单相弧光接地过电压的分析和防范

单相弧光接地过电压的分析和防范

日期：2007-1-31 14:31:07

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1. 前言

随着电力系统的逐渐增容和发展，电网中的各种过电压发生机率越来越高，每一次的过电压都对电气设备的安全运行造成直接的、严重的威胁，而且每发生一次过电压就会对电气设备的绝缘造成一次破坏，并且这种过电压破坏具有明显的累积效应，当达到一定程度时，会造成电气设备损坏，甚至是造成局域电力网络发供电中断或是受损。

2. 单相弧光接地过电压的形成机理

对于单相弧光接地过电压形成机理的理论分析方法很多，对于电网中性点不接地系统，电力电缆在其相间和相地间都有等效电容。经计算表明,发生单相弧光接地时过电压的最大值将达到：

Umax=1.5Um+（1.5Um–0.7Um）=2.3Um

单相弧光接地的过电压瞬时幅值最大可以达到20.4KV。如果弧光接地在接地点造成弧光间隙性反复燃烧，那么产生的过电压倍数将远远大于2.3倍。根据有关资料介绍，在国外有些专家对单相弧光接地进行了实测，其结果显示，过电压幅值高达正常相电压幅值的3～3.5倍。在系统发生单相接地时，都产生了较高的过电压，才会引起避雷器放电。强烈的过电压使相间空气绝缘被击穿，形成相间弧光短路，至于避雷器的爆炸，主要是由于避雷器的选型错误（原设计型号为Y3W-10/31.5）和产品质量欠佳（受潮），再加上弧光短路产生的高能热量加剧了避雷器的爆炸。由此可见如此高的过电压一旦产生就将会在电力网络绝缘薄弱环节形成闪络放电，严重时将破坏绝缘，造成相间短路或者损害电气设备。发电机接地电流已远远大于5A，才会造成发电机定子铁芯熔化，即与发电机有电气连接的电力网络的单相接地电流已大大超过了5A。

3 单相弧光接地产生的原因

从上述分析可见，单相弧光接地是威胁电力系统安全、稳定和可靠运行的最主要和最直接因素。而中性点的接地方式，直接影响到单相弧光接地的产生和限制力度。根据我国的传统设计经验，在6KV-35KV电力系统普遍采用中性点不接地方式，这是因为在早期的电力网中，电力电缆采用量不大，系统的单相接地电容电流并不大。而随着各电力系统的飞速发展和增容，原电力系统主接线发生了很大的变化，电力电缆的采用量急剧增加。从诸多系统的运行现状和经验来看，其过电压发生的机率越来越高，由于过电压造成的事故在整个电气事故中所占的比例也越来越大。供电系统亦属于这种情况。该系统从最初的以架空线为主的配电系统发展成为了拥有发电、供配电以及以电力电缆

连接为主的电力系统，再加上即将上马的更高变配电网络，将形成以发、变和配电综合一体化电力系统。因此最初采用的中性点不接地方式将受到严峻的考验！根据《电力设备过电压保护设计技术规程》和电力部、国家的有关标准和要求，对于3～35KV电力系统，当单相接地电流小于30A时，如要求发电机能带单相接地故障运行，则当与发电机有电气连接的3～35KV电网的接地电流小于5A时，其中性点可采用不接地运行方式。

4. 单相接地电流的估算

在中性点不接地系统中，当系统发生单相接地时，单相接地电流IC等于正常时相对地电容电流ICi的3倍，即IC=3∑ICi。而正常时的相对地电容电流主要由架空线、电力电缆和主要电气设备（如发电机）组成。为说明问题，本文在此仅采用估算法对现阶段电力网络单相接地时的电容电流进行简要计算。

4.1.1 单相接地时架空线的电容电流IC1：

IC1=（2.7-3.3）λUNL×10-3（A）

式中UN—系统额定电压（KV）

L—线路长度（Km）

λ—设备影响修正系数。

根据架空线均是无避雷线的架空线的情况，取UN=10KV、L=20Km、系数K=3.0、λ=1.16，因此：

IC1=3.0λUNL×10-3

=1.16×3.0×10×20×10-3=0.70（A）

4.1.2 单相接地时电力电缆电容电流IC2：

采用的电力电缆形式多样，截面面积从50～120mm2均有不同程度的采用。在此按平均截面积为70mm2估算。

IC2=

（A）

式中S—电缆截面（mm2）

L—电缆长度（Km）

UN—系统额定电压（KV）

根据电力电缆使用情况取L=20Km、S=70mm2、UN=10KV，因此：

IC2=

= =17.7（A）

4.1.3 单相接地时发电机电容电流IC3：

热电厂两台发电机的电容电流按下式进行估算：

IC3=2.5KSωUN×10-3/

式中K—绝缘材料系数

S—发电机视在功率（MVA）

ω—角频率（rad/s）

UN—发电机额定电压（KV）

对于热电厂B级绝缘的两台QF-6-2型汽轮发电机，取K=0.0187、S=7.5MVA、UN=10.5KV，因此：

IC3=2×2.5KSωUN×10-3/

=2×2.5×0.0187×7.5×2×3.14×50×10.5×10-3/

=0.3（A）

为此在发生单相接地时，在接地点极其容易形成不稳定的间隙性弧光接地，从而产生过电压，危及供电安全。同时强烈的电弧将引起两相或三相短路，造成电气设备严重破坏，危及安全生产。为此如何采取防范措施就显得尤为重要。

5. 防范措施

针对电力系统发生单相接地后的现状，要解决过电压以及发电机的单相接地电流的问题，应从以下几方面着手，以提电力系统在出现单相接地时的稳定性和安全性。

5.1 改变系统中性点的接地方式

电力系统中性点目前采用的是不接地运行方式，这种方式对其本身来说虽然有它的诸多优越性，

根据《电气事故处理规程》的规定，在出现单相金属性接地时，可以运行1～2h，在出现单相弧光接地时可以运行15min，这对于电力用户来说其可靠性相对较好。但是实际上一旦产生弧光接地，过电压以及大的接地电流对电气设备的损坏是迅速的，根本就没有15min的时间留给值班人员进行分析、判断和处理。实践证明电力系统中性点不接地的优越性与其由此造成的损失和它带来的不利因素的影响相比，这种优越性已经很难体现。结合上述的分析，中性点是否继续维持不接地方式，值得探讨。要从根本上这类问题，中性点采用消弧线圈接地，应该不失为行之有效的措施之一。

5.2 消弧线圈防治措施

消弧线圈是一个铁芯可调节的电感线圈，将它装设于热电厂发电机或即将新建的变电站变压器的中性点，这样系统一旦发生单相接地（不针对弧光接地高频分量）时，可形成一个与接地电流大小近似相等、方向相反的电感电流与容性接地电流相补偿，从而达到限制接地电流，避免在接地点形成弧光。同时即使是运行方式发生变化，使消弧线圈的补偿度或脱谐度发生变化（无论如何变化，只要在设计上考虑充分，均不可能由过补偿转变为全补或欠补），而产生弧光接地，燃弧后电容的充放电电流要经过消弧线圈流回，而不会在故障点形成多次弧光重燃，这样就有效地避免了接地点的间歇性燃弧，达到扬制弧光过电压的目的。同时在经过精确测试现有系统的单相接地电流的基础上，合理地设计和选择好消弧线圈，可以将接地电流限制在5A以下，以确保电力系统的运行安全。

对于系统中性点的接地方式有诸多方式，如高阻或低阻接地等。但采用消弧线圈接地仍是最行之有效的方式。因为采用消弧线圈接地系统仍属于小电流接地系统，改造后不会对现有电气运行方式造成影响，不会涉及到继电保护方式的调整。要采用消弧线圈接地，必须对现有系统的单相接地电流进行实测，以准确地选择消弧线圈，因为理论计算出来的单相接地电流与实际接地电流会有很大偏差。在我国诸多电网，特别是一些大型工矿企业的系统都进行了中性点接地方式的改造，技术可行，经验成熟，运行可靠。

5.3 消弧线圈的技术分析

但是长期以来，我国3～35kV(含66kV)的电网大多采用中性点不接地的运行方式。此类电网在发生单相接地时，非故障相的对地电压将升高到线电压UL，但系统的线电压保持不变，所以我国国家标准规定，3～35kV(66kV)的电网在发生单相接地故障后允许短时间带故障运行，因而这类电网的各类电气设备，都应满足长期承受线电压而不损坏的要求。

传统观念认为，3～35kV(含66kV)电网属于中低压配电网，此类电网中的内部过电压的绝对值不高，所以危及电网绝缘安全水平的主要因素不是内部过电压，而是大气过电压（即雷电过电压），因而长期以来采取的过电压保护措施仅是以防止大气过电压对设备的侵害。主要技术措施仅限于装设各类避雷器，避雷器的放电电压为相电压的4倍以上，按躲过内部过电压设计，因而仅对保护雷电侵害有效，对于内部过电压不起任何保护作用。

然而，运行经验证明，当这类电网发展到一定规模时，内部过电压，特别是电网发生单相间歇性弧光接地时产生的弧光接地过电压及特殊条件下产生的铁磁谐振过电压已成为这类电网设备安全运行的一大威胁，其中以单相弧光接地过电压最为严重。

随着我国对城市及农村电网的大规模技术改造，城市、农村的配电网必定向电缆化发展，系统对地电容电流在逐渐增大，弧光接地过电压问题也日益严重起来。为了解决上述问题，不少电网采用了谐振接地方式，即在电网中性点装设消弧线圈，当系统发生单相弧光接地时，利用消弧线圈产生的感性电流对故障点电容电流进行补偿，使流经故障点残流减小，从而达到自然熄弧。运行经验表明，虽然消弧线圈对抑制间歇性弧光接地过电压有一定作用，但在使用中也发现消弧线圈存在的一些问题。

由于电网运行方式的多样化及弧光接地点的随机性，消弧线圈要对电容电流进行有效补偿确有难度，且消弧线圈仅仅补偿了工频电容电流，而实际通过接地点的电流不仅有工频电容电流，而且包含大量的高频电流及阻性电流，严重时仅高频电流及阻性电流就可以维持电弧的持续燃烧。

当电网发生断线、非全相、同杆线路的电容耦合等非接地故障，使电网的不对称电压升高，可能导致消弧线圈的自动调节控制器误判电网发生接地而动作，这时将会在电网中产生很高的中性点位移电压，造成系统中一相或两相电压升高很多，以致损坏电网中的其它设备。

目前国外对3～35kV电网采取中性点直接接地的方式，国内也有少数地区采取了经小电阻接地的方式，虽然抑制了弧光接地过电压，克服了消弧线圈存在的问题，但却牺牲了对用户供电的可靠性。这种系统发生单相接地时，人为增加短路电流使断路器动作，不论负荷性质及重要性，一律切除故障线路而且也不能分辨出金属性或弧光接地。使并不存在弧光接地过电压危害的金属性接地故障线路也被切除，扩大了停电范围和时间。由于加大了故障电流，对于弧光接地则加剧了故障的烧损。

5.4 消弧、消谐及过电压

保护装置

5.4.1 概述

消弧消谐选线及过电压保护装置,主要应用于6～35kV中性点非有效接地电网，该装置不仅能对该类电网中的各类过电压（弧光接地过电压、谐振过电压、操作过电压）加以限制，而且能够准确选出系统的接地线路,有效地提高了该类电网的运行安全性及供电可靠性。

5.4.2 工作原理

本装置对系统发生的弧光接地故障,首先分析弧光接地的性质,然后针对具体的接地类型,采取相应的处理方式,处理方式如下:

如果系统发生不稳定的间歇性弧光接地故障，则微机控制器判断接地的相别，同时发出指令使故障相的真空接触器闭合，从而完成消弧。数秒后，故障相的高压真空接触器断开，系统恢复正常运行。真空接触器快速动作将不稳定的弧光接地转化为稳定的金属性接地。

如果接地故障是稳定的弧光接地，微机控制器在判断接地相别后，则装置输出开关量接点信号，也可根据用户要求由微机向真空接触器发出动作指令； 若故障消失，说明这一电弧接地故障是由过电压冲击引起的瞬时性接地故障，系统恢复正常运行；若故障相接触器断开后，系统再次在原故障相出现稳定的电弧接地，则装置认定此故障为永久性电弧接地故障，于是再次闭合故障相真空接触器,等待值班人员处理。

5.4.3消谐原理

本装置采用的是微机二次消谐技术,当系统发生谐振时，微机消谐装置在PT的开口三角绕组瞬间接入大功率的消谐电阻,利用消谐电阻破坏系统的谐振参数,消耗谐振功率,从而消除系统的谐振故障。主要具有以下特点:

● 采用的是微机二次消谐技术,响应时间非常快，消谐效果远远优统于传统的消谐装置;

● 对电压互感器保护绕组(开口三角)的电压输出无任何影响,避免了传统消谐技术影响电压互感器保护绕组电压输出的缺点

5.4.4 装置的基本功能及特点

● 能将系统的大气过电压和操作过电压限制到较低的电压水平，保证了电网及电气设备的绝缘安全。

● 装置动作速度快，可在30ms内快速消除间歇性弧光及稳定性弧光接地故障，抑制弧光接地过电压，防止事故进一步扩大，降低线路的事故跳闸率。

● 能够快速、有效地消除系统的谐振过电压，防止长时间谐振过电压对系统绝缘破坏，防止谐振过电压对电网中装设的避雷器及小感性负载的损伤。

● 装置动作后，允许200A的电容电流连续通过至少2小时以上，用户可以在完成转移负荷的倒闸操作之后再处理故障线路。

● 能够准确查找单相接地故障线路，对防止事故的进一步扩大，对减轻运行和维护人员的工作量有重要意义。

● 由装置的工作原理可知，其限制过电压的机理与电网对地电容电流的大小无关，因而其保护性能不随电网运行方式的改变而改变，大小电网均可使用，电网扩容也没有影响。

● 本装置中的电压互感器可以向计量仪表和继电保护等装置提供系统的电压信号，能够替代常规的PT柜。

● 装置设备简单，体积小，安装、调试方便，即适用于变电站，同样适用于发电厂的高压厂用电系统；既适用于新建站，也适用于老电站的改造。

● 性价比高，相对于消弧线圈系统而言，性能价格比很高。

5.5选择过电压装置

电力系统面临的过电压不仅仅是单相弧光接地过电压，对于雷电过电压、操作过电压、谐振过电压等等仍然是存在的。随着国家关于断路器推行“无油化”改造的不断进行，原有的大量少油断路器（SN系列）将逐步改造为ZN或VS系列真空无油断路器，而真空断路器在分断感性小负载电流时产生的截流过电压，也将危及到电气设备的安全。因此合理的选择和设置过电压保护装置，对于现有的电力网来说显得异常重要。

采用避雷器作为过电压保护装置，仍是目前电力系统的潮流和主要措施。氧化锌避雷器（MOA）以其优越的保护特性，是电网中避雷器的首选。MOA的种类繁多，对于限制操作过电压各个厂家生产了专门用于保护电机、线路、电容器组以及电站用、配电用等不同类别的MOA，还有YW系列和HYW系列。在防爆、防潮、抗老化、抗污秽等性能方面，HYW系列远远优于YW系列。从事故和大量MOA损坏的事例分析可以看出，正确选择MOA的标称电流、电压等级、工频放电电压、雷电冲击电流、适用范畴以及优良的产品质量是保证MOA安全可靠运行的关键。通过对MOA的分析比较，热电厂将母线上原设计选用的Y3W-10/31.5型MOA更换为HY5WZ-17/45型MOA后，MOA运行安全可靠，未发生MOA损坏事件。

5.6绝缘薄弱环节的绝缘

从电力系统的电网来看，系统一次设备的绝缘相对较为薄弱，主要是因为粉尘污染造成部分绝缘子污闪以及高湿度的环境空气降低了有效绝缘水平。针对这种具体情况，在高压设备的工作场所采取了各种孔洞的封堵措施，最大程度的限制水汽、粉尘的进入，同时对容易赃污的裸露母线加装了热缩绝缘材料，避免相间空气气隙被过电压击穿。对于容易造成污闪的电气设备（如电抗器支持瓷瓶），进行定期清扫除尘。通过这些措施，有效地提高了绝缘薄弱环节的绝缘水平。

5.7行维护管理

加强电气设备的管理，是保障其安全正常工作的重要环节。在坚持既有的管理平台基础上，对于目前电力系统随时可能遭受的过电压冲击的不利局面

，从以下几方面加强管理，有助于降低过电压对电网设备造成的损坏程度。

4.4.1 加强对过电压的监测和分析

针对目前的情况，应对每一次过电压情况进行监测分析，以可靠掌握过电压的产生原因、过电压的性质，同时全面掌握电网对过电压的防护能力、避雷装置的工作状态。但是目前电力系统对过电压的监测十分薄弱，仅在电力系统中发电机出口装设了放电计数器，以监测过电压的活动和避雷器的动作情况，这对整个电网来讲是远远不够的。同时从几次放电计数器损坏的情况来看，原设计选型的计数器主要适配于SiC避雷器，而不适用于ZnO避雷器。

5.8控制运行方式

电网单相接地电流主要由于连接电缆的分布电容电流构成，为了限制单相弧光接地形成过电压，应合理控制运行方式，力求躲过容易产生弧光接地的电容电流。从电力系统发电机定子铁芯局部熔化的迹象分析，及时地调整发电机的保护方式对于保护发电机极其重要。过电力系统中的发电机的零序电流保护因对接地电流的估算不足以及生产运行的特殊性而长期按作用于发信号设置，也才造成了铁芯局部熔化事故。经过分析后，发电机的零序保护设置为作用于保护跳闸后，该类事故得以有效控制。

5.9补偿电容器的维护管理

电网设置有功率因素补偿电容器，这对于单相弧光接地来说，无疑是加大了系统的相间电容，因此在发弧后的振荡过程中还会有一个电荷的重新分配过程，其结果是抬高了非故障相的起始电压，从而使得过电压幅值降低，限制了过电压倍数，这对于过电压防治是有益无弊。但是在相当一段时间电容器缺乏维护，大量熔断器熔断。经过维护后，过电压得到一定程度的限制。

6结论

综上所述，电力网络发生单相接地时的接地电流危险区域，其接地电流足以造成发电机定子铁芯大局域面积的熔化。目前中性点不接地的运行方式已不能满足安全、可靠运行的需要。同时发生单相弧光接地过电压所产生的过电压对电网的所带来的危害已日益加剧。因此加强电力系统中性点不接地系统方式的保护已十分必要。采用避雷器，消弧、消谐及过电压保护装置等保护装置来加强电力系统的安全运行，加强运行维护管理对于保障电网的安全、稳定和可靠运行有相当积极的作用。