發(fā)布時(shí)間：2011-11-23　　　

　　張作琴1 李敬兆2

　　（1.蕪湖科越電氣有限公司，安徽 蕪湖 241009；2.安徽理工大學(xué)，安徽 淮南 232007）

　　[摘 要] 弧光接地一直是威脅電力電網(wǎng)安全運(yùn)行的重要隱患，經(jīng)消弧線圈接地的運(yùn)行方式雖然在一定程度上減少了事故發(fā)生的頻率，但是不可能徹底消除“弧光接地過電壓”。本文另外介紹一種新的保護(hù)方法，即消弧與過電壓組合保護(hù)方案，論述其原理及特點(diǎn)。其目的在于找到一種適合我國(guó)電力電網(wǎng)運(yùn)行方式的最佳保護(hù)方案。

　　[關(guān)鍵詞] 弧光接地 金屬接地 消弧線圈 避雷器

　　Abstract:Arc grounding is a hidden trouble that it threaten electric power and distribution network of safe function. The grounding scheme passing arc suppression coil or small resistance play a certain part in protection, but it exists certain vices.The paper introduces a kind of new protective method that arc suppression and overvoltage combination,dissertate its principium and characteristic,in order to find a best protective method it adapt to our country electric power and distribution network function scheme.

　　Key words: arc grounding; metal grounding ;arc suppression coil ; surge arrester

　　1、概述

　　當(dāng)中性點(diǎn)非直接接地系統(tǒng)發(fā)生單相間歇性弧光接地故障時(shí)，會(huì)多次發(fā)生間歇性的電弧“熄滅-重燃”現(xiàn)象，在故障相和健全相的電感-電容回路上引起高頻震蕩過電壓，其幅值可能達(dá)到額定相電壓的3.5倍以上，造成電器設(shè)備絕緣的積累性損傷，進(jìn)而導(dǎo)致弱絕緣設(shè)備對(duì)地?fù)舸罱K發(fā)展成相間短路事故。

　　早期，我國(guó)的電網(wǎng)規(guī)模較小，并多為架空線路，氣體絕緣可以恢復(fù)，系統(tǒng)發(fā)生弧光接地故障的幾率較小，架空線路的過電壓承受能力較高，弧光接地過電壓的危害性不大。隨著我國(guó)城市及農(nóng)村電網(wǎng)大規(guī)模的技術(shù)改造，城市10kV配電網(wǎng)向電纜化發(fā)展，城郊結(jié)合部及農(nóng)村35kV、10kV電網(wǎng)也將進(jìn)一步擴(kuò)大，每個(gè)獨(dú)立的非直接接地電網(wǎng)的接地電容電流必將有較大幅度的增大。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)證明，當(dāng)這類電網(wǎng)發(fā)展到一定規(guī)模時(shí)，內(nèi)部過電壓，特別是電網(wǎng)發(fā)生單相間歇性弧光接地時(shí)產(chǎn)生的弧光接地過電壓及特殊條件下產(chǎn)生的鐵磁諧振過電壓，已成為這類電網(wǎng)設(shè)備安全運(yùn)行的一大威脅，其中以單相弧光接地過電壓為最，按照美國(guó)、中國(guó)多年來的理論研究以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)證

　　明，弧光接地過電壓最高幅值為額定相電壓的3-4倍，嚴(yán)重威脅設(shè)備的絕緣安全。

　　為了解決這類電網(wǎng)弧光接地產(chǎn)生長(zhǎng)時(shí)間過電壓的問題，目前國(guó)內(nèi)采用的保護(hù)方式主要有兩種，“電網(wǎng)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地”；“中性點(diǎn)經(jīng)小電阻或直接接地”。以上兩種方案都有一定的發(fā)展歷史，而且在國(guó)內(nèi)都有一定的應(yīng)用，但都存在著一定的缺陷。作者在分析傳統(tǒng)的保護(hù)方式的基礎(chǔ)上推薦一種新的方案：消弧及過電壓組合保護(hù)方案（簡(jiǎn)稱XHB），并對(duì)其原理及特點(diǎn)加以介紹。

　　2、中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地

　　中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的保護(hù)方式主要原理是利用電感電流與電容電流在相位上差180°的原理對(duì)接地相的電容電流進(jìn)行補(bǔ)償，由于電網(wǎng)運(yùn)行方式的多樣化及弧光接地點(diǎn)的隨機(jī)性，消弧線圈要對(duì)電容電流進(jìn)行有效補(bǔ)償是非常困難的。其主要技術(shù)難點(diǎn)及其存在的問題有以下幾個(gè)方面：

　　1) 電流信號(hào)太小：中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)是一種小電流系統(tǒng)，小電流系統(tǒng)單相接地時(shí)產(chǎn)生的零序電流其大小與系統(tǒng)規(guī)模的大小和線路類型（電纜或架空線）有關(guān)，數(shù)值不大。經(jīng)中性點(diǎn)接入消弧線圈補(bǔ)償后，改用零序電流的諧波分量，其數(shù)值更小。

　　2) 干擾大，信噪比?。涸撓到y(tǒng)的干擾主要有以下幾個(gè)方面：變電站和發(fā)電廠高電壓大電流產(chǎn)生的電磁干擾大；由于系統(tǒng)負(fù)荷不平衡造成的零序電流和零序諧波電流較大；三相CT特性不一致，造成零序過濾器的不平衡輸出。

　　3) 電容電流波形不穩(wěn)定：小電流系統(tǒng)的單相接地故障常常是不穩(wěn)定的間歇性弧光接地，因而電容電流波形不穩(wěn)定，對(duì)應(yīng)的諧波電流大小變化較大，難以確定。

　　4） 其它隨機(jī)因素影響的不確定：小電流系統(tǒng)運(yùn)行方式改變頻繁，各段母線的出線數(shù)量和線路長(zhǎng)度常常改變，從而改變了該系統(tǒng)的電容電流及其諧波電流；母線電壓水平的高低、負(fù)荷電流的大小總在不斷地變化；故障點(diǎn)的接地電阻不確定等等。這些都造成了單相接地故障零序電流及其諧波電流大小甚至方向的不確定性。

　　另外，即使消弧線圈的感性電流能完全補(bǔ)償容性電流，中性點(diǎn)位移電壓Uo將很高。過補(bǔ)償方式可減小中性點(diǎn)位移電壓，但失諧度大，將使線路接地電流太大，電弧不易熄滅，那么弧光過電壓仍然存在。

　　3、中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地

　　采取中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地的設(shè)計(jì)及運(yùn)行方式，主要原理是利用發(fā)生單相接地時(shí)人為地增加故障點(diǎn)的接地電流，利用零序過電流保護(hù)使斷路器瞬間切斷故障線路。其缺點(diǎn)主要在于：

　　1) 故障清除前接地故障周圍的電位升高問題?，F(xiàn)代城市電纜線路不斷增加，電容電流迅速增大，故障點(diǎn)的電位升高問題非常突出，若不采取措施，將會(huì)導(dǎo)致設(shè)備的絕緣擊穿，同時(shí)危及人們的生命安全。

　　該方案不能分辨出金屬性接地或弧光接地，擴(kuò)大了故障點(diǎn)電流的燒熾，并且在斷路器固有動(dòng)作時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的過電壓，無法進(jìn)行有效限制，造成長(zhǎng)時(shí)間、大面積停電，很不經(jīng)濟(jì)。

　　對(duì)于一些工礦企業(yè)以及城市供電的重要負(fù)荷，不允許瞬時(shí)斷電，必須帶故障運(yùn)行，該保護(hù)方式不適用。

　　4、XHB消弧及過電壓組合保護(hù)方式

　　4.1 技術(shù)背景

　　在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中，單相電弧接地如果是間歇性的“熄弧-重燃”接地，則會(huì)發(fā)生一個(gè)高頻振蕩過程，經(jīng)過二次燃弧以后，兩健全相的最大過電壓為3.5UФ（UФ-系統(tǒng)額定相電壓）；故障相不存在振蕩過程，最大過電壓為2.0UФ。由于這種過電壓持續(xù)的時(shí)間可以達(dá)到數(shù)小時(shí)或更長(zhǎng)，波及范圍廣，在整個(gè)電網(wǎng)某處存在絕緣弱點(diǎn)時(shí)，即可在該處造成絕緣閃絡(luò)或擊穿，因此，弧光接地過電壓的危害性很大。

　　如果發(fā)生的接地故障為金屬接地，故障相電壓下降,接近于零，而健全相電壓上升，最大值為1.73UФ，國(guó)家規(guī)程規(guī)定，在這種工況下，系統(tǒng)可以帶故障運(yùn)行2小時(shí)或更長(zhǎng)的時(shí)間。XHB消弧及過電壓組合保護(hù)方式正是利用非線性電阻與線性電阻組合熄弧限壓，將間歇性弧光接地產(chǎn)生的最大過電壓限制到1.73UФ以下，保證在排除故障的過程中，系統(tǒng)可以正常運(yùn)行。

　　4.2 基本原理

　　XHB的一次原理圖如圖1所示，正常工況下，利用消弧電阻R和非線性電阻ZnO對(duì)系統(tǒng)發(fā)生的各種過電壓進(jìn)行限制，同時(shí)利用微機(jī)綜合控制器對(duì)系統(tǒng)發(fā)生的常規(guī)過電壓、單相間歇性弧光接地、單相金屬接地、PT斷線等故障分別判定處理。

　　ZnO非線性電阻是一種具有非線性伏安特性并有抑制瞬時(shí)過電壓作用的固態(tài)敏感元件，當(dāng)其端電壓低于某一閥值時(shí)，其中的電流幾乎為零；超過此閥值時(shí)，隨著電流迅速增加，電壓上升緩慢，基本趨于平穩(wěn)。ZnO非線性電阻經(jīng)隔離刀閘QS接于母線，使母線始終處于該限壓電路的保護(hù)之中。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短暫的雷電過電壓、操作過電壓時(shí)，均由ZnO投入保護(hù)，過電壓消失，ZnO退出工作。ZnO是整個(gè)保護(hù)過程中的第一級(jí)保護(hù)，利用其良好的非線性，在對(duì)故障進(jìn)行判定之前，可以把系統(tǒng)過電壓限制在2.5倍相電壓以內(nèi)，避免電氣設(shè)備承受更大的過電壓沖擊。

　　消弧電阻R通過可分相控制的高壓真空接觸器JZ與系統(tǒng)連接，正常工況下，JZ觸頭全部斷開，R與系統(tǒng)分離，系統(tǒng)按照中性點(diǎn)不接地的方式正常運(yùn)行。在發(fā)生間歇性弧光接地過電壓時(shí)，過電壓最大可達(dá)3.5UФ，此時(shí)分相控制的高壓真空接觸器JZ將故障相的觸頭閉合，把消弧電阻投入， ZnO電阻退出保護(hù)，系統(tǒng)由原來的間歇性弧光接地轉(zhuǎn)變?yōu)榻?jīng)消弧電阻接地，把過電壓限制在1.73 UФ以下。

　　4.3微機(jī)綜合控制器故障判別及處理

　　微機(jī)綜合控制器通過信號(hào)轉(zhuǎn)換器采集系統(tǒng)電壓信號(hào)，包括三相電壓瞬時(shí)值和零序電壓值，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生接地故障或PT斷線故障時(shí)，根據(jù)電壓在不同故障狀況下的變化，判斷故障類型及相別。

　　如果發(fā)生單相金屬接地故障：零序電壓U0上升,故障相電壓下降，其范圍0≤U故障﹤UФ；健全相電壓上升UФ﹤U健全﹤1.73UФ。綜合控制器ZK發(fā)出指令。在面板和中控室顯示故障類別、相別及故障線路，并發(fā)出報(bào)警信號(hào)，由人工切除故障。

如果發(fā)生單相弧光接地：零序電壓U0上升, 故障相電壓U故障下降，健全相電壓上升， U健全﹥1.73UФ。此時(shí)，分相控制的高壓真空接觸器（JZ）將故障相閉合，將消弧電阻投入，弧光消除。故障相的JZ閉合后2秒，綜合控制器ZK發(fā)出指令將JZ斷開，由綜合控制器ZK對(duì)故障進(jìn)行再判斷，如果間歇性弧光接地不再存在，則判定為偶發(fā)性故障，系統(tǒng)自動(dòng)恢復(fù)正常；如果仍有弧光存在，則再次將JZ閉合，在故障排除之前不再斷開，使系統(tǒng)在過電壓不大于1.73UФ工況下帶故障運(yùn)行，同時(shí)顯示故障類別及故障線路并發(fā)出報(bào)警信號(hào)由人工進(jìn)行處理。

　　如果發(fā)生電壓互感器PT斷線事故：零序電壓U0上升,故障相電壓下降，健全相電壓下降U健全﹤UФ。綜合控制器ZK發(fā)出指令。在面板和中控室顯示故障類別及故障線路，并發(fā)出報(bào)警信號(hào)，由人工切除故障。

　　4.4 主要特點(diǎn)

　　采用XHB保護(hù)方式，各類過電壓均被限制到較低電壓水平，由過電壓引發(fā)的絕緣事故將大為減少；原作用時(shí)間最長(zhǎng)、對(duì)系統(tǒng)及設(shè)備安全威脅最大的弧光接地過電壓，隨著故障相母線經(jīng)消弧電阻接地而消失；原本可能引發(fā)的鐵磁諧振過電壓，由于母線過電壓被限制在較低的水平而不再發(fā)生；原來按設(shè)計(jì)規(guī)范要求裝設(shè)消弧線圈的系統(tǒng)，可以不再裝設(shè)，而且其限制過電壓的功能將比裝設(shè)消弧線圈更可靠、更完善；整套裝置限制過電壓的機(jī)理與電網(wǎng)對(duì)地電容電流的大小無關(guān)，因而其保護(hù)性能不隨電網(wǎng)運(yùn)行方式的改變而變化，大網(wǎng)、小網(wǎng)均可使用，電網(wǎng)的擴(kuò)大也無影響；裝置設(shè)備簡(jiǎn)單，體積小，安裝、調(diào)試方便。該裝置特別適用于環(huán)境比較惡劣但又必須保證供電連續(xù)性的工礦企業(yè)，同時(shí)也適用于變電站和發(fā)電廠的高壓供電系統(tǒng)，

　　對(duì)于已裝有消弧線圈的系統(tǒng)，本裝置的投運(yùn)，能進(jìn)一步加強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性：當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生不穩(wěn)定的單相弧光接地時(shí)，通過消弧線圈進(jìn)行補(bǔ)償，如果補(bǔ)償后接地電流較小，電弧可自行熄滅，本裝置不動(dòng)作，對(duì)系統(tǒng)無任何影響；否則，本裝置可以準(zhǔn)確動(dòng)作，有效限制系統(tǒng)弧光接地過電壓。

　　5、結(jié)束語

　　隨著弧光接地各種保護(hù)技術(shù)的不斷發(fā)展，以及XHB消弧及過電壓組合保護(hù)理論的提出，可以解決我國(guó)原中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)的各種弧光接地的保護(hù)問題；既可以不改變我國(guó)大部分電網(wǎng)中性點(diǎn)不接地的運(yùn)行方式，又提高了電網(wǎng)運(yùn)行的安全可靠性，對(duì)我國(guó)的電網(wǎng)改造以及安全運(yùn)行有著很重要的經(jīng)濟(jì)意義和深遠(yuǎn)的社會(huì)意義。將成為以后電網(wǎng)運(yùn)行及弧光接地保護(hù)的主要發(fā)展方向。