小电流接地系统的危害及整改措施

江苏省电力有限公司苏州供电公司 赵巳玮

小电流接地系统频繁发生单相接地多次引发过电压从而造成开关柜设备爆炸，对维护人员人身安全以及电网和设备的维护、供电的可靠性都较为不利。因此，如何优化提升开关柜的安全性，是当前需要重点解决的问题[1]。

1 事故简要经过

1.1 事故背景

某220kV 变电站10kV 侧小电流接地系统为单母分段接线，未配置消弧线圈。2台220kV 主变压器分别经10kV Ⅰ、Ⅱ段母线供2台站用变，400V站用电系统同样为单母线分段接线，10kV 母线和400V 母线均分列运行。

1.2 事故经过

一是事故动作情况：#1、#2主变同时过流Ⅰ段动作，2台主变10kV 开关跳闸，1XX 线保护启动（开关未跳），10kV 母线和400V 母线全部失电，2台主变风冷全停；在事故发生前，10kV Ⅰ段母线曾发生单相接地。现场检查发现故障为10kV 母联开关后仓内部发生爆炸。二是事故处理：由于2台尚在运行中的强油风冷变压器失去风冷，10kV 母线无其他明显故障点，处理人员通过断开母联刀闸手车隔离故障点（10kV 母联开关），依靠外来电源试送10kV Ⅰ段母线恢复供电。随后试送主变开关，恢复10kV Ⅰ段母线和站用电系统。1XX 线保护启动（开关未跳），结合单相接地现象，立即隔离1XX 线。

2 事故原因分析

10kV 母联为热备用状态，导致其后仓发生爆炸主要原因如下：10kV 配电装置为早期的落地式开关柜，制造工艺落后，设计不够完善，后部母线仓（连接10kV Ⅰ段母线）和出线仓（连接母联刀闸--10kV Ⅱ段母线）未设计隔板。检查确认10kV 母联开关断开，开关柜前仓无故障，后仓内部发生绝缘故障，后仓炸开。

线路部门发现1XX 线某处发生过弧光接地，故10kV Ⅱ段母线发接地信号。由于某变10kV 母线未配置消弧线圈，接地点容性电弧难以熄灭，10kV Ⅱ段母线上产生弧光接地过电压，理论上最高可达到相电压的3～4倍。如图1所示，过电压首先击穿100母联开关后仓内下导电臂（连接至Ⅱ段母线）的绝缘。由于上方母线仓未设计隔板，短路飞弧引起了上导电臂（Ⅰ段母线）发生相间短路。至此，两段母线先后发生相间短路，导致两台主变低后备保护几乎同时动作跳闸[2]。

图1 10kV 母联开关柜故障爆炸推演图

3 暴露问题

3.1 小电流接地系统的弧光接地过电压问题

单相接地故障是电力系统中的主要故障形式，我国低压配电网多采用在小电流接地（中性点不接地）系统发生单相接地时，故障点流过较小的容性电流，系统的三相电源电压仍维持其对称性，不影响对外供电，允许带故障运行一段时间（不超过2h），但是单相接地会使健全相对地电压上升到线电压，系统中流过容性的接地电流。故障电流I=√3I2=3ωC Uph。即：单相接地时流过故障点的容性电流I与线路对地电容和系统额定电压成正比。

实际架空线路的接地多为非金属性接地，比如导线对树枝放电，出现间歇性电弧。若系统较小，对地电容小，接地电流也小，电弧容易自动熄灭。然而随着系统的发展，单相接地故障电流将成比例增加。比如10kV线路，总长度超过1000km 时，电容电流超过30A，电弧将难以自动熄灭，进而产生弧光接地过电压。

假定A 相发生接地故障，设以UA、UB、UC代表三相电源电压，以U1、U2、U3代表三相线路的对地电压。故障点发弧后，电路中将有一电磁振荡过程，在这个过程中，故障相电容C1的电荷通过电弧电流泄放入地，电压突然降为零。两健全相电容C2、C3则有一个由电源线电压通过电源内电抗Ls 进行充电的高频振荡过程。设A 相在达到最大值Uphm 时发弧，发弧前t-前电压分别为：

U1（t-）=Uphm

U2（t-）=U3（t-）=-0.5Uphm

以上是振荡过程的电压起始值。其稳态值则为：

U1（t+）=0

U2（t+）=UBA=-Uphm+（-Uphmcos60°）=-1.5Uphm

U3（t+）=UCA=-Uphm+（-Uphmcos60 °）=-1.5Uphm

由于振荡引起的过电压由两部分组成，一为稳态值，二为振荡部分。振荡部分的幅值为稳态值减起始值，所以：

过电压=稳态值+振荡值=稳态值+[稳态值-起始值]=2倍稳态值-振荡值

即：Umax=-2.5Uphm

电源电压A 相由正半周转为负半周，如在其最大值时重燃，则过电压将达到-3.5Uphm。

由于电弧过程的强烈随机性，过电压倍数亦具有统计性质。据国内外实测，弧光接地过电压一般不超过3倍，个别可达3.5倍甚至4倍。这种过电压持续时间可能较长，若不采取措施，可能危及设备绝缘，引起相间短路，使事故扩大。

由于10kV 配网线路越来越长，并且大量敷设电缆，导致系统对地电容节节攀升，早期设计已无法解上述问题。据统计，某公司所辖各变电站10kV中性点不接地系统的平均电容电流在2008年时为49.67A，该数值在2016年已攀升至103.54A。此外，根据有关检测数据统计，在雷雨等恶劣天气多发季节，变电站平均每站单月发生6次母线单相接地，部分变电站会在短时间内出现数十次的频繁接地，间歇性弧光接地过电压发生的概率大为增加。

3.2 开关柜的设计、工艺质量及运行维护等问题

在本次事故中，由于母线仓和出线仓未设置隔板，导致短路故障范围扩大，全站低压侧失电的危急事故。近10年来，某公司所辖变电站频繁发生开关柜爆炸事故，其中多数与系统发生接地有直接关系。铠装式高压开关柜结构紧凑，仓内空间狭小，对产品工艺和安装施工要求高，绝缘裕度低。一旦发生过电压，易发生绝缘击穿故障。此外，由于本地区天气多雨，部分开关室布置在变电站一层，开关柜下方即是电缆沟，仓内易受潮、凝露、锈蚀等，加剧了开关柜的绝缘问题。

3.3 保护配置问题

低压侧小电流接地系统中的母线主保护采用的是主变相应电压等级后备过流保护，通常带有一定延时，为了和线路保护配合，该保护的延时时间较长，本次事故发生时，主变10kV 侧后备保护延时1.5s 出口跳闸切除故障。如图2所示，红色区域为母线范围，一旦此处发生短路，为变压器出口处的近区短路故障，故障电流巨大。但没有灵敏可靠的速动保护与之匹配，巨大的短路电流在狭小的开关柜空间内经“漫长”的延时才被切除，势必造成剧烈的爆炸。如果同类问题发生在老式的户内敞开式设备上，事故剧烈程度则减轻不少。这是一二次设备在当下电网运行情况下面临的新问题。

图2 开关柜内设备保护区域

综上所述，由于户内布置的母线故障概率较低，低压侧母线未配置速动主保护。铠装式开关柜进行了全封闭处理，故障概率理论上进一步降低。但持续扩张的配电网络伴随着不断上涨的系统对地电容电流，与此同时线路单相接地故障也日益增加，综合导致数量剧增的弧光接地过电压把变电站外部的电网异常转换成了变电站内部的设备故障，将原有的安全防线一举“击穿”，引发严重的设备事故--开关柜爆炸。

4 整改防范措施

4.1 加装消弧线圈防止小电流接地系统出现间歇性弧光接地过电压

任何形式的单相接地故障，都存在由暂态到稳态的过渡过程，金属性接地其接触前的瞬间也存在着空气放电的问题。所以减少接地故障时的电容电流是降低弧光接地时的重燃次数、降低弧光接地过电压的有效措施。因此，须监视小电流接地系统电容电流，当10kV 系统对地电容电流大于30A 时，须加装消弧线圈。

安装消弧线圈的目的：减少接地时的残流值，减缓恢复电压的上升速度，抑制谐振过电压的产生，本次事故发生后，某公司立即对其10kV 系统加装了接地变和消弧线圈。

4.2 保护接地处理时的人身安全

在接地异常处理中，对于系统对地电容电流较大的变电站，尤其是配电装置为开关柜者，处理人员切记冒然进入开关室内检查，应穿戴好安全防护，确保接地消失后方可进开关室内检查，防止弧光过电压引发爆炸事故，同时应注意跨步电压等危险。

4.3 改善低压侧母线的保护配置

应当更加精细的区分主变后备保护的保护范围和优化配合，如图3所示。

图3 主变后备保护范围情况

主变10kV（35kV）侧后备应配置高低两个定值。其中，较低定值用于保护线路，经过复合电压闭锁，并采用较长延时与线路保护配合。较高定值应充分匹配站内母线发生故障的短路情况，按母线故障Klm ≥1.5整定，不经复压电压闭锁，经短时限跳本侧开关，保护母线，经较长时限跳主变各侧，保护死区及开关拒动故障，高定值延时均应短于低定值延时。

此外，可以尝试新技术的运用。比如，在开关柜内部配置光传感器，当内部发生短路放电时立即启动主变后备保护，解决开关柜母线仓内短路故障时的保护配合问题，提升保护速度，大大降低开关柜爆炸的发生概率[3]。

4.4 加强对开关柜的运行维护和检测

新的探测仪器和技术逐步运用于开关柜的早期故障侦测。各类绝缘缺陷发展到最终击穿，酿成事故之前，往往先经过局部放电阶段，局部放电的强度能够在一定程度上反映绝缘的状态，因此可通过在线监测局部放电来判断绝缘状态。对母线等金属导体包裹绝缘热缩套可以一定程度上解决开关柜内部绝缘裕度低等问题。与此同时，也应考虑开关柜内部散热及受潮等问题的影响。

4.5 低压侧配网的接地方式选择

对于小电流接地系统，加装消弧线圈只是大幅降低间歇性接地发生的概率，并不能绝对消除这一过电压，因此有些变电站虽然配置有消弧线圈，但仍有发生接地时设备爆炸。一些变电站的10kV 母线对地电容电流已超过150A（单台消弧线圈最大补偿电流为150A），甚至部分变电站超过了200A。只能采用并接方式对消弧线圈进行扩容。

与此同时，城市配网自动化等新技术的推广，原有的电网设计理念已经逐渐发生改变，供电可靠性不必过度依赖单条线路的“坚持”运行。因此，将10kV配网改为直接接地系统很好的解决了上述问题，通过配置零序保护，当发生母线单相接地时，立即切除故障线路，从根本上杜绝弧光接地过电压问题。