尹茂林，瞿寒冰

（濟南供電公司，山東濟南250012）

配電系統(tǒng)單相接地故障分析

尹茂林，瞿寒冰

（濟南供電公司，山東濟南250012）

單相接地故障是配電系統(tǒng)中最常見的故障。分析單相故障發(fā)生的原因、危害和影響。針對故障發(fā)生時的主要特征和報警信息，闡述對不同類型單相接地故障的判斷方法，并在此基礎上提出故障的預防和處理方法。詳細分析單相接地故障時各主要電氣量的變化特征和計算方法，包括短路電流、非故障相電壓、電容電流等。

單相接地故障；中性點不接地系統(tǒng)；配電網(wǎng)；短路電流

0 引言

目前10 kV配電網(wǎng)絡系統(tǒng)多采用小電流接地方式，即中性點不接地或經(jīng)消弧線圈接地，該接線方式下系統(tǒng)若發(fā)生單相接地故障時能持續(xù)運行而不切斷故障設備，提高了供電可靠性［1-3］。單相接地故障作為配電系統(tǒng)中最常見的故障，多發(fā)生在雷雨大風等惡劣天氣，由于線路絕緣子單相擊穿、單相斷線、樹木倒伏砸線等原因造成［4-5］。雖然配網(wǎng)系統(tǒng)可在單相接地下持續(xù)運行，但是非故障相電壓升高為線電壓，長時間運行會對非故障相的系統(tǒng)和設備產(chǎn)生較大威脅，可能造成絕緣薄弱處發(fā)生絕緣破壞引起相間短路進而導致事故范圍擴大。因此，實際電網(wǎng)運行中，當發(fā)生單相接地故障時，立即發(fā)出絕緣下降等報警信號，配網(wǎng)監(jiān)視控制人員需要根據(jù)故障狀態(tài)和特征迅速判斷接地點，并及時隔離進行有效處理。

近年來，隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，10 kV配電網(wǎng)的智能化水平進一步提高。智能電網(wǎng)本質(zhì)的特征是自愈控制，即能夠?qū)ο到y(tǒng)進行在線優(yōu)化和實現(xiàn)故障的自動隔離恢復，而實現(xiàn)故障自動隔離恢復的基礎和出發(fā)點則是對故障點的準確定位，否則就會造成停電范圍擴大或區(qū)域誤停電。實際運行經(jīng)驗表明，智能化改造后的配電自動化系統(tǒng)對相間短路等電氣量變化明顯的故障具有較為準確的定位，對電網(wǎng)的調(diào)度控制具有一定的指導意義；而對于單相接地故障則無法給出太多有效的信息，僅依靠變電站站內(nèi)選線系統(tǒng)進行判斷，無法精確定位至10 kV線路各分段部分，造成故障點尋找和處理的效率大大降低，影響了配網(wǎng)系統(tǒng)的供電可靠性。因此，為進一步提高配網(wǎng)自動化系統(tǒng)的故障定位、隔離和恢復功能，需要深入研究單相接地故障后系統(tǒng)中各電氣量的變化，為系統(tǒng)的改造升級提供理論支持。

1 單相接地故障分析

1.1 原因特征分析

發(fā)生單相接地故障的外在原因主要包括：導線斷線落地或搭在橫擔上；導線在絕緣子中綁扎或固定不牢，脫落到橫擔或地上；導線風偏過大，與建筑物距離過近；變壓器高壓引下線斷線；配電變壓器高壓繞組單相絕緣擊穿或接地；絕緣子擊穿；線路上的分支熔斷器絕緣擊穿；同桿架設導線上層橫擔的拉帶一端脫落，搭在下排導線上；線路落雷；樹木通道不暢，導致樹接觸導線；鳥害；飄浮物（如塑料布、風箏等）；其它偶然或不明原因。

在以上諸多種原因中，導線斷線、絕緣子擊穿和樹木短接是發(fā)生配電線路單相接地故障最主要的原因，對近幾年來單相接地故障原因統(tǒng)計，上述3種原因占總故障原因的85%以上［3-4］。

系統(tǒng)發(fā)生單相接地時，會對系統(tǒng)運行、設備及人身安全都會帶來負面影響，具體情況如表1所示。

表1 單相接地故障的影響

針對不同的單相接地故障，表現(xiàn)特征主要有：1）當發(fā)生單相不完全接地時（通過高電阻或電弧接地），故障相電壓降低，非故障相電壓升高（但達不到線電壓），電壓繼電器動作，發(fā)出接地信號；2）單相完全接地時，故障相電壓為零，非故障相電壓升高至線電壓。此時電壓互感器開口三角處出現(xiàn)100 V電壓，電壓繼電器動作，發(fā)出接地信號。

實際電網(wǎng)運行過程中，當中性點非直接接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，常伴有警鈴響、光字牌亮、主站監(jiān)控母線電壓異常等警示信息或信號。

表2 單相接地故障接地狀態(tài)判斷分析

根據(jù)單相接地故障時的表現(xiàn)特征，可對故障接地狀態(tài)進行初步判斷和分析，如表2所示，由此為快速查出接地故障提供參考依據(jù)。

1.2 防范處理措施

對配電線路定期進行巡視，重點查看導線與樹木、建筑物的距離，電桿頂端是否有鳥窩，導線的綁扎或固定是否牢固，絕緣子固定螺栓是否松脫，橫擔、拉帶螺栓是否松脫，拉線是否斷裂或破股，導線弧垂是否過大或過小等。

對配電線路上的絕緣子、熔斷器、避雷器等設備定期進行絕緣測試，及時更換不合格的設備。

對配電變壓器定期進行試驗，對不合格的配電變壓器進行維修或更換。

在配電線路上加裝熔斷器，縮小故障范圍，減少停電面積和停電時間，有利于快速查找故障點。

在配電線路上使用高一電壓等級的絕緣子，提高配電網(wǎng)絕緣強度。

線路接地時，運行人員針對故障線路處理的常用方法［6-8］。

1）試拉法。根據(jù)站內(nèi)選線裝置對選定的故障線路進行試拉，通過操作前后線路接地是否消失來確定接地點的所在范圍和故障線路。該方法會造成某些非故障線路的暫時停電，同時對開關(guān)的重復開斷操作將對設備產(chǎn)生沖擊，影響使用壽命。

2）經(jīng)驗判定法。一般情況下，接到查線通知后，有經(jīng)驗的運行人員會首先分析故障線路的基本情況（線路環(huán)境和歷史運行情況等），判定可能引起的接地點，然后去現(xiàn)場進行確認。否則需直接將運行人員分組對線路進行逐桿設備巡視，直至發(fā)現(xiàn)接地點。該方法對巡線人員的要求較高，需要較強的業(yè)務水平和能力，但無法有效應對意外情況。

3）絕緣搖測判定法。針對電纜的單相接地故障，通過巡線難以發(fā)現(xiàn)明顯的故障點，需要采用絕緣遙測的方法進行判定，包括線路整體絕緣搖測法（適用于長度較短，配電變壓器數(shù)量較少）和線路絕緣抽查搖測法。

其中，試拉法為單相接地故障處理過程中的關(guān)鍵方法，其技術(shù)重點是站內(nèi)選線裝置的準確性，小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，理論上故障線路與非故障線路零序電流之間有一定差別，基于這些差別可以實現(xiàn)故障選線。目前針對單相接地故障的選線方法主要包括穩(wěn)態(tài)分量法，暫態(tài)分量法和注入信號法，如表3所示。

表3 單相接地故障接地的主要選線方法

1.3 實例分析

以濟南電網(wǎng)實際接地故障為例，說明試拉法的使用過程。3月9日晚義和莊站發(fā)生10 kV義江線跳閘事故，重合成功后10 kV II母線A相接地。

1）根據(jù)義和莊站選線裝置，選線義組線。

2）依次試拉義組線、義安線、義農(nóng)線、義通線、輕鈴線、小鴨線、義江線，即將10 kV II母線所有出線依次試拉后（每次試拉后再合上開關(guān)），接地未消失，由此判斷不是單條線路接地故障。

3）重啟選線裝置后選線義江線，站內(nèi)設備無異常，拉開義江線019開關(guān)，接地未消失（不再合開關(guān)）；拉開義組線025開關(guān)，接地未消失；拉開義通線026開關(guān)，10 kV II母線接地復歸。由此判斷上述義通線發(fā)生A相接地故障。

4）合上義組線025開關(guān)，未發(fā)接地信號；合上義江線019開關(guān)，10 kV II母線A相接地；即令拉開義江線019開關(guān)，10 kV II母線接地復歸。由此判斷義江線為另一條故障線路。

5）合上義通線026開關(guān)，10kVII母線A相接地，拉開義通線FXK01Z分支箱3號開關(guān)，接地消失，判斷為該開關(guān)后段故障。

6）拉開義江線FXK02東支3號開關(guān)分段開關(guān)，合上義江線019開關(guān)送電良好。

7）經(jīng)巡視檢查發(fā)現(xiàn)義江線FXK02東支56號桿分段開關(guān)在分位。合上義江線FXK02東支3號開關(guān)分段開關(guān)，送電良好。判斷故障段為FXK02東支56號桿后段，要求現(xiàn)場人員重點巡視。

通過上述過程可以判斷出引起接地故障的具體區(qū)段。這是一起典型的不同線路同相同時接地故障情況，處理過程復雜，特別是配網(wǎng)線路分段開關(guān)需現(xiàn)場操作或現(xiàn)場確認，使得從故障發(fā)生到確定故障區(qū)段整個過程耗時約15 h。統(tǒng)計表明，當前的接地選線裝置在判斷單條線路接地故障的準確率能達到90%以上，但是若確定具體故障區(qū)段，仍需依靠分段試拉的方法進行確定，且由于當前智能配網(wǎng)分段開關(guān)的遙控可靠性仍需進一步校驗，造成每次操作都需要現(xiàn)場確認，降低了工作效率。因此，需要針對單相接地故障時的主要電氣量變化進行分析，為電網(wǎng)智能化改造中的故障定位特別是接地故障時的定位提供理論支持。

2 單相接地故障的短路電流計算

如圖1所示為單相接地短路故障的電路示意圖，其中，Zl為線路阻抗，Zf為單相接地短路阻抗；ZN為中性點接地阻抗，Zg為每相導線對地等效電抗。

圖1 單相接地短路故障電路示意圖

2.1 對稱分量法

根據(jù)對稱分量法［9］，結(jié)合單相短路的邊界條件可知復合序網(wǎng)圖如圖2所示。

圖2 單相接地時短路復合序網(wǎng)圖

由上述復合序網(wǎng)圖可列出電壓平衡方程為

邊界條件為

聯(lián)立式（1）和式（2）可得

2.2 不對稱三相電路分析法

對N點列節(jié)點電壓方程為

式中：Z1=Zg∥（Zl+Zg∥Zl），Z2=Zg∥（Zl+Zg）。

對A相電壓為

f點電壓為

聯(lián)立上述兩式得為

2.3 戴維南定理分析法

等效阻抗為

如圖3所示戴維南定理得短路電流為

圖3 戴維南等效電路

采用對稱分量法進行單相接地短路電流計算時，需要用變換矩陣進行相模變換求出正、負、零序電壓、電流和阻抗等參數(shù)，代入相應方程求得短路電流；采用不對稱三相電路分析法計算時，需要首先確定中性點N的電壓，然后根據(jù)電路原理進行計算；而采用戴維南定理分析法時，需要在系統(tǒng)等值電路的基礎上求出短路點f的戴維南等效電源和等效阻抗兩個參數(shù)，其中等效電源的取值為系統(tǒng)正常時f點的電壓，而等效電抗參數(shù)則可直接從系統(tǒng)等值電路中得出。由上可知在不同的基礎數(shù)據(jù)條件下計算短路電流時，應采取不同的計算方法。

3 非故障相電壓和電容電流分析

3.1 電壓分析

中性點不接地系統(tǒng)正常運行時，各相對地電壓是對稱的，中性點對地電壓為零，電網(wǎng)中無零序電壓，每個相對地電壓就等于相電壓。

當中性點不接地系統(tǒng)發(fā)生的單相接地故障為完全接地，即金屬性接地時，接地處的電阻近似等于零。以圖1所示，A相f點發(fā)生金屬性接地時，故障相的對地電壓為0（忽略線路壓降），則有

非故障相B相和C相的對地電壓分別為

由式（12）可知，非故障相的對地電壓升高到線電壓，各相對地電壓的相量關(guān)系如圖4所示。

圖4 單相接地電壓的相量關(guān)系圖

系統(tǒng)三相的線電壓仍保持對稱且大小不變。對接于線電壓的用電設備工作并無影響，無須立即中斷對用戶供電。但應發(fā)出報警信號，以提醒監(jiān)控員注意并匯報調(diào)度員及時處理。另外，當發(fā)生不完全接地（即經(jīng)過接觸電阻接地）時，故障相對地的電壓

將大于0而小于相電壓，未接地相對地電壓小于線電壓，接地電容電流也較小。

3.2 電容電流分析

中性點不接地系統(tǒng)正常運行情況下，中性點對地的電位偏移稱為中性點位移，其程度對系統(tǒng)絕緣的運行條件具有重要影響。正常運行時，各相導線間的電容及其所引起的電容電流較小，可以不考慮［10］。正常運行時中性點N對地的電位為零，各相對地電壓作用在各相的分布電容上，若正常運行時各相導線對地的電容相等并等于Cg，則各相對地電容電流的有效值也相等，且有

式中，Uph為相電壓值。各相對地電容電流大小相等，相位相差120°，其電流相量和為零，因此大地回路中無電容電流。

發(fā)生單相接地故障時，由于非故障相A、B兩相對地電壓由正常時的相電壓升高為故障后的線電壓，對地的電容電流也相應增大1.732倍。三相對地電容電流之和不再等于零，大地中有容性電流流過，并通過接地點形成回路。

接地電流超前電壓90°，為容性電流，其有效值為3ωCgUph，此時流過大地的電容電流，等于正常運行時一相對地電容電流的3倍。單相接地電容電流的實用計算公式為

式中：Ic為接地電流，A；U為系統(tǒng)線電壓，kV；l1與l2分別為非故障段架空線路和電纜線路長度，km。

中性點不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，在接地處流過的電容電流會引起電弧，其強弱與接地電流大小成正比。當接地電流不大時，電弧將自行熄滅，接地故障隨之消失，電網(wǎng)即可恢復正常運行；當單相接地電流超出允許值，電弧不易熄滅，易產(chǎn)生較高弧光間歇接地過電壓，波及整個電網(wǎng)；單相接地電容電流過大，可能產(chǎn)生一種周期性熄滅與復燃的間歇性電弧，引起幅值為2.5～3倍相電壓的過電壓，當絕緣存在薄弱點時，可能發(fā)生擊穿而造成短路，危及電網(wǎng)安全。

根據(jù)相關(guān)規(guī)程規(guī)定，3～10 kV的電力網(wǎng)單相接地故障電流大于30 A時應裝設消弧線圈。消弧線圈的作用是當電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障后，提供電感電流，補償接地電容電流，減小接地電流，使故障相接地電弧兩端的恢復電壓速度降低，進而熄滅電弧。消弧線圈通常應接在系統(tǒng)中性點上，變電站主變10 kV側(cè)常采用三角形接線，此時應通過接地變連接消弧線圈。工程上常通過脫諧度V描述消弧線圈的調(diào)諧程度

式中，IL為電感電流。當V=0時，稱為全補償，當V＞0時為欠補償，V＜0時為過補償。理論上脫諧度絕對值越小越好，即為全補償狀態(tài)。但電網(wǎng)正常運行時處于小脫諧度的消弧線圈易產(chǎn)生各種諧振過電壓。因此電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時，要求消弧線圈的脫諧度越小越好達到全補償；電網(wǎng)正常運行時，要求消弧線圈的脫諧度越大越好，最好退出運行。

4 結(jié)語

中性點不接地系統(tǒng)中，單相接地故障是配電系統(tǒng)中最常見的故障，雖然故障后系統(tǒng)允許短時運行而不切除設備，但是長時間運行仍會對系統(tǒng)帶來隱患。本文首先分析了單相故障發(fā)生的原因，從變電設備和配電網(wǎng)運行等多方面說明了單相接地故障的危害及影響；詳細闡述了不同類型單相接地故障的主要特征、判斷方法以及預防處理措施，濟南電網(wǎng)的實際案例說明了故障處理方法的有效性；其次分析研究了單相接地故障時各主要電氣量的變化情況，對比闡述了3種不同的短路電流計算方法，包括對稱分量法、節(jié)點電壓法和戴維南等值定理；分析了單相接地故障時非故障相電壓的大小和特征，對正常運行和單相接地故障時的電容電流分別進行研究計算，提出針對電容電流的處理措施和補償原則。通過深入研究單相接地故障后系統(tǒng)中各電氣量的變化情況，為下一步針對單相接地時的故障定位研究奠定基礎，進而為調(diào)度運行人員提供有效的決策支持，提高故障處理的效率和速度。

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The Single-phase-to-earth Fault of Distribution Power System

Single-phase-to-earth fault is the most common fault in distribution system.The reasons and influence of the fault are analyzed.The main characteristics and alarm of the single-phase-to-earth fault are described and the judging methods for different types of faults are proposed.On this basis，related preventive measures and countermeasures are also proposed.The calculation methods and variation characteristics of main electrical data during single-phase-to-earth fault are illustrated，including short circuit current，non-fault phase voltage and the capacitance current，etc.

single-phase-to-earth fault；networks with ungrounded neutral；distribution network；short circuit current

TM862

：B

：1007－9904（2014）04－0018－06

2014-02-13

尹茂林（1965—），男，工程師，主要從事電網(wǎng)調(diào)度與控制的相關(guān)工作；

瞿寒冰（1985—），男，工程師，博士，主要從事電網(wǎng)調(diào)度與控制的相關(guān)工作。