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北极星电力网技术频道 作者:电力论文3 2007/12/24 18:43:19
1前言
随着10KV电力系统的逐渐增容和发展，10KV电网中的各种过电压发生机率越来越高，每一次的过电压都对电气设备的安全运行造成直接的、严重的威胁，而且每发生一次过电压就会对电气设备的绝缘造成一次破坏，并且这种过电压破坏具有明显的累积效应，当达到一定程度时，会造成电气设备损坏，甚至是造成局域电力网络发供电中断或是受损。
江南电网是某军工企业的独立电力网络,历经三十多年的运行和多次技术改造的发展，电力网络发生了很大的变化，从历年的运行结果来看其过电压发生的次数越来越多和越来越频繁。从江南片区供电系统主接线来看，江南供电系统虽然接线不是很复杂，电力线路亦不是很长，但是在江南片区供电系统中大部分回路采用了电缆连接，对于一个中性点不接地的10KV电力网络来说，其单相接地电容电流已经达到了相当的程度，处在极易产生单相间歇性弧光接地的10-30A单相接地电流区间，这对于在过电压保护比较脆弱的江南电网，过电压发生的机率和造成的破坏也就不言而喻。因此对于如何正确认识江南电网的过电压现状，对过电压采取何种有效的防范措施，以确保江南电网（特别是江南片区电力系统）的安全、可靠和稳定运行就显得尤为重要和急迫。
2故障的分析
热电厂是江南电网的骨干网络之一。自从1997年热电厂投产进入商业运行以来，江南片区电力系统的主接线就发生了极大的变化，同时在此期间江南片区各单位根据自身的生产需要，新增了相当数量的以电力电缆连接的电气设备，为此系统参数变化更大。从1997年至今，江南片区发生过众多的电气事故，综合统计分析，在这些电气事故中有诸多故障均是由于单相接地（主要表现为单相弧光接地）产生过电压所致。在此笔者根据热电厂的电气事故情况，选取热电厂几起典型的事故在此分析，以引起我们高度关注和重视。
2.1故障现象
2.1.12003年4月17日09：15分，热电厂发出10KV母线A相接地信号，紧接着（大约几秒种）热电厂10KV母线125#电容、避雷器（Y3W-10/31.5）柜发生爆炸，相关线路速断或过流保护跳闸。经检查发现，125#柜避雷器三相有强烈弧光短路灼烧痕迹，避雷器瓷套内壁和ZnO阀片同侧有明显闪络痕迹。同时与爆炸点相连接的电气部分和10KV系统其它部分未发现明显绝缘破坏，即短路后故障点的绝缘恢复良好。
2.1.22003年4月24日12：06分和12：08分，热电厂接地监视装置连续两次发出瞬时接地现象（持续时间大约在2～3second），后经检查1#发电机出口避雷器动作监测装置JS-8型计数器（其他地方无避雷器动作监测装置），其动作次数为4次。计数器表壳内发现有一定程度的残余物，既计数器有一定程度的损坏。
2.1.32001年3月20日15：30分，热电厂10KV母线绝缘监测装置发出“10KV系统接地”信号，同时发电机零序电流保护发出报警信号，紧接着1#发电机差动保护跳闸，后经检查，2#发电机定子绕组A相绝缘被击穿后造成A相绕组对定子铁芯接地，定子接地点硅钢片被局部熔化。
2.1.42000年4月09日16：50分，热电厂10KV母线绝缘监测装置发出“10KV系统接地”信号，同时发电机零序电流保护发出报警信号，紧接着2#发电机差动保护跳闸，后经检查，2#发电机定子绕组C相对定子铁芯接地。
2.2故障分析
2.2.2故障共性
通过对上述几起事故的分析，可以发现它们都具有以下明显共性：
A都是由单相接地引起。
B发生事故前无雷电活动，设备运行状态良好。
C单相接地的同时有明显过电压现象，接地点有电弧持续燃烧现象，接地电流较大。
D发电机单相接地电流较大。
由此，可以分析得出造成这几起事故的原因是单相弧光接地引起过电压，其电压幅值大大超过了绝缘材料或空气绝缘间隙所能耐受的电压幅值，并在绝缘薄弱环节击穿或使过电压保护装置（避雷器）动作。
2.2.3单相弧光接地过电压的形成机理
江南电网10KV系统相当复杂，网络接线繁多，主要由建中站、热电厂、10#站、70#站、金山站以及大量的负荷组成，包括5个10KV高压配电室和大量馈出线，其中大部分是由电力电缆连接的，由此构成了一个庞大而又复杂的电力网络。对于单相弧光接地过电压形成机理的理论分析方法很多，对于类似江南电网中性点不接地系统，电力电缆在其相间和相地间都有等效电容。经计算表明,发生单相弧光接地时过电压的最大值将达到：
Umax=1.5Um （1.5Um–0.7Um）=2.3Um
对江南电网10KV系统，单相弧光接地的过电压瞬时幅值最大可以达到20.4KV。如果弧光接地在接地点造成弧光间隙性反复燃烧，那么产生的过电压倍数将远远大于2.3倍。根据有关资料介绍，在国外有些专家对单相弧光接地进行了实测，其结果显示，过电压幅值高达正常相电压幅值的3～3.5倍。从江南片区的几次故障（如2.1.1事故和2.1.2故障）来看，在系统发生单相接地时，都产生了较高的过电压，才会引起避雷器放电。对于2.1.1事故来说，强烈的过电压使相间空气绝缘被击穿，形成相间弧光短路，至于避雷器的爆炸，主要是由于避雷器的选型错误（原设计型号为Y3W-10/31.5）和产品质量欠佳（受潮），再加上弧光短路产生的高能热量加剧了避雷器的爆炸。由此可见如此高的过电压一旦产生就将会在电力网络绝缘薄弱环节形成闪络放电，严重时将破坏绝缘，造成相间短路或者损害电气设备。从2.1.3事故来看，发电机接地电流已远远大于5A，才会造成发电机定子铁芯熔化，即与发电机有电气连接的电力网络的单相接地电流已大大超过了5A。
3单相弧光接地产生的原因
从上述分析可见，单相弧光接地是威胁江南片区电力系统安全、稳定和可靠运行的最主要和最直接因素。而中性点的接地方式，直接影响到单相弧光接地的产生和限制力度。根据我国的传统设计经验，在10KV电力系统普遍采用中性点不接地方式，这是因为在早期的10KV电力网中，电力网络简单，电力电缆采用量不大，系统的单相接地电容电流并不大。而随着各电力系统的飞速发展和增容，原电力系统主接线发生了很大的变化，电力电缆的采用量急剧增加。从诸多10KV系统的运行现状和经验来看，其过电压发生的机率越来越高，由于过电压造成的事故在整个电气事故中所占的比例也越来越大。江南片区供电系统亦属于这种情况。该系统从最初的以架空线为主的配电系统发展成为了拥有发电、供配电以及以电力电缆连接为主的电力系统，再加上即将上马的35KV变配电网络，江南片区将形成以发、变和配电综合一体化电力系统。因此最初采用的中性点不接地方式将受到严峻的考验！根据《电力设备过电压保护设计技术规程》和电力部、国家的有关标准和要求，对于3～10KV电力系统，当单相接地电流小于30A时，如要求发电机能带单相接地故障运行，则当与发电机有电气连接的3～10KV电网的接地电流小于5A时，其中性点可采用不接地运行方式。而江南片区现阶段的电力网络是否满足该要求呢？
3.1单相接地电流的估算
在中性点不接地系统中，当系统发生单相接地时，单相接地电流IC等于正常时相对地电容电流ICi的3倍，即IC=3∑ICi。而正常时的相对地电容电流主要由架空线、电力电缆和主要电气设备（如发电机）组成。为说明问题，本文在此仅采用估算法对江南片区现阶段电力网络单相接地时的电容电流进行简要计算。
3.1.1单相接地时架空线的电容电流IC1：
IC1=（2.7-3.3）λUNL×10-3（A）
式中UN—系统额定电压（KV）
L—线路长度（Km）
λ—设备影响修正系数。
根据片区的架空线均是无避雷线的架空线的情况，取UN=10KV、L=20Km、系数K=3.0、λ=1.16，因此：
IC1=3.0λUNL×10-3
=1.16×3.0×10×20×10-3=0.70（A）
3.1.2单相接地时电力电缆电容电流IC2：
片区采用的电力电缆形式多样，截面面积从50～120mm2均有不同程度的采用。在此按平均截面积为70mm2估算。
IC2=（A）
式中S—电缆截面（mm2）
L—电缆长度（Km）
UN—系统额定电压（KV）
根据片区的电力电缆使用情况取L=20Km、S=70mm2、UN=10KV，因此：
IC2=
==17.7（A）
3.1.3单相接地时发电机电容电流IC3：
热电厂两台发电机的电容电流按下式进行估算：
IC3=2.5KSωUN×10-3/
式中K—绝缘材料系数
S—发电机视在功率（MVA）
ω—角频率（rad/s）
UN—发电机额定电压（KV）
对于热电厂B级绝缘的两台QF-6-2型汽轮发电机，取K=0.0187、S=7.5MVA、UN=10.5KV，因此：
IC3=2×2.5KSωUN×10-3/
=2×2.5×0.0187×7.5×2×3.14×50×10.5×10-3/
=0.3（A）
3.1.4江南电网单相接地的接地电流IC：
由上述计算结果可知，江南片区电力系统发生单相接地时的接地电容电流为：
IC=IC1 IC2 IC3=0.70 17.7 0.3=18.7（A）
通过上述的保守估算，江南电网单相接地电流虽然没有超过30A，但是现有18.7A的单相接地电流正好处在极其容易发生单相弧光接地电流10-30A区间。特别对于热电厂不能带接地运行的发电机来说，现有系统的接地电流与国标规定的5A相差甚远，这正是上述2.1.3事故中造成发电机定子铁芯损坏的重要原因。随着即将上马的35KV变配电站的新建和用电负荷的增加，片区电力系统接地电流将进一步增加。为此在发生单相接地时，在接地点极其容易形成不稳定的间隙性弧光接地，从而产生过电压，危及供电安全。同时强烈的电弧将引起两相或三相短路，造成电气设备严重破坏，危及江南片区的安全生产。上述事故的发生已经确凿证明了上述分析的正确性和这种现象的存在性！为此如何采取防范措施就显得尤为重要。
4防范措施
针对江南片区电力系统发生单相接地后的现状，要解决过电压以及发电机的单相接地电流的问题，应从以下几方面着手，以提高片区电力系统在出现单相接地时的稳定性和安全性。
4.1改变10KV系统中性点的接地方式
片区电力系统中性点目前采用的是不接地运行方式，这种方式对其本身来说虽然有它的诸多优越性，根据《电气事故处理规程》的规定，在出现单相金属性接地时，可以运行1～2h，在出现单相弧光接地时可以运行15min，这对于电力用户来说其可靠性相对较好。但是实际上一旦产生弧光接地，过电压以及大的接地电流对电气设备的损坏是迅速的，根本就没有15min的时间留给值班人员进行分析、判断和处理。实践证明片区电力系统中性点不接地的优越性与其由此造成的损失和它带来的不利因素的影响相比，这种优越性已经很难体现。结合上述的分析，中性点是否继续维持不接地方式，值得探讨。笔者认为要从根本上这类问题，中性点采用消弧线圈接地，应该不失为行之有效的措施之一。
消弧线圈是一个铁芯可调节的电感线圈，将它装设于热电厂发电机或即将新建的35KV变电站变压器的中性点，这样片区10KV系统一旦发生单相接地（不仅是弧光接地）时，可形成一个与接地电流大小近似相等、方向相反的电感电流与容性接地电流相补偿，从而达到限制接地电流，避免在接地点形成弧光。同时即使是运行方式发生变化，使消弧线圈的补偿度或脱谐度发生变化（无论如何变化，只要在设计上考虑充分，均不可能由过补偿转变为全补或欠补），而产生弧光接地，燃弧后电容的充放电电流要经过消弧线圈流回，而不会在故障点形成多次弧光重燃，这样就有效地避免了接地点的间歇性燃弧，达到限制弧光过电压的目的。同时在经过精确测试现有系统的单相接地电流的基础上，合理地设计和选择好消弧线圈，可以将接地电流限制在5A以下，以确保热电厂发电机的运行安全。
对于10KV系统中性点的接地方式有诸多方式，如高阻或低阻接地等。但采用消弧线圈接地仍是最行之有效的方式。因为采用消弧线圈接地系统仍属于小电流接地系统，改造后不会对现有电气运行方式造成影响，不会涉及到继电保护方式的调整。要采用消弧线圈接地，必须对现有系统的单相接地电流进行实测，以准确地选择消弧线圈，因为理论计算出来的单相接地电流与实际接地电流会有很大偏差。在我国诸多电网，特别是一些大型工矿企业的10KV系统都进行了中性点接地方式的改造，技术可行，经验成熟，运行可靠。
4.2合理选择过电压吸收装置
片区10KV系统面临的过电压不仅仅是单相弧光接地过电压，对于雷电过电压、操作过电压、谐振过电压等等仍然是存在的。随着国家关于断路器推行“无油化”改造的不断进行，江南片区原有的大量少油断路器（SN系列）将逐步改造为ZN或VS系列真空无油断路器，而真空断路器在分断感性小负载电流时产生的截流过电压，也将危及到片区电气设备的安全。因此合理的选择和设置过电压保护装置，对于现有的片区电力网来说显得异常重要。
采用避雷器作为过电压吸收装置，仍是目前电力系统的潮流和主要措施。氧化锌避雷器（MOA）以其优越的保护特性，是10KV电网中避雷器的首选。MOA的种类繁多，对于限制操作过电压各个厂家生产了专门用于保护旋转电机、线路、电容器组以及电站用、配电用等不同类别的MOA，还有YW系列和HYW系列。在防爆、防潮、抗老化、抗污秽等性能方面，HYW系列远远优于YW系列。从2.1.1事故和大量MOA损坏的事例分析可以看出，正确选择MOA的标称电流、电压等级、工频放电电压、雷电冲击电流、适用范畴以及优良的产品质量是保证MOA安全可靠运行的关键。通过对MOA的分析比较，热电厂将10KV母线上原设计选用的Y3W-10/31.5型MOA更换为HY5WZ-17/45型MOA后，MOA运行安全可靠，未发生MOA损坏事件。
4.3加强绝缘薄弱环节的绝缘
从江南片区电网来看，热电厂一次设备的绝缘相对较为薄弱，主要是因为粉尘污染造成部分绝缘子污闪以及高湿度的环境空气降低了有效绝缘水平。针对这种具体情况，热电厂在高压设备的工作场所采取了各种孔洞的封堵措施，最大程度的限制水汽、粉尘的进入，同时对容易赃污的裸露母线加装了热缩绝缘材料，避免相间空气气隙被过电压击穿。对于容易造成污闪的电气设备（如电抗器支持瓷瓶），进行定期清扫除尘。通过这些措施，有效地提高了绝缘薄弱环节的绝缘水平。
4.4加强运行维护管理
加强电气设备的管理，是保障其安全正常工作的重要环节。在坚持既有的管理平台基础上，对于目前江南片区随时可能遭受的过电压冲击的不利局面，从以下几方面加强管理，有助于降低过电压对电网设备造成的损坏程度。
4.4.1加强对过电压的监测和分析
针对目前的情况，应对每一次过电压情况进行监测分析，以可靠掌握过电压的产生原因、过电压的性质，同时全面掌握片区电网对过电压的防护能力、避雷装置的工作状态。但是目前片区对过电压的监测十分薄弱，仅在热电厂发电机出口装设了放电计数器（JS-8型），以监测过电压的活动和避雷器的动作情况，这对整个片区电网来讲是远远不够的。同时从几次热电厂放电计数器损坏的情况来看，原设计选型的JS-8型计数器主要适配于SiC避雷器，而不适用于ZnO避雷器。对于MOA宜采用JS-9型计数器。
4.4.2合理控制运行方式
片区电网单相接地电流主要由于连接电缆的分布电容电流构成，为了限制单相弧光接地形成过电压，应合理控制运行方式，力求躲过容易产生弧光接地的电容电流。从热电厂发电机定子铁芯局部熔化的迹象分析，及时地调整发电机的保护方式对于保护发电机极其重要。过去热电厂发电机的零序电流保护因对接地电流的估算不足以及片区生产运行的特殊性而长期按作用于发信号设置，也才造成了铁芯局部熔化事故。经过分析后，热电厂发电机的零序保护设置为作用于保护跳闸后，该类事故得以有效控制。
4.4.3加强补偿电容器的维护管理
片区电网10#站和70#站设置有功率因素补偿电容器，这对于单相弧光接地来说，无疑是加大了系统的相间电容，因此在发弧后的振荡过程中还会有一个电荷的重新分配过程，其结果是抬高了非故障相的起始电压，从而使得过电压幅值降低，限制了过电压倍数，这对于片区的过电压防治是有益无弊。但是在相当一段时间两站的电容器缺乏维护，大量熔断器熔断。后经过统一维护后，片区过电压得到一定程度的限制。
5结论
综上所述，江南片区10KV电力网络发生单相接地时的接地电流危险区域，其接地电流足以造成发电机定子铁芯大局域面积的熔化。目前中性点不接地的运行方式已不能满足安全、可靠运行的需要。同时发生单相弧光接地过电压所产生的过电压对片区电网的所带来的危害已日益加剧。因此改变片区10KV电力系统中性点的接地方式已十分必要。采用消弧线圈接地以及合理选择避雷器、加强运行维护管理对于保障片区电网的安全、稳定和可靠运行有相当积极的作用。
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