典型10 kV配網線路單相故障分析

陳 航，李 洪，朱 皓，楊敏雪，方明利，楊林峰，王 銀，王雨藝

（六盤水供電局，貴州 六盤水 553001）

0 引言

隨著社會的不斷發展，城市電纜化率越來越高，而電纜是10 kV供配電系統網架的重要組成部分，其安全運行直接關系到配網用電端居民的供電可靠性。但是，電纜線路多深埋于地下，地下管線錯綜復雜，其運行環境常受到嚴苛考驗，隨即帶來的電纜接頭、本體等故障查找難度較大。由于電纜的結構特殊，電纜化率較高的10 kV配電線路在故障初期常反映為接地故障，而后接地故障弧光持續燃燒，進而故障點其余兩相擊穿短路，造成線路或變電站開關保護動作跳閘。導致接地故障發生的原因主要是電纜本體、中間頭、終端頭等設備絕緣老化、制作工藝不合格、施工外破等。

我國10 kV供配電系統大多采用110 kV主變壓器中性點不接地運行方式。在不接地運行方式下，當單相接地故障發生時，故障電流僅由與接地線路同母線的非故障相線路對地電容、電流之和構成，數值比較小，規程允許該情況下10 kV故障線路可帶故障運行1～2 h；而10 kV線路分段開關及站內10 kV斷路器多選用電流級差保護，接地故障電流不會造成線路分段開關及站內斷路器過流保護動作。

1 配網單相接地故障

配網發生單項接地故障時，故障點的位置會出現弧光接地，在故障線路10 kV母線的非故障相會形成過電壓，有時會形成諧振過電壓。與正常配網運行時相比，過電壓值在完全接地的情況下將變為原電壓等級的1.732倍，或者形成的諧振過電壓超出線路的承載范圍，直接燒毀線路[1]。單項接地故障對配網線路的影響是直接性的，線路多次處于電壓升高的狀態，就會加速線路電纜及設備的絕緣薄弱環節絕緣老化，擊穿絕緣薄弱環節引起短路[2]。配網線路帶接地運行期間，有可能發生因接地故障而引起的繼發型短路、斷電的情況。對于小電流接地系統過電壓故障，目前存在故障線路選擇、故障點定位、測距的困難，供電企業可通過研究中低壓配網的單相接地故障特征，從而解決小電流接地故障的可靠檢測問題，及時發現接地故障線路，找到故障點，并采取相應的處理措施。本文以一起某配網接地故障為例進行分析，為配網提高供電可靠性提供借鑒。

2 故障發生情況

南方某城市主城區供電網架如圖1所示。10 kV鳳南II回線、10 kV鳳云II回線由110 kV鳳凰變II母供電。圖1中裕民巷口南開關箱及鐘山疾控東開關箱均為近期投運的兩臺保護試驗合格的戶外開關箱，故障發生時10 kV鳳云II回線怡景小區西分接箱進線電纜頭絕緣水平降低，分接箱內A相電纜的電纜頭接地故障開始燃燒，此時110 kV鳳凰變Ⅱ母線發出接地告警信號，特征為A相電壓降低，其余兩相電壓升高，接地故障運行約2 min后，10 kV鳳南Ⅱ回線鳳凰廉租房2號公變C相避雷器被擊穿及10 kV鳳云Ⅱ回線蝴蝶灣南開關箱蝴蝶灣南主進011開關電纜頭被燒壞，最終引起10 kV鳳南Ⅱ回線鐘山疾控東開關箱鐘山疾控東主進011開關故障跳閘。10 kV鳳云II回線裕民巷口南開關箱裕民巷口南主進011開關保護動作跳閘。

圖1 10 kV鳳南II回線、10 kV鳳云II回接線圖

3 保護動作分析

3.1 10 kV鳳云II回線裕民巷口南開關箱動作情況

3.1.1 保護概況

開關箱內CT變比為600/5，零序CT變比為20/1；PT變比為0.1 kV/220 V，用于開關箱二次電源供電，定值為二次值；X時限級差為7 s，Y時限為5 s，設置為0，含義為退出失壓跳閘，來電合閘；相間Ⅰ段即過流保護，電流定值基準值為100 A、級差20 A（設置為00，即退出過流保護），時間定值級差為0.05；零序Ⅰ段即零序保護，電流定值級差為1 A（設置為00，即退出零序保護），10擋以下，時間定值級差為0.1 s；10擋以上，時間定值級差為0.5 s；一次重合閘，4擋及以下，時間級差為0.5 s，5～8擋，時間級差為5 s，9擋對應重合閘時間60 s。

3.1.2 各間隔定值配置情況

10 kV鳳云II回線裕民巷口南開關箱主進011開關配置電壓時間型保護，該間隔為10 kV鳳云Ⅱ回線第一個開關，其來電合閘時間為21 s，Y時限（閉鎖時限）為5 s；過流保護定值為1 040 A、0.15 s（與變電站定值配合）；一次重合閘時間為1.5 s，二次重合閘時間為固有時間3 s，重合閘復歸時間為50 s；本間隔投選線功能，聯絡時間設置為0，退出聯絡功能。

10 kV鳳云II回線裕民巷口南開關箱主出012開關配置電壓時間型保護，該間隔為10 kV鳳云Ⅱ回線第二個開關，其來電合閘時間為14 s，Y時限（閉鎖時限）為5 s；過流保護退出；零序保護退出；重合閘退出；本間隔投選線功能，聯絡時間設置為0，退出聯絡功能。

最終，10 kV鳳云II回線裕民巷口南開關箱故障主進011開關保護動作跳閘，主出012開關保護動作跳閘。

3.2 10 kV鳳南Ⅱ回線鐘山疾控東開關箱定值及動作情況

鐘山疾控東主進011開關定值情況：速斷電流為8.66 A，速斷延時為0.00 s，限時速斷電流為8.66 A，限時速斷延時為0.15 s，定時限過流電流為8.66 A，定時限過流延時為0.15 s。

鐘山疾控東主出012開關定值情況：速斷電流為8.66 A，速斷延時為0.00 s，限時速斷電流為8.66 A，限時速斷延時為0.15 s，定時限過流電流為8.66 A，定時限過流延時為0.15 s。

開關動作情況：鐘山疾控東主進011開關動作情況為保護跳閘；鐘山疾控東主出012開關動作情況為保護跳閘。

3.3 保護動作情況

10 kV鳳云II回線第一次故障時：故障電流為2 100 A。裝置CT變比為600∶5，故障時大于10 kV鳳云II回線裕民巷口南開關箱裕民巷口南主進011開關定值；10 kV鳳云II回線裕民巷口南開關箱裕民巷口南主進011開關過流保護動作跳閘，裕民巷口南開關箱裕民巷口南主出012開關失壓跳閘，后裕民巷口南開關箱裕民巷口南主進011開關重合一次。裕民巷口南開關箱裕民巷口南主出012開關于此次來電合閘過程中合于故障，再次導致裕民巷口南主進011開關過流保護動作，后再次重合，而裕民巷口南主出012開關X時限閉鎖合閘，無法再次來電合閘于故障。10 kV鳳云II回線第二次故障時：10 kV鳳云II回線裕民巷口南開關箱裕民巷口南主進011開關過流保護動作跳閘，裕民巷口南開關箱裕民巷口南主出012開關因操作人員在第一次故障處理時將擋位調至手動位置。故此次故障裕民巷口南主進011開關保護動作后不會跳閘、7 s后裕民巷口南開關箱裕民巷口南主進011開關重合一次，合于故障，故裕民巷口南主進011開關再次保護動作跳閘，隔離故障成功。

10 kV鳳南Ⅱ回線故障時：故障電流為2 300 A。裝置CT變比為600∶5，故障時二次側電流為19.1 A，大于10 kV鳳南Ⅱ回線鐘山疾控東開關箱鐘山東疾控主進011開關、主出012開關的定值，保護動作時間皆為0.15 s，故10 kV鳳南Ⅱ回線鐘山疾控東開關箱鐘山疾控主進011開關、主出012開關、10 kV鳳南Ⅱ回線鳳凰廉租房819開關均過流保護動作跳閘。

綜合分析可知，此次故障為10 kV鳳云II回線怡景小區西分接箱進線電纜頭接地故障引起系統電壓異常，造成非故障相線路絕緣薄弱點因過電壓而被擊穿的一起典型連環故障。

4 控制措施預想

我國的配網為了提高供電可靠性，普遍采用中性點非有效接地方式。貴州電網10～35 kV系統接地廣泛采用不接地或經消弧線圈接地方式（屬于小電流接地系統）。小電流接地系統在發生單相接地故障時，故障電流較小，保護構成困難[3]。當發生饋線斷線或經過渡電阻接地故障時，饋線保護因靈敏度不夠難以動作，危及人身安全。目前，此類故障主要依靠小電流接地選線裝置選出故障線路，然而在對全網在運小電流接地選線裝置運行情況的調研發現，受裝置原理限制，小電流接地系統中選線裝置正確動作率普遍不高。

中性點非有效接地配電線路單相接地故障是個特殊的短路故障。單相接地故障發生后，通常不影響設備的運行，也不影響負荷供電，而且也不易識別單相接地線路和單相接地區段[4]。根據單相接地故障的上述特點，總結出一種基于10 kV中性點不接地系統電壓突變及三相不對稱的配電線路接地保護重合閘功能輔助判定接地故障的思路，可避免因線路接地保護誤動而影響線路供電可靠性的問題，同時可減少網架內其他線路及設備受非正常運行電壓的長時間影響。

當接地故障發生時，同母線所有出現線路電壓及三相電流對稱情況異常，原線路接地保護終端正常采集此時線路側故障分量而動作，斷開瞬間，重合閘計時動作，此時保護終端采集一次動作后電壓突變量及三相不平衡量，而后重合閘開始計時，重合閘動作瞬間開關終端采集重合閘動作后電壓突變量及三相不平衡量，若經可整定的重合閘延時后（躲避配網常見的樹障等瞬時故障）線路異常情況存在，達到了接地故障判定的電氣量標準，則認為該線路接地故障判定正確且無法通過重合閘來躲避，開關正常動作。若經重合閘延時，線路異常情況消失，或未達到接地故障判定的電氣量標準，則認為線路保護動作情況非產生該線路后端異常情況的原因，或線路瞬時接地故障因重合閘延時后切除成功，重合閘正常動作保障用戶供電可靠性。現場只需將合閘控制回路中接入該電壓突變及三相不平衡判定邏輯，即可完成該接地保護的可靠性動作改造。

5 結語

10 kV不接地系統在接地故障運行期間會導致該條10 kV母線接地相對地電壓降低，非故障相電壓升高。長期運行情況下，必將損傷、擊穿與該接地故障同母線的其余線路絕緣薄弱環節，進而引起開關箱、開關柜、箱變等重要設備的燒損。10 kV不接地系統發生單項接地故障時，接地點會產生弧光，導致同溝電纜或鄰近設備被燒傷，最終演變為相間故障，故接地故障未及時隔離，存在擴大故障范圍值、增加設備經濟損失的風險。因此，分析10 kV配網接地故障發生時的故障特征量變化情況，有助于快速定位接地故障點。通過對各種單相接地影響下造成線路及設備繼發故障分析，進一步揭露在10 kV不接地系統中單相接地故障長期運行對配網系統造成的影響。

本文提出的基于電壓突變量及三相不平衡量的接地保護重合閘判據設想，可在現有接地保護中，將此邏輯電路輸出并入合閘輸出回路中進行改造，以提高配網運行安全性和供電可靠性。電力系統故障并不是單一節點發生的事件，因電網故障、異常波動而引起的線路保護動作及設備損壞并不能單獨作為一個獨立事件去看待。故障巡視及故障處理過程中應綜合考慮分析現有故障發生情況，結合已知線路保護動作信息進行故障巡視及故障處理，形成系統性思維，使得在發生故障時可以及時明確處理思路及分析故障原因，減少故障處置時間，提高運維水平，從而不斷提高供電的可靠性。