小电流接地系统单相接地故障查找方法研究

王智峰 李白萍 潘 强 杨小勇 余 曦

（1. 陕西省地方电力（集团）有限公司三原县供电分公司 2. 西安科技大学）

0 引言

大量实例表明，运用科学规范的故障查找方法，是提高小电流接地系统单相接地故障检修效率的主要途径，同时对提高电力系统运行的稳定性和质量也有非常重要的意义。但我国对此方面的研究还有待进一步深入。因此，本文基于具体的试验项目，对小电流接地系统单相接地故障查找方法做了如下研究。

1 单相接地故障试验

1.1 实验目的

2017年9月13日某供电公司开展了电网中性点不完全接地运行时的单相接地试验，此次试验的主要目的是验证采用信号注入法判断单相接地时，信号源和故障指示器对故障点判断的准确性，在克服单相接地故障判定难的困难上寻求解决办法。

1.2 试验环境

试验线路系统图如图1所示。

从图 1中可以清楚看出，本次试验的接地点为27号杆，采用断路器投切模拟接地装置（电阻、燃弧装置）进行相关实验。

1.3 试验过程

第一次，接地试验为：A相400Ω电阻接地，并根据试验具体试验情况，生成试验录波图，具体如图2所示。

图 2中上部分的图形表示 A相 400Ω电阻接地后，电路中电流变化图，下部分的图形表示A相400Ω电阻接地后电路中电场变化。从图 2中可以清楚看出，当A相400Ω电阻接地时，电场A明显下降，此时故障指示器正常触发，同时检测到 8脉冲特征波形，故障点前三组故障指示器均能正确动作，而故障点和分支故障指示器并没有发生误动现象。

图1 试验线路系统图

图2 A相400Ω电阻接地试验录波图

第二次试验，C相800Ω电阻接地。试验结果表示，当C相800Ω接地时，接地相的电场持续下降，故障相指示器可以正确触发，但一组指示器中由于注入了相应的电流，导致其处于动作临界值而未动作。

第三次试验，B相燃弧试验，在此项试验中，弧光不稳定，相应的信号源也没有启动，但电场波动比较频繁，由正常880变化到弧光过程中，即1096～1908之间。波动稳态电流有效值变动较大，最大36.6A，最小1.2A。试验结果表示，在三相电场波动都比较大，电流只有接地相电流波动较大，由于试验系统为小电流接地系统，零序电压的波动比较大，信号源并未监测到可靠性接地，也就无法判断出接地故障发生的具体位置。

2 小电流接地系统单相接地故障

小电流接地系统单相接地故障发生的主要原因是大地和中性点之间没有直接电气连接或者串联消弧线圈，所以当发生短路接地以后，产生的电流比较小，相应的保护装置也不需要进行动作跳闸，大大提高故障处理的效率和整个电力系统运行的稳定性。特别是在瞬时故障的条件下，发生短路的电位甚至可以实现灭弧恢复绝缘，也不需要专业人员采取处理措施，这一点对减少用户短时停电次数有非常积极的意义。大量实例表明，当小电流接地系统发生单相接地以后，虽然故障会导致电压因为接地而变为0，但其余两项的对地电压则升高倍。就上述试验而言，A、B、C三相之间的线电压时刻处于对称状态，因此，当小电流接地系统发生单相接地故障以后，可以允许其再持续工作1～2h。

就小电流接地系统中中性点不接的情况而言，发生单相接地故障时的具体情况如图3所示。

图3 中性点不接地系统的单相接地故障示意图

图3中的C1、C2、C3分别表示A、B、C三相电路的接地电容，但对非故障线路而言，A相电路中电流基本为零，而B相和C相本身就有相应的电容和电流[1]。这一点也就说明，非故障线路中零序电流即为其原本的电容电流，而对相应的故障线路而言，可以把整个系统中所有接地点作为一个广义节点，其他接地的电容电流皆流出线路，只有短路接地电流流入线路。从这一点中可以看出，故障线路中零序电流为其他非故障线路零序电流的向量和，其具体数值为全电力系统中所有非故障元件对地电容的总和，而电容性无功功率的方向为从线路流向母线，和非故障线路上的流向基本相反。

总而言之，小电流接地系统单相接地故障发生以后，零序分量分布的特点主要体现在以下几个方面：

从该试验项目的结论中可以看出，当小电流接地系统单相接地发生故障时，零序网络主要由同级电压网络中元件对地的等值电容共同构成通路，且网络中零阻抗的数值比较大。

在电力系统中一旦发生小电流接地系统单相接地发生故障，就相当于在故障点中产生了一个故障发生前电压相同但方向相反的零序电压，从而使得整个系统中均出现零序电压。

凡是在非故障元件中流过的零序电压，其具体数值与小电流接地系统本身的对地电容电流基本相同，且电容性无功功率的实际方向主要从线路流向母线[2]。

凡发生故障的元件中流过的零序电流，为全系统中非故障元件对地电容电流之和，其中无功功率的流向方向为从线路到母线。

3 小电流接地系统单相接地故障查找方法

就我国目前电力系统发展现状而言，小电流接地系统单相接地故障查找方法大体上可以分为三种，一种是通过肉眼巡视，一种是通过测试绝缘强度来判断发生故障的具体位置和原因，另外一种是辅助电源查找方法。

3.1 小电流接地系统单相接地故障的Matlab仿真

利用Simulink搭建一个10kV小电流接地配网系统。图4为中性点经消弧线圈接地系统。

图4 中性点经消弧线圈接地系统

假设系统在0.04s时在线A相1处发生单相接地故障。在中性点经消弧线圈接地系统中，按照110%过补偿考虑。对零序电流幅值比较法、零序电流比相法、首半波法进行了仿真分析，比较了各种方法的特点和适用范围。结果表明，从不接地系统和经消弧线圈接地系统中，正常线路总零序电流分量的方向和故障线路的暂态零序电流分量的方向相反。所以可以通过分析暂态零序电流分量的方向来区分故障线路和正常线路。

3.2 测试绝缘强度的方法

对故障设备外观正常，但内部损坏的故障设备而言，很难通过肉眼巡视的方法找到故障点。此时，仅凭肉眼巡视的方法，几乎不可能找到发生故障的具体位置。具体方法为：解开线路搭头，并把设备逐一退出电力系统，通过相应的绝缘表，对每台设备的绝缘强度进行逐一测试，从而找到发生故障的设备。此方法的劳动强度仍然很大、查找的时间也比较长、对供电设备的可靠性也有很大影响[3]。

3.3 辅助电源法

辅助电源法也被称之为电流循迹法，此方法检查电路故障的主要原理是：当故障线路停电，并且和系统相互隔离以后，对该路段故障相和大地之间施加相应的交流辅助电源，通过故障点形成回路，并在回路中形成相应模拟故障电流，通过绝缘杆式钳形电流表，对故障发生点系统中电流的流向进行分析，并逐步靠近故障点，即可确定发生故障点的具体位置。在具体应用过程中，辅助电源法大体上可以分为两大类，一类是中高频交流电源，通过特制的钳形电流表对电流进行测量，从而最大限度上降低工频感应电流的干扰。此种检测方法的主要优势是：仪器体积小、质量轻、便于携带。但仍然存在较大缺点，比如：现场施加电压只有100V左右，在具体测试中，允许通过的电流为10mA，在小电流接系统故障检测中效果欠佳。如果电力系统中电缆比较长，且电容比较大，则在相同电压下频率越高，电流越大，因此此方法故障检查的准确率相对比较低[4]。

另一种是低频交流电源，通过正弦波逆变器把直流12V的蓄电池，转变为220V的交流电源，然后通过交流恒流调压模块控制控升压变压器的电压上升到 2500V，则此时变压器输出功率可达到额定功率1000W。当发生单相接地故障时，输出电流会下降到0.4A，同时输出的电压也会迅速降低，从而起到保护电源的目的，此种故障查找方法的主要优点是测试电流比较稳定，故障查找效率高、准确率高，对电缆、电流、电容的影响度比较小，主要缺点是体积比较大，不利于随身携带。

4 结束语

综上所述，本文结合某电力企业的具体试验，对小电流接地系统单相接地故障查找方法做了深入研究，研究表明，暂态分量中包含丰富的故障信息，且其幅值比稳态分量的幅值要大很多，一般是几倍到几十倍，因而选取暂态分量更利于选线。在故障检测过程中，要先对故障进行全面分析，然后根据具体情况，选择与之相适的故障处理方法，才能最大限度提升故障处理的效率。

[1] 余乐, 吴月. 小电流接地系统单相接地故障选线方法研究[J]. 山东工业技术, 2017(23): 212-213.

[2] 孙德斌, 蔡其芬, 孙彤彤, 等. 小电流接地系统单相接地故障点查找方法[J]. 电世界, 2017, 58(5): 10-11.

[3] 张月光. 小电流接地系统单相接地故障测距方法探讨[J]. 上海节能, 2016(8): 423-428.

[4] 姜健, 鲍光海. 小电流接地系统单相接地故障选线方法综述[J]. 电气技术, 2015(12): 1-5.