李龍

摘 要：電能是企業(yè)生產(chǎn)、日常生活等各個(gè)方面的重要能源，配電網(wǎng)則承擔(dān)著將電能從發(fā)電廠（變電站）輸送到電力用戶(hù)的重任。因此，配電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行安全和可靠性直接關(guān)系到了各電力用戶(hù)的用電利益。文章首先概述了10kV配電網(wǎng)小電阻接地系統(tǒng)單相短路故障，隨后在分析其短路特性的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，分別從獲取零序電流、零序電流的保護(hù)配置和整定、小電阻接地系統(tǒng)運(yùn)行保護(hù)等方面，提出了單相短路保護(hù)的可行性策略。

關(guān)鍵詞：10kV配電網(wǎng)；小電阻接地系統(tǒng)；短路故障；保護(hù)策略

中圖分類(lèi)號(hào)：TM713 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）19-0171-02

引言

在城鎮(zhèn)化建設(shè)深入推進(jìn)的同時(shí)，我國(guó)城市和農(nóng)村配電網(wǎng)的改造工作也在不斷進(jìn)行，在擴(kuò)大電網(wǎng)容量、智能控制技術(shù)研發(fā)以及優(yōu)化電網(wǎng)結(jié)構(gòu)等方面取得了良好層級(jí)。但是在配電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，由于多種因素的影響，容易出現(xiàn)各類(lèi)問(wèn)題，短路故障就是其中較為常見(jiàn)的故障之一。大量的實(shí)踐證明，中性點(diǎn)接地方式可以顯著提高配電網(wǎng)的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。因此，有必要以此為著手點(diǎn)，探究保護(hù)10kV配電網(wǎng)安全運(yùn)行的措施。

1 短路故障及其保護(hù)概述

短路是配電網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中的一種多發(fā)故障，通常發(fā)生在相與相之間，在部分中性點(diǎn)直接接地的電力系統(tǒng)中，短路則有較大的概率出現(xiàn)在相與地之間。無(wú)論是哪一種形式，當(dāng)發(fā)生短路故障時(shí)，故障區(qū)域電路的瞬時(shí)電流可能會(huì)達(dá)到十幾萬(wàn)安，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了電力系統(tǒng)的額定運(yùn)行電流，由此會(huì)給電路相連的電氣設(shè)備造成損害，嚴(yán)重情況下還會(huì)危機(jī)到設(shè)備操作人員或周邊人員的健康安全。所以，10kV配電網(wǎng)中所用的電氣設(shè)備，都要求具備較高的熱穩(wěn)定性和抗擊穿能力或是外加保護(hù)裝置，在面對(duì)瞬時(shí)強(qiáng)電流沖擊時(shí)，能夠正常工作。

導(dǎo)致配電網(wǎng)短路故障的因素較多，其中最主要的是電氣設(shè)備的絕緣性能不達(dá)標(biāo)。例如設(shè)備安裝之前沒(méi)有進(jìn)行絕緣性能試驗(yàn)，或是后期使用過(guò)程中出現(xiàn)絕緣老化、損壞等。對(duì)于10kV配電網(wǎng)小電阻接地系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，一旦發(fā)生短路故障，不僅故障源的電流較大，容易造成設(shè)備損壞和增加維修難度，而且還會(huì)對(duì)通訊造成干擾影響。因此，加強(qiáng)10kV配電網(wǎng)小電阻接地系統(tǒng)單相短路故障原因的分析及制定保護(hù)措施，成為保障整個(gè)配電網(wǎng)系統(tǒng)安全、可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。

2 10kV配電網(wǎng)小電阻接地系統(tǒng)單向短路特性分析

一直以來(lái)，國(guó)內(nèi)10kV配電網(wǎng)中性點(diǎn)接地方式有三種方式，分別是中性點(diǎn)不接地、消弧線圈接地和小電阻接地。三種接地方式各有應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，但是經(jīng)過(guò)近年來(lái)的電網(wǎng)改造以及電纜線路覆蓋面積的增加，中性點(diǎn)不接地和消弧線圈接地兩種方式逐漸暴露一些缺陷，例如選線困難、難以進(jìn)行容量調(diào)節(jié)等。因此，小電阻接地在國(guó)內(nèi)10kV配電網(wǎng)中得到了比較廣泛的使用。

2.1 小電阻接地系統(tǒng)單相短路穩(wěn)態(tài)特性分析

當(dāng)小電阻接地系統(tǒng)出現(xiàn)短路故障后，三相系統(tǒng)中的總電壓沒(méi)有發(fā)生變化，此時(shí)10kV配電網(wǎng)中各個(gè)電氣設(shè)備的運(yùn)行不會(huì)受到明顯的干擾。與此同時(shí)，系統(tǒng)中的非故障電壓會(huì)升高約1.5倍，在電阻不變的情況下，電路中的電流也會(huì)相應(yīng)提高，電氣設(shè)備承受的電流負(fù)荷增加，絕緣裝置面臨較大壓力。隨著短路電流的不斷增加，會(huì)在故障發(fā)生區(qū)域的兩端形成較高的跨步電壓，如果該故障區(qū)域暴露在空曠環(huán)境下，很有可能給周邊的行人造成安全威脅。

短路的穩(wěn)態(tài)特性有：（1）所有流進(jìn)故障源的零序電流，其電流總量等于各中性點(diǎn)支路零序電流的總和；（2）對(duì)于非故障相元件，可以近似的將零序電流看作為對(duì)地電容電流，但是相應(yīng)的電壓方向相反；（3）零序網(wǎng)絡(luò)由同級(jí)電壓網(wǎng)絡(luò)中的元件對(duì)地的等值電容及中性點(diǎn)支路構(gòu)成通路，與中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)的零序網(wǎng)絡(luò)的通路有著不同，網(wǎng)絡(luò)的零序阻抗較小，短路時(shí)零序接地電流較大。

2.2 小電阻接地系統(tǒng)單相短路暫態(tài)特性分析

在理論研究中，為了便于進(jìn)行理解和計(jì)算，我們將整個(gè)短路過(guò)程看做為一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)；但是在實(shí)際情況下，短路故障需要經(jīng)過(guò)一個(gè)過(guò)渡過(guò)程，然后才進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，我們將這個(gè)過(guò)渡過(guò)程稱(chēng)之為暫態(tài)。在這一階段，由于電力系統(tǒng)單相接地，因此在故障區(qū)域的對(duì)地電壓會(huì)有所下降，而相應(yīng)的非故障對(duì)地電壓則會(huì)有所提升，暫態(tài)過(guò)程中的電容電流即為兩者之和。

短路的暫態(tài)特性有：（1）受故障區(qū)域電壓下降的影響，相應(yīng)的故障相電流也會(huì)同步衰減。由于該電流的流向是從母線到故障點(diǎn)，當(dāng)電流變?nèi)鯐r(shí)，故障點(diǎn)的過(guò)渡電阻、振蕩頻率等線路參數(shù)也會(huì)出現(xiàn)不同程度的波動(dòng)變化；（2）受非故障相電壓提升的影響，非故障相的電容電流呈現(xiàn)出瞬時(shí)增加狀態(tài)，由于故障點(diǎn)處短路，電流不能形成閉合回路，因此在故障點(diǎn)兩側(cè)堆積，電感較大，但是振蕩頻率較低。

3 10kV配電網(wǎng)小電阻接地系統(tǒng)保護(hù)方案

3.1 檢測(cè)并獲取零序電流

零序電壓和零序電流是設(shè)計(jì)小電阻接地系統(tǒng)保護(hù)方案中的兩個(gè)重要參數(shù)，對(duì)于零序電壓的檢測(cè)和獲取比較容易，通常情況下可以利用電壓互感器，在線路低壓側(cè)測(cè)量開(kāi)口三角回路即可。但是對(duì)于零序電流，則有兩種不同的檢測(cè)和獲取方式：一種是類(lèi)似與零序電壓的獲取方式，利用零序電流互感器直接獲得；另一種則是需要借助于三相線路過(guò)電流濾器，對(duì)獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的計(jì)算后在得出具體的零序電流。

零序電流保護(hù)系統(tǒng)主要分為三部分，分別是零序電流過(guò)濾器、電流繼電器和零序方向繼電器。當(dāng)發(fā)生單相短路故障后，可以借助于零序電流過(guò)濾器檢測(cè)此時(shí)線路中零序電流的具體數(shù)值，隨后利用電流過(guò)濾器降低電流值，使其維持在電力系統(tǒng)正常運(yùn)行狀態(tài)下的電流數(shù)值。電流過(guò)濾器一般采用三相星型連接方式，流入繼電器的電流I=Ia+Ib+Ic=3I0。如圖1 所示。

3.2 零序電流的保護(hù)配置和整定方法

通過(guò)上文分析可知，當(dāng)小電阻接地系統(tǒng)發(fā)生單相短路故障后，系統(tǒng)內(nèi)的零序電流甚至要高于額定電流，為了避免零序電流對(duì)正常電氣設(shè)備造成損害，還需要對(duì)零序電流進(jìn)行必要的整地和保護(hù)。

（1）零序電流的保護(hù)配置。中性點(diǎn)電阻零序電流保護(hù)可作為10kV母線以和中性點(diǎn)小電阻的主保護(hù)，同時(shí)作為相鄰出線的后備保護(hù)。架空線路系統(tǒng)還應(yīng)該配置自動(dòng)重合閘裝置（三相一次重合閘方式），使得瞬時(shí)性故障重合閘成功來(lái)保證供電可靠性。而電纜線路，鑒于其自身的非自恢復(fù)的絕緣特性特點(diǎn)和永久性故障占較高比例的特點(diǎn)，可以不必裝設(shè)自動(dòng)重合閘裝置。（2）過(guò)流繼電器的動(dòng)作時(shí)限考慮與10kV各條出線的零序過(guò)流保護(hù)相配合，發(fā)生故障后，此保護(hù)以較短的第一時(shí)限跳開(kāi)10kV分段斷路器，同時(shí)閉鎖備自投裝置；根據(jù)實(shí)際需求來(lái)設(shè)置第二時(shí)限跳開(kāi)主變低壓側(cè)斷路器；設(shè)置第三時(shí)限跳開(kāi)主變高、低壓側(cè)全部斷路器。接地變的保護(hù)接線較為簡(jiǎn)單并能有效準(zhǔn)確的隔離故障。

3.3 零序電流保護(hù)性能穩(wěn)定性分析

（1）當(dāng)電流回路斷線時(shí)，可能造成曲折變的零序電流保護(hù)保護(hù)誤動(dòng)作，這是零序電流保護(hù)靈敏度較高時(shí)的弱點(diǎn)。但斷線情況較少發(fā)生，可以利用相鄰電流互感器零序電流閉鎖的方法來(lái)防止這種誤動(dòng)作，一方面能夠保障在短路狀態(tài)下，整個(gè)電力系統(tǒng)可以得到一部分電力供應(yīng)；另一方面也有效降低了因?yàn)槎搪穼?duì)電力系統(tǒng)中電氣設(shè)備帶來(lái)的沖擊影響。（2）在系統(tǒng)單相重合閘發(fā)生時(shí)，此過(guò)程中將有可能出現(xiàn)非全相運(yùn)行狀況，因此系統(tǒng)有可能出現(xiàn)數(shù)值較大的零序電流，會(huì)影響零序電流保護(hù)的正常工作，在一定程度上增加了零序電流繼電器的荷載。對(duì)于上述情況的發(fā)生，需要注意考慮整定計(jì)算，或單相重合閘動(dòng)作過(guò)程中使零序電流保護(hù)短時(shí)間退出運(yùn)行。

4 結(jié)束語(yǔ)

在10kV配電網(wǎng)小電阻接地系統(tǒng)出現(xiàn)短路故障后，會(huì)在故障區(qū)域形成高達(dá)上千伏的跨步電壓，對(duì)接地點(diǎn)周邊人們的健康安全構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。另外，由于短路時(shí)線路中瞬時(shí)電流增加，對(duì)于沒(méi)有按照絕緣裝置或是絕緣層老化的電氣設(shè)備，還有可能發(fā)生擊穿，損害電氣設(shè)備的正常運(yùn)行。因此，需要綜合分析可能導(dǎo)致小電阻接地短路故障的原因，并以此為著手點(diǎn)，探究可行性的保護(hù)措施，保障電力系統(tǒng)運(yùn)行安全，為電力用戶(hù)提供更加優(yōu)質(zhì)和穩(wěn)定的電力能源。

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