单相弧光接地过电压

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，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，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。

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。

弧光接地过电压的危害及其措施

弧光接地过电压又称间隙性弧光接地过电压，当中性点非直接接地系统发生单相间隙性弧光接地故障时，由于不稳定的间歇性电弧多次不断的熄灭和重燃，在故障相和非故障相的电感电容回路上会引起高频振荡过电压，非故障相的过电压幅值一般可达3.15～3.5倍相电压，这种过电压是由于系统对地电容上电荷多次不断的积累和重新再分配形成的，是断续的瞬间发生的且幅值较高的过电压，对电力系统的设备危害极大，主要表现在以下几个方面：

⑴随着电网的发展，具有固体绝缘的电缆线路应用较多，由于固体绝缘击穿的积累效应，当系统发生单相弧光接地时，在3.5倍过电压的持续作用下，造成电气设备绝缘的积累性损伤，在非故障相的绝缘薄弱环节造成对地击穿，进而发展成为相间短路事故。

⑵弧光接地过电压使电压互感器饱和，容易激发铁磁谐振，导致过电压或电压互感器爆炸事故。

⑶弧光接地过电压的能量由电源提供，持续时间较长，当过电压超过避雷所能能承受的400A 2ms的能量时，就会造成避雷器的爆炸事故。

因220KV及以下电压等级的系统中，系统的绝缘水平主要决定于雷电过电压（大气过电压），故这一电压等级的避雷器主要用于雷电过电压，要求3.5倍以下的过电压不动作，而弧光接地过电压一般不超过3.5倍，避雷器对弧光接地过电压根本不能。目前我国弧光接地过电压的措施主要有中性点直接接地或经小电阻接地，中性点采用经消弧线圈或自动调谐的消弧线圈接地，采用消弧及过电压保护装置

⑴中性点直接接地或经小电阻接地，弧光接地过电压问题并不突出，一般情况下最大过电压不超过2．5倍的相电压，但扩大了单相接地时的故障电流，加剧了故障点的烧伤、牺牲了对用户供电的可*性。

⑵采用消弧线圈或自动调谐的消弧线圈。由于消弧线圈的电感电流补偿了系统的电容电流，降低了故障点的残流，有利于接地电弧的熄灭，避免了长时间燃弧而导致相间弧光短路的可能性。同时可带单相接地运行，提高了供电可*性，但现行消弧线圈设计自动跟踪或自动调谐是在电网工频下完成的。在稳定电弧接地和金属性接地阶段，通过故障点电流才是经消弧线圈自动跟踪补偿（或自动调谐）后的残流，此时非故障相上发生的过电压较低，最大才达2．3倍相电压，而间歇性弧光接地时产生的过电压已不再是稳态的正弦波，而以高次谐波为主，显然，当频率增加时，对于电容电流是增加的，而电感电流是减少的，无法补偿谐波电流。

⑶采用消弧及过电压保护装置

装置主要由三相组合式过电保护器TBP，可分相控制的高压真空接触器JZ，微机控制器ZK，高压限流熔断器组件FUR及带有辅助二次绕组的电压互感器PT 等组成，一旦系统发生单相间隙性弧光接地过电压微机控制器ZK立即判别故障类型与相别并向故障相的真空接触器JZ发出动作指令，真空接触器JZ在0．1S 左右完成合闸动作，间隙性弧光接地随之被转化为金属性接地，弧光接地过电压消失，真空接触器动作之前的过电压由三相组合式过电压保护器TBP在较低的数值，由于时间短，能量不超过TBP允许的400A2ms的能量指标，仍可保证TBP的安全，该装置过电压的机理与电网对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。

弧光接地的产生：

固体绝缘设备的增多降低了系统承受过电压的能力；

真空断路器的大量采用使操作过电压的概率大大提高；

内部过电压得不到有效使绝缘寿命大大降低；

雷击、鸟害、断线、树枝等外力破坏以及阀式避雷器放电等，是产生弧光接地的外部原因。

弧光接地过电压的产生

形成弧光接地过电压的基础是间歇性电弧。当中性点非直接接地系统发生单相间歇性弧光接地（以下简称“弧光接地”）故障时，由于电弧多次不断的熄灭和重燃，导致系统对地电容上的电荷多次不断的积累和重新再分配，在非故障相的电感—电容回路上引起高频振荡过电压。

以电缆线路为主的供电电网，绝缘击穿或电弧重燃时过渡过程中的高频电流，可达数百安培甚至上千安培。高频电流过零点电弧熄灭的可能性大大提高，电缆线路弧光接地时，非故障相的过电压可达4～71倍

弧光接地过电压的危害

高幅值的过电压加剧了电缆等固体绝缘的积累性破坏；

弧光接地过电压导致烧PT或保险熔断；

弧光接地过电压导致避雷器爆炸

中容电力补偿设备、消弧消谐柜、高压电容柜等产品

单相弧光接地引起的过电压主要发生在中性点不接地的电网中。当输电线路长和线路电压高时，单相接地电流也随之增大，许多弧光接地故障变得不能自动熄灭;另一方面，由于接地电流也还没有大到能产生稳定性的电弧的程度，于是就形成了熄弧与电弧重燃互相交替的不稳定状态，形成间歇性电弧。

熄灭直流电弧会产生过电压的前提是断路器动作速度很快，能够极快地切断电弧，从而将产生过电压。这是因为：直流电弧在迅速地被切断后，将在触头处产生一个与被切断电压相同的行波，行波将沿着电路行进。此行进电压波与电路上原来的电压叠加，就产生了过电压。

快速开端电路后产生反馈行进波的现象，在交流回路中也会产生。如果其相位与回路中原有电压相位如果相差180度，将减弱电路上的电压。如果在原有电压上叠加，就产生了交流过电压。

所以，在快速动作的开关回路负荷侧，应当加装过电压保护装置，如压敏电阻、过电压保护器等等。