配電網(wǎng)單相弧光接地過電壓事故分析及其一例

殷一洲 周力

摘 要：為保證配電網(wǎng)供電可靠性，長期以來配電網(wǎng)采用非直接接地方式運行，該方式下單相接地故障時，故障相流過所有非故障相的對地電容電流。隨著配電網(wǎng)的發(fā)展，配電系統(tǒng)中電力電纜的廣泛使用使得其對地電容電流劇增，盡管采用中性點加裝消弧線圈可對電容電流進(jìn)行補償，但由于消弧線圈補償能力有限，部分地區(qū)消弧線圈實際運行在欠補償狀態(tài)。由于較大的電容電流不利于接地點熄弧，由接地弧光的熄滅和復(fù)燃而導(dǎo)致的間歇性弧光不僅會引起設(shè)備過電壓，還容易造成高頻諧振等問題，危害設(shè)備的運行。本文結(jié)合某地區(qū)配電網(wǎng)發(fā)生的一起單相接地引起的連鎖跳閘事故，分析了事故原因，探討了弧光接地過電壓易造成的嚴(yán)重危害，同時給出了合理化的建議。

關(guān)鍵詞：配電網(wǎng) 接地方式 間歇性弧光 過電壓

中圖分類號：TM8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）10（c）-00-03

隨著我國人民生活水平的提高和城市經(jīng)濟的發(fā)展，供電可靠性高、占地面積小、運行故障率較低的電纜線路逐步取代了架空線路成為配電網(wǎng)中采用的主要線路形式。然而電纜線路存在較大的對地分布電容，這種對地電容一方面能對系統(tǒng)進(jìn)行無功補償，提高功率因數(shù)和輸電效率，另一方面也使弧光接地過電壓事故發(fā)生的概率和危害大大增加。本文首先分析了弧光接地過電壓產(chǎn)生的原因和危害，并以實際運行系統(tǒng)中發(fā)生的一起事故案例來介紹弧光接地過電壓可能引發(fā)的設(shè)備損害和對外失電，最后根據(jù)現(xiàn)階段運行情況，提出了若干合理化的建議。

1 弧光接地過電壓事故發(fā)生的基本原理

根據(jù)運行經(jīng)驗，在配電網(wǎng)中，線路發(fā)生事故的可能性遠(yuǎn)較其他設(shè)備為大，在線路事故中又包括短路事故和斷路事故兩大類，其中單純的短路事故或者伴有斷路的短路事故占80%以上。在這些短路事故中單相接地短路和相間短路大約各占一半[1]。

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地事故時，如線路與大地可靠連接稱為金屬性接地，此時故障相電壓降為0，非故障相升至線電壓，系統(tǒng)仍保持對稱，為保障供電可靠性，通常中性點非直接接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地后可繼續(xù)運行2h，但對精密儀器及用戶電壓質(zhì)量有一定影響并可能引起壓變故障。

如線路與大地連接不可靠，線路與大地保持一段較小的間隙，即非金屬性接地。此時，故障線路與大地之間存在電壓差，從而使間隙中的空氣發(fā)生電離導(dǎo)電。當(dāng)環(huán)境溫度、空氣濕度等外在因素滿足一定條件時，在空氣電離產(chǎn)生光、熱、擴散等效應(yīng)作用下，間隙中可能產(chǎn)生電弧。這種電弧可能是穩(wěn)定燃燒的（當(dāng)故障電流較大時）也可能可以自行熄滅（當(dāng)故障電流較小時），但大多數(shù)情況下是處于熄滅和重燃交替出現(xiàn)的狀態(tài)。此種間隙性電弧會引起系統(tǒng)電磁能的強烈震蕩和對因地電容電荷不斷疊加和分離引起的高頻震蕩過電壓，此時非故障相的電壓可達(dá)正常相電壓的3.15～3.5倍，此種過電壓即弧光接地過電壓[1，2]。

2 弧光接地過電壓可能造成的相關(guān)危害

弧光接地過電壓的電弧熄滅與重燃的主要相關(guān)因素和周期規(guī)律目前仍無定論，德、美、俄（蘇）以及我國科學(xué)家提出的不同假設(shè)經(jīng)實驗證明均無法排除，但是弧光接地過電壓事故的危害性已被多次事故案例證實?；」饨拥剡^電壓事故的主要危害包括以下幾個方面：弧光導(dǎo)致故障擴大甚至引起火災(zāi)、高頻電流震蕩影響消弧線圈調(diào)諧、過電壓引起設(shè)備積累性損傷或電纜擊穿、母線電壓過高影響電壓互感器的正常運行、母線電壓過高影響避雷器的正常運行、高頻電流損壞電纜引起斷路故障或者相間短路故障等等[2-4]。

值得一提的是在電網(wǎng)運行實際中，以上危害并非一定發(fā)生，可能發(fā)生其中一項或者若干項。為了更直觀地說明弧光接地過電壓事故的特征和應(yīng)對措施下文以筆者親歷的一次弧光接地過電壓事故為例進(jìn)行具體的分析和介紹。

3 事故分析

3.1 跳閘情況簡述

8月5日清晨，天氣情況良好，未出現(xiàn)雷電、大風(fēng)等惡劣天氣，里口變按正常方式運行，#2主變供35kV Ⅱ段母線及10kV Ⅱ段母線負(fù)荷，運行方式如圖1所示。

08：39里口變129里登線電流I段保護(hù)動作，開關(guān)跳閘，重合成功。08：40里口變1X2#2接地變過流保護(hù)動作，開關(guān)跳閘；08：40里口變132御窯#2線電流I段保護(hù)動作，開關(guān)跳閘；08：40里口變123美固線電流I段保護(hù)動作，開關(guān)跳閘，重合成功；08：41里口變123美固線電流I段保護(hù)動作，開關(guān)跳閘，重合不成；08：42里口變125里鎮(zhèn)線電流I段保護(hù)動作，開關(guān)跳閘，重合成功；08：42里口變124高鐵#2線電流I段保護(hù)動作，開關(guān)跳閘；08：44里口變128錦繡線電流I段保護(hù)動作，開關(guān)跳閘，重合成功；08：45里口變131如元線電流I段保護(hù)動作，開關(guān)跳閘，重合不成；08：45里口變122莫北線電流I段保護(hù)動作，開關(guān)跳閘，重合不成；隨后，系統(tǒng)穩(wěn)定。

3.2 事故原因分析

這次事故在短短6min之內(nèi)，就造成了幾乎所有母線設(shè)備的動作，造成了較大的社會影響。結(jié)合當(dāng)時的保護(hù)動作信息和遙測信息，無法判斷事故發(fā)生的原因。事后我們結(jié)合設(shè)備的故障錄波情況進(jìn)行相關(guān)分析，最終判斷引起大范圍跳閘的元兇是弧光接地過電壓。

首先對故障錄波情況進(jìn)行簡單分析，相關(guān)設(shè)備的故障錄波如圖2所示。

圖2基本反應(yīng)了事故發(fā)生原因的所有重要信息。由于該變電站10kV出線采用的是兩相星形接線的TA配置方式，因此，故障錄波中僅有A、C相電流情況。由于該TA配置方式，對后期的故障判斷有一定的影響，因此只能結(jié)合電壓情況來大概估計事故的產(chǎn)生原因。

首先從圖2中可以發(fā)現(xiàn)，在129線路保護(hù)動作過程中，A、B相電壓出線了明顯的降低，而C相電壓出線了升高，同時A相有故障電流流過，結(jié)合隨后保護(hù)動作，開關(guān)跳閘以及開關(guān)重合之后的三相電壓和A、C相電流情況，可以判斷是A、B相相間短路引起的129開關(guān)跳閘。從配電匯報情況來看，線路確實存在專變故障。

隨后，1X2#2接地變出現(xiàn)過電流動作，結(jié)合母線電壓情況，粗略判斷為C相接地，但是A、B相相電壓幅值達(dá)到18kV，因此判斷并非簡單的C相直接接地。由于C相電壓記錄情況的缺失，導(dǎo)致無法直接判斷事故原因，因此只能粗略判斷為弧光接地或系統(tǒng)諧振引起。

在1X2#2接地變開關(guān)跳閘之后，該系統(tǒng)失去消弧線圈補償。從接地變跳閘前的情況，可以發(fā)現(xiàn)原先系統(tǒng)就是一個欠補償?shù)南到y(tǒng)，由于欠補償?shù)臓顟B(tài)，在單相接地后，消弧線圈補償能力不足，再加上諧振的原因，引起了接地變開關(guān)的過負(fù)荷動作。而接地變一旦跳開之后，系統(tǒng)的接地點并未消失，盡管破壞了系統(tǒng)的諧振條件，但其對接地電弧的滅弧能力大大削弱，由此，導(dǎo)致接地點電弧的反復(fù)重燃。

接著由于C相弧光接地引起弧光接地過電壓和高頻電流震蕩，導(dǎo)致部分配網(wǎng)線路薄弱環(huán)節(jié)對地絕緣破壞或相間絕緣破壞，引起相間短路或接地。部分線路因高頻電流震蕩引起相間故障開關(guān)分閘之后高頻電流衰退，線路開關(guān)能夠重合成功。部分線路因過電壓或故障電流過大絕緣被物理性破壞，重合不成，其中間過程可以參考圖2的故障錄波過程，在此不做贅述。

在122等線路開關(guān)跳閘后，從電壓波形來看，同樣維持著弧光接地過電壓的電壓情況，但其之后系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，說明孤光接地點并不在122莫北線、123美固線、124高鐵#2線、131如元線、132御窯#2線上，同時結(jié)合重合成功線路，基本判斷屬129線路上存在弧光接地點的可能性最大，事后配電匯報明確弧光接地點確在129線路上。

那么在故障錄波最后，依舊呈現(xiàn)弧光過電壓的電壓波形，為什么隨后卻不再有線路開關(guān)跳閘？我們認(rèn)為這是由于弧光接地過電壓是中性點不接地系統(tǒng)出現(xiàn)非金屬性單相接地后，接地點流過其他相相對地電容電流，造成故障點與大地間氣體電離，引起的接地點間歇性燃弧所致，因此電容電流大小是弧光是否能維持的關(guān)鍵因素。當(dāng)電容電流過大時燃弧穩(wěn)定不存在間歇性規(guī)律不會引起弧光接地過電壓，但電容電流過小時弧光能夠自行熄滅不會反復(fù)重燃。在122莫北線、123美固線、124高鐵#2線、131如元線、132御窯#2線開關(guān)分閘以后，剩余線路所提供的電容電流不足以維持C相弧光接地，故弧光接地隨后自行消失。

3.3 事故總結(jié)

本次事故由單一的開關(guān)跳閘引起，線路重合后故障因切除故障電流、相間異物跌落等可能原因，轉(zhuǎn)為單相非金屬性接地。由于系統(tǒng)處于欠補償狀態(tài)及壓變可能發(fā)生鐵磁諧振，造成接地變因過負(fù)荷跳閘，導(dǎo)致消弧線圈無法有效補償滅弧，從而引起間歇性弧光接地，誘發(fā)弧光接地過電壓事故。隨后10kV Ⅱ段母線上多條線路因弧光接地引起的過電壓或高頻電流震蕩發(fā)生相間短路，開關(guān)跳閘，造成了較大的社會影響。因此有必要采取一定的措施以避免此類事故的再次發(fā)生。

4 改善措施及結(jié)論

在傳統(tǒng)中性點不接地系統(tǒng)中，配置消弧線圈可以有效抑制電容電流，降低弧光接地發(fā)生的概率。然而，由于配網(wǎng)中電纜線路的增加，對消弧線圈的容量要求越來越大，一旦消弧線圈不能及時擴容更換，系統(tǒng)很可能處于欠補償狀態(tài)。一方面當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時電容電流相應(yīng)減小使系統(tǒng)處于有可能發(fā)生等補償諧振的危險中。另一方面過大的補償電流或諧振電流（包括壓變鐵磁諧振和系統(tǒng)等補償諧振）可能導(dǎo)致接地變過負(fù)荷跳閘，使連接于接地變中性點的消弧線圈與系統(tǒng)隔離，從而使系統(tǒng)處于可能發(fā)生弧光接地過電壓事故的威脅中。

針對這一問題，目前主要有兩種方法：一是采用中性點小電阻接地方案替代消弧線圈接地方案；二是采用弧光接地過電壓故障相金屬接地抑制技術(shù)[5，6]。

中性點經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)是大電流接地系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)生單相接地時，可以利用配置的零序電流速斷保護(hù)和零序過流保護(hù)，立即跳閘以切除故障線路。盡管在故障發(fā)生到開關(guān)跳閘的過渡時間內(nèi)，仍有可能發(fā)生弧光接，但是通過中性點的電阻，可以把線路上的電荷幾乎全部泄漏掉，從而有效消耗系統(tǒng)中電容存儲的能量，降低電弧重燃的可能性，避免過電壓的產(chǎn)生。

故障相金屬接地抑制技術(shù)的主要原理即采用人為制造金屬性接地的方法，使制造的金屬性接地點與故障接地點發(fā)生接地分流作用，使故障點殘流顯著降低至接近于零，從而降低了電壓恢復(fù)的初速度，延長了故障相電壓恢復(fù)的時間，并限制了恢復(fù)電壓的最大值，避免接地電弧的重燃，達(dá)到徹底消弧的目的，并可將非故障相對地電壓穩(wěn)定限制在較低的電壓水平[6]。

雖然小電阻接地方案相較于小電阻接地方案有維持線路運行保障供電可靠性的優(yōu)點，但也有未能切除接地故障，影響電壓質(zhì)量的缺點。

就目前形式而言，筆者所在的蘇州地區(qū)在逐步推廣小電阻接地方案的同時，消弧線圈與小電阻自動切換的混合接地裝置已經(jīng)投入試點運行，而在其他一些地方也有推廣故障相金屬接地抑制技術(shù)的試點，另外取代消弧線圈的綜合了滅弧、調(diào)諧、濾波、接地選線等功能的新一代補償裝置也在研發(fā)和推廣中。

參考文獻(xiàn)

[1] 童奕賓，尤智文，李姝.小電阻接地系統(tǒng)間歇性弧光過電壓分析[J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報，2012，24（3）：116-120.

[2] 張龍欽.現(xiàn)代配電網(wǎng)單相弧光接地過電壓[M].北京：中國電力出版社，2017.

[3] 顧榮斌，蔡旭，陳海昆，等.非有效接地電網(wǎng)單相電弧接地故障的建模及仿真[J].電力系統(tǒng)自動化，2009，33（13）：63-67.

[4] 許曄，郭謀發(fā)，陳彬，等.配電網(wǎng)單相接地電弧建模及仿真分析研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2015，43（7）：57-64.

[5] 卓樂友.電力工程電氣設(shè)計手冊[M].北京：中國電力出版社，1991.

[6] 陳博博，屈衛(wèi)鋒，楊宏宇，等.小電流接地系統(tǒng)單相接地綜合電弧模型與選線方法的研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2016，44（16）：1-7.