山东配电网单相接地故障的危害及对策分析

国网山东省电力公司 赵辰宇

1 引言

单相接地是配电网中常见的故障类型，据近期运行数据统计，山东配网单相接地故障约占故障总数的60%。单相接地故障如果不及时切除，有可能引发严重后果，近期湖南公司发生了一起因单相接地引起10千伏线路断线并导致铁路停运的事故。因此，有必要对我省配电网单相接地情况进行进一步分析，明确单相接地故障特征、危害程度，制定有效对策，避免单相接地故障引发严重事故。

2 山东配网单相接地故障处理方式

理论分析与实践经验表明，当系统电容电流小于10安培时，接地电弧在过零点容易自行熄灭，瞬时性故障可自行恢复；而电容电流大于10安培时电弧难以自行熄灭。因此相关标准均规定：单相接地故障电容电流在10安培及以下时，采用中性点不接地方式；电容电流超过10安培且小于100安培～150安培时，采用经消弧线圈接地方式；电容电流超过100安培～150安培以上，则采用经小电阻接地方式。

中性点经小电阻接地方式下，单相接地故障电流较大，称为大电流接地故障。此时系统三相电压不再对称，无法正常供电，线路保护及时动作切除故障，一般不会产生严重后果。

中性点不接地和经消弧线圈接地方式下，单相接地故障电流较小，称为小电流接地故障，故障时三相电压对称情况不变，可带故障运行一段时间，通常是查找到故障点后再停电处理，从而提高供电可靠性。但小电流接地故障位置查找往往耗时较长，在故障点查找期间，故障电流与过电压持续作用有可能导致故障进一步发展。

山东配电网按照接地故障电流一般不超过10安培的原则确定中性点接地方式。采用不接地、经消弧线圈接地和经小电阻接地三种中性点接地方式。2017年初数据显示，全省配出35千伏与10千伏线路变电站共计6548座，其中中性点不接地运行方式4505座、占比68.8%，中性点经消弧线圈接地1995座、占比30.47%，中性点经小电阻接地48座、占比0.73%，如图1所示。

图1 山东配网中性点接地方式

山东配电网中性点采用不接地和经消弧线圈接地两种方式的占比达99.27%。因此配电线路发生的单相接地故障，基本都是小电流接地故障，通常带故障运行查找故障点，确定故障点后再停电进行处理，带故障运行时间一般不超过2小时。

3 小电流接地故障分析

配电线路发生的单相接地故障，按故障点稳定程度可分为稳定接地故障与弧光接地故障。

3.1 稳定接地故障

稳定接地故障是故障线路与大地可靠连接，例如避雷器、互感器下引线搭接横担，导线与树木搭接等情况。接地故障发生瞬间，一般存在明显的暂态过渡过程，暂态过程的故障电流幅值是对地电容电流的几倍至十几倍。根据现场录波数据分析，暂态故障电流峰值有时可达200安培以上，如图2所示。但暂态尖峰电流持续时间较短，一般不超过10毫秒，相应产生的能量也很小。暂态过程结束后，故障进入稳定状态，稳态故障电流一般小于10安培。

图2 典型暂态故障电流录波图

发生稳定接地故障时，对于中性点不接地和经消弧线圈接地系统，非故障相对地电压升高，升高幅度与接地点过渡电阻有关，但最大不超过线电压，即不超过额定电压的倍。

3.2 弧光接地故障

弧光接地是不稳定的接地故障形式，据文献统计弧光接地故障比例在10%左右。其主要特点是线路对地绝缘降低，在相电压上升到一定程度时绝缘击穿，产生沿面或经空气放电，电压下降后绝缘恢复，如此反复循环多次。架空线路绝缘子存在裂缝、线路绝缘外皮损伤、导线与建筑物过近等情况下，都可能导致绝缘在电压作用下击穿，发生弧光接地。由于弧光接地存在多次击穿过程，电荷在短时间内大量移动，会产生多次瞬时大电流，幅值可达数百安，对导线破坏力较强。典型弧光接地故障电流如图3所示。

图3 典型弧光接地故障电流录波图

发生弧光接地故障时，由于高频振荡过程积累能量，过电压情况比较突出。对中性点不接地系统，理论分析表明非故障相弧光接地过电压最高可达3.5倍额定电压。但实际出现如此高幅值过电压的概率非常低，现场发生的绝大部分弧光过电压不超过3倍额定电压。消弧线圈在限制单相接地故障电流的同时，还可以降低故障相恢复电压上升速度，从而降低弧光接地过电压的幅值。因此经消弧线圈接地系统中的弧光接地过电压，明显较中性点不接地系统低，所测得的弧光过电压最高为2.5倍额定电压。

图4 一次弧光接地过电压录波图

4 小电流接地故障危害分析

由于小电流接地故障电流较小，一般不超过线路额定负荷电流，不会引起保护动作，也不会导致线路过载。故障危害主要体现在故障点通流发热烧损线路，以及过电压对系统绝缘产生破坏。

4.1 稳定接地故障危害分析

稳定接地故障多发生于架空裸导线，流经故障点的电流一般不超过10安培，且电流随过渡电阻的增加而减小。由于稳定接地故障电流小，产生的能量有限，一般不会导致架空裸导线熔化（铝的熔点为660℃），不会造成实质危害。需要注意的是，如果线路通过搭接树木接地，故障电流产生的热量有可能引燃树木，从而造成导线熔断或引发火灾。

架空绝缘导线和电缆由于有绝缘层防护，极少发生稳定接地故障。在特殊情况下出现稳定接地时（如电缆被挖断接地），故障电流小于10安培，也不会对导线本体造成实质危害。但导线外皮一般为交联聚乙烯材料，其软化分解温度在140℃左右，故障电流产生的热量有可能造成外皮软化分解甚至熔化。

对于稳定接地故障，非故障相对地电压最大升高到额定线电压，由于配电线路绝缘裕度较高，稳定接地故障过电压一般不会对线路绝缘水平造成破坏。

4.2 弧光接地故障危害分析

发生弧光接地时，每个工频周波存在两次熄弧过程，单次弧光持续时间为几个毫秒（均值约5毫秒）。由于电弧能量高度集中，会产生大量热量，弧光表面温度一般可达3000～4000℃，电弧中心区甚至高达上万摄氏度。理论分析认为，裸导线发生弧光接地时，接地电弧在电磁力作用下可沿导线自由移动，热量不会在一点累积，因此耐电弧能力较强；绝缘导线由于绝缘层的限制，电弧不能移动，电弧对导线存在较大危害，甚至导致烧毁断线。中国电科院曾进行过工频电弧燃烧试验，分析故障电弧对导线的危害。从试验结果来看，裸导线在单相接地故障电弧作用下，没有出现断线、断股和局部蚀损现象，试验后导线机械拉伸强度与试验前相比无明显降低；对于绝缘导线，10安培的单相接地故障弧光电流即可引燃导线绝缘层，电弧被绝缘层熔化物固定，持续15分钟后，导线已经重度氧化脆化，轻弯即断。

结合理论分析与试验结果，可以认为：架空裸导线对故障电弧的耐受能力较强，一般不会发生导线烧灼断线的情况；对于架空绝缘导线，接地电弧在短时间内即可导致烧损断线；电缆烧灼情况与架空绝缘线路类似，电弧在短时间内即可造成断线，由于电缆沟道内往往存在可燃气体，接地电弧还可能引起电缆沟道火灾，导致严重后果。

弧光接地故障产生的过电压幅度较大，不接地系统可达3.0倍额定电压，消弧线圈接地系统可达2.5倍额定电压。接地故障期间，弧光过电压对非故障相的绝缘存在较强危害，可能导致绝缘薄弱点击穿，从而单相接地故障发展为相间短路，引起保护动作跳闸。经分析某地2016年发生的71次单相接地故障记录发现，有2次单相接地故障持续期间线路短路跳闸，占比为2.82%。

4.3 事故断线机理分析

架空裸导线对稳定电流与电弧的耐受能力都很强，一般不会因单相接地故障导致断线。但现场也存在少数例外情况，例如某公司10千伏线路接地故障前，故障线路#45杆C相绝缘子应该存在明显裂纹，甚至绝缘子已经破碎。C相导线与绝缘子钢脚距离很近，导线向绝缘子钢脚顶部放电，发生单相弧光接地故障。接地弧光电流很大并且持续时间较长，产生的热量造成导线局部受热软化，在两侧拉力的作用下最终导致导线断裂。实际运行中绝缘子突然碎裂的情况很少，大多是绝缘子有裂纹导致多次瞬时性弧光放电，接地电弧烧断裸导线的概率很小。

5 结语

山东配电网主要是中性点不接地与经消弧线圈接地方式。发生稳定的单相接地故障时，故障电流一般不会超过10安培，过电压幅值不会超过倍，故障电流与过电压对线路危害较小。弧光接地对线路存在较大危害，故障电弧可造成架空绝缘导线与电缆烧灼断线，弧光过电压可能导致线路绝缘损坏，甚至引发人身触电、电缆沟道起火、线路短路跳闸等严重后果。

针对山东配电网单相接地故障可能导致的危害，可以采取以下预防措施：

一是加强重点线路巡视与检测。进一步加强跨越线路的巡视与检测，通过超声局放检测、红外测温等带电检测手段，及时发现异常线路与设备消除故障隐患，减少单相接地故障的发生。另外，对于架空绝缘线路、沟道敷设的电缆线路和频繁发生瞬时性接地故障的线路，也应加强巡视与检测工作。

二是快速就近隔离故障。目前在发生单相接地故障后，一般带故障运行查找故障点，确定故障点后再停电处理，但故障持续期间可能导致严重后果。国网公司2016年版《配电网技术导则》提出，对永久性单相接地故障，在定位故障点后，宜按快速就近隔离故障的原则进行处理。建议在继续提升新型故障指示器选线与定位效果的基础上，选择新型故障指示器覆盖率较高区域，试点快速就近隔离故障的处理方式，积累成功经验后逐步推广。

三是排查整改消弧线圈补偿情况。消弧线圈应将接地故障电流限制在10安培以下，有效降低故障电流危害。但现场运行的部分消弧线圈补偿度调整不当时，补偿后电流远超10安培限值，增加故障电流对导线的危害程度。建议对消弧线圈实际补偿情况进行排查整改，确保消弧线圈补偿后接地故障电流小于10安培，从而切实发挥消弧线圈作用。

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