[科普中国]-间歇性电弧接地

间歇性电弧接地是指在中性点不接系统中，当发生一相对地短路故障，常出现电弧，由于系统中存在电容和电感，此时可能引起线路某一部分的振荡，当电流振荡零点或工频零点时，电弧可能暂时熄灭，之后事故相电压升高后，电弧则可能重燃，这种现象为间歇性电弧接地。

概念间歇性电弧接地--在中性点不接系统中，当发生一相对地短路故障时，常出现电弧。在中性点不接地系统中，因间歇性电弧接地产生的过电压较高，且持续时间长，可能危及设备绝缘，甚至引起相间短路。相关研究采用仿真计算的方法，研究了10 kV和35 kV系统的间歇性电弧接地过电压，计算结果表明过电压的大小与系统参数、接地电弧的熄弧时间、电弧重燃次数和弧道电阻等因素有关。

配电网间歇性电弧接地过电压的仿真分析配电网能否安全可靠运行，对社会经济和人民生活的影响越来越大。随着中国城市电网及农村电网改造力度的加大，以及城市现代化进程的快速推进，地下电缆得到了广泛应用，导致配电网系统电容电流越来越大。由于电容电流的增大，当系统发生单相接地时不能可靠熄弧，使故障扩大，使其成为相间短路而导致线路跳闸。同时由此造成的间歇性电弧接地过电压对电气设备的绝缘也造成严重威胁，轻则开关爆炸，重则火烧连营，甚者引起大型变压器线圈变形。河南平顶山供电公司所属110 kV建设变电站10 kV系统，曾因弧光接地过电压多次造成10 kV开关柜爆炸损坏，致使母线短路，造成变压器低压线圈变形。以平顶山供电公司110 kV建设变电站10 kV系统和220 kV贾庄变电站35 kV系统为例进行仿真计算，具体分析电弧多次重燃产生的过电压。根据仿真计算结果，提出了相应的综合防范措施。

电弧多次重燃产生过电压的仿真计算（1）依据高频熄弧理论的过电压仿真计算

高频熄弧理论是假设 A 相电压为其峰值时发生第 1 次对地燃弧，通过对系统单相接地所产生的对地电流的波形，可分析得到接地产生的高频电流过 0点的时间，再以此作为一次高频熄弧时刻，而故障点的电弧对地再次重燃，是假定高频振荡过电压在最大值时发生，即其后半个工频周期，在 A 相电压峰值处发生再次对地重燃，以后过程同上并重复。

（2）依据工频熄弧理论的过电压仿真计算

工频熄弧过电压仿真电路模型同样按照图1，只是要改变3个接地开关的动作时间，即第1个开关：tcl=5 ms，top=15 ms；第2个开关：tcl=25 ms，top=35 ms；第3个开关：tcl=45 ms，top=1 s。10 kV系统经历A相发生3次对地燃弧、2 次工频电流过0熄弧过程，仿真计算得到的系统三相电压波形见图2。

由图2分析可知，系统每次发生电弧接地都会引起系统高频振荡，产生过电压；而每次发生 A 相接地电流过 0 熄弧，都会使系统产生一个直流分量；系统第 2 次重燃产生的过电压与第 3 次重燃产生的过电压数值相同，则可依此类推，其后产生的最大过电压亦应相同。最大电弧接地过电压倍数为kC=3.54。

电弧接地过电压的仿真计算小结通过对电弧接地过电压的仿真计算可知：对于10 kV系统，当发生 2 次高频熄弧、3 次重燃时，系统可能产生的最大过电压为 41.684 kV，过电压倍数是5.1，若再发生多次高频熄弧和重燃的过程，系统可能产生的过电压还会更高，对系统绝缘威胁极大；当发生 2 次工频熄弧、3 次重燃时，系统可能产生的最大过电压为 27.18 kV，过电压倍数是 3.33，若再发生多次工频熄弧和重燃的过程，系统可能产生的最大过电压不变。对于 35 kV 系统，当发生 2 次高频熄弧、3 次重燃时，系统可能产生的最大过电压为128.58 kV，过电压倍数是 4.5，若再发生多次高频熄弧和重燃的过程，系统可能产生的过电压还会更高，对系统绝缘威胁较大；当发生 2 次工频熄弧、3 次重燃时，系统可能产生的最大过电压为 87.259 kV，过电压倍数是 3.19，若再发生多次工频熄弧和重燃的过程，系统可能产生的最大过电压不变。接地电阻和对地电容是影响电弧接地过电压倍数的主要因素。

防范措施大量现场模拟试验证明，在 6～35 kV 中性点不接地系统中，电容电流只要超过 10 A，一旦发生间歇性接地，电弧难以自行熄灭，产生过电压的几率较高。因此，防止配电网产生间歇性电弧接地过电压的根本途径是消除间歇电弧，其次是提高设备绝缘水平、降低弧光接地过电压倍数。主要有以下措施：①尽可能将 6～10 kV 裸导线更换为绝缘导线。②加大配电线路走廊内的清障力度，减少配电线路间歇性接地的几率。③热备用开关解除备用状态。④选用绝缘性能良好、爬电比距较大的设备，检修维护好设备，防止设备外绝缘脏污、受潮。 ⑤中性点经消弧线圈接地方式。当系统接有预调式的消弧线圈时，能有效地降低电弧接地过电压的倍数；而当系统采用随调式的消弧线圈时，其限制电弧接地过电压的作用，与其动作响应时间有极大关系，即动作响应时间越短，效果越好，反之效果不明显。⑥中性点经小电阻接地方式。可以缓解弧光接地时的过电压，但扩大了单相接地时的故障电流。⑦系统内安装消弧柜，将间歇性电弧接地快速地转化为金属接地（原理很好，设备须经过实践验证）。

根据所辖变电站的不同情况，分别采取了相应的防止间歇性电弧接地过电压的措施。原来多次发生弧光接地过电压事故的变电站，采取措施后事故率明显降低。如建设变电站 10 kV系统，在没有采取措施之前，少则每 1 至 2 年发生 1 次事故，多则每年发生一至二次事故；采取措施以后，五年多来建设变电站没有发生过一次事故。其他变电站的 6～35 kV系统与建设变电站的情况类似，弧光接地过电压事故大大减少。实践证明：以上防止弧光接地过电压的措施是非常有效的。

通过仿真计算分析和模拟实验结果可知， 必须充分认识间歇性电弧接地过电压造成的危害，并积极采取一些有效的综合预防措施，避免或减少由于弧光接地过电压造成的损失，提高配电网的供电可靠性。1

配电网间歇性电弧接地故障选线方法小电流接地系统是指配电变压器星形侧的中性点不直接接地的系统。中国的配电网系统中，中性点接地主要分为3种情况：经高阻抗接地，经消弧线圈接地和不接地。当小电流系统发生接地故障时，系统三相间的线电压依然是对称的，对用户的供电没有影响，所以不必立刻断开故障线路，按照电力规程规定还可以继续运行1～2 h。因此，在国内外中低压配电电网中 ，小电流接地系统得到了广泛的应用。然而在故障期间，其他两相的对地电压升高，如果发生间歇性的电弧接地，还会产生 3 倍于相电压的过电压，长期运行会损坏系统绝缘，继而引发相间的故障等问题。为避免引发更严重的问题，当其发生故障时，应及时发出信号，采取相应的措施，并且在规程规
定时间内切除故障。现有的选线技术在现场的选线效果并不理想，主要是由于实际的接地故障情况更加复杂，其中间歇性电弧接地故障更容易发生，同时熄弧和燃弧的过程中容易带入大量的高频分量。2

及时准确地选出故障线路已成为研究热点。也取得了一些成就，提出的选线方法有：①零序电流幅值比较法，零序电流方向法，谐波法，零序电流有功分量法，负序电流法，零序导纳法和注入信号寻迹法等基于稳态算法的选线方法；②暂态零序能量法和暂态零序相位法等基于暂态算法的选线方法；③小波变换法和人工智能法等基于现代信号处理技术的选线算法。现有的选线方法，在一定程度上都受到电流互感器（CT）、出线回路数、配电网运行的方式及过渡阻抗的影响，这些影响对选线方法提出了更高的要求。

选线原理（1）自适应陷波滤波器原理

一个理想陷波滤波器的频率响应特点是在所有频率处的增益为1，而在某一特定频率处增益为 0，使得该频率的信号无法通过，而其他频率的信号能够完全通过。自适应陷波滤波器有能够跟踪信号频率变化来改变陷波频率的能力，通过设置合适的陷波频率，就可以提取出基波及谐波（基波频率的整数倍）信号。

（2）谐波分量法选线原理

由于消弧线圈、故障点等电气设备的非线性影响，故障电流中存在着谐波信号。谐波的次数越高含量越少，以基波值为基数的百分比中，5次谐波电流所占百分比为 2%～8%，7 次谐波电流所占百分比为1%～5%。并且消弧线圈对5次谐波的补偿作用仅相当于工频时的1/25，可以忽略其影响。因此，故障系统中含有较大量的5次谐波。

仿真分析经典的电弧动态特性模型为Cassie和Mayr模型。从它们的建立过程可知，Cassie模型适用于低电阻电弧状态，Mayr模型适用于高电阻电弧状态。工频熄弧理论认为电弧在工频电流过零的时候熄灭，而每经过半个周期重燃。基于上述理论，为了建立一个可靠的电弧模型，研究以开关的开合来表征电弧的燃熄，对故障条件下的第i条线路选线进行仿真分析。

研究结论研究用仿真实例对配电网中性点不接地系统在馈线上发生间歇性电弧接地故障的情况作了详细分析，并利用自适应陷波滤波器方法进行仿真分析。结果表明，在发生间歇性电弧接地故障时，该方法能够有效地选出故障线路，且其原理简单、可靠，具有很好的应用价值。由于在实际配电网单相接地故障中，电弧接地情况更为复杂，因此，下一步的工作需要对更多的不稳定电弧和间歇性电弧接地故障类别进行分类研究。3

本词条内容贡献者为:

何星 - 副教授 - 上海交通大学