10 kV配電網單相接地故障特征分析及選線方法

董軒 徐銘銘 王鵬 陳明

摘 要：單相接地故障一直是影響配電網安全穩(wěn)定運行的巨大隱患，如何快速準確地實現(xiàn)故障隔離是相關研究的重點。本文總結了中性點經消弧線圈接地系統(tǒng)和不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時的故障特征，并進一步介紹了兩種故障選線方法，即零序電流比較法和首半波法，最后通過試驗驗證了兩種方法的準確性。

關鍵詞：配電網;單相接地故障;故障特征;故障選線

中圖分類號：TM711;TM769文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2020）34-0142-02

Characteristic Analysis and Line Selection Method of

Single-phase Grounding Fault in 10 kV Distribution Network

DONG Xuan XU Mingming WANG Peng CHEN Ming

（State Grid Henan Electric Power Research Institute，Zhengzhou Henan 450000）

Abstract： Single-phase grounding faults have always been a huge threat affecting the safe and stable operation of distribution networks. How to realize fault isolation quickly and accurately is the focus of related researches. This paper summarized the fault characteristics of single-phase grounding fault in neutral grounding system and ungrounded system through arc suppression coil， and further introduced two fault line selection methods， namely zero sequence current comparison method and first half wave method. Finally， the accuracy of the two methods was verified by experiments.

Keywords： distribution network;single-phase grounding fault;fault characteristics;fault line selection

配電網處于電網末端，直接面對用戶，其運行情況直接影響用戶的用電體驗。單相接地故障是指線路中某點由于內部或外部原因，如絕緣損壞、樹木搭接等，與大地相接而形成接地，是配電網系統(tǒng)中較為常見的故障[1]。我國10 kV配電網多為小電流接地方式，包括中性點經消弧線圈接地和中性點不接地。小電流接地方式下，配網10 kV側發(fā)生單相接地故障后，系統(tǒng)線電壓幅值和相位差仍維持不變，低壓側的用電設備可以正常運行，有利于保障配電網的運行可靠性。但是，部分接地故障導致的跨步電壓、電弧、弧光接地過電壓等易引發(fā)相間短路、電氣火災，甚至是人身傷亡事故[2-4]，因此發(fā)生單相接地故障后，需要快速進行故障選線和隔離。

為了提高配電網運行安全性，有必要對小電流接地系統(tǒng)單相接地故障的特征進行深入分析，并探索相應的故障選線方法。

1 小電流系統(tǒng)單相接地故障特征

1.1 中性點不接地系統(tǒng)

中性點不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地時，故障相電容短接，線路中其他地方的所有分布電容都經接地點形成回路，所以故障點接地電流為系統(tǒng)中所有電容電流之和。此時，故障線路零序電流最大;故障線路零序電流和非故障線路零序電流方向相反;如果發(fā)生金屬性接地，則故障相電壓降為零，非故障相電壓升高為線電壓，10 kV側線電壓保持對稱，不影響對低壓側供電。

1.2 中性點經消弧線圈接地系統(tǒng)

中性點經消弧線圈接地系統(tǒng)中，發(fā)生單相接地故障時，中性點電壓升高并在消弧線圈上產生感性電流，該感性電流經接地點形成回流通路，可以補償流過接地點的電容電流，促使接地電流減小，從而實現(xiàn)故障熄弧。如果消弧線圈處于過補償狀態(tài)，則故障線路、正常線路零序電流的相位相同，且故障線路的零序電流不一定是所有線路中最大的，這就導致原來的選線方法不再適用，選線難度增加。但是，消弧線圈不影響暫態(tài)電流，也無法補償接地電流中的諧波分量和阻性分量，可以從這些物理量入手實現(xiàn)故障選線。

2 接地故障選線方法

小電流接地故障選線方法較多，其中穩(wěn)態(tài)量法包括零序電流比較法、零序無功方向法、零序導納法等，暫態(tài)量法包括首半波法、參數(shù)識別法、行波特征法等，此外還有特征信號注入法、殘流增量法等方法。每種方法都有各自的適用場景和局限性。本文僅就穩(wěn)態(tài)法中的零序電流比較法和暫態(tài)法中的首半波法進行分別介紹。

2.1 零序電流比較法

零序電流比較法對于中性點不接地系統(tǒng)基本滿足要求，但不適用于消弧線圈接地系統(tǒng)。由上文可知，發(fā)生單相接地故障時，故障線路的零序電流與非故障線路的零序電流極性相反，且故障線路零序電流等于非故障線路零序電流之和。根據(jù)該條穩(wěn)態(tài)特征，可以實現(xiàn)不接地系統(tǒng)的故障選線。

圖1是單相接地試驗時的實測波形圖。系統(tǒng)運行環(huán)境和試驗條件為：系統(tǒng)中性點不接地，線路電容電流約為10 A，系統(tǒng)三相對稱;試驗時，在線路2的C相發(fā)生單相經250 Ω電阻接地故障。從圖1可知，線路2的零序電流與其他線路零序電流方向相反，故可以判定接地點在線路2上。

2.2 首半波法

單相接地往往發(fā)生于相電壓接近最大值的瞬間，此時故障線路的分布電容因電壓降低而放電，非故障線路的分布電容因電壓升高而充電，因此可以認為單相接地瞬間故障線路和非故障線路其各自的暫態(tài)零序電容電流第一個周波的首半波極性相反。因暫態(tài)電流值不受消弧線圈的影響，故首半波法適用于消弧線圈接地系統(tǒng)。具體地，在消弧線圈接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地的暫態(tài)過程中，故障線路暫態(tài)零序電壓與暫態(tài)零序電流首半波方向相反，非故障線路暫態(tài)零序電壓與暫態(tài)零序電流首半波方向相同，據(jù)此可以實現(xiàn)消弧線圈系統(tǒng)的接地故障選線[5]。

圖2是單相接地試驗時的實測波形圖。系統(tǒng)運行環(huán)境和試驗條件為：系統(tǒng)中性點經消弧線圈接地，線路電容電流約為65 A，消弧線圈補償74.7 A，系統(tǒng)三相對稱;試驗時，在線路2的C相發(fā)生單相經250 Ω電阻接地故障。從圖2可知，線路2的零序電流的首半波與零序電壓首半波方向相反，其他線路零序電流首半波與零序電壓首半波方向相同，據(jù)此可以判定接地點在線路2上。

3 結語

10 kV配電網單相接地故障選線技術一直是配網研究熱點，本文介紹的零序電流比較法和首半波法分別是應用較多的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)識別方法。但是，由于配電網現(xiàn)場工況較為復雜，應用了這些算法的一二次融合設備實際誤報率依然很高，因此，應進一步加深對提高選線方法實用化水平的研究。

參考文獻：

[1]楊以涵，齊鄭.中壓配電網單相接地故障選線及定位技術[M].北京：中國電力出版社，2014：232-235.

[2]王飛.小電流接地系統(tǒng)弧光接地模型及仿真研究[D].濟南：山東大學，2016：13-17.

[3]殷一洲，周力.配電網單相弧光接地過電壓事故分析及其一例[J].科技資訊，2018（30）：51-53.

[4]吳思成，曹云軒，曹詩雅，等.一起間歇電弧接地過電壓事故分析[J].電氣應用，2017（6）：76-80.

[5]殷培峰，劉石紅.基于諧波與首半波結合的單相接地選線分析與研究[J].自動化與儀器儀表，2013（4）：19-21，225.