試析中性點(diǎn)不接地電網(wǎng)單相接地時(shí)電壓互感器損壞機(jī)理

國網(wǎng)四川郫縣供電有限責(zé)任公司 四川郫縣 611700

摘要：中性點(diǎn)不接地對(duì)于電網(wǎng)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行方便、無需附加設(shè)備等優(yōu)點(diǎn)，但在實(shí)際運(yùn)行過程中，會(huì)存在最大長期工作電壓與過電壓過高，尤其是存在電弧接地過電壓危險(xiǎn)，這些因素導(dǎo)致電壓互感器損壞的事件時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重影響了整個(gè)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，為此有必要對(duì)電壓互感器的損壞機(jī)理進(jìn)行分析，以便于進(jìn)行改造和預(yù)防。

關(guān)鍵詞：中性點(diǎn)不接地；單相接地；電壓互感器；損壞機(jī)理

前言

在電網(wǎng)運(yùn)行過程中，中性點(diǎn)的接地方式主要包括不接地、直接接地、經(jīng)消弧線圈接地三種形式，三種形式有著不同的適用范圍，且具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。其中中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)指的是中性點(diǎn)不接地或經(jīng)過高阻抗接地的系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)，故障點(diǎn)只會(huì)通過較小的導(dǎo)線對(duì)地電容電流，系統(tǒng)在短時(shí)間內(nèi)仍可持續(xù)運(yùn)行，所以這一系統(tǒng)也被稱為小接地電流系統(tǒng)。采用這種中性點(diǎn)接地形式對(duì)于供電可靠性有著很大的幫助，但是在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)，系統(tǒng)中性點(diǎn)對(duì)地電壓會(huì)升高到線電壓，非故障相對(duì)地電壓會(huì)升高到線電壓。若接地點(diǎn)不穩(wěn)定，產(chǎn)生間歇性電弧，則過電壓會(huì)更嚴(yán)重，對(duì)絕緣不利。在電網(wǎng)建設(shè)運(yùn)行過程中為了更好對(duì)其運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)控，在系統(tǒng)中安裝了大量的電磁式電壓互感器，作為一次電壓重要的采集單元，對(duì)于電網(wǎng)測量、監(jiān)視、保護(hù)與控制都有著重要的意義，是保證電網(wǎng)安全運(yùn)行的重要基礎(chǔ)設(shè)備。但是在實(shí)際的運(yùn)行過程中，當(dāng)中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)，多方面原因會(huì)造成電壓互感器的頻繁損壞，嚴(yán)重影響著系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。在下面文章里，我們就將針對(duì)電壓互感器在單相接地故障時(shí)的損壞機(jī)理進(jìn)行深入的分析研究。

一.中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)

1.1中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)適用的范圍

中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)一般是適用于電壓在500V以下的三相三線制電網(wǎng)和6到60kV電網(wǎng)，對(duì)于6到60kV電網(wǎng)其單相接地電流有著如下幾個(gè)要求：

（1）6～10kV電網(wǎng)。單相接地電流，≤30A；

（2）10～60kV電網(wǎng)。單相接地電流，≤10A。

在上述條件下，單相接地電流產(chǎn)生的電弧可自行熄滅。

1.2單相接地發(fā)生時(shí)的兩種不同情況

中性點(diǎn)不接地電網(wǎng)發(fā)生單相接地時(shí)不必立即停電，可允許繼續(xù)運(yùn)行2小時(shí)。單相接地可分為兩種情況，一是穩(wěn)定性接地，二是非穩(wěn)定性接地。當(dāng)前者發(fā)生時(shí)，會(huì)使電網(wǎng)產(chǎn)生穩(wěn)定的不對(duì)稱三相對(duì)地電壓和中性點(diǎn)對(duì)地電壓的偏移，不接地相對(duì)地電壓升高至線電壓大小。當(dāng)后者發(fā)生時(shí)，故障相電壓降低，非故障相電壓升高，且波動(dòng)變化，會(huì)在接地點(diǎn)位置出現(xiàn)不穩(wěn)定性燃燒的電弧，同時(shí)還會(huì)使電網(wǎng)處于不斷換路中。

二.單相接地時(shí)電壓互感器損壞原因統(tǒng)計(jì)

通過對(duì)以往電網(wǎng)運(yùn)行過程中出現(xiàn)電壓互感器損壞事故的原因進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，我們將損壞原因概括為下列幾項(xiàng)：1.產(chǎn)品質(zhì)量不合格；2.接線錯(cuò)誤；3.二次負(fù)載過大；4.系統(tǒng)環(huán)境突變；5.弧光接地過電壓；6.設(shè)備安裝錯(cuò)誤；7.操作失誤等。在上述幾個(gè)損壞原因中，最主要的損壞原因是鐵磁諧振、系統(tǒng)環(huán)境突變?cè)斐蒔T沖擊電流、弧光接地過電壓。

三.損壞機(jī)理的分析

在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，由于單相接地造成系統(tǒng)波動(dòng)導(dǎo)致PT損壞的最主要原因可以概括為鐵磁諧振、PT沖擊電流和弧光接地三個(gè)原因。下面我們對(duì)這三個(gè)方面進(jìn)行逐一分析。

3.1鐵磁諧振的機(jī)理

鐵磁諧振，是一種電力系統(tǒng)自激振蕩的形式，一般是由于變壓器、電壓互感器等鐵磁電感的飽和作用引發(fā)的持續(xù)性、高幅值諧振過電壓現(xiàn)象。在電力系統(tǒng)中，我們一般以帶非線性電感的RLC的串聯(lián)電路來對(duì)鐵磁諧振的特點(diǎn)進(jìn)行分析，下圖1為鐵磁諧振的等效電路圖：

圖1.鐵磁諧振等效電路圖

上圖中E代表不接地系統(tǒng)中性點(diǎn)偏移電壓，C代表中性點(diǎn)對(duì)地電容，L代表為非線性電感，R為回路的等效電阻，由于電阻相對(duì)于系統(tǒng)電容和非線性電感的值較小，可忽略不計(jì)。和分別代表系統(tǒng)電容和非線性電感兩端的電壓，I為回路電流。當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，非線性感抗值遠(yuǎn)大于系統(tǒng)容抗值；當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，非線性電感兩端存在過電壓，非線性感抗急劇下降，當(dāng)感抗小于容抗時(shí)，系統(tǒng)就可能發(fā)生鐵磁諧振。

3.2PT沖擊電流的機(jī)理

在對(duì)電壓互感器損壞機(jī)理進(jìn)行研究分析的最初階段，各方面都將原因歸結(jié)于鐵磁諧振，但是在采取了避免鐵磁諧振的措施后，互感器損壞事件還是不斷發(fā)生，通過更進(jìn)一步的分析，我們發(fā)現(xiàn)在中性點(diǎn)不接地的電網(wǎng)中，母線上裝設(shè)的電壓互感器其接線形式一般為/開口三角型，且為了對(duì)熔斷器和PT間和PT一次部分進(jìn)行短路保護(hù)，在一次繞組裝設(shè)了額定電流為0.5A的保險(xiǎn)。為了驗(yàn)證單相接地時(shí)諧振電流對(duì)互感器的影響，通過大量的試驗(yàn)證明只有1%左右的諧振會(huì)燒毀保險(xiǎn)。同時(shí)通過對(duì)輸電線路長度與鐵磁諧振關(guān)系的分析研究得出，當(dāng)輸電線路足夠長時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)鐵磁諧振，但是如果發(fā)生多次單相接地故障，電壓互感器的損壞幾率會(huì)大大上升。所以我們可以清楚的認(rèn)識(shí)到PT損壞的主要原因不只是鐵磁諧振，通過大量的試驗(yàn)得出下列結(jié)論：

3.2.1故障恢復(fù)后的電容放電沖擊電流

下圖2為單相接地的等值電路圖，

圖2. 等值電路圖

通過對(duì)下圖的分析，我們可以了解到當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，線路的對(duì)地電容上附著的總電荷之和為零。但是當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，非故障相電壓升高至線電壓，此時(shí)對(duì)地電容上會(huì)充上線電壓下的電荷量，當(dāng)故障持續(xù)時(shí)，在線電壓作用下，電荷通過接地點(diǎn)聯(lián)通導(dǎo)線和大地，形成的電流即電容電流，在故障消除后，這條通路消失，但是電荷不會(huì)消失，各線對(duì)地電壓要恢復(fù)至正常水平，非故障相上的電荷需要釋放，由于接地點(diǎn)消失，這些自由電荷只能通過PT的一次繞組流向大地，自由電荷數(shù)量足夠的情況下，在流向大地的過程中就會(huì)引起鐵芯飽和，出現(xiàn)較大的沖擊電流。

3.2.2系統(tǒng)發(fā)生多次單相接地

系統(tǒng)多次的單相反復(fù)接地就相當(dāng)于以上過程的重復(fù)，這時(shí)產(chǎn)生的沖擊電流就相當(dāng)于幾次沖擊累加的效果，最終導(dǎo)致電壓互感器熱穩(wěn)固性破壞或者一次側(cè)保險(xiǎn)熔絲的燒毀。

3.3弧光接地的機(jī)理

在中性點(diǎn)不接地的小電流系統(tǒng)中，如果系統(tǒng)中線路較少，單相接地電流相對(duì)較小，在發(fā)生瞬時(shí)性弧光接地時(shí)一般都可以自行滅弧，但是隨著電網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大及電壓等級(jí)的升高，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生單相接地時(shí)容性電流大幅增加，接地電弧出現(xiàn)后往往很難自行滅弧；其次，當(dāng)接地點(diǎn)電流較小時(shí)，一般無法形成穩(wěn)定的接地電弧，這樣就會(huì)在接地點(diǎn)出現(xiàn)熄弧與電弧重燃交替出現(xiàn)的不穩(wěn)定狀態(tài)。這種狀態(tài)被稱為弧光接地。目前在10kV配電網(wǎng)中，大量的使用了高壓電纜和絕緣導(dǎo)線，當(dāng)這些輸電線路的絕緣出現(xiàn)損壞時(shí)，就極易發(fā)生間歇性電弧，由此產(chǎn)生的工頻過電壓、高頻熄弧過電壓其幅值最大可以達(dá)到6到8倍的相電壓，且一般持續(xù)時(shí)間長，對(duì)于運(yùn)行中的設(shè)備都構(gòu)成了巨大的威脅。