干擾方向檢測技術(shù)在故障分析中的應用價(jià)值

0   引言

在我國的配電網(wǎng)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(diǎn)直接接地和經(jīng)小電阻接地，而小電流接地方式包括中性點(diǎn)不接地、經(jīng)消弧線(xiàn)圈接地和經(jīng)高阻接地。(3~66) kV 的電力系統，大多數采用中性點(diǎn)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(shí)，才采取中性點(diǎn)經(jīng)消弧線(xiàn)圈接地。小電流接地系統發(fā)生單相接地故障時(shí)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(zhì)量?jì)x表在單相接地故障初期，能夠準確監測到故障時(shí)的異常電壓數據，并給出擾動(dòng)源的方向，對快速定位、排除故障具有重要的應用價(jià)值。

1   小電流接地系統的優(yōu)缺點(diǎn)

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

在小電流接地系統中，發(fā)生單相接地后，當線(xiàn)路較短時(shí)，接地電容電流不大，不會(huì )形成穩定的接地電弧，電弧能迅速自熄，能自動(dòng)地清除單相接地故障，而無(wú)需使線(xiàn)路斷開(kāi)，故障相對地電壓降低，非故障兩相的相電壓升高，但線(xiàn)電壓卻依然對稱(chēng)，因而不影響對用戶(hù)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(yōu)點(diǎn)。

小電流接地系統的缺點(diǎn)是，若發(fā)生單相接地故障時(shí)電網(wǎng)長(cháng)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(huán)節被擊穿，發(fā)展成為相間短路，使事故擴大，影響用戶(hù)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(guò)負荷而燒毀。同時(shí)弧光接地還會(huì )引起全系統過(guò)電壓，進(jìn)而損壞設備，破壞系統安全運行。因此，當發(fā)生單相接地故障時(shí)，必須及時(shí)發(fā)現并排除故障。小電流系統單相接地時(shí)的運行狀態(tài)，其不同于正常運行狀態(tài)的信息主要有2 點(diǎn)：①故障線(xiàn)路流過(guò)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(xiàn)路流過(guò)的零序電流僅僅是該線(xiàn)路的電容電流。②故障線(xiàn)路的零序電流是從線(xiàn)路流向母線(xiàn)，非故障線(xiàn)路的零序電流是從母線(xiàn)流向線(xiàn)路，兩者方向相反。

從小電流系統單相接地時(shí)與正常運行時(shí)，狀態(tài)信息的不同看，故障線(xiàn)路的判定似乎非常容易，然而事實(shí)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(xiàn)裝置自20 世紀80 年代問(wèn)世以來(lái)，已經(jīng)歷了幾次技術(shù)更新?lián)Q代，其選線(xiàn)的準確性也在不斷提高，盡管設備廠(chǎng)方宣稱(chēng)100% 的選線(xiàn)正確率，但工程實(shí)際應用中均存在誤判率較高的問(wèn)題，使許多用戶(hù)有一種不用麻煩，用了也麻煩的感覺(jué)，故現場(chǎng)很多情況下都是選檢設備閑置退出而采用手動(dòng)拉閘試驗的原始方法查找接地。

圖1 單相弧光接地故障發(fā)展成兩相短路故障的案例

2   單相接地發(fā)展成兩相短路故障案例

圖1 是一個(gè)典型的20 kV 單相弧光接地故障發(fā)展成兩相短路故障的案例，從故障錄波可以看出整個(gè)事件的發(fā)展過(guò)程，C 相發(fā)生不完全弧光接地，C 相低電壓，AB 兩相過(guò)電壓，持續20 ms 后B 相發(fā)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(fā)現，并盡快排查修復故障點(diǎn)，可以避免事故的進(jìn)一步擴大。

圖2

3   單相接地故障初期監測被排除的實(shí)例

圖2 案例是天津的一個(gè)半導體客戶(hù)現場(chǎng)，10 kV的電能質(zhì)量?jì)x表ION7650 從2019 年11 月19 日至12月3 日，記錄到十多次無(wú)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(diǎn)和干擾方向信息，雖然故障發(fā)生的時(shí)間點(diǎn)不規律，但每次故障持續的時(shí)間都是10 ms 或20 ms，都是AB兩相過(guò)電壓，C 相低電壓，而且干擾源的方向都是指向監測點(diǎn)的上游，結合波形特點(diǎn)可以分析出C 相發(fā)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(diǎn)。根據干擾方向指向監測點(diǎn)的上游，建議客戶(hù)重點(diǎn)排查該10 kV 監測點(diǎn)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(jìn)線(xiàn)柜內發(fā)現局部放電現象，最后鎖定C 相電纜絕緣破損?？蛻?hù)有計劃地把負荷切到另一路10 kV電源，及時(shí)修復故障電纜，避免事故進(jìn)一步擴大，未造成10 kV 跳閘。對于芯片工廠(chǎng)來(lái)說(shuō)，一次短暫的停機將會(huì )帶來(lái)千萬(wàn)元的經(jīng)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(diǎn)，發(fā)生單相接地故障時(shí)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(hù)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(zhì)量表能抓住萌芽狀態(tài)的潛在故障信息，并且擾動(dòng)源方向判定專(zhuān)利技術(shù)在排查故障點(diǎn)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(diǎn)的上游，大大縮小了故障排查的范圍，為客戶(hù)贏(yíng)得了故障修復的時(shí)間。

4   結語(yǔ)

本文介紹了小電流接地系統發(fā)生單相接地故障時(shí)，線(xiàn)電壓卻依然對稱(chēng)，不影響對用戶(hù)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(yōu)點(diǎn)。同時(shí)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(huán)節被擊穿，發(fā)展成為相間短路的缺點(diǎn)。案例一就是典型的單相接地故障發(fā)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(xiàn)裝置在應用中的誤判率較高。案例二介紹了電能質(zhì)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(tài)的潛在故障信息，同時(shí)具備擾動(dòng)源方向判定專(zhuān)利技術(shù)，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(jià)值。

作者簡(jiǎn)介：潘彩敏，女，2003年安徽大學(xué)電路與系統碩士，施耐德智能配電工程應用大學(xué)講師，電能質(zhì)量高級咨詢(xún)服務(wù)專(zhuān)家，在配電系統中的電能質(zhì)量監測、分析、治理及行業(yè)應用中有豐富的經(jīng)驗積累，幫助客戶(hù)解決電力系統運行中遇到的疑難雜癥，參與中國電源學(xué)會(huì )團體標準電能質(zhì)量相關(guān)標準編寫(xiě)修訂。手機：18616885329。

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界雜志》2021年2月期）