一起小電流接地系統(tǒng)單相接地故障的分析

王 偉 王 緒 楊世博 盧峰超 成方圓

（河北省電力公司檢修分公司，石家莊 050070）

單相接地是在電流接地系統(tǒng)中比較常見的故障，發(fā)生單相接地時(shí)，由于線間電壓的幅值不變，系統(tǒng)絕緣裕度允許故障短時(shí)運(yùn)行，但是為避免兩相對地短路，必須盡快找到接地點(diǎn)[1-2]。在不接地的角形接線系統(tǒng)中，單相接地故障模型如圖1所示。

圖1 故障系統(tǒng)模型圖

目前查找故障點(diǎn)的方法主要是根據(jù)保護(hù)系統(tǒng)提供的錄波信息判斷故障支路，采用阻抗法[3]、行波法[4]和有功分量法[5-6]等方法測距，現(xiàn)在根據(jù)高次諧波引起的電場、磁場強(qiáng)度變化定位的方法也有研究和應(yīng)用。上述方法對線路故障反應(yīng)靈敏，選線和測距準(zhǔn)確[7]，但是對于近距離多支路系統(tǒng)單相接地故障點(diǎn)的判斷存在困難，難以判斷具體位置[8]。例如在500kV 主變低壓側(cè)，存在眾多支持絕緣子，當(dāng)出線絕緣子劣化時(shí)，很難應(yīng)用以上方法查出故障點(diǎn)，本文分析故障點(diǎn)零序電壓、電流特征，分析了故障處接地電阻發(fā)熱功率隨零序電壓變化情況，提出利用紅外線探測故障點(diǎn)發(fā)熱查找接地點(diǎn)的方法。

1 單相接地特征分析

在故障系統(tǒng)中，三相電壓經(jīng)支持絕緣子和母線電容式電壓互感器接地，總接地電容為C，以下討論均假設(shè)接地發(fā)生在35kV 系統(tǒng)A 相。故障點(diǎn)接地電阻為R，當(dāng)R為無窮大時(shí)，各相對地電壓平衡，母線電壓互感器監(jiān)測的3U0值趨近于零，若存在劣化絕緣子，接地電阻R的值決定零序電壓幅值，根據(jù)節(jié)點(diǎn)電壓法計(jì)算，不難得到零序電壓為

圖2 零序電壓示意圖

圖2中N為等效星形接線中性點(diǎn)，Ua、Ub、Uc為各相對N點(diǎn)電壓，U0為零序電壓，Ua'=Ua-U0，為相對地電壓。U0的變化范圍是以相對地電壓為直徑的半圓，當(dāng)接地電阻R從0 變化到正無窮大時(shí)，零序電壓U0延虛線箭頭方向由Ua變?yōu)榱恪0的變化同時(shí)引起相對地電壓的變化，電阻變小的同時(shí)，各相對地電壓變化如圖3所示，由于系統(tǒng)絕緣裕度的設(shè)計(jì)，允許相對地電壓為3Uan時(shí)系統(tǒng)短時(shí)運(yùn)行，但是保護(hù)系統(tǒng)會(huì)發(fā)出告警信息，為避免相間短路，應(yīng)及時(shí)找出故障點(diǎn)。

圖3 各相對地電壓隨R 的變化曲線

由于零序電壓的存在，使得接地電阻處流過零序電流，零序電流又導(dǎo)致發(fā)熱功率產(chǎn)生，從而引起發(fā)熱。零序電流為

所以，流經(jīng)接地電阻R的電流

其引起的發(fā)熱功率為

由式（1）至式（4）可得發(fā)熱功率－接地電阻變化曲線。

圖4 發(fā)熱功率—接地電阻變化曲線

某一特定參數(shù)下不同接地電阻的發(fā)熱功率變化如圖4所示。以上發(fā)熱功率使得故障點(diǎn)在時(shí)間dt內(nèi)產(chǎn)生的能量是Pdt，這個(gè)能量的一部分使物體本身溫度提高，另一部分能量由于物體和周圍介質(zhì)的溫差而散發(fā)到周圍介質(zhì)中，外表面溫度變化由初始值變到穩(wěn)定溫度。最后的穩(wěn)定溫度和達(dá)到穩(wěn)定溫度的時(shí)間由環(huán)境溫度，材料熱性能，包括放熱系數(shù)、放熱面積、比熱值、重量、對流系數(shù)決定?，F(xiàn)忽略對流的影響，可列如下方程

式中，c為材料的比熱（Wskg-1℃-1）；m，材料的質(zhì)量（kg）；Δε，溫升（K）；S，散熱面積（m2）；λ，材料放熱系數(shù)（W/m-2℃-1）。

設(shè)穩(wěn)態(tài)溫升為ΔK，則在穩(wěn)定狀態(tài)有

設(shè)t=0時(shí)溫升為零，則式（5）的解為

由于系統(tǒng)單相接地故障中接地電阻通常不為零，所以接地點(diǎn)的發(fā)熱功率存在且范圍在幾十至幾千瓦特之間，接地點(diǎn)溫升由發(fā)熱功率、散熱面積、放熱系數(shù)共同決定，應(yīng)用紅外線測試儀測量其穩(wěn)定溫升，可以快速準(zhǔn)確的發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)。

2 案例分析

2.1 現(xiàn)場紅外測試

河北省某500kV 變電站低壓側(cè)母線開口三角報(bào)警，顯示三相電壓不平衡，同時(shí)，濾波顯示A 相電壓基本不變，B 相電壓變小，C 相變大。現(xiàn)場檢查母線電容式電壓互感器，避雷器，主變壓器低壓側(cè)電流互感器均正常工作，二次回路檢查未見異常，主變低壓側(cè)僅有一臺(tái)站用變運(yùn)行，且各設(shè)備狀態(tài)正常。

根據(jù)上述情況及前文分析，初步判斷故障為35kV 母線系統(tǒng)A 相支持絕緣子劣化導(dǎo)致的單相高阻接地故障，由于母線支持絕緣子眾多，為快速找到故障點(diǎn)，避免系統(tǒng)長時(shí)間帶故障運(yùn)行，現(xiàn)場使用紅外線測試儀測試，發(fā)現(xiàn)發(fā)熱點(diǎn)如圖5所示。

圖5 故障點(diǎn)處紅外線圖像

發(fā)熱點(diǎn)位于2 號站用變串聯(lián)電抗器A 相，其一根支柱明顯存在7.8℃的溫升，判斷為故障點(diǎn)，及時(shí)停電更換該支柱后，缺陷消除。

2.2 故障點(diǎn)分析計(jì)算

隨后作者在試驗(yàn)室對故障支瓶進(jìn)行了一系列試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果及分析計(jì)算如下：

試驗(yàn)測定故障支柱絕緣電阻為0.6MΩ，取35kV母線電容式電壓互感器電容量C= 40000pF ，母線電壓

以上條件帶入式（4）可得

零序電壓U0=879V

當(dāng)零序電壓大于600V時(shí)，不平衡保護(hù)即可動(dòng)作。本例中正是由于系統(tǒng)帶此故障運(yùn)行，導(dǎo)致監(jiān)控系統(tǒng)報(bào)警。同時(shí)在零序電壓作用下，故障處產(chǎn)生功率損耗：

發(fā)熱功率P=75.5W

為計(jì)算穩(wěn)定溫升，取絕緣子放熱系數(shù)λ為15 W/m-2℃-1，散熱面積為0.5m2。

由式（6）分析，溫升

由于計(jì)算未考慮對流系數(shù)的影響，計(jì)算溫升略高與現(xiàn)場測試溫升，認(rèn)為計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場測試結(jié)果吻合。

2.3 分析結(jié)果

綜合上述分析，由于絕緣問題造成小電流接地故障時(shí)，故障點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生溫升，可以使用紅外線測試儀快速的查找到故障點(diǎn)，避免了長時(shí)間帶故障運(yùn)行給系統(tǒng)帶來的風(fēng)險(xiǎn)，提高了缺陷處理的效率。

由此證明，利用紅外線探測單相接地故障點(diǎn)的方法是可行的。

3 結(jié)論

通過分析論證，小電流接地系統(tǒng)單相接地故障可以用紅外線探測的方法進(jìn)行快速查找，尤其適合短距離多支路系統(tǒng)，是一種簡單有效的間接測量方法。

針對小電流接地故障的分析與處理，提出以下幾點(diǎn)建議。

1）發(fā)生單相接地故障時(shí)，根據(jù)故障信息，判斷故障位置，及時(shí)使用紅外線技術(shù)對相關(guān)設(shè)備進(jìn)行全面測試，謹(jǐn)慎盲目試驗(yàn)。

2）故障點(diǎn)溫升相對較小，應(yīng)使用精度較高的檢測儀器，同時(shí)測試受環(huán)境溫度影響較大，單次測試時(shí)，與就近設(shè)備橫向比較是測試的關(guān)鍵。

3）加強(qiáng)系統(tǒng)的紅外監(jiān)測，建立紅外數(shù)據(jù)庫，對設(shè)備進(jìn)行橫向與縱向跟蹤監(jiān)測。

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