中性点经高阻接地电网故障电弧建模与弧光接地分析

金海望，骆立实，胡尊张，张金祥，靳永旗，白鲲，王薇，葛阳

（冀北电力检修分公司，北京 102488）

中性点经高阻接地电网故障电弧建模与弧光接地分析

金海望，骆立实，胡尊张，张金祥，靳永旗，白鲲，王薇，葛阳

（冀北电力检修分公司，北京 102488）

中压配电网绝大多数故障为电弧接地故障，针对Cassie与Mayr这两个经典电弧模型在单独使用时只能考虑到对流散热或传导散热，具有片面性，而二者结合使用却恰好可互补，故而在ATP－EMTP平台下将这两种模型进行搭配并合理设置。通过仿真，分析研究了中性点经高阻接地配电网单相电弧故障时的特性，并将电弧模型用于间隙性电弧接地故障仿真，符合实际情形，证明了电弧模型可有效地反映弧光接地过电压，及小电流接地系统中中性点电阻对降低电网弧光过电压的作用。

电弧；Cassie模型：Mayr模型；配电网；高阻接地方式；过电压

0 引 言

电力系统中，单相接地故障多为电弧接地故障［1］，而大多数学者在研究配电网故障选线或故障定位策略时，通常只使用故障点经恒电阻接地的永久性接地模型作为简单替代，无法反映电弧的非线性时变过程，另外，在做断路器投切容量、电弧炉电气特性分析时，建立能够反映电弧特性的动态模型研究极有意义，故而电弧动态模型长期以来是很多科学工作者着重研究的课题［2－3］。对电弧的研究可从微观与宏观两方面进行。微观上是以电弧等离子体的微观粒子为对象，建立大量的复杂方程式，对能量转换有精确的估计，这种方法在国内部分高校展开了大量的研究［4］；宏观上是将电弧等效为一个非线性时变电阻Rarc（t），在一定的假设条件下可以获得电弧特性的解析解，是一种纯粹的数学模型，称为黑盒模型，比较简单。迄今为止，比较典型的黑盒模型有Mayr模型和Cassie模型两种。从宏观上研究，就不需要考虑电弧内部复杂的物理过程，而将重点放在电弧表现的外在特性上，便于在仿真平台建模与使用，此方法能够满足电气工程师利用动态电弧模型来研究电网电弧现象的要求。

1 电弧模型的搭建

交流电弧中，在距离过零点较远处电弧上具有较大的时间常数而在过零点附近电弧时间常数较小［5］，可假定电弧可以由两个方程式来描述，Cassie方程对低电阻大电流情况较为适合，具有较大的时间常数，而Mayr方程则更能表示高电阻情况下的电弧特性，时间常数较小，这正好符合电弧的特点。将电弧看成两部分电导串联，一部分用Cassie模型描述，另一部分则用Mayr模型描述［6］：

gc－Cassie方程式电弧电导

gm－Mayr方程式电弧电导

模型的电路图与gc的方程式（2），gm的方程式（3），如图1所示。

图1 电弧可变电阻模型与方程式

式中：

g－总电弧电导garc；u－电弧电压；

τc－Cassie电弧时间常数；τm－Mayr电弧时间常数；uc－Cassie电弧电压常数；P0－Mayr电弧散热功率。

图2为ATP-draw下搭建的10 kV配电网经电弧接地故障的仿真模型，一次网络为中性点经高阻接地的小电流接地系统，高电阻接入方式：Z型线圈＋高压电阻［7］；线路为电缆与架空线路混搭，更符合城市供电网的情况。在第四条出线线路上出现经电弧接地故障，模型中用Cassie方程与Mayr方程控制的两个可变电阻串联模拟电弧接地，方框中为三个控制系统暂态分析模块（TACS），分别为电弧起弧时间设定模块、Cassie电弧控制系统、Mayr电弧控制系统。该模型可用于分析小电流接地系统发生电弧接地故障的电弧现象。

图2 10 kV配电网经电弧接地故障

2 配电网单相故障分析

2．1 单相故障特性分析

本论文所研究的是非有效接地电网的一种，即中性点经高阻接地方式，该接地方式能防止谐振过电压和间歇性电弧接地过电压，减少电弧接地过电压的危险，下面会作进一步的验证，同时，该接地方式使灵敏而有选择性的接地保护得以实现，降低了对临近通信线路的干扰。

对点d列节点电压方程得中性点电压。

图3 中性点经高阻接地配电网单相电弧故障

相应的戴维南等效电路如图8，可以推导出电弧电压：

图4 戴维南等效电路

图5 电压向量图

2．2 间歇性电弧接地故障仿真

根据工频熄弧理论所分析得出的过电压值更接近实际值，故而只做工频熄弧过电压的仿真。只要R≤1／3wC0，就能有效的降低弧光过电压［8］。对10 kV侧电网的零序电容做一下计算，得3C0为4．58 μF，故而选取700 Ω中性点电阻可满足要求。假设在A相电压最大值（0．015 s）发生接地故障，在工频过零的第一个过零点（0．025 s）熄弧，再经过半个周期（0．035 s）处A相电压达到最大值，电弧重燃，依此类推，电弧分别在0．045 s熄灭、0．055 s重燃、0．065 s熄灭、0．075 s重燃，持续燃烧到仿真结束，图6为故障相A与健全相B、C电压波形，图7为中性点电压波形。

图6 3次工频熄弧、4次重燃的三相电压波形

图7 3次工频熄弧、4次重燃的中性点电压波形

限于篇幅，对中性点不接地时过电压的三相与中性点过电压的情况用表1列出，从对中性点不接地系统做间歇性电弧接地故障仿真结果来看，非故障相上过电压倍数小于3．5，故障相上过电压倍数小于2，考虑线路相间电容的降压、绝缘子串泄露残余电荷以及网络损耗对过渡过程振荡的衰减作用，下表数据完全符合实际情况。而在中性点经高阻接地后，弧光接地过电压得到了显著地降低。

表1 工频熄弧理论下的过电压（倍数）

3 结束语

通过Cassie模型与Mayr模型的合并与统一，既考虑对流散热，又考虑了径向传导散热，通过仿真验证了在小电流接地系统中，该模型可有效反映接地故障电弧特性，在中性点接入合适高电阻，可显著降低间隙性弧光过电压。

［1］Huaren Wu，Xiaohui Li，D．Stade and H．Schau．Arc Fault Model for Low-Voltage AC Systems［J］．IEEE Transactions on Power Delivery，2005，20（2）：1204－1205．

［2］古金国，徐国政，钱家骊．故障电弧特性［J］．高压电器，1999，42（6）：41－43．

［3］Schavemaker PH．Arc Model Blockset［DB］Power System Laboratory，Delft University of Technology，the Netherlands，2001．

［4］裴振江．特高压断路器开断容量的合成试验方法研究［D］．武汉：华中科技大学博士学位论文，2008：22－24．

［5］许佐明．水射流等离子弧动态伏安特性［D］．哈尔滨：哈尔滨理工大学硕士学位论文，2008：44．

［6］Habedank U．On the Mathematical Description of Arc Behavior in the Vicinity of Current Zero［J］．EtzArchiv，1988，10（11）：339－343．

［7］平绍勋，姜亚南，石健，等．高电阻接地方式及应用［J］．电力设备，2005，6（3）：59－61．

［8］吕军，陈维江，齐波，等．10 kV配电网经高阻接地方式下过电压及接地故障．选线［J］．高电压技术，2009，35（11）：2728－2734．

An Analysis on Arc Modeling and Arc Light Grounding for Grid Faults of High-resistance Grounding of the Neutral Point

JIN Hai-wang，LUO Li-shi，HU Zun-zhang，ZHANG Jin-xiang，JIN Yong-qi，BAIKun，WANGWei，GE Yang
（Jibei Electric Power Maintenance Branch，Beijing 102488，China）

Most of the faults in themedium-voltage power distribution network are arc grounding faults．Classical arc model Cassie and Mayr，when used separately，can only consider thermal convection or thermal conduction-one-sidedness．But，when used in combination，they can complement each other．In this paper，therefore，these two models are used in a reasonable setup on the ATP-EMTP platform．Through simulation，this paper analyzes the characteristics of the single-phase arc fault in distribution network with highresistance grounding of the neutral point，and uses this arc model in the simulation of intermittent arc grounding fault according to actual circumstances．It is proved that this arcmodel can reflect the over-voltage caused by arc lightgrounding，and that in the smallcurrent grounding system，the resistance of the neutral point can reduce the over-voltage of the grid arc light．

arc；Cassiemodel；Mayrmodel；power distribution network；high-resistance groundingmode；over-voltage

10．3969／j·issn．1000－3886．2014．04．018

TM712

A

1000－3886（2014）04－0054－02

金海望（1986－），男，浙江人，硕士，主要研究方向为电力系统继电保护。

定稿日期：2013－12－09