35kV 单芯电缆线路接地短路事故分析

王智睿 周建伟 朱春涛 国网江苏省电力有限公司镇江供电分公司

近些年，随着我国能源全球化发展，配电网的建设与安全运行也越来越受到人们的关注，尤其是在35kV 电力供电或配电系统中，发生单相接地故障的概率较高，且当中性点发生单相接地故障时，相电压升高，可能引起线路绝缘破坏甚至被击穿，出现短路故障；如果故障点产生间歇性电弧，会引起谐振过电压，损坏或者烧毁电力系统设备，严重危及设备和人身安全，给配电网的安全经济运行带来重大影响。因此，电力系统工作或运行维护人员，必须掌握35kV 电力系统单相接地故障分析与处理方法，系统出现单相接地故障时需及时准确的找到故障点并予以切除，从而保证和维护电力系统安全经济运行和生产。一般地，单相接地故障可能出现的原因主要有：①线路或设备绝缘发生破坏，引起绝缘击穿接地，如配电变压器绕组绝缘破损、接地等；②线路遭外力破坏导致断线，如大风、覆冰舞动灾害天气；③恶劣复杂的外界自然环境，如雷击、鸟害、漂浮物、动物搭接、树枝等；④工作人员误操作。因此，针对不同的引起单相接地故障的原因需要采取相对应的措施，才能及时恢复系统的供电。

一、接地系统的分类

电力系统采用星形连接的发电机或变压器的中性点（一般认为发电机中性点不接地，通常指变压器的中性点）按照接地方式的不同，可以分为有效接地（大电流接地）和非有效接地（小电流接地）2 种，而我国电力系统中性点常见的接地方式有6 种，其中，大电流接地系统主要可以分为中性点有效接地和中性点全接地，以及中性点经小阻抗接地；小电流接地系统主要可以分为中性点不接地和中性点经消弧线圈接地，以及中性点经高阻抗接地。

（一）大电流接地系统

在中性点直接接地或经低阻抗接地的三相电力系统中，当发生单相接地故障时，接地短路电流很大，所以称为大电流接地系统。在电力系统中性点直接接地的三相电力系统，当发生单相接地故障时，可快速切除故障，安全性好，可靠性较差，中性点不发生漂移，中性点电压不变，绝缘按相电压考虑，绝缘成本低。一般在135kV 及以上系统或380/220V 的三相四线制系统，在大电流接地系统中则有X0/X1 ≤4～5，其中，X0 为系统零序电抗，X1 为系统正序电抗。

（二）小电流接地系统

在中性点不接地或经过消弧线圈或高阻抗接地的三相电力系统中，又可以称为中性点间接接地系统。当某一相发生接地故障时，由于接地相对地不能构成短路回路，故接地故障电流与负荷电流相比较小，所以把这种系统称为小电流接地系统。小电流接地系统可靠性高、经济性差，发生单相接地故障时，中性点会发生漂移，非故障相电压升高为线电压，可继续带电运行1～2h，绝缘按线电压考虑，绝缘成本高，并且在小电流接地系统中一般可以认为X0/X1＞4～5。

二、35kV 单芯电缆线路接地短路事故原因

（一）电压互感器二次辅助绕组接线错误损坏

电压互感器二次带有保险或者空气断路器短路保护，二次一般接用电压表、微机保护继电器等。如果接线错误会发生短路保险熔断或者开关跳闸，或者电压表及微机保护器电压显示异常，可以及时被发现改正。在DL/T516-2012《火力发电厂、变电站二次接线设计技术规程》中7.2.6 条，要求电压互感器二次辅助绕组接成开口三角的二次绕组不应装设熔断器或自动开关。对于开口三角一般接用零序电压表、XDL 或者XXQ 装置，系统正常运行时电压平衡开口三角电压为0，即使接线错误短路也不容易被发现，当开口三角出现电压时就容易烧坏电压互感器。

（二）角吴线故障原因分析

角吴线发生短路故障后，经巡线排查对怀疑故障点进行试验，于22：00 发现吴桥分支02T1 开关处有大块铁皮压住，即发生了单相金属性接地短路故障。紧急处理后，合闸送电成功。该线路目前自动化装置均为三遥功能，开关为负荷开关，主要用于运行监控，主站型自愈策略尚未投入运行。在故障发生时故障点前自动化开关均检测到故障电流，发出零序1 段告警信号并上送主站，其中角吴线角吴段#2 环网柜601、605 开关、角吴线角吴段#3 环网柜602 开关动作电流均在370A 左右，与变电站35kV 角吴线开关动作电流352A 基本吻合，由此表明应该没有问题。重合闸在故障后动作并未恢复供电，所以判断角吴线为永久性故障。经录波仪的数据显示，在发生金属性接地短路故障后，非故障相的电压最大被抬升至原电压的1.5 倍，这也证实了本文的理论猜想和故障原因分析的正确性。

三、35kV 单芯电缆线路接地短路故障处理措施

（一）单相接地故障排查

1）当系统出现某一相对地电压明显降低，另外两相对地电压升高为线电压，则这种情况视为单相接地故障。如果变电站母线出现排列不对称、跌落式熔断器发生熔断、倒闸操作出现不同期等，都会使得中性点电压因三相对地电容不平衡而升高，此时实际线路并未发生接地故障。2）在合闸空母线时，由于励磁感抗与对地电抗形成不利组合而产生铁磁谐振过电压；当35kV 线路因受雷击而出现间歇性接地时，可能会引起互感器电压升高。或者当35kV 线路遭受雷击时，导线附近电场发生畸变、雷电波沿线路入侵等，而实际系统并没有发生接地故障。针对单相接地故障的排查和处理，尤其是在中性点不直接接地小电流系统中，当系统发生单相接地故障，且起绝缘监视和继电保护的装置出现接地信号时，运行值班或调度人员应及时采取措施进行处理。并根据现场实际情况进行综合分析，作出决策，向上级调度部门和领导请示，做好相关调度处理的记录。电网调度部门最初可以根据接地性质或类型和接地时的故障特征进行识别，找到对应的分网运行部分，缩小停电范围，在作出判断与决策时，需考虑各分网之间的功率平衡和保护动作的配合等因素的影响。通过确定设备是否完好、有无放电痕迹、有无断线脱落等，在没有问题的前提下，可以采取瞬停依次拉闸查找法。针对35kV 出线处已经安装有微机保护选线装置或者接地信号装置的，在装置正常运行条件下，当系统有接地故障时，其故障线路是比较容易找到和区分的。针对35kV 出线处未安装微机保护选线装置或者接地信号装置的，则可以通过依次断开35kV 线路母线侧的开关，如果出现断开某路开关其接地信号消失，装置绝缘监视的电压表立即恢复正常值，则表明该停电线路带有接地故障，可安排工作人员消除故障。如果对线路采用瞬停分路开关法后，接地信号仍然存在，则说明故障没有发生在此线路，可以对其进行恢复供电，以此类推，依次进行其他线路的排查，但绝不允许将所有出线侧都断开，假如将出线侧所有分路开关切断，极易使得系统的电容电流出现较大程度的下降，导致残余电流增幅过大，可能引起消弧线圈失效，从而在接地点因过电压而产生间歇性弧光放电，严重威胁线路和设备的绝缘安全。因此，在采用瞬停依次拉闸查找法时，严禁将出线侧全部断开并进行查找，可以考虑采取停一路查一路的方式，当恢复供电后再停另外一路。

（二）正常运行时护层感应电压计算

护层感应电压的计算以《电力工程电缆设计规范》（GB50217-2007）附录F 中的相关要求为准，同时参考文献计算结果可以看出：1）不同排列方式对电缆护层感应电压有一定影响，采取多根并联方式，可有效降低护层感应电压。2）多回电缆同沟或相邻敷设时，其对电缆护层感应电压的增助作用比较明显，此时如果能采用逆相序排列方式，可有效改善边相的感应电压。3）护层感应电压与电缆敷设长度及电缆负荷电流密切相关，在电缆负荷电流较大时，为控制电路护层感应电压，一侧单点接地方式应将电缆长度控制在600m 以下。如存在多回共沟敷设情况，则控制长度还应缩小，或者应采取中点一点接地，两侧保护接地的方式，以缩短感应电压的计算长度。4）单电缆外径增大时，护层感应电压明显呈现下降趋势，根据计算，等三角排列时，当电缆外径为80mm 时，其护层感应电压比50mm 时下降约20%，其它排列方式也均有下降。中的相应公式计算，计算结果可以看出：1）不同排列方式对电缆护层感应电压有一定影响，采取多根并联方式，可有效降低护层感应电压。2）多回电缆同沟或相邻敷设时，其对电缆护层感应电压的增助作用比较明显，此时如果能采用逆相序排列方式，可有效改善边相的感应电压。3）护层感应电压与电缆敷设长度及电缆负荷电流密切相关，在电缆负荷电流较大时，为控制电路护层感应电压，一侧单点接地方式应将电缆长度控制在600m 以下。如存在多回共沟敷设情况，则控制长度还应缩小，或者应采取中点一点接地，两侧保护接地的方式，以缩短感应电压的计算长度。4）单电缆外径增大时，护层感应电压明显呈现下降趋势，根据计算，等三角排列时，当电缆外径为80mm 时，其护层感应电压比50mm时下降约20%，其它排列方式也均有下降。

（三）常规保护的相位补偿

三相变压器的接线组别不同时，其两侧的电流相位关系也不同。以常用的Yd11 接线的变压器为例，它们两侧的电流之间就存在着300°的相位差。这时，即使变压器两侧电流互感器二次电流的大小相等，也会在差动回路中产生不平衡电流Ibp。为了消除这种不平衡电流的影响，就必须消除纵联差动保护两臂电流的相位差。通常采用相位补偿的方式，即将变压器星形接线一侧电流互感器的二次绕组接成三角形，而将变压器的三角形侧电流互感器的二次绕组接成星形，以便将电流互感器二次电流的相位矫正过来，从而有效地消除因两侧电流相位不同而引起的不平衡电流。若仅从相位补偿角度出发，也可将变压器三角形侧电流互感器二次绕组接成三角形。如果采用这种补偿方式，若变压器高压侧采用中性点接地的工作方式，则当差动回路外部发生单相接地短路故障时，变压器高压侧差动回路将有零序电流，而变压器三角形侧无零序分量，使不平衡电流增大。因此，对于常规变压器而言，差动保护是不允许采用变压器低压侧进行相位补偿的接线方式。

四、结语

中性点不接地系统发生单相金属性接地，接地相对地电压为0V，接地短路电流为接地相正序、负序、零序电流矢量和，当系统馈出线较多、对地容抗很大时，忽略系统线路、元件阻抗，系统单相接地电流变为全部对地电容电流矢量和。并且在接地电容电流大于30A 时，要求采取限制接地短路电流措施，安装消弧线圈。