云南驰宏锌锗股份有限公司 云南会泽 654200
摘要：我国6～35KV（含66KV）的电网大多采用中性点不接地的运行方式。此类运行方式的电网在发生单相接地时，故障相对地电压降为零，非故障相的对地电压将升高到线电压（UL），但系统的线电压维持不变。因此国家标准规定这类电网在发生单相接地故障后允许短时间（2小时）带故障运行，所以大大提高了该类电网的供电的可靠性。线路检修，事先不向调度部门申请办理停电手续，随意带负荷拉开分支线路隔离刀闸或带负荷拉开配电变压器的高压跌落开关，造成刀闸间弧光短路而引发谐振。
关键词：消弧；消谐波；过电压保护
Application of arc Extinction Harmonic extinction and Over Voltage Protection Device in Power Supply System
XU Wen Kai，LUO Xiao Bing，LU Wei
（Yunnan Chihong Zinc and Germanium Co.，Ltd.，Huize 654200，China）
Abstract：In China，most power grids of 6 ~ 35KV（including 66KV）adopt neutral point ungrounded operation mode. In the case of single-phase grounding of a power network in this mode of operation，the fault voltage drop is zero relative to the ground，and the ground voltage of the non-fault phase will rise to the line voltage（UL），but the line voltage of the system remains unchanged. Therefore，national standards stipulate that this kind of power grid can operate with fault for a short time（2 hours）after the occurrence of single-phase ground fault，so the reliability of power supply of this kind of power grid is greatly improved. For line maintenance，do not apply to the dispatching department for blackout procedures in advance，and open the branch line isolation switch with load or open the high-voltage drop switch of distribution transformer with load at will，resulting in short circuit of arc between the tool switch and resonance.
Key words：Arc suppression；Harmonic elimination；overvoltage protection
前言
现有的运行规程规定：“中性点非有效接地系统发生单相接地故障后，允许运行两小时”，但规程未对“单相接地故障”的概念加以明确界定。如果单相接地故障为金属性接地，则故障相的电压降为零，其余两健全相对地电压升高至线电压，这类电网的电气设备在正常情况下都应能承受这种过电压而不损坏。但是，如果单相接地故障为弧光接地，则会在系统中产生最高值达3.5倍相电压的过电压，这样高的过电压如果数小时作用于电网，势必会造成电气设备内绝缘的积累性损伤，如果在健全相的绝缘薄弱环节造成绝缘对地击穿，将会引发成相间短路的重大事故。
1.相接地电容电流的危害
中性点不接地的高压电网中，单相接地电容电流的危害主要体现在以下四个方面：
1.1弧光接地过电压的危害
当电容电流一旦过大，接地点电弧不能自行熄灭。当出现间歇性电弧接地时，产生弧光接地过电压，这种过电压可达相电压的3~5倍或更高，它遍布于整个电网中，并且持续时间长，可达几个小时，它不仅击穿电网中的绝缘薄弱环节，而且对整个电网绝缘都有很大的危害。以下示图为我项目在供电过程中发生的故障：（由于电缆头的制作不符合规范导致电缆头被击穿，发生的单相接地所引起的弧光接地）
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图1 消弧消谐柜保险已被顶开
1.2接地点热破坏及接地网电压升高
单相接地电容电流过大，使接地点热效应增大，对电缆等设备造成热破坏，该电流流入大地后由于接地电阻的原因，使整个接地网电压升高，危害人身安全。
1.3交流杂散电流危害
电容电流流入大地后，在大地中形成杂散电流，该电流可能产生火花，引燃瓦斯爆炸等，可能造成雷管先期放炮，并且腐蚀水管、气管等。接地电弧还会引起瓦斯煤尘爆炸。
2.消弧线圈的作用
电网安装消弧线圈后，发生单相接地时消弧线圈产生电感电流，该电感电流补偿因单相接地而形成的电容电流，使得接地电流减小，同时使得故障相恢复电压速度减小，治理电容电流过大所造成的危害。同时由于消弧线圈的嵌位作用，它可以有效的防止铁磁谐振过电压的发生概率。
3.消弧线圈接地方式存在的问题
3.1单相接地故障
单相接地故障时，非故障相对地电压升高到3 相电压以上，持续时间长、波及全系统设备，可能引起第二点绝缘击穿，引起事故扩大事故。消弧线圈不能补偿谐波电流，有些城市电网谐波电流占的比例达5%-15%，仅谐波电流就可能远大于10A，仍然可能发生弧光接地过电压。
对于电容电流很大的配电网，如果通过补偿要使单相接地故障电流Ijd <10A，就必须使系统保持较小的脱谐度，系统的脱谐度过小，对由于三相电容不对称引起的中性点位移电压会产生较强的放大作用，使中性点电压偏移超过规程允许值（<15%Un），保护将发出接地故障信号。另外脱谐度太小，系统运行在接近谐振补偿状态，将给系统运行带来极大的潜在危险（谐振过电压）；要保证中性点位移电压不超过规程允许值，就要增大脱谐度，然而，脱谐度过大，将导致残余接地电流太大（Ijd >10A），又可能引起间歇性弧光接地过电压。很难保证既使残余接地电流Ijd <10A，又保证中性点位移电压不超过规程允许值这两个相互制约的条件。消弧线圈的调节范围受到调节容量限制，调节容量与额定之比一般为1/2，如按终期要求选择，工程初期系统电容电流小，消弧线圈的最小补偿电流偏大，可能投不上；如按工程初期的要求选择，工程终期系统电容电流大，消弧线圈的最大补偿电流又偏小，也不能满足合理补偿的要求。在运行中，消弧线圈各分接头的标称电流和实际电流会出现较大误差，运行中就发生过由于实际电流与名牌电流误差较大而导致谐振的现象。由于系统的运行方式及系统电压经常变化，系统的电容电流经常变化，跟踪补偿困难。目前的自动跟踪补偿装置呈百花齐放的景象，实际运行考验时间较短，运行情况还不理想。而且价格高、结构复杂、维护量大，不适应无人值班变电站的要求。
由于上述原因，中性点经消弧线圈接地仅能降低弧光接地过电压的概率，不能消除弧光接地过电压，也不能降低弧光接地过电压的幅值，弧光过电压倍数也很高。
3.2单相接地故障的查找
寻找单相接地故障线路困难，目前许多小电流接地选线方法的选线成功率还不理想，往往还要采用试拉法。采用试拉法时，既造成非故障线路短时停电，又会引起操作过电压。系统谐振过电压高，谐振过电压持续时间长并波及全系统设备，常造成PT烧坏、或PT熔断器熔断。武高所和广州供电局在区庄变电站试验中测得1/2分频谐振过电压达2PU，测得由合闸操作激发的3次高频谐振过电压达4PU，测得A相导线断线并接地于负荷侧时，谐振过电压值为3.8PU。电缆排管或电缆隧道内的电缆发生单相接地时，不及时断开故障线路，可能引起火灾，上海某35KV系统电缆就发生过单相接地一小时后引起火灾，烧毁电缆隧道中40多条电缆的重大事故。寻找故障线路时间较长，在带接地故障运行期间，容易引起人身触电事故。单相接地时，非故障相电压升高至线电压或更高，在不能及时检出故障点的情况下，无间隙金属氧化物（MOA）避雷器长时间在线电压下运行，容易损坏甚至爆炸。弧光接地过电压、谐振过电压幅值高、持续时间长，MOA由于动作负载问题，一般不要求WGMOA系统内过电压，不能有效利用MOA的优良特性，不利于MOA在配电网的推广使用。
4.以电缆线路为主的配电网的特点
a．单位长度的电缆线路的电容电流比架空线路电容电流大10几倍，以电缆为主的城市电网对地电容电流很大。
b．电缆线路受外界环境条件（雷电、外力、树木、大风等）影响小，瞬时接地故障很少，接地故障一般都是永久性故障。
c．电缆线路发生接地故障时，接地电弧为封闭性电弧，电弧不易自行熄灭，如不及时跳闸，很容易造成相间短路，扩大事故。
d．电缆为弱绝缘设备。例如，10kV交联聚乙稀电缆的一分钟工频耐压为28KV，而一般10kV 配电设备的绝缘水平为42kV。在消弧线圈接地系统中，由于查找故障点时间较长，电缆长时间承受工频或暂态过电压作用，易发展成相间故障，造成一线或多线跳闸。
e．在电缆线路中，高频振荡电流幅值大衰减慢，高频振荡电流远大于工频电流，在工频电流过零时高频振荡电流仍然有很大的幅值，维持弧光燃烧取决于高频振荡电流衰减的快慢和工频电流，消弧线圈不能补偿高频振荡电流，又由于在电缆线路中消弧线圈补偿后的残流大，消弧线圈在电缆线路中不能消弧。
5.PT谐振
PT谐振对于电磁式PT，在正常情况下线路发生单相接地不会出现铁磁谐振过电压，但在下列条件下，就可能引发铁磁谐振。
（1）对于中性点不接地系统，当系统发生单相接地时，故障点流过电容电流，未接地的两相相电压升高3倍。但是，一旦接地故障点消除，非接地相在接地故障期间已充的线电压电荷只能通过PT高压线圈经其自身的接地点流入大地，在这一瞬间电压突变过程中，PT高压线圈的非接地两相的励磁电流就要突然增大，甚至饱和，由此构成相间串联谐振。
（2）系统发生铁磁谐振。近年来，由于配电线路用户PT、电子控制电焊机、调速电机等数量的增加，使得10kV配电系统的电气参数发生了很大的变化，导致谐振的频繁出现。在系统谐振时，PT将产生过电压使电流激增，此时除了造成一次侧熔断器熔断外，还将导致PT烧毁。个别情况下，还会引起避雷器、变压器、断路器的套管发生闪络或爆炸。
（3）线路检修，事先不向调度部门申请办理停电手续，随意带负荷拉开分支线路隔离刀闸或带负荷拉开配电变压器的高压跌落开关，造成刀闸间弧光短路而引发谐振。
（4）当配电变压器内部发生单相接地故障时，故障电流将通过抗电能力强的绝缘油对地放电，也会产生不稳定的电弧激发电网谐振。
（5）运行人员送电操作程序不对，未拉开PT高压侧刀闸就直接带PT向空母线送电，引起PT铁磁谐振。
6.新型的消弧消谐及过电压保护装置
6.1装置原理
（1）如果接地是稳定的金属性接地、稳定性电阻接地或TV断线故障，微机控制器发出指示和告警信号，等待值班人员或微机选线装置处理。
（2）如果接地故障是不稳定的间歇性弧光接地，则微机控制器判断接地的相别，同时发出指令使故障相的真空接触器闭合，投入高能限压器，限制故障相的弧道恢复电压，吸收接地引起的电磁能量，减缓系统振荡，使弧道的介质恢复抗电强度Ujf大于弧道恢复电压Uhf。使恢复电压无法再次击穿故障点，从而完成消弧。数秒后，令故障相的高压真空接触器断开，如果是短暂的弧光接地，系统恢复正常运行；如果接地故障时稳定的弧光接地，控制器令故障相和接地的高压真空接触器KD同时闭合，使系统由稳定的弧光接地故障快速转变成稳定的金属性接地，装置认定此故障为永久性电弧接地故障，等待值班人员或微机选线装置处理。
如果系统发生的谐振是分频谐振，微机控制器瞬间短接PT的开口三角绕组，破坏谐振参数，消除谐振。如果系统发生的谐振是工频或高频谐振，微机控制器在PT的开口三角绕组接入大功率消谐电阻进行消谐。
6.2装置的优点
在中性点非有效接地电网中安装此装置后，可防止电气设备的绝缘故障，并有如下优点：
（1）能将各类过电压限制到较低的电压水平，使因过电压引起的绝缘事故大为减少。
（2）其消弧和限制过电压的机理与电网的电容电流大小无关，因而其保护性能不受电网运行方式的改变和电网扩大的影响。
（3）可有效防止电气设备的内绝缘因过电压的多次或长时间作用出现累积性效应而降低。
（4）在3-35KV电力系统中，用电设备一般都是旋转电机居多，如果不分稳定弧光接地故障和短暂接地故障而直接令接触器单相直接接地变为金属性接地会引起保护差动跳闸，这样会造成停机，不利于生产。SXH装置能区分出短暂的弧光接地故障和长期稳定的弧光接地故障，避免了不必要的麻烦。
参考文献：
[1]《工厂供电》。刘介才编。机械工业出版社出版。
[2]《维修电工问答》。高玉奎主编。机械工业出版社。
[3]《电工作业》。职业安全技术培训中心。中国三陕出版社。