殷一洲 周力

摘 要：為保證配電網(wǎng)供電可靠性，長(zhǎng)期以來(lái)配電網(wǎng)采用非直接接地方式運(yùn)行，該方式下單相接地故障時(shí)，故障相流過(guò)所有非故障相的對(duì)地電容電流。隨著配電網(wǎng)的發(fā)展，配電系統(tǒng)中電力電纜的廣泛使用使得其對(duì)地電容電流劇增，盡管采用中性點(diǎn)加裝消弧線圈可對(duì)電容電流進(jìn)行補(bǔ)償，但由于消弧線圈補(bǔ)償能力有限，部分地區(qū)消弧線圈實(shí)際運(yùn)行在欠補(bǔ)償狀態(tài)。由于較大的電容電流不利于接地點(diǎn)熄弧，由接地弧光的熄滅和復(fù)燃而導(dǎo)致的間歇性弧光不僅會(huì)引起設(shè)備過(guò)電壓，還容易造成高頻諧振等問(wèn)題，危害設(shè)備的運(yùn)行。本文結(jié)合某地區(qū)配電網(wǎng)發(fā)生的一起單相接地引起的連鎖跳閘事故，分析了事故原因，探討了弧光接地過(guò)電壓易造成的嚴(yán)重危害，同時(shí)給出了合理化的建議。

關(guān)鍵詞：配電網(wǎng) 接地方式 間歇性弧光 過(guò)電壓

中圖分類號(hào)：TM8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）10（c）-00-03

隨著我國(guó)人民生活水平的提高和城市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，供電可靠性高、占地面積小、運(yùn)行故障率較低的電纜線路逐步取代了架空線路成為配電網(wǎng)中采用的主要線路形式。然而電纜線路存在較大的對(duì)地分布電容，這種對(duì)地電容一方面能對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，提高功率因數(shù)和輸電效率，另一方面也使弧光接地過(guò)電壓事故發(fā)生的概率和危害大大增加。本文首先分析了弧光接地過(guò)電壓產(chǎn)生的原因和危害，并以實(shí)際運(yùn)行系統(tǒng)中發(fā)生的一起事故案例來(lái)介紹弧光接地過(guò)電壓可能引發(fā)的設(shè)備損害和對(duì)外失電，最后根據(jù)現(xiàn)階段運(yùn)行情況，提出了若干合理化的建議。

1 弧光接地過(guò)電壓事故發(fā)生的基本原理

根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，在配電網(wǎng)中，線路發(fā)生事故的可能性遠(yuǎn)較其他設(shè)備為大，在線路事故中又包括短路事故和斷路事故兩大類，其中單純的短路事故或者伴有斷路的短路事故占80%以上。在這些短路事故中單相接地短路和相間短路大約各占一半[1]。

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地事故時(shí)，如線路與大地可靠連接稱為金屬性接地，此時(shí)故障相電壓降為0，非故障相升至線電壓，系統(tǒng)仍保持對(duì)稱，為保障供電可靠性，通常中性點(diǎn)非直接接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地后可繼續(xù)運(yùn)行2h，但對(duì)精密儀器及用戶電壓質(zhì)量有一定影響并可能引起壓變故障。

如線路與大地連接不可靠，線路與大地保持一段較小的間隙，即非金屬性接地。此時(shí)，故障線路與大地之間存在電壓差，從而使間隙中的空氣發(fā)生電離導(dǎo)電。當(dāng)環(huán)境溫度、空氣濕度等外在因素滿足一定條件時(shí)，在空氣電離產(chǎn)生光、熱、擴(kuò)散等效應(yīng)作用下，間隙中可能產(chǎn)生電弧。這種電弧可能是穩(wěn)定燃燒的（當(dāng)故障電流較大時(shí)）也可能可以自行熄滅（當(dāng)故障電流較小時(shí)），但大多數(shù)情況下是處于熄滅和重燃交替出現(xiàn)的狀態(tài)。此種間隙性電弧會(huì)引起系統(tǒng)電磁能的強(qiáng)烈震蕩和對(duì)因地電容電荷不斷疊加和分離引起的高頻震蕩過(guò)電壓，此時(shí)非故障相的電壓可達(dá)正常相電壓的3.15～3.5倍，此種過(guò)電壓即弧光接地過(guò)電壓[1，2]。

2 弧光接地過(guò)電壓可能造成的相關(guān)危害

弧光接地過(guò)電壓的電弧熄滅與重燃的主要相關(guān)因素和周期規(guī)律目前仍無(wú)定論，德、美、俄（蘇）以及我國(guó)科學(xué)家提出的不同假設(shè)經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明均無(wú)法排除，但是弧光接地過(guò)電壓事故的危害性已被多次事故案例證實(shí)。弧光接地過(guò)電壓事故的主要危害包括以下幾個(gè)方面：弧光導(dǎo)致故障擴(kuò)大甚至引起火災(zāi)、高頻電流震蕩影響消弧線圈調(diào)諧、過(guò)電壓引起設(shè)備積累性損傷或電纜擊穿、母線電壓過(guò)高影響電壓互感器的正常運(yùn)行、母線電壓過(guò)高影響避雷器的正常運(yùn)行、高頻電流損壞電纜引起斷路故障或者相間短路故障等等[2-4]。

值得一提的是在電網(wǎng)運(yùn)行實(shí)際中，以上危害并非一定發(fā)生，可能發(fā)生其中一項(xiàng)或者若干項(xiàng)。為了更直觀地說(shuō)明弧光接地過(guò)電壓事故的特征和應(yīng)對(duì)措施下文以筆者親歷的一次弧光接地過(guò)電壓事故為例進(jìn)行具體的分析和介紹。

3 事故分析

3.1 跳閘情況簡(jiǎn)述

8月5日清晨，天氣情況良好，未出現(xiàn)雷電、大風(fēng)等惡劣天氣，里口變按正常方式運(yùn)行，#2主變供35kV Ⅱ段母線及10kV Ⅱ段母線負(fù)荷，運(yùn)行方式如圖1所示。

08：39里口變129里登線電流I段保護(hù)動(dòng)作，開(kāi)關(guān)跳閘，重合成功。08：40里口變1X2#2接地變過(guò)流保護(hù)動(dòng)作，開(kāi)關(guān)跳閘；08：40里口變132御窯#2線電流I段保護(hù)動(dòng)作，開(kāi)關(guān)跳閘；08：40里口變123美固線電流I段保護(hù)動(dòng)作，開(kāi)關(guān)跳閘，重合成功；08：41里口變123美固線電流I段保護(hù)動(dòng)作，開(kāi)關(guān)跳閘，重合不成；08：42里口變125里鎮(zhèn)線電流I段保護(hù)動(dòng)作，開(kāi)關(guān)跳閘，重合成功；08：42里口變124高鐵#2線電流I段保護(hù)動(dòng)作，開(kāi)關(guān)跳閘；08：44里口變128錦繡線電流I段保護(hù)動(dòng)作，開(kāi)關(guān)跳閘，重合成功；08：45里口變131如元線電流I段保護(hù)動(dòng)作，開(kāi)關(guān)跳閘，重合不成；08：45里口變122莫北線電流I段保護(hù)動(dòng)作，開(kāi)關(guān)跳閘，重合不成；隨后，系統(tǒng)穩(wěn)定。

3.2 事故原因分析

這次事故在短短6min之內(nèi)，就造成了幾乎所有母線設(shè)備的動(dòng)作，造成了較大的社會(huì)影響。結(jié)合當(dāng)時(shí)的保護(hù)動(dòng)作信息和遙測(cè)信息，無(wú)法判斷事故發(fā)生的原因。事后我們結(jié)合設(shè)備的故障錄波情況進(jìn)行相關(guān)分析，最終判斷引起大范圍跳閘的元兇是弧光接地過(guò)電壓。

首先對(duì)故障錄波情況進(jìn)行簡(jiǎn)單分析，相關(guān)設(shè)備的故障錄波如圖2所示。

圖2基本反應(yīng)了事故發(fā)生原因的所有重要信息。由于該變電站10kV出線采用的是兩相星形接線的TA配置方式，因此，故障錄波中僅有A、C相電流情況。由于該TA配置方式，對(duì)后期的故障判斷有一定的影響，因此只能結(jié)合電壓情況來(lái)大概估計(jì)事故的產(chǎn)生原因。

首先從圖2中可以發(fā)現(xiàn)，在129線路保護(hù)動(dòng)作過(guò)程中，A、B相電壓出線了明顯的降低，而C相電壓出線了升高，同時(shí)A相有故障電流流過(guò)，結(jié)合隨后保護(hù)動(dòng)作，開(kāi)關(guān)跳閘以及開(kāi)關(guān)重合之后的三相電壓和A、C相電流情況，可以判斷是A、B相相間短路引起的129開(kāi)關(guān)跳閘。從配電匯報(bào)情況來(lái)看，線路確實(shí)存在專變故障。

隨后，1X2#2接地變出現(xiàn)過(guò)電流動(dòng)作，結(jié)合母線電壓情況，粗略判斷為C相接地，但是A、B相相電壓幅值達(dá)到18kV，因此判斷并非簡(jiǎn)單的C相直接接地。由于C相電壓記錄情況的缺失，導(dǎo)致無(wú)法直接判斷事故原因，因此只能粗略判斷為弧光接地或系統(tǒng)諧振引起。

在1X2#2接地變開(kāi)關(guān)跳閘之后，該系統(tǒng)失去消弧線圈補(bǔ)償。從接地變跳閘前的情況，可以發(fā)現(xiàn)原先系統(tǒng)就是一個(gè)欠補(bǔ)償?shù)南到y(tǒng)，由于欠補(bǔ)償?shù)臓顟B(tài)，在單相接地后，消弧線圈補(bǔ)償能力不足，再加上諧振的原因，引起了接地變開(kāi)關(guān)的過(guò)負(fù)荷動(dòng)作。而接地變一旦跳開(kāi)之后，系統(tǒng)的接地點(diǎn)并未消失，盡管破壞了系統(tǒng)的諧振條件，但其對(duì)接地電弧的滅弧能力大大削弱，由此，導(dǎo)致接地點(diǎn)電弧的反復(fù)重燃。

接著由于C相弧光接地引起弧光接地過(guò)電壓和高頻電流震蕩，導(dǎo)致部分配網(wǎng)線路薄弱環(huán)節(jié)對(duì)地絕緣破壞或相間絕緣破壞，引起相間短路或接地。部分線路因高頻電流震蕩引起相間故障開(kāi)關(guān)分閘之后高頻電流衰退，線路開(kāi)關(guān)能夠重合成功。部分線路因過(guò)電壓或故障電流過(guò)大絕緣被物理性破壞，重合不成，其中間過(guò)程可以參考圖2的故障錄波過(guò)程，在此不做贅述。

在122等線路開(kāi)關(guān)跳閘后，從電壓波形來(lái)看，同樣維持著弧光接地過(guò)電壓的電壓情況，但其之后系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，說(shuō)明孤光接地點(diǎn)并不在122莫北線、123美固線、124高鐵#2線、131如元線、132御窯#2線上，同時(shí)結(jié)合重合成功線路，基本判斷屬129線路上存在弧光接地點(diǎn)的可能性最大，事后配電匯報(bào)明確弧光接地點(diǎn)確在129線路上。

那么在故障錄波最后，依舊呈現(xiàn)弧光過(guò)電壓的電壓波形，為什么隨后卻不再有線路開(kāi)關(guān)跳閘？我們認(rèn)為這是由于弧光接地過(guò)電壓是中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)出現(xiàn)非金屬性單相接地后，接地點(diǎn)流過(guò)其他相相對(duì)地電容電流，造成故障點(diǎn)與大地間氣體電離，引起的接地點(diǎn)間歇性燃弧所致，因此電容電流大小是弧光是否能維持的關(guān)鍵因素。當(dāng)電容電流過(guò)大時(shí)燃弧穩(wěn)定不存在間歇性規(guī)律不會(huì)引起弧光接地過(guò)電壓，但電容電流過(guò)小時(shí)弧光能夠自行熄滅不會(huì)反復(fù)重燃。在122莫北線、123美固線、124高鐵#2線、131如元線、132御窯#2線開(kāi)關(guān)分閘以后，剩余線路所提供的電容電流不足以維持C相弧光接地，故弧光接地隨后自行消失。

3.3 事故總結(jié)

本次事故由單一的開(kāi)關(guān)跳閘引起，線路重合后故障因切除故障電流、相間異物跌落等可能原因，轉(zhuǎn)為單相非金屬性接地。由于系統(tǒng)處于欠補(bǔ)償狀態(tài)及壓變可能發(fā)生鐵磁諧振，造成接地變因過(guò)負(fù)荷跳閘，導(dǎo)致消弧線圈無(wú)法有效補(bǔ)償滅弧，從而引起間歇性弧光接地，誘發(fā)弧光接地過(guò)電壓事故。隨后10kV Ⅱ段母線上多條線路因弧光接地引起的過(guò)電壓或高頻電流震蕩發(fā)生相間短路，開(kāi)關(guān)跳閘，造成了較大的社會(huì)影響。因此有必要采取一定的措施以避免此類事故的再次發(fā)生。

4 改善措施及結(jié)論

在傳統(tǒng)中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中，配置消弧線圈可以有效抑制電容電流，降低弧光接地發(fā)生的概率。然而，由于配網(wǎng)中電纜線路的增加，對(duì)消弧線圈的容量要求越來(lái)越大，一旦消弧線圈不能及時(shí)擴(kuò)容更換，系統(tǒng)很可能處于欠補(bǔ)償狀態(tài)。一方面當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)電容電流相應(yīng)減小使系統(tǒng)處于有可能發(fā)生等補(bǔ)償諧振的危險(xiǎn)中。另一方面過(guò)大的補(bǔ)償電流或諧振電流（包括壓變鐵磁諧振和系統(tǒng)等補(bǔ)償諧振）可能導(dǎo)致接地變過(guò)負(fù)荷跳閘，使連接于接地變中性點(diǎn)的消弧線圈與系統(tǒng)隔離，從而使系統(tǒng)處于可能發(fā)生弧光接地過(guò)電壓事故的威脅中。

針對(duì)這一問(wèn)題，目前主要有兩種方法：一是采用中性點(diǎn)小電阻接地方案替代消弧線圈接地方案；二是采用弧光接地過(guò)電壓故障相金屬接地抑制技術(shù)[5，6]。

中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)是大電流接地系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)生單相接地時(shí)，可以利用配置的零序電流速斷保護(hù)和零序過(guò)流保護(hù)，立即跳閘以切除故障線路。盡管在故障發(fā)生到開(kāi)關(guān)跳閘的過(guò)渡時(shí)間內(nèi)，仍有可能發(fā)生弧光接，但是通過(guò)中性點(diǎn)的電阻，可以把線路上的電荷幾乎全部泄漏掉，從而有效消耗系統(tǒng)中電容存儲(chǔ)的能量，降低電弧重燃的可能性，避免過(guò)電壓的產(chǎn)生。

故障相金屬接地抑制技術(shù)的主要原理即采用人為制造金屬性接地的方法，使制造的金屬性接地點(diǎn)與故障接地點(diǎn)發(fā)生接地分流作用，使故障點(diǎn)殘流顯著降低至接近于零，從而降低了電壓恢復(fù)的初速度，延長(zhǎng)了故障相電壓恢復(fù)的時(shí)間，并限制了恢復(fù)電壓的最大值，避免接地電弧的重燃，達(dá)到徹底消弧的目的，并可將非故障相對(duì)地電壓穩(wěn)定限制在較低的電壓水平[6]。

雖然小電阻接地方案相較于小電阻接地方案有維持線路運(yùn)行保障供電可靠性的優(yōu)點(diǎn)，但也有未能切除接地故障，影響電壓質(zhì)量的缺點(diǎn)。

就目前形式而言，筆者所在的蘇州地區(qū)在逐步推廣小電阻接地方案的同時(shí)，消弧線圈與小電阻自動(dòng)切換的混合接地裝置已經(jīng)投入試點(diǎn)運(yùn)行，而在其他一些地方也有推廣故障相金屬接地抑制技術(shù)的試點(diǎn)，另外取代消弧線圈的綜合了滅弧、調(diào)諧、濾波、接地選線等功能的新一代補(bǔ)償裝置也在研發(fā)和推廣中。

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