零序電流檢測在判斷10 kV單相接地故障的應(yīng)用實踐

我公司總降壓站為110kV系統(tǒng)，降壓為10kV后通過電纜送往各高壓配電室，其中10kV系統(tǒng)為不接地系統(tǒng)，不接地系統(tǒng)優(yōu)點是出現(xiàn)單相接地故障時，單相接地電容電流較小，不影響系統(tǒng)供電（我國允許帶故障運行2h），供電可靠性較高；缺點是出現(xiàn)單相接地故障時，易產(chǎn)生弧光重燃過電壓，此過電壓可能會造成系統(tǒng)內(nèi)電氣設(shè)備絕緣擊穿而損壞，且?guī)в杏酂岚l(fā)電的電力系統(tǒng)出現(xiàn)單相接地時會觸發(fā)保護動作而造成余熱發(fā)電系統(tǒng)跳停，最嚴重情況就是單相接地故障發(fā)生在沒有良好接地設(shè)備上，會造成設(shè)備外殼帶電從而造成人身傷亡事故，故發(fā)生單相接地故障后如何能快速定位并排除故障一直是業(yè)界努力的方向。

1、問題提出及分析10kV單相接地故障可分兩類：一類是不可自恢復(fù)故障，即保護跳閘（安裝有單相接地跳閘保護）或報警后再送電依然會跳閘或報警直到故障排除為止，電纜或電機出現(xiàn)絕緣擊穿就屬這類故障，它的特點是故障比較明確、持續(xù)，排查方便；另一類是可自恢復(fù)性的，即出現(xiàn)故障后能自行消失，所有設(shè)備均可正常運行，如電纜終端、高壓瓷瓶、高壓電容、變壓器處有小動物等都屬這類故障，它的特點是故障只報警一次，并立即恢復(fù)正常，難以查找。我公司10kV變壓器均為DYN11接線方式，低壓側(cè)接地電流不會傳遞到高壓側(cè)，10kV單相接地故障會被限制在10kV系統(tǒng)內(nèi)，范圍包括總降壓站變壓器10kV側(cè)到五個10kV高壓配電室的電網(wǎng)系統(tǒng)，具體包含總降10kV開關(guān)柜、去各高壓配電室電纜及終端、各高壓配電室10kV開關(guān)柜、高壓電容器柜、10/0.4kV變壓器、現(xiàn)場高壓電機及電纜和終端等。根據(jù)以往經(jīng)驗，各處電纜溝高壓電纜易出現(xiàn)被擠壓損壞、電纜接頭出現(xiàn)擊穿，變壓器10kV側(cè)易出現(xiàn)小動物，高壓電機、高壓電容器絕緣擊穿等情況造成單相接地故障較多。我公司2021年和2022年分別出現(xiàn)過兩次單相接地故障，總降壓站和余熱發(fā)電系統(tǒng)均報C相接地，余熱發(fā)電機保護跳停，總降及水泥高壓配電室消弧消諧柜動作，消弧消諧柜復(fù)位后余熱發(fā)電機再開機正常。顯然這兩次接地故障都屬于第二類故障，我們在系統(tǒng)恢復(fù)正常后對總降壓站及各高壓配電室的高壓柜電纜出線處、系統(tǒng)各10/0.4kV變壓器進行檢查，未發(fā)現(xiàn)異常或小動物情況。在系統(tǒng)檢修期間也對系統(tǒng)所有10kV開關(guān)柜內(nèi)、各高壓變頻器變壓器進行了檢查，均未發(fā)現(xiàn)異常。我公司除總降壓站外還有五個高壓配電室，每個配電室又有十幾個高壓開關(guān)柜，在檢修排查時，進行大面積停電檢測是非常困難的事情，所以精準定位到故障所在是我們迫切需要的。

2、檢測原理及實現(xiàn)我們可以通過檢測零序電流的辦法判斷出具體哪個支路出現(xiàn)故障，下面具體分析測量原理：如圖1，正常情況下，各條出線電纜的三相電容相當于星形連接接入大地，因三相平衡原則，其分布電流入地匯流后為零，零序互感器檢測零序電流為零。圖1接地電容電流示意以i1AC表示第1號電纜的A相電容分布電流，其他類似，即i1AC+i1BC+i1CC=0；同理iNAC+iNBC+iNCC=0。當?shù)贜號出線電纜在P點出現(xiàn)C相單相接地故障時，所有電纜C相均與大地同電位，C相不再有分布電容電流，所有出線的A、B兩相電容電流均通過P點流入系統(tǒng)，每根出線電纜流入P點的接地電流又稱單相接地電流，大小為原單相正常電容電流的3倍。從圖1可以看出第N號出線電纜自身的電容電流也從P點流入系統(tǒng)，但此電流從該電纜自身流出后又匯流入該電纜，故零序電流互感器測不出該電纜的單相接地電流，實際測到的是第1號到第N-1號電纜的單相接地電流之和，同時第1號到第N-1號電纜也會檢測出零序電流，電流大小就是電纜自身的單相接地電流。所以判斷某條電纜是否出現(xiàn)單相接地的依據(jù)是該電纜所測得的零序電流大小是否接近于整個系統(tǒng)的單相接地電流減去其自身單相接地電流的數(shù)值，而現(xiàn)場實際發(fā)生單相接地時很少出現(xiàn)金屬性單相接地，所測到的接地電流會較理論值小，故判斷是否出現(xiàn)接地情況要看接地電流是否達到某一閾值。從上面可以看出，發(fā)生單相接地故障時，所有電纜均會測出零序故障電流，可以粗略判定測得零序電流最大的那根電纜出現(xiàn)單相接地故障，并且如果所測得故障電流大于自身單相接地電流（在金屬性接地下，10kV系統(tǒng)下電纜單相接地電流按每公里1A進行估算[1]）即可判斷該電纜出現(xiàn)接地故障，即非故障電纜所測的最大故障電流為其自身單相接地電流根據(jù)此原理，我們在總降安裝零序電流檢測系統(tǒng)。使用西門子WinCC軟件連接西門子1200PLC模塊，八根出線電纜分別套裝八只電流互感器，電流互感器接5A轉(zhuǎn)4-20mA轉(zhuǎn)換模塊再接入1200PLC，現(xiàn)場如圖2所示。圖2接線柜內(nèi)部示意

3、檢測應(yīng)用2023年2月檢測系統(tǒng)安裝測試時發(fā)現(xiàn)礦山零序電流較大，隨后在停機時對礦山進行重點檢查，在母排室（前期故障時因為此處密閉，故障可能性小而未檢查）發(fā)現(xiàn)一只支撐瓷瓶存在放電痕跡（如圖3），更換支撐瓷瓶后系統(tǒng)零序電流消失。圖3損傷瓷瓶2023年6月16日早上7時，余熱發(fā)電跳停，檢查總降壓站消弧消諧柜報10kV系統(tǒng)B相接地，復(fù)位仍報，現(xiàn)場窯磨均運行，如停電檢查將嚴重影響生產(chǎn)，檢查WinCC記錄曲線，發(fā)現(xiàn)礦山支路零序電流為1.7A，余熱發(fā)電、窯頭1、窯頭2（未送電）、生料磨1、生料磨2、水泥磨、總降電容柜（電纜長度10m）分別為0.1A、0.4A、0A、0.2A、0.2A、0.8A、0A，礦山零序電流最大且為其他幾個回路出線零序電流之和，判斷為礦山支路出現(xiàn)單相接地故障。隨即通知礦山停機，然后斷開礦山10kV出線斷路器，零序電流消失，消弧消諧柜復(fù)位正常，通知余熱發(fā)電正常開機，然后拆除礦山出線電纜用2?500V搖表搖B相對地絕緣為0，A、C兩相均為300MΩ，到礦山配電室拆除進線電纜搖B相對地絕緣為0，A、C兩相均為300MΩ，判斷為總降至礦山電纜B相接地故障，隨即沿電纜橋架檢查電纜及中間接頭情況未見異常，后采用高壓脈沖發(fā)生器對電纜B相進行充電檢查，發(fā)現(xiàn)在離礦山終點約100m處電纜有損傷（如圖4），由于破損為有規(guī)則圓眼，且全部向廊道內(nèi)側(cè)對齊，檢查橋架上亦有對應(yīng)圓眼（如圖5），于是判定為皮帶廊道封裝施工方人為破壞，證據(jù)確鑿，施工方承認其為施工方便將電纜橋架作為檁條，在固定彩鋼瓦板時燕尾絲打穿橋架內(nèi)10kV電纜，發(fā)現(xiàn)異常放電后又將燕尾絲拆除。經(jīng)搶修，礦山配電室于當晚21時送電正常。圖4電纜損傷處圖5電纜橋架

4、總結(jié)10kV系統(tǒng)中單相接地故障相對于三相短路更難排查，三相短路會直接造成開關(guān)柜保護跳閘，位置指向比較明確；單相接地故障有時故障能保持住，可更多時候故障只發(fā)生在一瞬間，然后恢復(fù)正常，沒有特殊措施很難找到故障源，特別是出線較多的大系統(tǒng)，即使故障能保持住，原始辦法是通過逐個對所有出線回路停電的辦法進行驗證，該方法最大缺點是沒有故障的回路也要安排停機配合檢查。我們采用的零序電流檢測方法判斷10kV單相接地故障方便快捷、定位準