接地故障檢測(cè)重要性及檢測(cè)技術(shù)

劉捷

摘 要：配電網(wǎng)接地故障的檢測(cè)和保護(hù)是中性點(diǎn)不接地及消弧線圈接地系統(tǒng)中的難題之一，故障電流雖小，但帶來的后續(xù)危害卻很大。為提高供電可靠性，把故障造成的損壞降低到最小限度，就要對(duì)接地故障進(jìn)行有效保護(hù)。文中闡述了接地保護(hù)的重要性、故障發(fā)生的原理、檢測(cè)關(guān)鍵技術(shù)及問題注意點(diǎn)和保護(hù)參數(shù)設(shè)定的建議，推薦了一種可靠精確的接地保護(hù)開關(guān)設(shè)備，介紹了其實(shí)際應(yīng)用效果，以供借鑒。

關(guān)鍵詞：接地故障;方向性接地保護(hù)方法;接地保護(hù)定值的設(shè)置;配電設(shè)備;接地檢測(cè);零序?qū)Ъ{

0 引 言

解決接地故障是10 kV配網(wǎng)中性點(diǎn)小電流接地系統(tǒng)中的難題之一，如果不進(jìn)行有效保護(hù)將發(fā)展為短路故障，造成更大損害。目前接地故障的檢測(cè)和保護(hù)越來越被重視，配電網(wǎng)技術(shù)導(dǎo)則也做了很大修改，要求在躲過瞬時(shí)接地故障后，快速就近隔離故障。本文闡述了接地故障的現(xiàn)象和檢測(cè)原理，幫助相關(guān)人士掌握檢測(cè)知識(shí)，正確選用開關(guān)設(shè)備，以縮短停電時(shí)間，提高供電可靠性。

1 接地故障保護(hù)的重要性及規(guī)則要求的變遷

國內(nèi)10 kV配電的中性點(diǎn)接地方式與運(yùn)行規(guī)程均沿用原蘇聯(lián)的規(guī)定，采用非接地方式和消弧線圈接地方式。目前非接地方式占比約為69%，消弧線圈接地方式占比約為28%。

非接地和消弧線圈接地系統(tǒng)的重點(diǎn)在于接地故障檢測(cè)和保護(hù)。配電網(wǎng)中接地故障發(fā)生率為80%～90%，過流故障為10%～20%，但在實(shí)際保護(hù)時(shí)過流故障占比為60%～70%。過流故障會(huì)對(duì)設(shè)備造成極大傷害，引起設(shè)備劣化，加之外部惡劣因素的影響，還將引發(fā)各類故障，形成惡性循環(huán)。為了抑制設(shè)備的損害和劣化，切斷惡性循環(huán)，在接地故障演化為過流故障之前進(jìn)行保護(hù)至關(guān)重要。配電設(shè)備劣化循環(huán)如圖1所示。

目前國內(nèi)多通過選線或人工拉路的方式尋找故障線路，考慮到選線裝置雖投入較多，但準(zhǔn)確率低，故部分地區(qū)已不再采用該設(shè)備。而人工拉路會(huì)造成非故障線路短時(shí)停電，在進(jìn)一步查找接地故障區(qū)段時(shí)還需要逐段線路停電，導(dǎo)致非故障區(qū)域的連帶停電，無法提高供電可靠性，并且還有人身觸電風(fēng)險(xiǎn)。因此，帶故障運(yùn)行2小時(shí)的檢修方式已無法滿足當(dāng)下配電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的要求[1]。將配電網(wǎng)技術(shù)導(dǎo)則（Q/GDW 10370-2016）中原有的系統(tǒng)及故障處理“2小時(shí)運(yùn)行+接地選線”原則優(yōu)化為：在躲過瞬時(shí)接地故障后，快速就近隔離故障，即“選段跳閘”[2]。

2 接地故障發(fā)生時(shí)的現(xiàn)象

2.1 零序電流

為正確檢測(cè)接地故障，需要了解接地故障發(fā)生時(shí)的現(xiàn)象。正常時(shí)和接地時(shí)的電壓矢量如圖2所示，發(fā)生接地故障時(shí)，中性點(diǎn)從N移到N'。

圖2（b）所示為C相發(fā)生完全接地故障時(shí)的矢量圖，可認(rèn)為是在與正常時(shí)C相電壓相反方向產(chǎn)生了零序電壓（V0）。

零序電壓（V0）根據(jù)接地故障的形態(tài)（變壓器/高壓電機(jī)等的絕緣劣化、高壓線異物搭接、瓷套裂紋等）變化。V0對(duì)零序電流（I0）、接地電流（Ig）造成很大影響。

圖3所示為C相F點(diǎn)發(fā)生接地故障時(shí)流通的故障電流。對(duì)地間靜電容量為供給源，故障點(diǎn)流通的電流（Ig）為零序電流（I0），流過變電站內(nèi)設(shè)置的接地變壓器（GPT）的電流為（IN），Ig=I0+IN。

2.2 多回路中接地故障電流的流向

在實(shí)際的配電系統(tǒng)中，一般情況下從一個(gè)變壓器中引出多條出線。例如在用戶2高壓受電設(shè)備的界內(nèi)發(fā)生接地故障時(shí)，配電系統(tǒng)的接地電流流向如圖5所示。

在用戶2的界內(nèi)發(fā)生接地故障時(shí)，由ZPD檢測(cè)出零序電壓（V0）;在接地電流Ig中，界內(nèi)靜電容上流通的IC21經(jīng)由電源側(cè)返回故障點(diǎn)，因此相抵消，用戶分界的ZCT無法檢測(cè)。在電源側(cè)，其他線路（健全線路）及配電用變電所的EVT中性點(diǎn)上流通的電流（IC22+IC11+IC12+IN）返回故障點(diǎn)，可被受電ZCT檢測(cè)。該電流相對(duì)V0而言，相位超前0～90°，但在其他線路發(fā)生接地故障時(shí)，受電ZCT檢測(cè)出的接地電流與其相反，相位滯后90°～180°。接地方向繼電器DGR基于該原理判別接地故障點(diǎn)[3-5]。

接地電流Ig通過大地流入系統(tǒng)各部的靜電容量和變電站的接地變壓器（EVT）中性點(diǎn)，之后經(jīng)配電變壓器的線圈流回接地點(diǎn)。

2.3 零序電流的暫態(tài)特征

依據(jù)現(xiàn)有錄波技術(shù)錄取的各線路小電流接地故障波形，比較同母線上暫態(tài)零序電流的特征，發(fā)現(xiàn)故障線路的接地電流幅值明顯大于非故障線路，且故障線路零序電流的極性與非故障線路相反;故障線路暫態(tài)零序電壓的導(dǎo)數(shù)與零序電流相反，非故障線路暫態(tài)零序電壓與零序電流相同。

3 接地故障檢測(cè)方法和關(guān)鍵點(diǎn)

3.1 依據(jù)接地電流（Ig）的檢測(cè)方法

僅依靠接地電流（Ig）的大小來判斷用戶界內(nèi)是否存在接地故障的方法被稱為非方向性檢測(cè)法。非方向性檢測(cè)法利用接地電流的大小和線路對(duì)地間靜電容量的比例關(guān)系，根據(jù)線路長短來設(shè)定接地電流保護(hù)值，當(dāng)流通的接地電流值大于保護(hù)定值時(shí)開關(guān)進(jìn)行保護(hù)操作[6-7]。

由于該方式忽略了接地點(diǎn)產(chǎn)生的接地電阻（Rg）的影響，故不完全接地時(shí)容易出現(xiàn)不保護(hù)現(xiàn)象，“不能保護(hù)領(lǐng)域”隨著整定值的增大而增大，在內(nèi)部發(fā)生高阻接地及弧光接地時(shí)難以檢測(cè)，開關(guān)對(duì)于故障無動(dòng)作。在高壓用戶內(nèi)部線路較長或電纜使用較多時(shí)，靜電容量變大，當(dāng)配電線路上（電源側(cè)）發(fā)生接地故障時(shí)，會(huì)產(chǎn)生誤動(dòng)作。該方式雖然成本較低，但由于會(huì)出現(xiàn)誤動(dòng)作和不動(dòng)作現(xiàn)象，故只能使用在用戶分界處，無法使用到主干線的分段、聯(lián)絡(luò)和T節(jié)點(diǎn)處。

3.2 依據(jù)零序電壓（V0）和接地電流（Ig）的檢測(cè)方法

該方式是日本目前主要采取的方向性接地檢測(cè)方式，分別利用零序電壓互感器（ZPD）、零序電流互感器（ZCT）檢測(cè)出零序電壓（V0）和接地電流（Ig），根據(jù)V0，Ig及兩者相位差（φ）的關(guān)系來判斷為負(fù)荷側(cè)故障或電源側(cè)故障。該方式不僅適用于中性點(diǎn)非接地系統(tǒng)，也適用于經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)。圖6所示為V0和Ig，I0的向量關(guān)系圖，圖7所示為負(fù)荷側(cè)故障的相位范圍。

方向性接地檢測(cè)法判定精度高，適合干線或分支分界點(diǎn)的接地故障檢測(cè)。

圖8所示為方向性接地檢測(cè)原理圖。零序電流及零序電壓分別達(dá)到整定值以上時(shí)，各自的電平檢測(cè)回路輸出才會(huì)有信號(hào)。該信號(hào)輸出到相位辨別回路后，輸出信號(hào)被增幅，使輸出繼電器動(dòng)作、開關(guān)跳閘保護(hù)。

3.3 暫態(tài)零序檢測(cè)方法

依據(jù)暫態(tài)零序特征，一般在變電站的小電流選線裝置上可采用暫態(tài)零序電流群體幅值比較法和暫態(tài)零序電流群體極性比較法、暫態(tài)零序電流方向比較法進(jìn)行接地故障選線，但不適用于線路開關(guān)接地故障的方向性辨別。一般采用暫態(tài)零序?qū)Ъ{法判定接地故障的方向，判定原理：將各條線路零序電壓和零序電流計(jì)算出的測(cè)量導(dǎo)納構(gòu)成保護(hù)判據(jù)，即對(duì)于非故障線路，零序測(cè)量導(dǎo)納等于線路自身導(dǎo)納，電導(dǎo)和電納均為正數(shù)。對(duì)于故障線路，零序測(cè)量導(dǎo)納等于負(fù)的電源零序?qū)Ъ{與非故障線路零序?qū)Ъ{之和。兩者在復(fù)導(dǎo)納平面中的范圍存在明顯界限，據(jù)此作為保護(hù)判據(jù)。將暫態(tài)波形（控制器帶有故障錄波功能，一個(gè)周期錄波80個(gè)點(diǎn)）取出后濾波，求出C0。

式中，C0為線路對(duì)地電容參數(shù)，以此參數(shù)為負(fù)數(shù)時(shí)為界內(nèi)，以此參數(shù)為正數(shù)時(shí)為界外。該方式也較適合于消弧線圈接地系統(tǒng)。

3.4 接地檢測(cè)的問題點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)

3.4.1 三相合成零序電流

在非接地/消弧線圈接地系統(tǒng)中，單相接地時(shí)的接地電流較小，在不完全接地時(shí)大多不到1 A。因此在檢測(cè)負(fù)荷電流中所包含的微接地電流時(shí)，一般使用一次側(cè)三相一并穿過的ZCT。而一部分產(chǎn)品有時(shí)采用依靠3個(gè)CT檢測(cè)零序電流的3CT方式。三相合成零序電流包括軟件合成和硬件合成， 采用測(cè)量CT進(jìn)行硬件合成，由于一般保護(hù)接入的設(shè)備多，發(fā)生接地故障時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大誤差，但計(jì)量CT容量較小，因此不采用。合成零序需要采用專用線圈，三相串聯(lián)，兩端加一個(gè)電阻，輸出零序電流。軟件合成則依據(jù)零序電流的定義，根據(jù)A，B，C三相電流及相序進(jìn)行矢量合成。

這兩種方式誤差較大，原因在于每相需要一個(gè)專用線圈，但3個(gè)鐵芯的加工工藝和材料無法保持一致。3個(gè)線圈存在差異將導(dǎo)致產(chǎn)生殘留/剩磁特性差，在三相不平衡或電機(jī)啟動(dòng)時(shí)會(huì)有較大的零序電流輸出，造成開關(guān)誤動(dòng)作。而零序電流互感器/ZCT由一個(gè)線圈加工而成，其工藝及材料一致，故殘留特性稍好，不會(huì)因三相不平衡引發(fā)零序電流而造成誤動(dòng)作。

3.4.2 電磁式零序電流互感器的局限性

常規(guī)電磁式零序電流互感器的通頻帶寬無法滿足小電流接地故障檢測(cè)的要求。在發(fā)生接地故障的瞬間（5～10 ms），采集零序電壓、電流的暫態(tài)波形變化趨勢(shì)時(shí)存在信息不完整現(xiàn)象，而故障發(fā)生瞬間零序電流波形為高頻振蕩波形，要求互感器可采集到高頻分量，但常規(guī)的電磁式互感器對(duì)高頻分量衰減較大。

目前采用的電磁式零序電流互感器變比為20 A/1 A，測(cè)量范圍為1～24 A，準(zhǔn)確度可達(dá)0.5級(jí)，但發(fā)生高阻接地故障時(shí)，故障電流多小于0.5 A，將降低故障檢測(cè)成功率。

電子式零序電流傳感器（LPCT）在相同尺寸、同種材料及工藝水平下，LPCT匝數(shù)比傳統(tǒng)CT多出數(shù)倍，勵(lì)磁電流變小，磁滯相比傳統(tǒng)CT更小，因此頻響特性更好，在測(cè)量31次諧波（1 500 Hz）時(shí)較為準(zhǔn)確。在故障初期5～10 ms，500～100 Hz下能夠準(zhǔn)確測(cè)量一次零序電流。

3.4.3 關(guān)于接地保護(hù)定值的設(shè)置

對(duì)于接地保護(hù)而言，需要在終端設(shè)定零序電流、零序電壓和零序保護(hù)延時(shí)三個(gè)參數(shù)。關(guān)于零序電流的定值，主要依據(jù)設(shè)備安裝的位置確定;零序電流保護(hù)定值的計(jì)算主要依據(jù)開關(guān)后側(cè)的加快線路或電纜長度和對(duì)地電容值確定。每相的電容電流經(jīng)驗(yàn)值一般為：架空線為0.02 A/km、電纜線路為1 A/km;零序電流的定值計(jì)算公式為I0=1.5×3×S×L（L為線路長度，S為電容電流經(jīng)驗(yàn)值）;混合線路時(shí)，需分別計(jì)算兩者的對(duì)地電容后再相加，之后乘以安全系數(shù)即可。一般安全系數(shù)選1.5～3，建議在定值小時(shí)取大一些，在定值較大時(shí)取小一些;對(duì)于用戶分界開關(guān)，建議最小設(shè)定定值不小于0.4 A;在線路上安裝多臺(tái)接地保護(hù)開關(guān)時(shí)，零序電流的保護(hù)定值要取得級(jí)差配合，線路末端定值稍低，離變電站距離較近處稍高，以保證不會(huì)越級(jí)跳閘或同時(shí)跳閘。

零序電壓的保護(hù)定值與接地形態(tài)有很大關(guān)系，需對(duì)變電站的絕緣檢測(cè)裝置起到保護(hù)協(xié)調(diào)作用;一般變電站的開口三角處取得的零序電壓報(bào)警值在30%處接地，所以需比該參數(shù)保持同等或稍低水平，以早于或同時(shí)與變電站接地報(bào)警。

對(duì)于零序保護(hù)延時(shí)時(shí)間，中性點(diǎn)為小電流接地系統(tǒng)時(shí)，可選大于等于1S級(jí)，中性點(diǎn)經(jīng)低電阻接地時(shí)可選小于等于0S級(jí)。多臺(tái)開關(guān)串聯(lián)運(yùn)行時(shí)，其動(dòng)作時(shí)間取得時(shí)間級(jí)差配合，盡量避免越級(jí)跳閘和同時(shí)跳閘等問題出現(xiàn)。

4 結(jié) 語

目前國家電網(wǎng)在一二次融合柱開設(shè)備的招標(biāo)中要求全部帶有方向性接地保護(hù)功能，接地保護(hù)的重要性愈加凸顯，選擇具有實(shí)際成功運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的優(yōu)良產(chǎn)品，將故障消除在接地故障萌芽階段，從而避免短路故障帶來的損壞，延長各配電設(shè)備的運(yùn)行壽命，增強(qiáng)供電可靠性。

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