配电网单相接地故障原因及解决方法

中压配电网是联系输电网和电力负荷的桥梁，其安全稳定具有重要意义。近年来，伴随着经济的快速增长，我国电网的容量和规模也在逐渐扩大，各项相关技术不断有新的突破，电网的中性点接地技术也取得很大进展。中压配电网的中性点接地方式的选择问题却不能统一，不同国家、不同城市之间也没有完全相同的选择依据。在配电网中，常常发生单相接地故障，尤其是在大风、雨雪季节时。而一旦发生单相接地故障，会造成配电网稳定性降低，对变电设备的安全运行带来严重的影响。供电企业要及时找出故障的原因，尽早修复，恢复正常供电。

1.2.3.1　配电网单相接地故障原因及影响

1.配电网单相接地故障影响因素

（1）自然因素

配电网中架空线路较多，加上地形的原因，当遇到雷雨季节，处于空旷地带的架空线路遭到雷击的频率很高，一旦线路遭到雷击，会发生绝缘子击穿、导线断线或避雷器爆裂等现象；还有大风也会使得杆塔发生倾斜甚至倒塌，对配电网的安全带来威胁。

（2）树障

为了清除线路的安全隐患，一般供电企业都会定期清理树障，然而一些单位和居民对树障清理的必要性和重要性认识不足，以至于供电企业不能及时清除树障，容易导致导线对树木放电或者是树枝断落搭在架空线路上，从而造成接地故障。

（3）设备因素

配电设备造成的接地故障主要包括三个方面：①配电变压器高压绕组单相绝缘击穿或接地；②配电变压器高压引下线断线；③原有的产气式高压柜运行的年限比较长，内部绝缘存在严重的老化，以及柜内运行的环境较差等。

（4）人为因素

配电网中部分线路沿公路侧架设，而道路的车流量比较大，因车辆撞倒或者撞断杆塔的情况偶有发生。还有，随着市政施工项目的不断增多，在施工过程中经常会对地下敷设的10kV电缆造成损害，而且施工机械容易碰触到带电部位。一些盗窃团伙钉穿电力电缆而造成接地故障。

2.单相接地故障对配电网造成的影响

（1）当电网中发生了单相接地故障，电压互感器铁芯呈饱和状态，励磁电流随之加强，若运行时间太长，则会使电压互感器烧毁。一旦出现了单相接地故障，会产生高于正常电压好几倍的谐振过电压，造成变电设备绝缘被击穿，酿成灾祸。

（2）单相接地故障发生之后，产生的过电压将线路上的绝缘子击穿，进而发生短路现象，严重的会烧毁配电变压器，使线路上避雷器及熔断器被击穿，酿成火灾。如果发生严重的单相接地故障，对区域电网系统的稳定性带来破坏，极易引发更大的事故。

（3）当发生单相接地故障，要进行选线工作，因此会采取大范围的停电措施，而未发生故障的配电线路也会受此影响，从而降低了供电可靠性。另外，为了查找故障点，供电企业会将配电线路停止运行，这就会造成大面积长时间的停电，影响人们的正常用电。

（4）当导线落地，如果接地配电线路还没有停止运行，容易引起触电伤亡的事故。

（5）单相接地故障会造成大量的放电，损耗大量电能。

1.2.3.2　配电网中性点单相接地故障特性分析

我国配电网中性点主要采用三种接地方式，即中性点不接地、中性点经消弧线圈接地和中性点经小电阻接地，不同的接地方式有各自的优缺点和适用场合。配电网中性点的接地方式随着配电网结构的变化在不断改进，下面对这三种主要接地方式的运行特性进行分析介绍。

1．中性点不接地方式

中性点不接地是指系统的中性点与地之间不连接任何设备，两者之间是绝缘的，可是实际的系统中，线路对地是存在着分布电容的，即电网是通过电容与大地相连的。正常运行时，系统三相是对称的，各相电压大小相等，对地电容也相等，因而每一相中都有相同大小（相位互差120°）的电容电流流入大地，故三相电流之和等于零。当发生单相接地故障时，故障相的对地电容被短接，对地电压降至为零，非故障相的对地电压则升高为原来的倍，其相应的对地电容电流也会升高为原来的倍，此时系统中将出现零序电压，而流过故障点的电流则为系统的对地电容电流。由于故障点电流不大，并且各线电压仍然对称，此时保护将动作于发出信号，而不会跳闸。在此情况下系统可带故障运行1—2h。

（1）接地故障分析

配电网中性点不接地系统如图1-32所示，当中压配电网中性点不接地系统某一出线的A相发生单相接地故障，不计系统及线路阻抗，可得零序等值电路如图1-33所示，下文中为发生单相接地故障时接地点零序电压，C为系统三相对地等效电容，C0为所在电压等级的单相等值电容，为零序电流，为流经故障点的电流，UΦ为故障前相电压有效值。

图1-32　中性点不接地系统

图1-33　中性点不接地系统零序等值电路

通过分析图1-33中零序等值电路，则有零序电流：

接地点故障电流：

其中，　与A相电源电压方向相反。非故障相电压值上升为线电压：

在中性点不接地系统中，接地故障电流为系统的等值电容电流;对于不接地系统而言，故障电流通常只有几十A，其值远小于正常的负荷电流，所以一般不会对线路、电缆以及其他电力设备造成破坏。但是这种故障电流不宜持续时间过长，需要电网的单相接地选线保护及时报警或者自动切除故障线路。当中性点不接地配电网发生单相短路时，健全相电压将升高倍，由于线电压仍保持不变，故对电力用户的继续工作影响不大。

（2）适用范围

配电网采用中性点不接地方式简单、经济，发生单相接地时，因为线路的线电压无论相位和量值均未发生变化，因此三相用电设备仍然能照常运行，供电可靠性高。允许在单相接地的情况下暂时继续运行2h。当接地故障电流小于10A时，电弧能自行熄灭。所以，这种接地方式适合于纯架空线路且电容电流小于10A的配电网。

若系统单相接地时，健全相电压升高为线电压，会产生电弧间歇性过电压，由于这种过电压的持续时间比较长，对设备绝缘等级要求高，设备的耐压水平必须按线电压选择，对设备安全不利。再者，这种中性点不接地方式可能存在铁磁谐振过电压的问题。

综合考虑，系统需要在单相接地故障条件下短时运行，且接地故障电流不超过DL/T620—1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》规定的数值时，可采用中性点不接地运行方式。对于20kV配电网而言，如果系统的单相接地电容电流小于10A，可以采用中性点不接地方式。但由分析可见，当电压升高一倍时，与10kV系统相比，20kV接地电流增大一倍，因此应用的可能性不大。

2.中性点经消弧线圈接地方式

当单相接地故障点由于短路电流较大致使接地电弧不能自行熄灭时，将产生间歇性电弧接地过电压。而为了减小故障点电流，避免此过电压的发生，可以在中性点加一个电感线圈，利用故障时中性点的位移电压产生一个感性电流，达到补偿故障点容性电流的目的，使故障点的残余电流减小甚至可降为零，电弧就会自行熄灭。这即是消弧线圈接地的原理。因为是由德国工程师彼得逊（W.Peterson）于1916年首先提出来并应用的，所以又称为彼得逊线圈。

同样，由于故障点残余电流很小，系统线电压仍然对称，消弧线圈接地系统也可以带故障运行一段时间。

根据接入的电感线圈参数的大小，其补偿电流可能会小于、等于或大于系统原对地电容电流的大小，因此便产生了欠补偿、全补偿和过补偿三种补偿方式。

（1）接地故障分析

中压配电网中性点经消弧线圈接地的三相系统如图1-34所示。假设A相发生单相接地故障，不计系统自身阻抗，则系统的零序等值电路如图1-35所示，下文中为发生单相接地故障时接地点零序电压，L为消弧线圈的电感值，C为系统三相对地等效电容，C0为所在电压等级的单相等值电容，为流过消弧线圈的零序电流，是流经全系统电容的零序电流，为流经故障点的电流，UΦ为故障前相电压有效值。

那么有消弧线圈的失谐度为：

图1-34　中性点经消弧线圈接地系统(www.xing528.com)

图1-35　弧线圈接地零序等值电路

由式子①可知，由于消弧线圈的补偿作用，使得故障处的接地电流数值明显减小，其为残余电流；当残余电流过零时，接地电弧比较容易熄灭。

调节电感参数，可以使消弧线圈在以下三种方式下运行：

1）欠补偿状态，电容电流大于消弧线圈的电感电流，补偿后的残流呈容性；

2）过补偿状态，对地电容电流小于消弧线圈产生的电感电流，补偿后的残流呈感性；

3）全补偿状态，电感电流等于系统的对地电容电流，理想情况下故障点电流为零。

经消弧线圈接地，故障线路的电流等于故障点残余电流与其本身电容电流之差，电流值很小，实现有选择性的灵敏接地保护比较难。由于易发生铁磁谐振，需加消谐装置，当配电网运行方式改变时，应及时调整消弧线圈的失谐度，进行合理补偿，并尽量缩短带单相接地故障运行时间。国内20世纪末开始研制并生产了自动跟踪式消弧装置，为消弧线圈及时正确地补偿系统电容电流提供了较理想的设备。但采用跟踪范围有限的自动消谐装置，在响应时间、机械寿命、调节限位等方面，难以做到使系统经常处在最佳运行状态。如果接地检测装置不能自动检测出故障线路，还必须依靠拉合有关线路来查找故障点。而且在查找过程中会出现过补偿或欠补偿超过允许值的情况，导致接地点发生多次弧光复燃，出现过电压，相邻敷设的电力电缆将被烧坏，致使事故范围扩大。当配电网回路数较多、母线接线复杂时，查找故障的时间可能很长。

根据工频熄弧理论，配电网单相接地故障时故障相和非故障相都将产生间歇电弧接地过电压。对于中性点消弧线圈接地方式，A相故障时产生的过电压为：

B、C两相的过电压为：

（2）适用范围

在不同线路类型的配电网中使用消弧线圈接地方式时，对系统单相接地故障电容电流大小的限制条件也不一样，架空线路网络要求超过10A，而电缆线路网络则要求大于30A。该接地方式能显著限制故障点残余电流，当消弧线圈补偿容量满足要求时也不会产生间歇性电弧接地过电压，可使系统带故障运行一段时间，保证供电的可靠性。

但是同不接地方式一样，在带故障运行的过程中，由于非故障相对地电压升高，从而要求线路和设备的耐压水平按照线电压设计，这将会增加投资；同时目前的自动跟踪补偿的消弧线圈装置在机械寿命、响应时间、调节限位等方面难以达到预期目标，让系统运行于最佳状态；且当前技术状态下，消弧线圈接地系统的接地故障选线装置并不能保证准确检测出故障线路，还需要配合人工拉合的方法进行查找，对于回路数较多、母线接线复杂的配电网，故障的查找时间可能很长，并且在查找过程中可能会出现过补偿或欠补偿超过允许值的情况，这将会导致接地点多次弧光复燃，从而出现过电压，致使事故范围扩大；另外，由于故障线路电流等于故障点残余电流与本身电容电流之差，其值更小，这就使有选择性地灵敏接地保护难以实现。

3.中性点经小电阻接地运行方式

中性点经小电阻接地方式的应用，一方面是由于电缆线路的大量使用导致某些地区电容电流急剧增加，消弧线圈出现了补偿容量不足的情况，这对接地方式的选择提出了新的挑战；另一方面，现代城市电网网架结构坚强，自动化程度提高，同时断路器等设备的性能提升，这些为小电阻接地方式的使用提供了可能。

系统正常运行时三相对称，中性点电压为零，小电阻的存在对系统不产生影响。当发生单相接地故障时，故障点电流通过中性点小电阻形成回路，由于回路电阻很小，短路电流很大，有利于继电保护装置迅速动作，将故障切除。此外，小电阻接地方式能够抑制弧光接地的过电压，降低单相接地的工频电压，消除大部分的断线谐振过电压和电压互感器谐振过电压。同时为在10kV的电网中使用具有较低残压的氧化锌避雷装置提供了良好的条件。

（1）接地故障分析

中压配电网中性点经电阻接地系统电路如图1-36所示，A相发生接地故障时系统零序等值电路如图1-37所示；下文中为单相接地故障时中性点零序电压，R为中性点接地电阻，为通过接地电阻的电流，C为系统三相对地等效电容，C0为所在电压等级的单相等值电容，为通过全系统对地电容的电流，为流经故障点的电流，UΦ为故障前相电压有效值。

图1-36　中性点经电阻接地系统

图1-37　中性点经电阻接地系统零序等值电路

系统零序等值电路有：

根据工频熄弧理论，系统单相故障时将产生间歇电弧接地过电压。故障相A相产生的过电压为：

非故障B、C两相过电压为：

（2）适用范围

小电阻接地是最为常见的一种配电网中性点经电阻接地方式。该接地方式过电压水平低，谐振过电压发展不起来，电网可以采用绝缘水平较低的电气设备；非故障相电压上升幅度较小发展成为相间短路的概率较小。具有较大的接地电流，能快速使保护装置有选择地切除故障线路。但是其较大的接地故障电流会形成大的接地电压和跨步电压，对人身安全造成威胁，影响设备安全。

但是，这种小电阻接地运行方式在发生单相接地时，其故障电流较大，将带来一些问题：

1）引起地电位升高超过安全允许值；

2）电缆线中某一点接地，其大电流电弧有可能烧毁电缆并波及同一电缆沟内的其他电缆，甚至酿成火灾，从而扩大事故。

在小电阻接地系统中，单相接地电流较大，一般在100—400A范围内，所以可以按照保证继电器可靠动作来确定互感器的变比和继电器的动作电流。单相接地保护用的继电器可以选用与相间短路保护相同的电流型继电器。

综上所述，中性点经小电阻接地方式的优缺点和适用条件如下:

1）中性点经小电阻接地方式的主要优点是能快速切除单相接地故障，从而限制了单相永久性故障、两相故障甚至三相故障发展，限制了系统内的过电压，降低了对绝缘设备的危害。

2）不会产生单相金属性接地工频过电压，降低了对设备绝缘的要求。

3）对于有架空线路的配电网或者全电缆配电网，单相接地跳闸次数会增加。如果还没有实现环网供电或者线路没有安装重合闸装置，电网停电次数将会增加，降低了供电可靠性。

4）城市配电网中性点经小电阻接地方式适用条件：选用低一级绝缘水平的电缆网络，同时该网络已经实现配网自动化。

根据DL/T620—1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》的规定，小电阻接地系统为获得快速选择性继电保护所需的足够电流，一般选择接地故障电流限值为100—1000A，中压配电网中宜选用中性点小电阻接地方式。

1.2.3.3　配电网单相接地故障的防范

1.建立定期巡查制度，要根据规定，在导线和周围建筑物、导线和树木之间保持一定的安全距离；检查导线是否有损伤情况，尤其要重点检查位于其他工程施工地段的导线；要确保绝缘子中导线已经绑扎牢固；检查固定绝缘子的螺栓固定情况等。

2.针对一些重要的设备进行定期绝缘测试，包括配电线路的避雷器、绝缘子、分支熔断器等设备，保证变压器良好的绝缘性能，还要检查高压引下线接头，确保其接触良好。

3.在发生故障时能够快速找到故障线路，安装避雷器和分支熔断器发挥重要作用，同时对雷击灾害也能起到很大的作用；将故障的发生范围和停电面积缩小，使停电时间缩短。

4.对于配电变压器与10kV公用变压器，要定期测试，如果发现变压器不合格要及时进行维修或者更换新的变压器。

5.对配电线路进行检修时，对杆塔导线接头要重点进行检查，确定是否发生发热变形，以及线路上的绝缘子是否受到雷击。

6.配电变压器的位置的布局要科学地进行分配，以减少线路接头的发热现象，合理预测线路负荷；导线截面应与负荷相配；将线路的供电半径缩小等。