弧光接地過電壓的分析方法探討

顏建國，平紹勛

(江蘇如皋供電公司，江蘇 如皋 226500)

單相接地是電網的主要故障形式，約占60%以上。在中性點不接地系統內，發生穩定性單相接地，這種故障并不改變變壓器三相繞組間電壓對稱性，即線路之間的電壓關系不變。由于接地的故障電流不大，因而不需要立即切除故障線路，允許在2 h內可以繼續向用戶供電，這是中性點不接地系統所帶來的優點。

但在單相接地故障中，絕大部分為電弧不穩定，處于時燃時滅的狀態，這種間隙性電弧接地使系統工作狀態時刻在變化，導致電感電容元件之間的電磁振蕩，形成遍及全系統的過電壓，這就是間隙性電弧接地過電壓，也稱弧光接地過電壓。是否在單相接地時產生間隙電弧，與系統單相接地電流大小直接相關。若系統較小，線路又不長，其單相接地電容電流也小，一些暫時性單相弧光接地電流（因鳥害、雷擊等）故障過后電弧可自動熄滅，系統很快恢復正常。隨著電壓的提高和系統的發展，單相接地電容電流會成比例地增長。運行經驗表明，10～35kV電容電流超過10 A時，此時的接地電弧將難以自動熄滅。有資料顯示在電容電流為5～10 A時，也曾多次發生因單相弧光接地過電壓造成母線設備對地發生閃絡擴大為相間短路的事故。

1 基于工頻熄弧理論分析方法

弧光接地過電壓產生過程的主要理論有：工頻熄弧理論和高頻熄弧理論。

以工頻電流過0時熄弧來分析過電壓發展過程的，稱為工頻熄弧理論；以高頻振蕩電流第一次過0時熄弧來分析電壓發展過程的，稱為高頻熄弧理論。

三相交流電壓uA，uB和uC發生A相弧光接地時過電壓生成的過程波形如圖1所示。

圖1 工頻熄弧時弧光接地時過電壓的發展過程

在t1時，A相接地燃弧后，B相、C相分別發生對地電容的高頻振蕩的充電過程，在t2時刻含有工頻和高頻分量的故障電流i（t），其工頻分量為0，起始階段i（t）中主要是以高頻分量為主，但其衰減很快。工頻電流的熄弧要待過0時才能發生，所以要過半個周期后，即在時，因此電弧會持續0.01 s。經過半周波到達t2后電弧熄滅，B相、C相電容電壓變為1.5Uphm。在熄弧過程中，正常相與故障相的對地電容電荷將重新分配，直至各相電容上電壓相等。這樣，使得不接地系統中性點對地偏移一個直流電位Uphm。這一電荷重新分配過程實質上就是電容C2（B相），C3（C相）通過電源對C1充電的高頻振蕩過程。熄弧過程中故障相電容電壓穩態值為：

振蕩過程中電壓最大值可達：

由上述分析可知，按工頻熄弧理論分析得到過電壓倍數最大為3.5倍，但由于相間電容和故障點絕緣恢復的影響，且故障時也不一定在電壓最大時刻發生，因此，過電壓倍數一般小于3.5倍。從圖1可以看出，過電壓波形具有同一極性，且故障相不會產生振蕩過程[1]。

2 基于高頻熄弧理論分析方法

中性點不接地電網A相接地，如圖2所示。

圖2 中性點不接地電網A相接地

圖2中， 電源電動勢 Ea=Umsin （ωt），Eb=Umsin（ωt-120°），Ec=Umsin（ωt+120°）。圖中 L 為電源漏電感，r為系統等值電阻，CM為線間電容，CN為每相線路對地電容，導線間電容忽略不計。

設故障A相每次在電壓最大值時燃弧，則在接地一瞬間 t=t1時，ua（t1）=-Um；ub（t1）=uc=0.5Um；uca（t1）=uba（t1）=15Um。

此時，在相間電容CM與對地電容CN上原有的電荷要產生激烈的振蕩進行重新分配，于是使B相、C相對地電壓從0.5Um上升到自由振蕩的初始電壓 Uc，即：

在高頻振蕩電流第一次過0時熄滅，由此產生的中性點電壓UN將比工頻半周增大。電弧重燃后，電荷將通過電弧接地而被泄放一部分，不會無限制地積累和上升，由此可求得中性點位移電壓為：

式（6）中：Ubm，Ucm分別為B相和C相的過電壓，且相等。

當K=0，d=0時，Ubm=7.5。從理論上可以得出高頻熄弧理論的最大過電壓值為7.5倍相電壓[1]。

3 分析和討論

長期以來，大多數研究人員認為電弧的熄滅與重燃的時間是決定最高過電壓的主要因素。根據交流電弧理論，交流電弧過0時電弧熄滅，而電弧是否重燃，取決于電流過0后弧道的恢復電壓與介質恢復強度之間的相對關系。系統單相接地時通過弧道的電流有兩個分量：工頻電流（強制）分量和高頻電流（自由）分量。燃弧瞬間出現的自由振蕩頻率遠遠高于工頻，故接地瞬間弧道中的電流為高頻電流為主，高頻電流迅速衰減后，弧道中的電流為工頻電流。在分析間隙電弧接地過電壓時主要有兩種假設：以高頻電流第一次過0熄弧為前提進行分析，即高頻熄弧理論。按此分析，過電壓較高，因高頻電流過0時，高頻振蕩電壓為最大值，熄弧后殘留在非故障相上的電荷量較大，故電壓較高。以工頻電流第一次過0熄弧為前提進行分析，稱工頻熄弧理論。按此分析，熄弧后殘留在非故障相上的電荷量較小，過電壓值較低，但接近系統中實測的過電壓值。雖二者所得出的過電壓值不同，但反映過電壓形成的物理本質是相同的。產生弧光過電壓的過電壓倍數有其概率性，不能一概而論按工頻熄弧理論弧光過電壓倍數不會超過3.5倍相電壓，這實質上是否認弧光過電壓存在危害性。

以兩起因弧光過電壓造成的事故為例。一次事故是一座35kV農村變電站，10kV架空線路約210 km，線路對地電容電流為7.5 A。事發當天天氣晴朗，因線路發生單相接地時，室內出線柜內少油斷路器邊相對柜的金屬隔板放電，主變壓器10kV進線柜過流1 s后跳閘。經檢查，10kV控制室10kV母線單相接地光字牌亮，一出線柜內少油斷路器邊相有燒傷痕跡，金屬隔板燒穿有一直徑約5 cm的洞，少油斷路器邊相至金屬隔板距離有18 cm。3.5倍相電壓是不可能擊穿的。

另一次事故是一座110/35/10kV的城市變電站，10kV架空線路和電纜混合，線路對地電容電流為9.2 A，事故當天天氣晴朗，因是春節期間負荷較輕，10kV線路發生單相接地的時候，造成室內10kV母線4組隔離開關對地放電，其中三組緊挨一起，另一組與其他三組中間隔一間隔，說明系統發生單相接地時，10kV母線都發生過電壓。經過檢查，控制室10kV母線單相接地光字牌亮，主變壓器10kV進線過電流1 s跳閘。該變電站的檢修才一個月，母線也曾清掃過。后經江蘇省電力公司電力科學研究院專家到場后確認，這是一起弧光過電壓事故。綜上所述，兩起事故說明了弧光接地過電壓危害性較大。

4 結束語

目前，在我國現行規程DL/T 620—1997《交流電氣裝置過電壓保護和絕緣要配合》的提法中，提出間隙性弧光過電壓一般不超過3.5倍[2]。根據本文上述的兩起事故案例，這一提法不嚴格，且值得商榷。另外廣州局與武高所在《10kV城市電網中性點經電阻接地方式的研究》一文中，也對這一提法提出了疑問。為進一步正確表述弧光過電壓的理論特性，建議采用IEEE的提法，即間歇性弧光過電壓一般不超過3.9倍的提法。

[1]平紹勛，周玉芳.電力系統中性點接地方式及運行分析[M].北京：中國電力出版社，2010.

[2]DL/T 620—1997，交流電氣裝置過電壓保護和絕緣配合[S].