干擾方向檢測技術在故障分析中的應用價值

0   引言

在我國的配電網系統中接地方式，一般分為大電流接地方式和小電流接地方式，其中大電流接地方式包括中性點直接接地和經小電阻接地，而小電流接地方式包括中性點不接地、經消弧線圈接地和經高阻接地。(3~66) kV 的電力系統，大多數采用中性點不接地的運行方式。只有當系統單相接地電流大于一定數值（（3~10）kV 大于30 A；20 kV 以上大于10 A）時，才采取中性點經消弧線圈接地。小電流接地系統發生單相接地故障時接地電流非常小，傳統的單相接地故障監測裝置誤差率較高，因此電能質量儀表在單相接地故障初期，能夠準確監測到故障時的異常電壓數據，并給出擾動源的方向，對快速定位、排除故障具有重要的應用價值。

1   小電流接地系統的優缺點

據統計單相接地故障占中壓電網故障的70%，是配電系統最常見的故障，多發生在潮濕、多雨天氣。由于樹障、配電線路上絕緣子單相擊穿、單相斷線，單相電纜絕緣破損以及小動物危害等諸多因素引起的。

在小電流接地系統中，發生單相接地后，當線路較短時，接地電容電流不大，不會形成穩定的接地電弧，電弧能迅速自熄，能自動地清除單相接地故障，而無需使線路斷開，故障相對地電壓降低，非故障兩相的相電壓升高，但線電壓卻依然對稱，因而不影響對用戶的連續供電，系統可運行1~2 h，從而大大提高了供電可靠性，這也是小電流接地系統的最大優點。

小電流接地系統的缺點是，若發生單相接地故障時電網長期運行，因非故障的兩相對地電壓升高1.732倍，可能引起非故障相絕緣的薄弱環節被擊穿，發展成為相間短路，使事故擴大，影響用戶的正常用電。

還可能使電壓互感器鐵心嚴重飽和，導致電壓互感器嚴重過負荷而燒毀。同時弧光接地還會引起全系統過電壓，進而損壞設備，破壞系統安全運行。因此，當發生單相接地故障時，必須及時發現并排除故障。小電流系統單相接地時的運行狀態，其不同于正常運行狀態的信息主要有2 點：①故障線路流過的零序電流是全系統的電容電流減去自身的電容電流，而非故障線路流過的零序電流僅僅是該線路的電容電流。②故障線路的零序電流是從線路流向母線，非故障線路的零序電流是從母線流向線路，兩者方向相反。

從小電流系統單相接地時與正常運行時，狀態信息的不同看，故障線路的判定似乎非常容易，然而事實并非如此，這是由于電流信號太小，干擾大，信噪比小，隨機因素影響的不確定，電容電流波形的不穩定。在小電流接地選線裝置自20 世紀80 年代問世以來，已經歷了幾次技術更新換代，其選線的準確性也在不斷提高，盡管設備廠方宣稱100% 的選線正確率，但工程實際應用中均存在誤判率較高的問題，使許多用戶有一種不用麻煩，用了也麻煩的感覺，故現場很多情況下都是選檢設備閑置退出而采用手動拉閘試驗的原始方法查找接地。

圖1 單相弧光接地故障發展成兩相短路故障的案例

2   單相接地發展成兩相短路故障案例

圖1 是一個典型的20 kV 單相弧光接地故障發展成兩相短路故障的案例，從故障錄波可以看出整個事件的發展過程，C 相發生不完全弧光接地，C 相低電壓，AB 兩相過電壓，持續20 ms 后B 相發展成接近完全接地，AC 兩相電壓升高，40 ms 后出現短暫震蕩，然后AC 兩相相間短路，持續100 ms 后三相電壓降為0，電流到最大值，CT 飽和成平頂波。一般單相接地故障如果能及早發現，并盡快排查修復故障點，可以避免事故的進一步擴大。

圖2

3   單相接地故障初期監測被排除的實例

圖2 案例是天津的一個半導體客戶現場，10 kV的電能質量儀表ION7650 從2019 年11 月19 日至12月3 日，記錄到十多次無規律電壓暫升和暫降報警信號，根據報警數據及波形信息，結合報警事件的特點和干擾方向信息，雖然故障發生的時間點不規律，但每次故障持續的時間都是10 ms 或20 ms，都是AB兩相過電壓，C 相低電壓，而且干擾源的方向都是指向監測點的上游，結合波形特點可以分析出C 相發生了不完全弧光接地故障，這是10 kV 小電流接地系統典型的單相接地故障特點。根據干擾方向指向監測點的上游，建議客戶重點排查該10 kV 監測點上游的避雷器，變壓器和斷路器的C 相電纜連接頭，初步排查10 kV 進線柜內發現局部放電現象，最后鎖定C 相電纜絕緣破損。客戶有計劃地把負荷切到另一路10 kV電源，及時修復故障電纜，避免事故進一步擴大，未造成10 kV 跳閘。對于芯片工廠來說，一次短暫的停機將會帶來千萬元的經濟損失。

第一章節也介紹了小電流接地系統單相接地故障的特點，發生單相接地故障時接地電流非常小，因此故障非常隱蔽，而且傳統的單相接地故障監測裝置誤差率很高，特別是這次客戶遇到的是C 相不完全弧光接地，僅持續(10~20) ms，更難被監測到。施耐德電能質量表能抓住萌芽狀態的潛在故障信息，并且擾動源方向判定專利技術在排查故障點中也起到了很大的作用，根據干擾方向指示，只需要排查檢測點的上游，大大縮小了故障排查的范圍，為客戶贏得了故障修復的時間。

4   結語

本文介紹了小電流接地系統發生單相接地故障時，線電壓卻依然對稱，不影響對用戶的連續供電，系統可運行1~2 h，從而大大提高了供電可靠性的優點。同時也存在因非故障的兩相對地電壓升高1.732 倍，可能引起非故障相絕緣的薄弱環節被擊穿，發展成為相間短路的缺點。案例一就是典型的單相接地故障發展成兩相短路的事件。由于故障電流信號太小、干擾大、信噪比小、隨機因素影響的不確定、電容電流波形的不穩定，傳統的小電流選線裝置在應用中的誤判率較高。案例二介紹了電能質量表，可以準確地監測記錄到(10~20) ms 的不完全弧光接地故障，抓住萌芽狀態的潛在故障信息，同時具備擾動源方向判定專利技術，根據干擾方向指示，從而大大縮小故障排查的范圍，在工程應用中具有很大的價值。

作者簡介：潘彩敏，女，2003年安徽大學電路與系統碩士，施耐德智能配電工程應用大學講師，電能質量高級咨詢服務專家，在配電系統中的電能質量監測、分析、治理及行業應用中有豐富的經驗積累，幫助客戶解決電力系統運行中遇到的疑難雜癥，參與中國電源學會團體標準電能質量相關標準編寫修訂。手機：18616885329。

（本文來源于《電子產品世界雜志》2021年2月期）