智能电网：电弧接地过电压及防止措施

1、 电弧单相接地过电压发展的物理过程

1.1、单相接地故障的分析

在中性点不接地系统中，正常运行时，线路三相对地

电容相等，且

三相对地电容电压相等,

,中性点对地电压 ,系统A相发生单相接地，对地发生电弧放电，以D表示故障点发弧间隙，其等值电路如图所

1.2、电弧接地过电压发展的物理过程

在中性点不接地系统中，运行经验证明，当系统发生单相接地时，接地点流过的电容电流为10A及以上时，在接地点产生的电弧就不会自动熄灭，现对电弧接地发展的物理过程分析如下：

图2.单相弧光接地过电压发展过程

设t 瞬间，A相对地D间发生电弧，此时A相电源电压为最大瞬时值：

式中：Um—系统相电压最大值，式中：2—电源通过电感对电容充电系数。

过渡过程结束后，U2和U3按图2中的电源线电压UBA和UCA变化。

故障点的电弧电流中，包含有工频分量和逐渐衰减的高频分量,电弧电流将持续半个工频周期½T，待A相工频电流分量过零时t2时刻电弧才自动熄灭，见图2，t2时刻故障点发生第一次断弧。t2时刻电弧熄灭，又要引起过渡过程。这时，三相导线上的电压不等于零，电压的初始值为：

由于系统是中性点绝缘的，各导线电容上的电荷在故障点电弧熄灭后仍保留在系统内，三相导线地对电容上总电荷：

所以在熄弧瞬间必然有一个很快完成的电荷全新分配过程，这个分配过程实际上是电容C2、C3通过电源电感L对C1充电的高频振荡过程，其结果要使三相导线对地电压相等，但由于A相仍接地，也使对地绝缘的中性点对地产生了一个位移电压

电压为

故障点的电弧电流将持续半个工频周期，待工频分量过流时才熄弧，完成第二次断弧。以后的熄弧及重燃过程将和第二次的发生电弧、熄弧，过渡过程完全相同，其过电压的幅值也相同，直到电弧将故障点导线烧断，断开接地点或从电源侧断开接地线路，接地故障才解除。

显然，按工频熄弧理论分析得到的过电压最大值并不太高，从波形图2中可以看出过电压的波形具有同一极性，在故障相中不产生振荡过程。健全相的最大过电压为-3.5Um，故障相最大过电压为2Um。在实际情况下，由于过渡过程的衰减，残余电荷的泄漏以及相间电容和接地过渡电阻的降压作用，燃弧相位不同等原因，过电压倍数还要低一些。目前，普遍认为，电弧接地过电压最大值不超过3.5Um，一般在3Um以下。

3、单相电弧接地的危害

在中性点不接地系统运行中，每年发生单相接地故障的机率占电网运行总故障率的70%，其中间歇性电弧接地又占接地故率的50%。从以上分析可知，发生间歇性弧光接地不仅引起系统过电压，造成交联电缆绝缘击穿，引起相间短路故障，还要造成火灾。例如2007年8月6日天下雨，我局由涿鹿110kV站，10kV583#线路，9号杆B相断线，带电导线落在牛家场村村民木结构房顶上，由于间歇性电弧将房点燃造成火灾，烧坏房屋4间，屋内家用电器、家具、衣服、被褥等全部烧毁，后我局对用户进行了赔偿，对10kV线路进了改迁更新改造。

2008年3月13日，涿鹿牛西井煤矿户内式35kV变电站，室内4#35kV母线4.9#电压互感器避雷器柜，因C相35kV电压互感器一次线圈绝缘击穿发生单相间歇性弧火接地，引起柜内着火冒出黑烟，烧坏柜内三只JDZX8-35kV干式电压互感器，三只35kV管式熔断器，烧着三相铝母带引线间的两块绝缘板和套在引线上的硅胶绝缘罩，三只35kV避雷器也受到损坏，柜面钢板烧得变形，并引起相间短路，主变开关跳闸，牛西井煤矿停电4小时，最后更换了新的高压柜。

另外也发生过多次因10kV和35kV线路断线，带电导线落在田野地面，落地导线被电弧烧伤，地面土壤被烧成玻璃柱状，庄稼被烧死，如果有人触及到导线还会发生触电伤亡。因此，单相弧光接地故障严重影响了电网的安全运行，必需采取措施，减少单相接地故障的发生。

4、防止单相电弧接地过电压的技术措施

4.1、装设自动跟踪补偿消弧线圈

根据1997年原电力部颁发的DL/T620-1997年“交流电气装置的过电压保护和绝缘配合”规程规定：10kV钢筋混凝土或金属杆塔架空线路构成的系统和所有35kV、66kV系统，当单相接地电容电流超过10A;3-10kV电缆线路构成的系统，接地电容电流超过30A时，应采用中性点经消弧线圈接地方式运行。消弧线圈主要作用是在电网发生单相接地时，产生电感电流以补偿电网对地的电容电流，使接地故障点残流变小，达到自行熄弧消除故障的目的;对抑制间歇性电弧过电压，消除电压互感器饱和引起的铁磁谐振过电压，降低故障跳闸率方面能起到明显效果。

4.1.1 35kV系统消弧线圈的选择

110kV站主变35kV侧为Y0型接线有中性点引出，而且变压器零序阻抗Z 较低，可以在中性点引线经35kV单极刀闸直接自动补偿的消弧线圈。

110kV站站内一般安装两台主变压器，35kV系统配电装置为户外式单母线分段，经计算每段母线35kV系统接地电容电流超过10A时，两台变压器35kV中性点各装一台消弧线圈，小于10A时且母线并联运行时接地电容电流大于10A时，两台变压器从35kV侧中性点各经35kV单极刀闸可共用一台消弧线圈。

35kV成套消弧线圈一、二、设备有：户外型油浸XHDZ-550/35型消弧线圈，外上部装有DYJZⅡ-35/100-9型有载分接开关，受控制器指令可手动或自动操作，调节消弧线圈档位1-9档，补偿电感电流9.4A-24.8A，以保证脱谐度≤±5%，才能把过电压限制在2.6倍相电压以下。消弧线圈内部设有二次测量线圈和二次阻尼线圈，以满足测量和阻尼作用。消弧线圈旁，装有ZNX阻尼电阻箱，箱内装有不锈钢无感电阻，并接于消弧线圈二次阻尼线圈上。系统正常运行时，阻尼电阻限制串联谐振过电压，可限制全补时中性点位移电压≤15%相电压。系统发生单相接地故障时，经零序电流保护，快速继电器断开二次并联电阻，使残流值小于规定值5A。

消弧线圈二次控制设备主要有KZ-Ⅱ型控制器，装于室内中心屏上，主要功能有：(1)、实测35kV系统电容电流的变化，及时自动调整消弧线圈的分头(2)、现场设定残流值(一般小于5A)，设定脱谐度≤±5%。(3)、显示功能：电感电流I 、电容电流I 、残流值、档位等。(4)、报警功能：单相接地、位移电压过限(﹥15%相电压)，自动手动切换。(5)、闭锁功能：设置档位到头，单相接地掉闸闭锁、手动、自动之间互锁。(6)选线功能(7)追忆功能(8)打印功能(9)运动通讯功能：可通过RS-485接口，光缆线路传输实现“四遥”。

4.1.2.、10kV系统消弧线圈选择

变电站10kV系统，主变压器10kV侧为a型接线，无中性点引出线，无法在中性点安装10kV消弧线圈，10kV配电装置一般为户内式，单母线分段，需在每段10kV母线上安装一台有中性点引出的线的接地变压器，接地变由配电室10kV开关柜控制，而接地变和消弧线圈安装在专用的配电室内。

10kV成套消弧线圈一、二次主要设备有：(1)10kV接地变。接地变接线组别为ZN，Yn-11，一次绕组为ZN接线(有中性点)，由匝数相同的两段绕组分别绕在不同的两相铁芯柱上，绕阻反极性连接，二次绕组为Yn接线。当10kV系统发生单相接地时，接地变高压侧每相绕组流过的相电流是流过消弧线圈电流的

倍，而中性线流过的电流是流过消弧线圈电流的3倍，三相同方向的零序电流流过一次线圈在三相铁芯柱上产生的零序磁通相互抵消，使零序阻抗Z0 很小(约10Ω)，所以空载损耗较低，变压器容量95%可以被利用。接地变一次线圈的容量S ，除满足消弧线圈单相接地时的补偿容量Q 外，还兼作变电站的用电容量

，二次线圈容量只作为站内用电容量,所以三相接地一次线圈容量

故选用户内型、环氧浇注三相干式接地变，型号DKSC-303-100/10型，额定电压Ue=10.5±2*2.5/0.4kV,额定电流16.7A/5.5A/137A,中性点INe=50A/2n，(2)调匝式消弧线圈:户内每段10kV母线，装有户内式环氧浇注干式单相调匝式消弧线圈。其容量按10kV系统单相接地电容电流,

10A-33A。消弧线圈配有干式单独的MFKD-12/100-9型空气有载开关，配过渡电阻14.24Ω。其额定容量、额定电压、、调档分头和消弧线圈配套。有载分节开关受XHK-Ⅱ型控制器控制，可以实现自动或手动“升、降、停”调档功能，来改变消弧线圈的调档分头，保证脱谐度≤±5%。

(3)阻尼电阻箱，RNK-10型阻尼电阻箱，箱内装有RXHGB-20Ω/600瓦无感电阻，它串接在消弧线圈尾端可靠接地。系统正常运行时，用来限制串联谐振过电压，使中性点位移电压在全补偿时≤15%相电压。系统单相接地时，为防止电阻过热，用快速电压、电流双重保护，使并联在电阻两端的无源双晶闸管将电阻短接，减少残流保护了电阻。

(4)一次辅助设备还有在接地变中性线上安装GW9-12/400A单极刀闸，作为消弧线圈正常投切操作使用

HY5WZ2-17.5/45kV氧化锌避雷器作为内部过电压保护;JDZ-10/0.5kV单相电压互感器和LQKG-0.66kV.50/5电流互感器用来测量中性线零序电压、零序电流。

二次主要控制设备有XHK-Ⅱ型控制器，装于控制屏上，用二次控制电缆和有载控制开关，阻尼电阻箱，中性线上电压互感器，电流互感器二次侧相连，所有计算和控制等由它来实现。控制器功能和35kV消弧线圈控制器的功能相同。

4.1.3、消弧线圈系统运行

(1)消弧线圈一、二次设备安装完后应由制造厂,运行单位共同进行系统整组联合传动功能试验，合格后方可投入运行。

(2)消弧线圈设定自动补偿位置，调定脱谐度≤±5%。补偿方式可现场设定过补、欠补、最小残流三种补偿方式任一种。一般设定最小残流值﹤5A,即当

(为消弧线圈相邻档位间级差电流)时，消弧线圈不进行调档，

≥±使脱谐度≤±5%。因此，消弧线圈初选分头1,补偿电流为10A，残流值一般小于5A，残流值可能是容性的，或是感性的。

(3)、母线分段运行时，不得将两台变压器中性点同时接到一台消弧线圈上，以免发生虚幻接地及过电压，母线并列运行时可以投入一台消弧线圈运行。

4.2、加强对线路，变电设施的运行管理

运行经验说明，电弧单相接地最严重的是架空线路断线接地。架空线路常年受到风、冰、低温等气象条件的影响，导线和杆塔除受到风的水平荷载外，还会引起导线振动，在绝缘子固定处死点折射和反折射，使导线磨损疲劳，造成断股或断线的接地故障，由于线路设计水平不高，直线杆塔出现上拔，悬垂绝缘子串摇摆角不够，在风力作用下导线和横担相碰放电烧伤或断线。雷雨季节线路遭受雷击，绝缘子被击穿，破碎，电弧烧断导线，另外，架空线还受到鸟害、树害、外力破坏等，也会使线路发生单相接地或短路故障。

在变电站35kV和10kV系统，经计算接地电容电流已超过规定值，但未安装消弧线圈，已经安装的消弧线圈但未及时投入运行。系统发生接地故障时，产生的过电压使事故范围扩大。针对以上存在问题，为了减少事故的发生，应加强对线路，变电设施的运行管理。首先要做好线路和变电设备的防雷保护工作，处理不合格的接地装置，更换不合格的避雷器要提高线路的绝缘水平，做好导线的防振工作，需加装防振设施，将出现上拔的直线杆塔悬挂点加高或改为耐张杆塔，要设专人对线路定期进行巡视检查，发现缺陷及时处理，每年春季还要做一次停电检修工作。对运行多年质量较差的线路要进行更新改造。对变电站的设备，每年做一次春查预试和检修工作，已经安装的消弧线圈检修后要及时投入运行，对接地电流超标的变电站，应进行改造安装消弧线圈。

为实现农村电气化，要求每个乡镇建设一座35kV变电站供电。要提高设计水平，本着多布点，小型化的建站原则，要缩短10kV线路供电半径为7km，合理的选择导线截面，城镇、农村架设的线路要使用JKLYJ防老化的绝缘导线，以达到减少线路损耗和接地电容电流，提高供电可靠性的目的。因此，只要采取技术措施和运行管理措施，就可以防止系统电弧接地过电压。

参考文献

(1)南京工学院周泽存主编“高电压技术”

水利电力出版社 1988年6月

(2)涿鹿110kV站35kV消弧线圈设计安装说明书

2008年9月

(3)涿鹿工业园35kV站10kV消弧线圈

设计安装说明书 2009年6月