童奕賓，尤智文，李 姝

（1.上海市電力公司市區(qū)供電公司，上海 200080；2.上海市電力公司信息通信中心，上海 200032）

我國10 k V配電網(wǎng)一般采用中性點非有效接地方式。該方式優(yōu)點很多，但也有缺點：一是當發(fā)生單相接地故障時故障支路零序電流較小，增加了選線難度［1，2］；二是隨著城市電纜線路增加，線路電容電流隨之增大，需提高消弧線圈容量來適應大的電容電流。因此在以電纜出線為主的城市配電網(wǎng)中，中性點經小電阻的接地方式得到廣泛應用。

據(jù)統(tǒng)計，單相接地故障占電網(wǎng)故障的80%，其中弧光接地占相當大的比例［3］。目前針對中性點經小電阻接地方式的研究大多集中在電阻值的選取原則、小電阻的保護措施等方面［4～7］。當系統(tǒng)發(fā)生間歇性電弧接地故障時，對于采用小電阻接地方式能否抑制弧光過電壓這一問題的研究不多。文獻［8］分析了中性點經小電阻接地系統(tǒng)中的弧光接地過電壓，但是該文認為弧光接地電阻為一恒定值。實際上電弧的弧道電阻是非線性的［9，10］。

本文使用接地電弧模型［10］，利用PSCAD／EMTDC軟件構建仿真平臺。先分析在中性點不接地系統(tǒng)中發(fā)生間歇性電弧接地故障時弧光過電壓的情況，然后分析在中性點經小電阻接地系統(tǒng)中的兩種間歇性電弧接地故障，最后根據(jù)仿真比較分析得出結論。

1 小電阻阻值的確定

在中性點經小電阻接地系統(tǒng)中，小電阻的取值原則有多種，從不同角度取值差別很大［11］。本文從限制間歇性電弧接地過電壓的角度確定中性點電阻值。根據(jù)文獻［11］，中性點電阻Rn應滿足

2 間歇性電弧接地故障的模擬

PSCAD／EMTDC軟件是目前在電力系統(tǒng)中廣泛使用的電磁暫態(tài)仿真軟件。用戶可以使用強大的元件模型庫，通過友好的用戶圖形界面來模擬復雜的電力系統(tǒng)［12］。本文使用PSCAD／EMTDC軟件，建立了10 k V電網(wǎng)仿真平臺（圖1）。

該仿真平臺由一條線路組成，電容電流89 A。電源電壓10 k V。電壓基準值取相電壓峰值，即阻抗的基準值取電網(wǎng)的總容抗，即根據(jù)式（1），取中性點電阻Rn＝65Ω。

所謂間歇電弧系指接地電弧的熄滅并隨之重燃的多次重復現(xiàn)象，每次熄弧將伴隨相對地電容上的電荷積累并產生較大的過電壓［9～11］。

文獻［9］指出，交流電弧中的電流每半周過零一次，但在電流自然過零前后的一小段時間內，電流都近似為零。因此弧道電阻具有非線性，如果把電弧視作固定阻值的電阻來進行仿真分析，顯然結果不夠準確。對于電弧模型的研究很多［10，13，14］，本文采用文獻［10］提出的近似接地電弧模型。

在仿真中，利用開關K的閉合來模擬電弧的燃燒，利用開關K的斷開來模擬電弧的熄滅。

間歇性弧光接地的現(xiàn)象可以使用高頻熄弧理論和工頻熄弧理論來解釋。高頻熄弧理論認為電弧在高頻電流經過零點時熄滅，半個工頻周期之后重燃。而工頻熄弧理論認為熄弧發(fā)生在工頻電流過零時刻。根據(jù)高頻熄弧理論計算得到的過電壓要嚴重的多，可以達到7.5 p.u.［1，8，9，11］。但實測結果表明：大多數(shù)情況下，過電壓不會超過3 p.u.［11］。因此本文采用工頻熄弧理論來分析弧光接地過電壓。

當接地故障發(fā)生在電壓峰值時刻時，產生的過電壓值最大，因此在仿真中假設開關K在電壓峰值時刻閉合，即發(fā)生單相弧光接地故障。

圖1 10 k V網(wǎng)絡仿真平臺示意Fig.1 Simulation platform of 10 k V network

3 中性點不接地系統(tǒng)

如圖1所示，將中性點與小電阻Rn斷開，即為中性點不接地系統(tǒng)。仿真時，開關K在0.205 s閉合，A相接地，產生電?。慈蓟。?，在0.215 s開關K斷開，電弧熄滅（即熄弧）；半個工頻周期（即10 ms）后，開關K閉合，電弧重燃；同樣經過半個工頻周期之后，開關K斷開，電弧熄滅。這樣的"燃?。ɑ?過程，反復出現(xiàn)4次。開關K的控制順序是：

第一次“燃弧－熄弧”：0.205 s開關K閉合，0.215 s開關K斷開；

第二次“燃?。ɑ　保?.225 s開關K閉合，0.235 s開關K斷開；

第三次“燃?。ɑ　保?.245 s開關K閉合，0.255 s開關K斷開；

第四次“燃弧”：0.265 s開關K閉合，電弧穩(wěn)定燃燒至0.365 s接地故障消失。

圖2表示故障處三相電壓、故障相電流以及中性點電壓。表1列出了4次“燃弧－熄弧”過程中出現(xiàn)的電壓最大值。將故障相電壓及接地電流的工頻成分畫在同一坐標系下，如圖2（a）所示。故障相在峰值時刻產生電弧，由于雜散電容的影響，接地電流中的工頻成分（即工頻電流）與故障相電壓有一很小的相位差。通過仿真計算可以得到工頻電流過零點的時刻。根據(jù)工頻熄弧理論，當工頻過零時電弧熄滅。由這些圖表可以發(fā)現(xiàn)：在中性點不接地系統(tǒng)中，當發(fā)生間歇性弧光接地故障時，容易產生過電壓。當?shù)谝淮稳蓟r，A相短路，B、C相通過振蕩趨于穩(wěn)態(tài)。半個工頻周期之后，工頻電流通過零點，電弧熄滅。電弧熄滅的瞬間，三相對地電容的電壓之和不為零，這些電荷無處釋放，將在三相電容間平均分布。再經過半個工頻周期，A相恢復電壓高達2 p.u.，電弧重燃。結果導致其他兩相產生更高的過電壓，達3 p.u.左右。

圖2 中性點不接地系統(tǒng)電壓Fig.2 Voltages in the isolated neutral system

表1 中性點不接地系統(tǒng)間歇性電弧故障時相電壓最大值與中性點電壓最大值Tab.1 Maximum values of phase and neutral voltages with the intermittent arc earth fault happening in the isolated system p.u.

4 中性點經小電阻接地系統(tǒng)

考慮到電弧每次重燃的時間間隔不等，本文分兩種情況討論間歇性電弧接地故障：第一種情況是每次燃弧的時間間隔相等，都為半個工頻周期；第二種情況是每次燃弧的時間間隔不等。

4.1 燃弧時間間隔相等時，間歇性弧光過電壓分析

開關K在0.205 s閉合，產生電?。慈蓟。?，在0.215 s開關K斷開，電弧熄滅（即熄?。?。待熄弧半個工頻周期（即10 ms）后，電弧重燃。同樣經過半個工頻周期之后，電弧熄滅。這樣的“燃?。ɑ　边^程，反復出現(xiàn)4次。開關K的控制順序同上節(jié)。

圖3是系統(tǒng)三相電壓及中性點電壓的波形。當開關K閉合，發(fā)生接地故障。由于電弧電阻的非線性，可以看出，A相電壓不為零，而是類似“鋸齒”形狀。

圖3 中性點經小電阻接地系統(tǒng)電壓（燃弧時間間隔相等）Fig.3 Voltages in the neutral grounding via low resistance system（an equal time interval of arcing）

表2列出了4次“燃?。ɑ　边^程中出現(xiàn)的電壓最大值。與中性點不接地系統(tǒng)相比（圖2及表1），可以看出，在中性點經小電阻接地系統(tǒng)中，間歇性電弧產生的過電壓比較小，故障相（A相）電壓為1 p.u.左右，而健全相電壓小于2.5 p.u.。

表2 中性點經小電阻接地間歇性電弧故障時相電壓最大值與中性點電壓最大值Tab.2 Maximum values of phase and neutral voltages with the intermittent arc earth fault happening in the neutral grounding via low resistance system p.u.

4.2 燃弧時間間隔不等時，間歇性弧光過電壓分析

在上一節(jié)中，假設每次燃弧時間間隔相等，但是電弧的二次重燃并不一定都在第一次熄弧之后的半個工頻周期，可能是1.5個、2.5個…這個重燃時間間隔與很多因素有關。

不妨假設第一次熄弧之后半個周波燃弧，第二次熄弧之后1.5個周波燃弧，第三次熄弧之后4.5個周波燃弧，第四次熄弧之后1.5個周波燃弧。開關K的控制順序是：

第一次“燃?。ɑ　?，0.205 s開關K閉合，0.215 s開關K斷開；

第二次“燃弧－熄弧”，0.225 s開關K閉合，0.235 s開關K斷開；

第三次“燃弧－熄弧”，0.265 s開關K閉合，0.275 s開關K斷開；

第四次“燃弧－熄弧”，0.365 s開關K閉合，0.375 s開關K斷開，

第五次“燃弧”，0.385 s開關K閉合，電弧穩(wěn)定燃燒至0.445 s單相接地故障消失。

圖4是系統(tǒng)三相電壓及中性點電壓波形。表3列出了4次“燃?。ɑ　边^程中出現(xiàn)的電壓最大值。故障相電壓在1 p.u.左右，健全相電壓最大值超過2 p.u.。與中性點不接地系統(tǒng)相比（圖2及表1），可以看出中性點經小電阻接地系統(tǒng)可以抑制過電壓的產生，與燃弧時間間隔相等的情況相比（圖3及表2），過電壓情況基本相同。

圖4 中性點經小電阻接地系統(tǒng)電壓（燃弧時間間隔不等）Fig.4 Voltages in the neutral grounding via low resistance system（a unequal time interval of arcing）

表3 中性點經小電阻接地間歇性電弧故障時相電壓最大值與中性點電壓最大值Tab.3 Maximum values of phase and neutral voltages with the intermittent arc earth fault happening in the neutral grounding via low resistance system（p.u.）

5 結語

在中性點經小電阻接地系統(tǒng)中，當發(fā)生間歇性弧光接地故障時，在熄弧期間，殘余電荷可以通過中性點小電阻釋放，因而能夠抑制弧光接地過電壓的產生。如果從熄弧到二次燃弧的時間間隔不足夠長，那么電荷不會完全釋放，隨著電荷積累有可能產生過電壓。本文通過仿真分析認為當發(fā)生間歇性弧光接地時，選取合適的小電阻可以很好地抑制弧光過電壓的產生。

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