談電力系統(tǒng)接地故障線路識別與處理
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摘要:供電系統(tǒng)在運行中各種故障都有可能發(fā)生，但是單相接地故障是其中危害比較嚴重的故障類型，而且發(fā)生頻率高，如果不能及時處理最終會發(fā)展為短路事故，造成非計劃停電。文章對接地故障進行分析，并對如何進行線路識別和綜合處理進行綜述。
關鍵詞:中性點不直接接地系統(tǒng);接地故障;脈沖電流;消弧處理
企業(yè)的用電系統(tǒng)不同于電網公司的供電系統(tǒng)，為了保障供電的連續(xù)性，生產連貫進行一般采用中性點不接地系統(tǒng)或經消弧線圈接地系統(tǒng)。在這兩種接地系統(tǒng)中普遍存在著兩個比較棘手的問題。第一點:供電系統(tǒng)運行中系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，值班人員無法找到故障線路，故障線路查找耗時時間長，造成供電系統(tǒng)大面積接地報警，只能采用拉閘倒負荷的方法，造成非計劃性停電，用電可靠性得不到保障，嚴重影響電力系統(tǒng)正常生產運行。第二點:接地故障發(fā)生后值班人員無法完善的處理接地故障，經常忙亂中出錯，導致未能及時有效的處理接地故障，使非故障相電壓升高，發(fā)生絕緣閃絡或發(fā)展成短路事故。
1系統(tǒng)問題分析
中壓電網采用中性點不直接接地運行方式，當發(fā)生單相接地故障時(以下簡稱接地故障)故障相電壓為零，非故障相電壓上升為線電壓，但是三相線電壓依然對稱，可以保證對設備的連續(xù)供電，且故障相接地電流不大，系統(tǒng)可以帶故障運行1～2h，大大提高了系統(tǒng)的供電可靠性。與接地故障后立即跳閘的大電流接地系統(tǒng)相比，這種接地方式在供電的連續(xù)性和穩(wěn)定性方面優(yōu)勢明顯，特別適合于生產型企業(yè)，對供電的連續(xù)性和可靠性方面有很高的要求。但是如果系統(tǒng)發(fā)生接地后也會出現(xiàn)一系列問題:(1)瞎子摸路:逐條斷開線路，造成不必要的停電。(2)故障升級:系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)絕緣易被擊穿升級為相間短路。(3)全系過壓:弧光接地會引起全系統(tǒng)過電壓，造成事故擴大。(4)可怕后果:引發(fā)電纜爆炸;PT、母線燒毀;供電機組停運等。所以供電可靠性和運行安全性成為中壓系統(tǒng)一對主要矛盾，而且隨著現(xiàn)代電網的快速發(fā)展，這一矛盾越來越突出。解決這一矛盾的關鍵，在于快速、準確的故障線路識別和有效的故障處理。
1．2目前企業(yè)所使用的供電系統(tǒng)線路識別技術討論
供電系統(tǒng)在正常供電運行時每個供電線路的電流大小穩(wěn)定，電流方向不變，但是當系統(tǒng)發(fā)生接地故障時，故障線路的運行工況就會發(fā)生改變，與之前的工況在電流大小和電流方向方面會發(fā)生很大的變化。電流大小方面，正常運行的線路流過的零序電流僅僅是該線路的電容電流，而發(fā)生接地故障線路流過的零序電流是全系統(tǒng)的電容電流減去自身的電容電流，所以電流大小方面會有很大的不同。在電流方向方面，正常運行的線路電流是從母線流向饋線，而故障線路的零序電流是從故障線路流向母線，這樣會使故障線路和非故障線路的電流方向剛好反相。通過這種不同電流的狀態(tài)可以判斷接地線路，所以目前市面上很多小電流接地選線裝置就是利用這種原理設計的，但是也加入了其它的智能算法以做綜合輔助的判斷。基本的原理是:通過突變量啟動、電壓比幅、電流大小排序、電流比幅比相進行連續(xù)的線路識別。但是通過這十多年的小電流原理的選線裝置的運行結果看效果并不理想，而且真實的結果是選線的準確率很低，通過以往連續(xù)多年國網的統(tǒng)計看，準確率只有60～70%，從企業(yè)的運行角度看如果線路識別不能達到100%，而通過人工識別再操作的工作量是一樣，不能作為可靠的線路識別判斷依據(jù)，也并沒有給值班人員減小工作量。那具體的不準確原因在什么地方呢?大致分析有以下幾種主要原因:(1)是利用的小電流信號太小，當系統(tǒng)接地時產生的零序電流是系統(tǒng)電容電流，而且電流的大小與饋線的負載大小和線路的長度有直接的關系，如果負載大且線路長電容電流就大，負載小線路短電容電流就小，所以會出現(xiàn)同一個變電站內不同的饋線電容電流都不相同，再去判斷接地時的電流變化值就更難了。(2)系統(tǒng)內其它的電磁干擾大，在變電站和發(fā)電廠的小電流選線的裝設地點，電磁干擾大;二是由于負荷電流不平衡造成的零序電流和諧波電流較大。(3)接地時的電容電流波形的不穩(wěn)定。系統(tǒng)單相接地故障，大部分間歇性的弧光接地，而不是穩(wěn)定的弧光接地，所以電容電流波形不穩(wěn)定，在比對電流的幅值時就很難比對。(4)一般的企業(yè)供電系統(tǒng)在設計之初都安裝有消弧線圈和金屬接地的觸點消弧，當接地發(fā)生時消弧線圈被主動投入使用，利用電感電流補償電容電流，所以電容電流更小了，觸點消弧投入后，直接把間歇性弧光接地變?yōu)榉€(wěn)定的金屬性接地，電流被轉移。
1．3系統(tǒng)在發(fā)生接地故障時的接地處理的問題討論
企業(yè)的供電系統(tǒng)多采用中性點不直接接地系統(tǒng)的運行方式，這樣在系統(tǒng)發(fā)生單相接地時故障相對地電壓為零，非故障相的對地電壓將升高到線電壓，系統(tǒng)的線電壓維持不變。因此供電系統(tǒng)可以帶故障繼續(xù)運行，從而保證供電的可靠性，不會對企業(yè)生產造成影響。但是接地故障也分為幾種類型，如果接地故障為金屬性接地，則故障相的電壓降為零，非故障相的相對地電壓升高至線電壓，這樣系統(tǒng)的電氣設備能夠承受線電壓而不會發(fā)生絕緣損傷事故，可以繼續(xù)運行，給值班人員留有時間查找故障線路，不會造成非計劃停電。但是，如果接地故障為間隙性的弧光接地，就會在非故障相產生最高值達3．5倍相電壓的過電壓，這樣的高電壓長時間運行會反復沖擊系統(tǒng)絕緣，引發(fā)另外健全相絕緣擊穿，最終發(fā)展為相間短路事故。
2針對性的解決辦法
以上中性點不直接接地系統(tǒng)的接地故障線路識別和接地故障處理問題，都有有效的解決辦法，具體如下:
2．1接地故障的線路識別解決辦法
我們轉換一下思路，通過上文分析傳統(tǒng)的利用小電流選線的方式，選不準故障線路的主要原因是短路電流太小，而導致短路電流太小的根本原因就是因為中性點不直接接地系統(tǒng)。如果我們通過人為的干涉，能夠在系統(tǒng)出現(xiàn)接地故障時，人為的把中性點不直接接地系統(tǒng)轉換為直接接地系統(tǒng)，在接地的瞬間制造出一個比較大的短路電流用來線路識別，這個問題不就迎刃而解了。通過控制中性點的接地時間和接地電流，從而得到一個易于識別的故障支路但又不引起系統(tǒng)不良反應的大電流，此種方法可以準確的識別故障線路。基于上述可控電流的思想，可以在變電站的主母線上安裝一臺小容量接地變壓器，并在接地變壓器的中性點裝設接地可控接地電阻，當系統(tǒng)發(fā)生接地后，接于接地變壓器中性點的可控接地電阻，在其兩端電壓過零附近使中性點與地之間瞬間導通，以產生一通路短路電流。該短路電流絕大部分會經接地的故障點入地，再通過微機控制器對各條饋線的增大的短路電流加以檢測，檢測到有大電流通過的饋線即為接地線路。具體的配置設備說明:信號采集單元安裝在每個饋線柜的二次室，用來采集零序電流互感器的電流信號并轉換為光信號，它和主控制器保持實時通訊。零序電流互感器安裝于每個饋線柜的電纜室，當發(fā)生單相接地故障時，接地變壓器中性點位置的可控接地電阻導通，系統(tǒng)通過中性點與其中一條饋線的接地點形成零序電流通道。此時零序CT的大電流信號傳輸?shù)叫盘柌杉瘑卧?，并轉換為數(shù)字信號后發(fā)送到主控制器。信號采集單元有固定的編碼，從而由主控制器直接識別故障線路。這種觸發(fā)式的大電流選線的方法有很多的優(yōu)勢，其中三個主要優(yōu)勢:(1)選線裝置柜內的接地可控硅的電阻值是可以調節(jié)的，通過調節(jié)可控硅的電阻值，使系統(tǒng)發(fā)生單相接地時，導通可控硅后流過的瞬時短路大電流在不同的接地電阻的情況下都能保持足夠大的強度以便被檢測到，同時又可以保證不能電流大道影響到供電系統(tǒng)的正常運行，所以選線裝置柜內的可控硅的調節(jié)是要經過反復驗證和修改的。(2)選線柜內的可控硅是我們人為加上去的，而且可控硅的電阻大小及導通角不同就可以是可控硅導通時瞬間的短路電流波形的特性有別與系統(tǒng)的其它電流，不容易受到其它系統(tǒng)的電流干擾，也是增加線路識別準確率的一個重要的因素。(3)當選線裝置柜的主控制器檢測到系統(tǒng)發(fā)生接地時，但是這個時候還沒有確定是那條出線發(fā)生的單相接地，但是當觸發(fā)可控硅導通后，此時產生的稍大的短路電流只能和接地的故障支路形成零序電流通路，非故障支路因為絕緣完好無損，所以無法形成零序電流通路，這樣可以保證了選線的準確性。
2．2接地故障處理問題的解決辦法
2．2．1消弧線圈單獨使用時的缺陷當系統(tǒng)發(fā)生接地故障時，常見的故障處理方法有消弧線圈補償法和觸點消弧法，這兩種故障處理方法都是單獨應用于系統(tǒng)中，不能根據(jù)系統(tǒng)發(fā)生接地故障的性質來針對性的采取不同的處理方式，系統(tǒng)應用都有很大的缺陷。當系統(tǒng)發(fā)生瞬時性的接地故障時，由于消弧線圈前期的暫態(tài)過程比較長，不能夠實現(xiàn)快速消弧補償，而容易造成故障擴大;另外，消弧線圈不能補償高頻接地電容電流，而補償?shù)男Ч^差;對于永久性的接地故障，消弧線圈也不能實現(xiàn)全補償，故障點有殘流，對于電纜支路，對于電纜固體絕緣材料一旦被擊穿即無法恢復，導致電纜“放炮”，或發(fā)展成相間短路。
2．2．2觸點消弧單獨使用時的缺陷觸點消弧法是當發(fā)生接地故障時，直接利用真空接觸器把故障相變?yōu)榻饘傩越拥?，從而達到穩(wěn)壓消弧的作用。但是當真空接觸器打開的瞬間，容易引起操作過電壓，也使故障點的再次擊穿而導致故障擴大。另外:觸點直接接地后，立刻將弧光接地轉換為金屬性接地，非故障相的過電壓穩(wěn)定在√3倍，使故障的性質是臨時性接地，還是永久性接地無法判定。
2．2．3接地故障后的綜合消弧是最佳的方法根據(jù)消弧線圈和觸點消弧的消弧原理，我們可以把消弧線圈配合觸點消弧綜合使用，根據(jù)接地故障的屬性以及負荷的重要性進行不同的處理:針對一、二級重要負荷，只要發(fā)生接地故障，觸點消弧快速動作將故障相的弧光接地轉換為穩(wěn)定的金屬性接地，接地相電壓為零，非故障相電壓穩(wěn)定在√3倍，從而達到熄弧、穩(wěn)壓的作用。同時為了區(qū)分永久性弧光接地和瞬時性弧光接地，觸點消弧動作后，可延時100ms投入偏磁式消弧線圈，對零序電流進線補償，從而解決臨時性弧光接地故障。然后觸點試探性打開一次，觀察電壓變化，如果接地故障消失則判斷為臨時性接地故障。如果接地故障還存在，則觸點再次閉合，判斷為永久性接地故障，并可帶故障運行2個小時，為檢修爭取時間。
3結論
(1)通過以上問題分析及提出的解決方案，可以對單相接地故障利用中性點短時間接地的方法，把中性點不接地系統(tǒng)瞬間轉換為中性點接地系統(tǒng)來解決傳統(tǒng)小電流選線的選線準確率問題，即在中性點不接地系統(tǒng)當發(fā)生單相接地時，人為轉換為小電阻接地，在保證不跳閘狀態(tài)下完成單相接地故障選線。從而解決困擾中壓不接地系統(tǒng)的選線問題。(2)在接地故障處理方面，利用消弧線圈和傳統(tǒng)的觸點消弧相互配合，既避免了消弧線圈消弧不徹底問題又解決了觸點消弧無法識別臨時性接地故障和永久性接地故障問題。兩者的配合使用可以在先保證熄弧穩(wěn)壓狀態(tài)下，即解決了臨時性接地故障又保證了永久性接地故障的處理時效問題。
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作者：冷江 單位：中國鋁業(yè)股份有限公司廣西分公司礦業(yè)公司
