國(guó)網(wǎng)山東省電力公司 趙辰宇

1 引言

單相接地是配電網(wǎng)中常見的故障類型，據(jù)近期運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，山東配網(wǎng)單相接地故障約占故障總數(shù)的60%。單相接地故障如果不及時(shí)切除，有可能引發(fā)嚴(yán)重后果，近期湖南公司發(fā)生了一起因單相接地引起10千伏線路斷線并導(dǎo)致鐵路停運(yùn)的事故。因此，有必要對(duì)我省配電網(wǎng)單相接地情況進(jìn)行進(jìn)一步分析，明確單相接地故障特征、危害程度，制定有效對(duì)策，避免單相接地故障引發(fā)嚴(yán)重事故。

2 山東配網(wǎng)單相接地故障處理方式

理論分析與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)系統(tǒng)電容電流小于10安培時(shí)，接地電弧在過零點(diǎn)容易自行熄滅，瞬時(shí)性故障可自行恢復(fù)；而電容電流大于10安培時(shí)電弧難以自行熄滅。因此相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)均規(guī)定：?jiǎn)蜗嘟拥毓收想娙蓦娏髟?0安培及以下時(shí)，采用中性點(diǎn)不接地方式；電容電流超過10安培且小于100安培～150安培時(shí)，采用經(jīng)消弧線圈接地方式；電容電流超過100安培～150安培以上，則采用經(jīng)小電阻接地方式。

中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地方式下，單相接地故障電流較大，稱為大電流接地故障。此時(shí)系統(tǒng)三相電壓不再對(duì)稱，無(wú)法正常供電，線路保護(hù)及時(shí)動(dòng)作切除故障，一般不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重后果。

中性點(diǎn)不接地和經(jīng)消弧線圈接地方式下，單相接地故障電流較小，稱為小電流接地故障，故障時(shí)三相電壓對(duì)稱情況不變，可帶故障運(yùn)行一段時(shí)間，通常是查找到故障點(diǎn)后再停電處理，從而提高供電可靠性。但小電流接地故障位置查找往往耗時(shí)較長(zhǎng)，在故障點(diǎn)查找期間，故障電流與過電壓持續(xù)作用有可能導(dǎo)致故障進(jìn)一步發(fā)展。

山東配電網(wǎng)按照接地故障電流一般不超過10安培的原則確定中性點(diǎn)接地方式。采用不接地、經(jīng)消弧線圈接地和經(jīng)小電阻接地三種中性點(diǎn)接地方式。2017年初數(shù)據(jù)顯示，全省配出35千伏與10千伏線路變電站共計(jì)6548座，其中中性點(diǎn)不接地運(yùn)行方式4505座、占比68.8%，中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地1995座、占比30.47%，中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地48座、占比0.73%，如圖1所示。

圖1 山東配網(wǎng)中性點(diǎn)接地方式

山東配電網(wǎng)中性點(diǎn)采用不接地和經(jīng)消弧線圈接地兩種方式的占比達(dá)99.27%。因此配電線路發(fā)生的單相接地故障，基本都是小電流接地故障，通常帶故障運(yùn)行查找故障點(diǎn)，確定故障點(diǎn)后再停電進(jìn)行處理，帶故障運(yùn)行時(shí)間一般不超過2小時(shí)。

3 小電流接地故障分析

配電線路發(fā)生的單相接地故障，按故障點(diǎn)穩(wěn)定程度可分為穩(wěn)定接地故障與弧光接地故障。

3.1 穩(wěn)定接地故障

穩(wěn)定接地故障是故障線路與大地可靠連接，例如避雷器、互感器下引線搭接橫擔(dān)，導(dǎo)線與樹木搭接等情況。接地故障發(fā)生瞬間，一般存在明顯的暫態(tài)過渡過程，暫態(tài)過程的故障電流幅值是對(duì)地電容電流的幾倍至十幾倍。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)錄波數(shù)據(jù)分析，暫態(tài)故障電流峰值有時(shí)可達(dá)200安培以上，如圖2所示。但暫態(tài)尖峰電流持續(xù)時(shí)間較短，一般不超過10毫秒，相應(yīng)產(chǎn)生的能量也很小。暫態(tài)過程結(jié)束后，故障進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)態(tài)故障電流一般小于10安培。

圖2 典型暫態(tài)故障電流錄波圖

發(fā)生穩(wěn)定接地故障時(shí)，對(duì)于中性點(diǎn)不接地和經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，非故障相對(duì)地電壓升高，升高幅度與接地點(diǎn)過渡電阻有關(guān)，但最大不超過線電壓，即不超過額定電壓的倍。

3.2 弧光接地故障

弧光接地是不穩(wěn)定的接地故障形式，據(jù)文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)弧光接地故障比例在10%左右。其主要特點(diǎn)是線路對(duì)地絕緣降低，在相電壓上升到一定程度時(shí)絕緣擊穿，產(chǎn)生沿面或經(jīng)空氣放電，電壓下降后絕緣恢復(fù)，如此反復(fù)循環(huán)多次。架空線路絕緣子存在裂縫、線路絕緣外皮損傷、導(dǎo)線與建筑物過近等情況下，都可能導(dǎo)致絕緣在電壓作用下?lián)舸?，發(fā)生弧光接地。由于弧光接地存在多次擊穿過程，電荷在短時(shí)間內(nèi)大量移動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生多次瞬時(shí)大電流，幅值可達(dá)數(shù)百安，對(duì)導(dǎo)線破壞力較強(qiáng)。典型弧光接地故障電流如圖3所示。

圖3 典型弧光接地故障電流錄波圖

發(fā)生弧光接地故障時(shí)，由于高頻振蕩過程積累能量，過電壓情況比較突出。對(duì)中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，理論分析表明非故障相弧光接地過電壓最高可達(dá)3.5倍額定電壓。但實(shí)際出現(xiàn)如此高幅值過電壓的概率非常低，現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生的絕大部分弧光過電壓不超過3倍額定電壓。消弧線圈在限制單相接地故障電流的同時(shí)，還可以降低故障相恢復(fù)電壓上升速度，從而降低弧光接地過電壓的幅值。因此經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)中的弧光接地過電壓，明顯較中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)低，所測(cè)得的弧光過電壓最高為2.5倍額定電壓。

圖4 一次弧光接地過電壓錄波圖

4 小電流接地故障危害分析

由于小電流接地故障電流較小，一般不超過線路額定負(fù)荷電流，不會(huì)引起保護(hù)動(dòng)作，也不會(huì)導(dǎo)致線路過載。故障危害主要體現(xiàn)在故障點(diǎn)通流發(fā)熱燒損線路，以及過電壓對(duì)系統(tǒng)絕緣產(chǎn)生破壞。

4.1 穩(wěn)定接地故障危害分析

穩(wěn)定接地故障多發(fā)生于架空裸導(dǎo)線，流經(jīng)故障點(diǎn)的電流一般不超過10安培，且電流隨過渡電阻的增加而減小。由于穩(wěn)定接地故障電流小，產(chǎn)生的能量有限，一般不會(huì)導(dǎo)致架空裸導(dǎo)線熔化（鋁的熔點(diǎn)為660℃），不會(huì)造成實(shí)質(zhì)危害。需要注意的是，如果線路通過搭接樹木接地，故障電流產(chǎn)生的熱量有可能引燃樹木，從而造成導(dǎo)線熔斷或引發(fā)火災(zāi)。

架空絕緣導(dǎo)線和電纜由于有絕緣層防護(hù)，極少發(fā)生穩(wěn)定接地故障。在特殊情況下出現(xiàn)穩(wěn)定接地時(shí)（如電纜被挖斷接地），故障電流小于10安培，也不會(huì)對(duì)導(dǎo)線本體造成實(shí)質(zhì)危害。但導(dǎo)線外皮一般為交聯(lián)聚乙烯材料，其軟化分解溫度在140℃左右，故障電流產(chǎn)生的熱量有可能造成外皮軟化分解甚至熔化。

對(duì)于穩(wěn)定接地故障，非故障相對(duì)地電壓最大升高到額定線電壓，由于配電線路絕緣裕度較高，穩(wěn)定接地故障過電壓一般不會(huì)對(duì)線路絕緣水平造成破壞。

4.2 弧光接地故障危害分析

發(fā)生弧光接地時(shí)，每個(gè)工頻周波存在兩次熄弧過程，單次弧光持續(xù)時(shí)間為幾個(gè)毫秒（均值約5毫秒）。由于電弧能量高度集中，會(huì)產(chǎn)生大量熱量，弧光表面溫度一般可達(dá)3000～4000℃，電弧中心區(qū)甚至高達(dá)上萬(wàn)攝氏度。理論分析認(rèn)為，裸導(dǎo)線發(fā)生弧光接地時(shí)，接地電弧在電磁力作用下可沿導(dǎo)線自由移動(dòng)，熱量不會(huì)在一點(diǎn)累積，因此耐電弧能力較強(qiáng)；絕緣導(dǎo)線由于絕緣層的限制，電弧不能移動(dòng)，電弧對(duì)導(dǎo)線存在較大危害，甚至導(dǎo)致燒毀斷線。中國(guó)電科院曾進(jìn)行過工頻電弧燃燒試驗(yàn)，分析故障電弧對(duì)導(dǎo)線的危害。從試驗(yàn)結(jié)果來看，裸導(dǎo)線在單相接地故障電弧作用下，沒有出現(xiàn)斷線、斷股和局部蝕損現(xiàn)象，試驗(yàn)后導(dǎo)線機(jī)械拉伸強(qiáng)度與試驗(yàn)前相比無(wú)明顯降低；對(duì)于絕緣導(dǎo)線，10安培的單相接地故障弧光電流即可引燃導(dǎo)線絕緣層，電弧被絕緣層熔化物固定，持續(xù)15分鐘后，導(dǎo)線已經(jīng)重度氧化脆化，輕彎即斷。

結(jié)合理論分析與試驗(yàn)結(jié)果，可以認(rèn)為：架空裸導(dǎo)線對(duì)故障電弧的耐受能力較強(qiáng)，一般不會(huì)發(fā)生導(dǎo)線燒灼斷線的情況；對(duì)于架空絕緣導(dǎo)線，接地電弧在短時(shí)間內(nèi)即可導(dǎo)致燒損斷線；電纜燒灼情況與架空絕緣線路類似，電弧在短時(shí)間內(nèi)即可造成斷線，由于電纜溝道內(nèi)往往存在可燃?xì)怏w，接地電弧還可能引起電纜溝道火災(zāi)，導(dǎo)致嚴(yán)重后果。

弧光接地故障產(chǎn)生的過電壓幅度較大，不接地系統(tǒng)可達(dá)3.0倍額定電壓，消弧線圈接地系統(tǒng)可達(dá)2.5倍額定電壓。接地故障期間，弧光過電壓對(duì)非故障相的絕緣存在較強(qiáng)危害，可能導(dǎo)致絕緣薄弱點(diǎn)擊穿，從而單相接地故障發(fā)展為相間短路，引起保護(hù)動(dòng)作跳閘。經(jīng)分析某地2016年發(fā)生的71次單相接地故障記錄發(fā)現(xiàn)，有2次單相接地故障持續(xù)期間線路短路跳閘，占比為2.82%。

4.3 事故斷線機(jī)理分析

架空裸導(dǎo)線對(duì)穩(wěn)定電流與電弧的耐受能力都很強(qiáng)，一般不會(huì)因單相接地故障導(dǎo)致斷線。但現(xiàn)場(chǎng)也存在少數(shù)例外情況，例如某公司10千伏線路接地故障前，故障線路#45桿C相絕緣子應(yīng)該存在明顯裂紋，甚至絕緣子已經(jīng)破碎。C相導(dǎo)線與絕緣子鋼腳距離很近，導(dǎo)線向絕緣子鋼腳頂部放電，發(fā)生單相弧光接地故障。接地弧光電流很大并且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，產(chǎn)生的熱量造成導(dǎo)線局部受熱軟化，在兩側(cè)拉力的作用下最終導(dǎo)致導(dǎo)線斷裂。實(shí)際運(yùn)行中絕緣子突然碎裂的情況很少，大多是絕緣子有裂紋導(dǎo)致多次瞬時(shí)性弧光放電，接地電弧燒斷裸導(dǎo)線的概率很小。

5 結(jié)語(yǔ)

山東配電網(wǎng)主要是中性點(diǎn)不接地與經(jīng)消弧線圈接地方式。發(fā)生穩(wěn)定的單相接地故障時(shí)，故障電流一般不會(huì)超過10安培，過電壓幅值不會(huì)超過倍，故障電流與過電壓對(duì)線路危害較小。弧光接地對(duì)線路存在較大危害，故障電弧可造成架空絕緣導(dǎo)線與電纜燒灼斷線，弧光過電壓可能導(dǎo)致線路絕緣損壞，甚至引發(fā)人身觸電、電纜溝道起火、線路短路跳閘等嚴(yán)重后果。

針對(duì)山東配電網(wǎng)單相接地故障可能導(dǎo)致的危害，可以采取以下預(yù)防措施：

一是加強(qiáng)重點(diǎn)線路巡視與檢測(cè)。進(jìn)一步加強(qiáng)跨越線路的巡視與檢測(cè)，通過超聲局放檢測(cè)、紅外測(cè)溫等帶電檢測(cè)手段，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常線路與設(shè)備消除故障隱患，減少單相接地故障的發(fā)生。另外，對(duì)于架空絕緣線路、溝道敷設(shè)的電纜線路和頻繁發(fā)生瞬時(shí)性接地故障的線路，也應(yīng)加強(qiáng)巡視與檢測(cè)工作。

二是快速就近隔離故障。目前在發(fā)生單相接地故障后，一般帶故障運(yùn)行查找故障點(diǎn)，確定故障點(diǎn)后再停電處理，但故障持續(xù)期間可能導(dǎo)致嚴(yán)重后果。國(guó)網(wǎng)公司2016年版《配電網(wǎng)技術(shù)導(dǎo)則》提出，對(duì)永久性單相接地故障，在定位故障點(diǎn)后，宜按快速就近隔離故障的原則進(jìn)行處理。建議在繼續(xù)提升新型故障指示器選線與定位效果的基礎(chǔ)上，選擇新型故障指示器覆蓋率較高區(qū)域，試點(diǎn)快速就近隔離故障的處理方式，積累成功經(jīng)驗(yàn)后逐步推廣。

三是排查整改消弧線圈補(bǔ)償情況。消弧線圈應(yīng)將接地故障電流限制在10安培以下，有效降低故障電流危害。但現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的部分消弧線圈補(bǔ)償度調(diào)整不當(dāng)時(shí)，補(bǔ)償后電流遠(yuǎn)超10安培限值，增加故障電流對(duì)導(dǎo)線的危害程度。建議對(duì)消弧線圈實(shí)際補(bǔ)償情況進(jìn)行排查整改，確保消弧線圈補(bǔ)償后接地故障電流小于10安培，從而切實(shí)發(fā)揮消弧線圈作用。

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