鹿 優(yōu) ，徐 偉 ，李毅然

（1.國網(wǎng)技術(shù)學(xué)院，山東 泰安 271000；2.三峽大學(xué)，湖北 宜昌 443002）

0 引言

經(jīng)濟社會的高速發(fā)展對供電可靠性提出了更高的要求。目前，供電區(qū)域［1］按照供電可靠性要求以及負荷特點可劃分為 A+、A、B、C、D、E 共六級，各個等級的供電區(qū)域在地理位置、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、中性點接地方式、自動化及裝備水平等方面具有相應(yīng)標準。配電網(wǎng)的升級改造要充分考慮自身區(qū)域特點，選取合適的目標電網(wǎng)［2］結(jié)構(gòu)，改善負荷轉(zhuǎn)移能力和故障支撐能力。結(jié)合負荷特點、設(shè)備絕緣水、電纜化率、地理環(huán)境、線路故障特性等因素，A+、A、B區(qū)域為直轄市、省會、地級市的市區(qū)，配電網(wǎng)通常采用中性點經(jīng)低電阻接地或經(jīng)消弧線圈接地的方式；C、D、E區(qū)域通常為鄉(xiāng)鎮(zhèn)、農(nóng)村和農(nóng)牧區(qū)，地域廣大、地理位置相對偏遠，其35 kV、10 kV配電網(wǎng)通常采用中性點不接地方式，且在主變中性點部位預(yù)留安裝消弧線圈的位置。受配電自動化水平限制，C、D、E區(qū)域的故障搶修工作量較大，要縮短故障處理時間，快速恢復(fù)供電，就要分析配電網(wǎng)小電流接地系統(tǒng)典型故障的特征和判斷方法，并探討其處理方法及過程。

1 小電流接地系統(tǒng)典型故障及傳統(tǒng)的處理方式

單相接地故障在配電網(wǎng)故障中較為常見、占比較高，其處理方式是由配電網(wǎng)中性點接地方式?jīng)Q定的。長期以來，我國配電網(wǎng)中性點采用的經(jīng)消弧線圈接地和不接地的方式是沿用了前蘇聯(lián)的模式和標準，當發(fā)生單相接地故障時，允許系統(tǒng)帶故障繼續(xù)運行2 h［3］。以往，對于配電網(wǎng)單相接地故障的處理要以人工拉路或裝置選線的方式尋找故障線路，選線裝置的準確率較低，選線結(jié)果僅可作為人工拉路的一種參考，但是人工拉路會造成正常運行配電線路的短時停電，而繼續(xù)明確故障區(qū)段的過程又是非故障區(qū)域線路逐段停電的過程，所以人工拉路影響了非故障區(qū)域的正常供電。隨著配網(wǎng)規(guī)模擴大，單相接地故障頻繁引發(fā)安全事故，配電網(wǎng)在單相接地的異常狀態(tài)下繼續(xù)運行，已經(jīng)影響了供電可靠性和配網(wǎng)的安全穩(wěn)定。

2 配電網(wǎng)小電流接地系統(tǒng)永久性單相不完全接地故障分析

發(fā)生單相接地故障時，可以通過相電壓遙測數(shù)據(jù)觀察故障相。中性點經(jīng)低電阻接地的情況，正常相電壓不變，金屬性接地時故障相電壓為零，不完全接地時故障相電壓降低。當發(fā)生單相永久性接地故障時，中性點經(jīng)低電阻接地與不接地或經(jīng)消弧線圈接地的根本區(qū)別在于，中性點經(jīng)低電阻接地單項故障時的中性點電位不變，始終保持其接地電位，而中性點不接地或經(jīng)消弧線圈接地單項故障時的中性點電位將發(fā)生偏移。以中性點不接地的配電網(wǎng)為例，分析單相接地故障的特征以及故障相的判別方法。

2.1 中性點不接地單相永久性接地故障建模

配電網(wǎng)中性點不接地，三相線路的相電壓為UU、UV、UW，中性點的電位為 UNd，且 U、V、W 三相線路經(jīng)過完全換位，即每相線路的對地電容一致，設(shè)為CU＝CV＝CW＝C。當W相發(fā)生永久性不完全接地故障時，如圖1所示，其單相接地的過渡電阻為Rd，此時三相線路對地電壓變?yōu)椋?/p>

以單相接地故障點過渡電阻Rd為端口，對模型進行電路等效化簡，則：

圖1 中性點不接地配電網(wǎng)永久性單相不完全接地故障模型

可見，中性點不接地配電網(wǎng)出現(xiàn)永久性單相不完全接地故障時，中性點電位UNd與發(fā)生故障的W相相電壓UW的關(guān)系為且接地故障點的過渡電阻Rd是決定兩個電壓關(guān)系的主要變量。如果過渡電阻Rd=0，則屬于金屬性單相接地故障，此時UNd=-UW，中性點電位與相電壓大小相等；如果過渡電阻Rd∝∞，即單相對地絕緣良好，無接地故障，此時UNd=0。通過對兩種極限情況的討論可知，單相不完全接地故障時，過渡電阻將處于從0到∞的區(qū)間里，中性點電位也將發(fā)生偏移，介于0到相電壓之間。在配電網(wǎng)故障中，永久性單相不完全接地故障的發(fā)生率較高，可以通過對電壓相量特性的分析，找出故障判斷方法。

2.2 電壓相量特性分析及故障相判斷方法

觀察過渡電阻Rd的變化對中性點電位以及各相對地電壓的影響。令X=3ωCRd，令則代入三相線路對地電壓可得：

使用 MATLAB 繪制 UUd、UVd、UWd、UNd跟隨 K 變化的曲線如圖2所示。相量K與過渡電阻Rd是函數(shù)關(guān)系，該曲線能夠體現(xiàn)出過渡電阻Rd對中性點電位以及各相對地電壓的影響。從曲線變化情況可知，過渡電阻Rd從∞降低到0的過程，就是K相量從0增大到1的過程，在這一過程中，接地故障相電壓降低，無故障的兩相電壓升高，中性點電位隨著K相量的增大逐漸偏移，當過渡電阻Rd為0，即K相量為1時，中性點電位為相電壓，符合金屬性單相接地故障特征。但是，接地故障相的相電壓在過渡電阻變化的過程中并非一直處于三相電壓的最低值，所以電壓最低的一相不一定是接地故障相。要判斷故障相還要分析各電壓的相量圖［4］。由于UNd=K（-UW），所以K相量表征了中性點電位的偏移軌跡。

圖2 中性點電位以及各相對地電壓隨相量K變化的曲線

將K相量代入UNd=K（-UW），可得中性點不接地配電網(wǎng)發(fā)生單相不完全接地故障時的各相電壓相量圖及中性點電位偏移軌跡，如圖3（a）所示。中性點電位跟隨過渡電阻Rd變化偏移的軌跡為以接地故障相相電壓負相量（-UW）為直徑的半圓，且位于順時針一側(cè)，單相接地故障引起中性點電位偏移，但線電壓不變，如圖3（b）所示。所以，配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時并不影響用戶供電，以往的規(guī)程是允許帶故障運行2 h，然而，單相接地故障會引起一系列問題，如非接地相相電壓升高至正常運行時的倍，單相接地故障的過電壓容易形成相間短路［5］，接地故障點會造成人身傷亡事故等。所以，中性點不接地的配電網(wǎng)帶單相永久性接地故障運行2 h已經(jīng)不再符合安全穩(wěn)定運行的要求。此時，判明故障相對配電網(wǎng)運維人員的縮短故障查找時間具有積極意義。單相接地故障發(fā)生后的各相對地電壓的表達式可以調(diào)整為：

圖3 中性點不接地配電網(wǎng)單相不完全接地故障的電壓相量圖

按照以上的電壓相量表達式作相量圖。W相為接地故障相，中性點電位負相量（－UNd）的軌跡是以相電壓UW為直徑的半圓，且位于相量UW的順時針一側(cè)，如圖4所示。故障發(fā)生后各相對地電壓的有效值為正常運行時的相電壓末端到中性點電位負相量（－UNd）末端的長度，三相對地電壓中，距離最長的是UVd，表示當W相發(fā)生永久性不完全接地故障時，電壓最高相為V相。所以，當中性點不接地的配電網(wǎng)發(fā)生永久性單相不完全接地故障時，配網(wǎng)運維人員可以通過觀察各相對地電壓的遙測量直接判斷接地故障相，判斷方法為：依據(jù)三相交流電的正相序（U—V—W），接地故障相就是對地電壓最高相的后一相。

圖4 單相接地故障時三相對地電壓的相量圖

2.3 中性點經(jīng)消弧線圈接地單相永久性接地故障相判斷方法

上述分析方法主要針對配電網(wǎng)中性點不接地的情況，對于中性點經(jīng)消弧線圈接地的情況也可用同樣的方式推出其接地故障相的判斷方法，區(qū)別在于，中性點經(jīng)消弧線圈接地的情況要分過補償和欠補償兩種情況討論。采用過補償運行方式的中性點經(jīng)消弧線圈接地的配電網(wǎng)，發(fā)生單相永久性不完全接地故障時，判斷故障相的方法是：依據(jù)三相交流電的正相序（U—V—W），接地故障相就是對地電壓最高相的前一相；采用欠補償運行方式的中性點經(jīng)消弧線圈接地的配電網(wǎng)，發(fā)生單相永久性不完全接地故障時，判斷故障相的方法是：依據(jù)三相交流電的正相序（U—V—W），接地故障相就是對地電壓最高相的后一相，即與中性點不接地的情況判斷方法相同。

3 配電網(wǎng)小電流接地系統(tǒng)單相接地故障的處理

3.1 異常運行到延時跳閘

配電網(wǎng)小電流接地系統(tǒng)發(fā)生的單相接地故障，其中多數(shù)為瞬時接地故障，而我國目前的配網(wǎng)運行環(huán)境下發(fā)生的瞬時接地故障比例更高。瞬時接地故障具有一過性，能夠較快自行恢復(fù)正常運行狀態(tài)。為躲過瞬時接地故障，線路開關(guān)的跳閘時間就應(yīng)考慮延時。結(jié)合多國經(jīng)驗，通常最末級的接地跳閘時間不小于10 s，就能夠避開絕大多數(shù)的瞬時接地故障。所以，配電網(wǎng)小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障后，線路開關(guān)將延時大于10 s后動作于跳閘。

3.2 配電自動化故障處理自動裝置

在配電自動化建設(shè)和改造過程中，宜安裝有效地站內(nèi)選線裝置，選用具有隔離功能的配電線路分段開關(guān)和聯(lián)絡(luò)開關(guān)，或選用能夠檢測單相接地的故障指示器，以便于判斷、定位和隔離配電線路單相接地故障。為快速檢測短路故障和單相接地故障、實現(xiàn)就近快速判斷和隔離永久性單相接地故障，配電線路開關(guān)宜配置相應(yīng)的電壓、電流互感器（傳感器）和終端，與變電站內(nèi)的消弧、選線設(shè)備相配合。

3.3 故障選線選段定位隔離的主流技術(shù)

當配電網(wǎng)小電流接地系統(tǒng)發(fā)生永久性單相接地故障時，應(yīng)按照“就近快速隔離”的處理原則，利用配電自動化系統(tǒng)快速檢測判斷故障線路及故障區(qū)段?？煽啃暂^高的單相接地故障判別技術(shù)有：消弧線圈并聯(lián)電阻、中性點經(jīng)低勵磁阻抗變壓器接地保護（接地轉(zhuǎn)移）、穩(wěn)態(tài)零序方向判別、暫態(tài)零序信號判別、不平衡電流判別等。其中，消弧線圈并聯(lián)電阻［6］是當接地故障發(fā)生時投入一個電阻與消弧線圈并聯(lián)，以增大零序電流，用戶選線或跳閘；中性點經(jīng)低勵磁阻抗變壓器接地保護［7］是接地故障發(fā)生后，將站內(nèi)同相母線經(jīng)低阻抗變壓器接地，減小接地故障點接地電流，利于消弧、選線，同時還可利用低阻抗變壓器向線路注入信號，用戶故障選段、定位；穩(wěn)態(tài)零序方向判別［8］是發(fā)生單相接地故障時，變電站或線路開關(guān)通過分析零序電流方向，判斷接地故障發(fā)生的區(qū)段，并跳閘隔離；暫態(tài)零序信號判別［9］是利用接地故障發(fā)生時的暫態(tài)零序信號參與故障區(qū)段判斷；不平衡電流判別［10］是在線路開關(guān)處不采集電壓信號而只是將三相電流信號分別采集后進行合成、分析，并利用分布式通信技術(shù)，不依賴主站實現(xiàn)接地故障區(qū)段的判別和隔離。其中，穩(wěn)態(tài)零序方向判別、暫態(tài)零序信號判別與不平衡電流判別3種技術(shù)可以綜合運用。

4 結(jié)束語

在世界上發(fā)達國家配電網(wǎng)的中壓配網(wǎng)中，其中性點接地方式的選擇也是各不相同，主要包含：直接接地、經(jīng)電阻接地、經(jīng)消弧線圈接地和不接地。當發(fā)生單相接地故障時，也都主要采取快速跳閘的方式以降低故障的影響，比較典型的做法是以零序方向保護的方法在變電站與用戶側(cè)跳閘［11］。當前，故障檢測技術(shù)日趨成熟，準確率不斷提高，可以投入應(yīng)用，應(yīng)針對配電網(wǎng)中性點不接地或經(jīng)消弧線圈接地的特點，通過配置線路接地故障選線、接地故障區(qū)段判斷和故障指示器等裝置設(shè)備，從技術(shù)層面提高故障處理的科學(xué)性，增強供電可靠性和配電網(wǎng)自愈性。