探究供电系统中新型消弧及过电压保护装置的应用

探究供电系统中新型消弧及过电压保护装置的应用

马珍珍

（国网宁夏电力公司吴忠供电公司宁夏吴忠751100）

摘要：单相弧接地过电压会损坏电气设备，造成短路事故，危害性极大。本文主要分析了中性点不接地系统间歇性弧光接地的产生及其危害，以及现行消弧及选线装置在实际应用中存在的不足，提出了应用新型消弧装置解决间歇性弧光过电压及接地选线的技术方案。

关键词：供电系统；新型；消弧；过电压；保护装置；应用

中性点不接地系统发生金属性单相接地时，故障相电压为零，非故障相对地电压将升高到线电压，三相线电压量值不变，且仍具有120°的相位差，三相用电设备的工作并未受到影响，因而不影响电能的正常传输。所以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带故障运行，提高了该类电网的供电可靠性。

现在的运行规程规定，中性点非有效接地系统发生单相接地故障时，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到线电压，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间歇性弧光接地，则会在系统中产生达3.5倍相电压峰值的过电压，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，在健全相的绝缘薄弱环节造成绝缘对地击穿，进而发展成为相间短路事故。在间歇性电弧接地暂态过程中，实际系统会形成多频振荡回路，不仅会产生高幅值的相对地过电压，而且还可能出现高幅值的相间过电压，使相间绝缘薄弱点损坏，发展成为相间短路事故。

一、单相接地弧光过电压的产生与危害

1.1单相接地弧光过电压的产生

中性点不接地系统发生单相弧光接地时，不稳定的间歇性电弧不断熄灭和重燃，在故障相和非故障相电感电容回路上引起高频振荡过电压，非故障相过电压幅值达3.5倍间歇性电弧接地过电压，这种过电压是由于系统对地电容上电荷多次不断的积累和重新再分配形成的过电压，对系统设备危害极大。在中性点不接地系统中，以A相电压幅值达到最大值时发生接地为例，各相电压变化情况为：

A相：从1PU降为0；B相：从-0.5PU升高至-1.5PU；C相：从-0.5PU升高至-1.5PU

如果A相发生金属性接地或电弧熄灭后不再重燃，则在非故障相上出现的最大过电压为：Umax=Us+（Us-U0）=-1.5PU+[-1.5PU-（-0.5PU）]=-2.5PU

即非故障相上出现的过电压不会超过2.5倍额定相电压的最大值。电缆及电气设备应能承受该电压。

如果A相发生弧光接地，且弧光断续重燃，电荷在系统中重新分配，半个周波后各相电压变化情况为：

A相：从2PU降为0；B相：从+0.5PU升高至-1.5PU；C相：从+0.5PU升高至-1.5PU

则非故障上出现的最大过电压为：Umax=Us+（Us-U0）=2（-1.5PU）-（-0.5PU）=-3.5PU

即间歇性弧光接地产生3.5倍额定相电压的最大值。

1.2单相接地弧光过电压的危害

随着具有固体绝缘电缆线路的应用较多，其固体绝缘击穿的积累效应较为突出，在弧光过电压的持续作用下，绝缘强度不能恢复，绝缘强度几乎为零，绝缘距离短，且燃弧产生的热量不能很快散去，熄弧后很小的恢复电压可再次将绝缘击穿再次燃弧，造成电气设备绝缘的积累性损伤，在非故障相的绝缘薄弱环节造成对地击穿，进而发展为相间短路事故。（2）很高的弧光过电压使电压互感器饱和，容易激发铁磁谐振，导致进一步过电压或电压互感器爆炸事故。（3）弧光接地过电压的能量由电源提供，持续时间较长，当过电压超过避雷器所能承受能量时，也会造成避雷器的爆炸事故。

二、当前限制弧光过电压的措施及缺点

2.1中性点经小电阻接地

中性点经小电阻接地，弧光接地过电压问题并不突出，一般最高可达2.5倍的相电压，但增大了单相接地时的故障电流，加剧了故障点的烧伤，牺牲了供电的可靠性。

2.2中性点经消弧线圈接地

由于消弧线圈的电感电流补偿了系统的电容电流，降低了故障点的残流，有利于接地电弧的熄灭，避免了长时间燃弧而导致绝缘破坏相间短路的可能性，同时可单相接地运行，提高了供电可靠性。但实际上，中性点经消弧线圈接地的运行方式在理论上存在如下缺陷：

1）消弧线圈只补偿工频电容电流，不能补偿高频振荡电流。当电缆线路弧光接地时通过接地点的电流不仅有工频电容电流，而且包含高频振荡电流。当大的高频振荡电流和大的消弧线圈补偿后残流叠加后过零点，一个周波内有可能引起2次以上的多次熄弧燃弧过程，产生弧光过电压。

2）消弧线圈不能补偿谐波电流。在大量使用变频和镇流设备的供电系统中谐波电流占比较大，较大的谐波电流和经消弧线圈补偿后的残流仍然可能使弧光重燃产生弧光接地过电压。

新型消弧及过电压保护装置针对以上问题而设计，此保护装置将中性点非有效接地电网的相对地及相间过电压限制在电网安全运行的范围之内，彻底解决各种过电压对设备及电网安全运行的威胁，提高了电网的供电可靠性。

三、新型消弧及过电压保护装置工作原理分析

规程规定，6KV中性点不接地系统发生单相接地时可允许运行2小时。当供电系统发生弧光接地时，如果能把弧光接地变成金属性接地，避免了弧光过电压的产生，非故障相电压限制在线电压水平。

新型过电压保护装置把故障相由弧光接地快速转变为金属性接地，这种装置工作原理与供电系统的单相接地电容电流大小无关，因而保护性能不受供电系统运行方式的改变和供电系统扩大的影响。其结构如图1所示。

3.1工作原理及硬件组成

控制原理是根据电压互感器PT提供的三相电压UA、UB、UC和开口三角电压UO的瞬时值的变化，判定接地的性质和接地相，并发出相应的指令控制真空断路器的合闸或报警信息，以A相为例：

1）如UA≤30VAND50V≤UB≤75VAND50V≤UC≤75V，则判定为A相PT断线；

2）如U0≥70VANDUA≤10VANDUB≥80VANDUC≥80V，则判定为A相弧光接地，发出A相真空断路器合闸指令，将弧光接地转化为金属性接地，此时故障相的对地电压降为零，电弧电流减少到零，故障点的电弧熄灭，避免了弧光过电压的产生，而其他两相的对地电压则立即稳定，限制在线电压的水平上，电气设备正常运行。

结语

新型消弧及过电压保护装置已应用在某石油化工企业多个供电系统中，通过多次的模拟和实际验证，准确动作率100%，多年来因弧光接地引发过电压导致电缆及电气设备绝缘破坏的事故基本杜绝。由于该装置与系统运行方式无关，它的应用，避免了含有大量电缆线路的供电系统原消弧线圈补偿的不确定性，使得与之配合使用的选线装置动作准确率也大幅提高。

参考文献

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作者简介

马珍珍（1987.12-），女，宁夏同心人，华北电力大学自动化工学学士，工程师，单位：国网宁夏电力公司吴忠供电公司，研究方向：电力系统及其自动化