【摘要】 10～35kV中壓配電網(wǎng)中性點接地方式選擇是一項系統(tǒng)工程，特別是發(fā)生弧光接地故障時，中性點經(jīng)消弧線圈是否可以進(jìn)行有效的熄弧一直是一個焦點。通過對中性點經(jīng)消弧線圈發(fā)生孤光接地過程分析，得到結(jié)果是只要恰當(dāng)?shù)目刂迫鄬Φ夭黄胶?，中性點經(jīng)消弧線圈接地方式可以較好的控制弧光接地故障而不影響供電可靠性。研究小電流接地故障選線及監(jiān)控系統(tǒng)記錄的現(xiàn)場故障數(shù)據(jù)，分析間歇性弧光接地、不平衡電流接地、發(fā)展型接地以及環(huán)網(wǎng)接地故障的形成原因，還有故障的現(xiàn)象以及零序電壓、電流的變化情況，就可說明小電流接地系統(tǒng)單相接地故障是一個復(fù)雜的，發(fā)展的，變化的過程，只有對此過程足夠的重視才能提高選線的可靠性和準(zhǔn)確率。

【關(guān)鍵詞】 配電網(wǎng) 小電流接 地特殊故障 中性點接地方式 孤光接地 三相不平衡 消弧線圈

1 概述

配電系統(tǒng)中常見的中性點接地方式有三種：中性點不接地、中性點經(jīng)消弧線圈接地和中性點經(jīng)小電阻接地。當(dāng)電網(wǎng)規(guī)模比較小的時候，配電網(wǎng)電容電流較小，一般選擇中性點不接地方式。而現(xiàn)階段城市配電網(wǎng)由于規(guī)模大，電容電流也較大(除少部分配電自動化程度較高的城市采用中性點經(jīng)小電阻接地)，一般城市大都采用中性點經(jīng)消弧線圈接地方式。對于中性點經(jīng)消弧線圈接地方式的研究分析中大都是以永久性接地故障為主體，對于弧光接地故障如何控制闡述不多。中性點經(jīng)消弧線圈接地對于弧光接地故障電弧的熄滅及系統(tǒng)過電壓控制在三相對地不平衡時存在嚴(yán)重的不足。

小電流系統(tǒng)接地故障類型較多，主要可分為穩(wěn)定性和非穩(wěn)定性接地故障。穩(wěn)定性接地故障包括金屬性接地、低電阻接地等。非穩(wěn)定性接地故障包括瞬時性的電弧接地、間歇性電弧接地以及發(fā)展型接地等。造成接地故障的原因很多，如線路結(jié)構(gòu)性能問題、雷電閃絡(luò)、避雷器瞬時擊穿和導(dǎo)線上搭有樹枝等。特殊接地故障不僅會使穩(wěn)態(tài)信息選線的準(zhǔn)確率降低，也會使暫態(tài)信息選線受到一定的影響。

穩(wěn)定性接地故障在配電網(wǎng)中的發(fā)生比較頻繁。由于其故障過程較為穩(wěn)定，穩(wěn)態(tài)信息的選線方法(注入法、中電阻法)和暫態(tài)信息的選線方法(行波法、暫態(tài)法)均能做出較為準(zhǔn)確檢測和判斷。但也有很多特殊的故障，如間歇性弧光接地、存在不平衡電流時的接地、發(fā)展性接地以及環(huán)網(wǎng)接地等故障，由于故障過程很不穩(wěn)定，使故障產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)零序電流不滿足穩(wěn)態(tài)故障判據(jù)，即：故障線路工頻及暫態(tài)零序電流的幅值最大且與所有健全線路極性相反，因此穩(wěn)態(tài)信息選線方法受到了一定的限制，而暫態(tài)信息的選線方法具有很大的應(yīng)用空間。

2 接地故障類型

2.1 間歇性弧光接地故障

在配電網(wǎng)絡(luò)中，線路的絕緣薄弱點間歇性的對地閃絡(luò)以及由于某種特殊原因(例如樹枝搭在導(dǎo)線上等)引起線路對地電弧的間歇性重燃與熄滅，都可能造成間歇性弧光接地故障。此時會引起系統(tǒng)暫態(tài)過電壓。健全相和故障相的最大過電壓分別可達(dá)線電壓的3，5倍和2倍。故障時由于過電壓聚集的熱量會導(dǎo)致絕緣薄弱點擊穿故障，最終發(fā)展成為永久性單相接地故障甚至相間短路故障。在間歇性弧光接地故障中，穩(wěn)態(tài)信息選線方法的效果不夠很理想。但故障產(chǎn)生的暫態(tài)零序電流分量不僅滿足暫態(tài)故障特性判據(jù)，而且幅值大于工頻穩(wěn)態(tài)零序電流的幅值，因此利用暫態(tài)信息檢測此類故障會具有更高的可靠性和靈敏度。

2.2 存在不平衡電流的接地故障

系統(tǒng)中的不平衡電流可能是在一條或多條出線環(huán)網(wǎng)供電情況下，由于線路的性能差異或其他因素造成。系統(tǒng)中不平衡電流的存在會造成信號采集通道的CT飽和。CT飽和會使采集信號在傳遞過程失真，對現(xiàn)有選線可靠性造成嚴(yán)重的影響。

2.3 發(fā)展型接地故障

在高阻接地故障中，由于故障零序電流很小，故障過程不明顯，因此故障很難檢測，但對于故障點絕緣擊穿而形成的間歇性電弧接地、低阻接地、金屬性接地等發(fā)展性故障，這時暫態(tài)零序電流較大，過程很明顯。故此類故障是能夠被檢測出來的。在發(fā)生單相弧光接地故障時，弧光有可能會使健全相產(chǎn)生幾倍于線電壓的過電壓，從而引起健全相線路絕緣薄弱點的絕緣擊穿，使故障發(fā)展成為單相永久性接地故障甚至兩相接地或兩相接地并短路故障。

在發(fā)展型故障中，電弧的存在使故障過程變的很不穩(wěn)定，甚至很復(fù)雜。使現(xiàn)有算法選線的效果不理想。但在此類故障中具有較為豐富的暫態(tài)信息，暫態(tài)分量提供的暫態(tài)信息的選線方法在解決這類故障中發(fā)揮重要作用。

(1)高阻接地發(fā)展為易被檢測的間歇性電弧接地故障最終發(fā)展成為永久性單相接地故障。

(2)單相接地發(fā)展為兩相接地故障

如某線在發(fā)生間歇性弧光接地故障，并發(fā)展成為永久性故障，在故障恢復(fù)期間穿插另一條線路接地故障，兩條線路兩相接地但由于接地時刻不同，沒有形成相間短路故障。

(3)單相接地發(fā)展為兩線兩相接地并短路故障

如某線先發(fā)生弧光接地，期間另一條線路發(fā)生絕緣擊穿接地故障，最終形成兩線兩相接地并短路故障。

2.4 環(huán)網(wǎng)接地故障

在環(huán)網(wǎng)供電情況下，如果環(huán)線發(fā)生單相接地故障，則和它一起環(huán)網(wǎng)供電的一條或幾條出線路，一般情況具有相同的故障特性，即故障線路零序電流與所有健全線路的零序電流極性相反。但在某些特殊情況下(比如故障點離母線很近)則不具有相同的故障特性。

2.5 故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

某供電局在2004年9月到2008年2月所統(tǒng)計的多所變電站的1826組故障數(shù)據(jù)中，穩(wěn)定性接地故障發(fā)生了1174次，占所統(tǒng)計接地故障次數(shù)(TG)的62.7％。具有故障過程相對穩(wěn)定、故障產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)信息和暫態(tài)信息均滿足各自的故障判據(jù)等特點，注入信號尋跡法、中電阻法及行波法、暫態(tài)法等選線方法均能準(zhǔn)確檢測和判斷故障線路。特殊接地故障發(fā)生632次，TG為37.3％。其中間歇性弧光接地故障126次，TG為6.98％，存在不平衡電流的接地故障101次，TG為5.59％，高阻接地發(fā)展間歇性電弧接地99次，TG為5.49％，單相接地發(fā)展為兩相不同時接地故障106次，TG為5.88％，單相接地發(fā)展為兩相接地并短路故障106次，TG為5.88％，環(huán)網(wǎng)單相接地故障114次，TG為6.38％。

在此類故障過程中，由于故障電流微弱、電弧不穩(wěn)定以及故障點位置變動等原因，造成故障過程很復(fù)雜，使穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)信息的選線方法受到一定的影響。

3 諧振接地系統(tǒng)弧光接地故障過電壓分析

3.1 弧光接地的電弧模型

通常有四種分別如下：

(1)高頻熄弧理論，假定故障相在工頻電壓最大值發(fā)生絕緣擊穿，忽略弧道電阻，近似為金屬接地，且故障點的接地電弧在暫態(tài)高頻振蕩電流通過第一個零點時熄滅。此后每經(jīng)過0.5個工頻周期，接地電弧重燃一次。

(2)工頻熄弧理論是假定故障相在工頻電壓最大值時發(fā)生絕緣擊穿，接地電弧在工頻電流過零時熄滅。此后每個工頻周期重燃一次。

(3)介質(zhì)恢復(fù)理論是不論是高頻電流過零還是工頻電流過零，只要滿足由回路電感和電流陡度所決定的熄弧峰壓小于弧道介質(zhì)的恢復(fù)強(qiáng)度，接地電弧便不會發(fā)生重燃。

(4)總電流過零熄弧理論是根據(jù)通過接地故障點的總電流(不是高頻或工頻)，過零熄弧和故障點恢復(fù)電壓達(dá)到極大值時重燃而建立的。

顯然，上述電弧模型都具有兩個過程：電弧導(dǎo)通與電弧熄滅。

3.2 弧光接地故障的系統(tǒng)等值電路

配電系統(tǒng)發(fā)生金屬性接地故障時，一般可分為弧光接地故障的電弧導(dǎo)通的階段，和電弧處于熄滅階段，若三相對地電容平衡，且電弧熄滅瞬間通過消弧線圈電流不變。實際電網(wǎng)中卻存在著三相不平衡，有的配電網(wǎng)可能三相對地電容不平衡度還相當(dāng)大，若三相對地電容不平衡，配電網(wǎng)正常運(yùn)行及電弧斷開階段，中性點存在不對稱電壓U₀₀；如果要進(jìn)行三相對地平衡的過電壓研究，可以設(shè)定為U₀₀為0，因此，對弧光接地電弧熄滅階段進(jìn)行全面分析。

3.3 電弧影響因素及分析

消弧線圈的感性電流在電弧熄滅后繼續(xù)輸出，相當(dāng)于系統(tǒng)中的接地電容與消弧線圈電感組成一個串聯(lián)諧振電路，顯然這不是一個零輸入響應(yīng)，所以從電弧熄滅時刻到下一次可能的電弧導(dǎo)通時刻，系統(tǒng)中性點電壓可能迅速升高，引起同樣故障相電壓升高過快，使電弧重燃的可能性提高。這是由于三相對地電容不平衡引起的中性點不對稱電壓的存在，導(dǎo)致從電弧過零熄滅時刻到可能的下一次電弧重燃時刻內(nèi)，系統(tǒng)的三相對地電容與消弧線圈電感發(fā)生串聯(lián)諧振，從而導(dǎo)致中性點電壓升高過快，所以故障相恢復(fù)電壓速度相應(yīng)更加過快，導(dǎo)致故障點電弧重燃。電弧的重燃一熄滅一重燃循環(huán)過程導(dǎo)致系統(tǒng)中性點電壓不斷升高，引起配電系統(tǒng)非常高的過電壓，最終影響用戶的供電可靠性。

3.4 對地電容平衡單相弧光接地故障

若系統(tǒng)三相對地電容平衡，采用高頻熄弧模型建立故障模型，即一個工頻周期內(nèi)，電弧重燃兩次。由于系統(tǒng)三相對地電容平衡，則在弧光接地過程中消弧線圈電感與三相對地電容組成并聯(lián)補(bǔ)償回路；若電弧熄滅，由于U₀₀可以近似為零，所以中性點過電壓較小，故障相電壓恢復(fù)速度慢，所以電弧重然的可能性大大減小。

3.5 故障點的殘流，中性點電壓及系統(tǒng)電壓

在消弧線圈投入兩個周波后，故障點的殘流減小明顯，一些電弧由于過小而沒有顯現(xiàn)出來；故障相電壓在弧光接地故障發(fā)生的整個過程中均小于千伏，這一數(shù)值一般小于介質(zhì)的恢復(fù)強(qiáng)度，即電弧不會發(fā)生重燃，實際電網(wǎng)中的弧光接地故障在消弧線圈補(bǔ)償作用下已消失。系統(tǒng)在發(fā)生弧光接地故障過程中沒有產(chǎn)生較高的過電壓。計算過程中設(shè)定電弧在故障相電壓達(dá)到最大值是導(dǎo)通，而實際上由于故障電壓小于介質(zhì)的恢復(fù)強(qiáng)度，所以弧光接地故障相當(dāng)于已得到有效控制，電弧已經(jīng)熄滅。

3.6 故障相電壓

在配電網(wǎng)三相對地電容平衡的情況下，中性點經(jīng)預(yù)調(diào)式消弧線圈接地可以有效的控制弧光接地過電壓。

3.7 對地電容不平衡單相弧光接地故障

配電網(wǎng)三相對地電容不平衡用不對稱度來表示，為了研究三相對地電容不平衡對預(yù)調(diào)式消弧線圈接地系統(tǒng)的影響。即在系統(tǒng)對地電容不平衡的狀況下，消弧線圈沒有起到熄滅電弧、抑制弧光過電壓的作用。當(dāng)然在0.1s以前弧光接地過程中，故障點殘流小，且中性點電壓、系統(tǒng)電壓都符合要求，不過這個階段相對于弧光接地故障整個時間段而言存在的時間短，在這樣一個臨界點，希望消弧線圈可以有效降低故障點殘流從而熄滅電弧有困難。

總之三相對地不平衡狀況下，利用預(yù)調(diào)式消弧線圈補(bǔ)償方式控制弧光接地故障效果并不理想。

高頻熄弧理論說明如果三相對地電容不平衡度低于1％，電弧較容易熄滅，系統(tǒng)過電壓相對較小。在工頻熄弧理論，不論三相對地電容是否平衡，配電系統(tǒng)比采用高頻熄弧理論的系統(tǒng)更容易熄弧，系統(tǒng)過電壓也比高頻熄弧理論的系統(tǒng)過電壓低。

4 結(jié)論及建議

在小電流接地系統(tǒng)中，接地故障受到系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、天氣狀況、導(dǎo)線性能、PT、CT異常等許多復(fù)雜因素的影響，使其過程變的更為復(fù)雜。雖然特殊故障發(fā)生的概率次數(shù)相對較小，但是如果不能很好的解決這類故障的選線可靠性的問題，那么整體選線的可靠性很難得到較大的提高。因此只有對復(fù)雜故障過程提高重視和深入研究，才能改善選線的準(zhǔn)確率和可靠性。

中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)發(fā)生弧光接地故障時，在電弧熄滅的階段，由于三相對地電容不平衡導(dǎo)致中性點電壓及故障相電壓升高過快，使得電弧重燃引起故障點產(chǎn)生更大的電弧電流及更嚴(yán)重的系統(tǒng)過電壓。所以在配電網(wǎng)設(shè)計和實際運(yùn)行過程中應(yīng)該注意以下二點：

(1)配電網(wǎng)弧光接地故障時，應(yīng)分析電弧熄滅過程對系統(tǒng)的影響；

(2)只要恰當(dāng)控制三相對地電容不平衡度，中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)可以很好的起到熄滅電弧的作用。

5 參考文獻(xiàn)

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