涂九州
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摘要：在10kV中性点不接地系统运行方式下，单相接地、间歇性接地、铁磁谐振和开断负载操作会引起过电压。由于线路过电压，使电力系统运行的电气设备绝缘受损，设备寿命缩短，甚至损坏电力设备，造成更恶劣的电网事故。因此，深入分析过电压对电力系统造成的危害，并采取各种措施对其进行预防，对于保障电力系统的安全稳定运行有着重要的意义。本文通过分析10kV线路单相接地、间歇性接地和铁磁谐振引起的过电压原因，对比分析了防止线路过电压的措施，研制过电压保护装置来防止电网过电压运行，通过试点应用，取得了良好的应用效果，有效避免了线路过电压导致的电气设备受损情况的发生。
关键词：10kV线路；接地过电压；保护措施
110kV线路过电压原因分析
在10kV中性点不接地系统运行方式下，单相接地、间歇性接地、铁磁谐振和开断负载操作会引起过电压。
1.1单相接地导致过电压
在三相中性点不接地系统中，10kV线路发生单相接地时，非故障相对地电压升高，导致过电压。
1.2间歇性接地导致过电压
在中性点不接地系统中，发生单相弧光接地时产生的间歇性的电弧，会产生电弧接地电压。接地电流每一次通过过零点时，电弧会有一个暂时性熄灭。当恢复电压超过其介质恢复强度时，又将再一次发生对地击穿。伴随着每次的再度击穿，都会引起电网中电磁能的强烈振荡，使非故障相、系统中性点甚至故障相产生过渡过程过电压。熄弧和重燃的过程是极度复杂的，间歇性接地时接地电弧不能自动熄灭，产生弧光过电压，其过电压值甚至能达到3～5倍相电压。
1.3谐振导致过电压
在交流电路中，当电感元件与电容元件串联且感抗等于容抗时，会发生谐振过电压，此时电容元件上会出现很高的过电压。基频谐振不超过3.2倍相电压，分频谐振不超过2.5倍相电压，高频谐振最大可达4～5倍相电压。
1.4运行操作导致过电压
电力系统因操作而使运行方式发生变动，导致系统内部电磁能量的振荡，相互转换和重新分布产生过电压，一般在投入或退出空载变压器、空载线路和并联电容器的情况下发生。通过对以上情况的分析，单相接地导致过电压和间歇性接地导致过电压发生的频率最高，解决接地过电压故障的问题，就能解决绝大部分线路过电压的问题。发生接地过电压故障时，不产生短路电流，且线电压仍是对称的。但是，发生直接接地时，非故障相对地电压升至线电压水平；发生非直接接地（含间歇接地）时，由于非故障相电压的升高，可能导致线路或电气设备的绝缘薄弱处发生对地击穿，从而造成事故扩大，如图1和图2所示。因此，设计和研制防止线路过电压保护装置对保障电网的稳定运行有着重要的意义。
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图2 相电压升高至线电压水平
2防止过电压方案分析
防止线路过电压的方案主要有加装消弧线圈、加装消谐装置和加装防止过电压保护装置等措施。
2.1加装消弧线圈
消弧线圈的作用是补偿电容电流，防止电弧重燃。但实际测量证明，消弧线圈不能补偿高频振荡电流，也不能够使流经故障点的电流完全补偿为零。在故障相对地电压恢复时，很容易再次击穿绝缘产生燃弧，因此不建议用消弧线圈作为防止线路过电压的措施。
2.2加装消谐装置
当发生间歇性接地故障时，消谐装置在中性点非直接接地系统中能快速将间歇性接地转化为金属性接地。由于故障相直接与接地网连接，对地电压等于零，工频电弧和高频电弧都将立即熄灭。金属性接地后，非故障相上的过电压立即稳定在1.73倍相电压的水平，系统中的设备可以在这个电压下运行1～2h，在此时间内需要完成故障查找和倒闸操作。但是消谐装置对故障相的判别难以做到100%，一旦判别错误将造成相间短路，引起更大的故障，因此不建议用消谐装置作为防止线路过电压的措施。
2.3加装防止过电压保护装置
当发生单相接地、间歇性接地故障导致过电压时，过电压保护装置识别接地线路和故障相别，根据设定参数可进行保护跳闸，以消除过电压隐患，保护电气设备安全。保护装置实时采集变电站被监测母线的零序电压、三相电压，通过三相电压与零序电压幅值和相位关系判断铁磁谐振，并给出铁磁谐振告警，通知运维人员尽快处理。通过消弧线圈、消谐装置和过电压保护装置对线路过电压的处置方案进行对比分析，当发生单相接地过电压、间歇性接地过电压和谐振过电压时，过电压保护装置都有较好的解决方案，并且无须加装或改动现有一次设备，因此建议加装防止过电压保护装置来处理线路过电压的情况。
3过电压保护装置原理
单相接地、间歇性接地故障导致过电压故障，其检测与保护之所以困难，其主要原因在于故障电流微弱及接地点电弧不稳定，而且故障点不稳定电弧，将使故障电压电流信号严重畸变。但是在故障初期，其暂态接地电流的特征是由暂态电容电流的特性所决定的，计算公式为
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对于放射形结构的电网而言，暂态零序电流与暂态零序电压首半波之间存在着固定的相位关系，在故障线路上二者极性相反，在非故障线路上二者极性相同。
3.1故障识别原理
对故障暂态信号进行分析，所有线路检测的阻抗均可以用集中参数电容来等效。采用以下方法来识别导致过电压的故障线路。
（1）暂态零序电流群体比较
故障线路零序电流幅值极性和非故障线路相反，零序电流和无功功率在故障线路中从线路流向母线，而非故障线路中从母线流向线路，如图3所示。
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图3 暂态零序电流群体比较
2）首半波暂态特征极性比较
比较零序电流与零序电压的极性关系，故障线路、零序电压与零序电流在暂态首半波呈反极性关系；而非故障线路、零序电压与零序电流在暂态首半波呈正极性关系，如图4所示。
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图4 故障线路零序电压与零序电流在暂态首半波呈反极性
3.2故障切除
通过暂态零序电流群体比较及零序电压与零序电流在暂态首半波的极性比较，能够有效识别出是哪一条线路发生接地故障或者间歇性接地故障，保护装置可以根据设定的参数进行动作。
1）间歇性故障，过电压值超过2倍相电压，立即对故障线路跳闸，以保障电气设备的安全运行。
2）接地故障导致过电压未超过2倍相电压，则输出告警信号，延时10s后，如果故障仍存在，则对线路进行跳闸。
3）谐振过电压，输出告警信号。
3.3保护装置设计
通过上述分析，过电压保护装置安装在变电站内，输入设计为：接入Ua、Ub和Uc三相电压及零序电压，接入变电站各出线的零序电流，零序电流通道至少20路。输出设计为：具备告警出口1路，具备20条线路的跳闸及合闸输出接口；具备以太网和RS485\RS232通信接口；具备联络开关状态采集接口。
结束语
通过分析10kV线路单相接地、间歇性接地和铁磁谐振引起的过电压原因，应用过电压保护装置，基于暂态零序电流群体比较法和故障线路零序电压与零序电流暂态首半波反极性法，能够正确检测出导致10kV配电网过电压故障线路。根据不同的故障特征实施相对应的跳闸或告警策略，防止配电网过电压运行。通过试点应用，取得了良好的应用效果，有效避免了线路过电压导致的电气设备受损情况的发生。
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