10 kV电力系统单相接地故障分析与处理方法

基金项目： 陕西省重点科技创新团队计划（2014KCT-16）; 陕西省工业科技攻关项目（2016GY-052）;

文章编号: 2095-641X(2017)07-0-06 中图分类号: TM86

随着全球电网互联程度的不断提高,对电力系统配电网安全可靠运行也提出了更高的要求。文章首先给出了接地系统的分类,然后重点对单相接地故障进行理论分析,并给出了故障具体排查方法及处理措施,详细介绍了瞬停依次拉闸法的应用,最后针对某10 kV线路配电变压器二次侧发生的单相接地故障,及时对其进行排查,根据具体故障特征采取了相应的处理方式,并提出针对性的预防措施,使得系统恢复正常运行,提高了配电系统安全性和稳定性,相关分析和处理方法可为 10 kV电力系统调度运行人员提供参考。

关键词 : 电网; 10 kV配电变压器; 单相接地; 故障; 预防;

DOI：10.16543/j.2095-641x.electric.power.ict.2017.07.019

With the continuous improvement of the interconnection degree of the global power grid, the safe and reliable operation requirements of power distribution network will be increased. In this paper, the classification of the grounding system is given and the theoretical analysis of the single-phase earth fault is carried out. The specific troubleshooting methods and the treatment measures are presented, and the application of the instantaneous opening method is described in detail. Finally, taking a single-phase earth fault occurs on the secondary side of a 10 kV line distribution transformer as example, its corresponding investigation is carried out in time. According to the fault characteristics, the corresponding treatment scheme is adopted and the preventive measures are put forward. Which are possible to greatly reduce the probability of single-phase earth fault and improve the safety and stability of the distribution system. Correlation analysis and processing method can be used as reference for the operation of 10 kV distribution system dispatching.

KEY WORDS : power grid; 10 kV distribution transformer; single-phase grounding; fault; prevention;

近些年,随着我国能源全球化发展,配电网的建设与安全运行也越来越受到人们的关注,尤其是在10 kV电力供电或配电系统中,发生单相接地故障的概率较高,且当中性点发生单相接地故障时,相电压升高,可能引起线路绝缘破坏甚至被击穿,出现短路故障;如果故障点产生间歇性电弧,会引起谐振过电压,损坏或者烧毁电力系统设备,严重危及设备和人身安全,给配电网的安全经济运行带来重大影响[1-3]。因此,电力系统工作或运行维护人员,必须掌握10 kV电力系统单相接地故障分析与处理方法,系统出现单相接地故障时需及时准确的找到故障点并予以切除,从而保证和维护电力系统安全经济运行和生产。

一般地,单相接地故障可能出现的原因主要有：①线路或设备绝缘发生破坏,引起绝缘击穿接地,如配电变压器绕组绝缘破损、接地等;②线路遭外力破坏导致断线,如大风、覆冰舞动灾害天气;③恶劣复杂的外界自然环境,如雷击、鸟害、漂浮物、动物搭接、树枝等;④工作人员误操作。

因此,针对不同的引起单相接地故障的原因需要采取相对应的措施,才能及时恢复系统的供电。

电力系统采用星形连接的发电机或变压器的中性点（一般认为发电机中性点不接地,通常指变压器的中性点）按照接地方式的不同,可以分为有效接地（大电流接地）和非有效接地（小电流接地）2种[4-6],而我国电力系统中性点常见的接地方式有6种,其中,大电流接地系统主要可以分为中性点有效接地和中性点全接地,以及中性点经小阻抗接地;小电流接地系统主要可以分为中性点不接地和中性点经消弧线圈接地,以及中性点经高阻抗接地。

在中性点直接接地或经低阻抗接地的三相电力系统中,当发生单相接地故障时,接地短路电流很大,所以称为大电流接地系统。在电力系统中性点直接接地的三相电力系统,当发生单相接地故障时,可快速切除故障,安全性好,可靠性较差,中性点不发生漂移,中性点电压不变,绝缘按相电压考虑,绝缘成本低。一般在110 kV及以上系统或380/220 V的三相四线制系统,在大电流接地系统中则有X0/X1≤4~5,其中,X0为系统零序电抗,X1为系统正序电抗。

在中性点不接地或经过消弧线圈或高阻抗接地的三相电力系统中,又可以称为中性点间接接地系统。当某一相发生接地故障时,由于接地相对地不能构成短路回路,故接地故障电流与负荷电流相比较小,所以把这种系统称为小电流接地系统。小电流接地系统可靠性高、经济性差,发生单相接地故障时,中性点会发生漂移,非故障相电压升高为线电压,可继续带电运行1~2 h,绝缘按线电压考虑,绝缘成本高,并且在小电流接地系统中一般可以认为X0/X1>4~5。

针对中性点不接地系统,当发生单相接地故障后,三相平衡状态将发生破坏。对于中性点直接接地系统,当发生单相接地故障后,三相仍保持对称,可以采用对称分量法进行分析。通过对称分量法分析不对称故障的基本步骤为[7]：

1）将电压、电流分解为三序（正负零）对称分量;

2）绘制三序等值电路,写出基本相三序电压平衡方程;

3）根据故障处边界条件补充3个基本相序分量电流、电压表示的边界条件方程;

4）对步骤2）、3）所列方程组进行求解,求出基本相的各序电流、电压分量,或根据边界条件将三序网络进行连接,得到复合序网,利用复合序网求基本相的各序电流、电压。

5）利用对称分量法公式,求故障处的各相电流、电压。

A相发生金属性短路示意如图1所示,对其采用对称分量法进行分析,则有：

1）A相金属性接地短路时边界条件表达式为：

式中：Ufa为A相发生接地短路时A相对地电压;Ifb为A相发生接地短路时B相对地电流;Ifc为A相发生接地短路时C相对地电流。

图1 单相金属性短路示意 Fig.1 Single-phase metallic short circuit

2）选特殊相A相为基本相时,各序分量序边界条件表达式为：

式中：Ufa(1)、Ufa(2)、Ufa(0)分别为A相对地正序、负序、零序电压分量;Ifa(1)、Ifa(2)、Ifa(0)分别为A相对地正序、负序、零序电流分量;Ifa为A相发生接地短路时A相对地电流。

单相金属性接地短路复合序网如图2所示。

图2 单相金属性接地短路复合序网 Fig.2 Single-phase metallic earth short circuit compound sequence network

3）根据复合序网连接图进行求解,联立1~4式可得：

故障处各序电流表达式为：

式中：Z∑(1)、Z∑(2)、Z∑(0)分别为复合序网中正序、负序、零序等值阻抗;Ufa|0|为发生接地故障时开路电压。

故障处各序电压表达式为：

根据对称分量的合成方法则有：

式中：Ufb为A相发生接地短路时B相对地电压;Ufc为A相发生接地短路时C相对地电压。

4）结论分析。①当发生单相接地短路时,正序、负序、零序网络依次串联;②短路点处电流：短路点电流是正序电流分量的3倍,正、负、零序电流分量相等;当Z∑(0) 图3 电流、电压、功率运行曲线 Fig.3 The curves of current, voltage and power

调度值班人员对上午10时出现电流、电压运行异常曲线进行分析发现,针对10 kV配电网,其属于中性点不接地系统,故障时C相电压下降而A相电压上升,线电压不变,且最低电压不为零,明显具有非直接接地故障特征,因此可以持续带电运行一段时间,故障线路明确,可以暂不采用瞬停依次拉闸法进行排查。

为了保障持续的电力供应,提高供电可靠性,并未采取直接切断3号配电变压器,而是立即安排了检修和运行与维护人员对杜家山3号配电变压器现场及附近线路进行排查和抢修,经排查发现农网10 kV杜家山3号配电变压器母线上电压互感器开口三角形处零序电压不为零,接地信号一直存在,且互感器二次侧中性点可靠接地,断路器和隔离开关均为动作,除此之外,变压器二次侧附近C相某段线路与杆塔连接处抱箍出现明显松动,且靠近三相线路树木非常茂密,极易导致线路对地安全距离减小、绝缘电阻下降而引起的单相非直接或者间歇性接地故障,现场也未出现暴雨、雷电等恶劣天气。最后,根据现场排查结果,运行与维护人员准备先排除外界自然因素可能带来的接地故障,然后再采取瞬时拉闸法做进一步排查。先对故障处线路与杆塔连接处抱箍进行紧固,并将靠近三相线路附近的树障及时清理干净,发现A相电压突然下降,C相电压开始升高,电流也突然下降到5.4 A,最后三相电压都恢复到正常运行电压范围,且此时的三相功率为1.842 kW;根据图中曲线可知,线路电流、电压和功率曲线于12时45分后全部恢复正常运行。

对电网运行所有故障概率统计可知,单相接地故障概率最高,约占总数的90%,且针对故障点的排查比较复杂,故障运行对电力系统造成了较大的危害,因此,加强对单相接地故障的预防和处理尤为关键[16-18]。

1）采取定期预防性试验。应该增强防雷和防静电设计和试验工作;加强定期对变压器进行阶段性试验,及时对变压器部件进行检修或更换。

2）采用新材料、新工艺、新设备。引进新设备或新装置,如小电流接地选线装置、继电保护装置等。

3）加强线路和设备的定期巡检。重点加强对配电线路的巡检,尤其是容易发生故障的线路或设备,通过监测或巡检及时发现故障并排除安全隐患。

本文通过对某10 kV线路发生单相接地故障的分析与处理,及时发现并排查故障,并采取相应处理措施对故障进行排除,使系统恢复正常运行,防止了故障进一步危及系统安全,并提出一系列有效预防措施,可以提高10 kV配电系统预防能力,降低发生单相接地故障概率,从而保证电力系统的安全稳定运行。

(编辑:张京娜)

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陈子良（1990-）,男 ,湖南浏阳人,硕士研究生,从事智能电网输电设备在线监测理论与关键技术的研究工作;

周密（1991-）,女,陕西安康人,硕士研究生,从事电力系统运维与检修工作;

曹雯（1984-）,女,陕西西安人,副教授,从事高压与绝缘测试技术研究工作;

张烨（1988-）,女,陕西宝鸡人,博士研究生,从事输电线路在线监测与故障诊断工作;

刘青（1992-）,女,陕西户县人,从事电力系统运维与检修工作。