金汝 寧夏電力公司固原供電局

小電流接地系統(tǒng)單相接地或諧振等故障的判斷與處理

金汝 寧夏電力公司固原供電局

分析了小電流接地系統(tǒng)單相接地故障時(shí)電壓和電流的特點(diǎn)，列舉了單相接地或諧振等故障的危害及象征，并提出了在分析判斷和處理方式存在很大的差異，若處理不當(dāng)，極有可能將異常引發(fā)為事故。本文就結(jié)合幾年來(lái)的運(yùn)行工作經(jīng)驗(yàn)，探討在實(shí)際工作中所遇到10kV系統(tǒng)發(fā)生單相接地或諧振等故障的判斷與處理。

單相接地；諧振；判斷與處理

隨著電網(wǎng)的快速發(fā)展，電網(wǎng)網(wǎng)架已達(dá)到比較合理穩(wěn)定的局面，由于10～35kV系統(tǒng)均采用不接地運(yùn)行方式。這種運(yùn)行方式在系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)，由于單相接地時(shí)故障電流不大，線(xiàn)電壓仍然對(duì)稱(chēng)，對(duì)負(fù)荷供電沒(méi)有影響，因此允許一定的時(shí)間內(nèi)帶故障運(yùn)行，系統(tǒng)允許運(yùn)行2h，因而大大提高了供電的可靠性。但隨著小電流接地系統(tǒng)饋線(xiàn)的不斷增加，城域電網(wǎng)的超前發(fā)展，配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)的應(yīng)用，開(kāi)閉式電壓互感器數(shù)量的增加，系統(tǒng)對(duì)地電容也不斷增大，對(duì)電網(wǎng)及設(shè)備的安全造成影響。近幾年來(lái)系統(tǒng)內(nèi)某地區(qū)電網(wǎng)某110kV變電站由于10kV系統(tǒng)發(fā)生間歇性接地，引發(fā)諧振過(guò)電壓，造成部分饋線(xiàn)開(kāi)關(guān)跳閘、隔離開(kāi)關(guān)絕緣損壞及電壓互感器燒毀事故。本人通過(guò)此次事故分析認(rèn)為小電流系統(tǒng)單相接地故障、諧振以及電壓互感器故障，從現(xiàn)象上看，存在著相似性，但又有著不同的區(qū)別。在運(yùn)行過(guò)程中，如果判斷不清，處理不當(dāng)，延誤了處理時(shí)間，有可能將異常處理成事故，引起設(shè)備損壞。

2 單相接地故障時(shí)電壓和電流的特點(diǎn)

2.1 單相接地故障時(shí)電壓和電流的分析

單相接地時(shí)（如A相），A相對(duì)地電容C0被短接，此時(shí)電流分布圖及相量圖如下圖所示。

A相對(duì)地電壓ùA變?yōu)榱?，此時(shí)大地的點(diǎn)位不再和電網(wǎng)的中性點(diǎn)的點(diǎn)位相等，而與A相點(diǎn)位相等，此時(shí)B、C兩相對(duì)地電壓為B、C兩相對(duì)A相的電壓，則B、C兩相對(duì)地電壓升高倍。電網(wǎng)中性點(diǎn)電壓ùN以及各相對(duì)地電壓為

電網(wǎng)出現(xiàn)零序電壓：即

由于ùA=0，各條線(xiàn)路A相對(duì)地電容電流為零，而B(niǎo)、C兩相的電容電流不為零，此時(shí)出現(xiàn)零序電容電流，即

發(fā)生接地時(shí)，接地電流等于正常時(shí)一相對(duì)地電容電流的3倍。保護(hù)安裝處各相電流（未計(jì)及負(fù)荷電流）為：

2.2 單相接地故障時(shí)ù0和ì0的特點(diǎn)

（1）發(fā)生單相接地時(shí)，出現(xiàn)零序電壓ù0，ù0的大小等于故障前電網(wǎng)的相電壓，且系統(tǒng)各處零序電壓相等。

（2）故障線(xiàn)路的保護(hù)通過(guò)的零序電流為所有非故障線(xiàn)路的零序電流之和，也就是所有非故障線(xiàn)路接地電容電流之和，一般只有10～30A，其方向是從線(xiàn)路流向母線(xiàn)。

（3）非故障線(xiàn)路的保護(hù)通過(guò)的零序電流為該線(xiàn)路本身非故障相對(duì)地電容電流之和，其方向是從母線(xiàn)流向線(xiàn)路。

3 單相接地或諧振故障的危害

3.1 單相接地故障的危害

（1）在10kV中性點(diǎn)不接地的小電流接地系統(tǒng)中，若一相接地時(shí)，則未接地相對(duì)地電壓升高為相電壓的倍，系統(tǒng)中的絕緣薄弱點(diǎn)可能擊穿，造成短路故障。

（2）由于在接地時(shí)產(chǎn)生電弧，電弧對(duì)相間絕緣有熱作用，會(huì)燒壞設(shè)備并可能發(fā)展成為相間短路故障。

（3）故障點(diǎn)產(chǎn)生間歇性電弧接地時(shí)，在一定條件下，將產(chǎn)生串聯(lián)諧振過(guò)電壓，其值可達(dá)相電壓的2.5～3倍，對(duì)系統(tǒng)設(shè)備的絕緣危害很大，進(jìn)而出現(xiàn)更頻繁的故障。

3.2 諧振過(guò)電壓故障的原因及危害

電壓互感器諧振對(duì)于yo/yo電磁式電壓互感器，在正常情況下線(xiàn)路發(fā)生單相接地不會(huì)出現(xiàn)鐵磁諧振過(guò)電壓，但在下列條件下，就可能引發(fā)鐵磁諧振。

（1）對(duì)于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)，故障點(diǎn)流過(guò)電容電流，未接地的兩相相電壓升高倍。但是，一旦接地故障點(diǎn)消除，非接地相在接地故障期間已充的線(xiàn)電壓電荷只能通過(guò)電壓互感器高壓線(xiàn)圈經(jīng)其自身的接地點(diǎn)流入大地，在這一瞬間電壓突變過(guò)程中，電壓互感器高壓線(xiàn)圈的非接地兩相的勵(lì)磁電流就要突然增大，甚至飽和，由此構(gòu)成串聯(lián)諧振。

（2）中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中，用變壓器對(duì)母線(xiàn)充電時(shí)，電壓互感器的電感和母線(xiàn)、線(xiàn)路的電容會(huì)構(gòu)成振蕩回路，但在一定條件下，就可能引起鐵磁諧振，由于鐵磁諧振引起三相、兩相及單相對(duì)地電壓升高，或由于低頻擺動(dòng)產(chǎn)生很高的零序電壓分量，使三相高壓側(cè)熔斷器熔斷，甚至燒壞電壓互感器。此外，在個(gè)別情況下，還會(huì)使斷路器的套管等設(shè)備發(fā)生閃絡(luò)和損壞，避雷器爆炸等。

（3）由于配電線(xiàn)路用戶(hù)電壓互感器等設(shè)備數(shù)量的增加，使得10kV配電系統(tǒng)的電氣參數(shù)發(fā)生了很大的變化，導(dǎo)致諧振的頻繁出現(xiàn)。在系統(tǒng)諧振時(shí)，電壓互感器將產(chǎn)生過(guò)電壓使電流激增，此時(shí)除了造成一次側(cè)熔斷器熔斷外，還將導(dǎo)致電壓互感器燒毀。

（4）配電人員隨意帶負(fù)荷拉開(kāi)分支線(xiàn)路隔離開(kāi)關(guān)或帶負(fù)荷拉開(kāi)配電變壓器的高壓跌落開(kāi)關(guān)，造成刀閘間弧光短路而引發(fā)諧振。

（5）當(dāng)配電變壓器高壓線(xiàn)圈接地故障時(shí)，故障電流將通過(guò)抗電能力的絕緣油對(duì)地放電，也會(huì)產(chǎn)生不穩(wěn)定的電弧激發(fā)電網(wǎng)諧振。

4 單相接地或諧振等故障的象征與判斷

4.1 單相接地故障的判斷

（1）警鈴響，后臺(tái)機(jī)并彈出信息框，“××kV×段母線(xiàn)接地”或“×× kV×段××線(xiàn)線(xiàn)路接地”信號(hào)。

（2）電壓指示：故障相電壓降低（不完全接地）或?yàn)榱悖ㄍ耆拥兀韮上喔哂谙嚯妷海ú煌耆拥兀┗蜈呄蚓€(xiàn)電壓（完全接地），此時(shí)為穩(wěn)定性接地。

（3）若指示不停的擺動(dòng)或變化，則為間歇性弧光接地，此時(shí)非故障相的相電壓有可能升高到額定電壓的2.5～3倍（可能伴有母線(xiàn)輕微震動(dòng)，電壓互感器發(fā)出較小聲響）。

4.2 單相接地故障相的判斷

（1）如果一相電壓指示為零，另兩相指示為線(xiàn)電壓，那么指示為零的一相是接地相。

（2）如果一相電壓指示較低，另兩相較高且不相等，電壓低的一相不一定是接地相。

（3）如果一相電壓接近線(xiàn)電壓，另兩相電壓相等，不能判其任何一相為接地相。

綜上所述，就后兩種情況而言，判別單相接地故障相的原則是電壓指示高的相的下一相（按A、B、C相序往下推）為接地相。

4.3 電壓互感器保險(xiǎn)熔斷的判斷

（1）警鈴響，后臺(tái)機(jī)并彈出信息框，“××kV×段母線(xiàn)接地”（高壓保險(xiǎn)熔斷）、“電壓回路斷線(xiàn)”（低壓保險(xiǎn)熔斷）信號(hào)。

（2）電壓指示：熔斷相下降為相電壓的1/3左右，非熔斷相電壓不變，線(xiàn)電壓指示則會(huì)降低（高壓保險(xiǎn)熔斷）。

（3）電壓指示：熔斷相下降為相電壓的1/2左右，非熔斷相電壓不變，線(xiàn)電壓指示則會(huì)降低（低壓保險(xiǎn)熔斷）。

4.4 諧振過(guò)電壓故障的判斷

（1）警鈴響，后臺(tái)機(jī)并彈出信息框，“××kV×段母線(xiàn)接地”信號(hào)。

（2）分頻諧振：三相電壓依次輪流升高，超過(guò)線(xiàn)電壓，但一般不超過(guò)2倍相電壓，三相電壓表在相同范圍內(nèi)出現(xiàn)低頻擺動(dòng)。伴有母線(xiàn)震動(dòng)，電壓互感器發(fā)出較大聲響，開(kāi)口三角電壓一般在85～95V也有等于或超過(guò)100V。

（3）基波諧振：某一相電壓降低，但不為零，其余兩相電壓升高，超過(guò)線(xiàn)電壓，一般不超過(guò)3倍相電壓。伴有母線(xiàn)震動(dòng)，電壓互感器發(fā)出較大聲響，開(kāi)口三角電壓超過(guò)100V。

（4）高頻諧振：三相電壓同時(shí)升高或其中一相明顯升高，超過(guò)線(xiàn)電壓，但不超過(guò)3～3.5倍相電壓。伴有母線(xiàn)震動(dòng)，PT發(fā)出較大聲響，開(kāi)口三角電壓超過(guò)100V。

5 單相接地或諧振等故障的處理

5.1 單相接地故障的處理

（1）根據(jù)信號(hào)、電壓指示、天氣、運(yùn)行方式、系統(tǒng)操作等情況，判明故障性質(zhì)、相別，并全面巡視檢查本站設(shè)備有無(wú)異常。

（2）五分鐘內(nèi)不消失，匯報(bào)調(diào)度。對(duì)采用小電流接地系統(tǒng)選線(xiàn)裝置，根據(jù)后臺(tái)機(jī)報(bào)文顯示的“××線(xiàn)路接地”信號(hào)，首先對(duì)××線(xiàn)路進(jìn)行選切，若接地現(xiàn)象未消失應(yīng)盡快設(shè)法選出接地故障線(xiàn)路。

（3）用母線(xiàn)分割網(wǎng)絡(luò)判別接地區(qū)域，縮小范圍，如將母線(xiàn)分段運(yùn)行（注意分割后的各部分功率平衡、保護(hù)協(xié)調(diào)、電壓質(zhì)量等情況）。

（4）斷開(kāi)母線(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償電容器斷路器。再按選線(xiàn)原則進(jìn)行選線(xiàn)操作，對(duì)已知的經(jīng)常性接地的線(xiàn)路；空載線(xiàn)路；分支多、線(xiàn)路長(zhǎng)、負(fù)荷輕以及用電性質(zhì)次要的線(xiàn)路；分支少、線(xiàn)路短、負(fù)荷重以及用電性質(zhì)重要的線(xiàn)路。上述順序應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況，靈活掌握。

（5）選出接地的線(xiàn)路，及時(shí)通知查線(xiàn)處理，并加強(qiáng)對(duì)相關(guān)設(shè)備的進(jìn)一步檢查，嚴(yán)密監(jiān)視電壓變化，允許帶接地運(yùn)行（10kV不超過(guò)2小時(shí)），在規(guī)定時(shí)間內(nèi)接地仍未消失的，將故障線(xiàn)路退出運(yùn)行。經(jīng)判斷接地故障為電壓互感器高壓繞組絕緣擊穿所致，應(yīng)將故障電壓互感器所在母線(xiàn)瞬間停電，再拉開(kāi)故障電壓互感器。

（6）在逐條線(xiàn)路查找后，仍未找到故障線(xiàn)路，應(yīng)考慮是2條線(xiàn)路同相接地或站內(nèi)母線(xiàn)設(shè)備接地。在逐條選切線(xiàn)路時(shí)，應(yīng)特別注意切每條線(xiàn)路時(shí)三相對(duì)地電壓指示的變化。若全選切后，三相對(duì)地電壓指示沒(méi)有變化，說(shuō)明不是線(xiàn)路接地，而是變電站內(nèi)設(shè)備接地；三相對(duì)地電壓指示有變化，則為2條配電線(xiàn)路同相發(fā)生單相接地（含斷線(xiàn)）故障。

（7）2條線(xiàn)路異相接地，多發(fā)生在雷雨、大風(fēng)和冰雪天氣。主要現(xiàn)象是2條線(xiàn)路同時(shí)跳閘，或只有1條線(xiàn)路跳閘，跳閘時(shí)電網(wǎng)有單相接地現(xiàn)象。判斷依據(jù)是：若2條線(xiàn)路都跳閘，電網(wǎng)接地現(xiàn)象消失；若2條線(xiàn)路只有1條跳閘時(shí)，電網(wǎng)仍有接地現(xiàn)象，但單送其中1條時(shí)電網(wǎng)單相接地相別發(fā)生改變。

（8）在小電流接地系統(tǒng)中，由于某些操作或運(yùn)行方式發(fā)生改變，致使系統(tǒng)發(fā)生某些不對(duì)稱(chēng)狀態(tài)，后臺(tái)機(jī)也彈出接地信號(hào)，應(yīng)根據(jù)當(dāng)前運(yùn)行情況進(jìn)行判定，并妥善處理。

1）在進(jìn)行倒閘操作時(shí)，用變壓器對(duì)空載母線(xiàn)充電時(shí)，開(kāi)關(guān)三相合閘不同期，三相對(duì)地電容不平衡，使中性點(diǎn)位移，三相電壓不對(duì)稱(chēng)，報(bào)出接地信號(hào)。

判定依據(jù)：這種情況是在操作時(shí)發(fā)生的，只要檢查母線(xiàn)及連接設(shè)備無(wú)異常，即可進(jìn)行判定，投入一條線(xiàn)路或投入一臺(tái)站用變，即可消失。

2）系統(tǒng)中三相參數(shù)不對(duì)稱(chēng)，消弧線(xiàn)圈的補(bǔ)償度調(diào)整不當(dāng)，有倒運(yùn)行方式操作時(shí)，報(bào)出接地信號(hào)。

判定依據(jù)：此情況多發(fā)生在倒運(yùn)行方式操作時(shí)。經(jīng)匯報(bào)調(diào)度，在相互聯(lián)系時(shí)，可以了解到。可先恢復(fù)原運(yùn)行方式，消弧線(xiàn)圈停電調(diào)分接頭，然后投入，重新倒運(yùn)行方式。

5.2 電壓互感器熔斷器熔斷

應(yīng)首先用萬(wàn)用表檢查二次側(cè)各相熔斷器的進(jìn)、出線(xiàn)端相電壓是否有電壓（相電壓約58V，線(xiàn)電壓約100V），或?qū)⑷蹟嗥魅∠掠萌f(wàn)用表電阻擋測(cè)量通斷，判斷熔絲是否熔斷。如果熔絲完好，則故障發(fā)生在一次高壓側(cè)。處理的方法是：先取下低壓二次熔斷器，拉開(kāi)電壓互感器高壓側(cè)隔離開(kāi)關(guān)，經(jīng)驗(yàn)明無(wú)電后，做好現(xiàn)場(chǎng)安全措施，在仔細(xì)檢查電壓互感器一次套管、端蓋處有無(wú)破裂、異物和絕緣部分的異常氣味等。當(dāng)檢查到有異常時(shí)，應(yīng)用兆歐表測(cè)量絕緣電阻。在確認(rèn)電壓互感器正常后，戴上絕緣手套更換符合標(biāo)準(zhǔn)的高壓熔斷器，進(jìn)行試送電。如再次熔斷，則應(yīng)考慮電壓互感器的內(nèi)部故障，并進(jìn)一步作直流電阻、變比等實(shí)驗(yàn)來(lái)決定電壓互感器好壞。而再停用電壓互感器前，應(yīng)考慮到對(duì)繼電保護(hù)、自動(dòng)裝置和計(jì)量的影響，應(yīng)先將備用電壓互感器投入運(yùn)行，如果是單臺(tái)電壓互感器，在取得調(diào)度和有關(guān)負(fù)責(zé)人的許可后將保護(hù)裝置、自動(dòng)裝置暫時(shí)停用，以防其它設(shè)備誤動(dòng)作。

5.3 諧振過(guò)電壓故障的處理

（1）由于操作后產(chǎn)生的諧振過(guò)電壓，一般可以立即恢復(fù)到操作以前的運(yùn)行方式。

（2）當(dāng)出現(xiàn)諧振時(shí)，嚴(yán)禁拉開(kāi)電壓互感器的隔離開(kāi)關(guān)，應(yīng)考慮增大母線(xiàn)電容和并聯(lián)電感，即合上一條空載線(xiàn)路或者空載的變壓器來(lái)破壞諧振條件，或者暫時(shí)斷開(kāi)電源斷路器，再次送電可使三相電壓恢復(fù)平衡。

（3）如果在運(yùn)行中，突然發(fā)生諧振過(guò)電壓，可以試斷開(kāi)一個(gè)不重要負(fù)荷的線(xiàn)路，改變參數(shù)，消除諧振。若諧振現(xiàn)象消失以后，仍有接地信號(hào)，三相對(duì)地電壓不平衡，一相降低，另兩相高于相電壓，但是低于或等于線(xiàn)電壓，說(shuō)明諧振的同時(shí)，有單相接地或斷線(xiàn)故障。

6 防止諧振過(guò)電壓故障的措施

（1）運(yùn)行人員在恢復(fù)送電時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格按操作規(guī)程進(jìn)行操作，確認(rèn)電壓互感器的隔離開(kāi)關(guān)在拉開(kāi)位置后，才對(duì)空母線(xiàn)送電，再合上電壓互感器的隔離開(kāi)關(guān)。

（2）檢修人員應(yīng)將其隔離開(kāi)關(guān)三相同期性調(diào)整好，并選用伏安特性較好的電壓互感器，以改善技術(shù)性能，使其工作點(diǎn)在伏安特性的線(xiàn)性部分，當(dāng)有激發(fā)因素時(shí)，鐵芯不易飽和，也就難于激發(fā)諧振。

（3）減少電壓互感器的并聯(lián)臺(tái)數(shù)。一則可以增大XL，減少自振固有頻率，避免配網(wǎng)系統(tǒng)擾動(dòng)而發(fā)生母線(xiàn)諧振過(guò)電壓。二則當(dāng)電網(wǎng)一旦出現(xiàn)諧振也可以減少一次損壞的互感器臺(tái)數(shù)。

（4）電壓互感器發(fā)生諧振時(shí)的電壓是相電壓的3倍，則在開(kāi)口三角處將會(huì)產(chǎn)生100V～200V電壓，因此在電壓互感器開(kāi)口三角處可并聯(lián)一只220V/200W消諧燈泡（或選用220V/800W/60Ω標(biāo)準(zhǔn)電阻。消諧電阻功率不得大于電壓互感器極限容量的2.4倍），也可在電壓互感器零序回路中裝設(shè)專(zhuān)用消諧器，以改變XL及零序磁路。

（5）采用零序電壓互感器，它有4臺(tái)電壓互感器組成，其中3臺(tái)為主電壓互感器，1臺(tái)為零序電壓互感器。主電壓互感器一次側(cè)繞組接成星形，中性點(diǎn)通過(guò)零序電壓互感器的一次繞組接地；主電壓互感器二次側(cè)繞組接成星形，其中性點(diǎn)通過(guò)零序電壓互感器的二次繞組接地；主電壓互感器二次的輔助繞組接成閉口三角形。作用是中性點(diǎn)經(jīng)零序電壓互感器的一次繞組接地，感抗補(bǔ)償零抗，使得XL足夠大，以消除諧振。中性點(diǎn)零序電壓互感器一次繞組的固有電阻（約10kΩ）具有消振和防止熔絲熔斷的作用。為增大零序電壓互感器的電阻，其高壓繞組采用鐵漆包線(xiàn)繞成，其電阻約為同型號(hào)銅線(xiàn)的5～7倍。

運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，在10kV及以下的配電網(wǎng)中，采用零序電壓互感器是防止電磁式電壓互感器燒損的有效措施。

7 結(jié)論

綜上所述，單相接地與諧振過(guò)電壓故障有著根本的不同。只要我們掌握了小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地或諧振等故障的特點(diǎn)，認(rèn)真觀察分析系統(tǒng)各種異常狀態(tài)出現(xiàn)的象征，作出正確判斷和積極有效的處理方法，就不會(huì)造成在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行中對(duì)諧振過(guò)電壓誤判為單相接地而耽誤了及時(shí)、準(zhǔn)確處理的時(shí)間，而引發(fā)事故的情況，對(duì)維護(hù)系統(tǒng)穩(wěn)定和安全運(yùn)行有著非常重要的作用。

[1] 范錫普.發(fā)電廠(chǎng)和變電所電氣設(shè)備的運(yùn)行.水利電力出版社

[2] 高永昌.電力系統(tǒng)繼電保護(hù).水利電力出版社