电力系统的接地故障线路识别与综合处理

冷江

摘 要：供电系统在运行中各种故障都有可能发生，但是单相接地故障是其中危害比较严重的故障类型，而且发生频率高，如果不能及时处理最终会发展为短路事故，造成非计划停电。文章对接地故障进行分析，并对如何进行线路识别和综合处理进行综述。

关键词：中性点不直接接地系统;接地故障;脉冲电流;消弧处理

企业的用电系统不同于电网公司的供电系统，为了保障供电的连续性，生产连贯进行一般采用中性点不接地系统或经消弧线圈接地系统。在这两种接地系统中普遍存在着两个比较棘手的问题。第一点：供电系统运行中系统发生单相接地故障时，值班人员无法找到故障线路，故障线路查找耗时时间长，造成供电系统大面积接地报警，只能采用拉闸倒负荷的方法，造成非计划性停电，用电可靠性得不到保障，严重影响电力系统正常生产运行。第二点：接地故障发生后值班人员无法完善的处理接地故障，经常忙乱中出错，导致未能及时有效的处理接地故障，使非故障相电压升高，发生绝缘闪络或发展成短路事故。

1 系统问题分析

1.1 中性点不直接接地系统的故障线路识别问题

中压电网采用中性点不直接接地运行方式，当发生单相接地故障时（以下简称接地故障）故障相电压为零，非故障相电压上升为线电压，但是三相线电压依然对称，可以保证对设备的连续供电，且故障相接地电流不大，系统可以带故障运行1～2h，大大提高了系统的供电可靠性。

与接地故障后立即跳闸的大电流接地系统相比，这种接地方式在供电的连续性和稳定性方面优势明显，特别适合于生产型企业，对供电的连续性和可靠性方面有很高的要求。但是如果系统发生接地后也会出现一系列问题：（1）瞎子摸路：逐条断开线路，造成不必要的停电。（2）故障升级：系统薄弱环节绝缘易被击穿升级为相间短路。（3）全系过压：弧光接地会引起全系统过电压，造成事故扩大。（4）可怕后果：引发电缆爆炸;PT、母线烧毁;供电机组停运等。所以供电可靠性和运行安全性成为中压系统一对主要矛盾，而且随着现代电网的快速发展，这一矛盾越来越突出。解决这一矛盾的关键，在于快速、准确的故障线路识别和有效的故障处理。

1.2 目前企业所使用的供电系统线路识别技术讨论

供电系统在正常供电运行时每个供电线路的电流大小稳定，电流方向不变，但是当系统发生接地故障时，故障线路的运行工况就会发生改变，与之前的工况在电流大小和电流方向方面会发生很大的变化。电流大小方面，正常运行的线路流过的零序电流仅仅是该线路的电容电流，而发生接地故障线路流过的零序电流是全系统的电容电流减去自身的电容电流，所以电流大小方面会有很大的不同。在电流方向方面，正常运行的线路电流是从母线流向馈线，而故障线路的零序电流是从故障线路流向母线，这样会使故障线路和非故障线路的电流方向刚好反相。通过这种不同电流的状态可以判断接地线路，所以目前市面上很多小电流接地选线装置就是利用这种原理設计的，但是也加入了其它的智能算法以做综合辅助的判断。基本的原理是：通过突变量启动、电压比幅、电流大小排序、电流比幅比相进行连续的线路识别。

但是通过这十多年的小电流原理的选线装置的运行结果看效果并不理想，而且真实的结果是选线的准确率很低，通过以往连续多年国网的统计看，准确率只有60～70%，从企业的运行角度看如果线路识别不能达到100%，而通过人工识别再操作的工作量是一样，不能作为可靠的线路识别判断依据，也并没有给值班人员减小工作量。

那具体的不准确原因在什么地方呢？大致分析有以下几种主要原因：

（1）是利用的小电流信号太小，当系统接地时产生的零序电流是系统电容电流，而且电流的大小与馈线的负载大小和线路的长度有直接的关系，如果负载大且线路长电容电流就大，负载小线路短电容电流就小，所以会出现同一个变电站内不同的馈线电容电流都不相同，再去判断接地时的电流变化值就更难了。

（2）系统内其它的电磁干扰大，在变电站和发电厂的小电流选线的装设地点，电磁干扰大;二是由于负荷电流不平衡造成的零序电流和谐波电流较大。

（3）接地时的电容电流波形的不稳定。系统单相接地故障，大部分间歇性的弧光接地，而不是稳定的弧光接地，所以电容电流波形不稳定，在比对电流的幅值时就很难比对。

（4）一般的企业供电系统在设计之初都安装有消弧线圈和金属接地的触点消弧，当接地发生时消弧线圈被主动投入使用，利用电感电流补偿电容电流，所以电容电流更小了，触点消弧投入后，直接把间歇性弧光接地变为稳定的金属性接地，电流被转移。

1.3 系统在发生接地故障时的接地处理的问题讨论

企业的供电系统多采用中性点不直接接地系统的运行方式，这样在系统发生单相接地时故障相对地电压为零，非故障相的对地电压将升高到线电压，系统的线电压维持不变。因此供电系统可以带故障继续运行，从而保证供电的可靠性，不会对企业生产造成影响。但是接地故障也分为几种类型，如果接地故障为金属性接地，则故障相的电压降为零，非故障相的相对地电压升高至线电压，这样系统的电气设备能够承受线电压而不会发生绝缘损伤事故，可以继续运行，给值班人员留有时间查找故障线路，不会造成非计划停电。但是，如果接地故障为间隙性的弧光接地，就会在非故障相产生最高值达3.5倍相电压的过电压，这样的高电压长时间运行会反复冲击系统绝缘，引发另外健全相绝缘击穿，最终发展为相间短路事故。

2 针对性的解决办法

以上中性点不直接接地系统的接地故障线路识别和接地故障处理问题，都有有效的解决办法，具体如下：

2.1 接地故障的线路识别解决办法

我们转换一下思路，通过上文分析传统的利用小电流选线的方式，选不准故障线路的主要原因是短路电流太小，而导致短路电流太小的根本原因就是因为中性点不直接接地系统。如果我们通过人为的干涉，能够在系统出现接地故障时，人为的把中性点不直接接地系统转换为直接接地系统，在接地的瞬间制造出一个比较大的短路电流用来线路识别，这个问题不就迎刃而解了。通过控制中性点的接地时间和接地电流，从而得到一个易于识别的故障支路但又不引起系统不良反应的大电流，此种方法可以准确的识别故障线路。

基于上述可控电流的思想，可以在变电站的主母线上安装一台小容量接地变压器，并在接地变压器的中性点装设接地可控接地电阻，当系统发生接地后，接于接地变压器中性点的可控接地电阻，在其两端电压过零附近使中性点与地之间瞬间导通，以产生一通路短路电流。该短路电流绝大部分会经接地的故障点入地，再通过微机控制器对各条馈线的增大的短路电流加以检测，检测到有大电流通过的馈线即为接地线路。

具体的配置设备说明：信号采集单元安装在每个馈线柜的二次室，用来采集零序电流互感器的电流信号并转换为光信号，它和主控制器保持实时通讯。零序电流互感器安装于每个馈线柜的电缆室，当发生单相接地故障时，接地变压器中性点位置的可控接地电阻导通，系统通过中性点与其中一条馈线的接地点形成零序电流通道。此时零序CT的大电流信号传输到信号采集单元，并转换为数字信号后发送到主控制器。信号采集单元有固定的编码，从而由主控制器直接识别故障线路。

这种触发式的大电流选线的方法有很多的优势，其中三个主要优势：

（1）选线装置柜内的接地可控硅的电阻值是可以调节的，通过调节可控硅的电阻值，使系统发生单相接地时，导通可控硅后流过的瞬时短路大电流在不同的接地电阻的情况下都能保持足够大的强度以便被检测到，同时又可以保证不能电流大道影响到供电系统的正常运行，所以选线装置柜内的可控硅的调节是要经过反复验证和修改的。

（2）选线柜内的可控硅是我们人为加上去的，而且可控硅的电阻大小及导通角不同就可以是可控硅导通时瞬间的短路电流波形的特性有别与系统的其它电流，不容易受到其它系统的电流干扰，也是增加线路识别准确率的一个重要的因素。

（3）当选线装置柜的主控制器检测到系统发生接地时，但是这个时候还没有确定是那条出线发生的单相接地，但是当触发可控硅导通后，此时产生的稍大的短路电流只能和接地的故障支路形成零序电流通路，非故障支路因为绝缘完好无损，所以无法形成零序电流通路，这样可以保证了选线的准确性。

2.2 接地故障处理问题的解决办法

2.2.1 消弧线圈单独使用时的缺陷

当系统发生接地故障时，常见的故障处理方法有消弧线圈补偿法和触点消弧法，这两种故障处理方法都是单独应用于系统中，不能根据系统发生接地故障的性质来针对性的采取不同的处理方式，系统应用都有很大的缺陷。当系统发生瞬时性的接地故障时，由于消弧线圈前期的暂态过程比较长，不能够实现快速消弧补偿，而容易造成故障扩大;另外，消弧线圈不能补偿高频接地电容电流，而补偿的效果较差;对于永久性的接地故障，消弧线圈也不能实现全补偿，故障点有残流，对于电缆支路，对于电缆固体绝缘材料一旦被击穿即无法恢复，导致电缆“放炮”，或发展成相间短路。

2.2.2 触点消弧单独使用时的缺陷

触点消弧法是当发生接地故障时，直接利用真空接触器把故障相变为金属性接地，从而达到稳压消弧的作用。但是当真空接触器打开的瞬间，容易引起操作过电压，也使故障点的再次击穿而导致故障扩大。另外：触点直接接地后，立刻将弧光接地转换为金属性接地，非故障相的过电压稳定在√3倍，使故障的性质是临时性接地，还是永久性接地无法判定。

2.2.3 接地故障后的综合消弧是最佳的方法

根据消弧线圈和触点消弧的消弧原理，我们可以把消弧线圈配合触点消弧综合使用，根据接地故障的属性以及负荷的重要性进行不同的处理：

针对一、二级重要负荷，只要发生接地故障，触点消弧快速动作将故障相的弧光接地转换为稳定的金属性接地，接地相电压为零，非故障相电压稳定在√3倍，从而达到熄弧、稳压的作用。同时为了区分永久性弧光接地和瞬时性弧光接地，觸点消弧动作后，可延时100ms投入偏磁式消弧线圈，对零序电流进线补偿，从而解决临时性弧光接地故障。然后触点试探性打开一次，观察电压变化，如果接地故障消失则判断为临时性接地故障。如果接地故障还存在，则触点再次闭合，判断为永久性接地故障，并可带故障运行2个小时，为检修争取时间。

3 结论

（1）通过以上问题分析及提出的解决方案，可以对单相接地故障利用中性点短时间接地的方法，把中性点不接地系统瞬间转换为中性点接地系统来解决传统小电流选线的选线准确率问题，即在中性点不接地系统当发生单相接地时，人为转换为小电阻接地，在保证不跳闸状态下完成单相接地故障选线。从而解决困扰中压不接地系统的选线问题。（2）在接地故障处理方面，利用消弧线圈和传统的触点消弧相互配合，既避免了消弧线圈消弧不彻底问题又解决了触点消弧无法识别临时性接地故障和永久性接地故障问题。两者的配合使用可以在先保证熄弧稳压状态下，即解决了临时性接地故障又保证了永久性接地故障的处理时效问题。

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