間歇性電弧接地

間歇性電弧接地是指在中性點不接系統中，當發生一相對地短路故障，常出現電弧，由於系統中存在電容和電感，此時可能引起線路某一部分的振盪，當電流振盪零點或工頻零點時，電弧可能暫時熄滅，之後事故相電壓升高后，電弧則可能重燃，這種現象為間歇性電弧接地。

基本介紹

• 中文名：間歇性電弧接地
• 外文名：Intermittent arc grounding
• 描述：短路故障引起
• 套用：過電壓計算
• 學科：物理

概念

間歇性電弧接地--在中性點不接系統中，當發生一相對地短路故障時，常出現電弧。在中性點不接地系統中，因間歇性電弧接地產生的過電壓較高，且持續時間長，可能危及設備絕緣，甚至引起相間短路。相關研究採用仿真計算的方法，研究了10 kV和35 kV系統的間歇性電弧接地過電壓，計算結果表明過電壓的大小與系統參數、接地電弧的熄弧時間、電弧重燃次數和弧道電阻等因素有關。

電壓仿真分析

配電網能否安全可靠運行，對社會經濟和人民生活的影響越來越大。隨著中國城市電網及農村電網改造力度的加大，以及城市現代化進程的快速推進，地下電纜得到了廣泛套用，導致配電網系統電容電流越來越大。由於電容電流的增大，當系統發生單相接地時不能可靠熄弧，使故障擴大，使其成為相間短路而導致線路跳閘。同時由此造成的間歇性電弧接地過電壓對電氣設備的絕緣也造成嚴重威脅，輕則開關爆炸，重則火燒連營，甚者引起大型變壓器線圈變形。河南平頂山供電公司所屬110 kV建設變電站10 kV系統，曾因弧光接地過電壓多次造成10 kV開關櫃爆炸損壞，致使母線短路，造成變壓器低壓線圈變形。以平頂山供電公司110 kV建設變電站10 kV系統和220 kV賈莊變電站35 kV系統為例進行仿真計算，具體分析電弧多次重燃產生的過電壓。根據仿真計算結果，提出了相應的綜合防範措施。

電弧多次重燃產生過電壓的仿真計算

（1）依據高頻熄弧理論的過電壓仿真計算

高頻熄弧理論是假設 A 相電壓為其峰值時發生第 1 次對地燃弧，通過對系統單相接地所產生的對地電流的波形，可分析得到接地產生的高頻電流過 0點的時間，再以此作為一次高頻熄弧時刻，而故障點的電弧對地再次重燃，是假定高頻振盪過電壓在最大值時發生，即其後半個工頻周期，在 A 相電壓峰值處發生再次對地重燃，以後過程同上並重複。

圖1. 2次高頻熄弧仿真計算電路模型

（2）依據工頻熄弧理論的過電壓仿真計算

工頻熄弧過電壓仿真電路模型同樣按照圖1，只是要改變3個接地開關的動作時間，即第1個開關：t_cl=5 ms，t_op=15 ms；第2個開關：t_cl=25 ms，t_op=35 ms；第3個開關：tcl=45 ms，top=1 s。10 kV系統經歷A相發生3次對地燃弧、2 次工頻電流過0熄弧過程，仿真計算得到的系統三相電壓波形見圖2。

圖2. 10kV系統3次重燃、2次工頻熄弧的系統三相電壓波形

由圖2分析可知，系統每次發生電弧接地都會引起系統高頻振盪，產生過電壓；而每次發生 A 相接地電流過 0 熄弧，都會使系統產生一個直流分量；系統第 2 次重燃產生的過電壓與第 3 次重燃產生的過電壓數值相同，則可依此類推，其後產生的最大過電壓亦應相同。最大電弧接地過電壓倍數為k_C=3.54。

電弧接地過電壓的仿真計算小結

通過對電弧接地過電壓的仿真計算可知：對於10 kV系統，當發生 2 次高頻熄弧、3 次重燃時，系統可能產生的最大過電壓為 41.684 kV，過電壓倍數是5.1，若再發生多次高頻熄弧和重燃的過程，系統可能產生的過電壓還會更高，對系統絕緣威脅極大；當發生 2 次工頻熄弧、3 次重燃時，系統可能產生的最大過電壓為 27.18 kV，過電壓倍數是 3.33，若再發生多次工頻熄弧和重燃的過程，系統可能產生的最大過電壓不變。對於 35 kV 系統，當發生 2 次高頻熄弧、3 次重燃時，系統可能產生的最大過電壓為128.58 kV，過電壓倍數是 4.5，若再發生多次高頻熄弧和重燃的過程，系統可能產生的過電壓還會更高，對系統絕緣威脅較大；當發生 2 次工頻熄弧、3 次重燃時，系統可能產生的最大過電壓為 87.259 kV，過電壓倍數是 3.19，若再發生多次工頻熄弧和重燃的過程，系統可能產生的最大過電壓不變。接地電阻和對地電容是影響電弧接地過電壓倍數的主要因素。

防範措施

大量現場模擬試驗證明，在 6～35 kV 中性點不接地系統中，電容電流只要超過 10 A，一旦發生間歇性接地，電弧難以自行熄滅，產生過電壓的幾率較高。因此，防止配電網產生間歇性電弧接地過電壓的根本途徑是消除間歇電弧，其次是提高設備絕緣水平、降低弧光接地過電壓倍數。主要有以下措施：①儘可能將 6～10 kV 裸導線更換為絕緣導線。②加大配電線路走廊內的清障力度，減少配電線路間歇性接地的幾率。③熱備用開關解除備用狀態。④選用絕緣性能良好、爬電比距較大的設備，檢修維護好設備，防止設備外絕緣髒污、受潮。 ⑤中性點經消弧線圈接地方式。當系統接有預調式的消弧線圈時，能有效地降低電弧接地過電壓的倍數；而當系統採用隨調式的消弧線圈時，其限制電弧接地過電壓的作用，與其動作回響時間有極大關係，即動作回響時間越短，效果越好，反之效果不明顯。⑥中性點經小電阻接地方式。可以緩解弧光接地時的過電壓，但擴大了單相接地時的故障電流。⑦系統內安裝消弧櫃，將間歇性電弧接地快速地轉化為金屬接地（原理很好，設備須經過實踐驗證）。

根據所轄變電站的不同情況，分別採取了相應的防止間歇性電弧接地過電壓的措施。原來多次發生弧光接地過電壓事故的變電站，採取措施後事故率明顯降低。如建設變電站 10 kV系統，在沒有採取措施之前，少則每 1 至 2 年發生 1 次事故，多則每年發生一至二次事故；採取措施以後，五年多來建設變電站沒有發生過一次事故。其他變電站的 6～35 kV系統與建設變電站的情況類似，弧光接地過電壓事故大大減少。實踐證明：以上防止弧光接地過電壓的措施是非常有效的。

通過仿真計算分析和模擬實驗結果可知， 必須充分認識間歇性電弧接地過電壓造成的危害，並積極採取一些有效的綜合預防措施，避免或減少由於弧光接地過電壓造成的損失，提高配電網的供電可靠性。

故障選線方法

小電流接地系統是指配電變壓器星形側的中性點不直接接地的系統。中國的配電網系統中，中性點接地主要分為3種情況：經高阻抗接地，經消弧線圈接地和不接地。當小電流系統發生接地故障時，系統三相間的線電壓依然是對稱的，對用戶的供電沒有影響，所以不必立刻斷開故障線路，按照電力規程規定還可以繼續運行1～2 h。因此，在國內外中低壓配電電網中 ，小電流接地系統得到了廣泛的套用。然而在故障期間，其他兩相的對地電壓升高，如果發生間歇性的電弧接地，還會產生 3 倍於相電壓的過電壓，長期運行會損壞系統絕緣，繼而引發相間的故障等問題。為避免引發更嚴重的問題，當其發生故障時，應及時發出信號，採取相應的措施，並且在規程規
定時間內切除故障。現有的選線技術在現場的選線效果並不理想，主要是由於實際的接地故障情況更加複雜，其中間歇性電弧接地故障更容易發生，同時熄弧和燃弧的過程中容易帶入大量的高頻分量。

及時準確地選出故障線路已成為研究熱點。也取得了一些成就，提出的選線方法有：①零序電流幅值比較法，零序電流方向法，諧波法，零序電流有功分量法，負序電流法，零序導納法和注入信號尋跡法等基於穩態算法的選線方法；②暫態零序能量法和暫態零序相位法等基於暫態算法的選線方法；③小波變換法和人工智慧法等基於現代信號處理技術的選線算法。現有的選線方法，在一定程度上都受到電流互感器（CT）、出線迴路數、配電網運行的方式及過渡阻抗的影響，這些影響對選線方法提出了更高的要求。

選線原理

（1）自適應陷波濾波器原理

一個理想陷波濾波器的頻率回響特點是在所有頻率處的增益為1，而在某一特定頻率處增益為 0，使得該頻率的信號無法通過，而其他頻率的信號能夠完全通過。自適應陷波濾波器有能夠跟蹤信號頻率變化來改變陷波頻率的能力，通過設定合適的陷波頻率，就可以提取出基波及諧波（基波頻率的整數倍）信號。

（2）諧波分量法選線原理

由於消弧線圈、故障點等電氣設備的非線性影響，故障電流中存在著諧波信號。諧波的次數越高含量越少，以基波值為基數的百分比中，5次諧波電流所占百分比為 2%～8%，7 次諧波電流所占百分比為1%～5%。並且消弧線圈對5次諧波的補償作用僅相當於工頻時的1/25，可以忽略其影響。因此，故障系統中含有較大量的5次諧波。

仿真分析

經典的電弧動態特性模型為Cassie和Mayr模型。從它們的建立過程可知，Cassie模型適用於低電阻電弧狀態，Mayr模型適用於高電阻電弧狀態。工頻熄弧理論認為電弧在工頻電流過零的時候熄滅，而每經過半個周期重燃。基於上述理論，為了建立一個可靠的電弧模型，研究以開關的開合來表征電弧的燃熄，對故障條件下的第i條線路選線進行仿真分析。

研究結論

研究用仿真實例對配電網中性點不接地系統在饋線上發生間歇性電弧接地故障的情況作了詳細分析，並利用自適應陷波濾波器方法進行仿真分析。結果表明，在發生間歇性電弧接地故障時，該方法能夠有效地選出故障線路，且其原理簡單、可靠，具有很好的套用價值。由於在實際配電網單相接地故障中，電弧接地情況更為複雜，因此，下一步的工作需要對更多的不穩定電弧和間歇性電弧接地故障類別進行分類研究。