中性点不接地系统弧光接地过电压的抑制措施

王开文

摘  要：單相接地故障是电力系统最主要的故障形式，占各种故障类型的近70%。中性点不接地系统由于单相接地时接地电弧不能自动熄灭必然产生电弧过电压，一般为3—5 倍相电压甚至更高，致使供电系统中绝缘薄弱的地方放电击穿而发展为相间短路造成设备损坏和停电事故。本文分析讨论几种抑制间歇性弧光接地过电压的原理、方法及在实际应用的优越性和局限性，并针对海南炼化CS30区域变电站6kV中性点不接地系统抑制间歇性弧光过电压方法实例，提出利用消弧及防止过电压保护方法的优势。

关键词：中性点不接地系统;弧光接地过电压;抑制;金属接地

引言：

线路全部采用电缆敷设的供配电系统，对地电容电流较大，当发生单相接地故障时，尤其是发生间歇性弧光接地时，往往造成电气设备的损坏和大面积的停电事故。由于石化企业具有连续稳定、高温高压、易燃易爆、有毒有害等特殊性决定了石油化工企业高危性的特点，这就要求对供电系统的安全可靠性的要求更为苛刻。因此，如何消除这一隐患，确保我厂供配电系统的安、稳、长周期运行和炼油装置的安全生产是一个急需迫切解决的问题。

一、谐振过电压产生原因及主要危害：

当在中性点不接地系统的3～10kV电缆线路系统单相接地故障电容电流超过30 A时，由于通过接地点的接地电容电流与接地相正常时的相电压相位相差90°，在接地电流过0时加在弧隙两端的电压为最大值，因此会造成故障点的电弧不易熄灭，由于不间歇性电弧多次熄灭和重燃，在故障相和非故障相的电感—电容回路上会引起高频振荡过电压。以电缆线路为主的供配电系统，绝缘击穿或电弧重燃时过渡过程中的高频电流可达数百甚至上千安培。电缆线路弧光接地时非故障相的过电压甚至可达4～70倍。其接地故障过程为间歇性电弧接地--稳定电弧接地--金属性接地，单相接地故障最危险的阶段就是发生在单相间歇性电弧接地阶段，其接地持续时间可达0.2-2s，频率可达300-3000Hz，这时通过故障点的高频振荡电流也最大，可达数百安培，时间很短但危害却很大，其危害主要表现为以下几个方面：

（1）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，不仅在高幅值的弧光接地过电压持续作用下，加剧了电缆等固体绝缘的累积损伤，而且在非故障相的绝缘的薄弱环容易造成对地击穿进而发展成为相间短路。

（2）由于在弧光接地过电压作用下，使电磁式电压互感器严重饱和，激磁电流剧烈增加。饱和的电压互感器很容易激发铁磁谐振，导致PT烧毁或高压保险熔断。不仅影响了电能表的准确计量而且还容易造成继电保护和自动装置误动作，严重威胁供电系统安全可靠运行。

（3）弧光接地过电压由于持续时间较长、能量很大。这样会加速高压避雷器内部元件老化，当过电压能量超过避雷器所能承受的的能量时就会造成避雷器的击穿、爆炸，从而引发短路事故。

（4）石化企业生产装置中处处存在易燃易爆介质，如果在装置防爆区内产生接地点并形成间歇性电弧或电容电流流入大地后，在大地中形成杂散电流，产生的火花可引起周围泄露可燃气体的爆炸事故。

（5）如果故障电缆单相弧光接地发生在多根电缆排列的电缆隧道或电缆桥架内时，由于接地点电弧产生的热效应会对临近电缆造成灼烧，如不及时断开故障线路，将会导致单相接地电弧引发多回路的相间短路事故。

（6）发生单相金属性接地或单相弧光接地时，接地点周围一定范围内产生接触电压和跨步电压，对人身安全构成威胁。

二、目前所采用弧光过电压的抑制方法

1.中性点经消弧线圈接地方式进行补偿

消弧线圈是一种装设于电力系统中性点的可调电感线圈。（无中性点引出时可采用Z型接地变压器引出中性点方式）当系统发生单相接地时，由控制器调节有载分接头，使之调节到所需要的补偿档位，以改变电感值（通常将消弧线圈整定在过补偿状态）用产生的电感电流来补偿接地电容电流，从而使接地点的电流变得很小，也使得故障相接地电弧两端的恢复电压迅速降低。有效的降低了单相接地时的建弧率，减少了产生弧光接地过电压的机率。

系统主要是由Z型接地变压器、消弧线圈 、自动调谐控制器等构成。其一次原理图接线图如下所示：

但在具体使用时还存在以下问题

（1）受供配电系统电缆线路的增加对地电容增大的影响，由于消弧线圈单个分接头的补偿容量受到调节容总量限制，将不能满足系统扩容后的补偿要求。对于较大供配电系统，由于单相接地电容电流急剧增加，需要很大容量的消弧线圈和相应的接地变压器，因此增大设备工程的投资。

（2）消弧线圈的自动跟踪补偿受电力系统运行方式及参数变化的影响，电容电流变化波动较大导致跟踪补偿困难，运行补偿效果不够理想。

（3）当系统发生单相接地时，需要运行人员尽快判断出故障点及故障线路。由于消弧线圈对接地电容电流进行补偿的作用，使故障点的接地电流减少，相位发生变化，降低了选线的灵敏度，导致小电流接地选线装置对故障线路无法进行判别。

（4）与金属接地或稳定的弧光接地不同，间歇性的弧光接地时产生的过电压已不再是稳态的正弦波，而以高次谐波为主。电容电流和电感电流两者的频率特性完全不同，电容电流分量达到最大值时，消弧线圈中的电感电流还没有，当频率增加时，对于电容电流是增加的，而电感电流是减少的，待电容电流衰减到稳态后消弧线圈才产生很大的饱和高频电流，消弧线圈只能对工频电流起到补偿作用，所以在单相间歇性电弧接地时刻消弧线圈中的电感电流分量和电网电流分量是不可能补偿或调谐的，运行经验和试验证明，消弧线圈的功能只是降低单相接地的建弧率。

（5）在设备运行中，可能产生由于消弧线圈各分接头的标称电流和实际电容电流出现的较大误差而发生实际电容电流与标称电流误差较大导致的谐振现象。

经以上几点弊端的列举，我们可以看出，消弧线圈对于以电缆线路为主的供配电系统已不能继续发挥作用。

2. 采用中性点经小电阻接地

电力行业标准《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》（DL/T620—1997）第3.1.4条规定：“6kV--35kV主要由电缆线路构成的送配电系统，单相接地电容电流较大时，可采用低电阻接地方式”。此中性点接地方式从根本上解决了消弧线圈正常运行中带来的问题，缓解了弧光接地时的过电压，较适合城网供电系统，但扩大了单相接地时的故障电流，因此不能满足石油石化企业对供电可靠性的要求。

三、海南炼化CS30区域变6kV系统弧光过电压的抑制方法及特点

在中性点非直接接地系统中，发生单相金属性接地时，非故障相产生 倍的过电压，系统中的设备可以在这个电压安全运行两个小时。当发生间歇性弧光接地时，非故障相上将产生3.15-3.5倍的过电压，而如果接地电流在高频过零点熄弧或在电压接近最大值时发生击穿，这一过电压将会更高。正是间歇性弧光接地引起的过电压，才是设备绝缘的主要威胁之一。当系统发生接地故障时只有单相金属性接地过电压最为稳定，而且不会造成设备绝缘的积累损伤，如果将弧光接地迅速转化为金属性接地，就可以将弧光接地过电压的能量降低到我们所允许的能量指标以内。将过电压限制在安全水平，避免固体绝缘累积性破坏。

海南炼化CS30区域变电站为6kV中性点不接地系统，由220kV总变电站提供的四路35kV电源，降压至6kV后供给以单母线分段接线方式的四段母线，所带公用工程、聚丙烯、硫磺等辅助装置负荷，各段均有22～25条不等的电缆馈出线路，大部分为电动机负荷及少量变压器负荷，最长电缆线路近5kM。因地处海南，受岛屿气候影响，空气潮湿且所含盐雾密度较大，常年雨水较多，随着运行年数的增多，在如此环境条件下的电气设备易发生因受潮或腐蚀造成绝缘击穿情况。CS30区域变电站6kV供配电系统的四段母线均装设XHG-6-160型消弧过电压保护装置，就很好的解决了上述问题。

1.XHG-6-160型消弧過电压保护装置的组成

该装置主要由三相组合式过电压保护器TBP、可分相控制的高压真空接触器ZJ、消弧过电压控制器ZK、高压限流熔断器FU及带有辅助二次绕组的电压互感器PT和小电流接地选线装置等组成。其一次原理接线图如下：

（1）TBP过电压保护器：是一种特殊的高能容的氧化锌过电压保护器起到了本装置中限制各类过电压的作用，在真空接触器 ZJ 未动作之前将电压限制在安全范围之内。

（2）ZJ可分相控制的接地高压真空接触器：这是一个特殊的真空交流接触器，其三相分体，各相一端分别接至母线，另一端直接接地。正常运行时各相ZJ均处于断开状态，当有弧光接地时 JZ 受 消弧过电压控制器控制而动作闭合，各相之间，当其中任一相闭合使该相母线接地后，其他两相中的任何一相绝对不会动作闭合。ZJ 的作用是，当系统发生弧光接地过电压时，使其由不稳定的过电压很高的弧光接地转变成该相稳定的金属性直接接地，从而保护了设备由于弧光过电压而造成的绝缘击穿损坏。

（3）FU高压限流熔断器：是整个装置的后备保护元件，具有开断迅速、开断容量大的特点，限流效果较好，可防止由于装置误动造成的相间短路故障。

（4）FR高能氧化锌：用来限制和防止高压限流熔断器熔断时产生的过电压。

2. 装置的动作原理及过程

当系统发生单相接地时，由PT产生的电压信号U△将由低电平变成高电平，消弧控制器ZK接到U△变化的高电平信号后启动中断，对Uao、Ubo、Uco的三相信号进行计算处理，判断接地相别和接地属性，根据接地属性ZK作出如下处理：

如果故障是稳定的金属性直接接地，则ZK发出故障相别及接地属性（金属接地）的指示信号。并与微机选线保护联络，由它处理解决。

如果故障是不稳定的间歇性弧光接地，则判定接地的相别，同时发出指令使ZJ将所判定一相接地。这时，系统由不稳定的弧光接地转变成稳定的金属性直接接地，故障相的对地电压降为零，工频电弧和高频电弧都将立即熄灭，故障点的弧光消失，其他两健全相的对地电压稳定在线电压下。

3.以下列举了该装置投入运行以来CS30区域变电站发生的三起单相接地典型事故

（1）原油码头01A段6kV电缆绝缘损坏接地事故

时间2006年4月14日 19时13分08秒

01A段消弧柜小电流接地选线装置报01A16柜接地报警

01A段消弧柜过电压保护装置控制器报“A相弧光接地”“A相接触器合闸”“A相金属接地”

现场检查01A段A相母线电压为零，拉开01A16柜接地故障故障回路，复位消弧柜过电压保护装置控制器后，A相接地接触器合闸分开返回，母线三相电压正常。

（2）聚丙烯鼓风机MC20902C 6kV电动机线圈引线受潮C相接地事故

时间2011年06月25日05时54分29秒

01B段消弧柜小电流接地选线装置报01B04柜接地报警

01B段消弧柜过电压保护装置控制器报“C相弧光接地”“C相接触器合闸”“C相金属接地”

现场检查01B段母线C相电压为零，拉开01B04柜接地故障故障回路，复位消弧柜过电压保护装置控制器后，C相接地接触器合闸分开返回，母线三相电压正常。

（3）原油码头01B段6kV电缆绝缘损坏接地事故

时间2013年03月05日 12时43分46秒

01B段消弧柜小电流接地选线装置报“01B17柜接地”报警

01B段消弧柜过电压保护装置控制器报“B相弧光接地”“B相接触器合闸”“B相金属接地”

现场检查01B段B相母线电压为零，在拉开01B17柜接地故障故障回路并复位消弧柜过电压保护装置控制器后，B相接地接触器合闸分开返回，母线三相电压正常。

4.消弧过电压保护装置运行效果具有如下特点：

（1）能使故障点的电弧快速熄灭，将电压限制在安全水平，有效避免设备绝缘遭到累积性破坏，减少电气设备的绝缘老化程度，并能够将故障被限制在较小范围内。

（2）小电流接地选线装置与其配合能够快速、准确的判别出故障线路，为运行人员进行故障处理赢得时间。

（3）避免了由于母线过电压而激发的铁磁谐振造成的PT熔断器的频繁熔断和PT烧毁事故。

（4）消弧过电压保护装置动作由间歇性弧光接地转变为与站内接地网的金属性接地，大大降低了接触电压和跨步电压，人身安全得到了有效的保障。

（5）因该装置工作条件与系统电容电流变化无关，故其保护性能不受运行方式的改变而受到影响。

根据这几年的消弧过电压保护装置运行情况来看效果较好，CS30区域变电站在发生单相接地时消弧过电压保护装置能在较短时间内准确动作，弧光接地的持续时间大大缩短，接地过电压均被限制在安全范围之内，未发生过由于弧光持续过电压造成绝缘累积损伤或被击穿而导致的相间短路停电事故。

5.该装置所存在问题及改进建议

在事故发生后查询故障记录时，消弧控制器及小电流接地选线装置上只显示故障时间、故障类型和故障相别信息，未能记录到故障发生时的各种电气参数数据，建议生产厂家增加此种功能，以方便运行和技术人员对故障进行分析、判断和总结。

结束语：

现代大型石油化工企业在以电缆为主体的配电系统中，由于受潮及绝缘损坏引起的单相接地故障占很大比例，在这类配电系统中采用将弧光接地迅速转变为稳定的金属性接地方法，能有效的避免了健全相絕缘薄弱造成对地击穿而引发为相间短路的设备损坏和停电事故。因此，采用这种抑制间歇性弧光过电压方式的优越性是明显的。同时也要求电气值班人员要能够熟练掌握接地故障的处理方法，提高处理问题的分析判断能力，在发生单相接地故障时，以最短时间内找到故障线路转移负荷后予以切除，以减少单相接地故障给供配电系统运行带来的不良影响。同时，还需要积极改善设备的运行条件，加强配电线路的检修、维护管理，提高设备的绝缘水平。

参考文献

[1] 交流电气装置的过电压保护和绝缘配合（DL/T620—1997）

[2] 陈柏超等.10kV电网新型自动调谐弧线圈及控制装置.中国电力，1997

3377500338270