10 kV系统工频弧光接地过电压的研究

夏国武，崔 红

(1.通辽电业局，内蒙古 通辽 028000;2.辽宁省抚顺供电公司，辽宁 抚顺 113000)

电力系统中性点接地方式是人们防止系统事故的一项重要应用技术，具有理论研究与实践经验密切结合的特点。中压电网量大面广，担负着直接为广大用户供电的任务，其中性点接地方式历来就是一个比较复杂的系统工程问题，它与整个电力系统的供电可靠性、人身安全、设备安全、绝缘水平、继电保护以及通信干扰(电磁环境)和接地装置等技术问题有着密切的关系。

我国6～35 kV的电网中，中性点主要有不接地、经消弧线圈接地、经小电阻接地等方式。目前中压电网仍以不接地方式为主，其主要优点是当系统发生接地故障时，接地故障电容电流在其规定值以下，系统可以继续运行一段时间，只发出接地报警信号，引起运行人员注意，并进行相应的处理，不致中断供电，从而极大地提高了供电的可靠性。但近十几年来，我国10 kV电网发展十分迅速，负荷不断增加，特别是城市电网，电缆线路急剧增加，使得系统电容电流大幅度增加，而以电缆为主的电网在发生单相接地故障时，往往不能自动灭弧，从而引起弧光接地过电压。由于该过电压持续时间一般比较长，故障不易消除，易造成事故扩大，引起电缆绝缘击穿、MOA爆炸、断路器烧毁等，而电缆绝缘故障多为永久性故障，一旦损坏只有更换新的电缆，这对电网的安全、可靠运行带来很大影响，因而引起了广泛关注[1－4]。

弧光接地过电压的产生即燃弧条件可用高频熄弧理论和工频熄弧理论来分析。两种理论的区别在于，前者是以高频振荡电流第一次过零时电弧熄灭来解释间歇电弧接地过电压的发展过程;后者是以工频电流过零时电弧熄灭来解释间歇电弧接地过电压的发展过程。高频熄弧与工频熄弧两种理论的分析方法和考虑的影响因素是相同的，但与系统实测值相比较，高频理论分析所得过电压值偏高，工频理论分析所得过电压值则比较接近实际情况[5，6]，因此本论文中只讨论用工频熄弧理论解释弧光接地过电压的产生过程。

本论文对弧光接地过电压的产生机理进行了深入研究，建立了工频弧光接地过电压仿真模型，以北京某变电站10 kV电网为例，利用EMTP对中性点不接地和中性点经小电阻接地两种情况下的工频弧光接地过电压进行了仿真分析，并对其影响因素进行了探讨。

1 弧光接地过电压的产生机理

在中性点不接地或中性点非有效接地的中压配电网中发生单相故障时，由于线电压保持不变，电网可以带故障继续向用户供电。然而，随着线路的增长和工作电压的升高，故障点短路电流亦随之增加，使得许多瞬时的单相接地故障不能自动灭弧，在故障点处产生了时燃时灭的不稳定电弧，称为间歇性电弧。这种间歇性电弧引起了系统中电磁能量的强烈振荡和积聚，从而引起健全相和故障相出现严重的过电压，即弧光接地过电压。

2 仿真计算模型

2.1 工频弧光接地过电压的仿真模型

工频熄弧理论认为，发生单相接地故障时，每隔一个工频周期电弧就会熄灭和重燃一次，并且假定电弧在工频电流过零时熄灭，达到最大恢复电压时重燃。

在仿真算例中，工频弧光接地过电压数值仿真的全过程如图1所示。

利用EMTP工具箱里面的模块搭建的电弧仿真模型如图2所示。利用多个Switch模块仿真接地电弧模型，其开合表征电弧的燃熄，利用Switch模块的内置参数T-close和T-open来控制Switch模块的开合时间用以模拟电弧的熄燃，电阻则模拟燃弧的电阻。

图1 工频弧光接地过电压计算流程图

图2 电弧仿真模型

2.2 接地变压器的仿真模型

中性点采用小电阻接地方式时，若主变或发电机为Y0接线，其中性点可直接接入电阻;若主变或发电机为Δ接线，则需要外加接地变压器造成一个中性点。外加接地变压器的特性要求是在电网正常供电情况下阻抗值很高，绕组中只流过很小的激磁电流;当系统发生单相接地故障时，该绕组对正序、负序呈高阻抗，而对零序呈低阻抗。该种类型的变压器接线为Y0/Δ或Z，接地电阻可以直接接在Y0/Δ接线或Z接线的高压侧中性点，也可以接在Y0/Δ接线低压侧开口三角上[7]。本论文采用了Z形接线，其原理接线如图3所示。

图3 Z形接线的原理接线图

3 EMTP仿真及结果

本论文以某10 kV、出线均为电缆的变电站为例，用电力系统电磁暂态程序(EMTP)对中性点不接地和经小电阻接地两种情况下的工频弧光过电压进行了仿真和比较，所采用的系统如图4所示。

图4 系统图

故障相为A相，表中数值均为标幺值P.U，基准值为kV。根据工频熄弧理论，设A相电源电压达到负的最大值时，A相发生单相接地故障;接地短路电流在半个工频周波附近，高频分量已经衰减得很小，此时的电流过零近似认为是工频电流过零;熄弧之后半个工频周波，A相电压达负的最大值，电弧重燃。中性点经小电阻接地系统中，由于小电阻能有效释放残余电荷，即使发生重燃，过电压的幅值也不会因多次重燃而明显增加。因而研究中性点经小电阻接地系统的工频弧光接地过电压，考虑两次燃弧足够满足要求，本论文中考虑三次燃弧－熄弧过程。

3.1 工频弧光接地过电压仿真结果

对接地电阻为10 Ω、过渡电阻为1 Ω时中性点不接地和经小电阻接地方式下工频弧光接地过电压的情况进行了仿真。

(1)中性点不接地方式

电弧的点燃、熄灭、再点燃的过程，使中性点不接地电网中积累了多余的电荷，系统中的能量积聚是产生弧光接地过电压的重要原因。与此同时，电压越高，则每次燃、熄弧时系统所失去的储能越大，当系统由于振荡引入的储能与失去的能量相等时，电压则趋于极限值[8]。图5为中性点不接地系统发生故障时，工频弧光接地过电压的波形图，如图所示，此时工频弧光接地过电压值最高达3.793 P.U。

(2)中性点经小电阻接地方式

对于中性点经小电阻接地系统，当发生电弧接地时，在电弧点燃、熄灭过程中系统积累的多余的电荷，从电弧熄灭到重燃前的一段时间内可以通过中性点电阻泄漏掉，因此可以降低工频弧光接地过电压，甚至可以避免工频弧光接地过电压的产生。

图6为中性点经小电阻接地系统发生故障时工频弧光接地过电压的波形图，如图所示，中性点经小电阻接地时，可将工频弧光接地过电压显著降低，此时工频弧光接地过电压值最高为2.485 P.U。

图5 工频弧光接地过电压的波形

图6 工频弧光接地过电压波形

3.2 中性点经小电阻接地方式下工频弧光过电压的主要影响因素

3.2.1 接地电阻对工频弧光接地过电压的影响

为了研究接地电阻的大小对工频弧光过电压的影响，改变接地电阻的数值，对发生故障时的工频弧光接地过电压进行了仿真分析。由表1中数据可知，接地电阻越大，中性点电压越高，工频熄弧时出现的过电压倍数越大，即抑制弧光过电压的能力越弱;反之，接地电阻越小，中性点电压越低，工频熄弧时出现的过电压倍数越小，即抑制弧光过电压的能力越强。

表1 工频弧光接地过电压的计算结果

3.2.2 过渡电阻对工频弧光接地过电压的影响

为了研究过渡电阻的大小对工频弧光过电压的影响，改变过渡电阻的数值，对发生故障时的工频弧光接地过电压进行了仿真分析。由表2中数据可知，过渡电阻越大，中性点电压越低，工频熄弧时出现的过电压倍数越小;反之，过渡电阻越小，中性点电压越高，工频熄弧时出现的过电压倍数越大。

表2 工频弧光接地过电压的计算结果

3.2.3 接地变零序电抗对工频弧光接地过电压的影响

为了研究接地变压器零序电抗的大小对工频弧光过电压的影响，改变零序电抗的数值，对发生故障时的工频弧光接地过电压进行了仿真分析。由表3中数据可知，零序电抗为0 Ω～4 Ω时，零序电抗越大，工频熄弧时可能出现的最大过电压倍数越大，即抑制弧光过电压的能力越弱;零序电抗一旦超过4 Ω，随着零序电抗的增大，工频熄弧时可能出现的最大过电压倍数反而变小，即抑制弧光过电压的能力增强。

表3 工频弧光接地过电压的计算结果

3.2.4 接地变电抗百分数对工频弧光接地过电压的影响

为了研究接地变压器电抗百分数的大小对工频弧光过电压的影响，改变电抗百分数的数值，对发生故障时的工频弧光接地过电压进行了仿真分析。由表4中数据可知，电抗百分数在2%～6%之间取值时，电抗百分数越大，工频熄弧时可能出现的最大过电压倍数越小，即抑制弧光过电压的能力越强;反之，电抗百分数越小，中性点电压越高，工频熄弧时出现的过电压倍数越大，即抑制弧光过电压的能力越弱。

表4 工频弧光接地过电压的计算结果

4 结 论

本论文对弧光接地过电压的机理进行了深入研究，以某变电站10 kV电网为例，对中性点不接地和中性点经小电阻接地两种方式下的工频弧光接地过电压进行了仿真，并研究了中性点经小电阻接地方式下工频弧光接地过电压的主要影响因素。仿真结果表明，中性点经小电阻接地方式下，当发生单相接地故障时，由于小电阻可以为系统中积累的电荷提供泄漏回路，因此可以很好地降低工频弧光接地过电压;而接地电阻、过渡电阻和接地变零序电抗等的大小对工频弧光接地过电压的影响较大，合理地选择参数的数值，将可以更有效地限制工频弧光接地过电压，甚至可以避免工频弧光接地过电压的出现。

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