攀钢35kV矿变单相接地故障监测预警研究及应用

攀钢集团矿业有限公司生产服务分公司 赵 坪 简红峰

攀钢35kV 矿变低压6kV 配网系统采用中性点不接地方式，包括3段6kV 母线和19条出线，出线以电缆为主。由于出线多、供电距离远，经常发生单相接地故障，占所有故障的80%以上；本站前期没有配置选线装置，系统发生单相接地故障时，由保护装置发出接地告警信号，但无法报出实际接地线路，只能通过人工拉路的方式进行故障排除，故障处理效率低、系统带故障运行时间长，期间容易发生第二点击穿形成相间短路跳闸或损坏，此类事故时有发生。

2021年站内安装使用了基于暂态信号的选线装置，运行过程发现，线路在发生破坏性单相接地故障前，暂态选线装置往往会捕捉到该线路有多次瞬时对地放电现象，通过巡检大部分得到确认和排除，使得系统单相接地故障发生率较前下降了47%以上，效果明显。

1 面临问题

长期以来，6～35kV 低压配网小电流接地系统单相接地故障问题一直困扰着攀钢的生产运行，小电流接地系统单相接地故障问题比较复杂，不单是涉及技术问题、也涉及社会民生问题。

首先是选线困难问题。由于小电流接地系统采用中性点非直接接地方式，线路发生单相接地后，接地点流过很小的电容电流（也称零序电流），有时与正常线路的电容电流相差不大，通过检测零序电流很难区分故障线路和正常线路；尤其是当中性点采用经消弧圈接地方式时，由于消弧线圈的补偿作用，流过接地故障点的零序电流很微弱，有时比正常线路还小[1]。因此，通过比较各条线路的零序电流来进行选线会更加困难，这是多年来困扰小电流接地系统单相接地故障选线的最大问题，属于技术层面问题。

其次是跳闸策略问题。小电流接地系统在发生单相接地故障后，三相电压仍保持平衡，不影响系统供电，因此电力规程规定允许系统继续运行1～2小时。这条规定保障了生产供电安全，但大大增加了触电风险，尤其是农村地区，人畜触电伤亡事故屡见不鲜。针对这个问题，2014年贵州电网研究并提出了农网防人身伤害事故安全保护接地选跳技术，并在实际应用中验证了方案的可行性[2]；2017年南方电网颁布的小电流接地选线技术标准规定了小电流接地系统单相接地故障的跳闸要求，从保生产安全转向保人身安全，更注重社会民生问题。

保生产安全和保人身安全是一对矛盾，解决这个矛盾的关键在于预防和减少单相接地故障的发生。西安交通大学电气学院长期研究配网小电流接地系统单相接地故障问题，在2003年提出了利用零序电流暂态信号进行选线的技术方向[3]，于2004—2006年提出并完善了特征频带选线算法[3-7]，于2009年研制了基于暂态信号特征频带算法的选线装置，并在实际应用中取得了不错的效果。暂态信号技术出现，使得解决上述问题成为可能。

2 单相接地故障特征

2.1 正常情况

电网在正常情况下，三相电压和三相负载电流保持平衡，三相电缆对地的电容电流大小相等，相位相差120度，用公式表示如下：

2.2 故障情况

当电网发生单相接地故障时，系统故障相电压会下降、正常相电压会升高，如图1所示。由于三相对地电压不相同，三相对地泄放电容电流也不同，Ia、Ib、Ic也不再相等，计算零序电压可以得到：计算各正常线路零序电流为其中k=1-n计算接地线路零序电流为以上式中：I01、I02…I0n表示正常线路的零序电流，I0J表示接地线路的零序电流。

图1 中性点不接地系统单相接地时电压和零序电流向量图

零序电压和零序电流具有如下特征：

接地相的电压会降低，范围在0～3.6kV。降低程度跟接地电阻有关，接地电阻越小接地相的电压会越低；若接地电阻为零，则接地相电压接近为零；正常相的电压会升高，范围在3.6～6.3kV。升高程度跟接地电阻有关，接地电阻越小正常相的电压会越高；若接地电阻为零，则正常相电压升高为线电压6.3kV；系统产生零序电压，接地电阻越小零序电压越高，通常用零序电压作为接地故障的判断依据。在实际应用中，运行人员习惯将30V 零序电压（二次值）作为接地故障判断门槛，当零序电压大于30V 时认为有接地故障发生，当零序电压小于30V时认为接地故障消失。

正常线路会产生零序电流，方向从母线流向线路，流入接地点；零序电流大小与线路长度、线缆类型和接地电阻相关，线路越长零序电流越大，接地电阻越小零序电流越大，同样长度下电缆线路产生的零序电流越大；接地故障线路零序电流为所有其它正常线路零序电流的总和，方向从线路流向母线，方向与正常线路相反；当电容电流比较大时，容易产生间歇性的弧光接地，造成系统过电压，导致非故障相的绝缘薄弱处发生二点对地击穿，使得单相故障变成相间故障。因此，当出线多、系统电容电流比较大时，需要加装消弧设备，加强保护。

因此，理论上通过检测零序电压可以判断是否发生接地故障，通过判断零序电流大小和方向可以分析和找出接地线路。但在实际中，由于零序电流很小，选线的可靠性得不到保证。

2.3 暂态信号

研究发现，在接地故障发生瞬间，因故障相电压突然降低，其对地电容电流迅速释放，形成高频衰减振荡信号。该信号很强，是正常电容电流的几倍到几十倍；频率很高，最大达到几千赫兹；衰减很快，持续过程最短只有几个毫秒，甚至更短。上述振荡过程称为暂态过程，振荡电流称为暂态电流。

暂态信号属高频信号，不受消弧线圈补偿影响，能够真实反映接地故障。零序电流暂态信号跟系统规模、接地电阻、接地初相角相关，系统越大暂态信号越强；接地电阻越小暂态信号越大；接地初相角越大暂态信号越强。因此，利用故障发生初期零序电流暂态信号是稳态信号的几倍到几十倍，而且包含丰富的故障信息的特点，通过捕捉零序电流暂态信号并提取故障特征频带，可以实现准确的接地选线和接地预警。

3 设备运行分析及监测系统可靠性评估

3.1 设备运行分析

设备于2021年7月28日投入试运行，截止至2021年12月9日监测系统自动记录的接地次数为236次，具体如表1所示。根据数据统计分析如下。

表1 监测系统自动记录的接地次数（部分）

瞬时性接地和非瞬时性接地：持续时间小于5s的瞬时性接地故障共计151次，占比63.98%；持续时间大于5s 小于8s 的短时性接地故障共计14次，占比5.93%；持续时间大于8s 的长久性接地故障共计71次，占30.06%。

系统电压扰动：根据表1数据，母线I 发生44次接地报警，母线II 发生19次接地报警、共计63次，占比26.69%，其中时间超过8s 的有10次。引起母线接地告警的原因有三种：母线发生接地；区外接地故障，比如进线；系统电压扰动，引起零序电压异常。本站为35kV 变电站，结合实际情况（没有发生母线接地情况），排除1和2两种可能，说明主要原因是系统电压振动。录波数据显示，系统扰动引起的零序电压往往比较小，大部分只有30～50V(二次电压)。

线路运行工况对比：根据表1数据，在运行期间报接地告警次数最多的是674线（36次）和6912线（33次），合计69次、占比29.24%，占了近三分之一，说明这两条线路运行环境比较恶劣，安全隐患比较大；其次是652（20次）、672（26次）、693（26次）、694（15次），合计87次、占比36.86%，也值得重点关注；I 段母线和II 段母线：根据表1数据，I 段母线有11条出线，发生线路接地报警139次。II 段母线有8条出线，发生线路接地报警34次。

3.2 监测系统可靠性评估

表1数据为监测系统试运行期间自动记录，数据可靠性需要结合实际情况比照分析。根据值班室“采场35kV 单相接地故障监测预警管理系统（试用）运行台帐”记录，在2021年7月28日～2021年12月9日期间，共发生135次接地故障，其中111次为可恢复性接地故障，24次为永久性接地故障（有1次为避雷针击穿，23次为电缆爆裂着火）。

针对永久性接地故障进一步发现：台帐记录的接地故障均与监测系统记录数据一一对应，且选线全部正确；线路发生永久性接地故障发生前，监测系统多次报该线路接地，从首次到最后一次时间间隔最短只有3分46秒、最长时间有12天；在24次永久性接地故障中，有7次引起复压过流保护动作，扩大了事故范围。

以694线路在9月20日发生的接地故障为例，该线路于15:51:53发生了相间接地短路故障，引起站内微机保护复压过流I 段动作跳闸。监测系统记录显示，该系统于9月8号～9月20号期间共发出6次694线路接地告警，持续时间最长超过6min。9月20日15:51:53监测系统再次发出694线路接地告警，持续125s 后，复压过流I 段动作。可以判断，发生第一次接地时故障可恢复，但由于绝缘薄弱、接地点电缆皮被反复击穿，该过程系统波动频繁过压，引起第二点接地，形成相间短路，扩大故障范围。

4 结语

线路在发生永久性接地故障前，往往会先出现多次瞬时性接地，反复击穿绝缘薄弱点，直到永久性接地；在由瞬时性接地故障演变成的永久性接地过程中，系统电压波动频繁，这加快了其他绝缘薄弱节的老化，容易造成二点接地，形成短路故障，影响整个系统安全运行；瞬时性接地故障反映了线路绝缘状态，通过监测其零序电流暂态信号，可以对线路提前进行预警和排查，有利于减少事故、保障生产。