間歇單相接地產(chǎn)生過電壓的探討與抑制

李鴻彬

（徐州供電公司 江蘇 徐州 221000）

間歇單相接地產(chǎn)生過電壓的探討與抑制

李鴻彬

（徐州供電公司 江蘇 徐州 221000）

本文淺析了小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障的危害，單相弧光接地的一般抑制方法，氧化鋅避雷器對(duì)過電壓的抑制優(yōu)缺點(diǎn)，消弧線圈抑制單相弧光接地的優(yōu)缺點(diǎn)，使用消弧線圈抑制單相接地的改進(jìn)設(shè)想，并由此提出運(yùn)用消弧裝置對(duì)間歇單相接地故障的抑制方法等綜合措施,可以極大的提高電網(wǎng)的安全性和可靠性。

單相接地；過電壓；探討與抑制

0 概述

小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地是電網(wǎng)運(yùn)行的常見的主要故障形式，單相接地的弧光過電壓，由于不采用措施，就難以避免過電壓對(duì)系統(tǒng)中所可能產(chǎn)生的不利因素，對(duì)于發(fā)生在3-35kV中性點(diǎn)非直接接地的電網(wǎng)中的間歇性電弧接地過電壓及諧振過電壓，幅值高、持續(xù)時(shí)間長，對(duì)電氣設(shè)備的內(nèi)絕緣造成積累性損傷，在外絕緣薄弱點(diǎn)造成對(duì)地間隙擊穿或相間閃絡(luò)引發(fā)短路事故，造成高壓設(shè)備爆炸。

在中性點(diǎn)不接地電網(wǎng)中，單相接地并不改變?nèi)嘞到y(tǒng)電壓的對(duì)稱性，電網(wǎng)的線電壓的量值仍維持不變，且仍具有120°的相位差，三相用電設(shè)備的工作并未受到影響，因而不影響電能的正常傳輸,供電可靠性較高。另外中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中，相與地間的絕緣是按線電壓考慮的，在發(fā)生一相接地時(shí)，對(duì)線路絕緣及各類電氣設(shè)備如變壓器、電流/電壓互感器、斷路器等是沒有危險(xiǎn)的。所以，我國35kV及以下配電網(wǎng)中性點(diǎn)絕大部分采用非有效接地的運(yùn)行方式。

1 單相接地的危害

對(duì)于發(fā)生在3-35kV中性點(diǎn)非直接接地的電網(wǎng)中的間歇性電弧接地過電壓及諧振過電壓，幅值高、持續(xù)時(shí)間長，對(duì)電氣設(shè)備的內(nèi)絕緣造成積累性損傷，在外絕緣薄弱點(diǎn)造成對(duì)地間隙擊穿或相間閃絡(luò)引發(fā)短路事故，造成氧化鋅避雷器爆炸。

危及3-35kV電網(wǎng)絕緣安全的主要因素是大氣（即雷電，下同）過電壓與內(nèi)部過電壓，因而長期以來采取的過電壓保護(hù)措施僅是以防止大氣過電壓對(duì)設(shè)備的侵害。主要技術(shù)措施僅限于裝設(shè)各種類型的避雷器。其保護(hù)值較高，一般為正常運(yùn)行時(shí)相對(duì)地電壓峰值的4倍，因而僅對(duì)保護(hù)雷電侵害有效，對(duì)于內(nèi)部過電壓不起任何保護(hù)作用。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)證明，當(dāng)這類電網(wǎng)發(fā)展到一定規(guī)模時(shí)，內(nèi)部過電壓，特別是電網(wǎng)發(fā)生單相間隙性的弧光接地時(shí)產(chǎn)生的弧光接地過電壓及特殊條件下產(chǎn)生的鐵磁諧振過電壓已成為這類電網(wǎng)設(shè)備及安全運(yùn)行的一大威脅，其中以單相弧光接地過電壓為最。目前，抑制這種過電壓的主要措施仍是電網(wǎng)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地。

2 單相弧光接地的一般抑制方法

運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)證明，中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的電網(wǎng)，單相弧光接地過電壓造成的設(shè)備損壞及影響系統(tǒng)運(yùn)行安全的事故仍時(shí)有發(fā)生，其原因是消弧線圈是分級(jí)調(diào)諧的，一旦系統(tǒng)運(yùn)行方式變化，饋線的增加及減少，原補(bǔ)償狀態(tài)就被破壞，故障狀態(tài)下很難達(dá)到理想的補(bǔ)償效果；另外，消弧線圈伏安特性的好壞、電網(wǎng)頻率和電壓的波動(dòng)、三相負(fù)荷不平衡、電容電流的自然變化和自然界一些氣象條件等因素都影響故障點(diǎn)接地電弧的熄滅，使中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的電網(wǎng)同樣會(huì)發(fā)生單相弧光接地過電壓。

3 氧化鋅避雷器對(duì)過電壓的抑制優(yōu)缺點(diǎn)

當(dāng)今電力系統(tǒng)廣泛使用的過電壓保護(hù)裝置是無間隙金屬氧化鋅避雷器。在電力網(wǎng)中出現(xiàn)過電壓時(shí)，無論電壓高低、能量大小、持續(xù)時(shí)間長短，無間隙金屬氧化鋅避雷器都會(huì)動(dòng)作，以泄放過電壓能量。在中性點(diǎn)非直接接地電網(wǎng)中，無間隙金屬氧化鋅避雷器因承受不住間隙性電弧接地過電壓和諧振過電壓能量應(yīng)力，其設(shè)計(jì)都避開這兩種過電壓，其額定電壓、運(yùn)行電壓、參考電壓值都高，從而使殘壓過高，降低了過電壓保護(hù)水平。對(duì)于帶串聯(lián)間隙的金屬氧化鋅避雷器，用串聯(lián)間隙隔斷上述過電壓，選用較低的參考電壓值，降低殘壓。但實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，帶串聯(lián)間隙金屬氧化鋅避雷器仍時(shí)有爆炸，其原因仍然是這種矛盾作用的結(jié)果，串聯(lián)了間隙，提高了避雷器起始動(dòng)作電壓，一旦發(fā)生長時(shí)間存在的超過間隙放電電壓值的過電壓，避雷器仍然不能承受。過電壓對(duì)設(shè)備的危害，既決定于其幅值的大小，又決定于累積時(shí)間的長短，帶串聯(lián)間隙金屬氧化鋅避雷器對(duì)內(nèi)部過電壓不起限制作用，而由設(shè)備絕緣承受所有可能出現(xiàn)的內(nèi)部過電壓，頻發(fā)的內(nèi)部過電壓加速絕緣老化，影響其壽命。

4 消弧線圈抑制單相弧光接地的優(yōu)缺點(diǎn)

目前國外（國內(nèi)也有少數(shù)地區(qū)開始試用）對(duì)此類電網(wǎng)采取中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地來限制弧光接地及諧振過電壓，但這種系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)，不論單相接地故障是瞬間的、還是永久性的，都直接將故障接地線路切除，明顯降低了供電可靠性，而電力系統(tǒng)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，單相接地故障絕大多數(shù)是瞬間的，特別是架空線路的電網(wǎng)，這樣必然造成停電事故的急劇增多，這對(duì)生產(chǎn)工藝連續(xù)性強(qiáng)，安全要求高的工礦企業(yè)是很不利的。

目前，限制弧光接地過電壓的主要措施仍是電網(wǎng)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地。但消弧線圈并不能消除間隙性電弧接地過電壓，也不能限制過電壓的幅值，甚至使弧光接地過電壓升高。消弧線圈不能補(bǔ)償接地電流中的高頻分量和有功分量，高頻性的間隙電弧接地仍然存在；在有功分量或殘余電流大于一定值時(shí)，故障點(diǎn)接地電弧同樣不能自熄。實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)也證明，在中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的3-35kV電網(wǎng)中，由電弧接地引發(fā)的事故時(shí)有發(fā)生。對(duì)于采取將間歇性電弧接地轉(zhuǎn)變?yōu)槟妇€金屬性直接接地的消弧措施，不僅由絕緣下降引起的單相接地，發(fā)展為兩相或三相短路事故仍然存在，而且在母線接地和斷開的瞬間造成對(duì)系統(tǒng)的沖擊，特別是斷開接地母線（相當(dāng)于開斷電容器）瞬間產(chǎn)生的暫態(tài)過電壓，使在絕緣水平下降由過電壓沖擊引起的單相間隙電弧接地仍然再次發(fā)生，不但不能消除瞬間單相接地故障，反而將瞬間性故障轉(zhuǎn)變?yōu)槟妇€永久性接地故障，嚴(yán)重威脅著電網(wǎng)安全運(yùn)行。

電氣設(shè)備總是具有電感或電容屬性。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行操作或發(fā)生故障時(shí)，這些電感、電容元件形成振蕩回路，產(chǎn)生諧振，導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)嚴(yán)重的諧振過電壓，危及電氣設(shè)備絕緣，諧振持續(xù)的過電流甚至燒毀小容量電感元件設(shè)備。

現(xiàn)有運(yùn)行規(guī)程規(guī)定，當(dāng)非直接接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，允許繼續(xù)運(yùn)行兩小時(shí),如果單相接地故障為間隙性的弧光接地，過電壓的值最高可達(dá)3.5倍正常運(yùn)行相電壓的峰值，這樣高的電壓數(shù)小時(shí)作用于電網(wǎng)，勢(shì)必造成電氣設(shè)備內(nèi)絕緣的積累性損傷及在外絕緣薄弱點(diǎn)造成對(duì)地?fù)舸┗蚓€間閃絡(luò)而引發(fā)成短路事故。

隨著我國城網(wǎng)及農(nóng)網(wǎng)大規(guī)模的技術(shù)改造，電纜線路越來越多，必然導(dǎo)致電容電流越來越大，要求補(bǔ)償用的消弧線圈容量也須隨之加大，對(duì)電容電流達(dá)上百安培的系統(tǒng)，可能需要幾臺(tái)消弧線圈，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)行可靠性差，占地、經(jīng)濟(jì)上都比較困難，同時(shí)，一個(gè)變電站饋線是逐漸增多的，接地電容電流逐漸增大，并且運(yùn)行中電容電流變化范圍也較大，自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償消弧線圈的跟蹤范圍有限，不更換容量合適的消弧線圈，也就難以滿足補(bǔ)償要求。

在中性點(diǎn)不接地或消弧線圈補(bǔ)償電網(wǎng)中，威脅設(shè)備絕緣的另一過電壓是諧振過電壓，為了解決這類過電壓對(duì)設(shè)備的侵害，目前主要采用各種類型的專用消諧器，不僅增加投資，且一些消諧器都有不能正確地區(qū)分基波諧振和單相接地的共同缺點(diǎn)，也就不能保證只在基波諧振發(fā)生時(shí)動(dòng)作。

隨著城鄉(xiāng)電網(wǎng)的發(fā)展以及生產(chǎn)、生活對(duì)供電可靠性的要求越來越高，每次絕緣事故造成的危害及波及面勢(shì)必增加，因而尋找新的、更有效的、能抑制弧光過電壓和諧振過電壓對(duì)這類電網(wǎng)的侵害，提高這類電網(wǎng)運(yùn)行可靠性的方法，已成為新的課題。

5 使用消弧線圈抑制單相接地的改進(jìn)設(shè)想

目前3-35kV中性點(diǎn)非有效接地的電力系統(tǒng)中，廣泛采用消弧線圈消除系統(tǒng)接地弧光，如果能克服如下方案，將具有優(yōu)越伏安特性性能的非線性電阻代替消弧線圈，從限制電弧電壓，消除電弧重燃的角度上抑制單相接地的弧光過電壓，由于不采用消弧線圈，就避免了鐵磁電感元件在系統(tǒng)中所可能產(chǎn)生的不利因素。

5.1 有完善的過電壓保護(hù)，除消除瞬間單相接地故障外，能對(duì)各種過電壓進(jìn)行保護(hù)。

5.2 具有接地選線功能。采取瞬時(shí)增大故障線路的零序電流，依靠檢測(cè)零序電流的相對(duì)量值進(jìn)行判斷，原理簡(jiǎn)明，計(jì)算迅速，擺脫了電流互感器等測(cè)量誤差的影響，同時(shí)可以進(jìn)行重復(fù)計(jì)算和重復(fù)判斷，靈敏度和可靠性都很高。

5.3 安全性好，維護(hù)費(fèi)用低。通過限壓器和電容并聯(lián)接地，結(jié)合微機(jī)自校功能，自動(dòng)消除裝置可能出錯(cuò)引起的兩相接地短路事故。

6 結(jié)論

我們對(duì)消弧線圈抑制單相接地的效果預(yù)想：能夠自動(dòng)根據(jù)配電網(wǎng)運(yùn)行的狀態(tài)，判斷有無過電壓發(fā)生；能夠自動(dòng)判斷配電網(wǎng)發(fā)生的過電壓的性質(zhì)；能夠自動(dòng)判斷接地的相別；能夠自動(dòng)判斷接地的性質(zhì)（弧光接地或金屬性接地）；能夠快速消除瞬時(shí)性單相接地故障；消弧的方式不受電網(wǎng)的大小及運(yùn)行方式改變的影響；能夠充分發(fā)揮現(xiàn)有的微機(jī)繼電保護(hù)裝置的功能，以增大線路本身的接地保護(hù)的選擇性和動(dòng)作的可靠性，迅速選擇故障線路，切除故障點(diǎn)；具有限制諧振過電壓的綜合措施,可以極大的提高電網(wǎng)的安全性和可靠性。

［1］肖白，束洪春，高峰.小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線方法綜述[J].繼電器,2001，29（4）：16-20.

［2］賈輕泉，劉連光，楊以涵.應(yīng)用小波檢測(cè)故障突變特性實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)小電流接地故障選線保護(hù)[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2001，21（10）.

［3］操豐梅，蘇沛浦.小波變換在配電自動(dòng)化接地故障檢測(cè)中的應(yīng)用研究[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，1999，23（13）：33-36.

李鴻彬，徐州供電公司，助理工程師。

曹明明］