零序电流检测在判断10 kV单相接地故障的应用实践

我公司总降压站为110kV系统，降压为10kV后通过电缆送往各高压配电室，其中10kV系统为不接地系统，不接地系统优点是出现单相接地故障时，单相接地电容电流较小，不影响系统供电（我国允许带故障运行2h），供电可靠性较高；缺点是出现单相接地故障时，易产生弧光重燃过电压，此过电压可能会造成系统内电气设备绝缘击穿而损坏，且带有余热发电的电力系统出现单相接地时会触发保护动作而造成余热发电系统跳停，最严重情况就是单相接地故障发生在没有良好接地设备上，会造成设备外壳带电从而造成人身伤亡事故，故发生单相接地故障后如何能快速定位并排除故障一直是业界努力的方向。

1、问题提出及分析10kV单相接地故障可分两类：一类是不可自恢复故障，即保护跳闸（安装有单相接地跳闸保护）或报警后再送电依然会跳闸或报警直到故障排除为止，电缆或电机出现绝缘击穿就属这类故障，它的特点是故障比较明确、持续，排查方便；另一类是可自恢复性的，即出现故障后能自行消失，所有设备均可正常运行，如电缆终端、高压瓷瓶、高压电容、变压器处有小动物等都属这类故障，它的特点是故障只报警一次，并立即恢复正常，难以查找。我公司10kV变压器均为DYN11接线方式，低压侧接地电流不会传递到高压侧，10kV单相接地故障会被限制在10kV系统内，范围包括总降压站变压器10kV侧到五个10kV高压配电室的电网系统，具体包含总降10kV开关柜、去各高压配电室电缆及终端、各高压配电室10kV开关柜、高压电容器柜、10/0.4kV变压器、现场高压电机及电缆和终端等。根据以往经验，各处电缆沟高压电缆易出现被挤压损坏、电缆接头出现击穿，变压器10kV侧易出现小动物，高压电机、高压电容器绝缘击穿等情况造成单相接地故障较多。我公司2021年和2022年分别出现过两次单相接地故障，总降压站和余热发电系统均报C相接地，余热发电机保护跳停，总降及水泥高压配电室消弧消谐柜动作，消弧消谐柜复位后余热发电机再开机正常。显然这两次接地故障都属于第二类故障，我们在系统恢复正常后对总降压站及各高压配电室的高压柜电缆出线处、系统各10/0.4kV变压器进行检查，未发现异常或小动物情况。在系统检修期间也对系统所有10kV开关柜内、各高压变频器变压器进行了检查，均未发现异常。我公司除总降压站外还有五个高压配电室，每个配电室又有十几个高压开关柜，在检修排查时，进行大面积停电检测是非常困难的事情，所以精准定位到故障所在是我们迫切需要的。

2、检测原理及实现我们可以通过检测零序电流的办法判断出具体哪个支路出现故障，下面具体分析测量原理：如图1，正常情况下，各条出线电缆的三相电容相当于星形连接接入大地，因三相平衡原则，其分布电流入地汇流后为零，零序互感器检测零序电流为零。图1接地电容电流示意以i1AC表示第1号电缆的A相电容分布电流，其他类似，即i1AC+i1BC+i1CC=0；同理iNAC+iNBC+iNCC=0。当第N号出线电缆在P点出现C相单相接地故障时，所有电缆C相均与大地同电位，C相不再有分布电容电流，所有出线的A、B两相电容电流均通过P点流入系统，每根出线电缆流入P点的接地电流又称单相接地电流，大小为原单相正常电容电流的3倍。从图1可以看出第N号出线电缆自身的电容电流也从P点流入系统，但此电流从该电缆自身流出后又汇流入该电缆，故零序电流互感器测不出该电缆的单相接地电流，实际测到的是第1号到第N-1号电缆的单相接地电流之和，同时第1号到第N-1号电缆也会检测出零序电流，电流大小就是电缆自身的单相接地电流。所以判断某条电缆是否出现单相接地的依据是该电缆所测得的零序电流大小是否接近于整个系统的单相接地电流减去其自身单相接地电流的数值，而现场实际发生单相接地时很少出现金属性单相接地，所测到的接地电流会较理论值小，故判断是否出现接地情况要看接地电流是否达到某一阈值。从上面可以看出，发生单相接地故障时，所有电缆均会测出零序故障电流，可以粗略判定测得零序电流最大的那根电缆出现单相接地故障，并且如果所测得故障电流大于自身单相接地电流（在金属性接地下，10kV系统下电缆单相接地电流按每公里1A进行估算[1]）即可判断该电缆出现接地故障，即非故障电缆所测的最大故障电流为其自身单相接地电流根据此原理，我们在总降安装零序电流检测系统。使用西门子WinCC软件连接西门子1200PLC模块，八根出线电缆分别套装八只电流互感器，电流互感器接5A转4-20mA转换模块再接入1200PLC，现场如图2所示。图2接线柜内部示意

3、检测应用2023年2月检测系统安装测试时发现矿山零序电流较大，随后在停机时对矿山进行重点检查，在母排室（前期故障时因为此处密闭，故障可能性小而未检查）发现一只支撑瓷瓶存在放电痕迹（如图3），更换支撑瓷瓶后系统零序电流消失。图3损伤瓷瓶2023年6月16日早上7时，余热发电跳停，检查总降压站消弧消谐柜报10kV系统B相接地，复位仍报，现场窑磨均运行，如停电检查将严重影响生产，检查WinCC记录曲线，发现矿山支路零序电流为1.7A，余热发电、窑头1、窑头2（未送电）、生料磨1、生料磨2、水泥磨、总降电容柜（电缆长度10m）分别为0.1A、0.4A、0A、0.2A、0.2A、0.8A、0A，矿山零序电流最大且为其他几个回路出线零序电流之和，判断为矿山支路出现单相接地故障。随即通知矿山停机，然后断开矿山10kV出线断路器，零序电流消失，消弧消谐柜复位正常，通知余热发电正常开机，然后拆除矿山出线电缆用2 500V摇表摇B相对地绝缘为0，A、C两相均为300MΩ，到矿山配电室拆除进线电缆摇B相对地绝缘为0，A、C两相均为300MΩ，判断为总降至矿山电缆B相接地故障，随即沿电缆桥架检查电缆及中间接头情况未见异常，后采用高压脉冲发生器对电缆B相进行充电检查，发现在离矿山终点约100m处电缆有损伤（如图4），由于破损为有规则圆眼，且全部向廊道内侧对齐，检查桥架上亦有对应圆眼（如图5），于是判定为皮带廊道封装施工方人为破坏，证据确凿，施工方承认其为施工方便将电缆桥架作为檩条，在固定彩钢瓦板时燕尾丝打穿桥架内10kV电缆，发现异常放电后又将燕尾丝拆除。经抢修，矿山配电室于当晚21时送电正常。图4电缆损伤处图5电缆桥架

4、总结10kV系统中单相接地故障相对于三相短路更难排查，三相短路会直接造成开关柜保护跳闸，位置指向比较明确；单相接地故障有时故障能保持住，可更多时候故障只发生在一瞬间，然后恢复正常，没有特殊措施很难找到故障源，特别是出线较多的大系统，即使故障能保持住，原始办法是通过逐个对所有出线回路停电的办法进行验证，该方法最大缺点是没有故障的回路也要安排停机配合检查。我们采用的零序电流检测方法判断10kV单相接地故障方便快捷、定位准