電弧接地過(guò)電壓分析研究

張亞磊

摘要：電力系統(tǒng)中的大部分故障是單相接地故障，在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中發(fā)生單相接地故障時(shí)，常出現(xiàn)電弧的燃燒與熄滅的不穩(wěn)定狀態(tài)。這種間歇性的電弧將導(dǎo)致系統(tǒng)中電感、電容回路的電磁振蕩過(guò)程，產(chǎn)生遍及全電網(wǎng)的間歇性電弧接地過(guò)電壓，對(duì)電氣設(shè)備的絕緣也造成威脅。

關(guān)鍵詞：電弧接地過(guò)電壓;消弧線圈。

引言

運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，電力系統(tǒng)中的大部分故障是單相接地故障，在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中發(fā)生單相接地故障時(shí)，將有數(shù)值不大的接地電容電流流過(guò)故障點(diǎn)。這時(shí)故障相的對(duì)地電壓變?yōu)?，而另外兩相的對(duì)地電壓升高到線電壓。但系統(tǒng)三相電源電壓仍維持對(duì)稱，不影響對(duì)用戶繼續(xù)供電。因此允許帶故障運(yùn)行一段時(shí)間（一般1.5 ～2 h），以便運(yùn)行人員查明故障并進(jìn)行處理，這就大大提高了供電可靠性。

隨著中國(guó)城市電網(wǎng)及農(nóng)村電網(wǎng)改造力度的加大，以及城市現(xiàn)代化進(jìn)程的快速推進(jìn)，地下電纜得到了廣泛應(yīng)用，導(dǎo)致配電網(wǎng)系統(tǒng)電容電流越來(lái)越大。由于電容電流的增大，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)不能可靠熄弧，使故障擴(kuò)大，使其成為相間短路而導(dǎo)致線路跳閘，從而造成事故擴(kuò)大。

1電弧接地過(guò)電壓產(chǎn)生的原因

在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中，當(dāng)發(fā)生一相對(duì)地短路故障時(shí)，常出現(xiàn)電弧，經(jīng)過(guò)故障點(diǎn)的電容電流處于某一范圍內(nèi)時(shí)，電弧既不能自動(dòng)熄滅，又不會(huì)形成穩(wěn)定持續(xù)的電弧，可能出現(xiàn)電弧的燃燒與熄滅的不穩(wěn)定狀態(tài)。由于系統(tǒng)中存在電容和電感，這種間歇性的電弧將導(dǎo)致系統(tǒng)中電感、電容回路的電磁振蕩過(guò)程，產(chǎn)生遍及全電網(wǎng)的間歇性電弧接地過(guò)電壓。此時(shí)可能引起線路某一部分的振蕩，當(dāng)電流振蕩零點(diǎn)或工頻零點(diǎn)時(shí)，電弧可能暫時(shí)熄滅，之后事故相電壓升高后，電弧則可能重燃，這種現(xiàn)象為間歇性電弧接地。

單相接地時(shí)流過(guò)故障點(diǎn)的容性電流與系統(tǒng)運(yùn)行相電壓和各相對(duì)地電容成正比。電弧接地過(guò)電壓的發(fā)展過(guò)程和幅值大小與熄弧的時(shí)間有關(guān)。隨著情況不同，有兩種可能的熄弧時(shí)間，一種是電弧在過(guò)渡過(guò)程中的高頻電流過(guò)零時(shí)即可熄滅;另一種是電弧要到工頻電流過(guò)零時(shí)才能熄滅。工頻電流過(guò)零時(shí)熄弧的情況來(lái)說(shuō)明這種過(guò)電壓的發(fā)展機(jī)理。故障點(diǎn)發(fā)弧光接地后，電路中將有一電磁振蕩過(guò)程。在這個(gè)振蕩過(guò)程中，故障相電容上的電荷通過(guò)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(gè)由電源線電壓通過(guò)電源內(nèi)電感進(jìn)行充電的高頻振蕩過(guò)程。以上分析是在一定的假定條件下進(jìn)行的，事實(shí)上電弧燃燒與熄滅具有隨機(jī)性，即第一次發(fā)弧及重燃均發(fā)生在故障相電壓達(dá)到最大值的時(shí)刻，且熄弧發(fā)生在工頻電流過(guò)零的時(shí)刻。實(shí)際上電弧的燃燒與熄滅會(huì)受到發(fā)弧部位的周圍媒質(zhì)和大氣條件等的影響，燃弧不一定發(fā)生在故障相電壓達(dá)最大值的時(shí)刻，熄弧也不一定是在工頻電流過(guò)零的時(shí)刻，也可能發(fā)生在第一次或幾次高頻電流過(guò)零后熄滅。所以電弧的熄滅和重燃具有強(qiáng)烈的隨機(jī)性，過(guò)電壓的數(shù)值也具有統(tǒng)計(jì)性。

2電弧接地過(guò)電壓的抑制措施

電弧接地過(guò)電壓與系統(tǒng)中性點(diǎn)的位移電壓有關(guān)，零序回路電荷的累積是造成中性點(diǎn)直流位移電壓的根源，如將中性點(diǎn)接地，這種過(guò)電壓就不會(huì)產(chǎn)生。這種過(guò)電壓的幅值并不太高，通常變壓器和其他電氣設(shè)備及線路的絕緣應(yīng)能承受得住。但是這種過(guò)電壓遍及全系統(tǒng)，且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)于絕緣較弱的設(shè)備威脅較大，必須予以重視。

為了限制這種過(guò)電壓，最根本的防護(hù)辦法就是防止產(chǎn)生不穩(wěn)定的電弧，盡量減少其產(chǎn)生的可能性，這可以通過(guò)改變中性點(diǎn)接地方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。

（1）采用中性點(diǎn)直接接地方式

這時(shí)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(jīng)過(guò)一段短時(shí)間歇，讓故障點(diǎn)電弧熄滅后再自動(dòng)重合.如能成功，可立即恢復(fù)送電;如不能成功，斷路器將再次跳閘，不會(huì)出現(xiàn)斷續(xù)電弧現(xiàn)象。我國(guó)110 kV及以上電網(wǎng)采用這種中性點(diǎn)接地的方式，在這些電網(wǎng)中不會(huì)出現(xiàn)這種過(guò)電壓。

（2）采用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式

對(duì)于66 kV及以下電網(wǎng)來(lái)說(shuō)，采用中性點(diǎn)有效接地方式降低絕緣水平的經(jīng)濟(jì)效益不明顯，所以大都采用中性點(diǎn)非有效接地方式，以提高供電的可靠性。當(dāng)單相接地流過(guò)故障點(diǎn)的電容電流達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，接地的電弧將難以自熄，需要裝設(shè)消弧線圈來(lái)補(bǔ)償，方能避免斷續(xù)電弧出現(xiàn)。消弧線圈是一個(gè)鐵芯可調(diào)節(jié)的電感線圈，將它裝設(shè)于中性點(diǎn)，這樣片區(qū)系統(tǒng)一旦發(fā)生單相接地時(shí)，可形成一個(gè)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(bǔ)償，從而達(dá)到限制接地電流，避免在接地中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式點(diǎn)形成弧光。同時(shí)即使是運(yùn)行方式發(fā)生變化，使消弧線圈的補(bǔ)償度或脫諧度發(fā)生變化，而產(chǎn)生弧光接地，燃弧后電容的充放電電流要經(jīng)過(guò)消弧線圈流回，而不會(huì)在故障點(diǎn)形成多次弧光重燃，這樣就有效地避免了接地點(diǎn)的間歇性燃弧，達(dá)到限制弧光過(guò)電壓的目的。由于消弧線圈的補(bǔ)償作用，流過(guò)接地點(diǎn)的電流減小了，當(dāng)接地點(diǎn)的電很小時(shí)，接地點(diǎn)的電弧就不再發(fā)生重燃，從而限制了電弧接地過(guò)電壓的發(fā)展。

為了避免危險(xiǎn)的中性點(diǎn)電位升高，最好使三相對(duì)地電容對(duì)稱。因此在電網(wǎng)中要進(jìn)行線路換位。但由于實(shí)際上對(duì)地電容受各種因索影響是變化的，且線路數(shù)目也會(huì)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(diào)諧（全補(bǔ)償）工作狀態(tài)。通常消弧線圈采用過(guò)補(bǔ)償運(yùn)行。之所以過(guò)補(bǔ)償是因?yàn)殡娋W(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中可以逐漸發(fā)展成為欠補(bǔ)償運(yùn)行。不至于像欠補(bǔ)償那樣因?yàn)殡娋W(wǎng)的運(yùn)行而導(dǎo)致脫諧度過(guò)大，失去消弧作用。其次是采用欠補(bǔ)償，在運(yùn)行中部分線路可能退出，則可能形成完全補(bǔ)償，產(chǎn)生較大的中性點(diǎn)偏移，有可能引起零序網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生嚴(yán)重的鐵磁諧振過(guò)電玨。中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地后，在大多數(shù)情下能夠迅速地消除單相接地電弧而不破壞電網(wǎng)的正常運(yùn)行，接地電弧一般不重燃，從而把單相電弧接地過(guò)電壓限制到最大運(yùn)行相電壓的2.5倍以內(nèi)。

電網(wǎng)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式有如下優(yōu)點(diǎn)：①降低了電網(wǎng)絕緣閃絡(luò)（如雷擊閃絡(luò)）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(yùn)行，有利于電網(wǎng)的不間斷供電，提高了供電可靠性。

（3）選擇合適的過(guò)電壓保護(hù)裝置和加裝消弧柜

系統(tǒng)面臨的過(guò)電壓不僅僅是單相弧光接地過(guò)電壓，對(duì)于雷電過(guò)電壓、操縱過(guò)電壓、諧振過(guò)電壓等等仍然是存在的。因此正確的選擇和設(shè)置過(guò)電壓保護(hù)裝置，對(duì)于現(xiàn)有的電力網(wǎng)來(lái)說(shuō)顯得異常重要。采用避雷器作為過(guò)電壓吸收裝置，還是目前電力系統(tǒng)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?yōu)橹苯咏拥兀弥苯犹l的方式防止事故的擴(kuò)大。

結(jié)束語(yǔ)

各地電力系統(tǒng)的中性點(diǎn)接地方式都不盡相同，主要是根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)和傳統(tǒng)，權(quán)衡利弊，因地制宜地選用。在電網(wǎng)發(fā)展的不同階段不同中性點(diǎn)接地方式的“利弊”是不同的，在電網(wǎng)發(fā)展初期，電容電流較小，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)薄弱，一般以中性點(diǎn)不接地方式運(yùn)行為宜。隨著線路長(zhǎng)度的增加和電力系統(tǒng)標(biāo)稱電壓的提高，使高壓長(zhǎng)線路的電弧接地故障難以自動(dòng)消除，有時(shí)甚至發(fā)展為兩相短路故障。就應(yīng)該采用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式。

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