DQZHAN技術(shù)訊：如何徹底解決配電網(wǎng)小電流接地故障的問題
關(guān)于配電網(wǎng)中性點(diǎn)接地方式的選擇，業(yè)界爭論多年，尚未完全達(dá)成共識(shí)。在我國，小電流接地故障的檢測與隔離問題一直沒有得到根本性的解決，制約了配電網(wǎng)**運(yùn)行水平與供電可靠性的提高。近年來，電網(wǎng)公司十分重視解決小電流接地故障處理問題，以中電阻法、暫態(tài)法為代表的小電流接地故障檢測與隔離技術(shù)獲得了成功應(yīng)用。國家電網(wǎng)公司新修訂的《配電網(wǎng)技術(shù)導(dǎo)則》對(duì)配電網(wǎng)中性點(diǎn)的接地方式、小電流接地故障選線、定位與隔離技術(shù)的應(yīng)用提出了明確的要求，為解決這一長期困擾電力部門的技術(shù)難題指明了方向。
訪談嘉賓：徐丙垠
山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院智能電網(wǎng)研究中心主任、山東科匯電力自動(dòng)化股份有限公司董事長。國際供電會(huì)議（CIRED）中國國家委員會(huì)技術(shù)委員。
訪談
徐丙垠：貫徹《配電網(wǎng)技術(shù)導(dǎo)則》，徹底解決小電流接地故障處理問題
Q：目前國際上配電網(wǎng)中性點(diǎn)主流的接地方式是什么？
徐丙垠：國際上配電網(wǎng)中性點(diǎn)的接地方式主要有直接接地、小電阻接地、中性點(diǎn)不接地以及諧振接地（消弧線圈接地）四類，直接接地與小電阻接地屬于大電流接地方式，另外兩種屬于小電流接地方式。
美國配電網(wǎng)采用三相四線制，中性點(diǎn)多點(diǎn)直接接地，之所以這樣做，主要是考慮到能夠?yàn)閱蜗嘭?fù)荷供電。
英國、韓國、新加坡以小電阻接地為主。
日本3～6kV配電網(wǎng)采用中性點(diǎn)不接地方式，其他電壓等級(jí)的配電網(wǎng)采用諧振接地方式與電阻接地方式并存。
德國、奧地利、瑞典等歐洲大陸國家以及俄羅斯、捷克、哈薩克斯坦等東歐與中亞國家主要采用諧振接地。意大利以前主要采用不接地方式，現(xiàn)在全部改為諧振接地方式。法國配電網(wǎng)接地方式上經(jīng)歷了兩次變化，*早采用不接地方式，后來改為小電阻接地；20世紀(jì)90年代，為解決故障跳閘率高、短路電流超標(biāo)等問題，又改為諧振接地。
Q：這幾種接地方式有什么優(yōu)缺點(diǎn)？
徐丙垠：總體來說，大電流接地方式易于實(shí)現(xiàn)故障檢測與繼電保護(hù)，發(fā)生單相接地故障時(shí)不存在由于非故障相電壓升高造成的過電壓危害；但缺點(diǎn)是不利于提高供電可靠性，發(fā)生瞬時(shí)性故障時(shí)也會(huì)跳閘。國內(nèi)外統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)均表明，架空網(wǎng)絡(luò)采用大電流接地方式跳閘率比小電流接地方式增加約50%。
小電流接地方式的優(yōu)點(diǎn)是發(fā)生瞬時(shí)性接地故障時(shí)能夠自動(dòng)熄弧，缺點(diǎn)則是接地故障檢測與繼電保護(hù)技術(shù)較復(fù)雜，在發(fā)生間歇性燃弧故障時(shí)非故障相電壓可達(dá)正常運(yùn)行電壓的3倍以上。
Q：近年來，因配電網(wǎng)導(dǎo)線墜地導(dǎo)致的觸電事故在社會(huì)上引起了很大反響，采用小電阻接地方式是否可以迅速切除發(fā)生接地故障的線路，從而避免發(fā)生這種事故？
徐丙垠：不完全是這樣。對(duì)于10kV小電阻接地配電網(wǎng)來說，導(dǎo)線墜地故障的接地電阻比較大，產(chǎn)生的故障電流一般不會(huì)超過60A，在導(dǎo)線墜落到干燥的瀝青或沙地上時(shí)，接地電流幾乎為零。我國小電阻接地系統(tǒng)線路零序電流保護(hù)的電流定值一般選為40～60A，顯然無法在發(fā)生導(dǎo)線墜地故障時(shí)可靠切除故障線路。
我國南方某沿海城市的10kV配電網(wǎng)在1993～2000年間共發(fā)生了11起觸電死亡事故，而當(dāng)時(shí)變電站的保護(hù)并沒有動(dòng)作，說明在人身**方面小電阻接地方式并沒有明顯的優(yōu)勢。事實(shí)上，在接地電阻比較大時(shí)，中性點(diǎn)接地方式對(duì)故障電流的影響并不大。不論采用何種接地方式，導(dǎo)線墜地故障的檢測都是一個(gè)有待進(jìn)一步研究解決的技術(shù)難題。
Q：對(duì)于我國配電網(wǎng)中性點(diǎn)的接地方式，請(qǐng)談?wù)勀目捶ǎ?
徐丙垠：我國業(yè)界對(duì)于配電網(wǎng)采用什么接地方式一直有爭論，不同的觀點(diǎn)一度激烈碰撞、爭執(zhí)不下。2010年頒布的國家標(biāo)準(zhǔn)《城市配電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50613-2010）規(guī)定：對(duì)于中壓配電網(wǎng)，當(dāng)電容電流小于10A時(shí)采用不接地方式，10～150A時(shí)采用消弧線圈接地，電容電流大于150A且全是電纜網(wǎng)絡(luò)時(shí)，采用小電阻接地。目前，我國各地基本上是遵循上述原則選擇配電網(wǎng)接地方式的。但是，也有供電企業(yè)在架空網(wǎng)絡(luò)以及架空與電纜混合網(wǎng)絡(luò)中采用小電阻接地方式；個(gè)別已經(jīng)采用了小電流接地方式的，也在考慮改為小電阻接地方式。說明大家在這個(gè)問題上仍然沒有完全形成共識(shí)。
應(yīng)該說，國家標(biāo)準(zhǔn)是經(jīng)過行業(yè)專家充分的討論形成的，是總結(jié)了國內(nèi)外的經(jīng)驗(yàn)，綜合考慮了對(duì)供電可靠性的影響、過電壓危害、設(shè)備投資、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)與管理維護(hù)工作量等因素得出的結(jié)論，應(yīng)該作為我國選擇配電網(wǎng)接地方式的依據(jù)。*近，國家電網(wǎng)公司新修訂的《配電網(wǎng)技術(shù)導(dǎo)則》對(duì)配電網(wǎng)接地方式的規(guī)定，也基本上遵循了國家標(biāo)準(zhǔn)。
Q：為什么電纜網(wǎng)絡(luò)在電容電流大于150A時(shí)采用小電阻接地方式呢？
徐丙垠：主要因?yàn)殡娎|網(wǎng)絡(luò)里瞬時(shí)性故障的比例較低（在20%左右），消弧線圈**電纜網(wǎng)絡(luò)瞬時(shí)性接地故障的效果沒有在架空網(wǎng)絡(luò)里明顯；此外，當(dāng)電纜網(wǎng)絡(luò)的電容電流比較大時(shí)，消弧線圈補(bǔ)償后的殘余電流也比較大（大于10A），即便是瞬時(shí)性故障，電弧也難以自行熄滅；再就是所需的消弧線圈的容量也比較大，設(shè)備投資大而且占用的安裝空間也比較大。
不過，考慮到電纜網(wǎng)絡(luò)里還是有一定比例的瞬時(shí)性接地故障，而且在電流小于30A時(shí)接地電弧都有可能自行熄滅，因此從提高供電可靠性的角度出發(fā)，電容電流大于150A的電纜網(wǎng)絡(luò)也可考慮采用諧振接地方式，特別需要指出的是不宜將已經(jīng)是諧振接地方式的配電網(wǎng)改為小電阻接地方式。事實(shí)上，德國的配電網(wǎng)全部采用諧振接地方式，單母線系統(tǒng)的*大電容電流達(dá)到300A。
Q：在我國，小電流接地故障的選線是公認(rèn)的老大難問題，大部分變電站選線裝置動(dòng)作的正確率不到50%，為什么會(huì)出現(xiàn)這種情況？
徐丙垠：首先，小電流接地故障產(chǎn)生的故障電流比較小，故障量不突出，特別是經(jīng)消弧線圈補(bǔ)償后，故障線路的零序電流甚至比非故障線路還要小；再就是有15%左右的故障存在間歇性拉弧現(xiàn)象，故障電流很不穩(wěn)定。
我國早期生產(chǎn)的故障選線裝置基本都是利用穩(wěn)態(tài)信號(hào)的，因此從原理上就存在靈敏度與可靠性沒有保證的問題。盡管這樣，我國選線裝置動(dòng)作正確率低的主要原因是由于過去沒有充分認(rèn)識(shí)到短時(shí)停電的危害，人們習(xí)慣于使用人工拉路的方法選擇故障線路，沒有下功夫解決故障選線問題。
事實(shí)上，對(duì)于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)來說，從原理上講零序無功功率方向法是可靠的，日本的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，其實(shí)際選線的正確動(dòng)作率超過90%。而同樣原理的選線裝置在我國不接地系統(tǒng)中動(dòng)作效果就差很多，主要是對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造質(zhì)量把關(guān)、裝置的管理維護(hù)不到位，普遍存在裝置接線不正確、整定值選擇不合理、裝置運(yùn)行中出現(xiàn)的問題得不到及時(shí)處理的現(xiàn)象。
Q：目前有沒有成熟、實(shí)用的選線技術(shù)？
徐丙垠：利用現(xiàn)有的選線技術(shù)，實(shí)際故障選線的正確率可以達(dá)到90%，甚至95%以上是沒有問題的。前面說過，無功功率方向法用于不接地系統(tǒng)中，其正確動(dòng)作率是有保證的。對(duì)于諧振接地系統(tǒng)，目前主要有兩種比較實(shí)用的方法：
一是中電阻法，其選線原理是在消弧線圈的輔助線圈上并聯(lián)一個(gè)中等數(shù)值的電阻，產(chǎn)生附加的零序電流，利用故障線路零序電流增大、有功功率方向與非故障線路相反的特征選擇故障線路。歐洲法國、意大利等國采用長期并聯(lián)電阻的方法，產(chǎn)生約20A的附加零序電流；奧地利、德國部分供電企業(yè)采用在發(fā)生長久接地故障后短時(shí)投入并聯(lián)電阻的方法。我國采用故障后（如10s后）短時(shí)（如持續(xù)0.6s）并聯(lián)電阻的方法，產(chǎn)生約40A的附加零序電流。
二是暫態(tài)法，利用故障線路暫態(tài)零序電流比非故障線路電流大且方向相反的特征實(shí)現(xiàn)故障選線。由于暫態(tài)電流幅值比較大、不受消弧線圈的影響，因此，暫態(tài)法克服了傳統(tǒng)穩(wěn)態(tài)量方法因故障量不突出造成的靈敏度與可靠性問題。本世紀(jì)初，我國在暫態(tài)選線技術(shù)的研究與應(yīng)用上取得了突破性進(jìn)展，目前已有5000多套暫態(tài)選線裝置投入運(yùn)行。德國早期采用暫態(tài)首半波法，判據(jù)只在故障后的1～2ms內(nèi)正確，近年來采用改進(jìn)后的暫態(tài)法。此外，暫態(tài)選線方法在瑞典、愛爾蘭等國也有較大數(shù)量的應(yīng)用。廣西電科院于2011年組織的人工接地測試結(jié)果表明，上述兩種方法在接地電阻比較小（小于200Ω）時(shí)，選線正確率達(dá)100%。我國現(xiàn)場運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，在選線裝置的管理維護(hù)有保障的情況下，中電阻法與暫態(tài)法的實(shí)際選線成功率都在90%以上。
Q：這幾種選線方法各有什么優(yōu)缺點(diǎn)，都適用于什么場合？
徐丙垠：零序無功功率法的原理與實(shí)現(xiàn)方式都比較簡單，但只能用于不接地系統(tǒng)中。中電阻法能夠克服消弧線圈的影響，原理比較簡單，但需要在變電站安裝中電阻及其投切設(shè)備，適合在變電站安裝消弧線圈時(shí)一并選用。此外，中電阻法還存在電阻發(fā)熱燒毀、接地電流增大帶來的**隱患；如采用短時(shí)投電阻的方法，還存在無法選擇瞬時(shí)性故障線路的問題。暫態(tài)方法不需要安裝專用的高壓設(shè)備或改動(dòng)一次高壓系統(tǒng)，具有投資小、**性好的優(yōu)點(diǎn)，特別適用于已經(jīng)安裝了消弧線圈的變電站。暫態(tài)法的不足是原理較復(fù)雜，暫態(tài)信號(hào)在電壓過零故障時(shí)幅值明顯降低，影響保護(hù)動(dòng)作靈敏度。不過，在實(shí)際配電網(wǎng)中，電壓過零附近的接地故障不到1%，這個(gè)問題并不突出。
Q：小電流接地故障的定位問題是一個(gè)長期困擾電力部門的難題，現(xiàn)在技術(shù)方面有何新的進(jìn)展和突破？
徐丙垠：故障定位通常指的是利用配電終端或故障指示器采集故障信號(hào)并上傳至配電自動(dòng)化主站，由其定位故障點(diǎn)所在的線路區(qū)段。
長期以來，國內(nèi)外對(duì)小電流接地故障的定位問題關(guān)注不夠，其技術(shù)成熟度也不如故障選線技術(shù)。
近年來，隨著對(duì)供電可靠性問題的重視以及配電自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，我國在接地故障定位技術(shù)的研究與應(yīng)用方面做了大量的工作，取得了突破性的進(jìn)展。
目前，我國應(yīng)用的故障定位（指示）方法主要有兩種：一種是中電阻法，通過檢測投入中電阻產(chǎn)生的附加零序電流（約40A）檢測接地故障，其判據(jù)為：故障點(diǎn)位于*后一個(gè)檢測到附加電流的終端的下游相鄰區(qū)段上。為提高檢測的可靠性，一般是周期性（如時(shí)間間隔1s）地投切中電阻，產(chǎn)生一個(gè)交替變化的附加零序電流信號(hào)。另一種是暫態(tài)法，通過記錄并比較線路上兩個(gè)檢測點(diǎn)的暫態(tài)零序電流波形檢測故障區(qū)段，其判據(jù)為：故障點(diǎn)前非故障區(qū)段兩側(cè)的零序電流極性相同、幅值相近、波形相似，而故障區(qū)段兩側(cè)的暫態(tài)零序電流極性相反、幅值與波形都有很大的差異。人工接地試驗(yàn)與實(shí)際故障定位結(jié)果表明，上述兩種方法故障定位的成功率都能夠達(dá)到90%。
Q：這些年，我國安裝了大量的能夠自動(dòng)隔離用戶側(cè)故障的分界開關(guān)，這些分界開關(guān)隔離小電流接地故障的實(shí)際應(yīng)用效果如何？
徐丙垠：自動(dòng)分界開關(guān)俗稱為“看門狗”，用于小電流接地系統(tǒng)中，能夠在用戶側(cè)發(fā)生長久接地故障時(shí)自動(dòng)跳閘，避免系統(tǒng)帶接地點(diǎn)長期運(yùn)行。我國一些供電企業(yè)，如北京電力公司，使用自動(dòng)分界開關(guān)隔離小電流接地故障，在防止用戶側(cè)故障影響系統(tǒng)正常運(yùn)行上發(fā)揮了很大的作用。但就整體情況來說，分界開關(guān)隔離小電流接地故障的效果還不是很理想，拒動(dòng)與誤動(dòng)現(xiàn)象還是比較嚴(yán)重的。
Q：分界開關(guān)拒動(dòng)與誤動(dòng)的原因是什么？
徐丙垠：相當(dāng)一部分是產(chǎn)品質(zhì)量、整定不合理以及管理維護(hù)不到位的問題。另外一個(gè)很重要的原因是產(chǎn)品選型不當(dāng)，原理上有缺陷。
目前，我國應(yīng)用的分界開關(guān)絕大部分采用零序過電流原理，按躲過用戶系統(tǒng)*大電容電流整定，其依據(jù)為：流過開關(guān)的零序電流在系統(tǒng)側(cè)故障時(shí)等于下游用戶系統(tǒng)的電容電流，而在用戶側(cè)故障時(shí)是上游整個(gè)系統(tǒng)的電容電流。顯然，這種零序過電流原理僅適用于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)。對(duì)于諧振接地系統(tǒng)來說，受消弧線圈補(bǔ)償電流的影響，流過分界開關(guān)的零序電流可能小于用戶系統(tǒng)本身的電容電流，會(huì)導(dǎo)致開關(guān)拒動(dòng)。
至于分界開關(guān)誤動(dòng)在原理方面的原因，主要是在系統(tǒng)側(cè)發(fā)生間歇性接地故障時(shí)，零序電流中存在幅值很大、不斷出現(xiàn)的暫態(tài)電流，導(dǎo)致計(jì)算出的工頻零序電流幅值遠(yuǎn)大于整定值，因此會(huì)出現(xiàn)誤動(dòng)。實(shí)際小電流接地故障中，有大約15%的故障是間歇性的，如果不采取專門的防誤動(dòng)措施，由間歇性故障引起的誤動(dòng)比例是比較高的。
Q：對(duì)于諧振接地系統(tǒng)來說，應(yīng)該選用什么樣的小電流接地故障分界原理？
徐丙垠：與故障選線類似，有兩種方法可選。一種方法是中電阻法，在中電阻投入期間，通過檢測有功功率的方向?qū)崿F(xiàn)故障分界，前提是分界開關(guān)要安裝有測量零序電壓的互感器或傳感器。另一種方法是暫態(tài)法，通過檢測暫態(tài)零序電流的幅值實(shí)現(xiàn)故障分界，整定值按躲過系統(tǒng)側(cè)接地時(shí)用戶系統(tǒng)暫態(tài)零序電流的*大值整定。
Q：國家電網(wǎng)公司*近修訂的《配電網(wǎng)技術(shù)導(dǎo)則》要求盡快、就近隔離小電流接地故障，請(qǐng)您對(duì)此談?wù)勛约旱目捶ā?
徐丙垠：過去我國電網(wǎng)運(yùn)行規(guī)程允許小電流接地系統(tǒng)帶接地點(diǎn)運(yùn)行2小時(shí)，盡管有利于提高供電可靠性，但也存在接地過電壓引起事故擴(kuò)大化的問題，特別是引起主變絕緣擊穿，將造成其所帶負(fù)荷全部停電的嚴(yán)重后果；此外，若接地故障是因?qū)Ь€墜地引起的，還存在引起觸電事故的風(fēng)險(xiǎn)。如果能在發(fā)生長久接地故障后及時(shí)隔離故障，則既能保持其能夠自行**瞬時(shí)性接地故障的優(yōu)點(diǎn)，又能避免配電網(wǎng)長期帶接地點(diǎn)運(yùn)行的**隱患。
如今，接地故障的檢測與定位技術(shù)已趨于成熟，而且配電網(wǎng)的網(wǎng)架也日趨合理，多數(shù)具備了負(fù)荷轉(zhuǎn)供的能力，在此背景下，國家電網(wǎng)公司新修訂的《配電技術(shù)導(dǎo)則》提出盡快、就近隔離故障是非常必要，也是很及時(shí)的。
所謂“盡快”是指接地故障經(jīng)過一段足夠的熄弧時(shí)間后（10s）仍然沒有消除的情況下，采取自動(dòng)化措施迅速將其隔離。“就近”是指將故障隔離停電范圍控制在一個(gè)盡可能的小區(qū)域內(nèi)：用戶系統(tǒng)的故障由自動(dòng)分界開關(guān)隔離，分支線的故障由自動(dòng)分支開關(guān)隔離，而主干線路的故障則由故障區(qū)段的兩側(cè)的分段開關(guān)隔離。對(duì)于一些人口密集區(qū)、對(duì)供電可靠性要求不高的線路來說，必要時(shí)可由選線裝置直接跳閘切除故障線路。
事實(shí)上，國際上只有奧地利、德國采取允許配電網(wǎng)帶接地點(diǎn)運(yùn)行的做法，意大利、法國、日本等國也是在發(fā)生長久性接地故障后直接跳閘切除故障的。
Q：*后，對(duì)我國解決小電流接地故障的檢測與隔離問題您有什么建議？
徐丙垠：小電流接地故障問題已引起國家電網(wǎng)公司與南方電網(wǎng)公司高層領(lǐng)導(dǎo)的重視，各地供電企業(yè)都在著手解決小電流接地故障的檢測與隔離問題，使我們看到了解決這個(gè)老大難問題的希望。對(duì)做好這項(xiàng)工作，有四點(diǎn)建議：
首先，要充分認(rèn)識(shí)在數(shù)字化時(shí)代短時(shí)停電的危害，并將其納入供電可靠性管理考核指標(biāo)中，從而推動(dòng)供電企業(yè)采取技術(shù)措施，避免繼續(xù)人工拉路選線。
**，按照國家電網(wǎng)公司新修訂的《配電網(wǎng)技術(shù)導(dǎo)則》的技術(shù)原則與要求，制定配電網(wǎng)接地方式和接地故障處理的解決方案。新導(dǎo)則是在充分的調(diào)研、廣泛征求意見、認(rèn)真總結(jié)國內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過內(nèi)業(yè)專家的充分討論形成的，具有很強(qiáng)的針對(duì)性、先進(jìn)性與實(shí)用性，為我國解決小電流接地故障處理問題指明了方向。
第三，要做好產(chǎn)品選型工作，優(yōu)先考慮采用中電阻法或暫態(tài)法的選線、定位與故障分界裝置，此外，還可采用電壓-時(shí)間法，實(shí)現(xiàn)接地故障區(qū)段的隔離。
*后，要像對(duì)待變電站出線保護(hù)裝置那樣對(duì)待小電流接地故障檢測與隔離裝置，做好工程安裝與管理維護(hù)工作，確保及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理裝置在運(yùn)行過程中出現(xiàn)的問題。
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