配电系统单相接地故障分析

尹茂林，瞿寒冰

（济南供电公司，山东济南250012）

配电系统单相接地故障分析

尹茂林，瞿寒冰

（济南供电公司，山东济南250012）

单相接地故障是配电系统中最常见的故障。分析单相故障发生的原因、危害和影响。针对故障发生时的主要特征和报警信息，阐述对不同类型单相接地故障的判断方法，并在此基础上提出故障的预防和处理方法。详细分析单相接地故障时各主要电气量的变化特征和计算方法，包括短路电流、非故障相电压、电容电流等。

单相接地故障；中性点不接地系统；配电网；短路电流

0 引言

目前10 kV配电网络系统多采用小电流接地方式，即中性点不接地或经消弧线圈接地，该接线方式下系统若发生单相接地故障时能持续运行而不切断故障设备，提高了供电可靠性［1-3］。单相接地故障作为配电系统中最常见的故障，多发生在雷雨大风等恶劣天气，由于线路绝缘子单相击穿、单相断线、树木倒伏砸线等原因造成［4-5］。虽然配网系统可在单相接地下持续运行，但是非故障相电压升高为线电压，长时间运行会对非故障相的系统和设备产生较大威胁，可能造成绝缘薄弱处发生绝缘破坏引起相间短路进而导致事故范围扩大。因此，实际电网运行中，当发生单相接地故障时，立即发出绝缘下降等报警信号，配网监视控制人员需要根据故障状态和特征迅速判断接地点，并及时隔离进行有效处理。

近年来，随着智能电网的发展，10 kV配电网的智能化水平进一步提高。智能电网本质的特征是自愈控制，即能够对系统进行在线优化和实现故障的自动隔离恢复，而实现故障自动隔离恢复的基础和出发点则是对故障点的准确定位，否则就会造成停电范围扩大或区域误停电。实际运行经验表明，智能化改造后的配电自动化系统对相间短路等电气量变化明显的故障具有较为准确的定位，对电网的调度控制具有一定的指导意义；而对于单相接地故障则无法给出太多有效的信息，仅依靠变电站站内选线系统进行判断，无法精确定位至10 kV线路各分段部分，造成故障点寻找和处理的效率大大降低，影响了配网系统的供电可靠性。因此，为进一步提高配网自动化系统的故障定位、隔离和恢复功能，需要深入研究单相接地故障后系统中各电气量的变化，为系统的改造升级提供理论支持。

1 单相接地故障分析

1.1 原因特征分析

发生单相接地故障的外在原因主要包括：导线断线落地或搭在横担上；导线在绝缘子中绑扎或固定不牢，脱落到横担或地上；导线风偏过大，与建筑物距离过近；变压器高压引下线断线；配电变压器高压绕组单相绝缘击穿或接地；绝缘子击穿；线路上的分支熔断器绝缘击穿；同杆架设导线上层横担的拉带一端脱落，搭在下排导线上；线路落雷；树木通道不畅，导致树接触导线；鸟害；飘浮物（如塑料布、风筝等）；其它偶然或不明原因。

在以上诸多种原因中，导线断线、绝缘子击穿和树木短接是发生配电线路单相接地故障最主要的原因，对近几年来单相接地故障原因统计，上述3种原因占总故障原因的85%以上［3-4］。

系统发生单相接地时，会对系统运行、设备及人身安全都会带来负面影响，具体情况如表1所示。

表1 单相接地故障的影响

针对不同的单相接地故障，表现特征主要有：1）当发生单相不完全接地时（通过高电阻或电弧接地），故障相电压降低，非故障相电压升高（但达不到线电压），电压继电器动作，发出接地信号；2）单相完全接地时，故障相电压为零，非故障相电压升高至线电压。此时电压互感器开口三角处出现100 V电压，电压继电器动作，发出接地信号。

实际电网运行过程中，当中性点非直接接地系统发生单相接地故障时，常伴有警铃响、光字牌亮、主站监控母线电压异常等警示信息或信号。

表2 单相接地故障接地状态判断分析

根据单相接地故障时的表现特征，可对故障接地状态进行初步判断和分析，如表2所示，由此为快速查出接地故障提供参考依据。

1.2 防范处理措施

对配电线路定期进行巡视，重点查看导线与树木、建筑物的距离，电杆顶端是否有鸟窝，导线的绑扎或固定是否牢固，绝缘子固定螺栓是否松脱，横担、拉带螺栓是否松脱，拉线是否断裂或破股，导线弧垂是否过大或过小等。

对配电线路上的绝缘子、熔断器、避雷器等设备定期进行绝缘测试，及时更换不合格的设备。

对配电变压器定期进行试验，对不合格的配电变压器进行维修或更换。

在配电线路上加装熔断器，缩小故障范围，减少停电面积和停电时间，有利于快速查找故障点。

在配电线路上使用高一电压等级的绝缘子，提高配电网绝缘强度。

线路接地时，运行人员针对故障线路处理的常用方法［6-8］。

1）试拉法。根据站内选线装置对选定的故障线路进行试拉，通过操作前后线路接地是否消失来确定接地点的所在范围和故障线路。该方法会造成某些非故障线路的暂时停电，同时对开关的重复开断操作将对设备产生冲击，影响使用寿命。

2）经验判定法。一般情况下，接到查线通知后，有经验的运行人员会首先分析故障线路的基本情况（线路环境和历史运行情况等），判定可能引起的接地点，然后去现场进行确认。否则需直接将运行人员分组对线路进行逐杆设备巡视，直至发现接地点。该方法对巡线人员的要求较高，需要较强的业务水平和能力，但无法有效应对意外情况。

3）绝缘摇测判定法。针对电缆的单相接地故障，通过巡线难以发现明显的故障点，需要采用绝缘遥测的方法进行判定，包括线路整体绝缘摇测法（适用于长度较短，配电变压器数量较少）和线路绝缘抽查摇测法。

其中，试拉法为单相接地故障处理过程中的关键方法，其技术重点是站内选线装置的准确性，小电流接地系统发生单相接地故障时，理论上故障线路与非故障线路零序电流之间有一定差别，基于这些差别可以实现故障选线。目前针对单相接地故障的选线方法主要包括稳态分量法，暂态分量法和注入信号法，如表3所示。

表3 单相接地故障接地的主要选线方法

1.3 实例分析

以济南电网实际接地故障为例，说明试拉法的使用过程。3月9日晚义和庄站发生10 kV义江线跳闸事故，重合成功后10 kV II母线A相接地。

1）根据义和庄站选线装置，选线义组线。

2）依次试拉义组线、义安线、义农线、义通线、轻铃线、小鸭线、义江线，即将10 kV II母线所有出线依次试拉后（每次试拉后再合上开关），接地未消失，由此判断不是单条线路接地故障。

3）重启选线装置后选线义江线，站内设备无异常，拉开义江线019开关，接地未消失（不再合开关）；拉开义组线025开关，接地未消失；拉开义通线026开关，10 kV II母线接地复归。由此判断上述义通线发生A相接地故障。

4）合上义组线025开关，未发接地信号；合上义江线019开关，10 kV II母线A相接地；即令拉开义江线019开关，10 kV II母线接地复归。由此判断义江线为另一条故障线路。

5）合上义通线026开关，10kVII母线A相接地，拉开义通线FXK01Z分支箱3号开关，接地消失，判断为该开关后段故障。

6）拉开义江线FXK02东支3号开关分段开关，合上义江线019开关送电良好。

7）经巡视检查发现义江线FXK02东支56号杆分段开关在分位。合上义江线FXK02东支3号开关分段开关，送电良好。判断故障段为FXK02东支56号杆后段，要求现场人员重点巡视。

通过上述过程可以判断出引起接地故障的具体区段。这是一起典型的不同线路同相同时接地故障情况，处理过程复杂，特别是配网线路分段开关需现场操作或现场确认，使得从故障发生到确定故障区段整个过程耗时约15 h。统计表明，当前的接地选线装置在判断单条线路接地故障的准确率能达到90%以上，但是若确定具体故障区段，仍需依靠分段试拉的方法进行确定，且由于当前智能配网分段开关的遥控可靠性仍需进一步校验，造成每次操作都需要现场确认，降低了工作效率。因此，需要针对单相接地故障时的主要电气量变化进行分析，为电网智能化改造中的故障定位特别是接地故障时的定位提供理论支持。

2 单相接地故障的短路电流计算

如图1所示为单相接地短路故障的电路示意图，其中，Zl为线路阻抗，Zf为单相接地短路阻抗；ZN为中性点接地阻抗，Zg为每相导线对地等效电抗。

图1 单相接地短路故障电路示意图

2.1 对称分量法

根据对称分量法［9］，结合单相短路的边界条件可知复合序网图如图2所示。

图2 单相接地时短路复合序网图

由上述复合序网图可列出电压平衡方程为

边界条件为

联立式（1）和式（2）可得

2.2 不对称三相电路分析法

对N点列节点电压方程为

式中：Z1=Zg∥（Zl+Zg∥Zl），Z2=Zg∥（Zl+Zg）。

对A相电压为

f点电压为

联立上述两式得为

2.3 戴维南定理分析法

等效阻抗为

如图3所示戴维南定理得短路电流为

图3 戴维南等效电路

采用对称分量法进行单相接地短路电流计算时，需要用变换矩阵进行相模变换求出正、负、零序电压、电流和阻抗等参数，代入相应方程求得短路电流；采用不对称三相电路分析法计算时，需要首先确定中性点N的电压，然后根据电路原理进行计算；而采用戴维南定理分析法时，需要在系统等值电路的基础上求出短路点f的戴维南等效电源和等效阻抗两个参数，其中等效电源的取值为系统正常时f点的电压，而等效电抗参数则可直接从系统等值电路中得出。由上可知在不同的基础数据条件下计算短路电流时，应采取不同的计算方法。

3 非故障相电压和电容电流分析

3.1 电压分析

中性点不接地系统正常运行时，各相对地电压是对称的，中性点对地电压为零，电网中无零序电压，每个相对地电压就等于相电压。

当中性点不接地系统发生的单相接地故障为完全接地，即金属性接地时，接地处的电阻近似等于零。以图1所示，A相f点发生金属性接地时，故障相的对地电压为0（忽略线路压降），则有

非故障相B相和C相的对地电压分别为

由式（12）可知，非故障相的对地电压升高到线电压，各相对地电压的相量关系如图4所示。

图4 单相接地电压的相量关系图

系统三相的线电压仍保持对称且大小不变。对接于线电压的用电设备工作并无影响，无须立即中断对用户供电。但应发出报警信号，以提醒监控员注意并汇报调度员及时处理。另外，当发生不完全接地（即经过接触电阻接地）时，故障相对地的电压

将大于0而小于相电压，未接地相对地电压小于线电压，接地电容电流也较小。

3.2 电容电流分析

中性点不接地系统正常运行情况下，中性点对地的电位偏移称为中性点位移，其程度对系统绝缘的运行条件具有重要影响。正常运行时，各相导线间的电容及其所引起的电容电流较小，可以不考虑［10］。正常运行时中性点N对地的电位为零，各相对地电压作用在各相的分布电容上，若正常运行时各相导线对地的电容相等并等于Cg，则各相对地电容电流的有效值也相等，且有

式中，Uph为相电压值。各相对地电容电流大小相等，相位相差120°，其电流相量和为零，因此大地回路中无电容电流。

发生单相接地故障时，由于非故障相A、B两相对地电压由正常时的相电压升高为故障后的线电压，对地的电容电流也相应增大1.732倍。三相对地电容电流之和不再等于零，大地中有容性电流流过，并通过接地点形成回路。

接地电流超前电压90°，为容性电流，其有效值为3ωCgUph，此时流过大地的电容电流，等于正常运行时一相对地电容电流的3倍。单相接地电容电流的实用计算公式为

式中：Ic为接地电流，A；U为系统线电压，kV；l1与l2分别为非故障段架空线路和电缆线路长度，km。

中性点不接地系统发生单相接地故障时，在接地处流过的电容电流会引起电弧，其强弱与接地电流大小成正比。当接地电流不大时，电弧将自行熄灭，接地故障随之消失，电网即可恢复正常运行；当单相接地电流超出允许值，电弧不易熄灭，易产生较高弧光间歇接地过电压，波及整个电网；单相接地电容电流过大，可能产生一种周期性熄灭与复燃的间歇性电弧，引起幅值为2.5～3倍相电压的过电压，当绝缘存在薄弱点时，可能发生击穿而造成短路，危及电网安全。

根据相关规程规定，3～10 kV的电力网单相接地故障电流大于30 A时应装设消弧线圈。消弧线圈的作用是当电网发生单相接地故障后，提供电感电流，补偿接地电容电流，减小接地电流，使故障相接地电弧两端的恢复电压速度降低，进而熄灭电弧。消弧线圈通常应接在系统中性点上，变电站主变10 kV侧常采用三角形接线，此时应通过接地变连接消弧线圈。工程上常通过脱谐度V描述消弧线圈的调谐程度

式中，IL为电感电流。当V=0时，称为全补偿，当V＞0时为欠补偿，V＜0时为过补偿。理论上脱谐度绝对值越小越好，即为全补偿状态。但电网正常运行时处于小脱谐度的消弧线圈易产生各种谐振过电压。因此电网发生单相接地故障时，要求消弧线圈的脱谐度越小越好达到全补偿；电网正常运行时，要求消弧线圈的脱谐度越大越好，最好退出运行。

4 结语

中性点不接地系统中，单相接地故障是配电系统中最常见的故障，虽然故障后系统允许短时运行而不切除设备，但是长时间运行仍会对系统带来隐患。本文首先分析了单相故障发生的原因，从变电设备和配电网运行等多方面说明了单相接地故障的危害及影响；详细阐述了不同类型单相接地故障的主要特征、判断方法以及预防处理措施，济南电网的实际案例说明了故障处理方法的有效性；其次分析研究了单相接地故障时各主要电气量的变化情况，对比阐述了3种不同的短路电流计算方法，包括对称分量法、节点电压法和戴维南等值定理；分析了单相接地故障时非故障相电压的大小和特征，对正常运行和单相接地故障时的电容电流分别进行研究计算，提出针对电容电流的处理措施和补偿原则。通过深入研究单相接地故障后系统中各电气量的变化情况，为下一步针对单相接地时的故障定位研究奠定基础，进而为调度运行人员提供有效的决策支持，提高故障处理的效率和速度。

［1］苗友忠，孙雅明，杨华.中性点不接地配电系统馈线单相接地故障的暂态电流保护新原理［J］.中国电机工程学报，2004，24（2）：28-32.

［2］李孟秋，王耀南，王辉，等.小电流接地系统单相接地故障点探测方法的研究［J］.中国电机工程学报，2001，21（10）：6-9.

［3］齐郑，杨以涵.中性点非有效接地系统单相接地选线技术分析［J］.电力系统自动化，2004，28（14）：1-5.

［4］Hanninen E，Lehtonen M.Characteristics of earth faultsin electrical distribution networks with high impedance earthing［J］. Electric Power System Research，1998，44（3）：155-161.

［5］IEEE std 142-1991 IEEE recommended practice for grounding of industrial and commercial power system［S］，1992.

［6］薛永端，吴敏，王俊江，等.一种电压型配电网单相接地故障处理方法［J］.电力系统自动化，2002，26（12）：68-71.

［7］DONG X，SHI S.Identifying single-phase-to-ground fault feeder in neutral non-effectively grounded distribution system using wavelet transform.IEEE Transactions on Power Delivery，2008，23（4）：1 829-1 837.

［8］Assef Y，Bastard P，Meunier M.Artificial neural networks for single phase fault detection in resonant grounded power distribution syst ems［C］／／Proceedings of Transmission and Distribution Conference.Los Angeles，California，USA：IEEE，1996：566-572.

［9］夏道止.电力系统分析（下册）［M］.北京：中国电力出版社，1995.

［10］Tang Yi.A complete set of automatic compensation equipment of a capacitive charging current in application of a medium-voltage power system.Electric Power System Research，1997，41（1）：35-41.

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，工程师，主要从事电网调度与控制的相关工作；

瞿寒冰（1985—），男，工程师，博士，主要从事电网调度与控制的相关工作。