朱天昊，曹景雷，郭曉龍

（1.山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，山東淄博，255000；2.國(guó)網(wǎng)聊城供電公司，山東聊城，252000）

0 引言

小電流接地方式是電力系統(tǒng)配電網(wǎng)中常見的中性點(diǎn)接地方式。對(duì)于小電流接地系統(tǒng)，在其發(fā)生單相接地故障時(shí)，流過(guò)故障點(diǎn)的故障電流不大，對(duì)電力設(shè)備、人身造成的危害也較小，且三相之間的線電壓基本保持不變，不影響對(duì)負(fù)荷的供電，因此允許其在單相接地的情況下繼續(xù)運(yùn)行一段時(shí)間。對(duì)于小電流接地系統(tǒng)單相接地后的各種故障特征，各類文獻(xiàn)已經(jīng)做了較多的研究、分析，并給出了明確的說(shuō)明。但在電力系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行中，由于電力設(shè)備與理想模型存在差距，或設(shè)備安裝、維護(hù)水平的不同，在某些情況下，小電流接地系統(tǒng)在發(fā)生單相接地后，其故障特征并不與理論分析值完全相同，或存在明顯差異。本文將會(huì)對(duì)現(xiàn)實(shí)情況中的一次典型案例進(jìn)行分析，并對(duì)該案例中小電流系統(tǒng)發(fā)生單相接地后母線電壓出現(xiàn)異常情況的原因進(jìn)行分析。

1 事件概況

■1.1 事件主要概況

2020年2月14日17:33:23 220kV變電站甲35kV線路發(fā)生接地，選線裝置選擇線路為35kV甲乙線，35kV變電站乙顯示B站接地，35kV變電站丙顯示A相接地。甲站拉開35kV甲乙線321開關(guān)后35kV母線電壓恢復(fù)正常。

圖1 220kV變電站甲站內(nèi)接線圖

■1.2 事故前運(yùn)行方式

220kV變電站甲#1主變低壓側(cè)帶35kV負(fù)荷，35kVⅠ、Ⅱ段母線并列運(yùn)行，35kV甲乙線321間隔、35kV甲丙線311、35kV#1接地變35B1、35kVⅠ母線PT 35P1、35kVⅠ組電容器35C1、35kVⅡ組電容器35C2均為運(yùn)行狀態(tài)。35kVⅠ段上35kV甲丙線311間隔帶35kV變電站丙4.6MW負(fù)荷；35kVⅠ段上35kV#1接地變35B1間隔帶站用負(fù)荷，經(jīng)消弧線圈接地，消弧線圈處于1擋過(guò)補(bǔ)償狀態(tài)；35kVⅡ段母線上35kV甲乙線321間隔帶35kV變電站乙2.1MW負(fù)荷，并作為35kV丁站備用電源；35kVⅡ母線無(wú)PT間隔。220kV變電站甲一次主接線圖如圖1所示。

圖2 2020年2月14日17:33發(fā)生35kV線路發(fā)生接地時(shí)和2月15日21:30正常運(yùn)行時(shí)后臺(tái)機(jī)信息

2 現(xiàn)場(chǎng)檢查情況

■2.1 后臺(tái)檢查顯示

后臺(tái)顯示：2020年2月14日17:33發(fā)生35kV線路發(fā)生接地，小電流接地選線裝置（消弧線圈控制器）選線接地線路為35kV甲乙線321，但是未選出相別；檢查2020年2月15日21:30分正常運(yùn)行電壓：A相20.74kV、B相20.67kV、C相20.17kV、3U0為3.99kV。

■2.2 小電流接地選線裝置檢查

小電流接地選線裝置（消弧線圈控制器）顯示：2020.2.14 17:36:04至17:45:21發(fā)生單相接地，選線接地線路為35kV甲乙線321，接地電壓為20829.2V，電感電流為15.6A，電容電流為14.6A，35kV系統(tǒng)處于過(guò)補(bǔ)償狀態(tài)，但是未選出接地相別。再次檢查屏柜內(nèi)二次接線情況：該裝置未采用對(duì)時(shí)線（未采用對(duì)時(shí)引起小電流裝置和后臺(tái)機(jī)裝置有3分鐘左右差別屬于正?，F(xiàn)象）；未取來(lái)自35kV母線的二次A相、B相、C相和開口電壓，開口電壓取自消弧線圈控制柜內(nèi)自帶PT二次電壓。

圖3 2020年2月14日17:33發(fā)生35kV線路發(fā)生接地時(shí)小電流接地選線裝置選線信息

■2.3 主變故障錄波器波形檢查

該站未配置35kV故障錄波器，僅可以通過(guò)主變故障故錄器查看接地時(shí)電壓變化情況，圖4顯示接地瞬間波形，圖5顯示接地穩(wěn)定時(shí)波形，圖6顯示即將結(jié)束時(shí)波形，圖7顯示結(jié)束時(shí)波形。

圖4 2020年2月14日17:33:23發(fā)生35kV線路發(fā)生接地時(shí)瞬間主變故障錄波器波形

圖5 2020年2月14日17:33:25發(fā)生35kV線路發(fā)生接地時(shí)中間波形穩(wěn)定時(shí)主變故障錄波器波形

圖6 2020年2月14日17:42:39發(fā)生35kV線路發(fā)生接地即將消失時(shí)時(shí)主變故障錄波器波形

圖7 2020年2月14日17:42:39發(fā)生35kV線路發(fā)生接地消失時(shí)時(shí)主變故障錄波器波形

■2.4 35kV開關(guān)柜檢查

2.4.1 35kVⅠ段母線PT 35P1間隔檢查

檢查35kVⅠ段母線35P1間隔柜情況：①電壓互感器二次繞組采用yn接線方式，保護(hù)小室柜內(nèi)二次接線正常且一點(diǎn)接地，母線測(cè)控裝置顯示2020年2月15日21:30二次電壓：A相59.96V、B 相 59.21V、C相57.73V、3U0為6.40V；②電壓互感器一次繞組采用Y接線方式，采用3只單相全絕緣電壓互感器連接而成，中性點(diǎn)連接在一起未接地（示意圖如圖8所示），PT相關(guān)參數(shù)見表1。

圖8 Yyn接線圖

表1 35kVⅠ母線PT相關(guān)參數(shù)

重量 138kg出廠日期 2019.04投運(yùn)日期 2019.11.22廠家 中國(guó) 大連北方互感器集團(tuán)有限公司

2.4.2 35kV甲丙線311和35kV甲乙線321間隔開關(guān)柜檢查

35kV甲丙線311間隔開關(guān)柜外觀檢查無(wú)異常；35kV甲乙線321間隔停電對(duì)電纜、CT、避雷器、開關(guān)小車進(jìn)行檢查及絕緣試驗(yàn)無(wú)異常。

■2.5 iE600系統(tǒng)電壓顯示

檢查調(diào)度主站iE600在接地故障前后220kV變電站甲、35kV變電站乙、35kV變電站丙35kV母線電壓顯示情況見表2。在2020年2月14日17:34接地時(shí)，220kV變電站甲35kVⅠ段母線A、B、C三相電壓分別為18.84kV、24.45kV、19.45kV，35kV甲丙線所帶35kV變電站丙35kV母線A、B、C三相電壓為0.38kV、35.84kV、35.55kV，35kV甲乙線所帶變電站乙35kV母線A、B、C三相電壓分別為35.57kV、0.34kV、35.83kV。

顯然，三站35kV母線電壓顯示差別較大，特別是35kV變電站乙、35kV變電站丙接地相別不對(duì)，但是表現(xiàn)出典型的單相金屬性接地時(shí)電壓變化特征；220kV變電站甲故障電壓稍微升高，非故障相電壓稍微降低，不是典型金屬性接地時(shí)電壓變化特征。

■2.6 220kV變電站甲站外35kV甲乙線檢查情況

2月15日12:56 巡線人員多次巡線無(wú)異常，經(jīng)檢查35kV變電站乙、35kV變電站丙35kV母線PT顯示數(shù)據(jù)均正確，申請(qǐng)對(duì)線路試送。隨即遙控合上35kV甲乙線321開關(guān)后，220kV變電站甲35kVⅠ段母線A、B、C三相電壓分別為19kV、24.4kV、19.5kV；35kV變電站丙35kV母線A、B、C三相電壓為0.38kV、35.84kV、35.55kV。此次試送確定35kV甲乙線故障點(diǎn)依然存在，35kV甲丙線兩側(cè)35kV母線電壓顯示不同。隨即遙控拉開35kV甲乙線321開關(guān)，甲站、35kV變電站丙電壓恢復(fù)正常。

2月16日檢查發(fā)現(xiàn)35kV甲乙線#97桿避雷器B相擊穿。35kV變電站丙35kV甲丙線相序A、B、C三相序接對(duì)、相別相接錯(cuò)，由正常的順序A、B、C三相接成了C、A、B三相。

■2.7 接地選線分析

220kV甲站消弧線圈控制器為許繼變壓器公司W(wǎng)XHK2-1型號(hào)設(shè)備，既有消弧控制功能又有小電流接地選線功能，2019年11月投運(yùn)。

2020年2月14日17:33發(fā)生35kV線路發(fā)生接地，甲站小電流接地選線裝置（消弧線圈控制器）選接地線路為35kV甲乙線321，調(diào)度隨即遙控拉開35kV甲乙線321開關(guān)后，甲站、丙站、乙站35kV母線三相電壓恢復(fù)平衡，說(shuō)明小電流接線選線裝置選線正常。因裝置原理設(shè)計(jì)未取來(lái)自35kV母線PT引出的二次A相、B相、C相和開口電壓，接地零序電壓取自消弧線圈控制柜內(nèi)自帶PT二次電壓，因此能正常反應(yīng)出接地時(shí)中性點(diǎn)對(duì)地電壓為20829.2V，表現(xiàn)出典型的金屬性接地，不能選出接地相別屬于正常現(xiàn)象。

3 電壓異常原因分析

■3.1 35kV乙站、丙站電壓異常分析

在2020年2月14日17:34 35kV甲乙線接地時(shí)，35kV甲丙線所帶丙站顯示A相接地，35kV甲乙線顯示B相接地，兩站接地相別不對(duì)。根據(jù)巡線結(jié)果反饋的35kV甲乙線#97桿避雷器B相擊穿、35kV丙站35kV甲丙線在2019年11月份送電時(shí)由正常的順序A、B、C三相接成了C、A、B三相，證明了35kV甲乙線接地相別為B相，是一起典型的金屬性單相接地故障。

表2 故障前后220kV變電站甲、35kV變電站乙、35kV變電站丙35kV母線電壓顯示情況

■3.2 甲站35kV母線電壓異常分析

220kV甲站35kVⅠ段母線PT一次繞組中性點(diǎn)未接地，和原來(lái)設(shè)計(jì)的經(jīng)消諧裝置接地不符；二次繞組直接接地。對(duì)于Yyn接線方式的電壓互感器，一次側(cè)中性點(diǎn)不接地，一次繞組反應(yīng)出來(lái)的是母線對(duì)中性點(diǎn)電壓而不是母線對(duì)地電壓。

假設(shè)三只電壓互感器阻抗相同，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生金屬性單相接地時(shí)，中性點(diǎn)電壓不偏移，接地相雖然對(duì)地電壓為零，但是中性點(diǎn)電壓仍然為相電壓，這時(shí)施加于一次繞組的電壓并沒(méi)有改變，二次相電壓也未改變，因而反映不出系統(tǒng)接地故障。

但是受系統(tǒng)參數(shù)、設(shè)備參數(shù)、負(fù)荷情況、三相PT差異、接地情況等因素影響不同，單相接地后電壓互感器中性點(diǎn)N點(diǎn)電壓會(huì)發(fā)生偏移，其具體位置不宜判斷。假設(shè)三只電壓互感器阻抗相同，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生金屬性單相接地時(shí)，中性點(diǎn)對(duì)地電壓會(huì)上升到相電壓左右，在主要考慮中性點(diǎn)電壓升高對(duì)大地電容影響情況下，中性點(diǎn)往往向接地相電壓反向偏移，使得接地相對(duì)中性點(diǎn)電壓升高，兩健全相對(duì)中性點(diǎn)電壓降低。

4 電壓互感器YNyn和Yyn接線方式單相接地時(shí)電壓分析

對(duì)于小電流接地系統(tǒng)（不接地或者經(jīng)消弧線圈接地）發(fā)生單相接地時(shí)，由于故障點(diǎn)電流很小，而且三相之間的線電壓保持對(duì)稱，對(duì)負(fù)荷的供電沒(méi)有影響，因此，在一般情況下允許再繼續(xù)運(yùn)行1～2h。

■4.1 電壓互感器YNyn接線方式單相接地時(shí)電壓分析

假設(shè)系統(tǒng)發(fā)生A相金屬性接地（接地電阻為零），故障相電壓降為0（與大地等電位），非故障相電壓變?yōu)榫€電壓，三相之間相電壓不變，仍為線電壓。當(dāng)采取三只單相PT星性連接且中性點(diǎn)接地時(shí)，如圖9(a)所示，此時(shí)中性點(diǎn)電壓將始終為0，即地電位，PT測(cè)得的電壓即為故障情況下的各相實(shí)際對(duì)地電壓，即接地相為0，非故障相升高至線電壓。

■4.2 電壓互感器Yyn接線方式單相接地時(shí)電壓分析

4.2.1 三只電壓互感器阻抗相同的情況下單相接地時(shí)電壓分析

當(dāng)PT一次繞組中性點(diǎn)未接地時(shí)，此時(shí)中性點(diǎn)電壓懸空。當(dāng)發(fā)生單相接地金屬性故障時(shí)，如果三相PT負(fù)載阻抗對(duì)稱，則中性點(diǎn)電壓將始終處于矢量三角形的中心，具體推理如下：

圖9

圖10

根據(jù)基爾霍夫電流定律可得出：

結(jié)論：偏移后的中性點(diǎn)對(duì)地電壓變?yōu)樵瓉?lái)的相電壓，方向相反。

母線A、B、C三相對(duì)中性點(diǎn)電壓變?yōu)椋?/p>

由以上分析可以看出，理想情況下，當(dāng)PT一次側(cè)中性點(diǎn)未接地時(shí)，三相測(cè)得的相電壓均為各相正常的額定電壓，且不受系統(tǒng)運(yùn)行情況影響。

4.2.2 三只電壓互感器阻抗不相同的情況下單相接地時(shí)電壓分析

假設(shè)A、B、C三相阻抗分別為Z1、Z2、Z3，正常運(yùn)行時(shí)，

中性點(diǎn)電流電壓關(guān)系為：

得出：

可見，當(dāng)三只電壓互感器阻抗特性不一致時(shí)，中性點(diǎn)電壓就要發(fā)生偏移，引起的各相對(duì)中性點(diǎn)測(cè)量電壓有大有小。

因此，當(dāng)正常運(yùn)行電壓互感器采用Yyn接線方式時(shí)，兩相測(cè)量電壓基本相同時(shí)，另外一相測(cè)量電壓不同時(shí)，說(shuō)明這只互感器的阻抗特性和另外兩只不同。對(duì)于220kV甲站，正常運(yùn)行A、B相測(cè)量電壓基本相同，C相測(cè)量電壓稍微偏小，判斷C相電壓互感器阻抗稍微大于其他兩相。因?yàn)槿浑妷夯ジ衅鳛橥慌卧O(shè)備，它們等值阻抗基本相同。

當(dāng)A相發(fā)生金屬性接地時(shí)，假設(shè)B、C兩相阻抗特性一樣，即Z2=Z3，得出：

因此，在發(fā)生單相金屬性接地故障時(shí)，電壓互感器中性點(diǎn)電壓會(huì)升高相電壓，如果不考慮PT中性點(diǎn)電壓升高對(duì)系統(tǒng)容抗影響，那相測(cè)量電壓越大，那相電壓互感器的阻抗越大。這和三相正常運(yùn)行時(shí)，中性點(diǎn)電壓很小時(shí)，反應(yīng)三只電壓互感器阻抗大小特性是一樣的。

4.2.3 考慮電壓互感器中性點(diǎn)對(duì)地電容影響時(shí)單相接地時(shí)電壓分析

考慮到接地時(shí)三相PT中性點(diǎn)對(duì)地電壓會(huì)上升，特別是發(fā)生單相金屬性接地故障時(shí)電壓互感器中性點(diǎn)對(duì)地電壓會(huì)升高到相電壓左右，這是一個(gè)很高的對(duì)地電壓。因?yàn)橹行渣c(diǎn)對(duì)地電壓很高，需要考慮對(duì)大地產(chǎn)生的電容影響。

圖11

根據(jù)基爾霍夫電流定律可得出：

其中Z=Rm+jXm=Rm+jωL為電壓互感器的勵(lì)磁阻抗；ZC=1jωC，C為電壓互感器中性點(diǎn)與大地之間的電容。進(jìn)一步化簡(jiǎn)ZZC=jRmωC?ω2LC。由于勵(lì)磁阻抗中Xm 遠(yuǎn)大于Rm，ZZC≈ ?ω2LC，小于0，即由于中性點(diǎn)N點(diǎn)電壓U˙N偏移到E˙A反方向，且幅值大于相電壓EA，所以B相和C相對(duì)中性點(diǎn)測(cè)量電壓小于相電壓。

5 結(jié)語(yǔ)

由上分析，對(duì)于電壓互感器一次繞組采用Y形接線方式時(shí)，當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)中性點(diǎn)電壓接近為0，與大地接近等電位，電容對(duì)電壓分布的影響將會(huì)很??；但是發(fā)生金屬單相接地時(shí)，中性點(diǎn)對(duì)地電壓會(huì)升高到相電壓左右，在考慮中性點(diǎn)對(duì)大地電容影響時(shí)，測(cè)量到的故障相對(duì)中性點(diǎn)電壓大于相電壓，非故障相對(duì)中性點(diǎn)電壓小于相電壓。

當(dāng)220kV甲站35kV甲乙線B相發(fā)生因避雷器擊穿引起接地時(shí)，由于35kVⅠ母線PT其N點(diǎn)未接地，一次繞組中性點(diǎn)N點(diǎn)電壓發(fā)生偏移，向接地B相反向偏移。經(jīng)過(guò)接地暫態(tài)過(guò)程后三相電壓趨于穩(wěn)定（如圖5所示），17:34接地穩(wěn)定時(shí)，電壓互感器反應(yīng)出A相18.8kV、B相24.4kV、C相19.4kV屬于正?，F(xiàn)象。

從表1中可以看出，該電壓互感器為全絕緣形式，N接線柱絕緣性能滿足40.5/95/200kV，即最高運(yùn)行電壓為40.5kV、工頻耐受電壓為95kV、雷電沖擊耐受電壓為200kV，可見系統(tǒng)單相接地故障時(shí)N點(diǎn)電壓遠(yuǎn)低于其工頻耐受電壓，因此未對(duì)設(shè)備造成損壞。

綜合現(xiàn)場(chǎng)檢查情況，還原故障發(fā)展過(guò)程如下：

2020年2月14日17:33，35kV乙站內(nèi)B相避雷器故障擊穿，站內(nèi)PT顯示B相電壓接近0V，A、C相電壓接近線電壓；屬于同一電源系統(tǒng)的35kV丙站站內(nèi)PT顯示A相（實(shí)際為系統(tǒng)B相）電壓接近0V，B、C相（實(shí)際為系統(tǒng)C、A相）電壓接近線電壓；220kV甲站由于35kVⅠ母線PT 一次繞組中性點(diǎn)N端未接地，N端發(fā)生電壓偏移，二次電壓為三相對(duì)于偏移后的N點(diǎn)電壓，而非相對(duì)地電壓，電壓顯示A相18.8kV、B相24.4kV、C相19.4kV。

調(diào)控人員遙控拉開35kV甲乙線321開關(guān)后，220kV甲站35kVⅠ母線電壓顯示正常。