基于云管控的接地故障防控措施与其它解决方案的比较

吴刚

摘要：为了保证企业电力系统的安全运行，在项目初设阶段，对于系统中性点接地方式的选取特别重要。系统的中性点接地方式的选取，涉及电网的安全性、稳定性、可靠性，与系统的绝缘水平息息相关;对主变、断路器、电力电缆等电气设备的选型影响很大。一般情况下，我国电网-特别是3～35kV的企业电网，系统中性点一般采用不直接接地的方式;采用该方式后，在系统发生单相弧光接地时，弧光接地过电压的危害及选线准确率问题较为突出，为解决上述问题，出现了多种消弧措施及组合方案，本文对此进行了比较。

关键词：中性点接地方式;弧光接地过电压;消弧线圈;电阻柜;消弧柜;云管控

1.中性点接地方式

依据美国电机工程师学会第32号标准的规定，“当在电力系统或电力系统的指定部分所有各点上，不论运行情况如何以及连接的发电机容量多大，零序电抗对正序电抗之比都不大于3，而且零序电阻对正序电抗之比不大于1时，该电力系统或电力系统的这部分可被认为是中性點有效接地的。当电力系统不是全部有效接地，而在电力系统的一个指定部分所有各点上，上述要求满足时，可认为该部分是有效接地的。”因此，当电力系统中发生单相接地故障时，只要指定部分各点满足零序电抗X0与正序电抗X1之比小于或等于3、且零序电阻R0与正序电抗X1之比小于或等于1，该电力系统即属于中性点有效接地系统。对于中性点有效接地系统外的系统，均为中性点非有效接地系统。

按照单相接地时的电流来说，中性点接地方式又可分为“大电流接地方式”与“小电流接地方式”两种;大电流接地方式发生单相接地故障时，需要通过故障线路的断路器来切除故障;小电流接地系统发生单相弧光接地故障时，接地电弧大多可以自动熄灭。我国的中压电网，大多采用小电流接地方式。

2.单相弧光接地过电压的危害

小电流接地系统中，单相弧光接地是威胁电力系统安全运行的主要因素，中性点接地方式的选取，直接影响到单相接地时过电压的水平和危害程度，对于企业电网来说，3～35kV的中压电网基本上都采用中性点不直接接地的方式。因此，稳定的金属性接地对系统的危害不大，金属性接地时，系统线电压的幅值、相位都没有变化。

3.消弧线圈抑制弧光过电压的技术

消弧线圈实质上是一个可以进行调节的电感线圈，其原理是：利用感性电流补偿接地故障产生的电容电流，减小乃至完全消除残余电流，降低产生接地电弧的可能性;同时，减慢电弧过零熄弧后故障相电压的恢复初速度及幅值，减少电弧重燃次数，降低了发生弧光接地过电压的可能性[1]。

装置的构成一般包括：为系统提供人工中性点的接地变压器;在系统中性点与地之间接入的提供感性补偿电流的消弧线圈;控制消弧线圈行为的控制器;以及保证成套装置正常工作的相关辅助设备。装置典型构成示意图如图1所示。

目前市场上自动跟踪补偿消弧线圈装置是在工频（ 50Hz）条件下工作的，在高频振荡的过渡过程中，由于消弧线圈和电网电容两者的频率特性相差悬殊，是不能互相补偿。而系统单相接地故障的发生，是以间歇性电弧开始的，单相接地故障最危险的时刻也是发生在单相间歇性电弧接地阶段，此时在非故障相上产生的弧光接地过电压最高可达3.5～7倍相电压，通过电弧接地故障点的高频振荡电流最打可达数千安，时间虽短电弧危害却很大【2】。运行经验表明，中性点经消弧线圈接地的系统中在发生弧光接地时，在非故障相上的过电压倍数最大值仍与中性点不接地系统一样，只是出现的概率小写。因此自动跟踪补偿消弧线圈装置是不能“消除弧光接地过电压”的[3]。

4.小电阻接地抑制弧光过电压的技术

该技术工作原理：利用中性点电阻器实现快速泄放接地电弧熄弧后半个周波内线路对地电容所积蓄的能量，使得电弧难以重燃并达到抑制过电压幅值的目的。此外，中性点经小电阻接地系统通常还会配置零序保护，零序电流作用于开关跳闸，保证当系统发生单相接地故障时，能够快速切断故障线路，减小故障影响范围。

5.故障相金属接地抑制弧光过电压的技术

该技术工作原理是在系统发生单相弧光接地故障时，通过接触器或断路器将故障相金属接地;在故障相变成金属接地后，故障相对地电压为零，弧光接地现象自然就会消除，原理如图2所示。

在系统使用该消弧技术后可以达到如下效果：

（1） 故障相直接与地网连接，故障相电压为0，工频电弧和高频电弧都将立即熄灭;非故障相上的过电压立即变为线电压，系统中的设备可以在这个电压下安全运行;

（2） 由于电弧被熄灭，过电压被限制在安全水平，故障不会再继续发展，为用户倒闸操作嬴得了时间，避免造成被迫停电;

（3） 由于弧光接地的持续时间大大缩短，过电压的能量降低到过电压保护器允许400A 2ms 能量指标以内，避免了过电压保护器爆炸事故;

（4） 由于母线过电压被限制在较低的水平，可避免激发铁磁谐振过电压。[4]

6.基于云管控的抑制弧光接地过电压的技术

上述几种单相接地故障防控方案在企业电网中都存在一定局限性，为了彻底消除各种过电压，提高选线的准确率，响应国家“节能减排”的号召，充分合理利用配电室空间，减少操作人员对电气设备维护检修的工作量、提高工作效率，优化各类产品结构及功能，提高对设备的运行状态的监控，一种基于云管控的组网选线抑制弧光接地过电压的技术方案在系统中得到广泛应用。

智慧电网云管控系统增加了智能监测、云端管控处理措施，方便用户实时了解系统的运行状况，改善小电流选线算法以提高选线的准确率，采取多种手段消除系统中的各种过电压，保护设备的绝缘不受损坏。

该优化方案的特点如下：1）加装无线组网选线录波装置【5】，实现无线组网。2）利用进口德国固态电容高压电涌吸收装置形成全相线过电压保护。3）PT中性点加装特制全相线阻尼消谐装置（如图3），彻底消除谐振达到理想消谐效果。

智慧电网云管控系统成套装置主要由无线组网精准选线录波装置【6】、全相线全电压过电压保护装置、全绝缘抗饱和PT、固态电容高压电涌吸收装置（原装德国进口）、智慧电压全电压监测终端、隔离手车、特制全相线阻尼线性消谐器、控制器、2台柜体等组成（图4）。

7.结论

消弧线圈尽管目前使用广泛，但并不能“消除弧光接地过电压”，存在放大故障的现象。

小电阻接地方式通过牺牲企业供电可靠性直接切除单相接地故障回路。

故障相金属接地（消弧柜）技术自2000年开始，已在企业电网得到应用，目前在企业电网应用广泛，反响较好;2014年，国网宁夏公司引入供电系统，供电系统目前正逐渐加大使用量。

参考文献

[1]张龙钦主编 《现代配电网单相弧光接地过电压》 中国电力出版社 2017年7月

[2]李哈乞夫（苏联）著，吴维诚，能晓农译.消弧设备的选择、装设和运行[M].北京：电力工业出版社，1956.