35kV线路单相接地后母线电压异常原因分析

朱天昊，曹景雷，郭晓龙

（1.山东理工大学电气与电子工程学院，山东淄博，255000；2.国网聊城供电公司，山东聊城，252000）

0 引言

小电流接地方式是电力系统配电网中常见的中性点接地方式。对于小电流接地系统，在其发生单相接地故障时，流过故障点的故障电流不大，对电力设备、人身造成的危害也较小，且三相之间的线电压基本保持不变，不影响对负荷的供电，因此允许其在单相接地的情况下继续运行一段时间。对于小电流接地系统单相接地后的各种故障特征，各类文献已经做了较多的研究、分析，并给出了明确的说明。但在电力系统的实际运行中，由于电力设备与理想模型存在差距，或设备安装、维护水平的不同，在某些情况下，小电流接地系统在发生单相接地后，其故障特征并不与理论分析值完全相同，或存在明显差异。本文将会对现实情况中的一次典型案例进行分析，并对该案例中小电流系统发生单相接地后母线电压出现异常情况的原因进行分析。

1 事件概况

■1.1 事件主要概况

2020年2月14日17:33:23 220kV变电站甲35kV线路发生接地，选线装置选择线路为35kV甲乙线，35kV变电站乙显示B站接地，35kV变电站丙显示A相接地。甲站拉开35kV甲乙线321开关后35kV母线电压恢复正常。

图1 220kV变电站甲站内接线图

■1.2 事故前运行方式

220kV变电站甲#1主变低压侧带35kV负荷，35kVⅠ、Ⅱ段母线并列运行，35kV甲乙线321间隔、35kV甲丙线311、35kV#1接地变35B1、35kVⅠ母线PT 35P1、35kVⅠ组电容器35C1、35kVⅡ组电容器35C2均为运行状态。35kVⅠ段上35kV甲丙线311间隔带35kV变电站丙4.6MW负荷；35kVⅠ段上35kV#1接地变35B1间隔带站用负荷，经消弧线圈接地，消弧线圈处于1挡过补偿状态；35kVⅡ段母线上35kV甲乙线321间隔带35kV变电站乙2.1MW负荷，并作为35kV丁站备用电源；35kVⅡ母线无PT间隔。220kV变电站甲一次主接线图如图1所示。

图2 2020年2月14日17:33发生35kV线路发生接地时和2月15日21:30正常运行时后台机信息

2 现场检查情况

■2.1 后台检查显示

后台显示：2020年2月14日17:33发生35kV线路发生接地，小电流接地选线装置（消弧线圈控制器）选线接地线路为35kV甲乙线321，但是未选出相别；检查2020年2月15日21:30分正常运行电压：A相20.74kV、B相20.67kV、C相20.17kV、3U0为3.99kV。

■2.2 小电流接地选线装置检查

小电流接地选线装置（消弧线圈控制器）显示：2020.2.14 17:36:04至17:45:21发生单相接地，选线接地线路为35kV甲乙线321，接地电压为20829.2V，电感电流为15.6A，电容电流为14.6A，35kV系统处于过补偿状态，但是未选出接地相别。再次检查屏柜内二次接线情况：该装置未采用对时线（未采用对时引起小电流装置和后台机装置有3分钟左右差别属于正常现象）；未取来自35kV母线的二次A相、B相、C相和开口电压，开口电压取自消弧线圈控制柜内自带PT二次电压。

图3 2020年2月14日17:33发生35kV线路发生接地时小电流接地选线装置选线信息

■2.3 主变故障录波器波形检查

该站未配置35kV故障录波器，仅可以通过主变故障故录器查看接地时电压变化情况，图4显示接地瞬间波形，图5显示接地稳定时波形，图6显示即将结束时波形，图7显示结束时波形。

图4 2020年2月14日17:33:23发生35kV线路发生接地时瞬间主变故障录波器波形

图5 2020年2月14日17:33:25发生35kV线路发生接地时中间波形稳定时主变故障录波器波形

图6 2020年2月14日17:42:39发生35kV线路发生接地即将消失时时主变故障录波器波形

图7 2020年2月14日17:42:39发生35kV线路发生接地消失时时主变故障录波器波形

■2.4 35kV开关柜检查

2.4.1 35kVⅠ段母线PT 35P1间隔检查

检查35kVⅠ段母线35P1间隔柜情况：①电压互感器二次绕组采用yn接线方式，保护小室柜内二次接线正常且一点接地，母线测控装置显示2020年2月15日21:30二次电压：A相59.96V、B 相 59.21V、C相57.73V、3U0为6.40V；②电压互感器一次绕组采用Y接线方式，采用3只单相全绝缘电压互感器连接而成，中性点连接在一起未接地（示意图如图8所示），PT相关参数见表1。

图8 Yyn接线图

表1 35kVⅠ母线PT相关参数

重量 138kg出厂日期 2019.04投运日期 2019.11.22厂家 中国 大连北方互感器集团有限公司

2.4.2 35kV甲丙线311和35kV甲乙线321间隔开关柜检查

35kV甲丙线311间隔开关柜外观检查无异常；35kV甲乙线321间隔停电对电缆、CT、避雷器、开关小车进行检查及绝缘试验无异常。

■2.5 iE600系统电压显示

检查调度主站iE600在接地故障前后220kV变电站甲、35kV变电站乙、35kV变电站丙35kV母线电压显示情况见表2。在2020年2月14日17:34接地时，220kV变电站甲35kVⅠ段母线A、B、C三相电压分别为18.84kV、24.45kV、19.45kV，35kV甲丙线所带35kV变电站丙35kV母线A、B、C三相电压为0.38kV、35.84kV、35.55kV，35kV甲乙线所带变电站乙35kV母线A、B、C三相电压分别为35.57kV、0.34kV、35.83kV。

显然，三站35kV母线电压显示差别较大，特别是35kV变电站乙、35kV变电站丙接地相别不对，但是表现出典型的单相金属性接地时电压变化特征；220kV变电站甲故障电压稍微升高，非故障相电压稍微降低，不是典型金属性接地时电压变化特征。

■2.6 220kV变电站甲站外35kV甲乙线检查情况

2月15日12:56 巡线人员多次巡线无异常，经检查35kV变电站乙、35kV变电站丙35kV母线PT显示数据均正确，申请对线路试送。随即遥控合上35kV甲乙线321开关后，220kV变电站甲35kVⅠ段母线A、B、C三相电压分别为19kV、24.4kV、19.5kV；35kV变电站丙35kV母线A、B、C三相电压为0.38kV、35.84kV、35.55kV。此次试送确定35kV甲乙线故障点依然存在，35kV甲丙线两侧35kV母线电压显示不同。随即遥控拉开35kV甲乙线321开关，甲站、35kV变电站丙电压恢复正常。

2月16日检查发现35kV甲乙线#97杆避雷器B相击穿。35kV变电站丙35kV甲丙线相序A、B、C三相序接对、相别相接错，由正常的顺序A、B、C三相接成了C、A、B三相。

■2.7 接地选线分析

220kV甲站消弧线圈控制器为许继变压器公司WXHK2-1型号设备，既有消弧控制功能又有小电流接地选线功能，2019年11月投运。

2020年2月14日17:33发生35kV线路发生接地，甲站小电流接地选线装置（消弧线圈控制器）选接地线路为35kV甲乙线321，调度随即遥控拉开35kV甲乙线321开关后，甲站、丙站、乙站35kV母线三相电压恢复平衡，说明小电流接线选线装置选线正常。因装置原理设计未取来自35kV母线PT引出的二次A相、B相、C相和开口电压，接地零序电压取自消弧线圈控制柜内自带PT二次电压，因此能正常反应出接地时中性点对地电压为20829.2V，表现出典型的金属性接地，不能选出接地相别属于正常现象。

3 电压异常原因分析

■3.1 35kV乙站、丙站电压异常分析

在2020年2月14日17:34 35kV甲乙线接地时，35kV甲丙线所带丙站显示A相接地，35kV甲乙线显示B相接地，两站接地相别不对。根据巡线结果反馈的35kV甲乙线#97杆避雷器B相击穿、35kV丙站35kV甲丙线在2019年11月份送电时由正常的顺序A、B、C三相接成了C、A、B三相，证明了35kV甲乙线接地相别为B相，是一起典型的金属性单相接地故障。

表2 故障前后220kV变电站甲、35kV变电站乙、35kV变电站丙35kV母线电压显示情况

■3.2 甲站35kV母线电压异常分析

220kV甲站35kVⅠ段母线PT一次绕组中性点未接地，和原来设计的经消谐装置接地不符；二次绕组直接接地。对于Yyn接线方式的电压互感器，一次侧中性点不接地，一次绕组反应出来的是母线对中性点电压而不是母线对地电压。

假设三只电压互感器阻抗相同，当系统发生金属性单相接地时，中性点电压不偏移，接地相虽然对地电压为零，但是中性点电压仍然为相电压，这时施加于一次绕组的电压并没有改变，二次相电压也未改变，因而反映不出系统接地故障。

但是受系统参数、设备参数、负荷情况、三相PT差异、接地情况等因素影响不同，单相接地后电压互感器中性点N点电压会发生偏移，其具体位置不宜判断。假设三只电压互感器阻抗相同，当系统发生金属性单相接地时，中性点对地电压会上升到相电压左右，在主要考虑中性点电压升高对大地电容影响情况下，中性点往往向接地相电压反向偏移，使得接地相对中性点电压升高，两健全相对中性点电压降低。

4 电压互感器YNyn和Yyn接线方式单相接地时电压分析

对于小电流接地系统（不接地或者经消弧线圈接地）发生单相接地时，由于故障点电流很小，而且三相之间的线电压保持对称，对负荷的供电没有影响，因此，在一般情况下允许再继续运行1～2h。

■4.1 电压互感器YNyn接线方式单相接地时电压分析

假设系统发生A相金属性接地（接地电阻为零），故障相电压降为0（与大地等电位），非故障相电压变为线电压，三相之间相电压不变，仍为线电压。当采取三只单相PT星性连接且中性点接地时，如图9(a)所示，此时中性点电压将始终为0，即地电位，PT测得的电压即为故障情况下的各相实际对地电压，即接地相为0，非故障相升高至线电压。

■4.2 电压互感器Yyn接线方式单相接地时电压分析

4.2.1 三只电压互感器阻抗相同的情况下单相接地时电压分析

当PT一次绕组中性点未接地时，此时中性点电压悬空。当发生单相接地金属性故障时，如果三相PT负载阻抗对称，则中性点电压将始终处于矢量三角形的中心，具体推理如下：

图9

图10

根据基尔霍夫电流定律可得出：

结论：偏移后的中性点对地电压变为原来的相电压，方向相反。

母线A、B、C三相对中性点电压变为：

由以上分析可以看出，理想情况下，当PT一次侧中性点未接地时，三相测得的相电压均为各相正常的额定电压，且不受系统运行情况影响。

4.2.2 三只电压互感器阻抗不相同的情况下单相接地时电压分析

假设A、B、C三相阻抗分别为Z1、Z2、Z3，正常运行时，

中性点电流电压关系为：

得出：

可见，当三只电压互感器阻抗特性不一致时，中性点电压就要发生偏移，引起的各相对中性点测量电压有大有小。

因此，当正常运行电压互感器采用Yyn接线方式时，两相测量电压基本相同时，另外一相测量电压不同时，说明这只互感器的阻抗特性和另外两只不同。对于220kV甲站，正常运行A、B相测量电压基本相同，C相测量电压稍微偏小，判断C相电压互感器阻抗稍微大于其他两相。因为三只电压互感器为同一批次设备，它们等值阻抗基本相同。

当A相发生金属性接地时，假设B、C两相阻抗特性一样，即Z2=Z3，得出：

因此，在发生单相金属性接地故障时，电压互感器中性点电压会升高相电压，如果不考虑PT中性点电压升高对系统容抗影响，那相测量电压越大，那相电压互感器的阻抗越大。这和三相正常运行时，中性点电压很小时，反应三只电压互感器阻抗大小特性是一样的。

4.2.3 考虑电压互感器中性点对地电容影响时单相接地时电压分析

考虑到接地时三相PT中性点对地电压会上升，特别是发生单相金属性接地故障时电压互感器中性点对地电压会升高到相电压左右，这是一个很高的对地电压。因为中性点对地电压很高，需要考虑对大地产生的电容影响。

图11

根据基尔霍夫电流定律可得出：

其中Z=Rm+jXm=Rm+jωL为电压互感器的励磁阻抗；ZC=1jωC，C为电压互感器中性点与大地之间的电容。进一步化简ZZC=jRmωC−ω2LC。由于励磁阻抗中Xm 远大于Rm，ZZC≈ −ω2LC，小于0，即由于中性点N点电压U˙N偏移到E˙A反方向，且幅值大于相电压EA，所以B相和C相对中性点测量电压小于相电压。

5 结语

由上分析，对于电压互感器一次绕组采用Y形接线方式时，当系统正常运行时中性点电压接近为0，与大地接近等电位，电容对电压分布的影响将会很小；但是发生金属单相接地时，中性点对地电压会升高到相电压左右，在考虑中性点对大地电容影响时，测量到的故障相对中性点电压大于相电压，非故障相对中性点电压小于相电压。

当220kV甲站35kV甲乙线B相发生因避雷器击穿引起接地时，由于35kVⅠ母线PT其N点未接地，一次绕组中性点N点电压发生偏移，向接地B相反向偏移。经过接地暂态过程后三相电压趋于稳定（如图5所示），17:34接地稳定时，电压互感器反应出A相18.8kV、B相24.4kV、C相19.4kV属于正常现象。

从表1中可以看出，该电压互感器为全绝缘形式，N接线柱绝缘性能满足40.5/95/200kV，即最高运行电压为40.5kV、工频耐受电压为95kV、雷电冲击耐受电压为200kV，可见系统单相接地故障时N点电压远低于其工频耐受电压，因此未对设备造成损坏。

综合现场检查情况，还原故障发展过程如下：

2020年2月14日17:33，35kV乙站内B相避雷器故障击穿，站内PT显示B相电压接近0V，A、C相电压接近线电压；属于同一电源系统的35kV丙站站内PT显示A相（实际为系统B相）电压接近0V，B、C相（实际为系统C、A相）电压接近线电压；220kV甲站由于35kVⅠ母线PT 一次绕组中性点N端未接地，N端发生电压偏移，二次电压为三相对于偏移后的N点电压，而非相对地电压，电压显示A相18.8kV、B相24.4kV、C相19.4kV。

调控人员遥控拉开35kV甲乙线321开关后，220kV甲站35kVⅠ母线电压显示正常。