尹茂林，瞿寒冰

（濟(jì)南供電公司，山東濟(jì)南250012）

配電系統(tǒng)單相接地故障分析

尹茂林，瞿寒冰

（濟(jì)南供電公司，山東濟(jì)南250012）

單相接地故障是配電系統(tǒng)中最常見的故障。分析單相故障發(fā)生的原因、危害和影響。針對(duì)故障發(fā)生時(shí)的主要特征和報(bào)警信息，闡述對(duì)不同類型單相接地故障的判斷方法，并在此基礎(chǔ)上提出故障的預(yù)防和處理方法。詳細(xì)分析單相接地故障時(shí)各主要電氣量的變化特征和計(jì)算方法，包括短路電流、非故障相電壓、電容電流等。

單相接地故障；中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)；配電網(wǎng)；短路電流

0 引言

目前10 kV配電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)多采用小電流接地方式，即中性點(diǎn)不接地或經(jīng)消弧線圈接地，該接線方式下系統(tǒng)若發(fā)生單相接地故障時(shí)能持續(xù)運(yùn)行而不切斷故障設(shè)備，提高了供電可靠性［1-3］。單相接地故障作為配電系統(tǒng)中最常見的故障，多發(fā)生在雷雨大風(fēng)等惡劣天氣，由于線路絕緣子單相擊穿、單相斷線、樹木倒伏砸線等原因造成［4-5］。雖然配網(wǎng)系統(tǒng)可在單相接地下持續(xù)運(yùn)行，但是非故障相電壓升高為線電壓，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行會(huì)對(duì)非故障相的系統(tǒng)和設(shè)備產(chǎn)生較大威脅，可能造成絕緣薄弱處發(fā)生絕緣破壞引起相間短路進(jìn)而導(dǎo)致事故范圍擴(kuò)大。因此，實(shí)際電網(wǎng)運(yùn)行中，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，立即發(fā)出絕緣下降等報(bào)警信號(hào)，配網(wǎng)監(jiān)視控制人員需要根據(jù)故障狀態(tài)和特征迅速判斷接地點(diǎn)，并及時(shí)隔離進(jìn)行有效處理。

近年來，隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，10 kV配電網(wǎng)的智能化水平進(jìn)一步提高。智能電網(wǎng)本質(zhì)的特征是自愈控制，即能夠?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行在線優(yōu)化和實(shí)現(xiàn)故障的自動(dòng)隔離恢復(fù)，而實(shí)現(xiàn)故障自動(dòng)隔離恢復(fù)的基礎(chǔ)和出發(fā)點(diǎn)則是對(duì)故障點(diǎn)的準(zhǔn)確定位，否則就會(huì)造成停電范圍擴(kuò)大或區(qū)域誤停電。實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，智能化改造后的配電自動(dòng)化系統(tǒng)對(duì)相間短路等電氣量變化明顯的故障具有較為準(zhǔn)確的定位，對(duì)電網(wǎng)的調(diào)度控制具有一定的指導(dǎo)意義；而對(duì)于單相接地故障則無法給出太多有效的信息，僅依靠變電站站內(nèi)選線系統(tǒng)進(jìn)行判斷，無法精確定位至10 kV線路各分段部分，造成故障點(diǎn)尋找和處理的效率大大降低，影響了配網(wǎng)系統(tǒng)的供電可靠性。因此，為進(jìn)一步提高配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)的故障定位、隔離和恢復(fù)功能，需要深入研究單相接地故障后系統(tǒng)中各電氣量的變化，為系統(tǒng)的改造升級(jí)提供理論支持。

1 單相接地故障分析

1.1 原因特征分析

發(fā)生單相接地故障的外在原因主要包括：導(dǎo)線斷線落地或搭在橫擔(dān)上；導(dǎo)線在絕緣子中綁扎或固定不牢，脫落到橫擔(dān)或地上；導(dǎo)線風(fēng)偏過大，與建筑物距離過近；變壓器高壓引下線斷線；配電變壓器高壓繞組單相絕緣擊穿或接地；絕緣子擊穿；線路上的分支熔斷器絕緣擊穿；同桿架設(shè)導(dǎo)線上層橫擔(dān)的拉帶一端脫落，搭在下排導(dǎo)線上；線路落雷；樹木通道不暢，導(dǎo)致樹接觸導(dǎo)線；鳥害；飄浮物（如塑料布、風(fēng)箏等）；其它偶然或不明原因。

在以上諸多種原因中，導(dǎo)線斷線、絕緣子擊穿和樹木短接是發(fā)生配電線路單相接地故障最主要的原因，對(duì)近幾年來單相接地故障原因統(tǒng)計(jì)，上述3種原因占總故障原因的85%以上［3-4］。

系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)，會(huì)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行、設(shè)備及人身安全都會(huì)帶來負(fù)面影響，具體情況如表1所示。

表1 單相接地故障的影響

針對(duì)不同的單相接地故障，表現(xiàn)特征主要有：1）當(dāng)發(fā)生單相不完全接地時(shí)（通過高電阻或電弧接地），故障相電壓降低，非故障相電壓升高（但達(dá)不到線電壓），電壓繼電器動(dòng)作，發(fā)出接地信號(hào)；2）單相完全接地時(shí)，故障相電壓為零，非故障相電壓升高至線電壓。此時(shí)電壓互感器開口三角處出現(xiàn)100 V電壓，電壓繼電器動(dòng)作，發(fā)出接地信號(hào)。

實(shí)際電網(wǎng)運(yùn)行過程中，當(dāng)中性點(diǎn)非直接接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，常伴有警鈴響、光字牌亮、主站監(jiān)控母線電壓異常等警示信息或信號(hào)。

表2 單相接地故障接地狀態(tài)判斷分析

根據(jù)單相接地故障時(shí)的表現(xiàn)特征，可對(duì)故障接地狀態(tài)進(jìn)行初步判斷和分析，如表2所示，由此為快速查出接地故障提供參考依據(jù)。

1.2 防范處理措施

對(duì)配電線路定期進(jìn)行巡視，重點(diǎn)查看導(dǎo)線與樹木、建筑物的距離，電桿頂端是否有鳥窩，導(dǎo)線的綁扎或固定是否牢固，絕緣子固定螺栓是否松脫，橫擔(dān)、拉帶螺栓是否松脫，拉線是否斷裂或破股，導(dǎo)線弧垂是否過大或過小等。

對(duì)配電線路上的絕緣子、熔斷器、避雷器等設(shè)備定期進(jìn)行絕緣測(cè)試，及時(shí)更換不合格的設(shè)備。

對(duì)配電變壓器定期進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)不合格的配電變壓器進(jìn)行維修或更換。

在配電線路上加裝熔斷器，縮小故障范圍，減少停電面積和停電時(shí)間，有利于快速查找故障點(diǎn)。

在配電線路上使用高一電壓等級(jí)的絕緣子，提高配電網(wǎng)絕緣強(qiáng)度。

線路接地時(shí)，運(yùn)行人員針對(duì)故障線路處理的常用方法［6-8］。

1）試?yán)?。根?jù)站內(nèi)選線裝置對(duì)選定的故障線路進(jìn)行試?yán)?，通過操作前后線路接地是否消失來確定接地點(diǎn)的所在范圍和故障線路。該方法會(huì)造成某些非故障線路的暫時(shí)停電，同時(shí)對(duì)開關(guān)的重復(fù)開斷操作將對(duì)設(shè)備產(chǎn)生沖擊，影響使用壽命。

2）經(jīng)驗(yàn)判定法。一般情況下，接到查線通知后，有經(jīng)驗(yàn)的運(yùn)行人員會(huì)首先分析故障線路的基本情況（線路環(huán)境和歷史運(yùn)行情況等），判定可能引起的接地點(diǎn)，然后去現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行確認(rèn)。否則需直接將運(yùn)行人員分組對(duì)線路進(jìn)行逐桿設(shè)備巡視，直至發(fā)現(xiàn)接地點(diǎn)。該方法對(duì)巡線人員的要求較高，需要較強(qiáng)的業(yè)務(wù)水平和能力，但無法有效應(yīng)對(duì)意外情況。

3）絕緣搖測(cè)判定法。針對(duì)電纜的單相接地故障，通過巡線難以發(fā)現(xiàn)明顯的故障點(diǎn)，需要采用絕緣遙測(cè)的方法進(jìn)行判定，包括線路整體絕緣搖測(cè)法（適用于長(zhǎng)度較短，配電變壓器數(shù)量較少）和線路絕緣抽查搖測(cè)法。

其中，試?yán)閱蜗嘟拥毓收咸幚磉^程中的關(guān)鍵方法，其技術(shù)重點(diǎn)是站內(nèi)選線裝置的準(zhǔn)確性，小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，理論上故障線路與非故障線路零序電流之間有一定差別，基于這些差別可以實(shí)現(xiàn)故障選線。目前針對(duì)單相接地故障的選線方法主要包括穩(wěn)態(tài)分量法，暫態(tài)分量法和注入信號(hào)法，如表3所示。

表3 單相接地故障接地的主要選線方法

1.3 實(shí)例分析

以濟(jì)南電網(wǎng)實(shí)際接地故障為例，說明試?yán)ǖ氖褂眠^程。3月9日晚義和莊站發(fā)生10 kV義江線跳閘事故，重合成功后10 kV II母線A相接地。

1）根據(jù)義和莊站選線裝置，選線義組線。

2）依次試?yán)x組線、義安線、義農(nóng)線、義通線、輕鈴線、小鴨線、義江線，即將10 kV II母線所有出線依次試?yán)螅看卧嚴(yán)笤俸仙祥_關(guān)），接地未消失，由此判斷不是單條線路接地故障。

3）重啟選線裝置后選線義江線，站內(nèi)設(shè)備無異常，拉開義江線019開關(guān)，接地未消失（不再合開關(guān)）；拉開義組線025開關(guān)，接地未消失；拉開義通線026開關(guān)，10 kV II母線接地復(fù)歸。由此判斷上述義通線發(fā)生A相接地故障。

4）合上義組線025開關(guān)，未發(fā)接地信號(hào)；合上義江線019開關(guān)，10 kV II母線A相接地；即令拉開義江線019開關(guān)，10 kV II母線接地復(fù)歸。由此判斷義江線為另一條故障線路。

5）合上義通線026開關(guān)，10kVII母線A相接地，拉開義通線FXK01Z分支箱3號(hào)開關(guān)，接地消失，判斷為該開關(guān)后段故障。

6）拉開義江線FXK02東支3號(hào)開關(guān)分段開關(guān)，合上義江線019開關(guān)送電良好。

7）經(jīng)巡視檢查發(fā)現(xiàn)義江線FXK02東支56號(hào)桿分段開關(guān)在分位。合上義江線FXK02東支3號(hào)開關(guān)分段開關(guān)，送電良好。判斷故障段為FXK02東支56號(hào)桿后段，要求現(xiàn)場(chǎng)人員重點(diǎn)巡視。

通過上述過程可以判斷出引起接地故障的具體區(qū)段。這是一起典型的不同線路同相同時(shí)接地故障情況，處理過程復(fù)雜，特別是配網(wǎng)線路分段開關(guān)需現(xiàn)場(chǎng)操作或現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)，使得從故障發(fā)生到確定故障區(qū)段整個(gè)過程耗時(shí)約15 h。統(tǒng)計(jì)表明，當(dāng)前的接地選線裝置在判斷單條線路接地故障的準(zhǔn)確率能達(dá)到90%以上，但是若確定具體故障區(qū)段，仍需依靠分段試?yán)姆椒ㄟM(jìn)行確定，且由于當(dāng)前智能配網(wǎng)分段開關(guān)的遙控可靠性仍需進(jìn)一步校驗(yàn)，造成每次操作都需要現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)，降低了工作效率。因此，需要針對(duì)單相接地故障時(shí)的主要電氣量變化進(jìn)行分析，為電網(wǎng)智能化改造中的故障定位特別是接地故障時(shí)的定位提供理論支持。

2 單相接地故障的短路電流計(jì)算

如圖1所示為單相接地短路故障的電路示意圖，其中，Zl為線路阻抗，Zf為單相接地短路阻抗；ZN為中性點(diǎn)接地阻抗，Zg為每相導(dǎo)線對(duì)地等效電抗。

圖1 單相接地短路故障電路示意圖

2.1 對(duì)稱分量法

根據(jù)對(duì)稱分量法［9］，結(jié)合單相短路的邊界條件可知復(fù)合序網(wǎng)圖如圖2所示。

圖2 單相接地時(shí)短路復(fù)合序網(wǎng)圖

由上述復(fù)合序網(wǎng)圖可列出電壓平衡方程為

邊界條件為

聯(lián)立式（1）和式（2）可得

2.2 不對(duì)稱三相電路分析法

對(duì)N點(diǎn)列節(jié)點(diǎn)電壓方程為

式中：Z1=Zg∥（Zl+Zg∥Zl），Z2=Zg∥（Zl+Zg）。

對(duì)A相電壓為

f點(diǎn)電壓為

聯(lián)立上述兩式得為

2.3 戴維南定理分析法

等效阻抗為

如圖3所示戴維南定理得短路電流為

圖3 戴維南等效電路

采用對(duì)稱分量法進(jìn)行單相接地短路電流計(jì)算時(shí)，需要用變換矩陣進(jìn)行相模變換求出正、負(fù)、零序電壓、電流和阻抗等參數(shù)，代入相應(yīng)方程求得短路電流；采用不對(duì)稱三相電路分析法計(jì)算時(shí)，需要首先確定中性點(diǎn)N的電壓，然后根據(jù)電路原理進(jìn)行計(jì)算；而采用戴維南定理分析法時(shí)，需要在系統(tǒng)等值電路的基礎(chǔ)上求出短路點(diǎn)f的戴維南等效電源和等效阻抗兩個(gè)參數(shù)，其中等效電源的取值為系統(tǒng)正常時(shí)f點(diǎn)的電壓，而等效電抗參數(shù)則可直接從系統(tǒng)等值電路中得出。由上可知在不同的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)條件下計(jì)算短路電流時(shí)，應(yīng)采取不同的計(jì)算方法。

3 非故障相電壓和電容電流分析

3.1 電壓分析

中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，各相對(duì)地電壓是對(duì)稱的，中性點(diǎn)對(duì)地電壓為零，電網(wǎng)中無零序電壓，每個(gè)相對(duì)地電壓就等于相電壓。

當(dāng)中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)發(fā)生的單相接地故障為完全接地，即金屬性接地時(shí)，接地處的電阻近似等于零。以圖1所示，A相f點(diǎn)發(fā)生金屬性接地時(shí)，故障相的對(duì)地電壓為0（忽略線路壓降），則有

非故障相B相和C相的對(duì)地電壓分別為

由式（12）可知，非故障相的對(duì)地電壓升高到線電壓，各相對(duì)地電壓的相量關(guān)系如圖4所示。

圖4 單相接地電壓的相量關(guān)系圖

系統(tǒng)三相的線電壓仍保持對(duì)稱且大小不變。對(duì)接于線電壓的用電設(shè)備工作并無影響，無須立即中斷對(duì)用戶供電。但應(yīng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，以提醒監(jiān)控員注意并匯報(bào)調(diào)度員及時(shí)處理。另外，當(dāng)發(fā)生不完全接地（即經(jīng)過接觸電阻接地）時(shí)，故障相對(duì)地的電壓

將大于0而小于相電壓，未接地相對(duì)地電壓小于線電壓，接地電容電流也較小。

3.2 電容電流分析

中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)正常運(yùn)行情況下，中性點(diǎn)對(duì)地的電位偏移稱為中性點(diǎn)位移，其程度對(duì)系統(tǒng)絕緣的運(yùn)行條件具有重要影響。正常運(yùn)行時(shí)，各相導(dǎo)線間的電容及其所引起的電容電流較小，可以不考慮［10］。正常運(yùn)行時(shí)中性點(diǎn)N對(duì)地的電位為零，各相對(duì)地電壓作用在各相的分布電容上，若正常運(yùn)行時(shí)各相導(dǎo)線對(duì)地的電容相等并等于Cg，則各相對(duì)地電容電流的有效值也相等，且有

式中，Uph為相電壓值。各相對(duì)地電容電流大小相等，相位相差120°，其電流相量和為零，因此大地回路中無電容電流。

發(fā)生單相接地故障時(shí)，由于非故障相A、B兩相對(duì)地電壓由正常時(shí)的相電壓升高為故障后的線電壓，對(duì)地的電容電流也相應(yīng)增大1.732倍。三相對(duì)地電容電流之和不再等于零，大地中有容性電流流過，并通過接地點(diǎn)形成回路。

接地電流超前電壓90°，為容性電流，其有效值為3ωCgUph，此時(shí)流過大地的電容電流，等于正常運(yùn)行時(shí)一相對(duì)地電容電流的3倍。單相接地電容電流的實(shí)用計(jì)算公式為

式中：Ic為接地電流，A；U為系統(tǒng)線電壓，kV；l1與l2分別為非故障段架空線路和電纜線路長(zhǎng)度，km。

中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，在接地處流過的電容電流會(huì)引起電弧，其強(qiáng)弱與接地電流大小成正比。當(dāng)接地電流不大時(shí)，電弧將自行熄滅，接地故障隨之消失，電網(wǎng)即可恢復(fù)正常運(yùn)行；當(dāng)單相接地電流超出允許值，電弧不易熄滅，易產(chǎn)生較高弧光間歇接地過電壓，波及整個(gè)電網(wǎng)；單相接地電容電流過大，可能產(chǎn)生一種周期性熄滅與復(fù)燃的間歇性電弧，引起幅值為2.5～3倍相電壓的過電壓，當(dāng)絕緣存在薄弱點(diǎn)時(shí)，可能發(fā)生擊穿而造成短路，危及電網(wǎng)安全。

根據(jù)相關(guān)規(guī)程規(guī)定，3～10 kV的電力網(wǎng)單相接地故障電流大于30 A時(shí)應(yīng)裝設(shè)消弧線圈。消弧線圈的作用是當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障后，提供電感電流，補(bǔ)償接地電容電流，減小接地電流，使故障相接地電弧兩端的恢復(fù)電壓速度降低，進(jìn)而熄滅電弧。消弧線圈通常應(yīng)接在系統(tǒng)中性點(diǎn)上，變電站主變10 kV側(cè)常采用三角形接線，此時(shí)應(yīng)通過接地變連接消弧線圈。工程上常通過脫諧度V描述消弧線圈的調(diào)諧程度

式中，IL為電感電流。當(dāng)V=0時(shí)，稱為全補(bǔ)償，當(dāng)V＞0時(shí)為欠補(bǔ)償，V＜0時(shí)為過補(bǔ)償。理論上脫諧度絕對(duì)值越小越好，即為全補(bǔ)償狀態(tài)。但電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)處于小脫諧度的消弧線圈易產(chǎn)生各種諧振過電壓。因此電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，要求消弧線圈的脫諧度越小越好達(dá)到全補(bǔ)償；電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，要求消弧線圈的脫諧度越大越好，最好退出運(yùn)行。

4 結(jié)語

中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中，單相接地故障是配電系統(tǒng)中最常見的故障，雖然故障后系統(tǒng)允許短時(shí)運(yùn)行而不切除設(shè)備，但是長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行仍會(huì)對(duì)系統(tǒng)帶來隱患。本文首先分析了單相故障發(fā)生的原因，從變電設(shè)備和配電網(wǎng)運(yùn)行等多方面說明了單相接地故障的危害及影響；詳細(xì)闡述了不同類型單相接地故障的主要特征、判斷方法以及預(yù)防處理措施，濟(jì)南電網(wǎng)的實(shí)際案例說明了故障處理方法的有效性；其次分析研究了單相接地故障時(shí)各主要電氣量的變化情況，對(duì)比闡述了3種不同的短路電流計(jì)算方法，包括對(duì)稱分量法、節(jié)點(diǎn)電壓法和戴維南等值定理；分析了單相接地故障時(shí)非故障相電壓的大小和特征，對(duì)正常運(yùn)行和單相接地故障時(shí)的電容電流分別進(jìn)行研究計(jì)算，提出針對(duì)電容電流的處理措施和補(bǔ)償原則。通過深入研究單相接地故障后系統(tǒng)中各電氣量的變化情況，為下一步針對(duì)單相接地時(shí)的故障定位研究奠定基礎(chǔ)，進(jìn)而為調(diào)度運(yùn)行人員提供有效的決策支持，提高故障處理的效率和速度。

［1］苗友忠，孫雅明，楊華.中性點(diǎn)不接地配電系統(tǒng)饋線單相接地故障的暫態(tài)電流保護(hù)新原理［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2004，24（2）：28-32.

［2］李孟秋，王耀南，王輝，等.小電流接地系統(tǒng)單相接地故障點(diǎn)探測(cè)方法的研究［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2001，21（10）：6-9.

［3］齊鄭，楊以涵.中性點(diǎn)非有效接地系統(tǒng)單相接地選線技術(shù)分析［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2004，28（14）：1-5.

［4］Hanninen E，Lehtonen M.Characteristics of earth faultsin electrical distribution networks with high impedance earthing［J］. Electric Power System Research，1998，44（3）：155-161.

［5］IEEE std 142-1991 IEEE recommended practice for grounding of industrial and commercial power system［S］，1992.

［6］薛永端，吳敏，王俊江，等.一種電壓型配電網(wǎng)單相接地故障處理方法［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2002，26（12）：68-71.

［7］DONG X，SHI S.Identifying single-phase-to-ground fault feeder in neutral non-effectively grounded distribution system using wavelet transform.IEEE Transactions on Power Delivery，2008，23（4）：1 829-1 837.

［8］Assef Y，Bastard P，Meunier M.Artificial neural networks for single phase fault detection in resonant grounded power distribution syst ems［C］／／Proceedings of Transmission and Distribution Conference.Los Angeles，California，USA：IEEE，1996：566-572.

［9］夏道止.電力系統(tǒng)分析（下冊(cè)）［M］.北京：中國(guó)電力出版社，1995.

［10］Tang Yi.A complete set of automatic compensation equipment of a capacitive charging current in application of a medium-voltage power system.Electric Power System Research，1997，41（1）：35-41.

The Single-phase-to-earth Fault of Distribution Power System

Single-phase-to-earth fault is the most common fault in distribution system.The reasons and influence of the fault are analyzed.The main characteristics and alarm of the single-phase-to-earth fault are described and the judging methods for different types of faults are proposed.On this basis，related preventive measures and countermeasures are also proposed.The calculation methods and variation characteristics of main electrical data during single-phase-to-earth fault are illustrated，including short circuit current，non-fault phase voltage and the capacitance current，etc.

single-phase-to-earth fault；networks with ungrounded neutral；distribution network；short circuit current

TM862

：B

：1007－9904（2014）04－0018－06

2014-02-13

尹茂林（1965—），男，工程師，主要從事電網(wǎng)調(diào)度與控制的相關(guān)工作；

瞿寒冰（1985—），男，工程師，博士，主要從事電網(wǎng)調(diào)度與控制的相關(guān)工作。