小电流接地系统电压判定方法分析

兰　岚

（国网江苏省电力公司南京供电公司，江苏 南京　210019）

小电流接地系统电压判定方法分析

兰岚

（国网江苏省电力公司南京供电公司，江苏 南京210019）

针对小电流接地系统中存在的接地、断线、铁磁谐振、压变熔丝熔断、对地电容不对称、耦合零序电压等异常现象，提出了基于最大和与最小差的小电流接地系统电压判定方法，并对所提的电压判定方法进行了实际应用，进一步总结了电压判定方法失效的主要原因，为调度员快速判断电压异常原因提供了借鉴。

小电流接地系统；最大和；最小差；电压判定

0　引言

6-35 kV配电网通常采用中性点非有效接地方式（即小电流接地系统），在发生单相接地故障（占线路总故障的70 %-80 %）后，因不构成短路回路，线电压保持对称，不影响对用户的供电，因此不必立即切除故障线路，允许带电运行2 h。

实际电网运行中，小电流接地系统发生单相接地故障时一相电压为零，另两相电压升高为线电压的情况是一种理想的情况，而大多数情况下由于接地程度不同（过渡电阻），电压信息有时不明显。此外，系统发生铁磁谐振、断线等异常时，也会伴有一定的电压异常，只要电网三相对地电压不对称使得中性点发生位移，位移电压达到接地监视装置的整定值（二次值一般整定为15-30 V），即发出接地告警。

对电网而言，不论是接地，还是断线、铁磁谐振、压变熔丝熔断、对地电容不对称、耦合零序电压，均是不正常的运行状态。尤其在接地故障下故障点存在电弧，可能引发火灾事故，健全相过电压可能损坏绝缘并引发相间故障。

为此，配网调度员需从电压信息中准确判断产生电压异常的原因，判定是否为接地故障，进而采取相应的处理措施。目前，小电流接地系统电压主要依靠调度员的工作经验进行判定。以下从已有的配电网电压异常现象分析结果入手，分析接地故障及各类假接地的本质区别，提出基于最大和与最小差的小电流接地系统电压判定方法，为调度员快速判断电压异常原因提供必要的参考。

1　小电流接地系统异常状态分析

1.1单相接地

以中性点不接地系统发生A相接地为例，此时中性点位移电压公式为：

图1　A相接地故障时三相电压及中性点电压相量

为表示出各相电压的大小关系，引入表示接地程度的接地系数K，则有：

式（2）中：Ud0为中性点位移电压值；UA0为故障前相电压值；UAd，UBd，UCd为故障后三相电压值；K为接地系数；θ为A0与d0夹角。

K越小，表明接地越不明显，过渡电阻越大。A相接地故障时，三相电压大小随K的变化规律如图2所示。

图2　A相接地故障时三相电压随K的变化规律

由图2可知，A相接地故障时，C相电压总是高于A，B相电压。以A→B→C→A为序，则相电压最高相的下一相即为接地相。

如果中性点经消弧线圈接地，则式（1）中需考虑消弧线圈电感对电容的补偿，即：

式（3）中：L为消弧线圈电感值，ω为电流角频率配电网中通常采用过补偿，因此有：

故中性点经消弧线圈接地时，图1中d点运动轨迹将在以OA为直径的左半圆，此时B相电压总是高于A，C相电压。以A→B→C→A为序，则相电压最高相的上一相即为接地相。

1.2线路一相断线

线路发生A相断线但不接地时，A相对地电容减小，从而引起中性点电压偏移。此时，中性点位移电压公式为：

式（5）中：CA为断线后A相对地电容，CB，CC为B，C相对地电容，CB=CC，α为A，B，C相之间相角差的向量，幅值为1，角度为120°。

由此可得出，A相断线时三相电压及中性点电压相量，如图3所示。

图3　A相断线时三相电压及中性点电压相量图

为表示出各相电压的大小关系，仍引入反映断线程度的系数K，则有：

K越小，表明断线越不明显，越靠近线路末端。

A相断线时，三相电压随K的变化规律如图4所示。

由图4可知，A相断线时，A相电压总是高于B，C相电压，且B，C相电压总是相同。因此，相电压最高相即为断线相。

图4　A相断线时三相电压随K的变化规律

1.3线路两相断线

线路发生B，C相断线但不接地时，B，C相对地电容减少，从而引起中性点电压偏移。此时，中性点位移电压公式为：

式（7）中：CA为A相对地电容；CB，CC为断线后B，C相对地电容，CB=CC；α为A，B，C相之间相角差的向量，幅值为1，角度为120°。

由此可得出，B，C相断线时三相电压及中性点电压相量图，如图5所示。

图5　BC相断线时三相电压及中性点电压相量图

K越小，表明断线越不明显，越靠近线路末端。B，C相断线时，三相电压随K的变化规律如图6所示。

图6　B，C相断线时三相电压随K的变化规律

由图6可知，B，C相断线故障时，A相电压总是低于B，C相电压，且B，C相电压总是相同。因此相电压最低相即为非断线相。

1.4铁磁谐振

铁磁谐振是由于变压器、电压互感器等铁磁电感的饱和作用所引起的持续性、高幅值谐振过电压现象。谐振回路中铁芯电感为非线性的，电感量随电流增大、铁芯饱和而趋于平稳。

铁磁谐振需要一定的激发条件使电压、电流幅值从正常工作状态转移到谐振状态，如线路瞬时弧光接地或断路器合闸时电源电压暂时升高。激发因素消失后，铁磁谐振存在自保持现象，过电压仍然可以继续长期存在。

由于铁磁谐振与设备参数、电气接线有密切关系，量化起来较为困难，现进行定性分析。由于对地电容和互感器的参数不同，可能产生基波谐振、高频谐波谐振和分频谐波谐振3种频率的谐振。3种频率共振的表现形式如下：

（1） 当发生基频谐振时，一相对地电压降低，两相对地电压升高且超过线电压，或者二相电压降低，一相电压升高，以前者为常见；

（2） 当发生高频谐振时，三相电压均升高，且过电压很大；

（3） 当发生分频谐振时，三相电压均升高，但过电压较小。

1.5电压互感器熔丝熔断

在电网运行过程中，雷击、铁磁谐振及短路都可能产生过电压，从而使电压互感器熔丝熔断。当高压熔丝熔断时，正常相的电压指示正常，熔断相考虑存在感应电压，熔断相电压不为0，但比正常指示小得多。当低压熔丝熔断时，正常相的电压指示正常，熔断相电压降低为0。

1.6耦合电容传递零序电压

变压器高压侧存在的不对称电压经变压器绕组间的电容传递至低压侧，使低压侧产生电压偏移，当零序电压达到整定值时，即出现接地告警。此外，平行线路间的电容传递，也会使线路过电压传递给正常线路，引起正常线路电压偏移。

这一类现象所引起的电压规律不明显，只是呈现三相电压不同，但可依据高电压等级母线电压及附近变电站同电压等级母线电压的情况进行判断，如均无异常，可排除耦合电容传递零序电压引起的电压波动。

1.7短时电压异常

开关三相动作不同时会造成三相对地电容短时间不平衡，从而出现短时电压偏移。雷雨天气时雷电感应过电压类似于阶跃波，使得零序电压中低频分量增大，也可能发短时接地告警。但这些电压异常现象时间较短，易于判断，对电网影响不大。

2　小电流接地系统电压判定原理

基于上述分析，在理想情况下，可依据电压变化判定系统异常。若定义最大和UCd为三相电压中任两相和的最大值，最小差Ur为三相电压中任两相差的绝对值最小值，取标幺值，基准值为相电压。那么，可根据表1的数值来判断各类异常。

但在实际情况下，会存在如下问题。

（1） 临界点的判断将存在误差。由于接地程度或断线程度不会太轻，因此认为K＞0.2，即接地、断线时最大和将大于2.1。

表1　各类异常现象对应的最大和、最小差

（2） 正常情况下电网允许电压波动在±5 %内，因此不可能存在绝对0。为此，引入制动原理，借助最小差来实现0的测定。同时，当Ur在0附近时，判定准确率将降低，为此，针对边界区域补充了验证算法，即，

对于一相断线故障，应满足：

对于单相接地故障，应满足：

（3） 单相接地在K=0，0.5，1时，与断线所呈现的电压特征相近，无法判别。

由此可以得出电压判定流程，如图7所示。

3　小电流接地系统电压判定方法的实际应用

为检验上述电压判定方法的适用性，对某配电网2015年178次电压异常数据进行分析判定，并比对现场实际的查线结果，发现共145次判定正确，正确率为81.46 %。

实际应用的判定界面如图8所示，当值调度员只需在界面上输入三相电压值和电压等级，即可初步判定系统异常情况。10组判定正确的情况如表2所示，5组判定错误的情况如表3所示。

由表2和表3可以看出，电压判定方法失效主要来自以下原因：

（1） 所分析的异常因素不包括实际现场的设备缺陷原因，如总控遥测板损坏等；

（2） 在判定的临界处，判定准确率低，如Ucd≈kUr时，接地与断线易判错；Ucd≈2.1时，接地与熔丝熔断易判错；

（3） 存在系统异常时现场采集到的电压与所对应理论分析的电压不符合的情况，如系统谐振时未出现显著超过线电压的情况。

图7　电压判定流程

图8　电压判定界面

4　结论

在小电流接地系统中，单相接地故障、断线故障所呈现的母线电压与接地、断线程度存在函数关系；电压互感器熔丝熔断、耦合电容传递零序电压所呈现的电压特征明显，易识别；谐振时所呈现的电压变化情况复杂，但多数情况下特征明显。

基于上述情况提出了基于最大和与最小差的电压判定方法，便于调度员通过简单的计算初步判定系统是否发生了单相接地、断线、压变熔丝断、谐振等异常。在实际应用中，该方法对大部分的电压异常情况诊断准确，但在判定方法的临界值处应用效果欠佳，还有待完善。

1 宗剑，牟龙华，张鑫，等.配电网单相接地故障类型及程度的判据［J］.电力系统及其自动化学报，2004，16（4）：27-29.

2 赵有铖，卢继平，邓恩宏，等.基于MATLAB的配电网异常状态分析［J］.重庆大学学报：自然科学版，2004，27（1）：45-48.

表2　基于最大和与最小差的小电流接地系统电压判定正确的举例

表3　基于最大和与最小差的小电流接地系统电压判定错误的举例

3 亓富军，田洪东，任振洲，等.配电网两类接地故障异常电压辨析［J］.中国新通信，2013，15（2）：12-13.

4 国家电网公司人力资源部.国家电网公司生产技能人员职业能力培训专用教材：电网调度［M］.北京：中国电力出版社，2010.

国家电网公司圆满完成G20峰会重要保电任务

江南忆，最忆是杭州。当二十国领导人和与会嘉宾陆续离开杭州，带走的除了中国给出的创新经济增长药方，脑海中也一定留下了关于华美杭州的印记。而正是电赋予了这座城市神奇的流光溢彩。9月5日，G20峰会宣布闭幕时，国家电网公司驻守在保电一线的所有值守人员在紧绷了多日后终于略微松了一口气：最关键的保电任务顺利完成，“设备零故障、电网零闪动、工作零差错、服务零投诉”的目标圆满达成。峰会期间，杭州电网运行正常，浙江电网运行正常，保电客户供用电正常，未发生峰会保电之外的重大突发应急事件。

这是一场指挥有序、步调一致的全网行动。面对重大的政治保电任务，国家电网公司高度重视峰会保电工作，公司董事长、党组书记舒印彪，总经理、党组副书记寇伟，副总经理、党组成员栾军等先后到G20峰会保电现场检查指导，部署保电工作。公司明确“全网保浙江、浙江保杭州、杭州保核心”的原则，统筹调集全网资源，调配有关专家和应急设备全力支援浙江。

国网浙江省电力公司实行省市两级合署办公，充分发挥“统一指挥、政令畅通、快速反应、协同高效”的峰会电力保障指挥体系作用，由峰会电力保障总指挥部统领核心区保电和外围保电等各项工作。峰会保电期间，国网浙江省电力公司应用了多重安全防护下的峰会调度指挥技术支撑系统和智能保电指挥系统，可视化平台上实现应急指挥、实时监视、辅助分析一体操作，确保了指挥体系的畅通有序。

这是一场准备充分、连续作战的坚定行动。全体保电人员按运维、信通、营销等专业，分列十余个战区，紧密协作，各司其职，发扬“保电有我、有我必胜”的连续作战精神，确保了各项重要活动用电的万无一失。来自萧山供电公司的李国庆、陆岷等就驻守在峰会主会场——杭州国际博览中心。陆岷负责蹲点看护的配电间，直接为核心会议室供电，“近在咫尺，心情很激动，但盯着设备眼睛都不敢眨一下。”李国庆则像排球比赛中的“自由人”，负责巡视主会场各处保电点，一旦某处出现异常，他就要立即前往协助处理。

在每个保电场所，国网浙江省电力公司为值守人员准备一本“一馆一册”汇编资料，详细记载场馆内所有供配电设备情况，被电力保障人员称为“绿宝书”。李国庆说，会期只有2天，但他们已经准备了很久，对杭州电网、对自己、对公司有必胜的信心。

（来源：国家电网报 2016-09-07）

2016-05-22。

兰岚（1988-），女，工程师，主要从事电力系统调度工作，email：lanlanziyu@126.com。