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技术交流

分析配电网触电保护问题与中性点接地方式

  分析了中压配电网人体触电与导线坠地的检测与保护问题,分析了高阻接地故障接地电流与零序电压变化特点,现有配电网接地保护技术与反映接地电阻的能力,以及配电网中性点接地方式对触电保护的影响,提出了提高接地保护反映接地电阻能力的措施,指出配电网采用小电流接地方式比小电阻接地方式,更有利于解决触电保护问题。

引  言

  配电网分布于人口密集地区,人体触电事故时有发生。对于低压配电网触电问题,人们做了大量的研究工作,剩余电流(漏电)保护装置获得了广泛的应用,而对中压配电网触电问题的研究相对比较少,目前,还没有很可靠的触电保护措施。然而,近年来一些中压配电网触电事故通过社交媒体广泛传播,受到了社会的极大关注。中压配电网(以下简称配电网)触电事故主要是人体自身或通过导体物体触碰或接近正常运行的导体或坠地的导线引起的。配电网触电保护除研究人体触电的检测与保护问题外,还包括坠地导线的检测与保护问题,这是因为坠地导线难以被人们所觉察,非常容易引起触电事故。人体触电与导线坠地的接地电阻都很高,因此,配电网触电保护也是一个高阻故障保护问题。

 

20世纪80年代,为减少配电网触电事故,美国电气电子工程师协会(IEEE)电力工程委员会(PES)成立了工作组,调研配电网高阻故障保护与坠地导线检测问题。国际上 先后开发出了基于零序电流、模式识别、谐波电流等原理的商业化产品,但这些产品的实际应用效果并不十分理想。IEEE PES发表专题报告指出,现有的技术还不能完全解决高阻接地(导线坠地)故障的检测问题,为保障公共安全,需进一步研发配电网高阻故障保护新技术。

 

中国对配电网接地故障保护的研究主要集中于小电流接地故障的选线方面,关注的重点主要是提高选线装置实用化水平、提高整体选线成功率,还缺少对高阻接地故障保护的研究。随着人们更加关注人身安全问题,为解决触电保护问题,一些供电企业将配电网中性点接地方式改为小电阻接地方式,希望以此回避小电流接地故障保护的难题,在出现人体触电或导线坠地时及时跳闸切除故障线路。然而,理论分析与工程实践均表明,目前小电阻接地配电网接地保护反映接地电阻的能力只有300Ω左右,中性点接地方式改为小电阻方式不仅无法在出现高阻接地故障时可靠报警、跳闸,反而增加了解决问题的难度。本文探讨配电网高阻故障保护问题以及与中性点接地方式的关系,以期抛砖引玉,使读者对配电网接地方式与人身安全问题有个更加全面的认识。

 

1、配电网高阻接地故障分析
1.1、 高阻接地电流
 
配电网单相接地故障的零序网络如图1所示。
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图1 单相接地零序网络
  中性点直接接地配电网母线零序阻抗一般小于1Ω,小电阻接地配电网的母线零序阻抗近似等于3倍的接地电阻值,而接地电阻值一般小于10Ω,因此,在计算中性点直接接地与小电阻接地配电网(大电流接地配电网)的高阻接地电流时,可以忽略母线零序阻抗的影响。10kV小电阻接地配电网中UPN=5.7kV,在接地电阻为1kΩ时,接地电流为5.7A。
 
  对于中性点不接地配电网来说,母线零序阻抗等于1/jωCb ,Cb为母线、主变压器与所有非故障线路单相对地电容之和,等于系统整体对地电容减去故障线路对地电容。对于有多条出线的配电网来说,可近似认为Cb等于系统对地电容C。在10kV中性点不接地配电网中,假设系统对地电容电流为10A,母线零序容抗约为1710Ω,接地电阻为1kΩ时,接地电流约为5A。
 
  谐振接地配电网中,母线零序阻抗是Cb与消弧线圈电感(3Lp)并联形成的阻抗如图2所示,其数值取决于消弧线圈补偿度。如果处于全补偿状态,母线零序阻抗数值很大,接地电流很小。实际系统中,消弧线圈处于过补偿状态,假设金属性故障时补偿后的接地残余电流为5A,则母线零序阻抗约为3.4kΩ,接地电阻为1kΩ时,假设母线零序阻抗呈纯感性,则接地电流为3.8A。
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图2 谐振接地配电网高阻接地故障零序等效网络
 
  由以上分析可知,不同接地方式配电网高阻接地电流差别是很小的。对于暂态高频分量来说,由于分布电容的阻抗很小并且可以忽略消弧线圈的影响,不同接地方式配电网的接地电流几乎是相等的。
 
1.2高阻接地零序电压
  对于高阻接地来说,小电阻接地配电网的母线阻抗很小,母线零序电压几乎为零。中性点不接地配电网的母线零序阻抗在数百欧姆,母线零序电压仍有一定的数值,对于电容电流为10A的10kV配电网来说,1kΩ接地故障时母线零序电压约为2kV;对于补偿后残余电流为5A的10kV谐振接地配电网来说,1kΩ接地故障时母线零序电压约为4kV。
 
1.3 接地故障电流的非线性现象
  由于接地电弧电流小、坠地导线跳动等方面的原因,配电网高阻接地故电流存在严重的畸变,且有间歇性拉弧现象。图3(a)给出了比利时布鲁塞尔自由大学20kV配电网导线坠地故障测试结果,图3(b)给出了放大的故障初始电流波形,可见其具有明显的非线性与不对称现象。美国德克萨斯农机大学对高阻故障进行了深入的研究,通过分析大量的实际高阻故障电流录波数据,发现其幅值在0~50A之间,主要含有30~780 Hz 的谐波和非谐波成分。
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图3 一高阻接地故障电流波形图

 

2、配电网接地保护及其反映接地电阻的能力

2.1 小电阻接地配电网零序过电流保护

中国小电阻接地配电网一般都采用定时限零序过电流保护作为接地保护,其电流定值的整定原则为躲开本线路的对地电容电流,以防止在其他线路出现接地故障时误动。在变电站出线为电缆线路且距离比较长时,配电线路的电容电流可达数十安培,按照上述整定原则,零序电流的保护动作定值比较大,其检测高阻故障的灵敏度比较低。例如,中国南方沿海某城市10kV小电阻接地配电网零序电流保护的整定值选为60A,只能保护电阻在90Ω以下的故障。

 

个别线路(特别是架空线路)对地电容电流比较小,可以进一步降低电流定值,以提高零序过电流保护反映接地电阻的能力。另一方面,小电阻接地配电网接地电流动态范围比较大(可达1000A),考虑互感器与装置的测量误差以及存在电磁干扰的因素,如果电流定值过小(小于动态范围的2%),会因为电流定值接近测量死区值,难以保证保护动作的可靠性,因此,实际系统中小电阻接地配电网零序过电流保护的电流定值一般不低于20A,反应接地电阻的能力只有300Ω左右。

 

2.2小电流接地配电网接地保护

 

目前,小电流配电网接地故障选线保护主要采用无功功率方向法、有功功率方向法与暂态法。

 

2.2.1无功功率方向法

零序无功功率方向法主要是用于中性点不接地配电网的接地保护,通过比较出线的零序电流与零序电压之间的相位关系检测零序无功功率的方向,如果某线路的零序电流相位滞后零序电压90°,将其选为故障线路;否则,零序电流相位超前零序电压90°,将其选为非故障线路。

 

高性能零序电流互感器的测量精度可以达到1A;系统正常运行时,由电压与对地电容不平衡引起的架空线路零序电流(指3I0)一般不会超过1A;因此,保护装置测量出(误差小于10%)接地故障产生的零序电流的下限应该是2A。考虑不平衡电压等因素,保护装置测量出接地故障产生的零序电压的下限为5%的额定电压,约为300V10kV中性点不接地配电网电容电流一般在30A以下,母线零序阻抗大于570Ω,上述零序电流与零序电压的测量下限对应的接地电阻都在2.5kΩ左右,因此,理论上无功功率方向法能够反应2.5kΩ的接地电阻。由于零序电流互感器精度与装置设计等方面的原因。实际运行的采用无功功率方法的接地保护装置反应接地电阻的能力一般在1kΩ以下。对于间歇性接地故障来说,电流存在严重的畸变现象,计算出的工频零序电流可能存在较大的误差,影响保护的正确 动作。

 

2.2.2零序有功功率法

零序有功功率方向法主要是用于谐振接地配电网的接地保护,通过检测零序有功功率的方向实现故障选线,故障线路有功功率由线路流向母线,而非故障线路的有功功率由母线流向线路。实际谐振接地配电网中,接地电流中的有功分量很小,考虑到实际存在的测量误差,难以可靠地测量有功功率方向,通常是在消弧线圈上固定并联一个150Ω左右的电阻,产生约30A左右的有功电流(金属性接地时)。

 

消弧线圈并联电阻150Ω,考虑分布式电容的影响后,母线零序阻抗不大于400Ω左右,保护装置测量零序电流与零序电压的下限仍然分别为2A300V,对应的反应接地电阻的能力分别2.5kΩ2kΩ左右,因此,消弧线圈并联电阻时,理论上有功功率方向法能够反应2kΩ的接地电阻。实际运行的采用有功功率方法的选线保护装置反应接地电阻的能力一般在1kΩ以下。同无功功率方向法一样,有功功率方向法也是难以保证在出现间歇性接地故障时可靠动作。

 

2.2.3暂态零序电流群体比较法

 

暂态零序电流群体比较法通过比较各出线暂态零序电流的幅值和极性选择故障线路,故障线路暂态零序电流幅值大于所有非故障线路,而且极性相反。图4给出了一谐振接地配电网中三条线路的实际接地故障的暂态零序电流录波图,可见故障线路零序电流的幅值远大于另外2条非故障线路,而且极性相反。

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图4 谐振接地配电网实际接地故障的暂态零序电流录波图
 
  暂态零序电流不受消弧线圈的影响,因此无需在消弧线圈上并联电阻。暂态保护装置测量零序电流的下限也在2A左右,其反应接地电阻的能力在2.5kΩ左右,实际运行的暂态电流群体比较的选线装置反应接地电阻的能力一般也是在1.5kΩ以下。为进一步提高保护动作的可靠性,可以通过检测零序电压来确认故障。
 
3、人体触电的检测与保护
  人体触电有人体接近与接触配电网带电导体或坠地导线两种情况。由于电压比较高,实际触电事故往往属于“电弧放电”。当人体向带电体移动时,尚未触及带电体之前,达到一定的空间间隙时,导体就开始对人体进行空间放电,形成电弧烧伤人体。在此种情况下,触电者有可能自然摆脱电源,从而避免死亡。
 
  研究结果表明,正常人体电阻在1000Ω以上,皮肤烧伤后可降至500Ω。根据上面的分析,人体接近或接触10kV小电阻接地配电网时,接地初始零序电流一般不会超过5A,如果触电者不能及时脱离,这时皮肤已经烧伤,接地零序电流会增至10A,而目前零序过电流保护的电流定值一般不低于20A,因此,保护不会动作。
 
  对于10kV中性点不接地或谐振接地配电网,在人体电阻小于1.5kΩ时,现有的接地保护技术是有可能动作的。在中国,实际系统中的小电流接地保护装置在人体触电时动作的报道比较少,出现这种情况有两方面的原因:一是由于触电者的衣服、鞋子的电阻及其与地面接触电阻的影响,实际接地电阻比较大(大于1.5kΩ);二是装置设计不合理,电流互感器选型不适当,没有充分发挥出装置反映接地电阻的能力。
 
  需要指出,即使小电流接地保护装置能够在人体触电时动作,这时流过人体的电流一般会超过2A,往往已经造成触电者死亡或者带来严重的伤害,难以达到低压配电网漏电保护器的保护效果。尽管这样,在人体触电时能够及时切除肇事线路,对减轻触电损害、避免引起新的触电事故总是十分有利的。
 
4、导线坠地的检测与保护
  导线因线杆倾倒以及外力破坏或雷击断线坠落在地面上,会给走近它的行人带来严重危害。2016年4月,我国南方某省就发生了一起村民骑行摩托车触碰坠地导线造成3人死亡的事故,该事件经省领导批示后,引起了供电公司的高度重视。
 
  导线坠地产生接地电流与其接触方式和所在地面的状况有关,但接地电阻都比较高,产生的接地电流也比较小。美国德克萨斯农机大学对12kV直接接地配电网导线坠落到各种类型的地面(沙土地、草皮等)的接地电流测试结果如表1所示,可见大部分情况下,接地电流小于50A。13kV配电网导线坠地电流数据美国一供电企业收集的13kV配电网导线坠地故障的数据,绝大部分情况下,接地电流在8~12A,30次故障中最大的接地电流为17A。
 
  由于接地电阻比较大,中国10kV小电阻接地配电网导线坠地接地电流应该小于但接近上面介绍的数据。实际系统中零序电流III段保护的定值一般选为40A,因此,对于大部分导线坠地故障,保护是不会动作的。
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  根据表1的接地电流数据,除坠落在干燥的沥青与沙地外,大部分导线坠地故障的接地电阻应该在1kΩ以下,现有的小电流接地保护技术应该能够满足检测这类接地故障的要求。
 
5、配电网中性点接地方式对触电保护的影响
  从减少触电对人身的伤害程度来讲,配电网采用小电流接地方式是有利的。小电流接地配电网接地故障电流小,在接地点产生的跨步电压与接触电压都比较小;小电阻配电网的接地电流有数百甚至上千安培,而小电流接地配电网的接地电流一般不大于30A。一旦发生人体接近或接触带电导体的事故,流过人体的电流也相对较小。中性点不接地配电网发生人体触电事故时,接地电流略小于小电阻接地配电网;而谐振接地配电网的高阻接地电流要小很多,特别是在系统运行在全补偿状态的情况下。许多触电现象是人体接近导体引起的电弧放电,触电者往往能够自动脱离(俗称为被打开),因此,减少放电电流可以减轻对人身的伤害。
 
  对触电保护的灵敏度来说,采用小电流接地方式也是有利的。目前小电阻接地配电网零序过电流保护电流定值一般不低于20A,反应接地电阻的能力只有300Ω;而现有小电流接地保护方法(无功功率、有功功率与暂态法)反应接地电阻的能力达到2kΩ,理论分析以及国际上小电流接地保护的工程实践都证明了这一点。
 
  此外,在发生高阻接地故障时,小电阻接地配电网母线上零序电压几乎为零,而小电流接地配电网母线仍然存在较大零序电压。谐振接地配电网中,消弧线圈处于全补偿状态时,利用零序电压可以检测到10kΩ以上的接地故障。因此,小电流接地系配电网中,当导线坠落到干燥的地面上时,如果接地保护装置因为接地电阻过大无法可靠地选出故障线路,可以利用零序电压启动,通过自动轮换切除变电站出线的方法选出故障线路。
 
  另一方面,配电网采用小电阻接地方式,在导线坠落到潮湿的草地或钢筋混凝土地面上时,接地电流比较大(大于40A),其零序过电流保护能够动作切除故障,可以及时消除触电隐患。而中国配电网的运行规程允许小电流接地配电网带接地点运行一段时间,这样在出现导线坠地故障时,就增加了触电风险。目前,国家电网与南方电网都在推行接地故障自动跳闸的做法,能够避免坠地的导线长期带电。
总体来说,从提高触电保护灵敏度、保障人身安全的角度讲,采用小电流接地方式优于小电阻接地方式。我国南方一沿海城市的配电网在1993年至2000年间共发生了11起触电死亡事故,而当时变电站的保护没有动作,说明在小电阻接地方式人身安全方面并没有预期中的优势。
 
6、提高接地保护反映接地电阻能力的措施
  现有小电流接地保护方法是能够反映接地电阻达1.5kΩ的故障,可以解决大部分导线坠地故障的保护问题,并可能在发生人体触电事故时动作,下一步应提高保护装置的设计水平,合理选择电流互感器,加强装置的运行管理与维护,充分发挥出装置反映接地电阻的能力。
 
  目前,小电阻接地配电网零序过电流保护反映接地电阻的能力比较低,难以可靠地检测出导线坠地故障与触电事故。可采用固定时限的零序电流保护作为高灵敏度接地保护,其电流定值按躲过最大负荷时的不平衡电流整定;动作时限要大于零序过电流保护,选为15~30s。因为是保护零序电流比较小的高阻接地故障,可以将高灵敏度接地保护装置测量电流的动态范围设计的比较小(小于100A),从而提高小电流信号测量的精度,保证保护动作的可靠性。
 
  在线路上发生低阻接地故障时,非故障线路的零序电流会比较大,可能造成高灵敏度接地保护起动,但这时故障线路的零序电流过保护将及时动作于跳闸,非故障线路的高灵敏度接地保护返回,不会出现误动。在发生接地电流低于零序过电流保护电流定值的高阻故障时,如果接地电流大于高灵敏度接地保护的电流定值,高灵敏度接地保护动作于跳闸。这种情况下,因为接地电阻比较高,变电站母线的零序电压也比较低,非故障线路的零序电流比较小,不会造成误动。高灵敏度接地保护的电流定值最低可选为5A,相应地反映接地电阻的能力可达1kΩ。
 
  为进一步提高小电阻接地配电网接地保护的灵敏度,可以配置专门的高阻故障选线保护装置,其工作原理参照小电流接地配电网的零序电流群体比较选线方法,将零序电流幅值最大、相位相反的线路选为故障线路。保护装置测量零序电流的下限是2A,反映接地电阻的能力接近3kΩ。
 
7、结语
  现有小电流接地保护技术反映接地电阻的能力可以到达2kΩ以上,而小电阻接地配电网接地保护反映接地电阻的能力只有300Ω左右,配电网采用小电流接地方式更有利于解决触电保护问题。此外,配电网采用小电流接地还有利于瞬时性接地故障自动熄弧,提高供电可靠性,因此,在配电网应优先考虑采用小电流接地方式,特别要杜绝将小电流接地架空网络或架空线路与电缆混合网络改为小电阻接地。
 
  为减少配电网触电事故率、减轻触电事故对人身的伤害,应进一步加强对高阻接地保护的研究。要从提高装置设计质量、选择合适的电流互感器、加强装置的运行管理与维护入手,进一步发挥出现有小电流接地保护技术反映接地电阻的能力。小电阻接地配电网可通过配置高灵敏度接地保护与专门的故障选线装置,提高接地保护反映接地电阻的能力。小电流接地配电网中,可采用基于零序电压的自动轮切技术,切除有导线坠地的线路。     

 

点击次数:  更新时间:2018-08-13  【打印此页】  【关闭