攀鋼35kV礦變單相接地故障監測預警研究及應用

攀鋼集團礦業有限公司生產服務分公司 趙 坪 簡紅峰

攀鋼35kV 礦變低壓6kV 配網系統采用中性點不接地方式，包括3段6kV 母線和19條出線，出線以電纜為主。由于出線多、供電距離遠，經常發生單相接地故障，占所有故障的80%以上；本站前期沒有配置選線裝置，系統發生單相接地故障時，由保護裝置發出接地告警信號，但無法報出實際接地線路，只能通過人工拉路的方式進行故障排除，故障處理效率低、系統帶故障運行時間長，期間容易發生第二點擊穿形成相間短路跳閘或損壞，此類事故時有發生。

2021年站內安裝使用了基于暫態信號的選線裝置，運行過程發現，線路在發生破壞性單相接地故障前，暫態選線裝置往往會捕捉到該線路有多次瞬時對地放電現象，通過巡檢大部分得到確認和排除，使得系統單相接地故障發生率較前下降了47%以上，效果明顯。

1 面臨問題

長期以來，6～35kV 低壓配網小電流接地系統單相接地故障問題一直困擾著攀鋼的生產運行，小電流接地系統單相接地故障問題比較復雜，不單是涉及技術問題、也涉及社會民生問題。

首先是選線困難問題。由于小電流接地系統采用中性點非直接接地方式，線路發生單相接地后，接地點流過很小的電容電流（也稱零序電流），有時與正常線路的電容電流相差不大，通過檢測零序電流很難區分故障線路和正常線路；尤其是當中性點采用經消弧圈接地方式時，由于消弧線圈的補償作用，流過接地故障點的零序電流很微弱，有時比正常線路還小[1]。因此，通過比較各條線路的零序電流來進行選線會更加困難，這是多年來困擾小電流接地系統單相接地故障選線的最大問題，屬于技術層面問題。

其次是跳閘策略問題。小電流接地系統在發生單相接地故障后，三相電壓仍保持平衡，不影響系統供電，因此電力規程規定允許系統繼續運行1～2小時。這條規定保障了生產供電安全，但大大增加了觸電風險，尤其是農村地區，人畜觸電傷亡事故屢見不鮮。針對這個問題，2014年貴州電網研究并提出了農網防人身傷害事故安全保護接地選跳技術，并在實際應用中驗證了方案的可行性[2]；2017年南方電網頒布的小電流接地選線技術標準規定了小電流接地系統單相接地故障的跳閘要求，從保生產安全轉向保人身安全，更注重社會民生問題。

保生產安全和保人身安全是一對矛盾，解決這個矛盾的關鍵在于預防和減少單相接地故障的發生。西安交通大學電氣學院長期研究配網小電流接地系統單相接地故障問題，在2003年提出了利用零序電流暫態信號進行選線的技術方向[3]，于2004—2006年提出并完善了特征頻帶選線算法[3-7]，于2009年研制了基于暫態信號特征頻帶算法的選線裝置，并在實際應用中取得了不錯的效果。暫態信號技術出現，使得解決上述問題成為可能。

2 單相接地故障特征

2.1 正常情況

電網在正常情況下，三相電壓和三相負載電流保持平衡，三相電纜對地的電容電流大小相等，相位相差120度，用公式表示如下：

2.2 故障情況

當電網發生單相接地故障時，系統故障相電壓會下降、正常相電壓會升高，如圖1所示。由于三相對地電壓不相同，三相對地泄放電容電流也不同，Ia、Ib、Ic也不再相等，計算零序電壓可以得到：計算各正常線路零序電流為其中k=1-n計算接地線路零序電流為以上式中：I01、I02…I0n表示正常線路的零序電流，I0J表示接地線路的零序電流。

圖1 中性點不接地系統單相接地時電壓和零序電流向量圖

零序電壓和零序電流具有如下特征：

接地相的電壓會降低，范圍在0～3.6kV。降低程度跟接地電阻有關，接地電阻越小接地相的電壓會越低；若接地電阻為零，則接地相電壓接近為零；正常相的電壓會升高，范圍在3.6～6.3kV。升高程度跟接地電阻有關，接地電阻越小正常相的電壓會越高；若接地電阻為零，則正常相電壓升高為線電壓6.3kV；系統產生零序電壓，接地電阻越小零序電壓越高，通常用零序電壓作為接地故障的判斷依據。在實際應用中，運行人員習慣將30V 零序電壓（二次值）作為接地故障判斷門檻，當零序電壓大于30V 時認為有接地故障發生，當零序電壓小于30V時認為接地故障消失。

正常線路會產生零序電流，方向從母線流向線路，流入接地點；零序電流大小與線路長度、線纜類型和接地電阻相關，線路越長零序電流越大，接地電阻越小零序電流越大，同樣長度下電纜線路產生的零序電流越大；接地故障線路零序電流為所有其它正常線路零序電流的總和，方向從線路流向母線，方向與正常線路相反；當電容電流比較大時，容易產生間歇性的弧光接地，造成系統過電壓，導致非故障相的絕緣薄弱處發生二點對地擊穿，使得單相故障變成相間故障。因此，當出線多、系統電容電流比較大時，需要加裝消弧設備，加強保護。

因此，理論上通過檢測零序電壓可以判斷是否發生接地故障，通過判斷零序電流大小和方向可以分析和找出接地線路。但在實際中，由于零序電流很小，選線的可靠性得不到保證。

2.3 暫態信號

研究發現，在接地故障發生瞬間，因故障相電壓突然降低，其對地電容電流迅速釋放，形成高頻衰減振蕩信號。該信號很強，是正常電容電流的幾倍到幾十倍；頻率很高，最大達到幾千赫茲；衰減很快，持續過程最短只有幾個毫秒，甚至更短。上述振蕩過程稱為暫態過程，振蕩電流稱為暫態電流。

暫態信號屬高頻信號，不受消弧線圈補償影響，能夠真實反映接地故障。零序電流暫態信號跟系統規模、接地電阻、接地初相角相關，系統越大暫態信號越強；接地電阻越小暫態信號越大；接地初相角越大暫態信號越強。因此，利用故障發生初期零序電流暫態信號是穩態信號的幾倍到幾十倍，而且包含豐富的故障信息的特點，通過捕捉零序電流暫態信號并提取故障特征頻帶，可以實現準確的接地選線和接地預警。

3 設備運行分析及監測系統可靠性評估

3.1 設備運行分析

設備于2021年7月28日投入試運行，截止至2021年12月9日監測系統自動記錄的接地次數為236次，具體如表1所示。根據數據統計分析如下。

表1 監測系統自動記錄的接地次數（部分）

瞬時性接地和非瞬時性接地：持續時間小于5s的瞬時性接地故障共計151次，占比63.98%；持續時間大于5s 小于8s 的短時性接地故障共計14次，占比5.93%；持續時間大于8s 的長久性接地故障共計71次，占30.06%。

系統電壓擾動：根據表1數據，母線I 發生44次接地報警，母線II 發生19次接地報警、共計63次，占比26.69%，其中時間超過8s 的有10次。引起母線接地告警的原因有三種：母線發生接地；區外接地故障，比如進線；系統電壓擾動，引起零序電壓異常。本站為35kV 變電站，結合實際情況（沒有發生母線接地情況），排除1和2兩種可能，說明主要原因是系統電壓振動。錄波數據顯示，系統擾動引起的零序電壓往往比較小，大部分只有30～50V(二次電壓)。

線路運行工況對比：根據表1數據，在運行期間報接地告警次數最多的是674線（36次）和6912線（33次），合計69次、占比29.24%，占了近三分之一，說明這兩條線路運行環境比較惡劣，安全隱患比較大；其次是652（20次）、672（26次）、693（26次）、694（15次），合計87次、占比36.86%，也值得重點關注；I 段母線和II 段母線：根據表1數據，I 段母線有11條出線，發生線路接地報警139次。II 段母線有8條出線，發生線路接地報警34次。

3.2 監測系統可靠性評估

表1數據為監測系統試運行期間自動記錄，數據可靠性需要結合實際情況比照分析。根據值班室“采場35kV 單相接地故障監測預警管理系統（試用）運行臺帳”記錄，在2021年7月28日～2021年12月9日期間，共發生135次接地故障，其中111次為可恢復性接地故障，24次為永久性接地故障（有1次為避雷針擊穿，23次為電纜爆裂著火）。

針對永久性接地故障進一步發現：臺帳記錄的接地故障均與監測系統記錄數據一一對應，且選線全部正確；線路發生永久性接地故障發生前，監測系統多次報該線路接地，從首次到最后一次時間間隔最短只有3分46秒、最長時間有12天；在24次永久性接地故障中，有7次引起復壓過流保護動作，擴大了事故范圍。

以694線路在9月20日發生的接地故障為例，該線路于15:51:53發生了相間接地短路故障，引起站內微機保護復壓過流I 段動作跳閘。監測系統記錄顯示，該系統于9月8號～9月20號期間共發出6次694線路接地告警，持續時間最長超過6min。9月20日15:51:53監測系統再次發出694線路接地告警，持續125s 后，復壓過流I 段動作。可以判斷，發生第一次接地時故障可恢復，但由于絕緣薄弱、接地點電纜皮被反復擊穿，該過程系統波動頻繁過壓，引起第二點接地，形成相間短路，擴大故障范圍。

4 結語

線路在發生永久性接地故障前，往往會先出現多次瞬時性接地，反復擊穿絕緣薄弱點，直到永久性接地；在由瞬時性接地故障演變成的永久性接地過程中，系統電壓波動頻繁，這加快了其他絕緣薄弱節的老化，容易造成二點接地，形成短路故障，影響整個系統安全運行；瞬時性接地故障反映了線路絕緣狀態，通過監測其零序電流暫態信號，可以對線路提前進行預警和排查，有利于減少事故、保障生產。