DQZHAN技術訊：如何徹底解決配電網小電流接地故障的問題
關于配電網中性點接地方式的選擇，業界爭論多年，尚未完全達成共識。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**運行水平與供電可靠性的提高。近年來，電網公司十分重視解決小電流接地故障處理問題，以中電阻法、暫態法為代表的小電流接地故障檢測與隔離技術獲得了成功應用。國家電網公司新修訂的《配電網技術導則》對配電網中性點的接地方式、小電流接地故障選線、定位與隔離技術的應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難題指明了方向。
訪談嘉賓：徐丙垠
山東理工大學電氣與電子工程學院智能電網研究中心主任、山東科匯電力自動化股份有限公司董事長。國際供電會議（CIRED）中國國家委員會技術委員。
訪談
徐丙垠：貫徹《配電網技術導則》，徹底解決小電流接地故障處理問題
Q：目前國際上配電網中性點主流的接地方式是什么？
徐丙垠：國際上配電網中性點的接地方式主要有直接接地、小電阻接地、中性點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。
美國配電網采用三相四線制，中性點多點直接接地，之所以這樣做，主要是考慮到能夠為單相負荷供電。
英國、韓國、新加坡以小電阻接地為主。
日本3～6kV配電網采用中性點不接地方式，其他電壓等級的配電網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，現在全部改為諧振接地方式。法國配電網接地方式上經歷了兩次變化，*早采用不接地方式，后來改為小電阻接地；20世紀90年代，為解決故障跳閘率高、短路電流超標等問題，又改為諧振接地。
Q：這幾種接地方式有什么優缺點？
徐丙垠：總體來說，大電流接地方式易于實現故障檢測與繼電保護，發生單相接地故障時不存在由于非故障相電壓升高造成的過電壓危害；但缺點是不利于提高供電可靠性，發生瞬時性故障時也會跳閘。國內外統計數據均表明，架空網絡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點是發生瞬時性接地故障時能夠自動熄弧，缺點則是接地故障檢測與繼電保護技術較復雜，在發生間歇性燃弧故障時非故障相電壓可達正常運行電壓的3倍以上。
Q：近年來，因配電網導線墜地導致的觸電事故在社會上引起了很大反響，采用小電阻接地方式是否可以迅速切除發生接地故障的線路，從而避免發生這種事故？
徐丙垠：不完全是這樣。對于10kV小電阻接地配電網來說，導線墜地故障的接地電阻比較大，產生的故障電流一般不會超過60A，在導線墜落到干燥的瀝青或沙地上時，接地電流幾乎為零。我國小電阻接地系統線路零序電流保護的電流定值一般選為40～60A，顯然無法在發生導線墜地故障時可靠切除故障線路。
我國南方某沿海城市的10kV配電網在1993～2000年間共發生了11起觸電死亡事故，而當時變電站的保護并沒有動作，說明在人身**方面小電阻接地方式并沒有明顯的優勢。事實上，在接地電阻比較大時，中性點接地方式對故障電流的影響并不大。不論采用何種接地方式，導線墜地故障的檢測都是一個有待進一步研究解決的技術難題。
Q：對于我國配電網中性點的接地方式，請談談您的看法？
徐丙垠：我國業界對于配電網采用什么接地方式一直有爭論，不同的觀點一度激烈碰撞、爭執不下。2010年頒布的國家標準《城市配電網規劃設計規范》（GB50613-2010）規定：對于中壓配電網，當電容電流小于10A時采用不接地方式，10～150A時采用消弧線圈接地，電容電流大于150A且全是電纜網絡時，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接地方式的。但是，也有供電企業在架空網絡以及架空與電纜混合網絡中采用小電阻接地方式；個別已經采用了小電流接地方式的，也在考慮改為小電阻接地方式。說明大家在這個問題上仍然沒有完全形成共識。
應該說，國家標準是經過行業專家充分的討論形成的，是總結了國內外的經驗，綜合考慮了對供電可靠性的影響、過電壓危害、設備投資、運行經驗與管理維護工作量等因素得出的結論，應該作為我國選擇配電網接地方式的依據。*近，國家電網公司新修訂的《配電網技術導則》對配電網接地方式的規定，也基本上遵循了國家標準。
Q：為什么電纜網絡在電容電流大于150A時采用小電阻接地方式呢？
徐丙垠：主要因為電纜網絡里瞬時性故障的比例較低（在20%左右），消弧線圈**電纜網絡瞬時性接地故障的效果沒有在架空網絡里明顯；此外，當電纜網絡的電容電流比較大時，消弧線圈補償后的殘余電流也比較大（大于10A），即便是瞬時性故障，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，考慮到電纜網絡里還是有一定比例的瞬時性接地故障，而且在電流小于30A時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，電容電流大于150A的電纜網絡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是諧振接地方式的配電網改為小電阻接地方式。事實上，德國的配電網全部采用諧振接地方式，單母線系統的*大電容電流達到300A。
Q：在我國，小電流接地故障的選線是公認的老大難問題，大部分變電站選線裝置動作的正確率不到50%，為什么會出現這種情況？
徐丙垠：首先，小電流接地故障產生的故障電流比較小，故障量不突出，特別是經消弧線圈補償后，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象，故障電流很不穩定。
我國早期生產的故障選線裝置基本都是利用穩態信號的，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，我國選線裝置動作正確率低的主要原因是由于過去沒有充分認識到短時停電的危害，人們習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。
事實上，對于中性點不接地系統來說，從原理上講零序無功功率方向法是可靠的，日本的運行經驗表明，其實際選線的正確動作率超過90%。而同樣原理的選線裝置在我國不接地系統中動作效果就差很多，主要是對產品的設計制造質量把關、裝置的管理維護不到位，普遍存在裝置接線不正確、整定值選擇不合理、裝置運行中出現的問題得不到及時處理的現象。
Q：目前有沒有成熟、實用的選線技術？
徐丙垠：利用現有的選線技術，實際故障選線的正確率可以達到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中，其正確動作率是有保證的。對于諧振接地系統，目前主要有兩種比較實用的方法：
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一個中等數值的電阻，產生附加的零序電流，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電阻的方法，產生約20A的附加零序電流；奧地利、德國部分供電企業采用在發生長久接地故障后短時投入并聯電阻的方法。我國采用故障后（如10s后）短時（如持續0.6s）并聯電阻的方法，產生約40A的附加零序電流。
二是暫態法，利用故障線路暫態零序電流比非故障線路電流大且方向相反的特征實現故障選線。由于暫態電流幅值比較大、不受消弧線圈的影響，因此，暫態法克服了傳統穩態量方法因故障量不突出造成的靈敏度與可靠性問題。本世紀初，我國在暫態選線技術的研究與應用上取得了突破性進展，目前已有5000多套暫態選線裝置投入運行。德國早期采用暫態首半波法，判據只在故障后的1～2ms內正確，近年來采用改進后的暫態法。此外，暫態選線方法在瑞典、愛爾蘭等國也有較大數量的應用。廣西電科院于2011年組織的人工接地測試結果表明，上述兩種方法在接地電阻比較小（小于200Ω）時，選線正確率達100%。我國現場運行經驗表明，在選線裝置的管理維護有保障的情況下，中電阻法與暫態法的實際選線成功率都在90%以上。
Q：這幾種選線方法各有什么優缺點，都適用于什么場合？
徐丙垠：零序無功功率法的原理與實現方式都比較簡單，但只能用于不接地系統中。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備，適合在變電站安裝消弧線圈時一并選用。此外，中電阻法還存在電阻發熱燒毀、接地電流增大帶來的**隱患；如采用短時投電阻的方法，還存在無法選擇瞬時性故障線路的問題。暫態方法不需要安裝專用的高壓設備或改動一次高壓系統，具有投資小、**性好的優點，特別適用于已經安裝了消弧線圈的變電站。暫態法的不足是原理較復雜，暫態信號在電壓過零故障時幅值明顯降低，影響保護動作靈敏度。不過，在實際配電網中，電壓過零附近的接地故障不到1%，這個問題并不突出。
Q：小電流接地故障的定位問題是一個長期困擾電力部門的難題，現在技術方面有何新的進展和突破？
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并上傳至配電自動化主站，由其定位故障點所在的線路區段。
長期以來，國內外對小電流接地故障的定位問題關注不夠，其技術成熟度也不如故障選線技術。
近年來，隨著對供電可靠性問題的重視以及配電自動化技術的發展，我國在接地故障定位技術的研究與應用方面做了大量的工作，取得了突破性的進展。
目前，我國應用的故障定位（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生的附加零序電流（約40A）檢測接地故障，其判據為：故障點位于*后一個檢測到附加電流的終端的下游相鄰區段上。為提高檢測的可靠性，一般是周期性（如時間間隔1s）地投切中電阻，產生一個交替變化的附加零序電流信號。另一種是暫態法，通過記錄并比較線路上兩個檢測點的暫態零序電流波形檢測故障區段，其判據為：故障點前非故障區段兩側的零序電流極性相同、幅值相近、波形相似，而故障區段兩側的暫態零序電流極性相反、幅值與波形都有很大的差異。人工接地試驗與實際故障定位結果表明，上述兩種方法故障定位的成功率都能夠達到90%。
Q：這些年，我國安裝了大量的能夠自動隔離用戶側故障的分界開關，這些分界開關隔離小電流接地故障的實際應用效果如何？
徐丙垠：自動分界開關俗稱為“看門狗”，用于小電流接地系統中，能夠在用戶側發生長久接地故障時自動跳閘，避免系統帶接地點長期運行。我國一些供電企業，如北京電力公司，使用自動分界開關隔離小電流接地故障，在防止用戶側故障影響系統正常運行上發揮了很大的作用。但就整體情況來說，分界開關隔離小電流接地故障的效果還不是很理想，拒動與誤動現象還是比較嚴重的。
Q：分界開關拒動與誤動的原因是什么？
徐丙垠：相當一部分是產品質量、整定不合理以及管理維護不到位的問題。另外一個很重要的原因是產品選型不當，原理上有缺陷。
目前，我國應用的分界開關絕大部分采用零序過電流原理，按躲過用戶系統*大電容電流整定，其依據為：流過開關的零序電流在系統側故障時等于下游用戶系統的電容電流，而在用戶側故障時是上游整個系統的電容電流。顯然，這種零序過電流原理僅適用于中性點不接地系統。對于諧振接地系統來說，受消弧線圈補償電流的影響，流過分界開關的零序電流可能小于用戶系統本身的電容電流，會導致開關拒動。
至于分界開關誤動在原理方面的原因，主要是在系統側發生間歇性接地故障時，零序電流中存在幅值很大、不斷出現的暫態電流，導致計算出的工頻零序電流幅值遠大于整定值，因此會出現誤動。實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措施，由間歇性故障引起的誤動比例是比較高的。
Q：對于諧振接地系統來說，應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實現故障分界，前提是分界開關要安裝有測量零序電壓的互感器或傳感器。另一種方法是暫態法，通過檢測暫態零序電流的幅值實現故障分界，整定值按躲過系統側接地時用戶系統暫態零序電流的*大值整定。
Q：國家電網公司*近修訂的《配電網技術導則》要求盡快、就近隔離小電流接地故障，請您對此談談自己的看法。
徐丙垠：過去我國電網運行規程允許小電流接地系統帶接地點運行2小時，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大化的問題，特別是引起主變絕緣擊穿，將造成其所帶負荷全部停電的嚴重后果；此外，若接地故障是因導線墜地引起的，還存在引起觸電事故的風險。如果能在發生長久接地故障后及時隔離故障，則既能保持其能夠自行**瞬時性接地故障的優點，又能避免配電網長期帶接地點運行的**隱患。
如今，接地故障的檢測與定位技術已趨于成熟，而且配電網的網架也日趨合理，多數具備了負荷轉供的能力，在此背景下，國家電網公司新修訂的《配電技術導則》提出盡快、就近隔離故障是非常必要，也是很及時的。
所謂“盡快”是指接地故障經過一段足夠的熄弧時間后（10s）仍然沒有消除的情況下，采取自動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盡可能的小區域內：用戶系統的故障由自動分界開關隔離，分支線的故障由自動分支開關隔離，而主干線路的故障則由故障區段的兩側的分段開關隔離。對于一些人口密集區、對供電可靠性要求不高的線路來說，必要時可由選線裝置直接跳閘切除故障線路。
事實上，國際上只有奧地利、德國采取允許配電網帶接地點運行的做法，意大利、法國、日本等國也是在發生長久性接地故障后直接跳閘切除故障的。
Q：*后，對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公司與南方電網公司高層領導的重視，各地供電企業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老大難問題的希望。對做好這項工作，有四點建議：
首先，要充分認識在數字化時代短時停電的危害，并將其納入供電可靠性管理考核指標中，從而推動供電企業采取技術措施，避免繼續人工拉路選線。
**，按照國家電網公司新修訂的《配電網技術導則》的技術原則與要求，制定配電網接地方式和接地故障處理的解決方案。新導則是在充分的調研、廣泛征求意見、認真總結國內外經驗的基礎上，經過內業專家的充分討論形成的，具有很強的針對性、先進性與實用性，為我國解決小電流接地故障處理問題指明了方向。
第三，要做好產品選型工作，優先考慮采用中電阻法或暫態法的選線、定位與故障分界裝置，此外，還可采用電壓-時間法，實現接地故障區段的隔離。
*后，要像對待變電站出線保護裝置那樣對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工作，確保及時發現和處理裝置在運行過程中出現的問題。
