特殊接地故障及消弧线圈对弧光接地熄弧作用的分析

【摘要】　10～35kV中压配电网中性点接地方式选择是一项系统工程，特别是发生弧光接地故障时，中性点经消弧线圈是否可以进行有效的熄弧一直是一个焦点。通过对中性点经消弧线圈发生孤光接地过程分析，得到结果是只要恰当的控制三相对地不平衡，中性点经消弧线圈接地方式可以较好的控制弧光接地故障而不影响供电可靠性。研究小电流接地故障选线及监控系统记录的现场故障数据，分析间歇性弧光接地、不平衡电流接地、发展型接地以及环网接地故障的形成原因，还有故障的现象以及零序电压、电流的变化情况，就可说明小电流接地系统单相接地故障是一个复杂的，发展的，变化的过程，只有对此过程足够的重视才能提高选线的可靠性和准确率。

【关键词】　配电网 小电流接　地特殊故障 中性点接地方式　孤光接地　三相不平衡　消弧线圈

1　概述

配电系统中常见的中性点接地方式有三种：中性点不接地、中性点经消弧线圈接地和中性点经小电阻接地。当电网规模比较小的时候，配电网电容电流较小，一般选择中性点不接地方式。而现阶段城市配电网由于规模大，电容电流也较大(除少部分配电自动化程度较高的城市采用中性点经小电阻接地)，一般城市大都采用中性点经消弧线圈接地方式。对于中性点经消弧线圈接地方式的研究分析中大都是以永久性接地故障为主体，对于弧光接地故障如何控制阐述不多。中性点经消弧线圈接地对于弧光接地故障电弧的熄灭及系统过电压控制在三相对地不平衡时存在严重的不足。

小电流系统接地故障类型较多，主要可分为稳定性和非稳定性接地故障。稳定性接地故障包括金属性接地、低电阻接地等。非稳定性接地故障包括瞬时性的电弧接地、间歇性电弧接地以及发展型接地等。造成接地故障的原因很多，如线路结构性能问题、雷电闪络、避雷器瞬时击穿和导线上搭有树枝等。特殊接地故障不仅会使稳态信息选线的准确率降低，也会使暂态信息选线受到一定的影响。

稳定性接地故障在配电网中的发生比较频繁。由于其故障过程较为稳定，稳态信息的选线方法(注入法、中电阻法)和暂态信息的选线方法(行波法、暂态法)均能做出较为准确检测和判断。但也有很多特殊的故障，如间歇性弧光接地、存在不平衡电流时的接地、发展性接地以及环网接地等故障，由于故障过程很不稳定，使故障产生的稳态零序电流不满足稳态故障判据，即：故障线路工频及暂态零序电流的幅值最大且与所有健全线路极性相反，因此稳态信息选线方法受到了一定的限制，而暂态信息的选线方法具有很大的应用空间。

2　接地故障类型

2.1　间歇性弧光接地故障

在配电网络中，线路的绝缘薄弱点间歇性的对地闪络以及由于某种特殊原因(例如树枝搭在导线上等)引起线路对地电弧的间歇性重燃与熄灭，都可能造成间歇性弧光接地故障。此时会引起系统暂态过电压。健全相和故障相的最大过电压分别可达线电压的3，5倍和2倍。故障时由于过电压聚集的热量会导致绝缘薄弱点击穿故障，最终发展成为永久性单相接地故障甚至相间短路故障。在间歇性弧光接地故障中，稳态信息选线方法的效果不够很理想。但故障产生的暂态零序电流分量不仅满足暂态故障特性判据，而且幅值大于工频稳态零序电流的幅值，因此利用暂态信息检测此类故障会具有更高的可靠性和灵敏度。

2.2　存在不平衡电流的接地故障

系统中的不平衡电流可能是在一条或多条出线环网供电情况下，由于线路的性能差异或其他因素造成。系统中不平衡电流的存在会造成信号采集通道的CT饱和。CT饱和会使采集信号在传递过程失真，对现有选线可靠性造成严重的影响。

2.3　发展型接地故障

在高阻接地故障中，由于故障零序电流很小，故障过程不明显，因此故障很难检测，但对于故障点绝缘击穿而形成的间歇性电弧接地、低阻接地、金属性接地等发展性故障，这时暂态零序电流较大，过程很明显。故此类故障是能够被检测出来的。在发生单相弧光接地故障时，弧光有可能会使健全相产生几倍于线电压的过电压，从而引起健全相线路绝缘薄弱点的绝缘击穿，使故障发展成为单相永久性接地故障甚至两相接地或两相接地并短路故障。

在发展型故障中，电弧的存在使故障过程变的很不稳定，甚至很复杂。使现有算法选线的效果不理想。但在此类故障中具有较为丰富的暂态信息，暂态分量提供的暂态信息的选线方法在解决这类故障中发挥重要作用。

(1)高阻接地发展为易被检测的间歇性电弧接地故障最终发展成为永久性单相接地故障。

(2)单相接地发展为两相接地故障

如某线在发生间歇性弧光接地故障，并发展成为永久性故障，在故障恢复期间穿插另一条线路接地故障，两条线路两相接地但由于接地时刻不同，没有形成相间短路故障。

(3)单相接地发展为两线两相接地并短路故障

如某线先发生弧光接地，期间另一条线路发生绝缘击穿接地故障，最终形成两线两相接地并短路故障。

2.4　环网接地故障

在环网供电情况下，如果环线发生单相接地故障，则和它一起环网供电的一条或几条出线路，一般情况具有相同的故障特性，即故障线路零序电流与所有健全线路的零序电流极性相反。但在某些特殊情况下(比如故障点离母线很近)则不具有相同的故障特性。

2.5　故障数据统计分析

某供电局在2004年9月到2008年2月所统计的多所变电站的1826组故障数据中，稳定性接地故障发生了1174次，占所统计接地故障次数(TG)的62.7％。具有故障过程相对稳定、故障产生的稳态信息和暂态信息均满足各自的故障判据等特点，注入信号寻迹法、中电阻法及行波法、暂态法等选线方法均能准确检测和判断故障线路。特殊接地故障发生632次，TG为37.3％。其中间歇性弧光接地故障126次，TG为6.98％，存在不平衡电流的接地故障101次，TG为5.59％，高阻接地发展间歇性电弧接地99次，TG为5.49％，单相接地发展为两相不同时接地故障106次，TG为5.88％，单相接地发展为两相接地并短路故障106次，TG为5.88％，环网单相接地故障114次，TG为6.38％。

在此类故障过程中，由于故障电流微弱、电弧不稳定以及故障点位置变动等原因，造成故障过程很复杂，使稳态和暂态信息的选线方法受到一定的影响。

3　谐振接地系统弧光接地故障过电压分析

3.1　弧光接地的电弧模型

通常有四种分别如下：

(1)高频熄弧理论，假定故障相在工频电压最大值发生绝缘击穿，忽略弧道电阻，近似为金属接地，且故障点的接地电弧在暂态高频振荡电流通过第一个零点时熄灭。此后每经过0.5个工频周期，接地电弧重燃一次。

(2)工频熄弧理论是假定故障相在工频电压最大值时发生绝缘击穿，接地电弧在工频电流过零时熄灭。此 后每个工频周期重燃一次。

(3)介质恢复理论是不论是高频电流过零还是工频电流过零，只要满足由回路电感和电流陡度所决定的熄弧峰压小于弧道介质的恢复强度，接地电弧便不会发生重燃。

(4)总电流过零熄弧理论是根据通过接地故障点的总电流(不是高频或工频)，过零熄弧和故障点恢复电压达到极大值时重燃而建立的。

显然，上述电弧模型都具有两个过程：电弧导通与电弧熄灭。

3.2　弧光接地故障的系统等值电路

配电系统发生金属性接地故障时，一般可分为弧光接地故障的电弧导通的阶段，和电弧处于熄灭阶段，若三相对地电容平衡，且电弧熄灭瞬间通过消弧线圈电流不变。实际电网中却存在着三相不平衡，有的配电网可能三相对地电容不平衡度还相当大，若三相对地电容不平衡，配电网正常运行及电弧断开阶段，中性点存在不对称电压U00；如果要进行三相对地平衡的过电压研究，可以设定为U00为0，因此，对弧光接地电弧熄灭阶段进行全面分析。

3.3　电弧影响因素及分析

消弧线圈的感性电流在电弧熄灭后继续输出，相当于系统中的接地电容与消弧线圈电感组成一个串联谐振电路，显然这不是一个零输入响应，所以从电弧熄灭时刻到下一次可能的电弧导通时刻，系统中性点电压可能迅速升高，引起同样故障相电压升高过快，使电弧重燃的可能性提高。这是由于三相对地电容不平衡引起的中性点不对称电压的存在，导致从电弧过零熄灭时刻到可能的下一次电弧重燃时刻内，系统的三相对地电容与消弧线圈电感发生串联谐振，从而导致中性点电压升高过快，所以故障相恢复电压速度相应更加过快，导致故障点电弧重燃。电弧的重燃一熄灭一重燃循环过程导致系统中性点电压不断升高，引起配电系统非常高的过电压，最终影响用户的供电可靠性。

3.4　对地电容平衡单相弧光接地故障

若系统三相对地电容平衡，采用高频熄弧模型建立故障模型，即一个工频周期内，电弧重燃两次。由于系统三相对地电容平衡，则在弧光接地过程中消弧线圈电感与三相对地电容组成并联补偿回路；若电弧熄灭，由于U00可以近似为零，所以中性点过电压较小，故障相电压恢复速度慢，所以电弧重然的可能性大大减小。

3.5　故障点的残流，中性点电压及系统电压

在消弧线圈投入两个周波后，故障点的残流减小明显，一些电弧由于过小而没有显现出来；故障相电压在弧光接地故障发生的整个过程中均小于千伏，这一数值一般小于介质的恢复强度，即电弧不会发生重燃，实际电网中的弧光接地故障在消弧线圈补偿作用下已消失。系统在发生弧光接地故障过程中没有产生较高的过电压。计算过程中设定电弧在故障相电压达到最大值是导通，而实际上由于故障电压小于介质的恢复强度，所以弧光接地故障相当于已得到有效控制，电弧已经熄灭。

3.6　故障相电压

在配电网三相对地电容平衡的情况下，中性点经预调式消弧线圈接地可以有效的控制弧光接地过电压。

3.7　对地电容不平衡单相弧光接地故障

配电网三相对地电容不平衡用不对称度来表示，为了研究三相对地电容不平衡对预调式消弧线圈接地系统的影响。即在系统对地电容不平衡的状况下，消弧线圈没有起到熄灭电弧、抑制弧光过电压的作用。当然在0.1s以前弧光接地过程中，故障点残流小，且中性点电压、系统电压都符合要求，不过这个阶段相对于弧光接地故障整个时间段而言存在的时间短，在这样一个临界点，希望消弧线圈可以有效降低故障点残流从而熄灭电弧有困难。

总之三相对地不平衡状况下，利用预调式消弧线圈补偿方式控制弧光接地故障效果并不理想。

高频熄弧理论说明如果三相对地电容不平衡度低于1％，电弧较容易熄灭，系统过电压相对较小。在工频熄弧理论，不论三相对地电容是否平衡，配电系统比采用高频熄弧理论的系统更容易熄弧，系统过电压也比高频熄弧理论的系统过电压低。

4　结论及建议

在小电流接地系统中，接地故障受到系统结构、天气状况、导线性能、PT、CT异常等许多复杂因素的影响，使其过程变的更为复杂。虽然特殊故障发生的概率次数相对较小，但是如果不能很好的解决这类故障的选线可靠性的问题，那么整体选线的可靠性很难得到较大的提高。因此只有对复杂故障过程提高重视和深入研究，才能改善选线的准确率和可靠性。

中性点经消弧线圈接地系统发生弧光接地故障时，在电弧熄灭的阶段，由于三相对地电容不平衡导致中性点电压及故障相电压升高过快，使得电弧重燃引起故障点产生更大的电弧电流及更严重的系统过电压。所以在配电网设计和实际运行过程中应该注意以下二点：

(1)配电网弧光接地故障时，应分析电弧熄灭过程对系统的影响；

(2)只要恰当控制三相对地电容不平衡度，中性点经消弧线圈接地系统可以很好的起到熄灭电弧的作用。

5　参考文献

[1]薛永端，基于暂态特征信息的配电网单相接地故障检测研究[D]，西安交通大学。

[2]刘明岩，配电网中性点接地方式的选择(J)电网技术。