煤化工企業10 kV系統單相接地故障分析

張 恒，張 毅

(中煤陜西榆林能源化工有限公司，陜西 榆林 719000)

0 引言

運行經驗表明，在中性點不接地系統中，單相接地故障最多。理論上，在發生單相接地故障時，電氣設備供電情況并未改變，可以繼續運行2 h，但實際上如果不及時處理的話，由于非故障相電壓升高，使絕緣薄弱點很可能被擊穿，造成事故擴大，并且會威脅人身安全、干擾通信系統。如果接地點出現間歇性拉弧，由于配電網中電感、電容的充放電效應，非故障相電壓峰值理論上可能達到額定電壓的3.5倍，此外，故障電流比較小，也給實現可靠的繼電保護、及時檢測出故障線路并定位故障點帶來困難。所以配電網單相接地故障有很大的不確定性，快速準確地處理單相接地故障對供電可靠性具有重要意義。

1 企業電力系統的中性點運行方式選擇

電力系統的中性點是指星形聯結的變壓器或發電機的中性點，中性點接地方式對電力系統的運行有很大影響，特別是系統發生單相故障時有明顯影響，這是一個綜合性的技術問題。電力系統中性點接地方式分兩大類，一類是中性點不接地，或經消弧線圈接地，稱為小接地電流系統，另一類是中性點直接接地或經低阻抗接地，稱為大接地電流系統。我國電力系統中3～66 kV系統中由于設備絕緣水平按線電壓考慮對設備造價影響大，為提高供電可靠性，一般采用中性點不接地運行方式，如果單相接地電流大于一定數值時(3～10 kV電網>30 A；20 kV及以上電網>10 A)，則應采用中性點經消弧線圈接地運行方式[1]。

煤化工企業中電力負荷多屬于一、二級負荷，對供電可靠性要求較高，且負荷比較集中，所用電纜較短，對地電容電流較小，單相接地電流較小，所以煤化工10 kV電力系統多采用中性點不接地運行方式。

2 中性點不接地系統單相接地故障分析

2.1 中性點不接地系統單相接地故障的特點

單相接地故障如圖1所示。

圖1 單相接地故障

IK=3Uφ·ωC0

2.2 多線路電容電流分布

多線路電容電流分布如圖2所示。

圖2 多線路電容電流分布圖

非故障線路Ⅰ：3I0Ⅰ=3UφωC0Ⅰ

發電機：3I0f=3UφωC0f

故障線路Ⅱ：

3I0Ⅱ=3Uφω(C0∑-C0Ⅱ)

2.3 多線路單相接地的零序等值電路

單相接地的零序等值電路如圖3所示。

圖3 A相接地時的零序等效網絡

由圖3分析可知：在發生單相接地故障時，全系統都將出現零序電壓，由于線路的零序阻抗遠小于對地電容的阻抗，可忽略不計，則全系統各點零序電壓均等于故障點零序電壓。零序電流就是各元件的對地電容電流，非故障線路和發電機的零序電流數值上等于本身的對地電容電流，電容性無功功率的方向為母線流向線路，在故障線路上的零序電流為全系統非故障元件對地電容電流的總和，電容性無功功率方向為線路流向母線[2]。

3 一種典型的10 kV不接地系統

3.1 一次系統

煤化工企業典型的10 kV系統如圖4所示。

圖4 一次系統圖

電壓互感器：采用YNynd0接線，一個三相五柱式三繞組電壓互感器接成星形和開口三角形接線。輔助二次繞組接成開口三角形，當三相電路正常運行時，開口三角兩端電壓接近于零。當一相接地短路時，開口三角兩端將出現100 V零序電壓。

（1）教師對作業的作用認識不夠。很多教師只把作業當成是教學中可有可無的點綴，是督促、檢查學生掌握書本知識的一種習慣性方式，忽視了作業是教學過程的一個重要環節，這要求我們必須樹立整體的教學觀念，優化教學過程的每個環節。讓作業成為幫助學生加深理解所學知識，拓展學習內容，實現自主學習的一種有效活動。

電動機：煤化工主要負荷。

10/0.4 kV變壓器：主要配電設備。

無功補償裝置：TSC+HVC系列動態無功功率補償裝置。

3.2 有關零序電壓或零序電流的保護配置

零序保護配置見表1。

表1 保護配置表

3.3 自動裝置

小電流接地選線裝置：本機對弧光接地采用了先進的最大增量法，能對金屬性接地準確判斷。

過電壓抑制柜：本裝置根據電壓互感器提供的信號，在發生PT斷線、過壓、欠壓、諧振、弧光接地等現象時，通過對二次電壓進行采集、判斷，及時準確地對系統各種狀態進行分析，判斷出系統的故障情況，隨即報警。

3.4 單相接地現象

理論上當系統發生金屬性或者穩定弧光單相接地故障，只要系統保護設備和自動裝置保護定值過門檻，系統各裝置會出現動作。

零序過電壓報警：相電壓發生變化，故障相電壓變為零，非故障相電壓升高為線電壓，同時出現零序電壓。當互感器顯示零序電壓為100 V時，系統發生金屬性單相接地故障；當零序電壓為35 V左右時，系統出現斷相；當零序電壓為變化數值時，系統可能出現間歇性弧光單相接地故障[3]。而系統出現兩相、三相接地短路、相間短路時，相應的保護會及時切除此等故障，零序過電壓也不會動作。

小電流接地選線裝置：小電流接地選線裝置選出相應接地回路。

電容器零序過電壓跳閘：由于此時全系統各點零序電壓均等于故障點零序電壓，電容器零序過電壓跳閘。

諧振報警：過電壓抑制柜零序過電壓報警，由于單相接地故障往往產生諧振，所以還會有諧振報警。

零序過電流信號：當故障點在變壓器饋線，其保護裝置發零序過電流信號。

零序過電流跳閘：當故障點在電動機饋線，其保護裝置零序過電流跳閘。

3.5 故障判斷處理

綜合保護裝置動作現象可以及時找出故障點，然后排除故障，使系統盡快恢復正常運行狀態。但實際上，10 kV中壓配電網中性點不管是不接地還是經過消弧線圈接地，發生單相接地故障電流都較小，這就造成接地電弧易于熄滅和重燃，即間歇性電弧。有資料表明，在電網全部接地故障中約60%屬于這種性質。間歇性電弧使得接地電流不穩定，給利用穩定電氣量的檢測方法，如工頻零序電流法、零序功率方向法、中電阻法、小擾動法以及注入信號法，帶來困難。而在這種煤化工典型10 kV不接地系統中各保護和自動裝置定值采用的正是工頻零序電流或電壓的穩態量。

煤化工企業中的10 kV電動機和變壓器采用零序過流法進行單相接地故障的保護，零序電流定值的整定原則是躲過本線路的電容電流?？紤]難以準確地估算線路電容值，為保證保護動作的可靠性，一般取本線路電容電流的2～4倍。該保護易于實現，但缺點是檢測靈敏度低，當接地電阻較大時，故障線路的零序電流較小，可能拒動。當線路較長時，其對地電容電流可能接近甚至大于所有非故障線路的對地電容電流，將出現無法對保護進行定值整定的情況。

所以煤化工這種典型10 kV不接地系統保護和自動化裝置配置不能完全解決單相接地故障的選線和保護，尤其是發生間歇性電弧單相接地故障時。這時可以退而求其次，采用“拉閘試?！边x擇故障線路，即根據調度指令拉閘試停電，優先選擇不影響系統運行或影響小，但發生接地可能性又很大的線路負載進行檢查。一般先停空載線路，其次是雙回路或有其他電源的線路，再次是分支多、線路長、負荷小且不太重要的線路，最后是分支少、線路短、負荷重且較重要的線路。若將線路全部選切一遍，三相對地電壓指示沒變化，應申請故障母線或線路負載停電后進一步檢查處理。當然采用該方法處理故障是一種無奈之舉，它存在導致停電時間過長、停電范圍過大的問題。最好的辦法還是對系統的保護和自動裝置進行技術改造[4]。

由于故障線路零序電流小，且往往失去了區別于非故障線路零序電流的特征，可以采用主動式穩態量的方法，即利用專用一次設備或其他一次設備動作配合，改變配電網的運行狀態從而產生較大的工頻附加電流，或利用信號注入設備向配電網注入特定的附加電流信號，通過檢測這些附加電流來判斷故障回路，這種方法原理簡單、易于實現，但投資大，且存在安全隱患。小電流接地故障產生的暫態零模電流幅值遠大于穩態零模電流值(可達穩態電流幅值的十幾倍)，這就可以考慮用基于暫態方向法、暫態庫倫法、暫態行波法等原理的技術，提高保護和自動裝置的靈敏性和可靠性[5]。

4 結語

為了保證供電的可靠性，在我國煤化工企業10 kV電力系統中性點往往采用不接地運行方式，其相應的保護和自動裝置普遍利用故障產生的工頻或諧波這種穩態電氣量進行故障的判斷。面對電力系統中最常見的單相接地故障，由于有一定比例的間歇性接地故障，這些故障沒有穩定的接地電弧，接地電流嚴重畸變，影響保護和自動裝置的可靠性，同時間歇性拉弧可能產生3倍以上的過電壓，容易導致非故障相絕緣擊穿，使故障擴大。為了兼顧供電可靠性和配電網的安全性的要求，保護和自動裝置可以采用主動式穩態量或暫態量技術，同時其動作出口最好設為跳閘。當然隨著智能變電所的發展，基于饋線終端設備(FTU)的自動化系統的熟練應用，對于10 kV不接地系統的故障能得到很好的解決。