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配电网灵活接地方式下的单相接地故障处理技术方案及现场应用

1 什么是单相接地故障

我国10kV中压配电网多采用中性点非有效接地方式,单相接地故障又被称为小电流接地故障,占比配电系统故障的80%以上,多发于在潮湿、阴雨天气,故障成因包括导线搭接横担、断线触地、避雷器或绝缘子的击穿/闪络、异物搭接等。由于单相接地故障一般不影响用户的正常供电,因而传统处理方法允许系统在1~2小时内带故障运行,在此期间由人工巡线找出故障位置进行处理。这种处理方式虽显著地提高了供电可靠性,但随着配网规模的逐渐扩张,单相接地故障电流不断增大,接地电弧难以自动消除,间歇性电弧引起的过电压对电气设备的危害增大,若不及时处理,极易演变为两相短路故障,使事故范围扩大,甚至在故障长时间存在的情况下,易造成周边人员伤亡,存在较大安全隐患。提升单相接地故障的快速处置能力对于保障人身、设备、系统安全具有重要意义。

2 单相接地故障有哪些危害

2.1 对变电设备的危害

10KV配电线路发生单相接地故障后,变电站10KV母线上的电压互感器监测到零序电流,在开口三角形上产生零序电压,电压互感器铁芯饱和,励磁电流增加,如果长时间运行,将会烧毁电压互感器。

单相接地故障后,也可能产生谐振过电压。几倍于正常电压的谐振过电压,危及变电设备的绝缘层,严重时使变电设备绝缘击穿,造成更大事故。

2.2 对配电设备危害

单相接地故障发生后,可能会发生间歇性弧光接地,产生几倍于正常电压的的过电压,进一步使线路上的绝缘薄弱点击穿,造成严重的短路事故,同时可能烧毁配电变压器,使线路上的避雷器、熔断器绝缘击穿、烧毁,也可能发生电气火灾事故。

2.3对人畜危害

对于导线落地这一类单相接地故障,如果配电线路未停运,对于行人和线路巡视人员(特别是夜间),可能会发生跨步电压引起的人身电击事故,也可能发生牲畜电击伤亡事件。

2.4对供电可靠性的影响

发生单相接地故障后,一方面进行人工选线,对未发生单相接地故障的配电线路要进行停电,中断正常供电,这就会影响供电可靠性;另一方面发生单相接地的配电线路将停运,在查找故障点和消除故障中,不能保障用户正常用电,特别是在庄稼生长期、大风、雨雪等恶劣天气条件下,不利于查找和消除故障,将造成长时间、大面积停电,对供电可靠性造成较大影响。

3 各种接地方式下单相接地故障处理的技术特点

3.1中性点不接地或经消弧线圈接地系统

中性点不接地或经消弧线圈接地系统目前主要通过暂态特征量进行故障判断。尤其是中性点经消弧线圈接地系统,受消弧线圈过补偿的影响,单相接地故障后,不同线路区段的稳态特征不明显,采用稳态量难以实现故障检测。通过暂态零模功率方向法理论上可实现故障检测,但原理相对复杂,对测控装置的技术原理、性能要求较高,目前仍属工程实践的难点,整体上该接地方案下单相接地故障判断技术实现难度较高。

3.2中性点经小电阻接地系统

中性点经小电阻接地系统单相接地故障判定主要采用零序过流法,原理较简单,技术实现难度较低,从而对于大部分单相接地故障判定准确率相对较高,但是对于瞬时性故障跳闸率明显增加,影响供电可靠性指标,且接地电流较大带来的接触电压与跨步电压触电安全风险。同时该接地方式耐过渡电阻能力较弱,据测算,在接地过流定值设置为40A时小电阻接地系统耐过渡电阻能力不到150Ω,不利于实现高阻接地故障保护,而据统计,高阻接地在架空线路单相接地故障占比为15%左右。

3.3消弧线圈并联小电阻的灵活接地系统

消弧线圈并联小电阻的灵活接地系统,采用故障发生时中性点延时投小电阻的方式,保留了谐振接地系统可抑制瞬时性故障的优点,同时也继承了中性点经小电阻接地方式下,故障特征量突出,易于检测的优点,近年来逐步推广应用。同时,一次永久性单相接地故障,在两类中性点接地方式下,可产生两种典型特征,从某种意义上,亦为采用不同的保护原理进行故障检测,提升判断准确率创造了有利条件。

4 单相接地故障灵活处理技术方案

基于对单相接地故障特征的深入研究,国网湖北电科院能源互联网技术中心结合全省配电自动化建设应用与变电站中性点接地方式改造工作,针对消弧线圈并联小电阻的灵活接地方式,提出了一种基于一二次融合成套开关实现的配电网单相接地故障就近就地隔离方法,通过对分段开关同时部署零序过流保护、暂态零模功率方向保护功能且同时投入,并设置不同的动作时间,有效提高单相接地故障快速处置的准确性与适应性。

2018年起,国网湖北电科院能源互联网技术中心联合国内主流设备制造厂商开展研发,并在实验室完成了一二次融合成套开关单体设备的性能检测与功能验证工作。201996日,该项技术在鄂州110kV红莲湖变电站10kV馈线成功通过现场测试,现场测试结果表明,该团队提出的单相接地故障处理方法全面取得预期成效,有效实现了各类接地故障的就近就地快速隔离与健全区段的转供恢复,大幅降低了故障处理时间。