摘要：电力系统揩振是引起电压事故的主要原因之一，本文就中性点电流接地系统中单相电弧接地揩振过电压发生的理论依据、危害性、典型事故实例分析及治理措施进行探讨。

关健词：电网揩振分析治理

引言

电力系统的谐振是引起过电压事故的主要原因之一，谐振过电压事故是电力设备损坏的重要原因，它不仅可在中性点有效接地的高压电网中出现，而且也可在中性点小电流接地系统中发生。谐振是在某些操作或事故后形成的回路，其自振荡频率与电源频率满足一定关系时形成的现象，谐振时，将出现持续时间较长，波形有周期性重复的谐振过电压。谐振过电压的具体类型比较多，就谐振接地系统的过电压而言，有欠补偿断线过电压、定相过电、线路碰线过电压、电容耦合过电压、共用消弧线圈过电压、断路器非全相投入过电压、单相接地过电压等，本文主要研究的内容是中性点小电流接地系统中的单相电弧接地过电压，特别是由此产生的间歇性电弧过电压及其治理的措施。

一、单相电弧接地过电压的原理分析

电力系统中性点接地方式发展历程中，由于担心因工频电压升高引起绝缘击穿。而采用过中性点直接接地方式，后来因线路跳闸频繁，遂改为不接地方式运行。但是，当电网的接地电容电流达到某一临界值时，接地电弧就难于瞬间自行熄灭，特别是由此产生的间歇性电弧接地过电压，作用时间一般较长，而且遍及整个电网，在一定条件下容易造成事故。一般说来，大电流接地系统中的过电压较低，小电流接地系统中的过电压较高。

对电弧接地过电压的研究是从中性点不接地系统开始的。1917年德国彼得生（w.petersen）首先奠定了此种过电压的理论基础，1923年美国彼得（J.FPeters）和斯列宾（J.slepian）又提出了新理论，1957年前苏联别列柯夫在此基础上又进行了研究，使电弧接地过电压理论进一步完善。

这里我们就引用别列柯夫理论来进行分析单相电弧接地过电压。

前两种理论在分析电弧接地暂态过电压过程中，均将电弧接地看着金属接地，认为弧道电阻为零；而且不管是高频振荡电流，还是工频振荡电流经过零点电弧熄灭后，故障点的介质强度必然瞬间恢复到能够耐受恢复电压的强度；同时均假定接地故障发生的瞬间正值相电压的幅值等等。而这些假定和实际情况是不完全符合的。

别列柯夫根据在6-10KV系统中的多次实测和试验室中的模拟试验结果认为，单相接地电弧的熄灭与重燃和流过故障点的电流特性密切相关。不论是高频振荡电流还是工频振荡电流过零时熄弧，只要由回路电感和电流陡度所决定的“熄弧峰压”小于弧道介质的恢复强度，接地电弧便不会发生重燃。实际上，接地电弧可以在高频振荡电流第一次过零时熄灭，也可在振荡几次过零时熄灭，还可以在工频电流过零时熄灭。当接地电流过零时，只要满足上述条件，接地电弧均可自行熄灭。这样，通过实际试验便可正确确定电弧接地时的暂态过电压。由于这些分析更为合理，所以从现场试验和模拟试验的示波图中均可得到较好的证实。

关于故障点接地电弧熄灭条件见图一。

当熄弧峰压低于介质恢复强度时，故障点的接地电弧自行熄灭后，便不再发生重燃。因回路的电感为一常数，故熄弧峰压与通过故障点电流的陡度成正比。根据在电容电流I_C=5-100A、6-10KV中性点不接地电网中的试验结果，若接地故障电流越小，过零时的陡度越小，则熄弧峰压越低，接地电弧越容易熄灭。所以只要熄弧压小于某一临界值，即Upv

根据这一理论的研究结果，6-10KV中性点不接地电回中的电弧接地过电压如图（二）。

若故障相的电压UA=-UφmSin(ωt φ),则非故障相电压U_B=-UφmSin(ωt φ-120°)。假定故障相的电压峰值（t=0）时接地，因此时的熄弧峰压Upv=0.4Uφm，故三相电压将以位移电压Udv=-1.2Uφm为轴线，各自按照正弦波形而变化。此时，U_B的初始电压，Uor=UφmCOS(30°-φ) U_dv，最后的稳定电压Ust=3UφmSin(φ 30°)，故非故障相的过电压Uor=3uφmSin(φ 30°) c/（c c_M）(1-δ)（UφmSin-U_dv）；其中的δ为阻尼系数，一般为0.1，所以衰减后的振荡电压为原始值的0.9。当φ=68°时发生电弧接地，非故障相上的暂过电压最高，其值等于3.2Uφm，相当于3.2Pu。

别列柯夫对电弧接地过电压理论的试验研究工作，虽然是在6-10KV电网中进行的，但所得结论可普遍适用于中性点不接地运行的所有电网，虽然熄弧峰压的具体数值不同，但其规律是一致的。

综上可知，对电弧接地过电压理论的研究，在50年代后期就已臻完善，理论上的最高过电压不超过3.5p.u，实际上，即使中性点不接地系统中，出现过3.0p.u过电压的概率也是相当低的。

二、国内实测结果

仅就电弧接地过电压的现场试验而论，我国先后在6-110KV接地电容电流为5-125A的中性点不接地或经消弧线圈接地的电网中，进行了大量的人工电弧接地试验和过电压测量。主要包括：（1）针对绝缘子和悬式绝缘子的沿面闪烁；（2）羊角间隙、棒间隙、短间隙和油中间隙的绝缘击穿；（3）长距离干、湿木质绝缘的沿面闪烙等情况下的电弧接地暂态过电压测量；（4）配电变压器油设备内部绝缘击穿引起的电弧接地过电压等。此外，加上全国电力系统中收集到的自动记录和现场测试结果，再加上多年的积累，共计数百个暂态过电压实测数据。试验研究结果表明，到目前为止，超过3.0pu的电弧接地暂态过电压，概率不大，其中最高一次为3.4p.u，其峰值作用时间为2ms左右。

此外，我国有的单位利用集中参数进行了电弧接地过电压的仿真模拟试验，在6-10KV中性点不接地电网电容电流为9-37A和2-25A的条件下，共获了近十个暂态过电压数据。结果表明，暂态过电压为0.1-3.4p.u。

三、单相电弧接地过电压的危害性

（一）、架空线路断线接地危及人身安全

我局供电网络所处的地区为雷电高发区，年雷暴日数为50多天，雷电灾害较为普遍，根据近年的统计，35KV输电线路曾多次被雷电击断并接地，6KV供电线路被雷电击断并接地的次数较为更多，线路接地处的草木被严重烧焦，岩石被烧变色。其他原因引起的架空线路断线接地也曾多次发生，例如：梭草坡至污水处理站6KV线路就曾发生过当地农民因打石粉放炮打断线路被电击死亡的事故。电网接地电容电流的严重超标使其发生单相接地后的接地电弧难于熄灭，在接地点附近会形成危险的接地电压和跨步电压，将会严重危及附近居民及其行人的人身安全，此外，强烈的高压电弧还容易引起火灾，必然会对人和动物构成更大的威胁。而采用谐振接地方式后，接地故障电流可降至5-10A，接地电弧的危害性就大大减小了。

（二）、单相电弧接地过电压容易引起电网绝缘弱点的击穿扩大事故范围

供电网络在日常运行中单相接地的机率是相当多的，就金属接地而言，非故障相的电压将会上升至相电压的3倍，如发生单相电弧接地或间歇性电弧接地，严重时电弧接地过电压将会达到3.5倍相电压；将会对网络中供电设施的绝缘薄弱点造成威胁。

电力系统中有大量的充油电气设备，若外壳密封不严或呼吸器不良，油面与空气直接接触导致潮气侵入，油和油浸的木质和胶木绝缘便会受潮，使泄漏电流增大。当电网内某处发生单相接地故障时，即使过电压不高，油箱内的部件也可能发生闪络或击穿，导致事故的发生。

真空与充气电器，因密封破坏，真空度下降或内部受潮，也会发生类似的现象，引起瓷瓶套管内壁闪烁，真空断路器和避雷器爆炸等。

电容型套管应用较广，随着运行年限的延长，其局部游离电压逐渐下降，也会形成绝缘弱点。因为它涉及到变压器等主要设备，一旦在过电压下丧失绝缘能力，后果往往十分严重。

暴露在空气中的架空线路，绝缘弱点问题就更加明显了，零值绝缘子是众所周知的，大气污染现象已成为一大公害，火电厂及工厂的烟尘污染尤为严重，容易引起大面积的绝缘子污闪事故。

电缆系统中，接头是公认的绝缘薄弱环节。过去常用的充灌绝缘胶附件，在制作过程中若混入气泡或在运行中发生裂纹，其中的空气游离后，也可导致介质击穿。当代应用的热缩电缆附件，也可因制造质量或施工工艺不良，而形成绝缘弱点。根据有关资料介绍，电缆故障的66是由外皮向内部发展的，而铅皮或同类设计的电力电缆，所有故障均是由导线和地之间的绝缘击穿引起的，这是因为在埋设时外皮损伤未被发现，后因运行中短路热应力和电动力等相关因素，在电缆芯线和地之间形成绝缘薄弱点。交联聚乙烯电缆，也因水树枝或电化树枝现象，在局部也可形成绝缘弱点。

（三）、单相电弧接地过电压，特别是间歇性电弧过电压还容易诱发电压互感器的铁磁振荡现象。

在电网中性点不接地电压互感器对地的感抗与电网的对地容抗相匹配的条件下，由于突然投入空母线或电网内发生瞬间电弧接地等原因，使电压发生突变，引起电压互感器铁芯饱和，导致三相对地导纳的不对称，便可能产生基波、高次谐波或低分次谐波等三种不同频率的中性点不稳定过电压，这是电压互感器烧毁及高压保险频繁熔断的主要原因。

（四）、单相电弧接地过电压的危害性大小，还与电弧接地过电压的概率、作用范围及其持续时间相关。

过电压的倍率及概率愈高危害性越大，关于作用范围问题，电弧接地过电压均作用于全网，而在作用时间的问题上中性点不接地的方式的电弧接地过电压持续时间相对较长。

四、我局6KV供电网络单相接地电容电流现状及其典型事故实例分析

98年我所对全局6KV电网的单相接（金属性）电容电流进行了测量，梭草坡变电所为A相28.67A,B相28.91A，C相26.28A，金鸡岩变电所为A相67.23A,B相56.40A，C相67.80A，天池变电所为A相9.33A，B相11.07A,C相10.69A，坪子变电所为A相45.30A，B相41.71A，C相82.95A，松藻变电所为A相42.18A，B相46.00A，C相41.57A。我局以上5个35KV/6KV降压站，其中4个站6KV电网单相接地电流严重超过《煤矿安全规程》的规定（20A），1个站已达到《电力设备过电压设计技术规程》的规定允许最大值（10A）。

典型事故一：梭站电缆事故。

1998年5月8日，梭草坡变电站发现6KV出线24号柜（一矿井下）漏电动作，36#柜（一矿污水站）过流动作跳闸，6KV母线接地，相继12#柜（一矿主井绞车一回），26#柜（主井绞车二回）过流保护动作跳闸。在试送以上开关柜时，引起一矿电缆沟内起火，导致沟内13根电缆烧断12根的严重事故。事后矿务局有关部门对事故原因进行了调查分析，我们认为比较主要的原因之一就是单相接地电弧及其过电压的危害造成的，其理由是：首先梭草坡变电所的电容电流为28A左右，已起过了“规程”的要求，估计36#柜、24#柜、12#柜、26#柜的其中一回线路首先发生单相接地电弧过电压，从而导致36#柜大石壁电缆头放炮短跳闸，24#柜漏电动作跳闸，12#柜、26#柜的其中一回必然发生了单相接地，直至发展为相间短路，同时短路电动力和接地电弧，引起了其他电缆线路的事故。后来在试送事故及故障线路时，引发了电缆沟内的再次燃烧及短路事故。总之我们认为，此次事故的发生是由一回路的单相接地电弧过电压诱发的，单相接地电弧过电压或间歇性电弧过电压，引起了其他电缆事故及其附件的绝缘薄弱点击穿，并发展为电缆的相间短路，另外较大的接地电弧引起了相邻电缆的燃烧。

典型事故二：99年“4.19”事故。

1999年4月19日3时至11时40分，梭草坡变电站6KV系统发生13次间歇性接地。11时45分，梭草坡变电站24#柜（打通一矿井下二回）漏电动作跳闸，6KV系统接地：A相6.5KV，B相0，C相6.3KV。11时52分。27#柜、36#柜速断保护动作跳闸，同时301、601开关跳闸，27#柜和36#柜内冒烟，40#柜（一矿机修厂）避雷器阀片被击落。

经调查分析：24#柜井下电缆附件接地，27#柜出线电缆中的接线进水放炮，两端电缆头接地线熔化。36#柜大石壁家属区6KV高压电缆烧断，6KV出线电缆有3处击穿，其中变电所内电缆沟内起火（被值班员当场扑灭），高压开关柜二次端子电流表、电度表线圈被烧毁，6KV电流互感器被击碎2只。这次事故造成27#柜水泥厂线路供电中断9小时，36#柜供电中断56小时的严重后果。

这次事故的原因显然是电缆的单相间歇性电弧接地过电压造成。事故之前的13次间歇性电弧接地过电压，造成了6KV供电网络中电缆线路绝缘薄弱点绝缘的不断恶化，直至击穿，并发展成为永久性接地及相间短路，较高的频繁的间歇性电弧接地过电压还造成了C.T和相关二次设备的损坏燃烧,大电流的接地电弧引起了电缆的燃烧。同时还有很大可能发生了不同线路的异相接地短路。

五、单相电弧接地过电压的治理措施

单相电弧接地过电压的治理，在我国从理论到实践都已有了比较成熟的经验，即采用限制单相接地电容电流的自动跟踪补偿消弧装置（谐振接地方式）。

（一）、自动跟踪补偿消弧装置工作原理

1、减小接地故障电流。

当补偿电网发生单相接地故障时，利用电流谐振原理适当调整消弧线圈的电感，便可使故障点的接地电弧瞬间自行熄灭，而接地电弧过零熄灭是否重燃，将主要由故障相恢复电压的初速度确定。

2、降低故障相恢复电压的初速度

当发生单相接地故障时，中性点位移至相电压，故障相的电压降为零，非故障相电压升高到线电压，当接地电弧熄灭后，补偿电网恢复正常运行过程中，故障相电压的恢复电压速度和时间与阻尼率d，失谐度直接相关，或者说它同故障点的残流I_δ与接地电流I_C的比值成正比，显然，当残流减小时，恢复电压的初速度降低，接地电弧较难重燃。实际上，当补偿电网的运行方式确定后，I_C和阻尼率d便是常数，故只有减小失谐度，即失谐度趋近于0，则恢复时间τ越长，恢复电压的初速度愈低，接地电弧就越难重燃。

由于消弧线圈的作用，降低了恢复电压的初速度，延长了故障相电压恢复时间，并限制了恢复电压的最大值，从而可以避免接地电弧的重燃，达到彻底熄弧的目的，同时也降低了电弧接地过电压，一般可达到2.5P.u以下。

（二）、消弧线圈容量的确定

消弧线圈的容量选择，应以现行电网的电容电流为主要依据，并适当考虑近期发展。

计算公式为：Q=SI_CU_A/3

式中：Q为消弧线圈容量，KVA；S为容量储备系数，一般为1.25-1.5；I_C为系统对地电容电流，A；U_A为系统额定电压，KV。

同时，还应考虑最小运行方式下系统电容电流≥消弧线圈最小电流。

我局单相接地电容电流超过规程规定的4个变电所，单相接地电容电流Icmax及消弧线圈容量见下表（S取1.5）。

(三)、自动跟踪补偿消弧线圈在6KV系统中的配置及其一次接线方式（以ZGTD系列产品为例）。

1、成套装置的结构组成

成套装置由Z型接线接地变压器，有载调节消弧线圈，限压阻尼电阻箱，微机测量控制器，ML-98H微机选线装置五件构成。

2、一次接线

在用于双母线或单母线分段运行时，各母线上的消弧线圈独自承担本母线的跟踪补偿任务。

当母线并列运行时，两套装置共同承担两段母线的跟踪补偿任务，为保证两套装置负荷平衡及避免抢负荷，“ZGTD”自动跟踪消弧线圈在两套装置并列运行时，采用下述方法进行调节：

主机在检测系统对地电容变化后，不经延时立即进行调节操作，每次调节一档。调档完成后，主机将变为备机。

备机在检测到系统对地电容变化后，不立即调节，而是延时30秒，在延时时间内，主机进行调节后，备机检测到的系统接地电容电流恢复为原来的数值，因此，备机不进行调节，此时备机将转为主机，以此循环调节。其档位差可保证不大于1档。

用于6KV系统时，一次接线图如下：

一次设备的连接应使用电缆或铝排，电缆或铝排截面根据容量确定。

（四）、ML-98H微机选线装置

当系统发生单相接地时，由于接地点残流很小（当采用自动跟踪补偿消弧线圈时，将小于5A），且根据规程要求，消弧线圈必须处于过补偿状态，接地线路及非接地线路流过的零序电流方向相同。采用常规的零序过流，零序方向保护无法检出接地线路。而ML-98H微机选线装置采用基波方向、谐波方向和基波有功功率等三种方法，实现选线功能，其判断准确度达100，从根本上解决了自动跟踪补偿消弧线圈系统接地选取线的难题。

ML-98H带有微型打印机，串行通讯接口，可选配开关量输出功能及跳闸功能，可接入4段母线，出线数为28路，可扩展到40路。其中的跳闸功能可解决地面向井下供电线路单相接地后的跳闸问题。

（五）、两台主变分列运行减小单相接地电容电流

我局单相接地电容电流“超标”的四个35KV变电站，主变配置均为一备一用，如果能采用两台主变分列运行，就能相对缩小供电系统的区域，从而把单相接地电容电流相对减少一半左右，从而减小单相接地电弧过电压的危害程度。

六、结论

在中性点经消弧线圈接地的运行电网中，单相接地电弧过电压将会得到有效的抑制，对自动跟踪补偿装置而言，电弧接地过电压一般可限制到2.5倍相电压以下，瞬间电弧接地过电压可降到2.3倍相电压以下，稳定电弧接地过电压，则很难产生。同时接地故障电流可降至5-10A，接地电弧的危害性就大大地减轻了。当发生单相永久性接地故障时，因残流甚小，所以接地电压和跨步电压均低，即使电网短时带故障运行，偶尔触电一般也无生命危险。总之，采用自动跟踪补偿消弧线圈装置是限制单接地电弧过电压的有效途径,并能可靠地保证井6KV系统的单相接地电容电流小于《煤矿安全规程》的规定，减小电气设备及供电线路的过电压危害程度，减小了事故停电发生频率，确保矿井的供电安全。