配电网弧光接地过电压及抑制措施研究

海彬，曾泽宇，李超，刘伟

(1.长沙市昌远电气科技有限公司，湖南 长沙 410014；2.国网湖南省电力有限公司电力科学研究院，湖南 长沙 410007)

0 引言

随着经济发展，城市电缆线路数量和长度逐年增加，配电网发生单相接地引发弧光风险也相应增大[1]，70%的电气火灾是故障电弧引起的[2]。配网中性点不接地系统发生单相接地故障，且当故障点电流不足以维持电弧的稳定燃烧时，会形成时断时续的间歇性电弧，系统电感电容回路发生振荡，产生弧光接地过电压，对系统稳定运行产生不利影响[3-4]。

弧光接地过电压对电力系统的稳定运行有着重要的影响。实际弧光接地过电压只能在电力系统发生故障时测得，而通过采用仿真手段模拟过电压，不仅能得到过电压的模拟结果，而且操作简单，不会对电力系统的运行造成任何影响，因此受到了很多学者的关注。

本文在ATP-EMTP平台上搭建10 kV配电网弧光接地过电压仿真模型，分析特定工况下弧光接地过电压的幅值特性。针对弧光接地过电压的特性，提出中性点经消弧线圈接地、中性点经电阻接地、故障相投接地电阻三种抑制弧光接地过电压的方法，并比较三种抑制方法的优劣。

1 仿真模型的建立及参数选取

基于ATP-EMTP平台搭建仿真模型如图1所示，电路图主要包括系统三相电源模块、变压器模块、对地电容模块、弧光接地模块。为简化模型，仅考虑一条出线在空载运行时发生单相接地故障的情况，且单相接地故障发生在短路相相电压取最大值时。利用ATP-EMTP软件对弧光接地过电压模型进行仿真研究，以电弧的多次燃熄为激发条件，对弧光接地过电压的特点有初步的认识，为提出弧光接地过电压的抑制措施打下基础[9-10]。

图1 10 kV中性点非有效接地系统仿真模型

下面分别介绍各个模块的作用原理及参数设置。

1)电源模块:仿真模拟的是10 kV配电线路，电压源幅值设置为110 kV、频率为50 Hz，三相电源相位相差120°。

2)变压器模块:变压器选择BCTRAN模型[11]，接线为Y/Y接线，额定变比为110/10，空载电流(I0)百分比为0.49%，短路电压(Uk)百分比为12.79%，空载损耗P0为38.3 kW，短路损耗Pk为137.3 kW[12]。

3)对地电容模块:每相导线对地电容设置为0.5μF，忽略其他参数对仿真模型的影响。

4)弧光接地模块:弧光接地的接地电阻是动态电阻，经典的电弧模型有Cassie模型和Mayr模型[13]。本仿真的目的是研究过电压理论幅值、频率、图谱特性，而不是对接地电阻进行细致地研究，从简化模型的角度出发，假定接地电阻为定值，并取值为1Ω[14]。

仿真使用三个不同开闭时间的开关模拟弧光接地过程中的三次重燃和三次熄灭的过程。仿真模拟的是A相线路发生单相接地故障，在A相相电压达到最大值时产生接地电弧，这种情况是过电压最严重的情况。经计算，设置第一个开关的闭合时间为0.028 37 s，此时A相相电压达到最大值。半个工频周期后，工频电流过零时认为电弧电流过零，此时认为电弧熄灭，所以第一个开关的断开时间设置为0.038 37 s。同理，第二个开关的闭合和断开时间分别为0.048 37 s、0.058 37 s，第三个开关的闭合和断开时间分别为0.068 37 s和0.078 37 s[15]。

2 仿真结果分析

仿真模拟10 kV系统一条出线空载运行时发生单相接地故障的情况，系统经历了三次电弧的建立与熄灭。图2—6为电压波形图，其中图2为三相电压波形，为了方便观察，图3到图5分别给出A、B、C三相的电压波形，图6为中性点的电压波形图，能够观察中性点处的电压偏移。

图2 ABC三相的电压波形

图3 A相电压波形

图4 B相电压波形

图5 C相电压波形

图6 中性点处电压波形

理论上，发生单相接地故障前，系统三相电压分别为uA=Em，uB=-0.5Em，uC=-0.5Em，发生单相接地故障的瞬间，A相电压突降为0。由于电源电感向非故障相(B相、C相)的电容进行充电，非故障相的对地电压将由初始的-0.5Em振荡变化变为新的稳态电压瞬时值-1.5Em。因此，B、C两相出现幅值为-2.5Em的过电压。在故障点熄弧瞬间，三相电压分别为uA=0、uB=1.5Em、uC=1.5Em。某10 kV出线A相非金属接地短路事故中，在电弧熄孤瞬间B、C相录波电压为正常电压的约1.7倍，与本文分析接近[16]。熄弧后B、C相上储存的电荷在三相导线对地电容间平均分配，导致三相导线对地有一个偏移电压Em。熄弧不会引起过渡过程，半个周期后uA达到2Em时电弧重燃，产生电弧前瞬间非故障相的对地电压均为0.5Em，燃弧后瞬间非故障相对A相的线电压均为-1.5Em，因此，振荡过程中非故障相的过电压幅值均为-3.5Em。燃弧后瞬间三相电压分别为uA=0、uB=-3.5Em、uC=-3.5Em，后续每隔半个工频周期的熄弧与重燃均与以上分析相同。可以看出，中性点不接地系统发生间歇性电弧接地时，非故障相最大过电压为3.5Em，而故障相上的最大过电压为2Em。某10kV出线因雷击引起B相瓷瓶接地，导致A、C相电压升高，随后因谐振作用非故障相电压最高达到3.5倍相电压，最终造成母线故障。这与本文仿真计算结果一致[17]。

实际仿真中，燃弧瞬间A相电压为10 kV，B、C相电压均为-5 kV。发生单相弧光接地第一次燃弧后，A相电压uA=0 kV，B、C两相出现振荡，uB=-24 kV，uC=-25 kV，过电压的幅值为-2.5Em，与理论分析相符。熄弧瞬间，A相电压为0 kV，B、C相电压均为15 kV，熄弧后三相均出现10 kV的电压偏移。第二次重燃时，A相电压由22 kV突变为0 kV，B相电压由6 kV突变为-36 kV，C相电压由6.6 kV突变为-37.2 kV，这与理论分析中B、C两相从0.5Em突变至-3.5Em结论一致。第三次重燃与第二次重燃的数据基本一致。仿真结果表明，发生弧光接地时，非故障相的最大过电压为37 kV左右，故障相的最大过电压为22 kV，而理论推得非故障相最大过电压为3.5Em，故障相上的最大过电压为2Em，仿真实验结果与理论分析吻合度高。

3 弧光接地过电压抑制措施分析

为降低弧光接地过电压对绝缘的威胁，必须消除不稳定的间歇性电弧。在中性点非有效接地系统中，抑制弧光接地过电压的措施主要有三种:中性点经消弧线圈接地、中性点经电阻接地和故障相投接地电阻。现通过ATP-EMTP软件分别探究其抑制效果。

3.1 中性点经消弧线圈接地

消弧线圈是一个接在中性点与地之间的不易饱和的可调电感线圈，在国内应用较为广泛。当三相线路的某一相发生接地故障时，可通过调节消弧线圈的电感值L，显著减小接地点处的电流，使接地电弧熄灭。该方式还降低了电弧间隙的恢复电压上升速度，使电弧不易重燃，进而限制间歇性电弧接地过电压。

现假设三相线路中A相线路发生对地短路故障，中性点经消弧线圈L接地后，接地故障点流过的电容电流IC如式(1):

式中，ω为三相线路的电压频率；C0为A、B、C相中任意一相的等效对地电容；EA为A相电源的相电压。

流过故障点的电流I如式(2):

式中，I L为与电容性电流相位相反的流过消弧线圈的电感性电流；L为消弧线圈的电感。

当消弧线圈的电感值满足L=1/3ω2C0时，流过故障点的电流将为零，此时对应其全补偿的工作状态。然而，工程上常采用过补偿而不是全补偿工作方式。进一步分析其原因，对中性点N列节点电压方程如式(3):

式中，Y1、Y2、Y3分别为A、B、C三相线路各自的对地导纳；YL为中性点经消弧线圈接地后对地的导纳；EA、EB、EC分别为A、B、C三相线路各自的相电压；UN为中性点对地电势。

若不考虑损耗，则有:

式中，CA、CB、CC分别为A、B、C三相线路各自的对地电容。

将式(4)带入式(3)中可得到式(5):

当消弧线圈采用全补偿工作方式时，式(5)的分母接近于零，中性点处的电压UN将显著增大，威胁系统的运行安全。行业标准规定，在正常运行情况下，中性点的长时间电压位移不应超过系统标称相电压的15%。因此，通过计算，在仿真软件中将电感设置为28 mH，中性点经消弧线圈接地的仿真模型及三相波形如图7、图8所示。

图7 中性点经消弧线圈接地仿真模型

图8 中线点经消弧线圈接地ABC三相电压波形

图8所示的仿真结果表明，中性点经消弧线圈接地后，非故障相的最大过电压为-23.4 kV，故障相的最大过电压为3.6 kV，与中性点未经电阻接地时相比分别降低了37%和84%。由此可见，中性点经消弧线圈接地可显著降低弧光接地过电压。

3.2 中性点经电阻接地

中性点经电阻接地方式是在中性点与大地之间接入一定阻值的电阻。接地电阻与系统对地电容构成并联回路，作为耗能元件、电容电荷释放元件和谐振的阻压元件，在防止弧光接地过电压和谐振过电压方面具有一定优势。目前，工程上普遍采用在接地变压器二次侧接小电阻的方法实现该接地方式。

现假设三相线路中A相线路发生对地短路故障，对中性点d列节点电压方程如式(6):

利用戴维南等效电路推导出电弧电压如式(7):

根据上述分析，电荷的不断积累是产生弧光接地过电压的根本原因，而接地电阻相当于并联在电网对地电容上的旁路电阻，使得电网对地电容上的残余电荷经过放电回路消耗掉，从而有效降低了弧光接地过电压。同时，接地电阻降低了故障相恢复电压的上升速度，进而降低电弧重燃的可能性。

中性点经电阻接地与消弧线圈接地相比，接地电弧由于电流相位的改变而更易自熄。此外，接地电阻通过吸收谐振能量从根本上抑制了系统谐振过电压，进一步促使接地电弧自熄。最后，该接地方式还方便配置单相接地故障保护，可以在短时间内选择性切除接地故障线路。

在仿真软件中将接地电阻设置为1 kΩ，中性点带电阻接地的仿真模型及三相电压波形如图9和图10所示。

图9 中性点经电阻接地仿真模型

图10 中线点经电阻接地ABC三相电压波形

图10所示的仿真结果表明，中性点经电阻接地后，非故障相的最大过电压为-25 kV，故障相的最大过电压为10 kV，与中性点未经电阻接地时相比分别降低了33%和55%。由此可见，中性点经电阻接地可有效限制弧光接地过电压。理论上，电阻值越小，抑制弧光接地过电压的效果越好。然而，对于中性点经小阻抗接地系统，一旦发生单相接地故障，接地点将有极大的短路电流流过，大电流将使断路器跳闸以彻底消除弧光接地过电压。此情况将导致检修维护的操作次数增多，影响供电的连续性。某工业10 kV电网验证了中性点经电阻接地方法对抑制过电压的有效性[18]。

3.3 故障相投接地电阻

当三相电力线路发生单相接地短路故障时，电能在电网中重新分配而导致振荡，这是弧光接地过电压产生的本质。因此，可在故障相投入电阻以消耗能量，从而抑制弧光接地过电压。故障相电阻的投入原则是，先利用选相装置找出故障相，然后选择相匹配的电阻。以A相投入1 kΩ电阻的情况进行仿真，仿真模型和三相电压波形分别如图11和图12所示。

图11 故障相投接地电阻仿真模型

图12所示的仿真结果表明，故障相投接地电阻后，非故障相的最大过电压为-18.5 kV，故障相的最大过电压为4.2 kV，与未投入接地电阻时相比分别降低了50%和81%。由此可见，故障相投接地电阻可显著降低弧光接地过电压。需要注意的是，故障相投接地电阻一定程度上会影响系统的电压分配。为此，还需配备选相控制装置、电阻选择控制等设备，确保故障发生时先选出故障相，再进行相应的电阻投切动作。

图12 故障相投接地电阻ABC三相电压波形

4 结语

本文搭建了10 kV配电网发生单相弧光接地的模型，提出了三种抑制配电网弧光接地过电压的措施:中性点经消弧线圈接地、中性点经电阻接地、故障相投接地电阻。仿真结果表明:三相电压波形真实地反映了过电压的发展过程，与理论吻合较好；三种措施均可有效地抑制配电网弧光接地过电压。其中，中性点经消弧线圈接地的抑制效果最好，其故障相的最大过电压与中性点未经电阻接地时相比降低了84%，且该方式不需要投入其他设备。本文的研究结果为广大地区的配电网提供了限制弧光接地过电压的有效措施，具有一定的工程价值。