干擾方向檢測技術(shù)在故障分析中的應(yīng)用價值

0   引言

在我國的配電網(wǎng)系統(tǒng)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(jīng)小電阻接地，而小電流接地方式包括中性點不接地、經(jīng)消弧線圈接地和經(jīng)高阻接地。(3~66) kV 的電力系統(tǒng)，大多數(shù)采用中性點不接地的運行方式。只有當(dāng)系統(tǒng)單相接地電流大于一定數(shù)值（（3~10）kV 大于30 A；20 kV 以上大于10 A）時，才采取中性點經(jīng)消弧線圈接地。小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時接地電流非常小，傳統(tǒng)的單相接地故障監(jiān)測裝置誤差率較高，因此電能質(zhì)量儀表在單相接地故障初期，能夠準(zhǔn)確監(jiān)測到故障時的異常電壓數(shù)據(jù)，并給出擾動源的方向，對快速定位、排除故障具有重要的應(yīng)用價值。

1   小電流接地系統(tǒng)的優(yōu)缺點

據(jù)統(tǒng)計單相接地故障占中壓電網(wǎng)故障的70%，是配電系統(tǒng)最常見的故障，多發(fā)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(tǒng)中，發(fā)生單相接地后，當(dāng)線路較短時，接地電容電流不大，不會形成穩(wěn)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(xù)供電，系統(tǒng)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(tǒng)的最大優(yōu)點。

小電流接地系統(tǒng)的缺點是，若發(fā)生單相接地故障時電網(wǎng)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(huán)節(jié)被擊穿，發(fā)展成為相間短路，使事故擴(kuò)大，影響用戶的正常用電。

還可能使電壓互感器鐵心嚴(yán)重飽和，導(dǎo)致電壓互感器嚴(yán)重過負(fù)荷而燒毀。同時弧光接地還會引起全系統(tǒng)過電壓，進(jìn)而損壞設(shè)備，破壞系統(tǒng)安全運行。因此，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時，必須及時發(fā)現(xiàn)并排除故障。小電流系統(tǒng)單相接地時的運行狀態(tài)，其不同于正常運行狀態(tài)的信息主要有2 點：①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，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(tǒng)單相接地時與正常運行時，狀態(tài)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(jī)因素影響的不確定，電容電流波形的不穩(wěn)定。在小電流接地選線裝置自20 世紀(jì)80 年代問世以來，已經(jīng)歷了幾次技術(shù)更新?lián)Q代，其選線的準(zhǔn)確性也在不斷提高，盡管設(shè)備廠方宣稱100% 的選線正確率，但工程實際應(yīng)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(xiàn)場很多情況下都是選檢設(shè)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(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事件的發(fā)展過程，C 相發(fā)生不完全弧光接地，C 相低電壓，AB 兩相過電壓，持續(xù)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(xiàn)短暫震蕩，然后AC 兩相相間短路，持續(xù)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(xiàn)，并盡快排查修復(fù)故障點，可以避免事故的進(jìn)一步擴(kuò)大。

圖2

3   單相接地故障初期監(jiān)測被排除的實例

圖2 案例是天津的一個半導(dǎo)體客戶現(xiàn)場，10 kV的電能質(zhì)量儀表ION7650 從2019 年11 月19 日至12月3 日，記錄到十多次無規(guī)律電壓暫升和暫降報警信號，根據(jù)報警數(shù)據(jù)及波形信息，結(jié)合報警事件的特點和干擾方向信息，雖然故障發(fā)生的時間點不規(guī)律，但每次故障持續(xù)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(jiān)測點的上游，結(jié)合波形特點可以分析出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(tǒng)典型的單相接地故障特點。根據(jù)干擾方向指向監(jiān)測點的上游，建議客戶重點排查該10 kV 監(jiān)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(jìn)線柜內(nèi)發(fā)現(xiàn)局部放電現(xiàn)象，最后鎖定C 相電纜絕緣破損?？蛻粲杏媱澋匕沿?fù)荷切到另一路10 kV電源，及時修復(fù)故障電纜，避免事故進(jìn)一步擴(kuò)大，未造成10 kV 跳閘。對于芯片工廠來說，一次短暫的停機(jī)將會帶來千萬元的經(jīng)濟(jì)損失。

第一章節(jié)也介紹了小電流接地系統(tǒng)單相接地故障的特點，發(fā)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(tǒng)的單相接地故障監(jiān)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(xù)(10~20) ms，更難被監(jiān)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，并且擾動源方向判定專利技術(shù)在排查故障點中也起到了很大的作用，根據(jù)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(fù)的時間。

4   結(jié)語

本文介紹了小電流接地系統(tǒng)發(fā)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(xù)供電，系統(tǒng)可運行1~2 h，從而大大提高了供電可靠性的優(yōu)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(huán)節(jié)被擊穿，發(fā)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(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(jī)因素影響的不確定、電容電流波形的不穩(wěn)定，傳統(tǒng)的小電流選線裝置在應(yīng)用中的誤判率較高。案例二介紹了電能質(zhì)量表，可以準(zhǔn)確地監(jiān)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，同時具備擾動源方向判定專利技術(shù)，根據(jù)干擾方向指示，從而大大縮小故障排查的范圍，在工程應(yīng)用中具有很大的價值。

作者簡介：潘彩敏，女，2003年安徽大學(xué)電路與系統(tǒng)碩士，施耐德智能配電工程應(yīng)用大學(xué)講師，電能質(zhì)量高級咨詢服務(wù)專家，在配電系統(tǒng)中的電能質(zhì)量監(jiān)測、分析、治理及行業(yè)應(yīng)用中有豐富的經(jīng)驗積累，幫助客戶解決電力系統(tǒng)運行中遇到的疑難雜癥，參與中國電源學(xué)會團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)電能質(zhì)量相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)編寫修訂。手機(jī)：18616885329。

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界雜志》2021年2月期）