35kV線路單相接地后母線電壓異常原因分析

朱天昊，曹景雷，郭曉龍

（1.山東理工大學電氣與電子工程學院，山東淄博，255000；2.國網聊城供電公司，山東聊城，252000）

0 引言

小電流接地方式是電力系統配電網中常見的中性點接地方式。對于小電流接地系統，在其發生單相接地故障時，流過故障點的故障電流不大，對電力設備、人身造成的危害也較小，且三相之間的線電壓基本保持不變，不影響對負荷的供電，因此允許其在單相接地的情況下繼續運行一段時間。對于小電流接地系統單相接地后的各種故障特征，各類文獻已經做了較多的研究、分析，并給出了明確的說明。但在電力系統的實際運行中，由于電力設備與理想模型存在差距，或設備安裝、維護水平的不同，在某些情況下，小電流接地系統在發生單相接地后，其故障特征并不與理論分析值完全相同，或存在明顯差異。本文將會對現實情況中的一次典型案例進行分析，并對該案例中小電流系統發生單相接地后母線電壓出現異常情況的原因進行分析。

1 事件概況

■1.1 事件主要概況

2020年2月14日17:33:23 220kV變電站甲35kV線路發生接地，選線裝置選擇線路為35kV甲乙線，35kV變電站乙顯示B站接地，35kV變電站丙顯示A相接地。甲站拉開35kV甲乙線321開關后35kV母線電壓恢復正常。

圖1 220kV變電站甲站內接線圖

■1.2 事故前運行方式

220kV變電站甲#1主變低壓側帶35kV負荷，35kVⅠ、Ⅱ段母線并列運行，35kV甲乙線321間隔、35kV甲丙線311、35kV#1接地變35B1、35kVⅠ母線PT 35P1、35kVⅠ組電容器35C1、35kVⅡ組電容器35C2均為運行狀態。35kVⅠ段上35kV甲丙線311間隔帶35kV變電站丙4.6MW負荷；35kVⅠ段上35kV#1接地變35B1間隔帶站用負荷，經消弧線圈接地，消弧線圈處于1擋過補償狀態；35kVⅡ段母線上35kV甲乙線321間隔帶35kV變電站乙2.1MW負荷，并作為35kV丁站備用電源；35kVⅡ母線無PT間隔。220kV變電站甲一次主接線圖如圖1所示。

圖2 2020年2月14日17:33發生35kV線路發生接地時和2月15日21:30正常運行時后臺機信息

2 現場檢查情況

■2.1 后臺檢查顯示

后臺顯示：2020年2月14日17:33發生35kV線路發生接地，小電流接地選線裝置（消弧線圈控制器）選線接地線路為35kV甲乙線321，但是未選出相別；檢查2020年2月15日21:30分正常運行電壓：A相20.74kV、B相20.67kV、C相20.17kV、3U0為3.99kV。

■2.2 小電流接地選線裝置檢查

小電流接地選線裝置（消弧線圈控制器）顯示：2020.2.14 17:36:04至17:45:21發生單相接地，選線接地線路為35kV甲乙線321，接地電壓為20829.2V，電感電流為15.6A，電容電流為14.6A，35kV系統處于過補償狀態，但是未選出接地相別。再次檢查屏柜內二次接線情況：該裝置未采用對時線（未采用對時引起小電流裝置和后臺機裝置有3分鐘左右差別屬于正常現象）；未取來自35kV母線的二次A相、B相、C相和開口電壓，開口電壓取自消弧線圈控制柜內自帶PT二次電壓。

圖3 2020年2月14日17:33發生35kV線路發生接地時小電流接地選線裝置選線信息

■2.3 主變故障錄波器波形檢查

該站未配置35kV故障錄波器，僅可以通過主變故障故錄器查看接地時電壓變化情況，圖4顯示接地瞬間波形，圖5顯示接地穩定時波形，圖6顯示即將結束時波形，圖7顯示結束時波形。

圖4 2020年2月14日17:33:23發生35kV線路發生接地時瞬間主變故障錄波器波形

圖5 2020年2月14日17:33:25發生35kV線路發生接地時中間波形穩定時主變故障錄波器波形

圖6 2020年2月14日17:42:39發生35kV線路發生接地即將消失時時主變故障錄波器波形

圖7 2020年2月14日17:42:39發生35kV線路發生接地消失時時主變故障錄波器波形

■2.4 35kV開關柜檢查

2.4.1 35kVⅠ段母線PT 35P1間隔檢查

檢查35kVⅠ段母線35P1間隔柜情況：①電壓互感器二次繞組采用yn接線方式，保護小室柜內二次接線正常且一點接地，母線測控裝置顯示2020年2月15日21:30二次電壓：A相59.96V、B 相 59.21V、C相57.73V、3U0為6.40V；②電壓互感器一次繞組采用Y接線方式，采用3只單相全絕緣電壓互感器連接而成，中性點連接在一起未接地（示意圖如圖8所示），PT相關參數見表1。

圖8 Yyn接線圖

表1 35kVⅠ母線PT相關參數

重量 138kg出廠日期 2019.04投運日期 2019.11.22廠家 中國 大連北方互感器集團有限公司

2.4.2 35kV甲丙線311和35kV甲乙線321間隔開關柜檢查

35kV甲丙線311間隔開關柜外觀檢查無異常；35kV甲乙線321間隔停電對電纜、CT、避雷器、開關小車進行檢查及絕緣試驗無異常。

■2.5 iE600系統電壓顯示

檢查調度主站iE600在接地故障前后220kV變電站甲、35kV變電站乙、35kV變電站丙35kV母線電壓顯示情況見表2。在2020年2月14日17:34接地時，220kV變電站甲35kVⅠ段母線A、B、C三相電壓分別為18.84kV、24.45kV、19.45kV，35kV甲丙線所帶35kV變電站丙35kV母線A、B、C三相電壓為0.38kV、35.84kV、35.55kV，35kV甲乙線所帶變電站乙35kV母線A、B、C三相電壓分別為35.57kV、0.34kV、35.83kV。

顯然，三站35kV母線電壓顯示差別較大，特別是35kV變電站乙、35kV變電站丙接地相別不對，但是表現出典型的單相金屬性接地時電壓變化特征；220kV變電站甲故障電壓稍微升高，非故障相電壓稍微降低，不是典型金屬性接地時電壓變化特征。

■2.6 220kV變電站甲站外35kV甲乙線檢查情況

2月15日12:56 巡線人員多次巡線無異常，經檢查35kV變電站乙、35kV變電站丙35kV母線PT顯示數據均正確，申請對線路試送。隨即遙控合上35kV甲乙線321開關后，220kV變電站甲35kVⅠ段母線A、B、C三相電壓分別為19kV、24.4kV、19.5kV；35kV變電站丙35kV母線A、B、C三相電壓為0.38kV、35.84kV、35.55kV。此次試送確定35kV甲乙線故障點依然存在，35kV甲丙線兩側35kV母線電壓顯示不同。隨即遙控拉開35kV甲乙線321開關，甲站、35kV變電站丙電壓恢復正常。

2月16日檢查發現35kV甲乙線#97桿避雷器B相擊穿。35kV變電站丙35kV甲丙線相序A、B、C三相序接對、相別相接錯，由正常的順序A、B、C三相接成了C、A、B三相。

■2.7 接地選線分析

220kV甲站消弧線圈控制器為許繼變壓器公司WXHK2-1型號設備，既有消弧控制功能又有小電流接地選線功能，2019年11月投運。

2020年2月14日17:33發生35kV線路發生接地，甲站小電流接地選線裝置（消弧線圈控制器）選接地線路為35kV甲乙線321，調度隨即遙控拉開35kV甲乙線321開關后，甲站、丙站、乙站35kV母線三相電壓恢復平衡，說明小電流接線選線裝置選線正常。因裝置原理設計未取來自35kV母線PT引出的二次A相、B相、C相和開口電壓，接地零序電壓取自消弧線圈控制柜內自帶PT二次電壓，因此能正常反應出接地時中性點對地電壓為20829.2V，表現出典型的金屬性接地，不能選出接地相別屬于正常現象。

3 電壓異常原因分析

■3.1 35kV乙站、丙站電壓異常分析

在2020年2月14日17:34 35kV甲乙線接地時，35kV甲丙線所帶丙站顯示A相接地，35kV甲乙線顯示B相接地，兩站接地相別不對。根據巡線結果反饋的35kV甲乙線#97桿避雷器B相擊穿、35kV丙站35kV甲丙線在2019年11月份送電時由正常的順序A、B、C三相接成了C、A、B三相，證明了35kV甲乙線接地相別為B相，是一起典型的金屬性單相接地故障。

表2 故障前后220kV變電站甲、35kV變電站乙、35kV變電站丙35kV母線電壓顯示情況

■3.2 甲站35kV母線電壓異常分析

220kV甲站35kVⅠ段母線PT一次繞組中性點未接地，和原來設計的經消諧裝置接地不符；二次繞組直接接地。對于Yyn接線方式的電壓互感器，一次側中性點不接地，一次繞組反應出來的是母線對中性點電壓而不是母線對地電壓。

假設三只電壓互感器阻抗相同，當系統發生金屬性單相接地時，中性點電壓不偏移，接地相雖然對地電壓為零，但是中性點電壓仍然為相電壓，這時施加于一次繞組的電壓并沒有改變，二次相電壓也未改變，因而反映不出系統接地故障。

但是受系統參數、設備參數、負荷情況、三相PT差異、接地情況等因素影響不同，單相接地后電壓互感器中性點N點電壓會發生偏移，其具體位置不宜判斷。假設三只電壓互感器阻抗相同，當系統發生金屬性單相接地時，中性點對地電壓會上升到相電壓左右，在主要考慮中性點電壓升高對大地電容影響情況下，中性點往往向接地相電壓反向偏移，使得接地相對中性點電壓升高，兩健全相對中性點電壓降低。

4 電壓互感器YNyn和Yyn接線方式單相接地時電壓分析

對于小電流接地系統（不接地或者經消弧線圈接地）發生單相接地時，由于故障點電流很小，而且三相之間的線電壓保持對稱，對負荷的供電沒有影響，因此，在一般情況下允許再繼續運行1～2h。

■4.1 電壓互感器YNyn接線方式單相接地時電壓分析

假設系統發生A相金屬性接地（接地電阻為零），故障相電壓降為0（與大地等電位），非故障相電壓變為線電壓，三相之間相電壓不變，仍為線電壓。當采取三只單相PT星性連接且中性點接地時，如圖9(a)所示，此時中性點電壓將始終為0，即地電位，PT測得的電壓即為故障情況下的各相實際對地電壓，即接地相為0，非故障相升高至線電壓。

■4.2 電壓互感器Yyn接線方式單相接地時電壓分析

4.2.1 三只電壓互感器阻抗相同的情況下單相接地時電壓分析

當PT一次繞組中性點未接地時，此時中性點電壓懸空。當發生單相接地金屬性故障時，如果三相PT負載阻抗對稱，則中性點電壓將始終處于矢量三角形的中心，具體推理如下：

圖9

圖10

根據基爾霍夫電流定律可得出：

結論：偏移后的中性點對地電壓變為原來的相電壓，方向相反。

母線A、B、C三相對中性點電壓變為：

由以上分析可以看出，理想情況下，當PT一次側中性點未接地時，三相測得的相電壓均為各相正常的額定電壓，且不受系統運行情況影響。

4.2.2 三只電壓互感器阻抗不相同的情況下單相接地時電壓分析

假設A、B、C三相阻抗分別為Z1、Z2、Z3，正常運行時，

中性點電流電壓關系為：

得出：

可見，當三只電壓互感器阻抗特性不一致時，中性點電壓就要發生偏移，引起的各相對中性點測量電壓有大有小。

因此，當正常運行電壓互感器采用Yyn接線方式時，兩相測量電壓基本相同時，另外一相測量電壓不同時，說明這只互感器的阻抗特性和另外兩只不同。對于220kV甲站，正常運行A、B相測量電壓基本相同，C相測量電壓稍微偏小，判斷C相電壓互感器阻抗稍微大于其他兩相。因為三只電壓互感器為同一批次設備，它們等值阻抗基本相同。

當A相發生金屬性接地時，假設B、C兩相阻抗特性一樣，即Z2=Z3，得出：

因此，在發生單相金屬性接地故障時，電壓互感器中性點電壓會升高相電壓，如果不考慮PT中性點電壓升高對系統容抗影響，那相測量電壓越大，那相電壓互感器的阻抗越大。這和三相正常運行時，中性點電壓很小時，反應三只電壓互感器阻抗大小特性是一樣的。

4.2.3 考慮電壓互感器中性點對地電容影響時單相接地時電壓分析

考慮到接地時三相PT中性點對地電壓會上升，特別是發生單相金屬性接地故障時電壓互感器中性點對地電壓會升高到相電壓左右，這是一個很高的對地電壓。因為中性點對地電壓很高，需要考慮對大地產生的電容影響。

圖11

根據基爾霍夫電流定律可得出：

其中Z=Rm+jXm=Rm+jωL為電壓互感器的勵磁阻抗；ZC=1jωC，C為電壓互感器中性點與大地之間的電容。進一步化簡ZZC=jRmωC?ω2LC。由于勵磁阻抗中Xm 遠大于Rm，ZZC≈ ?ω2LC，小于0，即由于中性點N點電壓U˙N偏移到E˙A反方向，且幅值大于相電壓EA，所以B相和C相對中性點測量電壓小于相電壓。

5 結語

由上分析，對于電壓互感器一次繞組采用Y形接線方式時，當系統正常運行時中性點電壓接近為0，與大地接近等電位，電容對電壓分布的影響將會很小；但是發生金屬單相接地時，中性點對地電壓會升高到相電壓左右，在考慮中性點對大地電容影響時，測量到的故障相對中性點電壓大于相電壓，非故障相對中性點電壓小于相電壓。

當220kV甲站35kV甲乙線B相發生因避雷器擊穿引起接地時，由于35kVⅠ母線PT其N點未接地，一次繞組中性點N點電壓發生偏移，向接地B相反向偏移。經過接地暫態過程后三相電壓趨于穩定（如圖5所示），17:34接地穩定時，電壓互感器反應出A相18.8kV、B相24.4kV、C相19.4kV屬于正常現象。

從表1中可以看出，該電壓互感器為全絕緣形式，N接線柱絕緣性能滿足40.5/95/200kV，即最高運行電壓為40.5kV、工頻耐受電壓為95kV、雷電沖擊耐受電壓為200kV，可見系統單相接地故障時N點電壓遠低于其工頻耐受電壓，因此未對設備造成損壞。

綜合現場檢查情況，還原故障發展過程如下：

2020年2月14日17:33，35kV乙站內B相避雷器故障擊穿，站內PT顯示B相電壓接近0V，A、C相電壓接近線電壓；屬于同一電源系統的35kV丙站站內PT顯示A相（實際為系統B相）電壓接近0V，B、C相（實際為系統C、A相）電壓接近線電壓；220kV甲站由于35kVⅠ母線PT 一次繞組中性點N端未接地，N端發生電壓偏移，二次電壓為三相對于偏移后的N點電壓，而非相對地電壓，電壓顯示A相18.8kV、B相24.4kV、C相19.4kV。

調控人員遙控拉開35kV甲乙線321開關后，220kV甲站35kVⅠ母線電壓顯示正常。