10kV线路单相接地故障论析

吴国强，张 浩，张 磊，钟 中

0 引言

电力系统运行中要求不间断的对用户供电，以保证社会正常生产的需要.但是由于电力系统分布范围广，涉及设备数量多，在运行过程中难免会出现各类型的故障，其中最常见的是单相接地故障［1］.

电力系统按照不同的接地方式［2］，可以分为大电流接地系统（包括经电抗接地、低阻接地和直接接地），小电流接地系统（包括不接地、高阻接地和经消弧线圈接地）.在10kV电压等级中，电力系统较多采用的运行方式为中性点不接地或经消弧线圈接地，也就是小电流接地系统.单相接地是小电流接地系统中常见的故障，尤其在雨雪、大风等恶劣天气下，更容易出现单相接地故障.如果在发生单相接地故障后没有及时排除故障，对电力网络和设备的安全经济运行会产生严重的影响［3］.本文通过某变电站一起10kV线路单相接地故障引起母线电压互感器爆炸事件，详细阐述10kV线路单相接地故障对供电系统产生的危害，并提出了相应的故障处理和整改防范措施.

1 故障概况

某110kV变电站10kV侧主接线单母线分段接线.10kVⅠ段、Ⅱ、Ⅳ段母线联络运行，10kV出线6条及10kVⅡ段母线PT均处于运行状态.故障概述如下：某日晚18时20分，某10kV线路电线杆被汽车撞断，造成单相接地，该110kV变电站10kVⅡ段母线电压出现异常；晚19时19分，10kVⅡ段母线电压互感器发生爆炸，＃2主变10千伏Ⅱ段开关保护动作，跳开＃2主变10千伏Ⅱ段开关，10千伏Ⅱ段母线失电；晚22时09分，初步完成10kV开关室内所有设备受损情况检查，发现10kVⅡ段母线电压互感器、某10kV线路、10kV 2号接地变3个间隔损毁严重.

2 故障分析

从事故发生时所记录的电压数值来看，系统发生了非金属性单相接地，10kVⅡ段母线的B相电压事故时已经降为2.92 k V，A、C相电压分别升高至7.96 k V和8.11 k V（由Ⅱ段母线主PT的0.5级绕组回路测得），零序电压互感器承受的电压为UN0＝2 k V，因为Ⅱ段母线采用的电压互感器为4PT防铁磁谐振互感器，则三相主电压互感器所承受的电压值分别为：

从上式（1）中电压值可以看到，在发生接地事故时，4PT的电压互感器应该还是正常的，零序电压互感器对三相的主电压互感器起到了保护作用.但是由于事故持续时间较长，在接地发生59 min之后，该电压互感器烧毁.

从事故中我们可以发现三相主电压互感器相对完好，但是，中间的零序电压互感器受损情况比较严重，出现了击穿的情况.通过对其进一步的解剖，发现其一次绕组有明显的热击穿.由于该站采用的零序电压互感器为半绝缘式，其漆包线的绝缘容易受到原材料的绝缘性能的影响.从烧毁现象看，互感器在非金属性接地时电弧消失瞬间产生的超低频振荡（17 Hz～5 Hz）下，铁芯过励磁，快速饱和，短时间可能达到上百安培励磁电流.

根据铁心磁密公式：

式（2）中：B为磁场密度；U2为实际二次电压；f为频率；Ac为铁心截面积；N2为二次匝数.

当系统发生1／3次分频谐振时，磁场密度B会增大3倍，此时在低电压下，互感器铁心发生饱和，导致励磁电流大幅度增加，从而铁心发热导致互感器烧毁.

另一方面，当单相接地发生后，Ⅱ段母线上随调式消弧线圈动作，接近全部补偿了A、C相往接地点注入的电容电流，由消弧线圈记录仪可知电容电流为32.3 A、补偿电流为33.3 A，残流为1 A，接近了谐振点.在此接近谐振补偿下暂态过程的过电压水平可以达到2.3 p.u.使得A、C两相电压互感器饱和，励磁电流急剧上升，故障励磁电流将连接铜排烧断，最后发展成相间短路对手车旁板等接地体放电，造成整个电压互感器柜爆燃.

根据以上分析，本次单相接地导致电压互感器爆炸事件的主要原因可以概括为以下几个方面：① 线路单相接地导致产生过电压［4］；② 零序电压互感器为半绝缘式，长时间承受过电压，最终导致绝缘性能被破坏，发生击穿；③ 消弧线圈补偿度设置使得接地时过于接近谐振点.

3 防范措施

在电力系统规模日益庞大的今天，10kV配电侧出线数量较多，无法完全避免单相接地事故的发生.因此，如何保证在10kV线路发生单相接地故障时，系统仍旧能够安全稳定的运行，是电力系统面临的一个重要的问题.

针对该次事故所反映出来的问题，可以采取的主要防范措施有四方面.

3.1 提高零序电压互感器的耐受水平，半绝缘升级为全绝缘

原先该站所涉及的零序电压互感器为半绝缘型，型号参数为：JDZX16－10N 10／／0.1／／0.1 k V 0.5／3 P 30／50 VA.事后，对其进行了升级由JDZX16－10N 改为全绝缘的JDZX16－10W 10／／0.1／／0.1 0.5／3 P 50／50 VA，该互感器的额定变比不变，其中0.5级容量由30 VA改为50 VA，一次绕组线径由0.16改为0.21，导线截面积提高了70%，最大允许过电压因数可由1.9倍提高到2.3倍 ，其额定励磁电流值在132 V点（2.3倍）时可以控制在小于0.5 A.

3.2 调整消弧线圈的补偿度

事故中消弧线圈的补偿度调整后，几乎全部补偿了A、C相往接地点注入的电容电流，以致接近了谐振点.适当对消弧线圈的补偿度进行调整，偏离谐振点，使其脱谐度保持在5%～10%，残流小于5 A的区间.降低在补偿下发生暂态过电压的概率.

3.3 优化4PT的接线方式

优化前4PT的接线方式采用的是图1的接线方式，在此接线方式下，电压互感器的开口三角回路是短接的.三相的电压互感器和零序互感器分别承担着对正序电压和零序电压的测量作用.而由于三相电压互感器零序阻抗被短路，削弱了对超低频振荡的抑制作用，容易造成回路里电流过大而超出绕组的热容量.图2为优化后的4PT接线方式，其特点是将三相主电压互感器的二次侧的闭合三角形绕组打开，然后再与单相零序电压互感器的剩余绕组正向串联，用以代替原补偿绕组测量零序电压的功能，增加三相电压互感器零序阻抗.其中，关键要保持三相主电压互感器的零序变比和单相零序绕组的零序变比一致.

3.4 小车式4PT升级为固定式4PT

在发生之前，变电站的10kV母线电压互感器采用的是小车的形式，三相的电压互感器分别安装于小车之上.由于小车本身结构需要占用部分的空间，而10kV开关柜里本身空间比较紧凑，导致三个电压互感器之间的电气距离较小，在长时间过电压的情况下容易出现绝缘性能下降.在变电站发生爆炸之后，根据现场分析，我们对10kV电压互感器柜进行了改造，放弃原有的小车形式，采用三个电压互感器坐地固定的形式.

4 结语

本文通过对变电站中10kV电压互感器发生爆炸事件的过程和原因进行分析，并针对目前存在的一些问题，提出了相关的解决措施.这些措施的应用可以有效的降低单相接地时过电压对电网设备的危害，提高了电力系统和变电设备的可靠性.

［1］肖英.10kV 单相接地电压异常情况分析及处理［J］.电工技术，2014（7）：40－41.

［2］李景禄，周羽生.关于配电网中性点接地方式的探讨［J］.电力自动化设备，2004，24（8）：85－86，94.

［3］卢继平，董莉娜.馈线数对10kV系统单相接地故障选线的影响［J］.高电压技术，2009，35（12）：3 000－3 006.

［4］贺要锋，商建华，封晓东，等.关于小电流接地系统中谐振过电压的分析与探讨［J］.继电器，2006，34（23）：66－69.