電力系統接地故障分析及處理

什么是接地故障

 

 接地故障是指相線、中性線等帶電導體與“地”間的短路，如圖1所示。這里的“地”是指電氣裝置內與大地有連接的外露導電部分和裝置外導電部分。接地故障引起的間接接觸電擊事故是常見的電擊事故。接地故障引起的對地電弧和電火花則是常見的電氣短路起火源。就引起的電氣災害而言，接地故障遠比一般短路更具危險性，而對接地故障引起的間接接觸電擊的防范措施遠比對直接接觸電擊防范措施復雜。

電力系統中的接地故障一般主要包括電弧接地故障、直流系統接地故障和單相接地故障，下面對這三種故障分別進行分析。

電弧接地故障

 

 在10kV中性點不接地系統中，當發生一相對地短路故障時，常出現電弧。由于系統中存在電容和電感，此時可能引起線路某一部分的振蕩。當電流振蕩零點或工頻零點時，電弧可能暫時熄滅。事故相電壓升高后，電弧則可能重燃，這種現象為間歇性電弧接地。

電弧性接地故障的特點有以下幾個：

1）相電壓突然降低而引起的放電電容電流，此電流通過母線流向故障點，放電電流衰減很快，其振蕩頻率高達幾十千赫甚至幾百千赫，振蕩頻率主要決定于電網線路的參數、故障點的位置以及過渡電阻的數值。

2）由非故障相電壓突然升高而引起的充電電容電流，它要通過變壓器線圈而形成回路。由于整個流通回路的電感較大，因此，充電電流衰減較慢，振蕩頻率也較低。由于放電電流頻率高、衰減速度快．對于接地選線的作用不大；而充電電流幅值大、頻率較低、衰減速度慢，有利于測量，在接地選線中起主要作用。

3）暫態分量的特征基本不受中性點接地方式的影響，各線路零序電流以高頻衰減的暫態分量為主，暫態分量可達工頻穩態分量的幾倍、幾十倍甚至上百倍。

4）電弧接地時暫態分量的頻率與電網結構、變壓器參數、故障地點等多種因素有關，其值為一不確定值。但故障線路與非故障線路的零序暫態電流在頻率、衰減速度等特性相同。無論在何種接地方式下非故障線路零序暫態電流的大小與本線路對地電容的大小呈正比，而故障線路零序暫態電流等于所有非故障線路零序暫態電流之和，且方向相反。這與中性點不接地系統中零序穩態電流特性相同。

5）當接地電阻較小時暫態分量遠大于穩態分量。但零序暫態電流的大小隨電弧電阻的增大呈指數規律遞減，同時零序暫態電流的衰減速度隨電弧電阻的增大而極速增快 。

可以采取的防范措施有以下幾種。

（1）改變10kV系統中性點的接地方式

 中性點采用消弧線圈接地，應該不失為行之有效的措施之一。消弧線圈是一個鐵心可調節的電感線圈，將它裝設于變電站變壓器的中性點。這樣系統一旦發生單相接地時，可形成一個與接地電流大小近似相等、方向相反的電感電流與容性接地電流相補償，從而達到限制接地電流，避免在接地點形成弧光。同時即使是運行方式發生變化，使消弧線圈的補償度或脫諧度發生變化，而產生弧光接地，燃弧后電容的充放電電流要經過消弧線圈流回，而不會在故障點形成多次弧光重燃。這樣就有效避免了接地點的間歇性燃弧，達到限制弧光過電壓的目的。

（2）選擇合適的過電壓保護裝置

 10kV系統面臨的過電壓不僅僅是單相弧光接地過電壓，對于雷電過電壓、操縱過電壓、諧振過電壓等仍然是存在的。因此，選擇和設置過電壓保護裝置，對于電力網來說顯得異常重要。采用避雷器作為過電壓吸收裝置，還是目前電力系統的潮流和主要措施。目前，大多數熱電廠都加裝消弧柜，將單相弧光接地變為直接接地。

（3）加強薄弱環節的絕緣

  熱電廠一次設備的絕緣相對較為薄弱，主要是由于粉塵污染造成部分絕緣子污閃以及高濕度的環境空氣降低了有效絕緣水平。對于輕易造成污閃的電氣設備，進行定期清掃除塵。

直流系統接地故障

 

直流系統是變電站安全運行過程中十分重要的電源系統，為電力系統的控制回路、信號回路、繼電保護、自動裝置及事故照明等提供穩定可靠的不間斷電源，還可為斷路器的分、合閘提供操作電源。

由于直流電源在二次系統所處的重要地位，直流系統自身的可靠性及安全性直接影響著整個變電站的安全運行。盡管直流電源十分穩定可靠，但實際應用中，由于電力系統應用直流電源的特殊性，特別是控制回路和保護回路的應用，使直流系統的故障成為電力系統更大故障的事故隱患，即直流系統接地故障危害。

（1）何為直流系統接地

 當直流系統的正極或負極與大地之間的絕緣水平降到低于某一規定值時，統稱為直流系統接地；當正極絕緣水平低于某一規定值時成為“正接地”；當負極絕緣水平低于某一規定值時稱為“負接地”。

 （2）直流系統為什么會接地

 直流系統是個不間斷工作長期帶電的系統，支路很多，負荷涉及面廣，會由于環境改變、氣候變化、污染、高溫等引起電纜老化、接線端子老化、元件損壞以及設備本身等問題引起絕緣水平下降。一般來說，投運時間越長，其接地的概率越高，特別是發電廠比變電站接地更頻繁。 

（3）直流系統接地的種類

 直流系統接地的構成歸納起來有以下幾種：正接地和負接地；直接接地；金屬性接地和間接接地；非金屬性接地。此外還有單點接地、多點接地、環路接地、絕緣降低和交流半接地等。

（4）正接地的危害

 由于斷路器跳閘線圈均接負極電源，當發生系統正極接地時，正極經過大地，構成回路。如圖2所示，當圖2中的A點和B點同時接地，相當于A、B兩點通過大地相連接起來，中間繼電器2J1動作生成斷路器的跳閘。同理，當圖2中的A點和C點同時接地，A點和D點同時接地均可能造成斷路器的跳閘。

（5）負接地的危害

負極接地可能造成斷路器的拒動作。當圖2中的B點、E點同時接地，B、E點通過地構成了回路，即B、E點相接將中間繼電器2J1短接。此時，如果系統發生事故，保護動作由于中間繼電器2J1不工作，斷路器不會動作，使事故越級擴大。同理，當圖2中的E點和C點同時接地，E點和D點同時接地均可能造成斷路器拒動作。

 查找直流系統接地點，排除故障危害，從目前現場實際中的情況和經驗所得，大致有以下幾種方法。

（1）拉路法

  直流接地回路一旦從直流系統中脫離運行，直流母線的正負極對地電壓就會出現平衡。所以人們通常從直流接地回路瞬間停電，確定直流接地點是否發生在該回路，這就是所謂的“拉路法”。直流系統是個不間斷電源，基于它的特殊性，不能隨意停電。近年來隨著計算機的大量使用，微機保護同樣也不允許人們隨意斷開直流電源?，F場排除故障中，經常發生非正常的閉環回路，采用雙電源供電回路，使直流接地故障查找更加困難。“拉路法”往往造成了控制回路或保護回路跳閘等事故。

（2）便攜式儀器查找定位

  使用便攜式的直流接地故障查找儀查找直流接地不失為一種好方法。作為拉路法的輔助測試儀，對接地故障的排除在時間上和安全上都是好幫手。其特點是不需斷開直流回路電源，移動式的采集互感器在各分部回路上測量，如果出現接地回路就報警。由于其采集傳感器可以任意移動，可以更具體地查找到各接地點。

（3）人工故障排除方法

 變電站的直流接地雖然是復雜的，無論是常規保護還是微機保護，其故障的排除法是一致的。尋找接地分段處理的方法，先信號和照明部分，后操作部分；先室外，后室內的原則。

1）首先測量正負極對地電壓，確定是正極接地還是負極接地。

2）兩段母線之間的區分，使查找的接地不會大范圍擴大，確定發生直流接地在哪一段。

3）如果有直流接地選線的裝置，有誤報的現象，請退出運行中的直流接地檢測儀。

4）如果站內二次回路有施工的或有檢修試驗的應立即停止，拉開其工作電源，看信號是否消除。

5）采用分段分部拉路法，操作電源一定要由蓄電池供電，應按照下列順序進行：①斷合現場臨時工作電源；②斷合故障照明回路；③斷合信號回路；④斷合輔助設備；⑤斷合蓄電池回路。

單相接地故障

 

在小電流接地系統中，單相接地是一種常見的臨時性故障，多發生在潮濕、多雨天氣。發生單相接地后，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1～2h，這也是小電流接地系統的Z大優點。但是若發生單相接地故障時電網長期運行，可能引起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，值班人員一定要熟悉接地故障的處理方法，當發生單相接地故障時，必須及時找到故障線路予以切除。

（1）接地故障特征

1）當發生一相（如A相）不完全接地時，即通過高電阻或電弧接地，這時故障相的電壓降低，非故障相的電壓升高，它們大于相電壓，但達不到線電壓。電壓互感器開口三角處的電壓達到整定值，電壓繼電器動作，發出接地信號。

2）如果發生A相完全接地，則故障相的電壓降到零，非故障相的電壓升高到線電壓。此時電壓互感器開口三角處出現三倍于原來的相電壓，電壓繼電器動作，發出接地信號。

3）電壓互感器高壓側出現一相（A相）斷線或熔斷件熔斷，此時故障相的指示不為零，這是由于此相電壓表在二次回路中經互感器線圈和其他兩相電壓表形成串聯回路，出現比較小的電壓指示，但不是該相實際電壓，非故障相仍為相電壓?；ジ衅鏖_口三角處會出現35V左右電壓值，并啟動繼電器，發出接地信號。

4）由于系統中存在容性和感性參數的元件，特別是帶有鐵芯的鐵磁電感元件，在參數組合不匹配時會引起鐵磁諧振，并且繼電器動作，發出接地信號。

5）空載母線虛假接地現象。在母線空載運行時，也可能會出現三相電壓不平衡，并且發出接地信號。但當送上一條線路后接地現象會自行消失。

（2）單相接地故障的處理

 當配電線路發生單相接地故障之后，通過變電站母線上運行的電壓互感器，絕緣監察裝置可以檢測到接地故障，發出接地信號，值班人員根據信號及時進行判斷處理。首先，綜合分析電壓表指示、天氣情況、運行方式等，區分信號的虛實。然后，為縮小停電的范圍，進行分網運行，同時，檢查電氣設備是否正常運行。例如：設備有無損壞、配電線路有無斷線接地、互感器熔絲有無熔斷、電纜頭有無擊穿等。 在確定配電所內設備無問題的情況下，用瞬停依次拉閘查找法。具體措施為：

1）對于裝有微機選線裝置或接地信號裝置的線路來說，在裝置正常運行的條件下，接地故障線路可以通過選線方法查出。但是，如果線路未安裝接地信號裝置，查找方法是依次斷開線路母線上的每個分路開關，如果斷開某條線路的開關時接地信號突然消失，并且絕緣監察電壓表的指示恢復正常，該線路即為有接地故障的。

2）如果采用瞬停依次拉閘查找法斷開開關后接地信號仍然存在，則說明此條線路上沒有發生接地故障。此時，應該立即恢復供電，依次瞬停其他線路。需要注意的是應該逐步檢查一條線路，不能同時將所有出線同時斷開。

 3）在查處接地故障線路以后，對一般用戶線路可以停電排除接地故障，等到接地故障排除以后恢復供電。但是，針對某些重要用戶的供電線路，則應該采取適當的措施將用電負荷轉移，或者將用電負荷轉移至備用線路。然后，停電查找并及時排除故障，恢復供電，減少由于停電造成的損失。

 4）對于接地故障頻繁發生的線路，應該及時制定合理的電網整改措施，進行改造，保證設備的安全運行，提高用戶的用電質量。

處理接地故障的要求如下：

1）尋找和處理單相接地故障時，應作好安全措施，保證人身安全。當設備發生接地時，室內不得接近故障點4m以內，室外不得接近故障點8m以內，進入上述范圍的工作人員必須穿絕緣靴，戴絕緣手套，使用專用工具。

2）為了減小停電的范圍和負面影響，在尋找單相接地故障時，應先試拉線路長、分支多、歷次故障多和負荷輕以及用電性質次要的線路，然后試拉線路短、負荷重、分支少、用點性質重要的線路。雙電源用戶可先倒換電源再試拉，專用線路應先行通知。若有關人員匯報某條線路上有故障跡象時，可先試拉這條線路。

3）若電壓互感器高壓熔斷件熔斷，不得用普通熔斷件代替。必須用額定電流為0.5A裝填有石英砂的瓷管熔斷器，這種熔斷器有良好的滅弧性能和較大的斷流容量，具有限制短路電流的作用 。

（3）單相接地故障的預防

 1）定期對配電線路進行巡視，檢查配電線路和電力設備運行情況。主要包括：檢查變壓器等電力設備運行狀況是否符合要求，檢查導線對接處的溫度是否正常，檢查導線與建筑物和樹木的距離是否足夠，檢查導線在絕緣子中是否綁扎牢固了，檢查導線交叉跨越的距離是否符合相關規定，檢查拉線絕緣子的安裝是否符合安裝要求。

 2）對配電線路上的變壓器、避雷器、開關等電力設備進行定期的測試，以便及時發現不合格的電力設備并修理更換。同時，強化平時運行檢查力度，及時發現運行中有缺陷的設備，并及時處理。

3）在配電線路上適當加裝一些支線開關和分段開關，可以提高查找故障點的速度，減少因檢修造成的停電面積和停電時間。

4）對于條件允許的地區，采用高一電壓等級的絕緣子，可以提高配電網絕緣強度。