弧光接地過電壓分析及防止

常耀天

(山西興能發電有限公司,山西 太原 030206)

1 單相接地故障分析

但是發生故障時電弧時燃時滅的不穩定狀態，極易使系統中的電感電容元件產生電磁振蕩，引發全系統的過電壓，即弧光接地過電壓。單相接地示意圖及向量圖見圖1.

圖1 a)是中性點不接地電網單相接地故障時的等效電路。圖中C1、C2、C3分別為導線各相的對地電容，令C1=C2=C3=C，則中性點正常運行下的電位為零，即UN=0. 當A相發生接地故障時，中性點的電壓升高為相電壓，即UN=-UA，非故障相導線對地電位升為線電壓UBA、UCA，見圖1b)，I2、I3中的電流分別超前UBA、UCA90°，其絕對值為：

故障電流為：

單相接地時流過故障點的電容電流Ic與線路對地電容及額定電壓成正比。工程上為了簡化計算，通常以每千米線路每千伏電壓產生的電容電流Ic表示。對于6～35 kV架空線路，每千米對地電容約為0.005～0.006 μF，應當注意若其中有避雷線則應該取較大的數值，水泥桿較木桿線路每千米電容值高出約10%.

圖1 單相接地示意圖及向量圖

系統發生單相接地故障時單相接地電容電流直接影響間歇電弧是否產生。在線路較短、系統較小的情況下，故障時的電容電流也比較小，如雷擊等的瞬時故障，電弧可在故障消除后自行熄滅，系統也能短時間內恢復正常運行。但是在較大的系統或是較高的電壓等級下，故障時的電容電流會相應的增長。依據經驗，10～35 kV電壓等級，電容電流不小于10 A時，接地電弧基本沒有自行熄滅的能力。即便是電容電流處于5～10 A，也有資料顯示母線設備因單相弧光接地過電壓引發多次相間短路的故障。

根據弧光接地過電壓的統計規律，弧光接地過電壓一般不超過3.5倍的相電壓。設備絕緣會因為長時間的過電壓而受到損害，這種積累損傷容易導致相間出現短路故障，存在擴大事故的風險，特別是以電纜供電為主的輸電系統中，電纜絕緣受到嚴重威脅。實際生產生活中，中性點經消弧線圈和電阻接地方式常被用來作為限制弧光接地過電壓的措施方法。

2 產生弧光接地過電壓的原因

當前，有3種研究電弧產生過程的理論：高頻熄弧理論、工頻熄弧理論以及熄弧恢復抗電強度理論。

高頻熄弧理論：以高頻振蕩電流第一次過零時熄弧分析變化過程。

工頻熄弧理論：以工頻電流過零時熄弧分析變化過程。

熄弧恢復抗電強度理論：原蘇聯專家認為，分析過電壓的變化過程不應主要研究電弧熄滅的時間，而應研究電弧熄滅后間隙的恢復抗電強度。電弧熄滅，弧道電流過零后，只要弧隙抗電強度的恢復速度比電壓的快，就可避免重燃。

很長一段時間里，人們認為過電壓幅值主要由電弧熄滅與重燃的時間來決定。由交流電弧理論可知，電弧熄滅于電弧電流過零時，而過零后，弧道的恢復電壓和介質恢復強度之間的關系又決定了電弧是否會發生重燃。弧道故障電流按頻率可分解為：工頻電流分量和高頻電流分量。高頻電流主要產生于出現電弧的瞬間，此時自由振蕩頻率遠超工頻，故高頻電流為故障瞬間的主要電流，而后迅速衰減，使得工頻電流成為流經弧道的主要電流。由高頻熄弧理論可知，高頻振蕩電壓最大值于高頻電流過零時出現，而大量電荷在電弧熄滅后殘留在健全相上，故過電壓幅值較高。由工頻熄弧理論可知，電弧熄滅后只有少量的電荷殘留在健全相上，故過電壓幅值較低，但數值也基本接近電網中實測的過電壓幅值。兩種理論分析的過電壓幅值雖然結果并不完全相同，但是兩者對過電壓形成原理看法卻是一致的。

3 弧光接地過電壓的影響因素

影響過電壓幅值的因素主要有以下幾點：

1) 間歇電弧具有隨機性。產生電弧處的介質和環境條件的不同，直接對弧光接地的發展過程產生影響，這種隨機性使過電壓的幅值具有一定統計規律。

2) 導線相間電容。圖2為考慮相間電容時中性點不接地系統的等值電路，設線路完全對稱，則C1=C2=C3=C，C12=C23=C31=Cm.在故障點燃弧后，電路上C12與C23、C31并聯，因為電弧產生前的相間電容和相對地電容上的電壓不同，電荷在電弧產生后振蕩過程前得到了重新分配，致使非故障相電壓升高，與穩態時的壓差較小，降低了過電壓幅值。

圖2 考慮相間電容中性點不接地系統的等值電路圖

3) 電網中的電阻。振蕩回路因電源內阻、導線電阻、電弧的電阻等的存在，產生有功消耗，加速振蕩衰減。

4) 對地泄露電導。電弧熄滅后，泄露電導使得導線對地電容中儲存的電荷逐漸減少，其速度與線路絕緣等因素有關。電網中性點電位因電荷泄漏而偏移減小，弧光接地過電壓也因而降低。

4 防治措施

消除間歇性電弧是防止弧光接地過電壓產生的基本方法，因此，可依據現場實際運行情況，采取下列措施：

1) 小電阻接地。采用該方法的電網在故障時，接地電流較大，可通過保護快速切除故障線路。同時電荷可由中性點直接入地，避免故障過電壓的產生，但其接地故障電流較大，單相接地故障不能連續運行使可靠性降低，故此方案執行條件較為繁雜。

2) 高電阻接地。選擇適當的電阻值，可以抑制單相接地故障時健全相的過電壓倍數不超過額定相電壓的2.6倍，避免故障擴大。單相接地故障時，故障點流過一定值的電阻性電流，保證饋線的零序保護動作。適用于接地電流小于10 A但為了降低弧光接地過電壓水平和便于尋找接地故障點的情況。

3) 消弧線圈接地。采用該方法不僅可以補償單相接地的電容電流，同時削減了燃弧電壓的恢復速度，加速電弧熄滅，減小了發生故障過電壓的概率。

4) 在長線路中性點不接地電網中，出現單相接地電容電流較大的情況，可分網運行，使電容電流能夠得到有效的降低，利于電弧熄滅。

5) 采用三相組合式過電壓保護器。三相組合式過電壓保護器結構新穎，采用氧化鋅和放電間隙組合而成，能有效防止不同類型的過電壓。