中心点不接地系统间歇性电弧接地过电压分析

摘要：用实例分析间歇性电弧接地过电压的发生过程及对电力系统的危害，运行人员如何应对此类故障。
关键词：电网；消弧线圈；接地过电压。
随着城乡电网大力改造，中性点接地运行方式也有效大的改变，特别是35kV电压等级有逐步被110kV电压等级替代的趋势。由于35kV系统原来的中心点接地方式多为经消弧线圈接地，在一部分35kV线路被取消后，电网结构也发生较大的变化，一段时间以内，原来的消弧线圈补偿难以达到理想的要求， 有的消弧线圈被迫退出运行，使得部分35kV系统中性点方式成为不接地运行方式。局部35kV系统单相接地电容电流大大超过10A，而没有消弧线圈补偿，在发生单相接地时，电弧不能有效熄灭，从而产生间歇性电弧接地过电压，一些绝缘薄弱的设备被击穿，发生两点或多点接地现象。2003年5月31日某局的35kV系统就发生了一起这样的故障。
由于电网改造，消弧线圈补偿达不到要求，某局北门变35kV成为独立的系统，接线如下图：


2003年5月31日14点40分，北门变35kV电压出现无规律波动，电压幅值最高达50.8kV。14点56分，变电值班员报告调度35kV A相不完全接地。各相电压分别为：UA=3.7kV、UB=32.8kV、UC=33kV。调度令用拉、合开关方法试线路，发现为#303桂钢线路接地，立即断开#303桂钢线路，接地消失。
经查线未发现故障，晚上20点15分试送#303线路正常。20点18分，桂钢变合上变电站进线开关，北门变35kV电压又开始无规律波动，电压幅值最高达54kV，并发A相接地信号。20点21分断开桂钢变进线开关，此时北门变35kV0351PT C相已被击穿、喷油，直至20点47分将北门变0351PT断开，接地消失。后经检查发现故障为桂钢变的计量PT，隔离此PT后供电正常。这是一起典型的间歇性电弧接地过电压引起的设备故障。
现以A、B两相为例分析间歇性电弧接地过电压的形成，设电路如下图：

Ls C1 uB C1
2ux Ls C2 电弧
C2 uA
（a）接线图 接地点 （b）等值电路

设A、B相的对地电压最大值为Um ，每相对地电容为C1=C2 ，Ls为电源漏感，等值电路如图（b）所示。正常时，A、B相对地电压之间的相位差为120°。如果在A相发生接地故障引起电弧接地， A相的电位立即降为零，C2被电弧短接，电路发生振荡。设故障发生在A相电压最大值时刻t1。故障前瞬间A、B相的电容电压分别为：
UA(t1-)=Um UB(t1-)=-0.5Um 即为振荡的起始电压。
一般振荡频率远大于电源频率，因此可认为电源电压不变，忽略相间电容及回路损耗，振荡可能出现的最大电压为：
UBm1=2(-0.5Um-Um)-(-0.5Um)=-2.5Um
振荡的稳态值分别为：
UA(t1+)=0 UB(t1+)=-1.5Um
如下图 uA、uB为A、B相电源电压，u1、u2分别为A、B相电容电压。

u U1
2Um UA

0 t1 电弧熄灭t2 t3 t
电弧点燃 电弧重燃

UB U2
Um t


-2.5Um
-3.5Um

电弧接地过电压形成发展过程

由于工频电流过零电弧熄灭只可能发生在半个周波以后，因此，故障电弧将持续半个周波0.01秒，经过半个周波到达t2后电弧熄灭，B相电容电压变为1.5Um。在熄弧过程中，正常相与故障相的对地电容电荷将重新分配，直至各相电容上电压相等。这样使得中性点对地偏移一个直流电位Um 。熄弧过程中A、B相电容电压稳态值分别为：
UA(t2+)=-Um+Um=0 UB(t2+)=0.5Um+Um=1.5Um
再经过半个周波后到达t3 ，故障相电压将达到2Um ，此时如果接地点绝缘还未恢复，电弧重燃，UA立即为零，电路再次出现振荡，振荡的起始电压为：
UA(t3-)=2Um UB(t3-)=0.5Um
振荡过程中电压最大值可达：
UBm2=2(0.5Um-2Um)-(0.5Um)=-3.5Um

由以上分析可知，间歇性电弧短路在正常相上产生的过电压可达正常相电压幅值的3.5倍，但是由于故障点绝缘恢复、相间电容的影响，并且，故障也并不一定发生在电压的最大时刻，因此，过电压的倍数一般小于3.5倍，其值虽然不是很高，但是，如果电网中有绝缘薄弱环节，故障未能及时发现和隔离，长时间的过电压，将会损坏设备，甚至发生两点、多点接地，造成事故。
前面提到的故障，经分析可知，北门变35kV系统没有消弧线圈补偿，5月30日前35kV线路长度为48.3km，估算电容电流为48.3*0.116=5.6A，由于电容电流较小，没有采用消弧线圈补偿，由于电网改造的需要， 5月30日将青狮潭电厂332线路、金山变303线路接入，电容电流有较大的增加，考虑到变电站设备电容电流（一般为线路总电容电流的13%），估计接近15A 。当35kV系统桂钢变计量PT击穿发生单相接地时，电弧不能自动熄灭，产生单相间歇性电弧接地过电压。而检修人员检查接地故障时，只检查线路部分，没有仔细检查变电站设备，致使没能发现桂钢变的计量PT故障，第二次对故障点送电，再次引起电弧接地过电压。
另外，在14点40分时，35kV系统已发生不完全接地，只是未发接地信号，没有引起值班员的足够重视，延误了12分钟，致使北门变35kV系统较长时间承受间歇过电压，