張 恒，張 毅

(中煤陜西榆林能源化工有限公司，陜西 榆林 719000)

0 引言

運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中，單相接地故障最多。理論上，在發(fā)生單相接地故障時(shí)，電氣設(shè)備供電情況并未改變，可以繼續(xù)運(yùn)行2 h，但實(shí)際上如果不及時(shí)處理的話，由于非故障相電壓升高，使絕緣薄弱點(diǎn)很可能被擊穿，造成事故擴(kuò)大，并且會(huì)威脅人身安全、干擾通信系統(tǒng)。如果接地點(diǎn)出現(xiàn)間歇性拉弧，由于配電網(wǎng)中電感、電容的充放電效應(yīng)，非故障相電壓峰值理論上可能達(dá)到額定電壓的3.5倍，此外，故障電流比較小，也給實(shí)現(xiàn)可靠的繼電保護(hù)、及時(shí)檢測(cè)出故障線路并定位故障點(diǎn)帶來困難。所以配電網(wǎng)單相接地故障有很大的不確定性，快速準(zhǔn)確地處理單相接地故障對(duì)供電可靠性具有重要意義。

1 企業(yè)電力系統(tǒng)的中性點(diǎn)運(yùn)行方式選擇

電力系統(tǒng)的中性點(diǎn)是指星形聯(lián)結(jié)的變壓器或發(fā)電機(jī)的中性點(diǎn)，中性點(diǎn)接地方式對(duì)電力系統(tǒng)的運(yùn)行有很大影響，特別是系統(tǒng)發(fā)生單相故障時(shí)有明顯影響，這是一個(gè)綜合性的技術(shù)問題。電力系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式分兩大類，一類是中性點(diǎn)不接地，或經(jīng)消弧線圈接地，稱為小接地電流系統(tǒng)，另一類是中性點(diǎn)直接接地或經(jīng)低阻抗接地，稱為大接地電流系統(tǒng)。我國(guó)電力系統(tǒng)中3～66 kV系統(tǒng)中由于設(shè)備絕緣水平按線電壓考慮對(duì)設(shè)備造價(jià)影響大，為提高供電可靠性，一般采用中性點(diǎn)不接地運(yùn)行方式，如果單相接地電流大于一定數(shù)值時(shí)(3～10 kV電網(wǎng)>30 A；20 kV及以上電網(wǎng)>10 A)，則應(yīng)采用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地運(yùn)行方式[1]。

煤化工企業(yè)中電力負(fù)荷多屬于一、二級(jí)負(fù)荷，對(duì)供電可靠性要求較高，且負(fù)荷比較集中，所用電纜較短，對(duì)地電容電流較小，單相接地電流較小，所以煤化工10 kV電力系統(tǒng)多采用中性點(diǎn)不接地運(yùn)行方式。

2 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)單相接地故障分析

2.1 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)單相接地故障的特點(diǎn)

單相接地故障如圖1所示。

圖1 單相接地故障

IK=3Uφ·ωC0

2.2 多線路電容電流分布

多線路電容電流分布如圖2所示。

圖2 多線路電容電流分布圖

非故障線路Ⅰ：3I0Ⅰ=3UφωC0Ⅰ

發(fā)電機(jī)：3I0f=3UφωC0f

故障線路Ⅱ：

3I0Ⅱ=3Uφω(C0∑-C0Ⅱ)

2.3 多線路單相接地的零序等值電路

單相接地的零序等值電路如圖3所示。

圖3 A相接地時(shí)的零序等效網(wǎng)絡(luò)

由圖3分析可知：在發(fā)生單相接地故障時(shí)，全系統(tǒng)都將出現(xiàn)零序電壓，由于線路的零序阻抗遠(yuǎn)小于對(duì)地電容的阻抗，可忽略不計(jì)，則全系統(tǒng)各點(diǎn)零序電壓均等于故障點(diǎn)零序電壓。零序電流就是各元件的對(duì)地電容電流，非故障線路和發(fā)電機(jī)的零序電流數(shù)值上等于本身的對(duì)地電容電流，電容性無功功率的方向?yàn)槟妇€流向線路，在故障線路上的零序電流為全系統(tǒng)非故障元件對(duì)地電容電流的總和，電容性無功功率方向?yàn)榫€路流向母線[2]。

3 一種典型的10 kV不接地系統(tǒng)

3.1 一次系統(tǒng)

煤化工企業(yè)典型的10 kV系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 一次系統(tǒng)圖

電壓互感器：采用YNynd0接線，一個(gè)三相五柱式三繞組電壓互感器接成星形和開口三角形接線。輔助二次繞組接成開口三角形，當(dāng)三相電路正常運(yùn)行時(shí)，開口三角兩端電壓接近于零。當(dāng)一相接地短路時(shí)，開口三角兩端將出現(xiàn)100 V零序電壓。

（1）教師對(duì)作業(yè)的作用認(rèn)識(shí)不夠。很多教師只把作業(yè)當(dāng)成是教學(xué)中可有可無的點(diǎn)綴，是督促、檢查學(xué)生掌握書本知識(shí)的一種習(xí)慣性方式，忽視了作業(yè)是教學(xué)過程的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，這要求我們必須樹立整體的教學(xué)觀念，優(yōu)化教學(xué)過程的每個(gè)環(huán)節(jié)。讓作業(yè)成為幫助學(xué)生加深理解所學(xué)知識(shí)，拓展學(xué)習(xí)內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)自主學(xué)習(xí)的一種有效活動(dòng)。

電動(dòng)機(jī)：煤化工主要負(fù)荷。

10/0.4 kV變壓器：主要配電設(shè)備。

無功補(bǔ)償裝置：TSC+HVC系列動(dòng)態(tài)無功功率補(bǔ)償裝置。

3.2 有關(guān)零序電壓或零序電流的保護(hù)配置

零序保護(hù)配置見表1。

表1 保護(hù)配置表

3.3 自動(dòng)裝置

小電流接地選線裝置：本機(jī)對(duì)弧光接地采用了先進(jìn)的最大增量法，能對(duì)金屬性接地準(zhǔn)確判斷。

過電壓抑制柜：本裝置根據(jù)電壓互感器提供的信號(hào)，在發(fā)生PT斷線、過壓、欠壓、諧振、弧光接地等現(xiàn)象時(shí)，通過對(duì)二次電壓進(jìn)行采集、判斷，及時(shí)準(zhǔn)確地對(duì)系統(tǒng)各種狀態(tài)進(jìn)行分析，判斷出系統(tǒng)的故障情況，隨即報(bào)警。

3.4 單相接地現(xiàn)象

理論上當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生金屬性或者穩(wěn)定弧光單相接地故障，只要系統(tǒng)保護(hù)設(shè)備和自動(dòng)裝置保護(hù)定值過門檻，系統(tǒng)各裝置會(huì)出現(xiàn)動(dòng)作。

零序過電壓報(bào)警：相電壓發(fā)生變化，故障相電壓變?yōu)榱悖枪收舷嚯妷荷邽榫€電壓，同時(shí)出現(xiàn)零序電壓。當(dāng)互感器顯示零序電壓為100 V時(shí)，系統(tǒng)發(fā)生金屬性單相接地故障；當(dāng)零序電壓為35 V左右時(shí)，系統(tǒng)出現(xiàn)斷相；當(dāng)零序電壓為變化數(shù)值時(shí)，系統(tǒng)可能出現(xiàn)間歇性弧光單相接地故障[3]。而系統(tǒng)出現(xiàn)兩相、三相接地短路、相間短路時(shí)，相應(yīng)的保護(hù)會(huì)及時(shí)切除此等故障，零序過電壓也不會(huì)動(dòng)作。

小電流接地選線裝置：小電流接地選線裝置選出相應(yīng)接地回路。

電容器零序過電壓跳閘：由于此時(shí)全系統(tǒng)各點(diǎn)零序電壓均等于故障點(diǎn)零序電壓，電容器零序過電壓跳閘。

諧振報(bào)警：過電壓抑制柜零序過電壓報(bào)警，由于單相接地故障往往產(chǎn)生諧振，所以還會(huì)有諧振報(bào)警。

零序過電流信號(hào)：當(dāng)故障點(diǎn)在變壓器饋線，其保護(hù)裝置發(fā)零序過電流信號(hào)。

零序過電流跳閘：當(dāng)故障點(diǎn)在電動(dòng)機(jī)饋線，其保護(hù)裝置零序過電流跳閘。

3.5 故障判斷處理

綜合保護(hù)裝置動(dòng)作現(xiàn)象可以及時(shí)找出故障點(diǎn)，然后排除故障，使系統(tǒng)盡快恢復(fù)正常運(yùn)行狀態(tài)。但實(shí)際上，10 kV中壓配電網(wǎng)中性點(diǎn)不管是不接地還是經(jīng)過消弧線圈接地，發(fā)生單相接地故障電流都較小，這就造成接地電弧易于熄滅和重燃，即間歇性電弧。有資料表明，在電網(wǎng)全部接地故障中約60%屬于這種性質(zhì)。間歇性電弧使得接地電流不穩(wěn)定，給利用穩(wěn)定電氣量的檢測(cè)方法，如工頻零序電流法、零序功率方向法、中電阻法、小擾動(dòng)法以及注入信號(hào)法，帶來困難。而在這種煤化工典型10 kV不接地系統(tǒng)中各保護(hù)和自動(dòng)裝置定值采用的正是工頻零序電流或電壓的穩(wěn)態(tài)量。

煤化工企業(yè)中的10 kV電動(dòng)機(jī)和變壓器采用零序過流法進(jìn)行單相接地故障的保護(hù)，零序電流定值的整定原則是躲過本線路的電容電流?？紤]難以準(zhǔn)確地估算線路電容值，為保證保護(hù)動(dòng)作的可靠性，一般取本線路電容電流的2～4倍。該保護(hù)易于實(shí)現(xiàn)，但缺點(diǎn)是檢測(cè)靈敏度低，當(dāng)接地電阻較大時(shí)，故障線路的零序電流較小，可能拒動(dòng)。當(dāng)線路較長(zhǎng)時(shí)，其對(duì)地電容電流可能接近甚至大于所有非故障線路的對(duì)地電容電流，將出現(xiàn)無法對(duì)保護(hù)進(jìn)行定值整定的情況。

所以煤化工這種典型10 kV不接地系統(tǒng)保護(hù)和自動(dòng)化裝置配置不能完全解決單相接地故障的選線和保護(hù)，尤其是發(fā)生間歇性電弧單相接地故障時(shí)。這時(shí)可以退而求其次，采用“拉閘試停”選擇故障線路，即根據(jù)調(diào)度指令拉閘試停電，優(yōu)先選擇不影響系統(tǒng)運(yùn)行或影響小，但發(fā)生接地可能性又很大的線路負(fù)載進(jìn)行檢查。一般先?？蛰d線路，其次是雙回路或有其他電源的線路，再次是分支多、線路長(zhǎng)、負(fù)荷小且不太重要的線路，最后是分支少、線路短、負(fù)荷重且較重要的線路。若將線路全部選切一遍，三相對(duì)地電壓指示沒變化，應(yīng)申請(qǐng)故障母線或線路負(fù)載停電后進(jìn)一步檢查處理。當(dāng)然采用該方法處理故障是一種無奈之舉，它存在導(dǎo)致停電時(shí)間過長(zhǎng)、停電范圍過大的問題。最好的辦法還是對(duì)系統(tǒng)的保護(hù)和自動(dòng)裝置進(jìn)行技術(shù)改造[4]。

由于故障線路零序電流小，且往往失去了區(qū)別于非故障線路零序電流的特征，可以采用主動(dòng)式穩(wěn)態(tài)量的方法，即利用專用一次設(shè)備或其他一次設(shè)備動(dòng)作配合，改變配電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)從而產(chǎn)生較大的工頻附加電流，或利用信號(hào)注入設(shè)備向配電網(wǎng)注入特定的附加電流信號(hào)，通過檢測(cè)這些附加電流來判斷故障回路，這種方法原理簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)，但投資大，且存在安全隱患。小電流接地故障產(chǎn)生的暫態(tài)零模電流幅值遠(yuǎn)大于穩(wěn)態(tài)零模電流值(可達(dá)穩(wěn)態(tài)電流幅值的十幾倍)，這就可以考慮用基于暫態(tài)方向法、暫態(tài)庫倫法、暫態(tài)行波法等原理的技術(shù)，提高保護(hù)和自動(dòng)裝置的靈敏性和可靠性[5]。

4 結(jié)語

為了保證供電的可靠性，在我國(guó)煤化工企業(yè)10 kV電力系統(tǒng)中性點(diǎn)往往采用不接地運(yùn)行方式，其相應(yīng)的保護(hù)和自動(dòng)裝置普遍利用故障產(chǎn)生的工頻或諧波這種穩(wěn)態(tài)電氣量進(jìn)行故障的判斷。面對(duì)電力系統(tǒng)中最常見的單相接地故障，由于有一定比例的間歇性接地故障，這些故障沒有穩(wěn)定的接地電弧，接地電流嚴(yán)重畸變，影響保護(hù)和自動(dòng)裝置的可靠性，同時(shí)間歇性拉弧可能產(chǎn)生3倍以上的過電壓，容易導(dǎo)致非故障相絕緣擊穿，使故障擴(kuò)大。為了兼顧供電可靠性和配電網(wǎng)的安全性的要求，保護(hù)和自動(dòng)裝置可以采用主動(dòng)式穩(wěn)態(tài)量或暫態(tài)量技術(shù)，同時(shí)其動(dòng)作出口最好設(shè)為跳閘。當(dāng)然隨著智能變電所的發(fā)展，基于饋線終端設(shè)備(FTU)的自動(dòng)化系統(tǒng)的熟練應(yīng)用，對(duì)于10 kV不接地系統(tǒng)的故障能得到很好的解決。