基于ATP—EMTP的電弧接地故障研究

丁芮 胡瑞 李琦 何亞寧

（滁州學院機械與電氣工程學院，安徽 滁州 239000）

一、緒論

電力系統中性接地點是一個復雜的技術問題，它與供電系統可靠性、人身安全、隔離水平、中繼保護、通信中斷等問題密切相關。目前，電力系統中的主要接地方式是中性點接地，而且中性點是通過消弧線圈接地。不同的接地方法顯示了電網的故障，不同于電壓在非一致相的特性也展現出來。

電力系統中的接地方式有各種不同的表現形式。目前，全世界不同國家和地區在選擇電力網絡使用的技術方面有著特別的關注。世界各國不同地點和各區域中央配電網的接地都進行了不同程度的嘗試。

隨著國內電網普及率的不斷提高，對電網綜合指標的提升越來越快，本文為電弧接地故障的研究方面提供了一種新的思路，在電網設計過程中避免電弧接地故障角度具有借鑒意義。

二、電弧接地模型

（一）電弧動態模型

對于交變電弧來講，交變電流每半個周期便要穿過一次零點。在瞬間電流靠近零點時，氣體間隙的輸入能量也無限趨近于零，使得整個氣體介質的溫度有所下降，為熄弧提供了有利的物理環境。根據判斷，熄弧的主要條件是輸入介質的能量低于散出介質的能量。

因此，電弧理論的動態模型是將氣體間隙作為圓柱形式的氣體通道，而該介質的電阻是隨著輸入能量和散出能量的對比程度來決定的。隨著逸散出氣體間隙的能量增加，使得電弧的溫度下降，電阻增加。基于上述描述，可構建電弧動態模型方程為：

其中，i 為實時變化的電弧電流；u 為實時變化的電弧電壓；r 為實時變化的電弧電阻；P 為氣體介質的能量輸入功率與散出功率；Q 為電弧在某一時刻下保存的能量和。

其中電弧在某一時刻下保存的能量和與氣體介質的整體溫度和聚集程度有關，而其瞬時變化值是輸入能量與散出能量的差值。其公式如下：

（二）接地電弧模型

針對靜態空氣內產生的電弧，可以根據下面公式進行描述：

其中，a、b、c、d 為各類描述不同物理性質的常數；l 為電弧的長度。當采用靜態空氣內產生電弧的公式時，將四個物理常數合理選擇，便獲得了一個可以體現在靜態空氣中穩定燃燒的電弧。但是在實際操作過程中，電弧的長度會產生波動變化，此時空氣并非靜態，而且電阻并非恒定。因此應選擇多個a、b、c、d 參數組，通過實時改變不同的參數組合，使得動態變化的電弧可以被描述。通過實際操作的經驗可知，能夠實現穩定燃燒的絕大部分電弧長度均小于15 毫米，因此可以以3 毫米為基本單位，建立5 個長度區間進行研究。

對該模型進行大量的電弧實驗，并通過控制變量法對實驗進行干預，可以獲得5 個參數組，能夠構建5 個動態電弧模擬方程，可以相對系統地對動態的電弧進行描述。

當電路的設計為單相電弧接地時，該電弧接地模型的總電阻包括了原本的電弧電阻以及接地回路通道電阻。因此對于間歇性的接地電弧來說，數學模型可構建為：

（三）電弧接地故障的電路模型

在實際的操作過程中，由于某一相電壓的值接近于最大值，會對絕緣層進行擊穿，導致了絕緣層失去了原有性能，從而引起了電弧接地的故障。除了設備的絕緣性能被擊穿外，絕緣擊穿處的電壓會較大的影響電弧接地的物理性質，對判斷故障的大小有著很重要的作用。

根據動態元件的基本理論，電弧接地所產生的物理性質可以通過實時變化的電阻性二端元件模擬。其二端口函數關系如下：

三、電弧接地故障的仿真

（一）模型構建

在ATP—EMTP 中，建立電弧接地故障模型，并設定相應的實驗參數：電源的基礎頻率f=50Hz；電源的基本電壓值為u=10kV；導線中的誤差電阻r=0.55kΩ/km；導線中的誤差電感L=0.94mH/km；回路所形成的誤差電容C=0.07pF/km。為了提高仿真的有效性，我們采用10kV 配電系統，根據測量結果可知，空載系統出現接地故障時的過電壓最大。35kV 系統前的網絡部分被認為是理想電源，而變壓器是理想變壓器，僅僅選取一段作為研究對象，并采用簡化模型進行仿真分析，仿真模型如圖4-1 所示。

圖3-1 間歇電弧接地過電壓仿真圖

分別設置三個接地開關，通過三個開關的動作來模擬系統的接地和燃弧動作，三個開關的參數設置如下：

第一個開關的動作時間為5ms，系統發生第一次燃弧接地，然后15ms時分閘，發生第一次工頻息弧；第二個開關在25ms 時動作，系統發生第二次燃弧接地，之后35ms 分閘，發生第二次工頻息弧；45ms 時第三個開關動作，系統第三次燃弧接地，直至1s，系統發生持續性的接地故障。其仿真結果如圖4-3 所示。

圖3-2 三相過電壓

（二）結果分析

在每個電弧產生與熄滅的周期內，電流根據工作頻率過零點，當開關斷開時模擬電弧熄滅時。在電弧熄滅后發生電弧接地故障的相產生第一個峰值，電弧重新產生，此時開關閉合。

在時間方面，電弧在特定的頻率間隔內重新激活。0.005s 是模擬第一次接地故障發生時間，0.005s斷開開關。隨后，開關動作時間分別為0.015s、0.025s、0.035s 和0.045s，即出現了三次電弧產生與熄滅的循環。系統每次發生電弧接地都會引起系統高頻振蕩，產生過電壓;而每次發生A 相接地電流過零熄弧，都會使系統產生一個直流分量；系統第⒉次重燃產生的過電壓與第3 次重燃產生的過電壓數值相同，則可依此類推，其后產生的最大過電壓亦應相同。最大電弧接地過電壓倍數為3.5。

表4-1 系統三次重燃時三相過電壓數據

根據仿真模擬可得，在電弧產生與熄滅的往復循環中，系統能量的積累是對抗過電壓的重要原因，故障相接地之間的電弧引起接地高頻振蕩，而電壓則隨著往復循環次數的增大而增大，在不考慮漏電和相間電容的情況下，該仿真分析足以對電弧接地故障進行解釋。

四、結論

本文通過研究原始的弧數學模型，使用ATF-EMTP 電磁仿真軟件進行模擬，在電弧接地故障分析的過程中，比較單相電弧故障等主要問題，從輸出端分析電壓波形的變化，以及由于故障及隨后發生故障造成的電流變化，最終綜合了其特性。其結果是，故障相電壓只具有由不可抗拒性引起的直流電壓和導數分量。在發生瞬時故障的情況下，由于空氣間隙和外部之間的能量波動，故障階段仍有明顯的電壓偏差，并對電弧接地故障進行了深入分析。