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摘 要：简述小电流接地系统的优越性、发生单相接地故障时的特点和目前接地故障的基本判定方法及存在问题，提出新型小电流接地故障判别系统建设的设想和预期效果。
关键词：变电站 10kV 接地故障 新型选线判别系统
中图分类号：TM862 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）010-044-02
1 小电流接地系统的优越性
小电流接地系统与大电流接地系统比较，具有减少单相对地短路电流对变电站主变的冲击次数、减少变电站出线断路器遮断短路电流次数、减少线路设备承受过电流次数、减少接地故障点损坏程度和断线次数、减少对用户突然停电次数和缩短停电时间、减轻人畜及竹木触电的危害程度等优越性。
2 小电流接地系统发生单相接地故障时的特点
（1）小电流接地系统在某一相发生接地故障时，由于不能构成短路回路，流过接地故障点的电流为该系统对地的电容电流，往往比负荷电流小得多。
（2）某一相发生接地故障时，接地相电压降低，发生接地良好的金属性接地时接地相电压降至零，另两相电压升至线电压。电压升高相可能会引起电压互感器过热喷油烧毁或高压侧熔丝熔断，性能不好的避雷器会过热爆炸，绝缘薄弱点因电压升高可能会击穿引起两相短路。
（3）某一相发生接地故障时，因接地相电压降低，非接地相电压升高，升高相因电压升高绝缘薄弱点击穿引起两相瞬间短路，其中一相在电弧的高温作用下绝缘升高断弧，发生接地相转移到另一相现象。
（4）当接地点接触不良时，会发生连续或断续弧光放电，甚至产生谐振过电压，弧光会进一步烧坏导体和绝缘，引发断线、火灾等事故。有时放电弧光会把导电物烧净，在高温作用下绝缘升高断弧，造成接地故障自然消失。
（5）当高压线断线掉落在干燥的山上时，导线对地的放电电弧会引发森林火灾，因接地电流很小，现有的变电站接地监视装置不会报警。
3 小电流接地系统接地故障的基本判定方法
目前电力系统对小电流接地系统是否发生接地故障主要从以下基本原理判定：
（1）利用Y/接线的电压互感器二次侧开口三角两出线端电压来判定是否发生接地故障。该方法具有很高的灵敏度，但只能判定本变电站10kV系统是否发生接地故障，不能区分是那回出线接地。在电压互感器一次侧某相熔丝熔断时，开口三角两出线端输出线电压。
（2）利用Y/Y。接线的电压互感器二次侧三相对地电压是否平衡来判定是否发生接地故障。该方法具有很高的灵敏度，但只能判定本变电站10kV系统哪相发生接地故障，不能区分是那回出线接地。在电压互感器一、二次侧某相熔丝熔断时，熔断相电压接近零，另两相电压不变。
（3）利用出线零序电流互感器二次侧零序电流，由装设的接地故障选线装置来判定接地故障。该方法灵敏度较低，对检测装置冲击大，但可以判定是那回出线发生接地故障。
用零序电流互感器的二次零序电流判定接地故障灵敏度低的原因：1）发生接地时的零序电流本身很小，每100公里线路，在发生完全金属性接地时，才有2.7A左右的零序电流。2）零序电流互感器一次侧只有一匝，为了互感器有一定的带负荷能力，目前最小变比才做到50/5，这样，造成只有100公里线路的变电站，在发生金属性接地故障时，零序电流互感器二次侧才产生0.27A的电流。
利用出线零序电流互感器二次侧零序电流检测是否发生线路接地，对检测装置冲击大的原因是因为正常的接地电容电流很小（10A以下，但发生两回出线之间不同相对地短路时，短路电流值很大（1000A以上））。
4 目前电力系统常用的小电流接地故障选线设备装置原理及存在问题
4.1 零序功率方向原理
零序功率方向原理制成的小电流接地故障选线装置就是利用在系统发生单相接地故障时，故障与非故障线路零序电流反相，由零序功率继电器判别故障与非故障电流。缺点：利用该原理做成的选线装置，对零序电流的数值要求较大，对小型变电站或高阻抗接地灵敏度低。
4.2 谐波电流方向原理
当中性点不接地系统发生单相接地故障时，在各线路中都会出现零序谐波电流。由于谐波次数的增加，相对应的感抗增加，容抗减小，所以总可以找到一个m次谐波，这时故障线路与非故障线路m次谐波电流方向相反，同时对所有大于m次谐波的电流均满足这一关系。缺点：利用该原理做成的选线装置，对谐波电流的数值要求较大，对小型变电站或高阻抗接地灵敏度低。
4.3 首半波原理
首半波原理是基于接地故障信号发生在相电压接近最大值瞬间这一假设。当电压接近最大值时，若发生接地故障，则故障相电容电荷通过故障线路向故障点放电，故障线路分布电感和分布电容使电流具有衰减振荡特性，该电流不经过消弧线圈，故不受消弧线圈影响。但此原理的选线装置不能反映相电压较低时的接地故障，易受系统运行方式和接地电阻的影响，存在工作死区。
4.4 注入诊断信号电流原理
当中性点不接地系统发生单相接地时，通过变压器中性点或电压互感器二次绕组等方式向母线接地相注入一种外加高频信号电流，该信号电流主要沿故障线路接地相的接地点入地，部分信号电流经其他非故障线路对地电容入地。用一只电磁感应及谐波原理制成的信号电流探测器，靠近线路导体接收该线路故障相流过信号电流的大小来（故障线路接地相流过的信号电流大，非故障线路接地相流过的信号电流小，它们之间的比值大于10倍）判断故障线路与非故障线路。高频信号电流发生器由电压互感器开口三角的电压起动。选用高频信号电流的频率与工频及各次谐波频率不同，因此，工频电流、各次谐波电流对信号探测器无感应信号。在单相接地故障时，用信号电流探测器，对注入系统接地相的信号电流进行寻踪，可以找到接地线路和接地点的确切位置。缺点：（1）信号源和探测器技术复杂，性能不够稳定，每套装置一次性投资较大，对高阻抗接地和分散小容量变电站不适用。（2）与调度会发生矛盾。在发生接地故障后，调度不允许超过两小时的故障查找时间。在调度切除故障线路后，信号电流探测器也失去作用。 4.5 基波补流原理
基波补流原理是在主变中性点对地串联阻抗。发生接地故障时，若故障线路零序电流太小无法判断，再投入主变中性点串联阻抗以增大故障相零序电流来判别故障线路，具有较高的灵敏度。故障相零序电流的大小主要取决于主变中性点所串阻抗的大小。缺点是会加剧接地点的电弧燃烧，加速引发断线或火灾事故。高阻抗接地时采用基波补流查找接地，会使非故障相电压上升接近线电压，常会引发两相短路跳闸。
综合所述，因变电站10kV出线长度规模差异大，在发生单相接地故障时的零序电流太小，再加上零序电流互感器的变比大、变比误差、外界干扰信号、失地故障地点及特性的千变万化等因素，是造成到目前为止还没有灵敏、可靠并被普遍推广使用的变电站小电流接地故障选线设备装置的原因。目前电网调度员特别是县级调度员主要还是凭经验逐条试拉馈线的办法查找接地故障回路。在目前的制造技术和经济条件下，想利用某个可普遍推广的特定装置或设备来实现对千变万化的接地故障最终准确判定是困难的。应回过头来，从监测接地故障首要设备及原理，再加上人的智慧，来提高接地故障的选线正确率。
5 新型小电流接地故障判别系统建设的设想
利用变电站的10kV母线电压互感器Y/ 接线的二次侧开口三角电压3U0已能准确判定本变电站10kV系统是否发生接地故障。利用变电站10kV母线电压互感器Y/Y。接线的二次侧的三相对地电压Ua0、Ub0、Uc0已能准确判定本变电站10kV系统那相发生接地故障。当发生接地故障时，不管接地故障类型如何，10kV出线零序电流互感器的二次侧零序电流3I0在数值上都会发生明显变化，并且都在仪表测量显示范围内。居于以上三个基本原理来判定变电站那回出线发生了接地故障是准确可靠的。在变电站无人值守、调控一体化后，把以上三类信号传输至调度端，在调度端建立接地故障选线判别平台，由监控值班人员根据三类信号的变化，来判定那回线路发生接地故障，具有较高的灵敏度和准确性，可以避免“小电流接地故障选线装置”的各种缺陷造成的误判和调度员利用1/2选线法查找接地故障的困惑。本系统建设的设想如下：
（1）把变电站10kV母线电压互感器Y/ 接线的二次侧开口三角电压3U0传输至调度端（目前已传输）。
（2）把变电站10kV母线电压互感器Y/Y。接线的二次侧的三相对地电压Ua0、Ub0、Uc0传输至调度端（目前已传输）。
（3）把变电站每回10kV出线零序电流互感器的二次侧零序电流传输至调度端。
（4）在调度端设立单相接地故障监视界面。
（5）调度监控人员根据接地故障信号+监视界面零序电流变化曲线+数值比较综合判定那回线路发生接地故障。
6 新型小电流接地故障判别系统的预期效果
本系统建立后，对接地故障选线判别的过程如下：
确定某个变电站失地，根据各个变电站的3U0整定值报警判断。
确定变电站某相接地，根据该站的Ua0、Ub0、Uc0变化判断。
确定变电站某回出线接地，根据各回出线零序电流3I0的变化曲来判断。由于发生接地故障后接地回路的零序电流3I0会发生明显变化，并且与3I0的实际测量的准确度关系不大，调度端监控人员可根据各回出线的3I0变化曲线和数值变化很容易判别那回出线发生接地故障，具有很高的判别准确性。目前大部份县市所属各变电站都已完成变电自动化改造，所有变电站的光纤传输信息通道已建立，调度自动化已基本完善。已建成的地县一体化系统，具备了完整上传线路失地信号至调度监控系统的条件。每个变电站投资5万元左右，就可以建立新型小电流接地故障选线判别系统。
关键词：变电站 10kV 接地故障 新型选线判别系统
中图分类号：TM862 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）010-044-02
1 小电流接地系统的优越性
小电流接地系统与大电流接地系统比较，具有减少单相对地短路电流对变电站主变的冲击次数、减少变电站出线断路器遮断短路电流次数、减少线路设备承受过电流次数、减少接地故障点损坏程度和断线次数、减少对用户突然停电次数和缩短停电时间、减轻人畜及竹木触电的危害程度等优越性。
2 小电流接地系统发生单相接地故障时的特点
（1）小电流接地系统在某一相发生接地故障时，由于不能构成短路回路，流过接地故障点的电流为该系统对地的电容电流，往往比负荷电流小得多。
（2）某一相发生接地故障时，接地相电压降低，发生接地良好的金属性接地时接地相电压降至零，另两相电压升至线电压。电压升高相可能会引起电压互感器过热喷油烧毁或高压侧熔丝熔断，性能不好的避雷器会过热爆炸，绝缘薄弱点因电压升高可能会击穿引起两相短路。
（3）某一相发生接地故障时，因接地相电压降低，非接地相电压升高，升高相因电压升高绝缘薄弱点击穿引起两相瞬间短路，其中一相在电弧的高温作用下绝缘升高断弧，发生接地相转移到另一相现象。
（4）当接地点接触不良时，会发生连续或断续弧光放电，甚至产生谐振过电压，弧光会进一步烧坏导体和绝缘，引发断线、火灾等事故。有时放电弧光会把导电物烧净，在高温作用下绝缘升高断弧，造成接地故障自然消失。
（5）当高压线断线掉落在干燥的山上时，导线对地的放电电弧会引发森林火灾，因接地电流很小，现有的变电站接地监视装置不会报警。
3 小电流接地系统接地故障的基本判定方法
目前电力系统对小电流接地系统是否发生接地故障主要从以下基本原理判定：
（1）利用Y/接线的电压互感器二次侧开口三角两出线端电压来判定是否发生接地故障。该方法具有很高的灵敏度，但只能判定本变电站10kV系统是否发生接地故障，不能区分是那回出线接地。在电压互感器一次侧某相熔丝熔断时，开口三角两出线端输出线电压。
（2）利用Y/Y。接线的电压互感器二次侧三相对地电压是否平衡来判定是否发生接地故障。该方法具有很高的灵敏度，但只能判定本变电站10kV系统哪相发生接地故障，不能区分是那回出线接地。在电压互感器一、二次侧某相熔丝熔断时，熔断相电压接近零，另两相电压不变。
（3）利用出线零序电流互感器二次侧零序电流，由装设的接地故障选线装置来判定接地故障。该方法灵敏度较低，对检测装置冲击大，但可以判定是那回出线发生接地故障。
用零序电流互感器的二次零序电流判定接地故障灵敏度低的原因：1）发生接地时的零序电流本身很小，每100公里线路，在发生完全金属性接地时，才有2.7A左右的零序电流。2）零序电流互感器一次侧只有一匝，为了互感器有一定的带负荷能力，目前最小变比才做到50/5，这样，造成只有100公里线路的变电站，在发生金属性接地故障时，零序电流互感器二次侧才产生0.27A的电流。
利用出线零序电流互感器二次侧零序电流检测是否发生线路接地，对检测装置冲击大的原因是因为正常的接地电容电流很小（10A以下，但发生两回出线之间不同相对地短路时，短路电流值很大（1000A以上））。
4 目前电力系统常用的小电流接地故障选线设备装置原理及存在问题
4.1 零序功率方向原理
零序功率方向原理制成的小电流接地故障选线装置就是利用在系统发生单相接地故障时，故障与非故障线路零序电流反相，由零序功率继电器判别故障与非故障电流。缺点：利用该原理做成的选线装置，对零序电流的数值要求较大，对小型变电站或高阻抗接地灵敏度低。
4.2 谐波电流方向原理
当中性点不接地系统发生单相接地故障时，在各线路中都会出现零序谐波电流。由于谐波次数的增加，相对应的感抗增加，容抗减小，所以总可以找到一个m次谐波，这时故障线路与非故障线路m次谐波电流方向相反，同时对所有大于m次谐波的电流均满足这一关系。缺点：利用该原理做成的选线装置，对谐波电流的数值要求较大，对小型变电站或高阻抗接地灵敏度低。
4.3 首半波原理
首半波原理是基于接地故障信号发生在相电压接近最大值瞬间这一假设。当电压接近最大值时，若发生接地故障，则故障相电容电荷通过故障线路向故障点放电，故障线路分布电感和分布电容使电流具有衰减振荡特性，该电流不经过消弧线圈，故不受消弧线圈影响。但此原理的选线装置不能反映相电压较低时的接地故障，易受系统运行方式和接地电阻的影响，存在工作死区。
4.4 注入诊断信号电流原理
当中性点不接地系统发生单相接地时，通过变压器中性点或电压互感器二次绕组等方式向母线接地相注入一种外加高频信号电流，该信号电流主要沿故障线路接地相的接地点入地，部分信号电流经其他非故障线路对地电容入地。用一只电磁感应及谐波原理制成的信号电流探测器，靠近线路导体接收该线路故障相流过信号电流的大小来（故障线路接地相流过的信号电流大，非故障线路接地相流过的信号电流小，它们之间的比值大于10倍）判断故障线路与非故障线路。高频信号电流发生器由电压互感器开口三角的电压起动。选用高频信号电流的频率与工频及各次谐波频率不同，因此，工频电流、各次谐波电流对信号探测器无感应信号。在单相接地故障时，用信号电流探测器，对注入系统接地相的信号电流进行寻踪，可以找到接地线路和接地点的确切位置。缺点：（1）信号源和探测器技术复杂，性能不够稳定，每套装置一次性投资较大，对高阻抗接地和分散小容量变电站不适用。（2）与调度会发生矛盾。在发生接地故障后，调度不允许超过两小时的故障查找时间。在调度切除故障线路后，信号电流探测器也失去作用。 4.5 基波补流原理
基波补流原理是在主变中性点对地串联阻抗。发生接地故障时，若故障线路零序电流太小无法判断，再投入主变中性点串联阻抗以增大故障相零序电流来判别故障线路，具有较高的灵敏度。故障相零序电流的大小主要取决于主变中性点所串阻抗的大小。缺点是会加剧接地点的电弧燃烧，加速引发断线或火灾事故。高阻抗接地时采用基波补流查找接地，会使非故障相电压上升接近线电压，常会引发两相短路跳闸。
综合所述，因变电站10kV出线长度规模差异大，在发生单相接地故障时的零序电流太小，再加上零序电流互感器的变比大、变比误差、外界干扰信号、失地故障地点及特性的千变万化等因素，是造成到目前为止还没有灵敏、可靠并被普遍推广使用的变电站小电流接地故障选线设备装置的原因。目前电网调度员特别是县级调度员主要还是凭经验逐条试拉馈线的办法查找接地故障回路。在目前的制造技术和经济条件下，想利用某个可普遍推广的特定装置或设备来实现对千变万化的接地故障最终准确判定是困难的。应回过头来，从监测接地故障首要设备及原理，再加上人的智慧，来提高接地故障的选线正确率。
5 新型小电流接地故障判别系统建设的设想
利用变电站的10kV母线电压互感器Y/ 接线的二次侧开口三角电压3U0已能准确判定本变电站10kV系统是否发生接地故障。利用变电站10kV母线电压互感器Y/Y。接线的二次侧的三相对地电压Ua0、Ub0、Uc0已能准确判定本变电站10kV系统那相发生接地故障。当发生接地故障时，不管接地故障类型如何，10kV出线零序电流互感器的二次侧零序电流3I0在数值上都会发生明显变化，并且都在仪表测量显示范围内。居于以上三个基本原理来判定变电站那回出线发生了接地故障是准确可靠的。在变电站无人值守、调控一体化后，把以上三类信号传输至调度端，在调度端建立接地故障选线判别平台，由监控值班人员根据三类信号的变化，来判定那回线路发生接地故障，具有较高的灵敏度和准确性，可以避免“小电流接地故障选线装置”的各种缺陷造成的误判和调度员利用1/2选线法查找接地故障的困惑。本系统建设的设想如下：
（1）把变电站10kV母线电压互感器Y/ 接线的二次侧开口三角电压3U0传输至调度端（目前已传输）。
（2）把变电站10kV母线电压互感器Y/Y。接线的二次侧的三相对地电压Ua0、Ub0、Uc0传输至调度端（目前已传输）。
（3）把变电站每回10kV出线零序电流互感器的二次侧零序电流传输至调度端。
（4）在调度端设立单相接地故障监视界面。
（5）调度监控人员根据接地故障信号+监视界面零序电流变化曲线+数值比较综合判定那回线路发生接地故障。
6 新型小电流接地故障判别系统的预期效果
本系统建立后，对接地故障选线判别的过程如下：
确定某个变电站失地，根据各个变电站的3U0整定值报警判断。
确定变电站某相接地，根据该站的Ua0、Ub0、Uc0变化判断。
确定变电站某回出线接地，根据各回出线零序电流3I0的变化曲来判断。由于发生接地故障后接地回路的零序电流3I0会发生明显变化，并且与3I0的实际测量的准确度关系不大，调度端监控人员可根据各回出线的3I0变化曲线和数值变化很容易判别那回出线发生接地故障，具有很高的判别准确性。目前大部份县市所属各变电站都已完成变电自动化改造，所有变电站的光纤传输信息通道已建立，调度自动化已基本完善。已建成的地县一体化系统，具备了完整上传线路失地信号至调度监控系统的条件。每个变电站投资5万元左右，就可以建立新型小电流接地故障选线判别系统。