金海望，駱立實，胡尊張，張金祥，靳永旗，白鯤，王薇，葛陽

（冀北電力檢修分公司，北京 102488）

中性點經高阻接地電網故障電弧建模與弧光接地分析

金海望，駱立實，胡尊張，張金祥，靳永旗，白鯤，王薇，葛陽

（冀北電力檢修分公司，北京 102488）

中壓配電網絕大多數(shù)故障為電弧接地故障，針對Cassie與Mayr這兩個經典電弧模型在單獨使用時只能考慮到對流散熱或傳導散熱，具有片面性，而二者結合使用卻恰好可互補，故而在ATP－EMTP平臺下將這兩種模型進行搭配并合理設置。通過仿真，分析研究了中性點經高阻接地配電網單相電弧故障時的特性，并將電弧模型用于間隙性電弧接地故障仿真，符合實際情形，證明了電弧模型可有效地反映弧光接地過電壓，及小電流接地系統(tǒng)中中性點電阻對降低電網弧光過電壓的作用。

電??；Cassie模型：Mayr模型；配電網；高阻接地方式；過電壓

0 引 言

電力系統(tǒng)中，單相接地故障多為電弧接地故障［1］，而大多數(shù)學者在研究配電網故障選線或故障定位策略時，通常只使用故障點經恒電阻接地的永久性接地模型作為簡單替代，無法反映電弧的非線性時變過程，另外，在做斷路器投切容量、電弧爐電氣特性分析時，建立能夠反映電弧特性的動態(tài)模型研究極有意義，故而電弧動態(tài)模型長期以來是很多科學工作者著重研究的課題［2－3］。對電弧的研究可從微觀與宏觀兩方面進行。微觀上是以電弧等離子體的微觀粒子為對象，建立大量的復雜方程式，對能量轉換有精確的估計，這種方法在國內部分高校展開了大量的研究［4］；宏觀上是將電弧等效為一個非線性時變電阻Rarc（t），在一定的假設條件下可以獲得電弧特性的解析解，是一種純粹的數(shù)學模型，稱為黑盒模型，比較簡單。迄今為止，比較典型的黑盒模型有Mayr模型和Cassie模型兩種。從宏觀上研究，就不需要考慮電弧內部復雜的物理過程，而將重點放在電弧表現(xiàn)的外在特性上，便于在仿真平臺建模與使用，此方法能夠滿足電氣工程師利用動態(tài)電弧模型來研究電網電弧現(xiàn)象的要求。

1 電弧模型的搭建

交流電弧中，在距離過零點較遠處電弧上具有較大的時間常數(shù)而在過零點附近電弧時間常數(shù)較?。?］，可假定電弧可以由兩個方程式來描述，Cassie方程對低電阻大電流情況較為適合，具有較大的時間常數(shù)，而Mayr方程則更能表示高電阻情況下的電弧特性，時間常數(shù)較小，這正好符合電弧的特點。將電弧看成兩部分電導串聯(lián)，一部分用Cassie模型描述，另一部分則用Mayr模型描述［6］：

gc－Cassie方程式電弧電導

gm－Mayr方程式電弧電導

模型的電路圖與gc的方程式（2），gm的方程式（3），如圖1所示。

圖1 電弧可變電阻模型與方程式

式中：

g－總電弧電導garc；u－電弧電壓；

τc－Cassie電弧時間常數(shù)；τm－Mayr電弧時間常數(shù)；uc－Cassie電弧電壓常數(shù)；P0－Mayr電弧散熱功率。

圖2為ATP-draw下搭建的10 kV配電網經電弧接地故障的仿真模型，一次網絡為中性點經高阻接地的小電流接地系統(tǒng)，高電阻接入方式：Z型線圈＋高壓電阻［7］；線路為電纜與架空線路混搭，更符合城市供電網的情況。在第四條出線線路上出現(xiàn)經電弧接地故障，模型中用Cassie方程與Mayr方程控制的兩個可變電阻串聯(lián)模擬電弧接地，方框中為三個控制系統(tǒng)暫態(tài)分析模塊（TACS），分別為電弧起弧時間設定模塊、Cassie電弧控制系統(tǒng)、Mayr電弧控制系統(tǒng)。該模型可用于分析小電流接地系統(tǒng)發(fā)生電弧接地故障的電弧現(xiàn)象。

圖2 10 kV配電網經電弧接地故障

2 配電網單相故障分析

2．1 單相故障特性分析

本論文所研究的是非有效接地電網的一種，即中性點經高阻接地方式，該接地方式能防止諧振過電壓和間歇性電弧接地過電壓，減少電弧接地過電壓的危險，下面會作進一步的驗證，同時，該接地方式使靈敏而有選擇性的接地保護得以實現(xiàn)，降低了對臨近通信線路的干擾。

對點d列節(jié)點電壓方程得中性點電壓。

圖3 中性點經高阻接地配電網單相電弧故障

相應的戴維南等效電路如圖8，可以推導出電弧電壓：

圖4 戴維南等效電路

圖5 電壓向量圖

2．2 間歇性電弧接地故障仿真

根據(jù)工頻熄弧理論所分析得出的過電壓值更接近實際值，故而只做工頻熄弧過電壓的仿真。只要R≤1／3wC0，就能有效的降低弧光過電壓［8］。對10 kV側電網的零序電容做一下計算，得3C0為4．58 μF，故而選取700 Ω中性點電阻可滿足要求。假設在A相電壓最大值（0．015 s）發(fā)生接地故障，在工頻過零的第一個過零點（0．025 s）熄弧，再經過半個周期（0．035 s）處A相電壓達到最大值，電弧重燃，依此類推，電弧分別在0．045 s熄滅、0．055 s重燃、0．065 s熄滅、0．075 s重燃，持續(xù)燃燒到仿真結束，圖6為故障相A與健全相B、C電壓波形，圖7為中性點電壓波形。

圖6 3次工頻熄弧、4次重燃的三相電壓波形

圖7 3次工頻熄弧、4次重燃的中性點電壓波形

限于篇幅，對中性點不接地時過電壓的三相與中性點過電壓的情況用表1列出，從對中性點不接地系統(tǒng)做間歇性電弧接地故障仿真結果來看，非故障相上過電壓倍數(shù)小于3．5，故障相上過電壓倍數(shù)小于2，考慮線路相間電容的降壓、絕緣子串泄露殘余電荷以及網絡損耗對過渡過程振蕩的衰減作用，下表數(shù)據(jù)完全符合實際情況。而在中性點經高阻接地后，弧光接地過電壓得到了顯著地降低。

表1 工頻熄弧理論下的過電壓（倍數(shù)）

3 結束語

通過Cassie模型與Mayr模型的合并與統(tǒng)一，既考慮對流散熱，又考慮了徑向傳導散熱，通過仿真驗證了在小電流接地系統(tǒng)中，該模型可有效反映接地故障電弧特性，在中性點接入合適高電阻，可顯著降低間隙性弧光過電壓。

［1］Huaren Wu，Xiaohui Li，D．Stade and H．Schau．Arc Fault Model for Low-Voltage AC Systems［J］．IEEE Transactions on Power Delivery，2005，20（2）：1204－1205．

［2］古金國，徐國政，錢家驪．故障電弧特性［J］．高壓電器，1999，42（6）：41－43．

［3］Schavemaker PH．Arc Model Blockset［DB］Power System Laboratory，Delft University of Technology，the Netherlands，2001．

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［5］許佐明．水射流等離子弧動態(tài)伏安特性［D］．哈爾濱：哈爾濱理工大學碩士學位論文，2008：44．

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An Analysis on Arc Modeling and Arc Light Grounding for Grid Faults of High-resistance Grounding of the Neutral Point

JIN Hai-wang，LUO Li-shi，HU Zun-zhang，ZHANG Jin-xiang，JIN Yong-qi，BAIKun，WANGWei，GE Yang
（Jibei Electric Power Maintenance Branch，Beijing 102488，China）

Most of the faults in themedium-voltage power distribution network are arc grounding faults．Classical arc model Cassie and Mayr，when used separately，can only consider thermal convection or thermal conduction-one-sidedness．But，when used in combination，they can complement each other．In this paper，therefore，these two models are used in a reasonable setup on the ATP-EMTP platform．Through simulation，this paper analyzes the characteristics of the single-phase arc fault in distribution network with highresistance grounding of the neutral point，and uses this arc model in the simulation of intermittent arc grounding fault according to actual circumstances．It is proved that this arcmodel can reflect the over-voltage caused by arc lightgrounding，and that in the smallcurrent grounding system，the resistance of the neutral point can reduce the over-voltage of the grid arc light．

arc；Cassiemodel；Mayrmodel；power distribution network；high-resistance groundingmode；over-voltage

10．3969／j·issn．1000－3886．2014．04．018

TM712

A

1000－3886（2014）04－0054－02

金海望（1986－），男，浙江人，碩士，主要研究方向為電力系統(tǒng)繼電保護。

定稿日期：2013－12－09