配电网单相弧光接地过电压事故分析及其一例

殷一洲 周力

摘 要：为保证配电网供电可靠性，长期以来配电网采用非直接接地方式运行，该方式下单相接地故障时，故障相流过所有非故障相的对地电容电流。随着配电网的发展，配电系统中电力电缆的广泛使用使得其对地电容电流剧增，尽管采用中性点加装消弧线圈可对电容电流进行补偿，但由于消弧线圈补偿能力有限，部分地区消弧线圈实际运行在欠补偿状态。由于较大的电容电流不利于接地点熄弧，由接地弧光的熄灭和复燃而导致的间歇性弧光不仅会引起设备过电压，还容易造成高频谐振等问题，危害设备的运行。本文结合某地区配电网发生的一起单相接地引起的连锁跳闸事故，分析了事故原因，探讨了弧光接地过电压易造成的严重危害，同时给出了合理化的建议。

关键词：配电网 接地方式 间歇性弧光 过电压

中图分类号：TM8 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）10（c）-00-03

随着我国人民生活水平的提高和城市经济的发展，供电可靠性高、占地面积小、运行故障率较低的电缆线路逐步取代了架空线路成为配电网中采用的主要线路形式。然而电缆线路存在较大的对地分布电容，这种对地电容一方面能对系统进行无功补偿，提高功率因数和输电效率，另一方面也使弧光接地过电压事故发生的概率和危害大大增加。本文首先分析了弧光接地过电压产生的原因和危害，并以实际运行系统中发生的一起事故案例来介绍弧光接地过电压可能引发的设备损害和对外失电，最后根据现阶段运行情况，提出了若干合理化的建议。

1 弧光接地过电压事故发生的基本原理

根据运行经验，在配电网中，线路发生事故的可能性远较其他设备为大，在线路事故中又包括短路事故和断路事故两大类，其中单纯的短路事故或者伴有断路的短路事故占80%以上。在这些短路事故中单相接地短路和相间短路大约各占一半[1]。

当系统发生单相接地事故时，如线路与大地可靠连接称为金属性接地，此时故障相电压降为0，非故障相升至线电压，系统仍保持对称，为保障供电可靠性，通常中性点非直接接地系统发生单相接地后可继续运行2h，但对精密仪器及用户电压质量有一定影响并可能引起压变故障。

如线路与大地连接不可靠，线路与大地保持一段较小的间隙，即非金属性接地。此时，故障线路与大地之间存在电压差，从而使间隙中的空气发生电离导电。当环境温度、空气湿度等外在因素满足一定条件时，在空气电离产生光、热、扩散等效应作用下，间隙中可能产生电弧。这种电弧可能是稳定燃烧的（当故障电流较大时）也可能可以自行熄灭（当故障电流较小时），但大多数情况下是处于熄灭和重燃交替出现的状态。此种间隙性电弧会引起系统电磁能的强烈震荡和对因地电容电荷不断叠加和分离引起的高频震荡过电压，此时非故障相的电压可达正常相电压的3.15～3.5倍，此种过电压即弧光接地过电压[1，2]。

2 弧光接地过电压可能造成的相关危害

弧光接地过电压的电弧熄灭与重燃的主要相关因素和周期规律目前仍无定论，德、美、俄（苏）以及我国科学家提出的不同假设经实验证明均无法排除，但是弧光接地过电压事故的危害性已被多次事故案例证实。弧光接地过电压事故的主要危害包括以下几个方面：弧光导致故障扩大甚至引起火灾、高频电流震荡影响消弧线圈调谐、过电压引起设备积累性损伤或电缆击穿、母线电压过高影响电压互感器的正常运行、母线电压过高影响避雷器的正常运行、高频电流损坏电缆引起断路故障或者相间短路故障等等[2-4]。

值得一提的是在电网运行实际中，以上危害并非一定发生，可能发生其中一项或者若干项。为了更直观地说明弧光接地过电压事故的特征和应对措施下文以笔者亲历的一次弧光接地过电压事故为例进行具体的分析和介绍。

3 事故分析

3.1 跳闸情况简述

8月5日清晨，天气情况良好，未出现雷电、大风等恶劣天气，里口变按正常方式运行，#2主变供35kV Ⅱ段母线及10kV Ⅱ段母线负荷，运行方式如图1所示。

08：39里口变129里登线电流I段保护动作，开关跳闸，重合成功。08：40里口变1X2#2接地变过流保护动作，开关跳闸；08：40里口变132御窑#2线电流I段保护动作，开关跳闸；08：40里口变123美固线电流I段保护动作，开关跳闸，重合成功；08：41里口变123美固线电流I段保护动作，开关跳闸，重合不成；08：42里口变125里镇线电流I段保护动作，开关跳闸，重合成功；08：42里口变124高铁#2线电流I段保护动作，开关跳闸；08：44里口变128锦绣线电流I段保护动作，开关跳闸，重合成功；08：45里口变131如元线电流I段保护动作，开关跳闸，重合不成；08：45里口变122莫北线电流I段保护动作，开关跳闸，重合不成；随后，系统稳定。

3.2 事故原因分析

这次事故在短短6min之内，就造成了几乎所有母线设备的动作，造成了较大的社会影响。结合当时的保护动作信息和遥测信息，无法判断事故发生的原因。事后我们结合设备的故障录波情况进行相关分析，最终判断引起大范围跳闸的元凶是弧光接地过电压。

首先对故障录波情况进行简单分析，相关设备的故障录波如图2所示。

图2基本反应了事故发生原因的所有重要信息。由于该变电站10kV出线采用的是两相星形接线的TA配置方式，因此，故障录波中仅有A、C相电流情况。由于该TA配置方式，对后期的故障判断有一定的影响，因此只能结合电压情况来大概估计事故的产生原因。

首先從图2中可以发现，在129线路保护动作过程中，A、B相电压出线了明显的降低，而C相电压出线了升高，同时A相有故障电流流过，结合随后保护动作，开关跳闸以及开关重合之后的三相电压和A、C相电流情况，可以判断是A、B相相间短路引起的129开关跳闸。从配电汇报情况来看，线路确实存在专变故障。

随后，1X2#2接地变出现过电流动作，结合母线电压情况，粗略判断为C相接地，但是A、B相相电压幅值达到18kV，因此判断并非简单的C相直接接地。由于C相电压记录情况的缺失，导致无法直接判断事故原因，因此只能粗略判断为弧光接地或系统谐振引起。

在1X2#2接地变开关跳闸之后，该系统失去消弧线圈补偿。从接地变跳闸前的情况，可以发现原先系统就是一个欠补偿的系统，由于欠补偿的状态，在单相接地后，消弧线圈补偿能力不足，再加上谐振的原因，引起了接地变开关的过负荷动作。而接地变一旦跳开之后，系统的接地点并未消失，尽管破坏了系统的谐振条件，但其对接地电弧的灭弧能力大大削弱，由此，导致接地点电弧的反复重燃。

接着由于C相弧光接地引起弧光接地过电压和高频电流震荡，导致部分配网线路薄弱环节对地绝缘破坏或相间绝缘破坏，引起相间短路或接地。部分线路因高频电流震荡引起相间故障开关分闸之后高频电流衰退，线路开关能够重合成功。部分线路因过电压或故障电流过大绝缘被物理性破坏，重合不成，其中间过程可以参考图2的故障录波过程，在此不做赘述。

在122等线路开关跳闸后，从电压波形来看，同样维持着弧光接地过电压的电压情况，但其之后系统趋于稳定，说明孤光接地点并不在122莫北线、123美固线、124高铁#2线、131如元线、132御窑#2线上，同时结合重合成功线路，基本判断属129线路上存在弧光接地点的可能性最大，事后配电汇报明确弧光接地点确在129线路上。

那么在故障录波最后，依旧呈现弧光过电压的电压波形，为什么随后却不再有线路开关跳闸？我们认为这是由于弧光接地过电压是中性点不接地系统出现非金属性单相接地后，接地点流过其他相相对地电容电流，造成故障点与大地间气体电离，引起的接地点间歇性燃弧所致，因此电容电流大小是弧光是否能维持的关键因素。当电容电流过大时燃弧稳定不存在间歇性规律不会引起弧光接地过电压，但电容电流过小时弧光能够自行熄灭不会反复重燃。在122莫北线、123美固线、124高铁#2线、131如元线、132御窑#2线开关分闸以后，剩余线路所提供的电容电流不足以维持C相弧光接地，故弧光接地随后自行消失。

3.3 事故总结

本次事故由单一的开关跳闸引起，线路重合后故障因切除故障电流、相间异物跌落等可能原因，转为单相非金属性接地。由于系统处于欠补偿状态及压变可能发生铁磁谐振，造成接地变因过负荷跳闸，导致消弧线圈无法有效补偿灭弧，从而引起间歇性弧光接地，诱发弧光接地过电压事故。随后10kV Ⅱ段母线上多条线路因弧光接地引起的过电压或高频电流震荡发生相间短路，开关跳闸，造成了较大的社会影响。因此有必要采取一定的措施以避免此类事故的再次发生。

4 改善措施及结论

在传统中性点不接地系统中，配置消弧线圈可以有效抑制电容电流，降低弧光接地发生的概率。然而，由于配网中电缆线路的增加，对消弧线圈的容量要求越来越大，一旦消弧线圈不能及时扩容更换，系统很可能处于欠补偿状态。一方面当系统发生故障时电容电流相应减小使系统处于有可能发生等补偿谐振的危险中。另一方面过大的补偿电流或谐振电流（包括压变铁磁谐振和系统等补偿谐振）可能导致接地变过负荷跳闸，使连接于接地变中性点的消弧线圈与系统隔离，从而使系统处于可能发生弧光接地过电压事故的威胁中。

针对这一问题，目前主要有两种方法：一是采用中性点小电阻接地方案替代消弧线圈接地方案；二是采用弧光接地过电压故障相金属接地抑制技术[5，6]。

中性点经小电阻接地系统是大电流接地系统，当发生单相接地时，可以利用配置的零序电流速断保护和零序过流保护，立即跳闸以切除故障线路。尽管在故障发生到开关跳闸的过渡时间内，仍有可能发生弧光接，但是通过中性点的电阻，可以把线路上的电荷几乎全部泄漏掉，从而有效消耗系统中电容存储的能量，降低电弧重燃的可能性，避免过电压的产生。

故障相金属接地抑制技术的主要原理即采用人为制造金属性接地的方法，使制造的金属性接地点与故障接地点发生接地分流作用，使故障点残流显著降低至接近于零，从而降低了电压恢复的初速度，延长了故障相电压恢复的时间，并限制了恢复电压的最大值，避免接地电弧的重燃，达到彻底消弧的目的，并可将非故障相对地电压稳定限制在较低的电压水平[6]。

虽然小电阻接地方案相较于小电阻接地方案有维持线路运行保障供电可靠性的优点，但也有未能切除接地故障，影响电压质量的缺点。

就目前形式而言，筆者所在的苏州地区在逐步推广小电阻接地方案的同时，消弧线圈与小电阻自动切换的混合接地装置已经投入试点运行，而在其他一些地方也有推广故障相金属接地抑制技术的试点，另外取代消弧线圈的综合了灭弧、调谐、滤波、接地选线等功能的新一代补偿装置也在研发和推广中。

参考文献

[1] 童奕宾，尤智文，李姝.小电阻接地系统间歇性弧光过电压分析[J].电力系统及其自动化学报，2012，24（3）：116-120.

[2] 张龙钦.现代配电网单相弧光接地过电压[M].北京：中国电力出版社，2017.

[3] 顾荣斌，蔡旭，陈海昆，等.非有效接地电网单相电弧接地故障的建模及仿真[J].电力系统自动化，2009，33（13）：63-67.

[4] 许晔，郭谋发，陈彬，等.配电网单相接地电弧建模及仿真分析研究[J].电力系统保护与控制，2015，43（7）：57-64.

[5] 卓乐友.电力工程电气设计手册[M].北京：中国电力出版社，1991.

[6] 陈博博，屈卫锋，杨宏宇，等.小电流接地系统单相接地综合电弧模型与选线方法的研究[J].电力系统保护与控制，2016，44（16）：1-7.