基于云管控的接地故障防控措施與其它解決方案的比較

吳剛

摘要：為了保證企業電力系統的安全運行，在項目初設階段，對于系統中性點接地方式的選取特別重要。系統的中性點接地方式的選取，涉及電網的安全性、穩定性、可靠性，與系統的絕緣水平息息相關;對主變、斷路器、電力電纜等電氣設備的選型影響很大。一般情況下，我國電網-特別是3～35kV的企業電網，系統中性點一般采用不直接接地的方式;采用該方式后，在系統發生單相弧光接地時，弧光接地過電壓的危害及選線準確率問題較為突出，為解決上述問題，出現了多種消弧措施及組合方案，本文對此進行了比較。

關鍵詞：中性點接地方式;弧光接地過電壓;消弧線圈;電阻柜;消弧柜;云管控

1.中性點接地方式

依據美國電機工程師學會第32號標準的規定，“當在電力系統或電力系統的指定部分所有各點上，不論運行情況如何以及連接的發電機容量多大，零序電抗對正序電抗之比都不大于3，而且零序電阻對正序電抗之比不大于1時，該電力系統或電力系統的這部分可被認為是中性點有效接地的。當電力系統不是全部有效接地，而在電力系統的一個指定部分所有各點上，上述要求滿足時，可認為該部分是有效接地的。”因此，當電力系統中發生單相接地故障時，只要指定部分各點滿足零序電抗X0與正序電抗X1之比小于或等于3、且零序電阻R0與正序電抗X1之比小于或等于1，該電力系統即屬于中性點有效接地系統。對于中性點有效接地系統外的系統，均為中性點非有效接地系統。

按照單相接地時的電流來說，中性點接地方式又可分為“大電流接地方式”與“小電流接地方式”兩種;大電流接地方式發生單相接地故障時，需要通過故障線路的斷路器來切除故障;小電流接地系統發生單相弧光接地故障時，接地電弧大多可以自動熄滅。我國的中壓電網，大多采用小電流接地方式。

2.單相弧光接地過電壓的危害

小電流接地系統中，單相弧光接地是威脅電力系統安全運行的主要因素，中性點接地方式的選取，直接影響到單相接地時過電壓的水平和危害程度，對于企業電網來說，3～35kV的中壓電網基本上都采用中性點不直接接地的方式。因此，穩定的金屬性接地對系統的危害不大，金屬性接地時，系統線電壓的幅值、相位都沒有變化。

3.消弧線圈抑制弧光過電壓的技術

消弧線圈實質上是一個可以進行調節的電感線圈，其原理是：利用感性電流補償接地故障產生的電容電流，減小乃至完全消除殘余電流，降低產生接地電弧的可能性;同時，減慢電弧過零熄弧后故障相電壓的恢復初速度及幅值，減少電弧重燃次數，降低了發生弧光接地過電壓的可能性[1]。

裝置的構成一般包括：為系統提供人工中性點的接地變壓器;在系統中性點與地之間接入的提供感性補償電流的消弧線圈;控制消弧線圈行為的控制器;以及保證成套裝置正常工作的相關輔助設備。裝置典型構成示意圖如圖1所示。

目前市場上自動跟蹤補償消弧線圈裝置是在工頻（ 50Hz）條件下工作的，在高頻振蕩的過渡過程中，由于消弧線圈和電網電容兩者的頻率特性相差懸殊，是不能互相補償。而系統單相接地故障的發生，是以間歇性電弧開始的，單相接地故障最危險的時刻也是發生在單相間歇性電弧接地階段，此時在非故障相上產生的弧光接地過電壓最高可達3.5～7倍相電壓，通過電弧接地故障點的高頻振蕩電流最打可達數千安，時間雖短電弧危害卻很大【2】。運行經驗表明，中性點經消弧線圈接地的系統中在發生弧光接地時，在非故障相上的過電壓倍數最大值仍與中性點不接地系統一樣，只是出現的概率小寫。因此自動跟蹤補償消弧線圈裝置是不能“消除弧光接地過電壓”的[3]。

4.小電阻接地抑制弧光過電壓的技術

該技術工作原理：利用中性點電阻器實現快速泄放接地電弧熄弧后半個周波內線路對地電容所積蓄的能量，使得電弧難以重燃并達到抑制過電壓幅值的目的。此外，中性點經小電阻接地系統通常還會配置零序保護，零序電流作用于開關跳閘，保證當系統發生單相接地故障時，能夠快速切斷故障線路，減小故障影響范圍。

5.故障相金屬接地抑制弧光過電壓的技術

該技術工作原理是在系統發生單相弧光接地故障時，通過接觸器或斷路器將故障相金屬接地;在故障相變成金屬接地后，故障相對地電壓為零，弧光接地現象自然就會消除，原理如圖2所示。

在系統使用該消弧技術后可以達到如下效果：

（1） 故障相直接與地網連接，故障相電壓為0，工頻電弧和高頻電弧都將立即熄滅;非故障相上的過電壓立即變為線電壓，系統中的設備可以在這個電壓下安全運行;

（2） 由于電弧被熄滅，過電壓被限制在安全水平，故障不會再繼續發展，為用戶倒閘操作嬴得了時間，避免造成被迫停電;

（3） 由于弧光接地的持續時間大大縮短，過電壓的能量降低到過電壓保護器允許400A 2ms 能量指標以內，避免了過電壓保護器爆炸事故;

（4） 由于母線過電壓被限制在較低的水平，可避免激發鐵磁諧振過電壓。[4]

6.基于云管控的抑制弧光接地過電壓的技術

上述幾種單相接地故障防控方案在企業電網中都存在一定局限性，為了徹底消除各種過電壓，提高選線的準確率，響應國家“節能減排”的號召，充分合理利用配電室空間，減少操作人員對電氣設備維護檢修的工作量、提高工作效率，優化各類產品結構及功能，提高對設備的運行狀態的監控，一種基于云管控的組網選線抑制弧光接地過電壓的技術方案在系統中得到廣泛應用。

智慧電網云管控系統增加了智能監測、云端管控處理措施，方便用戶實時了解系統的運行狀況，改善小電流選線算法以提高選線的準確率，采取多種手段消除系統中的各種過電壓，保護設備的絕緣不受損壞。

該優化方案的特點如下：1）加裝無線組網選線錄波裝置【5】，實現無線組網。2）利用進口德國固態電容高壓電涌吸收裝置形成全相線過電壓保護。3）PT中性點加裝特制全相線阻尼消諧裝置（如圖3），徹底消除諧振達到理想消諧效果。

智慧電網云管控系統成套裝置主要由無線組網精準選線錄波裝置【6】、全相線全電壓過電壓保護裝置、全絕緣抗飽和PT、固態電容高壓電涌吸收裝置（原裝德國進口）、智慧電壓全電壓監測終端、隔離手車、特制全相線阻尼線性消諧器、控制器、2臺柜體等組成（圖4）。

7.結論

消弧線圈盡管目前使用廣泛，但并不能“消除弧光接地過電壓”，存在放大故障的現象。

小電阻接地方式通過犧牲企業供電可靠性直接切除單相接地故障回路。

故障相金屬接地（消弧柜）技術自2000年開始，已在企業電網得到應用，目前在企業電網應用廣泛，反響較好;2014年，國網寧夏公司引入供電系統，供電系統目前正逐漸加大使用量。

參考文獻

[1]張龍欽主編 《現代配電網單相弧光接地過電壓》 中國電力出版社 2017年7月

[2]李哈乞夫（蘇聯）著，吳維誠，能曉農譯.消弧設備的選擇、裝設和運行[M].北京：電力工業出版社，1956.