简析单相接地故障的特点以及应对措施

        【摘 要】 电力系统故障主要分为短路故障和断线故障，对于以电缆作为配电方式的电力系统来说，线路故障绝大多数为短路故障，而其中又以永久性单相接地故障的发生频率为最高，本文结合高桥石化炼油板块供配电实际情况，对电力系统的单相接地故障的原理、特征及利害做一个简要的分析，同时提出一些故障发生后，如何快速查找故障，减少事故扩大的简单有效的方法。

        常见的电力系统的电压等级主要有110kV、35kV、6kV以及0.4kV。运行方式属于中性点非直接接地方式，或称之为经消弧线圈接地的小电流接地系统。用电负荷主要为6kV和0.4kV三相电动机，负荷等级大多为一、二级负荷，而该类负荷对供电的连续性要求相对较高，因三相负载的对称性，使得当系统仅发生单相接地故障时，生产负荷的持续性供电不会受到影响，这一运行方式恰好从另一个侧面辅助保证了连续性供电。单相接地故障时，系统内部的各个电气量究竟发生了什么变化，系统是如何保持持续运行的，以下将从六大方面详细分析

        1 单相接地故障的电气量特点

        假设线路A相单相金属性完全接地时，基本边界条件为非故障相B、C相相电流为零，故障相A相电压为零。在故障相（A相）的复合序网中，正序、负序、零序三个网络串联并短接，由电路知识可知，正序、负序、零序电流三者向量相等，叠加后形成了故障点的单相接地短路电流，该短路电流正好是是零序电流的3倍。而非故障相B、C相的相电压也发生了变化，该变化主要受到零序阻抗的影响，：①当中性点直接接地时，零序阻抗理想情况下可视作零，即不存在零序电压，此时短路电流中只含有正序和负序分量，因此非故障相的电压会较短路前的正常相电压降低，极限可降低至原来的86.6%，相位相反；②当中性点不接地时，零序阻抗理想情况可视为无穷大，三相相电压的对称性被破坏，非故障相的电压会较短路前的正常相电压升高，极限可升高至173.2%，相位差趋于60°，但三相线电压的对称型仍旧保持不变，这就使以电动机为主的三相对称负载的持续运行成为可能。但毕竟是处于故障状态，因此规程规定，允许系统继续运行不超过2小时，以便于运行技术人员查找故障点。这是小电流接地系统的优点。

        2 零序电流的产生

        正常运行时，各相对地电容电流大小相等，相位互差120，因此，它们的电流向量和为零，即没有电容电流流入大地。单相接地故障发生时相电压的对称性遭到破坏后，每一相的相对地电容电流即发生了变化：故障相直接接地，该相的相电压降到了零，对地电容电流自然也变为了零；而非故障相的相电压可升高至原来的1.732倍，对地电容电流也随之升高至1.732倍，三相电容电流和不等于零，接地点的电容电流为全系统所有非故障线路的非故障相对地电容电流的和值，可升高至正常时的3倍大小，此处所说的电容电流，即是由零序电压产生的零序电流。

        3 非故障相电压、故障电流的危害

        我们的变配电设备和电缆线路都是按照能承受系统电压等级所对应的最高电压来制造的，比如说6kV系统，对应的最高电压为7.2kV，理论上完全可以应对故障时非故障相相电压升高带来的冲击。但当绝缘存在薄弱点时，很可能造成非故障相相对地绝缘因受到过电压的冲击而致使绝缘损坏，系统随即发生另一相接地故障进而形成两相接地短路使事故扩大，系统被迫停运。同时系统零序电压在单相接地故障时也达到最大值，威胁着变压器中性线处的绝缘，因此，在中性点不直接接地的系统中，不得采用分级绝缘的变压器，必须使用全绝缘的变压器以应对故障发生时不致设备损坏。

        接地电流的大小主要取决于线路对地电容的大小，对地电容值越大，容抗值就越小，产生的电容电流也就越高。如果接地电流不大，对于6kV电缆线路构成的系统来说，接地电流30A时，接地点处会产生持续持续性的电弧，它的危害在于会在接地点产生高温，直接破坏非故障相的绝缘，会大大缩短由单相接地升级为两相接地的时间。如果故障点是在电气设备内部，将直接损坏设备。

        4 消弧线圈的作用

        为了杜绝接地电弧出现的可能性，目前我厂采用的做法是在中性点串入消弧线圈并接地。消弧线圈实则为感性负载，当有零序电压加在消弧线圈上时，会产生与对地电容电流相位相反的电感电流，我厂2#110kV变电站6kV四段母线各设1#-4#消弧线圈，均采用微机监测系统电容电流，可根据电容电流大小自动调整投入消弧线圈的容量，可以直接抵消故障点处所有的电容电流并最终形成数值较小感性电流，即过补偿的方式。接地电流减小了，接地电弧产生的可能性也基本消除了，这就很好的解决了间歇性弧光过电压和持续性弧光高温过热引发的问题。

        5 接地故障排查方法

        当故障发生时，应先查看系统故障报文，故障产生的时间，继保的发信和动作情况，再观察三相电压值，若出现一相降低另两相升高，基本可判断为单相接地。由于我厂是石化生产企业，生产用电不可间断，我们采用的是试拉闸停电的方法，若在停电过程中接地故障消失，说明故障点就在停电所在的线路之上。为保证拉闸的准确性，在变电站内采用了小电流接地选线装置，该装置可以较为准确的指示故障所在的线路位置，为运行人员准确拉闸停电提供较可靠依据，就目前的运行结果来看，正确率为100%。

        除了依靠小电流选线装置作为停电参考依据外，还可以根据综保中显示的零序电流值的大小进行辅助判断。系统发生单相接地时，电缆线路对地都有电容电流（零序电流）流过。通过在电缆出线上安装零序电流互感器来检测零序电流，每条非故障线路均向接地点提供电容性零序电流，消弧线圈向接地点提供感性零序电流，即故障点实际流过零序互感器电流应为系统非故障线路总容性电流与消弧线圈感性电流向量之和，也称为残流。一般的，当残流大于单条线路容性零序电流时，故障线路零序电流（残流）是所有馈线中最大。采用消弧线圈过补偿方式时，可重点检查开关柜综保相应的零序电流，比较其大小，对零序电流较大回路可安排先行停电拉闸操作。

        6 接地故障的日常防范管理

        我厂单相接地故障多发生在天气潮湿的季节，故障部位大多为电缆故障，其中电缆中间接头处、电缆头固定处和施工意外损坏到了电缆的情况为最常见。例如，在1#110kV站与2#110kV站之间的35kV联络电缆中间头，就经常会在气候潮湿的季节发生绝缘下降，引发电缆单相接地的故障。又如，很多敷设在电缆沟中的6kV电缆中间头，由于处于相对较低的地势，电缆沟中极容易形成有一定深度的积水，电缆中间头长期浸泡在水中，水汽由缝隙缓慢侵入绝缘，在电场的作用下形成水树，最终引起短路故障。这些故障有一个共同的特点，都是因为绝缘中含水量变大造成的，往往是在中间头制作的过程中防水层的密封措施做的不规范造成的。因此，在电缆中间头制作安装时，应严格按照说明指导书的要求操作。其次，应该将电缆中间头放置于电缆沟中地势相对较高的部位，必要时可用支架支起。针对现场施工可能涉及到的直埋电缆区域的道路开挖，应在施工前向施工单位做好技术和安全的交底，严禁使用机械作业开挖，这样从技术和管理上在源头处杜绝电缆绝缘遭到人为和自然力的破坏。

        7 结语

        本文重点介绍了不接地系统发生单相接地故障时，各相电压、电流的变化情况以及中性点电压电流的变化。该系统的优点就在于故障发生时，无需立即停电，可带故障继续短时运行；缺点也是显而易见的，非故障相的电压会升高，故障点电流会引起电弧燃烧，两者都会不同程度破坏设备和线路的绝缘，引发次生电力事故，扩大了事故停电范围，影响了用户的供电连续性。在采用了消弧线圈补偿电容电流后，可最大程度消除接地电弧带来的破坏，小电流选线装置可帮助运行人员短时找到故障所在线路，及时转负荷停电，尽可能少的影响生产。最后对单相接地故障发生频次较高的情形从管理和技术上提出了一些防范的措施，在缩短了故障排除的时间的基础上进一步减少接地发生的次数，保证了电力系统安全稳定的运行。