中性點不接地系統(tǒng)弧光接地過電壓的抑制措施

王開文

摘 ?要：單相接地故障是電力系統(tǒng)最主要的故障形式，占各種故障類型的近70%。中性點不接地系統(tǒng)由于單相接地時接地電弧不能自動熄滅必然產生電弧過電壓，一般為3—5 倍相電壓甚至更高，致使供電系統(tǒng)中絕緣薄弱的地方放電擊穿而發(fā)展為相間短路造成設備損壞和停電事故。本文分析討論幾種抑制間歇性弧光接地過電壓的原理、方法及在實際應用的優(yōu)越性和局限性，并針對海南煉化CS30區(qū)域變電站6kV中性點不接地系統(tǒng)抑制間歇性弧光過電壓方法實例，提出利用消弧及防止過電壓保護方法的優(yōu)勢。

關鍵詞：中性點不接地系統(tǒng);弧光接地過電壓;抑制;金屬接地

引言：

線路全部采用電纜敷設的供配電系統(tǒng)，對地電容電流較大，當發(fā)生單相接地故障時，尤其是發(fā)生間歇性弧光接地時，往往造成電氣設備的損壞和大面積的停電事故。由于石化企業(yè)具有連續(xù)穩(wěn)定、高溫高壓、易燃易爆、有毒有害等特殊性決定了石油化工企業(yè)高危性的特點，這就要求對供電系統(tǒng)的安全可靠性的要求更為苛刻。因此，如何消除這一隱患，確保我廠供配電系統(tǒng)的安、穩(wěn)、長周期運行和煉油裝置的安全生產是一個急需迫切解決的問題。

一、諧振過電壓產生原因及主要危害：

當在中性點不接地系統(tǒng)的3～10kV電纜線路系統(tǒng)單相接地故障電容電流超過30 A時，由于通過接地點的接地電容電流與接地相正常時的相電壓相位相差90°，在接地電流過0時加在弧隙兩端的電壓為最大值，因此會造成故障點的電弧不易熄滅，由于不間歇性電弧多次熄滅和重燃，在故障相和非故障相的電感—電容回路上會引起高頻振蕩過電壓。以電纜線路為主的供配電系統(tǒng)，絕緣擊穿或電弧重燃時過渡過程中的高頻電流可達數百甚至上千安培。電纜線路弧光接地時非故障相的過電壓甚至可達4～70倍。其接地故障過程為間歇性電弧接地--穩(wěn)定電弧接地--金屬性接地，單相接地故障最危險的階段就是發(fā)生在單相間歇性電弧接地階段，其接地持續(xù)時間可達0.2-2s，頻率可達300-3000Hz，這時通過故障點的高頻振蕩電流也最大，可達數百安培，時間很短但危害卻很大，其危害主要表現為以下幾個方面：

（1）當電容電流一旦過大，接地點電弧不能自行熄滅。當出現間歇性電弧接地時，不僅在高幅值的弧光接地過電壓持續(xù)作用下，加劇了電纜等固體絕緣的累積損傷，而且在非故障相的絕緣的薄弱環(huán)容易造成對地擊穿進而發(fā)展成為相間短路。

（2）由于在弧光接地過電壓作用下，使電磁式電壓互感器嚴重飽和，激磁電流劇烈增加。飽和的電壓互感器很容易激發(fā)鐵磁諧振，導致PT燒毀或高壓保險熔斷。不僅影響了電能表的準確計量而且還容易造成繼電保護和自動裝置誤動作，嚴重威脅供電系統(tǒng)安全可靠運行。

（3）弧光接地過電壓由于持續(xù)時間較長、能量很大。這樣會加速高壓避雷器內部元件老化，當過電壓能量超過避雷器所能承受的的能量時就會造成避雷器的擊穿、爆炸，從而引發(fā)短路事故。

（4）石化企業(yè)生產裝置中處處存在易燃易爆介質，如果在裝置防爆區(qū)內產生接地點并形成間歇性電弧或電容電流流入大地后，在大地中形成雜散電流，產生的火花可引起周圍泄露可燃氣體的爆炸事故。

（5）如果故障電纜單相弧光接地發(fā)生在多根電纜排列的電纜隧道或電纜橋架內時，由于接地點電弧產生的熱效應會對臨近電纜造成灼燒，如不及時斷開故障線路，將會導致單相接地電弧引發(fā)多回路的相間短路事故。

（6）發(fā)生單相金屬性接地或單相弧光接地時，接地點周圍一定范圍內產生接觸電壓和跨步電壓，對人身安全構成威脅。

二、目前所采用弧光過電壓的抑制方法

1.中性點經消弧線圈接地方式進行補償

消弧線圈是一種裝設于電力系統(tǒng)中性點的可調電感線圈。（無中性點引出時可采用Z型接地變壓器引出中性點方式）當系統(tǒng)發(fā)生單相接地時，由控制器調節(jié)有載分接頭，使之調節(jié)到所需要的補償檔位，以改變電感值（通常將消弧線圈整定在過補償狀態(tài)）用產生的電感電流來補償接地電容電流，從而使接地點的電流變得很小，也使得故障相接地電弧兩端的恢復電壓迅速降低。有效的降低了單相接地時的建弧率，減少了產生弧光接地過電壓的機率。

系統(tǒng)主要是由Z型接地變壓器、消弧線圈 、自動調諧控制器等構成。其一次原理圖接線圖如下所示：

但在具體使用時還存在以下問題

（1）受供配電系統(tǒng)電纜線路的增加對地電容增大的影響，由于消弧線圈單個分接頭的補償容量受到調節(jié)容總量限制，將不能滿足系統(tǒng)擴容后的補償要求。對于較大供配電系統(tǒng)，由于單相接地電容電流急劇增加，需要很大容量的消弧線圈和相應的接地變壓器，因此增大設備工程的投資。

（2）消弧線圈的自動跟蹤補償受電力系統(tǒng)運行方式及參數變化的影響，電容電流變化波動較大導致跟蹤補償困難，運行補償效果不夠理想。

（3）當系統(tǒng)發(fā)生單相接地時，需要運行人員盡快判斷出故障點及故障線路。由于消弧線圈對接地電容電流進行補償的作用，使故障點的接地電流減少，相位發(fā)生變化，降低了選線的靈敏度，導致小電流接地選線裝置對故障線路無法進行判別。

（4）與金屬接地或穩(wěn)定的弧光接地不同，間歇性的弧光接地時產生的過電壓已不再是穩(wěn)態(tài)的正弦波，而以高次諧波為主。電容電流和電感電流兩者的頻率特性完全不同，電容電流分量達到最大值時，消弧線圈中的電感電流還沒有，當頻率增加時，對于電容電流是增加的，而電感電流是減少的，待電容電流衰減到穩(wěn)態(tài)后消弧線圈才產生很大的飽和高頻電流，消弧線圈只能對工頻電流起到補償作用，所以在單相間歇性電弧接地時刻消弧線圈中的電感電流分量和電網電流分量是不可能補償或調諧的，運行經驗和試驗證明，消弧線圈的功能只是降低單相接地的建弧率。

（5）在設備運行中，可能產生由于消弧線圈各分接頭的標稱電流和實際電容電流出現的較大誤差而發(fā)生實際電容電流與標稱電流誤差較大導致的諧振現象。

經以上幾點弊端的列舉，我們可以看出，消弧線圈對于以電纜線路為主的供配電系統(tǒng)已不能繼續(xù)發(fā)揮作用。

2. 采用中性點經小電阻接地

電力行業(yè)標準《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》（DL/T620—1997）第3.1.4條規(guī)定：“6kV--35kV主要由電纜線路構成的送配電系統(tǒng)，單相接地電容電流較大時，可采用低電阻接地方式”。此中性點接地方式從根本上解決了消弧線圈正常運行中帶來的問題，緩解了弧光接地時的過電壓，較適合城網供電系統(tǒng)，但擴大了單相接地時的故障電流，因此不能滿足石油石化企業(yè)對供電可靠性的要求。

三、海南煉化CS30區(qū)域變6kV系統(tǒng)弧光過電壓的抑制方法及特點

在中性點非直接接地系統(tǒng)中，發(fā)生單相金屬性接地時，非故障相產生 倍的過電壓，系統(tǒng)中的設備可以在這個電壓安全運行兩個小時。當發(fā)生間歇性弧光接地時，非故障相上將產生3.15-3.5倍的過電壓，而如果接地電流在高頻過零點熄弧或在電壓接近最大值時發(fā)生擊穿，這一過電壓將會更高。正是間歇性弧光接地引起的過電壓，才是設備絕緣的主要威脅之一。當系統(tǒng)發(fā)生接地故障時只有單相金屬性接地過電壓最為穩(wěn)定，而且不會造成設備絕緣的積累損傷，如果將弧光接地迅速轉化為金屬性接地，就可以將弧光接地過電壓的能量降低到我們所允許的能量指標以內。將過電壓限制在安全水平，避免固體絕緣累積性破壞。

海南煉化CS30區(qū)域變電站為6kV中性點不接地系統(tǒng)，由220kV總變電站提供的四路35kV電源，降壓至6kV后供給以單母線分段接線方式的四段母線，所帶公用工程、聚丙烯、硫磺等輔助裝置負荷，各段均有22～25條不等的電纜饋出線路，大部分為電動機負荷及少量變壓器負荷，最長電纜線路近5kM。因地處海南，受島嶼氣候影響，空氣潮濕且所含鹽霧密度較大，常年雨水較多，隨著運行年數的增多，在如此環(huán)境條件下的電氣設備易發(fā)生因受潮或腐蝕造成絕緣擊穿情況。CS30區(qū)域變電站6kV供配電系統(tǒng)的四段母線均裝設XHG-6-160型消弧過電壓保護裝置，就很好的解決了上述問題。

1.XHG-6-160型消弧過電壓保護裝置的組成

該裝置主要由三相組合式過電壓保護器TBP、可分相控制的高壓真空接觸器ZJ、消弧過電壓控制器ZK、高壓限流熔斷器FU及帶有輔助二次繞組的電壓互感器PT和小電流接地選線裝置等組成。其一次原理接線圖如下：

（1）TBP過電壓保護器：是一種特殊的高能容的氧化鋅過電壓保護器起到了本裝置中限制各類過電壓的作用，在真空接觸器 ZJ 未動作之前將電壓限制在安全范圍之內。

（2）ZJ可分相控制的接地高壓真空接觸器：這是一個特殊的真空交流接觸器，其三相分體，各相一端分別接至母線，另一端直接接地。正常運行時各相ZJ均處于斷開狀態(tài)，當有弧光接地時 JZ 受 消弧過電壓控制器控制而動作閉合，各相之間，當其中任一相閉合使該相母線接地后，其他兩相中的任何一相絕對不會動作閉合。ZJ 的作用是，當系統(tǒng)發(fā)生弧光接地過電壓時，使其由不穩(wěn)定的過電壓很高的弧光接地轉變成該相穩(wěn)定的金屬性直接接地，從而保護了設備由于弧光過電壓而造成的絕緣擊穿損壞。

（3）FU高壓限流熔斷器：是整個裝置的后備保護元件，具有開斷迅速、開斷容量大的特點，限流效果較好，可防止由于裝置誤動造成的相間短路故障。

（4）FR高能氧化鋅：用來限制和防止高壓限流熔斷器熔斷時產生的過電壓。

2. 裝置的動作原理及過程

當系統(tǒng)發(fā)生單相接地時，由PT產生的電壓信號U△將由低電平變成高電平，消弧控制器ZK接到U△變化的高電平信號后啟動中斷，對Uao、Ubo、Uco的三相信號進行計算處理，判斷接地相別和接地屬性，根據接地屬性ZK作出如下處理：

如果故障是穩(wěn)定的金屬性直接接地，則ZK發(fā)出故障相別及接地屬性（金屬接地）的指示信號。并與微機選線保護聯(lián)絡，由它處理解決。

如果故障是不穩(wěn)定的間歇性弧光接地，則判定接地的相別，同時發(fā)出指令使ZJ將所判定一相接地。這時，系統(tǒng)由不穩(wěn)定的弧光接地轉變成穩(wěn)定的金屬性直接接地，故障相的對地電壓降為零，工頻電弧和高頻電弧都將立即熄滅，故障點的弧光消失，其他兩健全相的對地電壓穩(wěn)定在線電壓下。

3.以下列舉了該裝置投入運行以來CS30區(qū)域變電站發(fā)生的三起單相接地典型事故

（1）原油碼頭01A段6kV電纜絕緣損壞接地事故

時間2006年4月14日 19時13分08秒

01A段消弧柜小電流接地選線裝置報01A16柜接地報警

01A段消弧柜過電壓保護裝置控制器報“A相弧光接地”“A相接觸器合閘”“A相金屬接地”

現場檢查01A段A相母線電壓為零，拉開01A16柜接地故障故障回路，復位消弧柜過電壓保護裝置控制器后，A相接地接觸器合閘分開返回，母線三相電壓正常。

（2）聚丙烯鼓風機MC20902C 6kV電動機線圈引線受潮C相接地事故

時間2011年06月25日05時54分29秒

01B段消弧柜小電流接地選線裝置報01B04柜接地報警

01B段消弧柜過電壓保護裝置控制器報“C相弧光接地”“C相接觸器合閘”“C相金屬接地”

現場檢查01B段母線C相電壓為零，拉開01B04柜接地故障故障回路，復位消弧柜過電壓保護裝置控制器后，C相接地接觸器合閘分開返回，母線三相電壓正常。

（3）原油碼頭01B段6kV電纜絕緣損壞接地事故

時間2013年03月05日 12時43分46秒

01B段消弧柜小電流接地選線裝置報“01B17柜接地”報警

01B段消弧柜過電壓保護裝置控制器報“B相弧光接地”“B相接觸器合閘”“B相金屬接地”

現場檢查01B段B相母線電壓為零，在拉開01B17柜接地故障故障回路并復位消弧柜過電壓保護裝置控制器后，B相接地接觸器合閘分開返回，母線三相電壓正常。

4.消弧過電壓保護裝置運行效果具有如下特點：

（1）能使故障點的電弧快速熄滅，將電壓限制在安全水平，有效避免設備絕緣遭到累積性破壞，減少電氣設備的絕緣老化程度，并能夠將故障被限制在較小范圍內。

（2）小電流接地選線裝置與其配合能夠快速、準確的判別出故障線路，為運行人員進行故障處理贏得時間。

（3）避免了由于母線過電壓而激發(fā)的鐵磁諧振造成的PT熔斷器的頻繁熔斷和PT燒毀事故。

（4）消弧過電壓保護裝置動作由間歇性弧光接地轉變?yōu)榕c站內接地網的金屬性接地，大大降低了接觸電壓和跨步電壓，人身安全得到了有效的保障。

（5）因該裝置工作條件與系統(tǒng)電容電流變化無關，故其保護性能不受運行方式的改變而受到影響。

根據這幾年的消弧過電壓保護裝置運行情況來看效果較好，CS30區(qū)域變電站在發(fā)生單相接地時消弧過電壓保護裝置能在較短時間內準確動作，弧光接地的持續(xù)時間大大縮短，接地過電壓均被限制在安全范圍之內，未發(fā)生過由于弧光持續(xù)過電壓造成絕緣累積損傷或被擊穿而導致的相間短路停電事故。

5.該裝置所存在問題及改進建議

在事故發(fā)生后查詢故障記錄時，消弧控制器及小電流接地選線裝置上只顯示故障時間、故障類型和故障相別信息，未能記錄到故障發(fā)生時的各種電氣參數數據，建議生產廠家增加此種功能，以方便運行和技術人員對故障進行分析、判斷和總結。

結束語：

現代大型石油化工企業(yè)在以電纜為主體的配電系統(tǒng)中，由于受潮及絕緣損壞引起的單相接地故障占很大比例，在這類配電系統(tǒng)中采用將弧光接地迅速轉變?yōu)榉€(wěn)定的金屬性接地方法，能有效的避免了健全相絕緣薄弱造成對地擊穿而引發(fā)為相間短路的設備損壞和停電事故。因此，采用這種抑制間歇性弧光過電壓方式的優(yōu)越性是明顯的。同時也要求電氣值班人員要能夠熟練掌握接地故障的處理方法，提高處理問題的分析判斷能力，在發(fā)生單相接地故障時，以最短時間內找到故障線路轉移負荷后予以切除，以減少單相接地故障給供配電系統(tǒng)運行帶來的不良影響。同時，還需要積極改善設備的運行條件，加強配電線路的檢修、維護管理，提高設備的絕緣水平。

參考文獻

[1] 交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合（DL/T620—1997）

[2] 陳柏超等.10kV電網新型自動調諧弧線圈及控制裝置.中國電力，1997

3377500338270