接地与电弧

一般短路时，短路电流很大，可认为短路点已熔化，不必考虑短路时产生的电弧电压，作为金属性短路。接地故障时，短路电流小，接地点的电弧电压必须考虑。这种电弧电压所产生的危害严重，国内已有不少的事例，在国外也有类似的事例，例如：美国纽约市的一座公寓大厦，由于电弧事故烧毁了所有的低压配电开关屏及 2 个 5000A 进线母线槽，爆炸声及熊熊大火延续达 1h，几十万居民在电源未正常恢复的几天内，遭受停电的煎熬、据调查了解，由于开关设备对电弧事故没有反应，因而不能保护用户侧的电力系统，只有等待地区电网保护设备动作，才能切断电源，但已酿成大祸。美国波士顿一座大型商业建筑的地下室内，由于一只开关柜发生电弧事故，致使一列开关柜全部烧毁。因电弧事故发生在开关柜内，断路器电源侧的接地故障保护元件无法检测，以致这个事故一直延续到地区电网开关室内的相应开关用手拉开为止。

可见电弧事故检测困难，其所造成事故的危害甚大，轻则损坏设备，造成局部停电，重则事故扩大，酿成火灾或造成大片停电，威胁生命和财产的安全。

（一）电弧事故的起因

产生电弧事故的原因很多，其中主要有以下几点：

1．开关制造不良、安装不善或维护不及时

开关、接触器、起动器等电器设备的触点在通断时产生较大的电弧，当电弧的能量足以使附近的可燃物燃烧时即发生火灾。这类电器设备长期运行后，由于电弧所产生热量的影响，造成触头接触面凹凸不平和接触电阻过大，甚至使触头熔接，随之产生二次故障，扩大其危害性。有的开关设备相线间或相线对外壳间距离不合要求而造成电弧事故，甚至烧毁开关屏的也屡有所闻。变压器、油断路器等电气设备团长期运行，绝缘油炭化，未能及时调换造成电弧事故。配电器具的接线端子选用不当或长期运行后已松动未能及时拧紧，造成局部过热，发展成电弧事故。电气设备的绝缘部分污损，未能及时补救或清除，也容易产生电弧事故。

2．线路敷设不善

在穿管线路敷设过程中，使线缆绝缘损坏，造成线间或对保护钢管间的电弧放电，绝缘日趋损坏，最后形成电弧事故。架空进户线安装不妥当，经常受风力或其它原因引起振动而使绝缘破坏，造成电弧事故的事例也不少。在电缆沟内或电缆桥梁上敷设电缆时，施工碰伤绝缘或弯曲半径过小而损坏绝缘，长期运行后，都会由于微小的电弧逐步发展成为事故。

3．电气设备及线材的选择未按所处环境采取适当的措施

例如湿热地区，应采用适用于湿热带的产品，沿海有盐雾地带应选用防盐雾产品，高温炎热地区及高原地区应按其自然条件对某些参数降格使用。对有些特殊的环境，应按其特殊性进行适当的维修工作，如在涂装1…u的电气设备，以排风机的电动机为例，由于附着的涂料越来越多，致使排风机的电动机起动电流增大，必须经常清理。在上述这些情况下，如电气设备及线材选用或处理不当，都容易产生电弧事故。

4．鼠啮、虫咬造成绝缘损坏，逐步形成电弧事故

由鼠、蛇、白蚁等咬坏绝缘，造成电弧事故的事已屡见不鲜。

（二）接地故障的电弧特性

在电气系统设计中，作为选择电气设备、电气元件，包括母排及接地线的动、热稳定计算等的主要依据，大都考虑金属性短路，即故障的带电部分之间或故障的带电部分与大地之间不存在任何阻抗，这种假定对于用热稳定来选用设备和计算，大多数情况下是偏于安全的。但在接地故障时，电弧是实际存在的，忽视了反而酿成大祸，因此有必要了解电弧事故的特性，以便采取适当措施。

1．电弧短路的波形

金属性短路的波形如图6（a）所示，虚线为线路电压的波形，实线为金属性短路电流的波形，仍是正弦形，其均方值 Irms 如图中点划线所示。电弧短路情况比较复杂，因为产生的是不稳定的电弧。为了便于理解和计算，采用火花间隙代替不稳定电弧来进行分析，如图6（b）所示。当线路电压不到火花间隙的击穿电压 eg 时，火花间隙的电压仍为线路电压、当电压达到 eg 时，火花间隙击穿而导电，火花间隙电压立即降到电弧电压 ea，一般为 140V。因为电弧能量在极短时间内释放，所释放的能量极大，能将周围气温迅速增高，甚至在不到 IS 内将铜排或铝排熔化，且这样大的能量是在不太大的电流下释放的，因此大部分线路的保护设备没有反应，这是电弧事故难以觉察的主要原因。

电弧电流变化见图6（b）。当线路电压小于 eg 时，火花间隙不导电，电弧电流等于零；当线路电压增加到 eg 时，火花间隙导通，开始有电弧电流，并逐渐增大，间隙电压维持在恒定值 ea；当线路电压下降到 A 区与 B 区面积相等时，电弧熄灭，电弧电流为零。这过程每半周重复一次，故电弧电流是一种不连续的非正弦波形。

2．电弧电压的谐波

电弧事故时，电弧电压的波形按电弧电流波形产生相应的畸变，是一个 140V 的平顶波形，用富里哀函数分析，该电压中含有近似 50V 的三次谐波。在正常运行情况下，即使线路中有大容量的荧光灯，三次谐波电压也不会超过 10V，因此电弧事故所产生的三次谐波电压一般大于正常运行时三次谐波幅值的5倍。

3．电弧压降

由图6（b）可见，即使由于某种原因产生电弧，如经过半周电弧熄灭后，线路电压达不到 eg，则电弧自然熄灭。根据试验， eg约为 375V，因此在 380／220V 系统中，如线间产生电弧，则无法自然熄灭；如线对地产生电弧，线路电压达不到 eg值，电弧应自然熄灭。但在实际运行过程中，也发现产生电弧造成短路而导致的事故。

4．电弧电流

在图6（b）中，线对地电弧事故时的电弧电流包括正负两部分，彼此并不连续，各占约 1／3 周期，由此可见电弧事故电流比金属性接地电流小得多。

5．电弧能量

电弧事故时将大量热量集中在事故。点释放。由于释放的速率很高，热量来不及从事故点散出，因此造成事故点的温度迅速升高；而金属性短路事故则将其能量通过系统的电阻元件而散失一部分，不会象电弧事故那样集中性地释放能量。这就是电弧事故造成破坏的主要原因。通过实践和试验证明，铜汽化所需的能量为 55.2kw·s／cm3，铝为 10.6kw·s／cm3，铁为 67.6kw·s／cm3。如线路变压器为 1000kVA，通过电容器补偿后的功率因数为1，短路阻抗为 4％，则当变压器出线侧产生线对地电弧事故时，按试验得到的：线对地电弧事故时，电弧事故电流与三相金属性短路电流的比值为 0. 19；如低压断路器在固有动作时间内跳闸，一般 0. 2s 计，则电弧能量为（1000／0.4）×0. 19× 0.2 = 950kw·s，可熔化铜 17. 2cm3，铝 89. 6cm3。如采用 100mm×10mm 铜排，则当在母线上发生电弧事故时，可熔化 1. 72cm。，如为铝排，可熔化 8. 96cm、此外，当电弧事故时，在事故点产生的金属蒸汽，很快凝结在附近设备上，是造成多次电弧事故的原因。如果母排是绝缘的，电弧事故所产生的能量足以使绝缘破坏而造成事故。

（三）地弧事故的预防措施

1．电弧事故的检测

电弧事故可按电弧电流或频率特性进行检测。

（1）相间电弧事故电流的检测　当相间产生电弧事故时，电弧电流大都超过过负荷保护的整定值，因此可利用过负荷检测元件进行检测。而且在很多情况下，电弧事故电流也大于保护装置的瞬时动作电流，此时可利用瞬时电流整定元件来进行检测。当采用熔断器作保护元件时，因熔断器的分散性比较大且熔断时间有时比较长，故如利用熔断器作电弧事故保护，必须计及这些不利因素。

（2）相对地电弧事故电流的检测　相对地电弧事故电流较小，在个别情况下，甚至只有保护设备额定电流的 0. 2 倍，一般的线路保护设备无法检测。如采用带有单相接地保护元件的保护设备，其单相接地动作电流的整定值可在（0. 2～l）额定电流之间，则可用来检测电弧事故电流。根据验算，当电弧事故电流在 20A 及以上时，这种保护元件都能动作；当电弧事故电流在 20A 以下时，有时可能不动作，但此时电弧电流已经很小，不足为害。

（3）电弧电压频率的检测　如上所述，当产生电弧事故时，事故点电压的波形畸变，含有很高的高次谐波，一般三次谐波大于正常运行时的 5 倍。利用这个原理，只要测出三次谐波电压，就能检测电弧事故。这种设备的原理如图7 所示，即在线路上引出三相星形连接的电压线圈，其二次侧线圈接成开口三角形，开口处的电压即为三、次谐波电压，可采用三次谐波过电压继电器进行检测。这种继电器与保护发电机用的三次谐波低电压继电器相类似，进行改装后即可应用。

2．发生电弧事故时的保护措施

根据配电系统电容量大小与重要性，采取保护措施。

（1）对于由 380V 电网直接供电的建筑物内的配电系统，其容量都比较小，一般不超过 315kVA。根据计算，当电源开关不符合电弧事故的保护要求时，则可考虑选用带单相接地元件的保护开关，如 DW16 型低压断路器，单相接地电流整定在（0. 3～l）额定电流的范围内，可满足电弧保护的要求。这类建筑物内的支线，可利用一般的保护设备。

（2）对于由 10、6kV 电网供电的建筑物内的配电系统，一般安装容量在 20000kVA 及以下，则考虑采用下列措施；对于容量在 1000A 及以上的断路器采用带有单相接地保护元件的断路器；如运行连续性要求很高或允许中断供电时间较短（即 15s 及以下）时，则在电源进线开关处采用三次谐波过电压继电器进行保护。

（3）对于容量在 20000kVA 以上的建筑物的配电系统，一般均自设 35 或 110kV 配变电所，考虑采用以下措施：因为各分配电所的电源开关不能断开其电源侧的电弧故障，为避免这种故障造成严重损害，一般应装设三次谐波过电压继电器进行保护，1000A 及以上的开关设备采用带有单相接地保护元件的开关。

3．防止电弧事故产生及防止事故蔓延

一般采用以下措施：

（1）电气设备包括开关柜等的相线间的间距、相线对外壳的间距均应符合产品标准；导线包括母排在内的相线间的间距、相线对地的间距均应符合设计及安装规程。

（2）管线安装时，要避免导线或电缆因拉力过大或管口、管壁粗糙，在导线穿入保护金属管时造成绝缘损伤。对已产生过电弧事故且残存有碳化物的保护金属管应予以清除，否则再敷设线缆时容易发生事故。

（3）对设备的裸露绝缘部分及支持绝缘子等应经常巡视，如发现污染，应予清理，避免产生电弧。

（4）导线与设备的端子连接时，应尽量拧紧，免因连接松弛造成局部过热，形成微小电弧而发展为电弧事故。

（5）安装电气设备及线路时，应防止金属工具坠落到带电部分造成电弧事故。

（6）应防止鼠害、虫害造成绝缘损伤。以及由这些小动物本身的导电作用形成的电弧。

（7）敷设在容易燃烧或延燃的场所，如高温地区、有强烈拔风作用的楼梯间及电缆井等处，应采用耐火电缆、阻燃电缆或在线缆上加防火涂料。