中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)單相接地故障產(chǎn)生過電壓的治理

楊仲英 曹豐偉 蔡偉偉

摘 要：本文通過哈得油田電力系統(tǒng)10-35kV供電系統(tǒng)單相接地故障產(chǎn)生的過電壓事故頻發(fā)的問題，進(jìn)行分析并提出了解決辦法，對(duì)系統(tǒng)過電壓進(jìn)行綜合治理，實(shí)踐證明效果很好。

關(guān)鍵詞：中性點(diǎn)不接地系統(tǒng);單相接地故障;過電壓;綜合治理

1.前言

哈得油田電力系統(tǒng)10-35kV供電系統(tǒng)中性點(diǎn)采用不接地方式，系統(tǒng)內(nèi)10-35kV配出支路全部由電纜和架空線路組成，電纜運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)且運(yùn)行環(huán)境惡劣，戶外線路分支多，走向復(fù)雜，運(yùn)行中發(fā)生單相接地故障的幾率很高，約占配電網(wǎng)故障的80%以上，大多集中在7-10月份。在該接地方式下發(fā)生單相間歇弧光接地時(shí)，電弧的重燃和熄滅將導(dǎo)致電網(wǎng)強(qiáng)烈電磁振蕩，其值可達(dá)相電壓的2.5—3倍。過電壓持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，將會(huì)對(duì)電網(wǎng)設(shè)備的絕緣造成嚴(yán)重破壞，燒損一次設(shè)備。中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)產(chǎn)生的過電壓的治理一直是供電系統(tǒng)需要研究解決的問題，但因過電壓產(chǎn)生因素較多、機(jī)理復(fù)雜，一直沒有徹底解決。僅2019年就發(fā)生2起因單相接地故障引起系統(tǒng)過電壓導(dǎo)致的大面積停電的較大事故：1、2019年

5月27日哈四聯(lián)變電所10kV一段母線過電壓導(dǎo)致10kV1#PT燒損短路，造成10kV一段母線失壓的較大事故。2、2019年9月17日哈四聯(lián)變電所10kV三段母線過電壓，導(dǎo)致系統(tǒng)大面積停電的較大事故，給單位造成14.44萬元的直接經(jīng)濟(jì)損失。為確保設(shè)備安全運(yùn)行，提高變電所電能質(zhì)量，保證電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行，需對(duì)系統(tǒng)內(nèi)單相接地故障產(chǎn)生的過電壓進(jìn)行綜合治理。

2.單相接地故障的危害

（1）中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中由于非故障相對(duì)地電壓升高（全接地時(shí)升至線電壓值），系統(tǒng)中的絕緣薄弱點(diǎn)可能擊穿，造成短路故障。

（2）中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)故障點(diǎn)產(chǎn)生電弧，會(huì)燒壞設(shè)備并可能發(fā)展成相間短路故障。

（3）中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)故障點(diǎn)產(chǎn)生間歇性電弧時(shí)，在一定條件下，產(chǎn)生串聯(lián)諧振過電壓，其值可達(dá)相電壓的2.5—3倍，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備絕緣危害很大。

3.單相接地故障類型

3.1不完全接地

不完全接地是指通過高電阻或電弧接地。當(dāng)發(fā)生一相不完全接地時(shí)，不完全接地時(shí)故障相的相電壓降低，但是不會(huì)降到零;非故障相的相電壓高于正常相電壓，但達(dá)不到線電壓。

3.2完全接地

完全接地是指線路發(fā)生接地時(shí)，接地相和地之間阻值接近零歐姆，也稱金屬性接地。當(dāng)一相發(fā)生完全接地時(shí)，完全接地時(shí)故障相的相電壓降到零，非故障相的電壓升高，等于線電壓。

3.3弧光接地

弧光接地是指在接地的瞬間產(chǎn)生電弧。弧光接地過電壓又稱間隙性弧光接地過電壓。當(dāng)中性點(diǎn)非直接接地系統(tǒng)發(fā)生單相間隙性弧光接地故障時(shí)，由于不穩(wěn)定的間歇性電弧多次不斷的熄滅和重燃，在故障相和非故障相的電感電容回路上會(huì)引起高頻振蕩過電壓，非故障相的過電壓幅值一般可達(dá)2.5—3倍相電壓。這種過電壓是由于系統(tǒng)對(duì)地電容上電荷多次不斷的積累和重新再分配形成的，是斷續(xù)的瞬間發(fā)生的且幅值較高的過電壓，對(duì)電力系統(tǒng)的設(shè)備危害極大。

4.弧光接地過電壓的危害

4.1高幅值的過電壓加劇了電纜等固體絕緣的積累性破壞

對(duì)于中性點(diǎn)非直接接地系統(tǒng)，我國(guó)現(xiàn)行規(guī)程籠統(tǒng)地規(guī)定允許帶單相接地故障運(yùn)行2小時(shí)，并未區(qū)分是架空線路還是電纜線路，也沒有明確是弧光接地還是金屬接地。在高幅值的弧光接地過電壓的持續(xù)作用下，加劇了電纜等固體絕緣的積累性破壞。最終在非故障相的絕緣薄弱環(huán)節(jié)造成對(duì)地?fù)舸M(jìn)而發(fā)展成為相間短路事故。

4.2弧光接地過電壓導(dǎo)致燒PT或保險(xiǎn)熔斷

普通的電壓互感器飽和點(diǎn)一般為1.6～1.8倍，在弧光接地過電壓作用下，使電壓互感器嚴(yán)重飽和，激磁電流劇烈增加。另一方面，電壓互感器飽和，也很容易激發(fā)鐵磁諧振，導(dǎo)致電壓互感器過載。上述兩種情況，都將造成電壓互感器燒毀或高壓保險(xiǎn)熔斷。

4.3弧光接地過電壓導(dǎo)致避雷器爆炸

弧光接地時(shí)，過電壓的能量由電源提供，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，能量很大。當(dāng)過電壓的能量超過避雷器所能承受的400A2mS的能量指標(biāo)時(shí)，就會(huì)造成避雷器的爆炸事故。

5.弧光接地時(shí)電弧對(duì)故障點(diǎn)的破壞

（1）燃弧點(diǎn)的溫度高達(dá)5000K以上，將會(huì)燒傷導(dǎo)線，甚至導(dǎo)致斷線事故。

（2）若電弧不能很快熄滅，則在風(fēng)吹、電動(dòng)力、熱氣流等因素的影響下，將會(huì)發(fā)展成為相間弧光短路事故。

（3）由于電纜線路的穩(wěn)態(tài)工頻電容電流比架空線路大很多，而過渡過程中的高頻電流更大，電弧電流對(duì)故障點(diǎn)的破壞程度遠(yuǎn)比架空線路嚴(yán)重得多。

（4）電纜線路的相間距離很短，電弧燃燒時(shí)將直接破壞相間絕緣，以致于在幾分鐘之內(nèi)就會(huì)形成相間短路事故。

6.哈得油田電力系統(tǒng)10V-35kV中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)單相接地故障產(chǎn)生過電壓的治理

6.1套管零序過流功能完善

6.1.1排查、確認(rèn)

對(duì)系統(tǒng)內(nèi)所管轄的10-35kV開關(guān)柜套管零序過流功能從兩個(gè)方面進(jìn)行排查、確認(rèn)：1、10-35kV出線開關(guān)柜微機(jī)繼電保護(hù)是否具備套管零序過流跳閘功能;2、10-35kV出線開關(guān)柜電纜是否裝設(shè)有套管零序互感器。經(jīng)統(tǒng)計(jì)10-35kV有15套開關(guān)柜需要整改，整改需要在出線電纜加裝零序互感器和保護(hù)裝置進(jìn)行程序升級(jí)，從而進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)套管零序過流0秒跳閘功能。

6.1.2套管零序過流0秒跳閘功能完善

本次整改是將10-35kV出線開關(guān)柜微機(jī)繼電保護(hù)裝置套管零序過流投入，實(shí)現(xiàn)0秒跳閘功能，配出開路發(fā)生接地故障時(shí)迅速切除故障點(diǎn)，避免長(zhǎng)時(shí)間的弧光接地造成系統(tǒng)過電壓。

6.2消弧消諧改造、試驗(yàn)

對(duì)中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)消弧消諧進(jìn)行改造，改造后在發(fā)生弧光接地時(shí)，故障相的真空接觸器可在30ms內(nèi)合閘，將弧光接地轉(zhuǎn)化為金屬性接地，不僅使故障點(diǎn)的電弧立即熄滅，同時(shí)也徹底消除了弧光接地過電壓。本次改造消弧消諧裝置工作原理及動(dòng)作判據(jù)分相模擬PT斷線、金屬接地、弧光接地功能，均正確動(dòng)作，達(dá)到預(yù)期整改目的。

6.3電壓互感器治理

目前哈得油田電力系統(tǒng)中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中采用的電壓互感器有半絕緣電壓互感器和全絕緣電壓互感器兩種，二者接線方式不同，半絕緣電壓互感器高壓N極必須直接接地運(yùn)行，在正常運(yùn)行中只承擔(dān)相電壓，在系統(tǒng)單相接地時(shí)，很容易激發(fā)形成高幅值鐵磁諧振，需要承受線電壓的沖擊，可能會(huì)造成擊穿故障;全絕緣電壓互感器可以直接接地運(yùn)行，也可以間接（接電阻、零序壓變等）接地運(yùn)行，還可以V形接線不接地運(yùn)行，運(yùn)行中可以承受線電壓，在系統(tǒng)單相接地時(shí)，承受的是額定電壓，不易擊穿。將半絕緣電壓互感器更換為全絕緣互感器且加裝專用消諧器，可有效防止鐵磁諧振過電壓，減少電壓互感器擊穿故障發(fā)生。

7.結(jié)論

通過對(duì)套管零序過流0秒跳閘功能的完善、消弧消諧改造、全絕緣電壓互感器更換的綜合治理，目前10-35kV供電系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，當(dāng)微機(jī)保護(hù)裝置和消弧消諧控制器檢測(cè)到系統(tǒng)弧光接地后，微機(jī)保護(hù)裝置快速發(fā)出跳閘命令切除故障，而消弧消諧真空接觸器立即動(dòng)作吸合轉(zhuǎn)化為金屬接地，二者完美的配合可有效的避免了孤光接地引起的系統(tǒng)過電壓，此次治理符合哈得油田電力系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求。

參考文獻(xiàn)：

[1]郭雷，《中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)單相接地故障的分新及處理》.

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