火电厂电气运行中接地故障分析及处理方法

王沛然

(浙江大唐乌沙山发电有限责任公司，浙江 宁波 315700)

配电网是配电中心的核心，在电力技术不断发展的大环境下亟需注意电器运行中的故障问题，而接地故障是电气运行中最常见的故障。接地故障产生的原因有两种，一是相电压与线电压之间的电压不平衡，由于有故障的一侧电压突然降低，致使另一侧电压突然升高而发生故障，这种现象往往是由于高电阻接地而导致的；二是线电压随着原本未发生故障的线路一起升高，这种现象往往是由于完全接地所导致的，完全接地使故障线路的电压骤然减为零[1]。在进行故障检查时，如果故障点难以查出，则需要改变供电方式或转移负荷，判断此时有无断路器、是否承载着空载电路，将母线的运行方式转化成与线路并行的状态，再进行故障点的筛查，进而找出隐蔽的故障点。

1 火电厂电气运行中的接地故障分析

随着功耗的不断增加，火电厂的规模也在进一步扩大，火电厂接地容量越来越大。非线性电感的负载变压器和电磁电压互感器中的总电感远大于总容抗，且电磁变压器通常使用初级线圈的中性点直接接地[2]，当单相接地、运行切换或者遭遇雷击时，通常会发生铁磁谐振，并且在产生谐振的过程中出现过电压现象，线路电压达到平时的三倍以上，很容易导致避雷器爆炸、绝缘闪络以及电气设备损坏等情况。

部分火电厂选择三角形接线方法，这种接线方式由于没有零线具有一定的优势，但会导致火电厂的接地容量增加，如果火电厂电气运行装置发生瞬时单相接地，会产生无法断开的电弧，并且在电弧长度达到一定值时，火电厂的电气装置各相之间会发生短路，断路器会跳闸。

视线系统的操作区域相对较宽，操作环境也非常不同，雷击等情况很容易发生危害视线操作的事故，因此不仅要防止直接雷击对火电厂电气装置外观的影响，而且要注意防范感应过电压造成的损害，确保电气系统安全运行。此外，避雷设施的老化、低雷电抗性和低绝缘性也容易导致雷电灾害引发的接地故障，威胁到电网的安全运行。

2 火电厂电气运行中接地故障处理方法设计

2.1 建立火电厂配电网拓扑结构模型

火电厂的拓扑结构模型种类较多，环形拓扑是较常选取的拓扑结构，可靠性较高，识别速度较快。

各种电源和负载(如AC系统，AC和DC负载，新能源发电厂和能量存储设备)通过不同类型的适配器连接到该级别的配电网络，具体取决于每个电源的需要。将各种电源产生的电能通过逆变器转换后，变为相应电压的DC电源，DC电源通过分支布线分配到每个负载端子。转换器可以根据实时需要灵活地切换其在各种储能装置快速充放电的过程，以达到双向能量流动的效果。

构建的火电厂配电网拓扑结构模型必须根据原有电网的运行状态配置，原有的交流配电网线电压的有效值可以根据配电网的极间电压计算，大部分火电厂均采取三相三线制，可将现有的运行方式利用中性线分隔开，考虑实际金属接地的情况设计火电厂配电网络拓扑模型。

本方法在综合设置火电厂电压和线路后，分析火电厂供电能力，并结合电压实际稳定性进行载流容量分析，即首先进行线路传输制约分析，对比不同状态下的供电容量变化，结合线路的实际功率进行线路绝缘强度计算。计算结果表明，在电压等级不变的情况下，双极双线制的传输功率较高，在接地时很容易出现电压损失问题，此时可以进行配电网换流功率计算，分析线路损耗，测试标准状态下火电厂的配电传输效率。

火电厂配电线路额定电压与负载系数具有重要的联系，因此在传输功率发生变化时，线路的功率也会发生相应的改变，一旦线路末端的电压值与线路的额定电压相拟合，则需要改变线路电阻和配电线路长度，计算此时的功率系数，保证线路损耗分析的有效性，对后续的火电厂接地故障处理具有一定的帮助。

2.2 消除火电厂电气运行中的不平衡电压

电力系统的不对称故障包括配电网中的AC不对称故障和DC单极接地故障，配电网中的DC电压都是不平衡的，即正极和负极的绝对值均不等于地面绝对值。换流变压器的接地方法与击穿后不平衡电压的消除密切相关，本部分对不平衡电压的形成和消除过程进行了理论分析，为单极接地的分析提供了良好的基础和渠道。如果换流变压器采用指定的连接方法，则由于消除了不对称误差之后，直流等效电路中没有回路，因此受控直流电源的电压保持不变，不平衡电压也不会改变，在这种情况下需要消除火电厂电气运行过程中的不平衡电压，保证火电厂电气运行的稳定性。

根据火电厂的实际运行状态设置正极对地电位和负极对地电位，根据配电网的实际运行状态进行不平衡电压转换，设置VSC对地函数，并将函数的初始参数设置为0，此时换流器交流侧存在出口电位。为了提高不平衡电压的消除效果，处理过程中可以进行受控交直流电源划分，根据交流源的基波有效值设计等值电路，划分等效电感，在实际处理过程中换流变压器可能会产生不对称故障，需要消除等值电路中的回路，保证电源电压的稳定性，全面消除误差因子。

在不平衡电压的消除过程中，应用最多的是换流变压器。已知在火电厂电路发生故障时，其零序电流分量会发生重要改变，因此为消除零序电流的重要影响，需要设置调制阻断电路。在保证电力系统实际传递路径的基础上将故障消除，对此时发生的单极接地故障进行瞬态处理，选取正确的RL负载，降低不平衡电压的处理难度。

一旦发生正极接地故障，需要立刻将火电厂内部配电网进行等值化处理，结合故障线路内部的电感数值进行正极接地平衡。根据电容的二阶参数可以计算故障点的实际位置，若故障点与换流站距离较近，则此时的二阶参数数值较高，故障电路回流接地电阻下降，振幅降低，放电电流也会随之降低，反之故障点与换流站距离较远时，二阶参数值较小，故障电路回流接地电阻上升，振幅增加，放电电流也随之增加。

2.3 实现火电厂电气运行中的接地故障处理

在火电厂电器运行的故障处理中，需要注意变压器中性电阻的影响，在直流侧中点选择大电阻接地。在改变转换器中性点电阻值的前提下，对金属单极接地故障的发生进行了许多模拟。对仿真结果的分析表明，在单极接地故障的情况下，当中性点电阻为特殊值时，双视图仿真系统具有相对较好的工作条件。此时，即使发生击穿故障，电压也能保持稳定，这种现象有利于向负载连续供电。中性点电阻器的故障电流是理想的，并且不会干扰周围的通信线路，既不影响继电器保护，又能满足个人设备的安全要求，并且故障电极电流也很小，可以很好地保护一些对过电流敏感的设备。消除接地故障后，电容器的充电电流也变得理想化，对于快速去除正负电容器上的不平衡电压并恢复对称性非常有效。

在火电厂接地故障的实际处理过程中，经常会出现由于故障电流数值超标导致的欠阻尼放电现象，严重影响了线路的稳定性。可以利用直流电压的暂降过程，降低整机电容器的电流和电压，保证火电厂运行过程中的充放电稳定性。在控制系统工作的过程中，火电厂的额定工作电压可能随时发生变化，为了避免电压变化带来的火电厂接地故障，可以设置RLC二阶回路阻尼交换，根据换流器允许的最大值设置故障电流回路，并保持该数值始终不变，从而消除不平衡电压。

3 实验分析

为了验证本研究设计的火电厂电气运行中的接地故障分析及处理方法能否有效地分析和处理火电厂电气运行中的接地故障，以及其分析和处理故障的时间是否低于传统的方法，分别检测两种方法分析故障和处理故障的时间，进行了对比实验如下。

3.1 实验准备

选取S0imlink进行实验，如图1所示。按照图1所示的火电厂配电网结构进行了修改，未加入分布式发电系统、储能系统与直流变压器等模型，记录两种方法分析和处理故障的时间。

由图1可知，配电网中的电源通过换流变压器转换为交流电。根据上述配电网示意图选取火电厂接地故障测试线路，为了保证实验的测试效果，本研究选取了过渡电阻值不同的10条线路进行研究，线路组成如表1所示。

图1 配电网示意图 Fig.1 Sketch map of power distribution network

表1 实验线路组成Tab.1 Constitute of experiment line

由表1可知，选取的实验线路符合后续的实验测试需求，可以根据目前线路的状态进行后续的接地故障处理实验。

3.2 实验结果

选取10条故障线路，分别记录其使用传统的故障分析处理方法以及本研究设计的故障处理和分析方法使用的时间，实验结果如表2所示。

表2 实验结果Tab.2 Experiment results

由表2可知，本研究设计的火电厂电气运行中的接地故障分析及处理方法能够有效地分析和处理火电厂电气运行中的接地故障，且分析和处理故障的时间均远低于传统的分析处理方法，具有高效性。

4 结语

本研究设计的火电厂电气运行中的接地故障分析及处理方法可以有效地分析电气运行中的接地故障，并且可以对故障进行及时处理。实验表明，本研究设计的方法在故障分析和故障处理的时间方面都远远低于传统的方法，因此具有高效性。但由于实验的次数有限，可能还存在其他的问题，仍需要不断改进和完善。