小电阻接地系统间歇性弧光过电压分析

童奕宾，尤智文，李 姝

（1.上海市电力公司市区供电公司，上海 200080；2.上海市电力公司信息通信中心，上海 200032）

我国10 k V配电网一般采用中性点非有效接地方式。该方式优点很多，但也有缺点：一是当发生单相接地故障时故障支路零序电流较小，增加了选线难度［1，2］；二是随着城市电缆线路增加，线路电容电流随之增大，需提高消弧线圈容量来适应大的电容电流。因此在以电缆出线为主的城市配电网中，中性点经小电阻的接地方式得到广泛应用。

据统计，单相接地故障占电网故障的80%，其中弧光接地占相当大的比例［3］。目前针对中性点经小电阻接地方式的研究大多集中在电阻值的选取原则、小电阻的保护措施等方面［4～7］。当系统发生间歇性电弧接地故障时，对于采用小电阻接地方式能否抑制弧光过电压这一问题的研究不多。文献［8］分析了中性点经小电阻接地系统中的弧光接地过电压，但是该文认为弧光接地电阻为一恒定值。实际上电弧的弧道电阻是非线性的［9，10］。

本文使用接地电弧模型［10］，利用PSCAD／EMTDC软件构建仿真平台。先分析在中性点不接地系统中发生间歇性电弧接地故障时弧光过电压的情况，然后分析在中性点经小电阻接地系统中的两种间歇性电弧接地故障，最后根据仿真比较分析得出结论。

1 小电阻阻值的确定

在中性点经小电阻接地系统中，小电阻的取值原则有多种，从不同角度取值差别很大［11］。本文从限制间歇性电弧接地过电压的角度确定中性点电阻值。根据文献［11］，中性点电阻Rn应满足

2 间歇性电弧接地故障的模拟

PSCAD／EMTDC软件是目前在电力系统中广泛使用的电磁暂态仿真软件。用户可以使用强大的元件模型库，通过友好的用户图形界面来模拟复杂的电力系统［12］。本文使用PSCAD／EMTDC软件，建立了10 k V电网仿真平台（图1）。

该仿真平台由一条线路组成，电容电流89 A。电源电压10 k V。电压基准值取相电压峰值，即阻抗的基准值取电网的总容抗，即根据式（1），取中性点电阻Rn＝65Ω。

所谓间歇电弧系指接地电弧的熄灭并随之重燃的多次重复现象，每次熄弧将伴随相对地电容上的电荷积累并产生较大的过电压［9～11］。

文献［9］指出，交流电弧中的电流每半周过零一次，但在电流自然过零前后的一小段时间内，电流都近似为零。因此弧道电阻具有非线性，如果把电弧视作固定阻值的电阻来进行仿真分析，显然结果不够准确。对于电弧模型的研究很多［10，13，14］，本文采用文献［10］提出的近似接地电弧模型。

在仿真中，利用开关K的闭合来模拟电弧的燃烧，利用开关K的断开来模拟电弧的熄灭。

间歇性弧光接地的现象可以使用高频熄弧理论和工频熄弧理论来解释。高频熄弧理论认为电弧在高频电流经过零点时熄灭，半个工频周期之后重燃。而工频熄弧理论认为熄弧发生在工频电流过零时刻。根据高频熄弧理论计算得到的过电压要严重的多，可以达到7.5 p.u.［1，8，9，11］。但实测结果表明：大多数情况下，过电压不会超过3 p.u.［11］。因此本文采用工频熄弧理论来分析弧光接地过电压。

当接地故障发生在电压峰值时刻时，产生的过电压值最大，因此在仿真中假设开关K在电压峰值时刻闭合，即发生单相弧光接地故障。

图1 10 k V网络仿真平台示意Fig.1 Simulation platform of 10 k V network

3 中性点不接地系统

如图1所示，将中性点与小电阻Rn断开，即为中性点不接地系统。仿真时，开关K在0.205 s闭合，A相接地，产生电弧（即燃弧），在0.215 s开关K断开，电弧熄灭（即熄弧）；半个工频周期（即10 ms）后，开关K闭合，电弧重燃；同样经过半个工频周期之后，开关K断开，电弧熄灭。这样的"燃弧－熄弧"过程，反复出现4次。开关K的控制顺序是：

第一次“燃弧－熄弧”：0.205 s开关K闭合，0.215 s开关K断开；

第二次“燃弧－熄弧”：0.225 s开关K闭合，0.235 s开关K断开；

第三次“燃弧－熄弧”：0.245 s开关K闭合，0.255 s开关K断开；

第四次“燃弧”：0.265 s开关K闭合，电弧稳定燃烧至0.365 s接地故障消失。

图2表示故障处三相电压、故障相电流以及中性点电压。表1列出了4次“燃弧－熄弧”过程中出现的电压最大值。将故障相电压及接地电流的工频成分画在同一坐标系下，如图2（a）所示。故障相在峰值时刻产生电弧，由于杂散电容的影响，接地电流中的工频成分（即工频电流）与故障相电压有一很小的相位差。通过仿真计算可以得到工频电流过零点的时刻。根据工频熄弧理论，当工频过零时电弧熄灭。由这些图表可以发现：在中性点不接地系统中，当发生间歇性弧光接地故障时，容易产生过电压。当第一次燃弧时，A相短路，B、C相通过振荡趋于稳态。半个工频周期之后，工频电流通过零点，电弧熄灭。电弧熄灭的瞬间，三相对地电容的电压之和不为零，这些电荷无处释放，将在三相电容间平均分布。再经过半个工频周期，A相恢复电压高达2 p.u.，电弧重燃。结果导致其他两相产生更高的过电压，达3 p.u.左右。

图2 中性点不接地系统电压Fig.2 Voltages in the isolated neutral system

表1 中性点不接地系统间歇性电弧故障时相电压最大值与中性点电压最大值Tab.1 Maximum values of phase and neutral voltages with the intermittent arc earth fault happening in the isolated system p.u.

4 中性点经小电阻接地系统

考虑到电弧每次重燃的时间间隔不等，本文分两种情况讨论间歇性电弧接地故障：第一种情况是每次燃弧的时间间隔相等，都为半个工频周期；第二种情况是每次燃弧的时间间隔不等。

4.1 燃弧时间间隔相等时，间歇性弧光过电压分析

开关K在0.205 s闭合，产生电弧（即燃弧），在0.215 s开关K断开，电弧熄灭（即熄弧）。待熄弧半个工频周期（即10 ms）后，电弧重燃。同样经过半个工频周期之后，电弧熄灭。这样的“燃弧－熄弧”过程，反复出现4次。开关K的控制顺序同上节。

图3是系统三相电压及中性点电压的波形。当开关K闭合，发生接地故障。由于电弧电阻的非线性，可以看出，A相电压不为零，而是类似“锯齿”形状。

图3 中性点经小电阻接地系统电压（燃弧时间间隔相等）Fig.3 Voltages in the neutral grounding via low resistance system（an equal time interval of arcing）

表2列出了4次“燃弧－熄弧”过程中出现的电压最大值。与中性点不接地系统相比（图2及表1），可以看出，在中性点经小电阻接地系统中，间歇性电弧产生的过电压比较小，故障相（A相）电压为1 p.u.左右，而健全相电压小于2.5 p.u.。

表2 中性点经小电阻接地间歇性电弧故障时相电压最大值与中性点电压最大值Tab.2 Maximum values of phase and neutral voltages with the intermittent arc earth fault happening in the neutral grounding via low resistance system p.u.

4.2 燃弧时间间隔不等时，间歇性弧光过电压分析

在上一节中，假设每次燃弧时间间隔相等，但是电弧的二次重燃并不一定都在第一次熄弧之后的半个工频周期，可能是1.5个、2.5个…这个重燃时间间隔与很多因素有关。

不妨假设第一次熄弧之后半个周波燃弧，第二次熄弧之后1.5个周波燃弧，第三次熄弧之后4.5个周波燃弧，第四次熄弧之后1.5个周波燃弧。开关K的控制顺序是：

第一次“燃弧－熄弧”，0.205 s开关K闭合，0.215 s开关K断开；

第二次“燃弧－熄弧”，0.225 s开关K闭合，0.235 s开关K断开；

第三次“燃弧－熄弧”，0.265 s开关K闭合，0.275 s开关K断开；

第四次“燃弧－熄弧”，0.365 s开关K闭合，0.375 s开关K断开，

第五次“燃弧”，0.385 s开关K闭合，电弧稳定燃烧至0.445 s单相接地故障消失。

图4是系统三相电压及中性点电压波形。表3列出了4次“燃弧－熄弧”过程中出现的电压最大值。故障相电压在1 p.u.左右，健全相电压最大值超过2 p.u.。与中性点不接地系统相比（图2及表1），可以看出中性点经小电阻接地系统可以抑制过电压的产生，与燃弧时间间隔相等的情况相比（图3及表2），过电压情况基本相同。

图4 中性点经小电阻接地系统电压（燃弧时间间隔不等）Fig.4 Voltages in the neutral grounding via low resistance system（a unequal time interval of arcing）

表3 中性点经小电阻接地间歇性电弧故障时相电压最大值与中性点电压最大值Tab.3 Maximum values of phase and neutral voltages with the intermittent arc earth fault happening in the neutral grounding via low resistance system（p.u.）

5 结语

在中性点经小电阻接地系统中，当发生间歇性弧光接地故障时，在熄弧期间，残余电荷可以通过中性点小电阻释放，因而能够抑制弧光接地过电压的产生。如果从熄弧到二次燃弧的时间间隔不足够长，那么电荷不会完全释放，随着电荷积累有可能产生过电压。本文通过仿真分析认为当发生间歇性弧光接地时，选取合适的小电阻可以很好地抑制弧光过电压的产生。

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