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图1 山东配网中性点接地方式
山东配电网中性点采用不接地和经消弧线圈接地两种方式的占比达99.27%。因此配电线路发生的单相接地故障,基本都是小电流接地故障,通常带故障运行查找故障点,确定故障点后再停电进行处理,带故障运行时间一般不超过2小时。
3.小电流接地故障分析
配电线路发生的单相接地故障,按故障点稳定程度可分为稳定接地故障与弧光接地故障。
3.1稳定接地故障
稳定接地故障是故障线路与大地可靠连接,例如避雷器、互感器下引线搭接横担,导线与树木搭接等情况。接地故障发生瞬间,一般存在明显的暂态过渡过程,暂态过程的故障电流幅值是对地电容电流的几倍至十几倍。根据现场录波数据分析,暂态故障电流峰值有时可达200安培以上,如图2所示。但暂态尖峰电流持续时间较短,一般不超过10毫秒,相应产生的能量也很小。暂态过程结束后,故障进入稳定状态,稳态故障电流一般小于10安培。
图2 典型暂态故障电流录波图
发生稳定接地故障时,对于中性点不接地和经消弧线圈接地系统,非故障相对地电压升高,升高幅度与接地点过渡电阻有关,但最大不超过线电压,即不超过额定电压的倍。
3.2弧光接地故障
弧光接地是不稳定的接地故障形式,据文献统计弧光接地故障比例在10%左右。其主要特点是线路对地绝缘降低,在相电压上升到一定程度时绝缘击穿,产生沿面或经空气放电,电压下降后绝缘恢复,如此反复循环多次。架空线路绝缘子存在裂缝、线路绝缘外皮损伤、导线与建筑物过近等情况下,都可能导致绝缘在电压作用下击穿,发生弧光接地。由于弧光接地存在多次击穿过程,电荷在短时间内大量移动,会产生多次瞬时大电流,幅值可达数百安,对导线破坏力较强。典型弧光接地故障电流如图3所示。
图3 典型弧光接地故障电流录波图
发生弧光接地故障时,由于高频振荡过程积累能量,过电压情况比较突出。对中性点不接地系统,理论分析表明非故障相弧光接地过电压最高可达3.5倍额定电压。但实际出现如此高幅值过电压的概率非常低,现场发生的绝大部分弧光过电压不超过3倍额定电压。消弧线圈在限制单相接地故障电流的同时,还可以降低故障相恢复电压上升速度,从而降低弧光接地过电压的幅值。因此经消弧线圈接地系统中的弧光接地过电压,明显较中性点不接地系统低,所测得的弧光过电压最高为2.5倍额定电压。
图4 一次弧光接地过电压录波图
4.小电流接地故障危害分析
由于小电流接地故障电流较小,一般不超过线路额定负荷电流,不会引起保护动作,也不会导致线路过载。故障危害主要体现在故障点通流发热烧损线路,以及过电压对系统绝缘产生破坏。
4.1稳定接地故障危害分析
稳定接地故障多发生于架空裸导线,流经故障点的电流一般不超过10安培,且电流随过渡电阻的增加而减小。由于稳定接地故障电流小,产生的能量有限,一般不会导致架空裸导线熔化(铝的熔点为660℃),不会造成实质危害。需要注意的是,如果线路通过搭接树木接地,故障电流产生的热量有可能引燃树木,从而造成导线熔断或引发火灾。
架空绝缘导线和电缆由于有绝缘层防护,极少发生稳定接地故障。在特殊情况下出现稳定接地时(如电缆被挖断接地),故障电流小于10安培,也不会对导线本体造成实质危害。但导线外皮一般为交联聚乙烯材料,其软化分解温度在140℃左右,故障电流产生的热量有可能造成外皮软化分解甚至熔化。
对于稳定接地故障,非故障相对地电压最大升高到额定线电压,由于配电线路绝缘裕度较高,稳定接地故障过电压一般不会对线路绝缘水平造成破坏。
4.2弧光接地故障危害分析
发生弧光接地时,每个工频周波存在两次熄弧过程,单次弧光持续时间为几个毫秒(均值约5毫秒)。由于电弧能量高度集中,会产生大量热量,弧光表面温度一般可达3000~4000℃,电弧中心区甚至高达上万℃。理论分析认为,裸导线发生弧光接地时,接地电弧在电磁力作用下可沿导线自由移动,热量不会在一点累积,因此耐电弧能力较强;绝缘导线由于绝缘层的限制,电弧不能移动,电弧对导线存在较大危害,甚至导致烧毁断线。中国电科院曾进行过工频电弧燃烧试验,分析故障电弧对导线的危害。从试验结果来看,裸导线在单相接地故障电弧作用下,没有出现断线、断股和局部蚀损现象,试验后导线机械拉伸强度与试验前相比无明显降低;对于绝缘导线,10安培的单相接地故障弧光电流即可引燃导线绝缘层,电弧被绝缘层熔化物固定,持续15分钟后,导线已经重度氧化脆化,轻弯即断。
结合理论分析与试验结果,可以认为:架空裸导线对故障电弧的耐受能力较强,一般不会发生导线烧灼断线的情况;对于架空绝缘导线,接地电弧在短时间内即可导致烧损断线;电缆烧灼情况与架空绝缘线路类似,电弧在短时间内即可造成断线,由于电缆沟道内往往存在可燃气体,接地电弧还可能引起电缆沟道火灾,导致严重后果。
弧光接地故障产生的过电压幅度较大,不接地系统可达3.0倍额定电压,消弧线圈接地系统可达2.5倍额定电压。接地故障期间,弧光过电压对非故障相的绝缘存在较强危害,可能导致绝缘薄弱点击穿,从而单相接地故障发展为相间短路,引起保护动作跳闸。经分析某地2016年发生的71次单相接地故障记录发现,有2次单相接地故障持续期间线路短路跳闸,占比为2.82%。
4.3事故断线机理分析
架空裸导线对稳定电流与电弧的耐受能力都很强,一般不会因单相接地故障导致断线。但现场也存在少数例外情况,例如某公司10千伏线路接地故障前,故障线路#45杆C相绝缘子应该存在明显裂纹,甚至绝缘子已经破碎。C相导线与绝缘子钢脚距离很近,导线向绝缘子钢脚顶部放电,发生单相弧光接地故障。接地弧光电流很大并且持续时间较长,产生的热量造成导线局部受热软化,在两侧拉力的作用下最终导致导线断裂。实际运行中绝缘子突然碎裂的情况很少,大多是绝缘子有裂纹导致多次瞬时性弧光放电,接地电弧烧断裸导线的概率很小。
5.结语
山东配电网主要是中性点不接地与经消弧线圈接地方式。发生稳定的单相接地故障时,故障电流一般不会超过10安培,过电压幅值不会超过倍,故障电流与过电压对线路危害较小。弧光接地对线路存在较大危害,故障电弧可造成架空绝缘导线与电缆烧灼断线,弧光过电压可能导致线路绝缘损坏,甚至引发人身触电、电缆沟道起火、线路短路跳闸等严重后果。
针对山东配电网单相接地故障可能导致的危害,可以采取以下预防措施:
一是加强重点线路巡视与检测。进一步加强跨越线路的巡视与检测,通过超声局放检测、红外测温等带电检测手段,及时发现异常线路与设备消除故障隐患,减少单相接地故障的发生。另外,对于架空绝缘线路、沟道敷设的电缆线路和频繁发生瞬时性接地故障的线路,也应加强巡视与检测工作。
二是快速就近隔离故障。目前在发生单相接地故障后,一般带故障运行查找故障点,确定故障点后再停电处理,但故障持续期间可能导致严重后果。国网公司2016年版《配电网技术导则》提出,对永久性单相接地故障,在定位故障点后,宜按快速就近隔离故障的原则进行处理。建议在继续提升新型故障指示器选线与定位效果的基础上,选择新型故障指示器覆盖率较高区域,试点快速就近隔离故障的处理方式,积累成功经验后逐步推广。
三是排查整改消弧线圈补偿情况。消弧线圈应将接地故障电流限制在10安培以下,有效降低故障电流危害。但现场运行的部分消弧线圈补偿度调整不当时,补偿后电流远超10安培限值,增加故障电流对导线的危害程度。建议对消弧线圈实际补偿情况进行排查整改,确保消弧线圈补偿后接地故障电流小于10安培,从而切实发挥消弧线圈作用。
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