王 偉 王 緒 楊世博 盧峰超 成方圓

（河北省電力公司檢修分公司，石家莊 050070）

單相接地是在電流接地系統(tǒng)中比較常見的故障，發(fā)生單相接地時，由于線間電壓的幅值不變，系統(tǒng)絕緣裕度允許故障短時運行，但是為避免兩相對地短路，必須盡快找到接地點[1-2]。在不接地的角形接線系統(tǒng)中，單相接地故障模型如圖1所示。

圖1 故障系統(tǒng)模型圖

目前查找故障點的方法主要是根據(jù)保護系統(tǒng)提供的錄波信息判斷故障支路，采用阻抗法[3]、行波法[4]和有功分量法[5-6]等方法測距，現(xiàn)在根據(jù)高次諧波引起的電場、磁場強度變化定位的方法也有研究和應用。上述方法對線路故障反應靈敏，選線和測距準確[7]，但是對于近距離多支路系統(tǒng)單相接地故障點的判斷存在困難，難以判斷具體位置[8]。例如在500kV 主變低壓側(cè)，存在眾多支持絕緣子，當出線絕緣子劣化時，很難應用以上方法查出故障點，本文分析故障點零序電壓、電流特征，分析了故障處接地電阻發(fā)熱功率隨零序電壓變化情況，提出利用紅外線探測故障點發(fā)熱查找接地點的方法。

1 單相接地特征分析

在故障系統(tǒng)中，三相電壓經(jīng)支持絕緣子和母線電容式電壓互感器接地，總接地電容為C，以下討論均假設(shè)接地發(fā)生在35kV 系統(tǒng)A 相。故障點接地電阻為R，當R為無窮大時，各相對地電壓平衡，母線電壓互感器監(jiān)測的3U0值趨近于零，若存在劣化絕緣子，接地電阻R的值決定零序電壓幅值，根據(jù)節(jié)點電壓法計算，不難得到零序電壓為

圖2 零序電壓示意圖

圖2中N為等效星形接線中性點，Ua、Ub、Uc為各相對N點電壓，U0為零序電壓，Ua'=Ua-U0，為相對地電壓。U0的變化范圍是以相對地電壓為直徑的半圓，當接地電阻R從0 變化到正無窮大時，零序電壓U0延虛線箭頭方向由Ua變?yōu)榱?。U0的變化同時引起相對地電壓的變化，電阻變小的同時，各相對地電壓變化如圖3所示，由于系統(tǒng)絕緣裕度的設(shè)計，允許相對地電壓為3Uan時系統(tǒng)短時運行，但是保護系統(tǒng)會發(fā)出告警信息，為避免相間短路，應及時找出故障點。

圖3 各相對地電壓隨R 的變化曲線

由于零序電壓的存在，使得接地電阻處流過零序電流，零序電流又導致發(fā)熱功率產(chǎn)生，從而引起發(fā)熱。零序電流為

所以，流經(jīng)接地電阻R的電流

其引起的發(fā)熱功率為

由式（1）至式（4）可得發(fā)熱功率－接地電阻變化曲線。

圖4 發(fā)熱功率—接地電阻變化曲線

某一特定參數(shù)下不同接地電阻的發(fā)熱功率變化如圖4所示。以上發(fā)熱功率使得故障點在時間dt內(nèi)產(chǎn)生的能量是Pdt，這個能量的一部分使物體本身溫度提高，另一部分能量由于物體和周圍介質(zhì)的溫差而散發(fā)到周圍介質(zhì)中，外表面溫度變化由初始值變到穩(wěn)定溫度。最后的穩(wěn)定溫度和達到穩(wěn)定溫度的時間由環(huán)境溫度，材料熱性能，包括放熱系數(shù)、放熱面積、比熱值、重量、對流系數(shù)決定。現(xiàn)忽略對流的影響，可列如下方程

式中，c為材料的比熱（Wskg-1℃-1）；m，材料的質(zhì)量（kg）；Δε，溫升（K）；S，散熱面積（m2）；λ，材料放熱系數(shù)（W/m-2℃-1）。

設(shè)穩(wěn)態(tài)溫升為ΔK，則在穩(wěn)定狀態(tài)有

設(shè)t=0時溫升為零，則式（5）的解為

由于系統(tǒng)單相接地故障中接地電阻通常不為零，所以接地點的發(fā)熱功率存在且范圍在幾十至幾千瓦特之間，接地點溫升由發(fā)熱功率、散熱面積、放熱系數(shù)共同決定，應用紅外線測試儀測量其穩(wěn)定溫升，可以快速準確的發(fā)現(xiàn)故障點。

2 案例分析

2.1 現(xiàn)場紅外測試

河北省某500kV 變電站低壓側(cè)母線開口三角報警，顯示三相電壓不平衡，同時，濾波顯示A 相電壓基本不變，B 相電壓變小，C 相變大?，F(xiàn)場檢查母線電容式電壓互感器，避雷器，主變壓器低壓側(cè)電流互感器均正常工作，二次回路檢查未見異常，主變低壓側(cè)僅有一臺站用變運行，且各設(shè)備狀態(tài)正常。

根據(jù)上述情況及前文分析，初步判斷故障為35kV 母線系統(tǒng)A 相支持絕緣子劣化導致的單相高阻接地故障，由于母線支持絕緣子眾多，為快速找到故障點，避免系統(tǒng)長時間帶故障運行，現(xiàn)場使用紅外線測試儀測試，發(fā)現(xiàn)發(fā)熱點如圖5所示。

圖5 故障點處紅外線圖像

發(fā)熱點位于2 號站用變串聯(lián)電抗器A 相，其一根支柱明顯存在7.8℃的溫升，判斷為故障點，及時停電更換該支柱后，缺陷消除。

2.2 故障點分析計算

隨后作者在試驗室對故障支瓶進行了一系列試驗，試驗結(jié)果及分析計算如下：

試驗測定故障支柱絕緣電阻為0.6MΩ，取35kV母線電容式電壓互感器電容量C= 40000pF ，母線電壓

以上條件帶入式（4）可得

零序電壓U0=879V

當零序電壓大于600V時，不平衡保護即可動作。本例中正是由于系統(tǒng)帶此故障運行，導致監(jiān)控系統(tǒng)報警。同時在零序電壓作用下，故障處產(chǎn)生功率損耗：

發(fā)熱功率P=75.5W

為計算穩(wěn)定溫升，取絕緣子放熱系數(shù)λ為15 W/m-2℃-1，散熱面積為0.5m2。

由式（6）分析，溫升

由于計算未考慮對流系數(shù)的影響，計算溫升略高與現(xiàn)場測試溫升，認為計算結(jié)果與現(xiàn)場測試結(jié)果吻合。

2.3 分析結(jié)果

綜合上述分析，由于絕緣問題造成小電流接地故障時，故障點會產(chǎn)生溫升，可以使用紅外線測試儀快速的查找到故障點，避免了長時間帶故障運行給系統(tǒng)帶來的風險，提高了缺陷處理的效率。

由此證明，利用紅外線探測單相接地故障點的方法是可行的。

3 結(jié)論

通過分析論證，小電流接地系統(tǒng)單相接地故障可以用紅外線探測的方法進行快速查找，尤其適合短距離多支路系統(tǒng)，是一種簡單有效的間接測量方法。

針對小電流接地故障的分析與處理，提出以下幾點建議。

1）發(fā)生單相接地故障時，根據(jù)故障信息，判斷故障位置，及時使用紅外線技術(shù)對相關(guān)設(shè)備進行全面測試，謹慎盲目試驗。

2）故障點溫升相對較小，應使用精度較高的檢測儀器，同時測試受環(huán)境溫度影響較大，單次測試時，與就近設(shè)備橫向比較是測試的關(guān)鍵。

3）加強系統(tǒng)的紅外監(jiān)測，建立紅外數(shù)據(jù)庫，對設(shè)備進行橫向與縱向跟蹤監(jiān)測。

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