煤化工企业10 kV系统单相接地故障分析

张 恒，张 毅

(中煤陕西榆林能源化工有限公司，陕西 榆林 719000)

0 引言

运行经验表明，在中性点不接地系统中，单相接地故障最多。理论上，在发生单相接地故障时，电气设备供电情况并未改变，可以继续运行2 h，但实际上如果不及时处理的话，由于非故障相电压升高，使绝缘薄弱点很可能被击穿，造成事故扩大，并且会威胁人身安全、干扰通信系统。如果接地点出现间歇性拉弧，由于配电网中电感、电容的充放电效应，非故障相电压峰值理论上可能达到额定电压的3.5倍，此外，故障电流比较小，也给实现可靠的继电保护、及时检测出故障线路并定位故障点带来困难。所以配电网单相接地故障有很大的不确定性，快速准确地处理单相接地故障对供电可靠性具有重要意义。

1 企业电力系统的中性点运行方式选择

电力系统的中性点是指星形联结的变压器或发电机的中性点，中性点接地方式对电力系统的运行有很大影响，特别是系统发生单相故障时有明显影响，这是一个综合性的技术问题。电力系统中性点接地方式分两大类，一类是中性点不接地，或经消弧线圈接地，称为小接地电流系统，另一类是中性点直接接地或经低阻抗接地，称为大接地电流系统。我国电力系统中3～66 kV系统中由于设备绝缘水平按线电压考虑对设备造价影响大，为提高供电可靠性，一般采用中性点不接地运行方式，如果单相接地电流大于一定数值时(3～10 kV电网>30 A；20 kV及以上电网>10 A)，则应采用中性点经消弧线圈接地运行方式[1]。

煤化工企业中电力负荷多属于一、二级负荷，对供电可靠性要求较高，且负荷比较集中，所用电缆较短，对地电容电流较小，单相接地电流较小，所以煤化工10 kV电力系统多采用中性点不接地运行方式。

2 中性点不接地系统单相接地故障分析

2.1 中性点不接地系统单相接地故障的特点

单相接地故障如图1所示。

图1 单相接地故障

IK=3Uφ·ωC0

2.2 多线路电容电流分布

多线路电容电流分布如图2所示。

图2 多线路电容电流分布图

非故障线路Ⅰ：3I0Ⅰ=3UφωC0Ⅰ

发电机：3I0f=3UφωC0f

故障线路Ⅱ：

3I0Ⅱ=3Uφω(C0∑-C0Ⅱ)

2.3 多线路单相接地的零序等值电路

单相接地的零序等值电路如图3所示。

图3 A相接地时的零序等效网络

由图3分析可知：在发生单相接地故障时，全系统都将出现零序电压，由于线路的零序阻抗远小于对地电容的阻抗，可忽略不计，则全系统各点零序电压均等于故障点零序电压。零序电流就是各元件的对地电容电流，非故障线路和发电机的零序电流数值上等于本身的对地电容电流，电容性无功功率的方向为母线流向线路，在故障线路上的零序电流为全系统非故障元件对地电容电流的总和，电容性无功功率方向为线路流向母线[2]。

3 一种典型的10 kV不接地系统

3.1 一次系统

煤化工企业典型的10 kV系统如图4所示。

图4 一次系统图

电压互感器：采用YNynd0接线，一个三相五柱式三绕组电压互感器接成星形和开口三角形接线。辅助二次绕组接成开口三角形，当三相电路正常运行时，开口三角两端电压接近于零。当一相接地短路时，开口三角两端将出现100 V零序电压。

（1）教师对作业的作用认识不够。很多教师只把作业当成是教学中可有可无的点缀，是督促、检查学生掌握书本知识的一种习惯性方式，忽视了作业是教学过程的一个重要环节，这要求我们必须树立整体的教学观念，优化教学过程的每个环节。让作业成为帮助学生加深理解所学知识，拓展学习内容，实现自主学习的一种有效活动。

电动机：煤化工主要负荷。

10/0.4 kV变压器：主要配电设备。

无功补偿装置：TSC+HVC系列动态无功功率补偿装置。

3.2 有关零序电压或零序电流的保护配置

零序保护配置见表1。

表1 保护配置表

3.3 自动装置

小电流接地选线装置：本机对弧光接地采用了先进的最大增量法，能对金属性接地准确判断。

过电压抑制柜：本装置根据电压互感器提供的信号，在发生PT断线、过压、欠压、谐振、弧光接地等现象时，通过对二次电压进行采集、判断，及时准确地对系统各种状态进行分析，判断出系统的故障情况，随即报警。

3.4 单相接地现象

理论上当系统发生金属性或者稳定弧光单相接地故障，只要系统保护设备和自动装置保护定值过门槛，系统各装置会出现动作。

零序过电压报警：相电压发生变化，故障相电压变为零，非故障相电压升高为线电压，同时出现零序电压。当互感器显示零序电压为100 V时，系统发生金属性单相接地故障；当零序电压为35 V左右时，系统出现断相；当零序电压为变化数值时，系统可能出现间歇性弧光单相接地故障[3]。而系统出现两相、三相接地短路、相间短路时，相应的保护会及时切除此等故障，零序过电压也不会动作。

小电流接地选线装置：小电流接地选线装置选出相应接地回路。

电容器零序过电压跳闸：由于此时全系统各点零序电压均等于故障点零序电压，电容器零序过电压跳闸。

谐振报警：过电压抑制柜零序过电压报警，由于单相接地故障往往产生谐振，所以还会有谐振报警。

零序过电流信号：当故障点在变压器馈线，其保护装置发零序过电流信号。

零序过电流跳闸：当故障点在电动机馈线，其保护装置零序过电流跳闸。

3.5 故障判断处理

综合保护装置动作现象可以及时找出故障点，然后排除故障，使系统尽快恢复正常运行状态。但实际上，10 kV中压配电网中性点不管是不接地还是经过消弧线圈接地，发生单相接地故障电流都较小，这就造成接地电弧易于熄灭和重燃，即间歇性电弧。有资料表明，在电网全部接地故障中约60%属于这种性质。间歇性电弧使得接地电流不稳定，给利用稳定电气量的检测方法，如工频零序电流法、零序功率方向法、中电阻法、小扰动法以及注入信号法，带来困难。而在这种煤化工典型10 kV不接地系统中各保护和自动装置定值采用的正是工频零序电流或电压的稳态量。

煤化工企业中的10 kV电动机和变压器采用零序过流法进行单相接地故障的保护，零序电流定值的整定原则是躲过本线路的电容电流。考虑难以准确地估算线路电容值，为保证保护动作的可靠性，一般取本线路电容电流的2～4倍。该保护易于实现，但缺点是检测灵敏度低，当接地电阻较大时，故障线路的零序电流较小，可能拒动。当线路较长时，其对地电容电流可能接近甚至大于所有非故障线路的对地电容电流，将出现无法对保护进行定值整定的情况。

所以煤化工这种典型10 kV不接地系统保护和自动化装置配置不能完全解决单相接地故障的选线和保护，尤其是发生间歇性电弧单相接地故障时。这时可以退而求其次，采用“拉闸试停”选择故障线路，即根据调度指令拉闸试停电，优先选择不影响系统运行或影响小，但发生接地可能性又很大的线路负载进行检查。一般先停空载线路，其次是双回路或有其他电源的线路，再次是分支多、线路长、负荷小且不太重要的线路，最后是分支少、线路短、负荷重且较重要的线路。若将线路全部选切一遍，三相对地电压指示没变化，应申请故障母线或线路负载停电后进一步检查处理。当然采用该方法处理故障是一种无奈之举，它存在导致停电时间过长、停电范围过大的问题。最好的办法还是对系统的保护和自动装置进行技术改造[4]。

由于故障线路零序电流小，且往往失去了区别于非故障线路零序电流的特征，可以采用主动式稳态量的方法，即利用专用一次设备或其他一次设备动作配合，改变配电网的运行状态从而产生较大的工频附加电流，或利用信号注入设备向配电网注入特定的附加电流信号，通过检测这些附加电流来判断故障回路，这种方法原理简单、易于实现，但投资大，且存在安全隐患。小电流接地故障产生的暂态零模电流幅值远大于稳态零模电流值(可达稳态电流幅值的十几倍)，这就可以考虑用基于暂态方向法、暂态库伦法、暂态行波法等原理的技术，提高保护和自动装置的灵敏性和可靠性[5]。

4 结语

为了保证供电的可靠性，在我国煤化工企业10 kV电力系统中性点往往采用不接地运行方式，其相应的保护和自动装置普遍利用故障产生的工频或谐波这种稳态电气量进行故障的判断。面对电力系统中最常见的单相接地故障，由于有一定比例的间歇性接地故障，这些故障没有稳定的接地电弧，接地电流严重畸变，影响保护和自动装置的可靠性，同时间歇性拉弧可能产生3倍以上的过电压，容易导致非故障相绝缘击穿，使故障扩大。为了兼顾供电可靠性和配电网的安全性的要求，保护和自动装置可以采用主动式稳态量或暂态量技术，同时其动作出口最好设为跳闸。当然随着智能变电所的发展，基于馈线终端设备(FTU)的自动化系统的熟练应用，对于10 kV不接地系统的故障能得到很好的解决。