66kV配电网单相接地电弧自熄电路设计

杨凌志 许晓峰 王亮 姚明书

摘 要：目前低于66kV的配电网接地系统发生单项接地故障时，电弧自灭较为困难，即使电容电流呈现增大趋势，暂态电网中性点的接地故障仍不能自动消除。为克服现有方法的缺点，本文首先搭建出等价于三相分布参数的单相集中参数实验线路，其次进行了单相接地故障下的空气电弧、SF6电弧以及交联电缆电弧自熄灭特性测试，得到了在中性点不接地与中性点经消弧线圈接地两种条件下，相接地故障电弧自熄特性，为选择配电网中性点接地方式提供确切依据。

关键词：66kV配电网；单项接地故障；电弧自熄

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.23.189

0 引言

单相接地故障电流大小、电弧的燃弧时间和补偿度等是确定继电保护整定时间和计算系统输送容量及系统稳定的重要基础。若补偿措施采取不当，可能使电弧难以及时熄灭。单相接地故障电流为交流电弧，在故障电弧类型可能是空气电弧、SF6气体电弧与电缆电弧。故障电弧间隙由于没有强迫的灭弧装置，只能依靠介质的电弧自由拉长降低单位长度电弧电压和介质的去游离性能，使得电弧电压不能支撑电弧燃烧致使电弧熄灭。由于电弧的产生热和电场的作用，发生热发射、热游离、场致发射和碰撞游离，在气隙间出现大量电子流，使气体由绝缘体变成导体。电弧燃烧期间，起主要作用的是热游离。因而，使电弧迅速冷却是熄灭电弧的主要方法[1]。

电弧试验作为研究电弧的重要手段和基础方法，可直接获得电弧的电压、电流波形、电弧图像及燃弧时间等重要参量，为建立和校核电弧仿真模型积累试验数据，是前期研究中不可或缺的重要步骤。但电弧试验受条件限制，投入较大，灵活性不足，且游离与消游离作用与许多物理因素有关，如电场強度、温度、浓度、气体压力等。因此，本文根据这些物理因素的变化影响情况，找出一些切实可行的方法，减小游离，增加消游离，使产生的电弧尽快地熄灭。因此，进行本试验平台的硬件设计。

1 电弧特性

交流电流过零后，电弧是否重燃取决于弧隙介质强度和弧隙电压的恢复在电弧电流过零时，电弧自然熄灭。电流过零后，弧隙中同时存在着两个作用相反的恢复过程，即介质强度恢复过程和弧隙电压的恢复过程。如果弧隙介质强度在任何情况下都高于弧隙恢复电压，则电弧熄灭；反之，如果弧隙恢复电压高于弧隙介质强度，弧隙就被击穿，电弧重燃。

由于电弧涉及电、热、光、流体和等离子体等多个物理过程，属于空气中的自由开弧，其发展受天气状况、环境条件等因素的影响，且电弧的绝缘间隙较长特高压输电线路的空气间隙长度接近，持续时间长可达数秒，导致电弧特性较复杂，无疑加大了电弧研究的难度 [2]。

2 试验回路构成

由于采用分布参数搭建实验回路耗费大量的人力与物力，实验周期长费用高，因此，本实验拟采用集中参等效电路的方法，搭建集中参数的实验回路，如图1所示。

图1中，T1 ：220kV/10kV变压器，1MVA；CB1：12kV保护断路器，12kV；T2：10kV/10kV 调压器，1MVA；T3：10kV/66kV 升压变压器；CB2：72.5kV保护断路器，72.5kV ；L：限流电抗器，可调；L0：消弧线圈，可调；C：线路等效电容，可调；CB3：辅助合闸断路器；PT：阻容分压器；CT：霍尔电流互感器；间隙：空气间隙、SF6间隙、电缆间隙。

电网中电容电流主要取决于线路的对地电容，集中参数试验回路忽略了线路的电阻、电感，及线路之间的相间电容和互感等影响因素[3]，采用集中电容模拟线路的对地电容，改变电容值构成不同的电网规模。通过引入限流电抗器来调节线路中电流的大小，实际线路中中性点消弧线圈经过电路变换后，采用在线路中串联的方式等效。选取的消弧线圈与实际电网中运行的设备参数一致。采用分压器测量试验电压、霍尔式CT测量电流信号。

3 试验回路等效性

为验证设计的试验用模拟回路与实际系统的等效性，对集中参数模拟回路和分布参数实际系统在单相接地故障下的恢复电压进行了数值仿真。运行电压可以通过调压器调节，得到所需要的电流值。恢复电压值可以通过电弧自熄灭仿真得到，并与实际电网中所测的恢复电压值进行比较，以确定集中实验回路的等价性，如果恢复电压值发生偏离，可以在变压器出口并联RC回路来调节恢复电压的上升率，从而达到实验回路等价性的要求。

4 实验设备以及参数

电弧类型：

（1）空气电弧：可由绝缘子并联金属熔丝进行引弧。由于空气间隙的绝缘可以自恢复，且绝缘间隙不需要放置在密闭气室中，并联引弧金属熔丝安装方便，实验便于多次重复进行。

（2）SF6电弧：需要制作SF6气室，气室包含两种绝缘类型：气体间隙绝缘和盆式绝缘子沿面绝缘。对应的SF6气体电弧分为气体间隙绝缘电弧与盆式绝缘子沿面放电电弧。由于是密闭气室，引弧熔丝安装与实验过程相对复杂，耗费人力与物力较多。对于SF6气体沿面绝缘，可能会对盆式绝缘子沿面绝缘产生破坏，如果利用等效沿面绝缘，则需要考虑沿面绝缘的等价性。

（3）电缆电弧：制作电缆终端并在电缆中部进行人为绝缘破坏并利用金属熔丝进行引弧。由于电缆绝缘为不可恢复绝缘，实验前需要人为对电缆相间制造绝缘。

5 故障类型

空气电弧、SF6电弧和交联电缆电弧；实验电压：电压等级按照10kV、35kV和66kV；故障电流：故障电流按照10A、15A、20A、25A、30A、40A、50A，直到故障电弧不能自熄灭。合闸相角：选相合闸，从0°至360°分10个相位区间进行试验[4]。

空气电弧与SF6电弧由熔丝接地引燃电弧，电弧电流、电弧电压以及恢复电压由互感器引出至采集测量装置获取试验波形，记录燃弧时间、电弧电流及电弧电压波形，采用高速摄像仪拍摄电弧发展过程，观察电弧自熄状况。

6 结论

本文根据电场强度、温度、浓度、气体压力等物理因素的变化影响情况，搭建出试验回路，该实验回路能够有效减小游离和增加消游离，从而使产生的电弧能够尽快地熄灭，进而避免了传统电弧试验投入较大、灵活性不足以及受实验条件限制等缺点。

参考文献：

[1]龚静.小波分析在配电网单相接地故障选线中的应用[M].北京：中国电力出版社，2012（36）.

[2]颜湘莲，陈维江，贺子鸣，张少军，李庆余.10kV配电网单相接地故障电弧自熄特性的试验研究[J].电网技术，2008（08）：25-28+34.

[3]王子涵.中性点接地方式在中压配电网中的决策[J].科学技术创新，2018（06）：27-29.

[4]刘笑笑，郑喻，郑志超.基于ATP-EMTP的故障接地电弧仿真研究[J].电气工程学报，2015，10（11）：53-57.

本论文基于66kV系统电弧自熄特性研究（辽宁省科学技术计划项目编号2018210101002827）

作者简介：杨凌志（1995-），女，吉林人，硕士研究生，主要研究方向：电力系统运行、分析与控制。