小电流接地系统单相接地或谐振等故障的判断与处理

金汝 宁夏电力公司固原供电局

小电流接地系统单相接地或谐振等故障的判断与处理

金汝 宁夏电力公司固原供电局

分析了小电流接地系统单相接地故障时电压和电流的特点，列举了单相接地或谐振等故障的危害及象征，并提出了在分析判断和处理方式存在很大的差异，若处理不当，极有可能将异常引发为事故。本文就结合几年来的运行工作经验，探讨在实际工作中所遇到10kV系统发生单相接地或谐振等故障的判断与处理。

单相接地；谐振；判断与处理

随着电网的快速发展，电网网架已达到比较合理稳定的局面，由于10～35kV系统均采用不接地运行方式。这种运行方式在系统发生单相接地时，由于单相接地时故障电流不大，线电压仍然对称，对负荷供电没有影响，因此允许一定的时间内带故障运行，系统允许运行2h，因而大大提高了供电的可靠性。但随着小电流接地系统馈线的不断增加，城域电网的超前发展，配网自动化系统的应用，开闭式电压互感器数量的增加，系统对地电容也不断增大，对电网及设备的安全造成影响。近几年来系统内某地区电网某110kV变电站由于10kV系统发生间歇性接地，引发谐振过电压，造成部分馈线开关跳闸、隔离开关绝缘损坏及电压互感器烧毁事故。本人通过此次事故分析认为小电流系统单相接地故障、谐振以及电压互感器故障，从现象上看，存在着相似性，但又有着不同的区别。在运行过程中，如果判断不清，处理不当，延误了处理时间，有可能将异常处理成事故，引起设备损坏。

2 单相接地故障时电压和电流的特点

2.1 单相接地故障时电压和电流的分析

单相接地时（如A相），A相对地电容C0被短接，此时电流分布图及相量图如下图所示。

A相对地电压ùA变为零，此时大地的点位不再和电网的中性点的点位相等，而与A相点位相等，此时B、C两相对地电压为B、C两相对A相的电压，则B、C两相对地电压升高倍。电网中性点电压ùN以及各相对地电压为

电网出现零序电压：即

由于ùA=0，各条线路A相对地电容电流为零，而B、C两相的电容电流不为零，此时出现零序电容电流，即

发生接地时，接地电流等于正常时一相对地电容电流的3倍。保护安装处各相电流（未计及负荷电流）为：

2.2 单相接地故障时ù0和ì0的特点

（1）发生单相接地时，出现零序电压ù0，ù0的大小等于故障前电网的相电压，且系统各处零序电压相等。

（2）故障线路的保护通过的零序电流为所有非故障线路的零序电流之和，也就是所有非故障线路接地电容电流之和，一般只有10～30A，其方向是从线路流向母线。

（3）非故障线路的保护通过的零序电流为该线路本身非故障相对地电容电流之和，其方向是从母线流向线路。

3 单相接地或谐振故障的危害

3.1 单相接地故障的危害

（1）在10kV中性点不接地的小电流接地系统中，若一相接地时，则未接地相对地电压升高为相电压的倍，系统中的绝缘薄弱点可能击穿，造成短路故障。

（2）由于在接地时产生电弧，电弧对相间绝缘有热作用，会烧坏设备并可能发展成为相间短路故障。

（3）故障点产生间歇性电弧接地时，在一定条件下，将产生串联谐振过电压，其值可达相电压的2.5～3倍，对系统设备的绝缘危害很大，进而出现更频繁的故障。

3.2 谐振过电压故障的原因及危害

电压互感器谐振对于yo/yo电磁式电压互感器，在正常情况下线路发生单相接地不会出现铁磁谐振过电压，但在下列条件下，就可能引发铁磁谐振。

（1）对于中性点不接地系统，当系统发生单相接地时，故障点流过电容电流，未接地的两相相电压升高倍。但是，一旦接地故障点消除，非接地相在接地故障期间已充的线电压电荷只能通过电压互感器高压线圈经其自身的接地点流入大地，在这一瞬间电压突变过程中，电压互感器高压线圈的非接地两相的励磁电流就要突然增大，甚至饱和，由此构成串联谐振。

（2）中性点不接地系统中，用变压器对母线充电时，电压互感器的电感和母线、线路的电容会构成振荡回路，但在一定条件下，就可能引起铁磁谐振，由于铁磁谐振引起三相、两相及单相对地电压升高，或由于低频摆动产生很高的零序电压分量，使三相高压侧熔断器熔断，甚至烧坏电压互感器。此外，在个别情况下，还会使断路器的套管等设备发生闪络和损坏，避雷器爆炸等。

（3）由于配电线路用户电压互感器等设备数量的增加，使得10kV配电系统的电气参数发生了很大的变化，导致谐振的频繁出现。在系统谐振时，电压互感器将产生过电压使电流激增，此时除了造成一次侧熔断器熔断外，还将导致电压互感器烧毁。

（4）配电人员随意带负荷拉开分支线路隔离开关或带负荷拉开配电变压器的高压跌落开关，造成刀闸间弧光短路而引发谐振。

（5）当配电变压器高压线圈接地故障时，故障电流将通过抗电能力的绝缘油对地放电，也会产生不稳定的电弧激发电网谐振。

4 单相接地或谐振等故障的象征与判断

4.1 单相接地故障的判断

（1）警铃响，后台机并弹出信息框，“××kV×段母线接地”或“×× kV×段××线线路接地”信号。

（2）电压指示：故障相电压降低（不完全接地）或为零（完全接地），另两相高于相电压（不完全接地）或趋向线电压（完全接地），此时为稳定性接地。

（3）若指示不停的摆动或变化，则为间歇性弧光接地，此时非故障相的相电压有可能升高到额定电压的2.5～3倍（可能伴有母线轻微震动，电压互感器发出较小声响）。

4.2 单相接地故障相的判断

（1）如果一相电压指示为零，另两相指示为线电压，那么指示为零的一相是接地相。

（2）如果一相电压指示较低，另两相较高且不相等，电压低的一相不一定是接地相。

（3）如果一相电压接近线电压，另两相电压相等，不能判其任何一相为接地相。

综上所述，就后两种情况而言，判别单相接地故障相的原则是电压指示高的相的下一相（按A、B、C相序往下推）为接地相。

4.3 电压互感器保险熔断的判断

（1）警铃响，后台机并弹出信息框，“××kV×段母线接地”（高压保险熔断）、“电压回路断线”（低压保险熔断）信号。

（2）电压指示：熔断相下降为相电压的1/3左右，非熔断相电压不变，线电压指示则会降低（高压保险熔断）。

（3）电压指示：熔断相下降为相电压的1/2左右，非熔断相电压不变，线电压指示则会降低（低压保险熔断）。

4.4 谐振过电压故障的判断

（1）警铃响，后台机并弹出信息框，“××kV×段母线接地”信号。

（2）分频谐振：三相电压依次轮流升高，超过线电压，但一般不超过2倍相电压，三相电压表在相同范围内出现低频摆动。伴有母线震动，电压互感器发出较大声响，开口三角电压一般在85～95V也有等于或超过100V。

（3）基波谐振：某一相电压降低，但不为零，其余两相电压升高，超过线电压，一般不超过3倍相电压。伴有母线震动，电压互感器发出较大声响，开口三角电压超过100V。

（4）高频谐振：三相电压同时升高或其中一相明显升高，超过线电压，但不超过3～3.5倍相电压。伴有母线震动，PT发出较大声响，开口三角电压超过100V。

5 单相接地或谐振等故障的处理

5.1 单相接地故障的处理

（1）根据信号、电压指示、天气、运行方式、系统操作等情况，判明故障性质、相别，并全面巡视检查本站设备有无异常。

（2）五分钟内不消失，汇报调度。对采用小电流接地系统选线装置，根据后台机报文显示的“××线路接地”信号，首先对××线路进行选切，若接地现象未消失应尽快设法选出接地故障线路。

（3）用母线分割网络判别接地区域，缩小范围，如将母线分段运行（注意分割后的各部分功率平衡、保护协调、电压质量等情况）。

（4）断开母线无功补偿电容器断路器。再按选线原则进行选线操作，对已知的经常性接地的线路；空载线路；分支多、线路长、负荷轻以及用电性质次要的线路；分支少、线路短、负荷重以及用电性质重要的线路。上述顺序应结合实际情况，灵活掌握。

（5）选出接地的线路，及时通知查线处理，并加强对相关设备的进一步检查，严密监视电压变化，允许带接地运行（10kV不超过2小时），在规定时间内接地仍未消失的，将故障线路退出运行。经判断接地故障为电压互感器高压绕组绝缘击穿所致，应将故障电压互感器所在母线瞬间停电，再拉开故障电压互感器。

（6）在逐条线路查找后，仍未找到故障线路，应考虑是2条线路同相接地或站内母线设备接地。在逐条选切线路时，应特别注意切每条线路时三相对地电压指示的变化。若全选切后，三相对地电压指示没有变化，说明不是线路接地，而是变电站内设备接地；三相对地电压指示有变化，则为2条配电线路同相发生单相接地（含断线）故障。

（7）2条线路异相接地，多发生在雷雨、大风和冰雪天气。主要现象是2条线路同时跳闸，或只有1条线路跳闸，跳闸时电网有单相接地现象。判断依据是：若2条线路都跳闸，电网接地现象消失；若2条线路只有1条跳闸时，电网仍有接地现象，但单送其中1条时电网单相接地相别发生改变。

（8）在小电流接地系统中，由于某些操作或运行方式发生改变，致使系统发生某些不对称状态，后台机也弹出接地信号，应根据当前运行情况进行判定，并妥善处理。

1）在进行倒闸操作时，用变压器对空载母线充电时，开关三相合闸不同期，三相对地电容不平衡，使中性点位移，三相电压不对称，报出接地信号。

判定依据：这种情况是在操作时发生的，只要检查母线及连接设备无异常，即可进行判定，投入一条线路或投入一台站用变，即可消失。

2）系统中三相参数不对称，消弧线圈的补偿度调整不当，有倒运行方式操作时，报出接地信号。

判定依据：此情况多发生在倒运行方式操作时。经汇报调度，在相互联系时，可以了解到。可先恢复原运行方式，消弧线圈停电调分接头，然后投入，重新倒运行方式。

5.2 电压互感器熔断器熔断

应首先用万用表检查二次侧各相熔断器的进、出线端相电压是否有电压（相电压约58V，线电压约100V），或将熔断器取下用万用表电阻挡测量通断，判断熔丝是否熔断。如果熔丝完好，则故障发生在一次高压侧。处理的方法是：先取下低压二次熔断器，拉开电压互感器高压侧隔离开关，经验明无电后，做好现场安全措施，在仔细检查电压互感器一次套管、端盖处有无破裂、异物和绝缘部分的异常气味等。当检查到有异常时，应用兆欧表测量绝缘电阻。在确认电压互感器正常后，戴上绝缘手套更换符合标准的高压熔断器，进行试送电。如再次熔断，则应考虑电压互感器的内部故障，并进一步作直流电阻、变比等实验来决定电压互感器好坏。而再停用电压互感器前，应考虑到对继电保护、自动装置和计量的影响，应先将备用电压互感器投入运行，如果是单台电压互感器，在取得调度和有关负责人的许可后将保护装置、自动装置暂时停用，以防其它设备误动作。

5.3 谐振过电压故障的处理

（1）由于操作后产生的谐振过电压，一般可以立即恢复到操作以前的运行方式。

（2）当出现谐振时，严禁拉开电压互感器的隔离开关，应考虑增大母线电容和并联电感，即合上一条空载线路或者空载的变压器来破坏谐振条件，或者暂时断开电源断路器，再次送电可使三相电压恢复平衡。

（3）如果在运行中，突然发生谐振过电压，可以试断开一个不重要负荷的线路，改变参数，消除谐振。若谐振现象消失以后，仍有接地信号，三相对地电压不平衡，一相降低，另两相高于相电压，但是低于或等于线电压，说明谐振的同时，有单相接地或断线故障。

6 防止谐振过电压故障的措施

（1）运行人员在恢复送电时，应严格按操作规程进行操作，确认电压互感器的隔离开关在拉开位置后，才对空母线送电，再合上电压互感器的隔离开关。

（2）检修人员应将其隔离开关三相同期性调整好，并选用伏安特性较好的电压互感器，以改善技术性能，使其工作点在伏安特性的线性部分，当有激发因素时，铁芯不易饱和，也就难于激发谐振。

（3）减少电压互感器的并联台数。一则可以增大XL，减少自振固有频率，避免配网系统扰动而发生母线谐振过电压。二则当电网一旦出现谐振也可以减少一次损坏的互感器台数。

（4）电压互感器发生谐振时的电压是相电压的3倍，则在开口三角处将会产生100V～200V电压，因此在电压互感器开口三角处可并联一只220V/200W消谐灯泡（或选用220V/800W/60Ω标准电阻。消谐电阻功率不得大于电压互感器极限容量的2.4倍），也可在电压互感器零序回路中装设专用消谐器，以改变XL及零序磁路。

（5）采用零序电压互感器，它有4台电压互感器组成，其中3台为主电压互感器，1台为零序电压互感器。主电压互感器一次侧绕组接成星形，中性点通过零序电压互感器的一次绕组接地；主电压互感器二次侧绕组接成星形，其中性点通过零序电压互感器的二次绕组接地；主电压互感器二次的辅助绕组接成闭口三角形。作用是中性点经零序电压互感器的一次绕组接地，感抗补偿零抗，使得XL足够大，以消除谐振。中性点零序电压互感器一次绕组的固有电阻（约10kΩ）具有消振和防止熔丝熔断的作用。为增大零序电压互感器的电阻，其高压绕组采用铁漆包线绕成，其电阻约为同型号铜线的5～7倍。

运行经验表明，在10kV及以下的配电网中，采用零序电压互感器是防止电磁式电压互感器烧损的有效措施。

7 结论

综上所述，单相接地与谐振过电压故障有着根本的不同。只要我们掌握了小电流接地系统发生单相接地或谐振等故障的特点，认真观察分析系统各种异常状态出现的象征，作出正确判断和积极有效的处理方法，就不会造成在现场运行中对谐振过电压误判为单相接地而耽误了及时、准确处理的时间，而引发事故的情况，对维护系统稳定和安全运行有着非常重要的作用。

[1] 范锡普.发电厂和变电所电气设备的运行.水利电力出版社

[2] 高永昌.电力系统继电保护.水利电力出版社