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)中性點接地方式的選擇，業(yè)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(wǎng)**運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》對配電網(wǎng)中性點的接地方式、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(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)中性點主流的接地方式是什么？
徐丙垠：國際上配電網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)采用中性點不接地方式，其他電壓等級的配電網(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？
徐丙垠：總體來說，大電流接地方式易于實現(xiàn)故障檢測與繼電保護，發(fā)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(fā)生瞬時性故障時也會跳閘。國內(nèi)外統(tǒng)計數(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)點是發(fā)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(shù)較復(fù)雜，在發(fā)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(wǎng)導(dǎo)線墜地導(dǎo)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(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超過60A，在導(dǎo)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(tǒng)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(fā)生導(dǎo)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(wǎng)在1993～2000年間共發(fā)生了11起觸電死亡事故，而當(dāng)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(yōu)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(dǎo)線墜地故障的檢測都是一個有待進一步研究解決的技術(shù)難題。
Q：對于我國配電網(wǎng)中性點的接地方式，請談?wù)勀目捶ǎ?
徐丙垠：我國業(yè)界對于配電網(wǎng)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(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)計規(guī)范》（GB50613-2010）規(guī)定：對于中壓配電網(wǎng)，當(dāng)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(wǎng)絡(luò)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(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。說明大家在這個問題上仍然沒有完全形成共識。
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，綜合考慮了對供電可靠性的影響、過電壓危害、設(shè)備投資、運行經(jīng)驗與管理維護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時采用小電阻接地方式呢？
徐丙垠：主要因為電纜網(wǎng)絡(luò)里瞬時性故障的比例較低（在20%左右），消弧線圈**電纜網(wǎng)絡(luò)瞬時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，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(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(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(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(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。
事實上，對于中性點不接地系統(tǒng)來說，從原理上講零序無功功率方向法是可靠的，日本的運行經(jīng)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(tǒng)中動作效果就差很多，主要是對產(chǎn)品的設(shè)計制造質(zhì)量把關(guān)、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(xiàn)的問題得不到及時處理的現(xiàn)象。
Q：目前有沒有成熟、實用的選線技術(shù)？
徐丙垠：利用現(xiàn)有的選線技術(shù)，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(tǒng)中，其正確動作率是有保證的。對于諧振接地系統(tǒng)，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(lián)一個中等數(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投入并聯(lián)電阻的方法。我國采用故障后（如10s后）短時（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展，目前已有5000多套暫態(tài)選線裝置投入運行。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?。ㄐ∮?00Ω）時，選線正確率達100%。我國現(xiàn)場運行經(jīng)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(tài)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(yōu)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(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(tài)方法不需要安裝專用的高壓設(shè)備或改動一次高壓系統(tǒng)，具有投資小、**性好的優(yōu)點，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(wǎng)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(xiàn)在技術(shù)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(qū)段。
長期以來，國內(nèi)外對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，隨著對供電可靠性問題的重視以及配電自動化技術(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：故障點位于*后一個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（如時間間隔1s）地投切中電阻，產(chǎn)生一個交替變化的附加零序電流信號。另一種是暫態(tài)法，通過記錄并比較線路上兩個檢測點的暫態(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。人工接地試驗與實際故障定位結(jié)果表明，上述兩種方法故障定位的成功率都能夠達到90%。
Q：這些年，我國安裝了大量的能夠自動隔離用戶側(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際應(yīng)用效果如何？
徐丙垠：自動分界開關(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)生長久接地故障時自動跳閘，避免系統(tǒng)帶接地點長期運行。我國一些供電企業(yè)，如北京電力公司，使用自動分界開關(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，拒動與誤動現(xiàn)象還是比較嚴重的。
Q：分界開關(guān)拒動與誤動的原因是什么？
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不到位的問題。另外一個很重要的原因是產(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)故障時等于下游用戶系統(tǒng)的電容電流，而在用戶側(cè)故障時是上游整個系統(tǒng)的電容電流。顯然，這種零序過電流原理僅適用于中性點不接地系統(tǒng)。對于諧振接地系統(tǒng)來說，受消弧線圈補償電流的影響，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，會導(dǎo)致開關(guān)拒動。
至于分界開關(guān)誤動在原理方面的原因，主要是在系統(tǒng)側(cè)發(fā)生間歇性接地故障時，零序電流中存在幅值很大、不斷出現(xiàn)的暫態(tài)電流，導(dǎo)致計算出的工頻零序電流幅值遠大于整定值，因此會出現(xiàn)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(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)零序電流的幅值實現(xiàn)故障分界，整定值按躲過系統(tǒng)側(cè)接地時用戶系統(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，請您對此談?wù)勛约旱目捶ā?
徐丙垠：過去我國電網(wǎng)運行規(guī)程允許小電流接地系統(tǒng)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?qū)Ь€墜地引起的，還存在引起觸電事故的風(fēng)險。如果能在發(fā)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(yōu)點，又能避免配電網(wǎng)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(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，也是很及時的。
所謂“盡快”是指接地故障經(jīng)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?！熬徒笔侵笇⒐收细綦x停電范圍控制在一個盡可能的小區(qū)域內(nèi)：用戶系統(tǒng)的故障由自動分界開關(guān)隔離，分支線的故障由自動分支開關(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。對于一些人口密集區(qū)、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(wǎng)帶接地點運行的做法，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(shù)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(biāo)中，從而推動供電企業(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、認真總結(jié)國內(nèi)外經(jīng)驗的基礎(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(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-時間法，實現(xiàn)接地故障區(qū)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(fā)現(xiàn)和處理裝置在運行過程中出現(xiàn)的問題。
