弧光接地过电压分析及防止

常耀天

【摘 要】弧光接地过电压不仅会对电气设备造成破坏损伤,而且还会影响系统绝缘性能,引起短路事故.结合生产实际及计算,分析了其产生机理及影响因素,制定了切实可行的防范措施.

【期刊名称】《山西焦煤科技》 【年(卷),期】2018(042)004 【总页数】3页(P42-44)

【关键词】中性点不接地系统;单相接地;故障电流;过电压 【作 者】常耀天

【作者单位】山西兴能发电有限公司,山西 太原030206 【正文语种】中 文 【中图分类】TD612

1 单相接地故障分析

在电网故障中，单相接地故障约占60%以上，是系统故障的主要类型。发生在中性点不接地系统中的单相接地故障，其线电压间的平衡关系不会受到影响。同时，中性点不接地系统在发生单相接地故障时还具有以下优点：故障电流不大，不存在立即切除故障线路的必要。系统可以在带故障的情况下继续运行2 h，可以利用这部分时间查明故障原因并处理，提高了供电可靠性和经济性。虽然相电压在故障状

态下会陡升至线电压，倍的关系,但是系统电压等级依然在一个较低范围，适当地加大线路、设备绝缘裕度上的投资并不会导致过高的建设成本，故中性点不接地系统广泛应用于国内35 kV及以下的电网。

但是发生故障时电弧时燃时灭的不稳定状态，极易使系统中的电感电容元件产生电磁振荡，引发全系统的过电压，即弧光接地过电压。单相接地示意图及向量图见图1.

图1 a)是中性点不接地电网单相接地故障时的等效电路。图中C1、C2、C3分别为导线各相的对地电容，令C1=C2=C3=C，则中性点正常运行下的电位为零，即UN=0. 当A相发生接地故障时，中性点的电压升高为相电压，即UN=-UA，非故障相导线对地电位升为线电压UBA、UCA，见图1b)，I2、I3中的电流分别超前UBA、UCA90°，其绝对值为：

故障电流为：

单相接地时流过故障点的电容电流Ic与线路对地电容及额定电压成正比。工程上为了简化计算，通常以每千米线路每千伏电压产生的电容电流Ic表示。对于6～35 kV架空线路，每千米对地电容约为0.005～0.006 μF，应当注意若其中有避雷线则应该取较大的数值，水泥杆较木杆线路每千米电容值高出约10%. 图1 单相接地示意图及向量图

系统发生单相接地故障时单相接地电容电流直接影响间歇电弧是否产生。在线路较短、系统较小的情况下，故障时的电容电流也比较小，如雷击等的瞬时故障，电弧可在故障消除后自行熄灭，系统也能短时间内恢复正常运行。但是在较大的系统或是较高的电压等级下，故障时的电容电流会相应的增长。依据经验，10～35 kV电压等级，电容电流不小于10 A时，接地电弧基本没有自行熄灭的能力。即便是

电容电流处于5～10 A，也有资料显示母线设备因单相弧光接地过电压引发多次相间短路的故障。

根据弧光接地过电压的统计规律，弧光接地过电压一般不超过3.5倍的相电压。设备绝缘会因为长时间的过电压而受到损害，这种积累损伤容易导致相间出现短路故障，存在扩大事故的风险，特别是以电缆供电为主的输电系统中，电缆绝缘受到严重威胁。实际生产生活中，中性点经消弧线圈和电阻接地方式常被用来作为弧光接地过电压的措施方法。 2 产生弧光接地过电压的原因

当前，有3种研究电弧产生过程的理论：高频熄弧理论、工频熄弧理论以及熄弧恢复抗电强度理论。

高频熄弧理论：以高频振荡电流第一次过零时熄弧分析变化过程。 工频熄弧理论：以工频电流过零时熄弧分析变化过程。

熄弧恢复抗电强度理论：原苏联专家认为，分析过电压的变化过程不应主要研究电弧熄灭的时间，而应研究电弧熄灭后间隙的恢复抗电强度。电弧熄灭，弧道电流过零后，只要弧隙抗电强度的恢复速度比电压的快，就可避免重燃。

很长一段时间里，人们认为过电压幅值主要由电弧熄灭与重燃的时间来决定。由交流电弧理论可知，电弧熄灭于电弧电流过零时，而过零后，弧道的恢复电压和介质恢复强度之间的关系又决定了电弧是否会发生重燃。弧道故障电流按频率可分解为：工频电流分量和高频电流分量。高频电流主要产生于出现电弧的瞬间，此时自由振荡频率远超工频，故高频电流为故障瞬间的主要电流，而后迅速衰减，使得工频电流成为流经弧道的主要电流。由高频熄弧理论可知，高频振荡电压最大值于高频电流过零时出现，而大量电荷在电弧熄灭后残留在健全相上，故过电压幅值较高。由工频熄弧理论可知，电弧熄灭后只有少量的电荷残留在健全相上，故过电压幅值较低，但数值也基本接近电网中实测的过电压幅值。两种理论分析的过电压幅值虽然

结果并不完全相同，但是两者对过电压形成原理看法却是一致的。 3 弧光接地过电压的影响因素

影响过电压幅值的因素主要有以下几点：

1) 间歇电弧具有随机性。产生电弧处的介质和环境条件的不同，直接对弧光接地的发展过程产生影响，这种随机性使过电压的幅值具有一定统计规律。

2) 导线相间电容。图2为考虑相间电容时中性点不接地系统的等值电路，设线路完全对称，则C1=C2=C3=C，C12=C23=C31=Cm.在故障点燃弧后，电路上C12与C23、C31并联，因为电弧产生前的相间电容和相对地电容上的电压不同，电荷在电弧产生后振荡过程前得到了重新分配，致使非故障相电压升高，与稳态时的压差较小，降低了过电压幅值。

图2 考虑相间电容中性点不接地系统的等值电路图

3) 电网中的电阻。振荡回路因电源内阻、导线电阻、电弧的电阻等的存在，产生有功消耗，加速振荡衰减。

4) 对地泄露电导。电弧熄灭后，泄露电导使得导线对地电容中储存的电荷逐渐减少，其速度与线路绝缘等因素有关。电网中性点电位因电荷泄漏而偏移减小，弧光接地过电压也因而降低。 4 防治措施

消除间歇性电弧是防止弧光接地过电压产生的基本方法，因此，可依据现场实际运行情况，采取下列措施：

1) 小电阻接地。采用该方法的电网在故障时，接地电流较大，可通过保护快速切除故障线路。同时电荷可由中性点直接入地，避免故障过电压的产生，但其接地故障电流较大，单相接地故障不能连续运行使可靠性降低，故此方案执行条件较为繁杂。

2) 高电阻接地。选择适当的电阻值，可以抑制单相接地故障时健全相的过电压倍

数不超过额定相电压的2.6倍，避免故障扩大。单相接地故障时，故障点流过一定值的电阻性电流，保证馈线的零序保护动作。适用于接地电流小于10 A但为了降低弧光接地过电压水平和便于寻找接地故障点的情况。

3) 消弧线圈接地。采用该方法不仅可以补偿单相接地的电容电流，同时削减了燃弧电压的恢复速度，加速电弧熄灭，减小了发生故障过电压的概率。

4) 在长线路中性点不接地电网中，出现单相接地电容电流较大的情况，可分网运行，使电容电流能够得到有效的降低，利于电弧熄灭。

5) 采用三相组合式过电压保护器。三相组合式过电压保护器结构新颖，采用氧化锌和放电间隙组合而成，能有效防止不同类型的过电压。 参 考 文 献

【相关文献】

[1] 国家电网公司.小电流接地系统单项接地故障选线装置技术规范[M].北京：中国电力出版社,2010:3-5.

[2] 张龙钦.现代配电网单相弧光接地过电压[M].北京:中国电力出版社,2017:78-82. [3] 王清亮.单相接地故障分析与选线技术[M].北京:中国电力出版社,2013:55-60.

[4] 杨以涵.中压配电网单相接地故障选线及定位技术[M].北京:中国电力出版社,2014:90-108.