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配電網靈活接地方式下的單相接地故障處理技術方案及現場應用

1 什么是單相接地故障

我國10kV中壓配電網多采用中性點非有效接地方式,單相接地故障又被稱為小電流接地故障,占比配電系統故障的80%以上,多發于在潮濕、陰雨天氣,故障成因包括導線搭接橫擔、斷線觸地、避雷器或絕緣子的擊穿/閃絡、異物搭接等。由于單相接地故障一般不影響用戶的正常供電,因而傳統處理方法允許系統在1~2小時內帶故障運行,在此期間由人工巡線找出故障位置進行處理。這種處理方式雖顯著地提高了供電可靠性,但隨著配網規模的逐漸擴張,單相接地故障電流不斷增大,接地電弧難以自動消除,間歇性電弧引起的過電壓對電氣設備的危害增大,若不及時處理,極易演變為兩相短路故障,使事故范圍擴大,甚至在故障長時間存在的情況下,易造成周邊人員傷亡,存在較大安全隱患。提升單相接地故障的快速處置能力對于保障人身、設備、系統安全具有重要意義。

2 單相接地故障有哪些危害

2.1 對變電設備的危害

10KV配電線路發生單相接地故障后,變電站10KV母線上的電壓互感器監測到零序電流,在開口三角形上產生零序電壓,電壓互感器鐵芯飽和,勵磁電流增加,如果長時間運行,將會燒毀電壓互感器。

單相接地故障后,也可能產生諧振過電壓。幾倍于正常電壓的諧振過電壓,危及變電設備的絕緣層,嚴重時使變電設備絕緣擊穿,造成更大事故。

2.2 對配電設備危害

單相接地故障發生后,可能會發生間歇性弧光接地,產生幾倍于正常電壓的的過電壓,進一步使線路上的絕緣薄弱點擊穿,造成嚴重的短路事故,同時可能燒毀配電變壓器,使線路上的避雷器、熔斷器絕緣擊穿、燒毀,也可能發生電氣火災事故。

2.3對人畜危害

對于導線落地這一類單相接地故障,如果配電線路未停運,對于行人和線路巡視人員(特別是夜間),可能會發生跨步電壓引起的人身電擊事故,也可能發生牲畜電擊傷亡事件。

2.4對供電可靠性的影響

發生單相接地故障后,一方面進行人工選線,對未發生單相接地故障的配電線路要進行停電,中斷正常供電,這就會影響供電可靠性;另一方面發生單相接地的配電線路將停運,在查找故障點和消除故障中,不能保障用戶正常用電,特別是在莊稼生長期、大風、雨雪等惡劣天氣條件下,不利于查找和消除故障,將造成長時間、大面積停電,對供電可靠性造成較大影響。

3 各種接地方式下單相接地故障處理的技術特點

3.1中性點不接地或經消弧線圈接地系統

中性點不接地或經消弧線圈接地系統目前主要通過暫態特征量進行故障判斷。尤其是中性點經消弧線圈接地系統,受消弧線圈過補償的影響,單相接地故障后,不同線路區段的穩態特征不明顯,采用穩態量難以實現故障檢測。通過暫態零模功率方向法理論上可實現故障檢測,但原理相對復雜,對測控裝置的技術原理、性能要求較高,目前仍屬工程實踐的難點,整體上該接地方案下單相接地故障判斷技術實現難度較高。

3.2中性點經小電阻接地系統

中性點經小電阻接地系統單相接地故障判定主要采用零序過流法,原理較簡單,技術實現難度較低,從而對于大部分單相接地故障判定準確率相對較高,但是對于瞬時性故障跳閘率明顯增加,影響供電可靠性指標,且接地電流較大帶來的接觸電壓與跨步電壓觸電安全風險。同時該接地方式耐過渡電阻能力較弱,據測算,在接地過流定值設置為40A時小電阻接地系統耐過渡電阻能力不到150Ω,不利于實現高阻接地故障保護,而據統計,高阻接地在架空線路單相接地故障占比為15%左右。

3.3消弧線圈并聯小電阻的靈活接地系統

消弧線圈并聯小電阻的靈活接地系統,采用故障發生時中性點延時投小電阻的方式,保留了諧振接地系統可抑制瞬時性故障的優點,同時也繼承了中性點經小電阻接地方式下,故障特征量突出,易于檢測的優點,近年來逐步推廣應用。同時,一次永久性單相接地故障,在兩類中性點接地方式下,可產生兩種典型特征,從某種意義上,亦為采用不同的保護原理進行故障檢測,提升判斷準確率創造了有利條件。

4 單相接地故障靈活處理技術方案

基于對單相接地故障特征的深入研究,國網湖北電科院能源互聯網技術中心結合全省配電自動化建設應用與變電站中性點接地方式改造工作,針對消弧線圈并聯小電阻的靈活接地方式,提出了一種基于一二次融合成套開關實現的配電網單相接地故障就近就地隔離方法,通過對分段開關同時部署零序過流保護、暫態零模功率方向保護功能且同時投入,并設置不同的動作時間,有效提高單相接地故障快速處置的準確性與適應性。

2018年起,國網湖北電科院能源互聯網技術中心聯合國內主流設備制造廠商開展研發,并在實驗室完成了一二次融合成套開關單體設備的性能檢測與功能驗證工作。201996日,該項技術在鄂州110kV紅蓮湖變電站10kV饋線成功通過現場測試,現場測試結果表明,該團隊提出的單相接地故障處理方法全面取得預期成效,有效實現了各類接地故障的就近就地快速隔離與健全區段的轉供恢復,大幅降低了故障處理時間。

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