配电网小电流接地系统典型故障分析与处理

鹿 优 ，徐 伟 ，李毅然

（1.国网技术学院，山东 泰安 271000；2.三峡大学，湖北 宜昌 443002）

0 引言

经济社会的高速发展对供电可靠性提出了更高的要求。目前，供电区域［1］按照供电可靠性要求以及负荷特点可划分为 A+、A、B、C、D、E 共六级，各个等级的供电区域在地理位置、网架结构、中性点接地方式、自动化及装备水平等方面具有相应标准。配电网的升级改造要充分考虑自身区域特点，选取合适的目标电网［2］结构，改善负荷转移能力和故障支撑能力。结合负荷特点、设备绝缘水、电缆化率、地理环境、线路故障特性等因素，A+、A、B区域为直辖市、省会、地级市的市区，配电网通常采用中性点经低电阻接地或经消弧线圈接地的方式；C、D、E区域通常为乡镇、农村和农牧区，地域广大、地理位置相对偏远，其35 kV、10 kV配电网通常采用中性点不接地方式，且在主变中性点部位预留安装消弧线圈的位置。受配电自动化水平限制，C、D、E区域的故障抢修工作量较大，要缩短故障处理时间，快速恢复供电，就要分析配电网小电流接地系统典型故障的特征和判断方法，并探讨其处理方法及过程。

1 小电流接地系统典型故障及传统的处理方式

单相接地故障在配电网故障中较为常见、占比较高，其处理方式是由配电网中性点接地方式决定的。长期以来，我国配电网中性点采用的经消弧线圈接地和不接地的方式是沿用了前苏联的模式和标准，当发生单相接地故障时，允许系统带故障继续运行2 h［3］。以往，对于配电网单相接地故障的处理要以人工拉路或装置选线的方式寻找故障线路，选线装置的准确率较低，选线结果仅可作为人工拉路的一种参考，但是人工拉路会造成正常运行配电线路的短时停电，而继续明确故障区段的过程又是非故障区域线路逐段停电的过程，所以人工拉路影响了非故障区域的正常供电。随着配网规模扩大，单相接地故障频繁引发安全事故，配电网在单相接地的异常状态下继续运行，已经影响了供电可靠性和配网的安全稳定。

2 配电网小电流接地系统永久性单相不完全接地故障分析

发生单相接地故障时，可以通过相电压遥测数据观察故障相。中性点经低电阻接地的情况，正常相电压不变，金属性接地时故障相电压为零，不完全接地时故障相电压降低。当发生单相永久性接地故障时，中性点经低电阻接地与不接地或经消弧线圈接地的根本区别在于，中性点经低电阻接地单项故障时的中性点电位不变，始终保持其接地电位，而中性点不接地或经消弧线圈接地单项故障时的中性点电位将发生偏移。以中性点不接地的配电网为例，分析单相接地故障的特征以及故障相的判别方法。

2.1 中性点不接地单相永久性接地故障建模

配电网中性点不接地，三相线路的相电压为UU、UV、UW，中性点的电位为 UNd，且 U、V、W 三相线路经过完全换位，即每相线路的对地电容一致，设为CU＝CV＝CW＝C。当W相发生永久性不完全接地故障时，如图1所示，其单相接地的过渡电阻为Rd，此时三相线路对地电压变为：

以单相接地故障点过渡电阻Rd为端口，对模型进行电路等效化简，则：

图1 中性点不接地配电网永久性单相不完全接地故障模型

可见，中性点不接地配电网出现永久性单相不完全接地故障时，中性点电位UNd与发生故障的W相相电压UW的关系为且接地故障点的过渡电阻Rd是决定两个电压关系的主要变量。如果过渡电阻Rd=0，则属于金属性单相接地故障，此时UNd=-UW，中性点电位与相电压大小相等；如果过渡电阻Rd∝∞，即单相对地绝缘良好，无接地故障，此时UNd=0。通过对两种极限情况的讨论可知，单相不完全接地故障时，过渡电阻将处于从0到∞的区间里，中性点电位也将发生偏移，介于0到相电压之间。在配电网故障中，永久性单相不完全接地故障的发生率较高，可以通过对电压相量特性的分析，找出故障判断方法。

2.2 电压相量特性分析及故障相判断方法

观察过渡电阻Rd的变化对中性点电位以及各相对地电压的影响。令X=3ωCRd，令则代入三相线路对地电压可得：

使用 MATLAB 绘制 UUd、UVd、UWd、UNd跟随 K 变化的曲线如图2所示。相量K与过渡电阻Rd是函数关系，该曲线能够体现出过渡电阻Rd对中性点电位以及各相对地电压的影响。从曲线变化情况可知，过渡电阻Rd从∞降低到0的过程，就是K相量从0增大到1的过程，在这一过程中，接地故障相电压降低，无故障的两相电压升高，中性点电位随着K相量的增大逐渐偏移，当过渡电阻Rd为0，即K相量为1时，中性点电位为相电压，符合金属性单相接地故障特征。但是，接地故障相的相电压在过渡电阻变化的过程中并非一直处于三相电压的最低值，所以电压最低的一相不一定是接地故障相。要判断故障相还要分析各电压的相量图［4］。由于UNd=K（-UW），所以K相量表征了中性点电位的偏移轨迹。

图2 中性点电位以及各相对地电压随相量K变化的曲线

将K相量代入UNd=K（-UW），可得中性点不接地配电网发生单相不完全接地故障时的各相电压相量图及中性点电位偏移轨迹，如图3（a）所示。中性点电位跟随过渡电阻Rd变化偏移的轨迹为以接地故障相相电压负相量（-UW）为直径的半圆，且位于顺时针一侧，单相接地故障引起中性点电位偏移，但线电压不变，如图3（b）所示。所以，配电网发生单相接地故障时并不影响用户供电，以往的规程是允许带故障运行2 h，然而，单相接地故障会引起一系列问题，如非接地相相电压升高至正常运行时的倍，单相接地故障的过电压容易形成相间短路［5］，接地故障点会造成人身伤亡事故等。所以，中性点不接地的配电网带单相永久性接地故障运行2 h已经不再符合安全稳定运行的要求。此时，判明故障相对配电网运维人员的缩短故障查找时间具有积极意义。单相接地故障发生后的各相对地电压的表达式可以调整为：

图3 中性点不接地配电网单相不完全接地故障的电压相量图

按照以上的电压相量表达式作相量图。W相为接地故障相，中性点电位负相量（－UNd）的轨迹是以相电压UW为直径的半圆，且位于相量UW的顺时针一侧，如图4所示。故障发生后各相对地电压的有效值为正常运行时的相电压末端到中性点电位负相量（－UNd）末端的长度，三相对地电压中，距离最长的是UVd，表示当W相发生永久性不完全接地故障时，电压最高相为V相。所以，当中性点不接地的配电网发生永久性单相不完全接地故障时，配网运维人员可以通过观察各相对地电压的遥测量直接判断接地故障相，判断方法为：依据三相交流电的正相序（U—V—W），接地故障相就是对地电压最高相的后一相。

图4 单相接地故障时三相对地电压的相量图

2.3 中性点经消弧线圈接地单相永久性接地故障相判断方法

上述分析方法主要针对配电网中性点不接地的情况，对于中性点经消弧线圈接地的情况也可用同样的方式推出其接地故障相的判断方法，区别在于，中性点经消弧线圈接地的情况要分过补偿和欠补偿两种情况讨论。采用过补偿运行方式的中性点经消弧线圈接地的配电网，发生单相永久性不完全接地故障时，判断故障相的方法是：依据三相交流电的正相序（U—V—W），接地故障相就是对地电压最高相的前一相；采用欠补偿运行方式的中性点经消弧线圈接地的配电网，发生单相永久性不完全接地故障时，判断故障相的方法是：依据三相交流电的正相序（U—V—W），接地故障相就是对地电压最高相的后一相，即与中性点不接地的情况判断方法相同。

3 配电网小电流接地系统单相接地故障的处理

3.1 异常运行到延时跳闸

配电网小电流接地系统发生的单相接地故障，其中多数为瞬时接地故障，而我国目前的配网运行环境下发生的瞬时接地故障比例更高。瞬时接地故障具有一过性，能够较快自行恢复正常运行状态。为躲过瞬时接地故障，线路开关的跳闸时间就应考虑延时。结合多国经验，通常最末级的接地跳闸时间不小于10 s，就能够避开绝大多数的瞬时接地故障。所以，配电网小电流接地系统发生单相接地故障后，线路开关将延时大于10 s后动作于跳闸。

3.2 配电自动化故障处理自动装置

在配电自动化建设和改造过程中，宜安装有效地站内选线装置，选用具有隔离功能的配电线路分段开关和联络开关，或选用能够检测单相接地的故障指示器，以便于判断、定位和隔离配电线路单相接地故障。为快速检测短路故障和单相接地故障、实现就近快速判断和隔离永久性单相接地故障，配电线路开关宜配置相应的电压、电流互感器（传感器）和终端，与变电站内的消弧、选线设备相配合。

3.3 故障选线选段定位隔离的主流技术

当配电网小电流接地系统发生永久性单相接地故障时，应按照“就近快速隔离”的处理原则，利用配电自动化系统快速检测判断故障线路及故障区段。可靠性较高的单相接地故障判别技术有：消弧线圈并联电阻、中性点经低励磁阻抗变压器接地保护（接地转移）、稳态零序方向判别、暂态零序信号判别、不平衡电流判别等。其中，消弧线圈并联电阻［6］是当接地故障发生时投入一个电阻与消弧线圈并联，以增大零序电流，用户选线或跳闸；中性点经低励磁阻抗变压器接地保护［7］是接地故障发生后，将站内同相母线经低阻抗变压器接地，减小接地故障点接地电流，利于消弧、选线，同时还可利用低阻抗变压器向线路注入信号，用户故障选段、定位；稳态零序方向判别［8］是发生单相接地故障时，变电站或线路开关通过分析零序电流方向，判断接地故障发生的区段，并跳闸隔离；暂态零序信号判别［9］是利用接地故障发生时的暂态零序信号参与故障区段判断；不平衡电流判别［10］是在线路开关处不采集电压信号而只是将三相电流信号分别采集后进行合成、分析，并利用分布式通信技术，不依赖主站实现接地故障区段的判别和隔离。其中，稳态零序方向判别、暂态零序信号判别与不平衡电流判别3种技术可以综合运用。

4 结束语

在世界上发达国家配电网的中压配网中，其中性点接地方式的选择也是各不相同，主要包含：直接接地、经电阻接地、经消弧线圈接地和不接地。当发生单相接地故障时，也都主要采取快速跳闸的方式以降低故障的影响，比较典型的做法是以零序方向保护的方法在变电站与用户侧跳闸［11］。当前，故障检测技术日趋成熟，准确率不断提高，可以投入应用，应针对配电网中性点不接地或经消弧线圈接地的特点，通过配置线路接地故障选线、接地故障区段判断和故障指示器等装置设备，从技术层面提高故障处理的科学性，增强供电可靠性和配电网自愈性。