聯并短接，由電路知識可知，正序、負序、零序電流三者向量相等，疊加后形成了故障點的單相接地短路電流，該短路電流正好是是零序電流的3倍。而非故障相B、C相的相電壓也發生了變化，該變化主要受到零序阻抗的影響，：①當中性點直接接地時，零序阻抗理想情況下可視作零，即不存在零序電壓，此時短路電流中只含有正序和負序分量，因此非故障相的電壓會較短路前的正常相電壓降低，極限可降低至原來的86.6%，相位相反；②當中性點不接地時，零序阻抗理想情況可視為無窮大，三相相電壓的對稱性被破壞，非故障相的電壓會較短路前的正常相電壓升高，極限可升高至173.2%，相位差趨于60°，但三相線電壓的對稱型仍舊保持不變，這就使以電動機為主的三相對稱負載的持續運行成為可能。但畢竟是處于故障狀態，因此規程規定，允許系統繼續運行不超過2小時，以便于運行技術人員查找故障點。這是小電流接地系統的優點。

2 零序電流的產生

正常運行時，各相對地電容電流大小相等，相位互差120，因此，它們的電流向量和為零，即沒有電容電流流入大地。單相接地故障發生時相電壓的對稱性遭到破壞后，每一相的相對地電容電流即發生了變化：故障相直接接地，該相的相電壓降到了零，對地電容電流自然也變為了零；而非故障相的相電壓可升高至原來的1.732倍，對地電容電流也隨之升高至1.732倍，三相電容電流和不等于零，接地點的電容電流為全系統所有非故障線路的非故障相對地電容電流的和值，可升高至正常時的3倍大小，此處所說的電容電流，即是由零序電壓產生的零序電流。

3 非故障相電壓、故障電流的危害

我們的變配電設備和電纜線路都是按照能承受系統電壓等級所對應的最高電壓來制造的，比如說6kV系統，對應的最高電壓為7.2kV，理論上完全可以應對故障時非故障相相電壓升高帶來的沖擊。但當絕緣存在薄弱點時，很可能造成非故障相相對地絕緣因受到過電壓的沖擊而致使絕緣損壞，系統隨即發生另一相接地故障進而形成兩相接地短路使事故擴大，系統被迫停運。同時系統零序電壓在單相接地故障時也達到最大值，威脅著變壓器中性線處的絕緣，因此，在中性點不直接接地的系統中，不得采用分級絕緣的變壓器，必須使用全絕緣的變壓器以應對故障發生時不致設備損壞。

接地電流的大小主要取決于線路對地電容的大小，對地電容值越大，容抗值就越小，產生的電容電流也就越高。如果接地電流不大，對于6kV電纜線路構成的系統來說，接地電流＜30A且相對數值較大時，接地點處會產生接地電弧，電弧會隨著電流正弦變化而自行熄滅和重燃，即間歇性弧光，引起弧光過電壓，而弧光過電壓一般為相電壓的2.5-3倍，會對全系統設備絕緣造成破壞；當接地電流＞30A時，接地點處會產生持續持續性的電弧，它的危害在于會在接地點產生高溫，直接破壞非故障相的絕緣，會大大縮短由單相接地升級為兩相接地的時間。如果故障點是在電氣設備內部，將直接損壞設備。

4 消弧線圈的作用

為了杜絕接地電弧出現的可能性，目前我廠采用的做法是在中性點串入消弧線圈并接地。消弧線圈實則為感性負載，當有零序電壓加在消弧線圈上時，會產生與對地電容電流相位相反的電感電流，我廠2#110kV變電站6kV四段母線各設1#-4#消弧線圈，均采用微機監測系統電容電流，可根據電容電流大小自動調整投入消弧線圈的容量，可以直接抵消故障點處所有的電容電流并最終形成數值較小感性電流，即過補償的方式。接地電流減小了，接地電弧產生的可能性也基本消除了，這就很好的解決了間歇性弧光過電壓和持續性弧光高溫過熱引發的問題。

5 接地故障排查方法

當故障發生時，應先查看系統故障報文，故障產生的時間，繼保的發信和動作情況，再觀察三相電壓值，若出現一相降低另兩相升高，基本可判斷為單相接地。由于我廠是石化生產企業，生產用電不可間斷，我們采用的是試拉閘停電的方法，若在停電過程中接地故障消失，說明故障點就在停電所在的線路之上。為保證拉閘的準確性，在變電站內采用了小電流接地選線裝置，該裝置可以較為準確的指示故障所在的線路位置，為運行人員準確拉閘停電提供較可靠依據，就目前的運行結果來看，正確率為100%。

除了依靠小電流選線裝置作為停電參考依據外，還可以根據綜保中顯示的零序電流值的大小進行輔助判斷。系統發生單相接地時，電纜線路對地都有電容電流（零序電流）流過。通過在電纜出線上安裝零序電流互感器來檢測零序電流，每條非故障線路均向接地點提供電容性零序電流，消弧線圈向接地點提供感性零序電流，即故障點實際流過零序互感器電流應為系統非故障線路總容性電流與消弧線圈感性電流向量之和，也稱為殘流。一般的，當殘流大于單條線路容性零序電流時，故障線路零序電流（殘流）是所有饋線中最大。采用消弧線圈過補償方式時，可重點檢查開關柜綜保相應的零序電流，比較其大小，對零序電流較大回路可安排先行停電拉閘操作。

6 接地故障的日常防范管理

我廠單相接地故障多發生在天氣潮濕的季節，故障部位大多為電纜故障，其中電纜中間接頭處、電纜頭固定處和施工意外損壞到了電纜的情況為最常見。例如，在1#110kV站與2#110kV站之間的35kV聯絡電纜中間頭，就經常會在氣候潮濕的季節發生絕緣下降，引發電纜單相接地的故障。又如，很多敷設在電纜溝中的6kV電纜中間頭，由于處于相對較低的地勢，電纜溝中極容易形成有一定深度的積水，電纜中間頭長期浸泡在水中，水汽由縫隙緩慢侵入絕緣，在電場的作用下形成水樹，最終引起短路故障。這些故障有一個共同的特點，都是因為絕緣中含水量變大造成的，往往是在中間頭制作的過程中防水層的密封措施做的不規范造成的。因此，在電纜中間頭制作安裝時，應嚴格按照說明指導書的要求操作。其次，應該將電纜中間頭放置于電纜溝中地勢相對較高的部位，必要時可用支架支起。針對現場施工可能涉及到的直埋電纜區域的道路開挖，應在施工前向施工單位做好技術和安全的交底，嚴禁使用機械作業開挖，這樣從技術和管理上在源頭處杜絕電纜絕緣遭到人為和自然力的破壞。

7 結語

本文重點介紹了不接地系統發生單相接地故障時，各相電壓、電流的變化情況以及中性點電壓電流的變化。該系統的優點就在于故障發生時，無需立即停電，可帶故障繼續短時運行；缺點也是顯而易見的，非故障相的電壓會升高，故障點電流會引起電弧燃燒，兩者都會不同程度破壞設備和線路的絕緣，引發次生電力事故，擴大了事故停電范圍，影響了用戶的供電連續性。在采用了消弧線圈補償電容電流后，可最大程度消除接地電弧帶來的破壞，小電流選線裝置可幫助運行人員短時找到故障所在線路，及時轉負荷停電，盡可能少的影響生產。最后對單相接地故障發生頻次較高的情形從管理和技術上提出了一些防范的措施，在縮短了故障排除的時間的基礎上進一步減少接地發生的次數，保證了電力系統安全穩定的運行。

［1］何仰贊，溫增銀.《電力系統分析》（第三版）［M］.華中科技大學出版社.

［2］國家電力調度通信中心.國家電網公司繼電保護培訓教材［M］.中國電力出版社.

［3］中國航空工業規劃設計研究院.工業與民用配電設計手冊［M］.中國電力出版社.