弧光接地過電壓的分析方法探討

顏建國(guó)，平紹勛

(江蘇如皋供電公司，江蘇 如皋 226500)

單相接地是電網(wǎng)的主要故障形式，約占60%以上。在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)內(nèi)，發(fā)生穩(wěn)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(duì)稱性，即線路之間的電壓關(guān)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(nèi)可以繼續(xù)向用戶供電，這是中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)所帶來的優(yōu)點(diǎn)。

但在單相接地故障中，絕大部分為電弧不穩(wěn)定，處于時(shí)燃時(shí)滅的狀態(tài)，這種間隙性電弧接地使系統(tǒng)工作狀態(tài)時(shí)刻在變化，導(dǎo)致電感電容元件之間的電磁振蕩，形成遍及全系統(tǒng)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(shí)產(chǎn)生間隙電弧，與系統(tǒng)單相接地電流大小直接相關(guān)。若系統(tǒng)較小，線路又不長(zhǎng)，其單相接地電容電流也小，一些暫時(shí)性單相弧光接地電流（因鳥害、雷擊等）故障過后電弧可自動(dòng)熄滅，系統(tǒng)很快恢復(fù)正常。隨著電壓的提高和系統(tǒng)的發(fā)展，單相接地電容電流會(huì)成比例地增長(zhǎng)。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，10～35kV電容電流超過10 A時(shí)，此時(shí)的接地電弧將難以自動(dòng)熄滅。有資料顯示在電容電流為5～10 A時(shí)，也曾多次發(fā)生因單相弧光接地過電壓造成母線設(shè)備對(duì)地發(fā)生閃絡(luò)擴(kuò)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(chǎn)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(shí)熄弧來分析過電壓發(fā)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(shí)熄弧來分析電壓發(fā)展過程的，稱為高頻熄弧理論。

三相交流電壓uA，uB和uC發(fā)生A相弧光接地時(shí)過電壓生成的過程波形如圖1所示。

圖1 工頻熄弧時(shí)弧光接地時(shí)過電壓的發(fā)展過程

在t1時(shí)，A相接地燃弧后，B相、C相分別發(fā)生對(duì)地電容的高頻振蕩的充電過程，在t2時(shí)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(shí)才能發(fā)生，所以要過半個(gè)周期后，即在時(shí)，因此電弧會(huì)持續(xù)0.01 s。經(jīng)過半周波到達(dá)t2后電弧熄滅，B相、C相電容電壓變?yōu)?.5Uphm。在熄弧過程中，正常相與故障相的對(duì)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(tǒng)中性點(diǎn)對(duì)地偏移一個(gè)直流電位Uphm。這一電荷重新分配過程實(shí)質(zhì)上就是電容C2（B相），C3（C相）通過電源對(duì)C1充電的高頻振蕩過程。熄弧過程中故障相電容電壓穩(wěn)態(tài)值為：

振蕩過程中電壓最大值可達(dá)：

由上述分析可知，按工頻熄弧理論分析得到過電壓倍數(shù)最大為3.5倍，但由于相間電容和故障點(diǎn)絕緣恢復(fù)的影響，且故障時(shí)也不一定在電壓最大時(shí)刻發(fā)生，因此，過電壓倍數(shù)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(huì)產(chǎn)生振蕩過程[1]。

2 基于高頻熄弧理論分析方法

中性點(diǎn)不接地電網(wǎng)A相接地，如圖2所示。

圖2 中性點(diǎn)不接地電網(wǎng)A相接地

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

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

此時(shí)，在相間電容CM與對(duì)地電容CN上原有的電荷要產(chǎn)生激烈的振蕩進(jìn)行重新分配，于是使B相、C相對(duì)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(shí)熄滅，由此產(chǎn)生的中性點(diǎn)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(huì)無限制地積累和上升，由此可求得中性點(diǎn)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(dāng)K=0，d=0時(shí)，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(zhǎng)期以來，大多數(shù)研究人員認(rèn)為電弧的熄滅與重燃的時(shí)間是決定最高過電壓的主要因素。根據(jù)交流電弧理論，交流電弧過0時(shí)電弧熄滅，而電弧是否重燃，取決于電流過0后弧道的恢復(fù)電壓與介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度之間的相對(duì)關(guān)系。系統(tǒng)單相接地時(shí)通過弧道的電流有兩個(gè)分量：工頻電流（強(qiáng)制）分量和高頻電流（自由）分量。燃弧瞬間出現(xiàn)的自由振蕩頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(shí)主要有兩種假設(shè)：以高頻電流第一次過0熄弧為前提進(jìn)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(shí)，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(jìn)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(tǒng)中實(shí)測(cè)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(zhì)是相同的。產(chǎn)生弧光過電壓的過電壓倍數(shù)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(shù)不會(huì)超過3.5倍相電壓，這實(shí)質(zhì)上是否認(rèn)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(nóng)村變電站，10kV架空線路約210 km，線路對(duì)地電容電流為7.5 A。事發(fā)當(dāng)天天氣晴朗，因線路發(fā)生單相接地時(shí)，室內(nèi)出線柜內(nèi)少油斷路器邊相對(duì)柜的金屬隔板放電，主變壓器10kV進(jìn)線柜過流1 s后跳閘。經(jīng)檢查，10kV控制室10kV母線單相接地光字牌亮，一出線柜內(nèi)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(duì)地電容電流為9.2 A，事故當(dāng)天天氣晴朗，因是春節(jié)期間負(fù)荷較輕，10kV線路發(fā)生單相接地的時(shí)候，造成室內(nèi)10kV母線4組隔離開關(guān)對(duì)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(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)，10kV母線都發(fā)生過電壓。經(jīng)過檢查，控制室10kV母線單相接地光字牌亮，主變壓器10kV進(jìn)線過電流1 s跳閘。該變電站的檢修才一個(gè)月，母線也曾清掃過。后經(jīng)江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院專家到場(chǎng)后確認(rèn)，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(jié)束語

目前，在我國(guó)現(xiàn)行規(guī)程DL/T 620—1997《交流電氣裝置過電壓保護(hù)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(jù)本文上述的兩起事故案例，這一提法不嚴(yán)格，且值得商榷。另外廣州局與武高所在《10kV城市電網(wǎng)中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地方式的研究》一文中，也對(duì)這一提法提出了疑問。為進(jìn)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(tǒng)中性點(diǎn)接地方式及運(yùn)行分析[M].北京：中國(guó)電力出版社，2010.

[2]DL/T 620—1997，交流電氣裝置過電壓保護(hù)和絕緣配合[S].