電弧接地過電壓分析研究

張亞磊

摘要：電力系統中的大部分故障是單相接地故障，在中性點不接地系統中發生單相接地故障時，常出現電弧的燃燒與熄滅的不穩定狀態。這種間歇性的電弧將導致系統中電感、電容回路的電磁振蕩過程，產生遍及全電網的間歇性電弧接地過電壓，對電氣設備的絕緣也造成威脅。

關鍵詞：電弧接地過電壓;消弧線圈。

引言

運行經驗表明，電力系統中的大部分故障是單相接地故障，在中性點不接地系統中發生單相接地故障時，將有數值不大的接地電容電流流過故障點。這時故障相的對地電壓變為0，而另外兩相的對地電壓升高到線電壓。但系統三相電源電壓仍維持對稱，不影響對用戶繼續供電。因此允許帶故障運行一段時間（一般1.5 ～2 h），以便運行人員查明故障并進行處理，這就大大提高了供電可靠性。

隨著中國城市電網及農村電網改造力度的加大，以及城市現代化進程的快速推進，地下電纜得到了廣泛應用，導致配電網系統電容電流越來越大。由于電容電流的增大，當系統發生單相接地時不能可靠熄弧，使故障擴大，使其成為相間短路而導致線路跳閘，從而造成事故擴大。

1電弧接地過電壓產生的原因

在中性點不接地系統中，當發生一相對地短路故障時，常出現電弧，經過故障點的電容電流處于某一范圍內時，電弧既不能自動熄滅，又不會形成穩定持續的電弧，可能出現電弧的燃燒與熄滅的不穩定狀態。由于系統中存在電容和電感，這種間歇性的電弧將導致系統中電感、電容回路的電磁振蕩過程，產生遍及全電網的間歇性電弧接地過電壓。此時可能引起線路某一部分的振蕩，當電流振蕩零點或工頻零點時，電弧可能暫時熄滅，之后事故相電壓升高后，電弧則可能重燃，這種現象為間歇性電弧接地。

單相接地時流過故障點的容性電流與系統運行相電壓和各相對地電容成正比。電弧接地過電壓的發展過程和幅值大小與熄弧的時間有關。隨著情況不同，有兩種可能的熄弧時間，一種是電弧在過渡過程中的高頻電流過零時即可熄滅;另一種是電弧要到工頻電流過零時才能熄滅。工頻電流過零時熄弧的情況來說明這種過電壓的發展機理。故障點發弧光接地后，電路中將有一電磁振蕩過程。在這個振蕩過程中，故障相電容上的電荷通過電弧電流泄放入地，電壓突降到0。兩非故障相電容則有一個由電源線電壓通過電源內電感進行充電的高頻振蕩過程。以上分析是在一定的假定條件下進行的，事實上電弧燃燒與熄滅具有隨機性，即第一次發弧及重燃均發生在故障相電壓達到最大值的時刻，且熄弧發生在工頻電流過零的時刻。實際上電弧的燃燒與熄滅會受到發弧部位的周圍媒質和大氣條件等的影響，燃弧不一定發生在故障相電壓達最大值的時刻，熄弧也不一定是在工頻電流過零的時刻，也可能發生在第一次或幾次高頻電流過零后熄滅。所以電弧的熄滅和重燃具有強烈的隨機性，過電壓的數值也具有統計性。

2電弧接地過電壓的抑制措施

電弧接地過電壓與系統中性點的位移電壓有關，零序回路電荷的累積是造成中性點直流位移電壓的根源，如將中性點接地，這種過電壓就不會產生。這種過電壓的幅值并不太高，通常變壓器和其他電氣設備及線路的絕緣應能承受得住。但是這種過電壓遍及全系統，且持續時間較長，對于絕緣較弱的設備威脅較大，必須予以重視。

為了限制這種過電壓，最根本的防護辦法就是防止產生不穩定的電弧，盡量減少其產生的可能性，這可以通過改變中性點接地方式來實現。

（1）采用中性點直接接地方式

這時單相接地將造成很大的單相短路電流，斷路器將立即跳閘而切斷故障，經過一段短時間歇，讓故障點電弧熄滅后再自動重合.如能成功，可立即恢復送電;如不能成功，斷路器將再次跳閘，不會出現斷續電弧現象。我國110 kV及以上電網采用這種中性點接地的方式，在這些電網中不會出現這種過電壓。

（2）采用中性點經消弧線圈接地方式

對于66 kV及以下電網來說，采用中性點有效接地方式降低絕緣水平的經濟效益不明顯，所以大都采用中性點非有效接地方式，以提高供電的可靠性。當單相接地流過故障點的電容電流達到一定數值時，接地的電弧將難以自熄，需要裝設消弧線圈來補償，方能避免斷續電弧出現。消弧線圈是一個鐵芯可調節的電感線圈，將它裝設于中性點，這樣片區系統一旦發生單相接地時，可形成一個與接地電流大小近似相等、方向相反的電感電流與容性接地電流相補償，從而達到限制接地電流，避免在接地中性點經消弧線圈接地方式點形成弧光。同時即使是運行方式發生變化，使消弧線圈的補償度或脫諧度發生變化，而產生弧光接地，燃弧后電容的充放電電流要經過消弧線圈流回，而不會在故障點形成多次弧光重燃，這樣就有效地避免了接地點的間歇性燃弧，達到限制弧光過電壓的目的。由于消弧線圈的補償作用，流過接地點的電流減小了，當接地點的電很小時，接地點的電弧就不再發生重燃，從而限制了電弧接地過電壓的發展。

為了避免危險的中性點電位升高，最好使三相對地電容對稱。因此在電網中要進行線路換位。但由于實際上對地電容受各種因索影響是變化的，且線路數目也會有所增減，很難做列各相電容完全相等，為此要求消弧線圈不要處于完全調諧（全補償）工作狀態。通常消弧線圈采用過補償運行。之所以過補償是因為電網運行過程中可以逐漸發展成為欠補償運行。不至于像欠補償那樣因為電網的運行而導致脫諧度過大，失去消弧作用。其次是采用欠補償，在運行中部分線路可能退出，則可能形成完全補償，產生較大的中性點偏移，有可能引起零序網絡中產生嚴重的鐵磁諧振過電玨。中性點經消弧線圈接地后，在大多數情下能夠迅速地消除單相接地電弧而不破壞電網的正常運行，接地電弧一般不重燃，從而把單相電弧接地過電壓限制到最大運行相電壓的2.5倍以內。

電網中性點經消弧線圈接地方式有如下優點：①降低了電網絕緣閃絡（如雷擊閃絡）接地故障電流的建弧率，從而降低了線路跳閘率;②金屬性接地故障可帶單相接地運行，有利于電網的不間斷供電，提高了供電可靠性。

（3）選擇合適的過電壓保護裝置和加裝消弧柜

系統面臨的過電壓不僅僅是單相弧光接地過電壓，對于雷電過電壓、操縱過電壓、諧振過電壓等等仍然是存在的。因此正確的選擇和設置過電壓保護裝置，對于現有的電力網來說顯得異常重要。采用避雷器作為過電壓吸收裝置，還是目前電力系統的主要措施。目前大多電廠都加裝消弧柜，將單相弧光接地變為直接接地，用直接跳閘的方式防止事故的擴大。

結束語

各地電力系統的中性點接地方式都不盡相同，主要是根據自己的經驗和傳統，權衡利弊，因地制宜地選用。在電網發展的不同階段不同中性點接地方式的“利弊”是不同的，在電網發展初期，電容電流較小，電網結構薄弱，一般以中性點不接地方式運行為宜。隨著線路長度的增加和電力系統標稱電壓的提高，使高壓長線路的電弧接地故障難以自動消除，有時甚至發展為兩相短路故障。就應該采用中性點經消弧線圈接地方式。

參考文獻

[1] 韓愛芝， 曾定文， 魯鐵成. 配電網間歇性電弧接地過電壓的仿真分析與對策[J]. 高壓電器， 2010， 46（1）：72-75.

[2] 魯改鳳， 化雨， 金小兵，等. 小電流接地系統單相接地故障選線方法探究[J]. 電力系統保護與控制， 2010， 38（12）：44-49.

[3] 張志霞， 張欣雨. 配電網間歇性電弧接地故障選線方法[J]. 中國電力， 2013， 46（8）：108-111.

[4] 文遠芳，高電壓技術 [M]，華中科技大學出版，2001年.