长江大学 王海峰
摘要：消弧及过电压保护装置（简称KWX），是为了迅速消除中性点非直接接地系统弧光接地给电器设备带来的危害而研制的最新专利技术产品。装置主要由三相组合式过电压保护器DCB、可分相控制的高压真空接触器JZ、微机控制器、高压限流熔断器组件FU及带有辅助二次绕组的电压互感器PT等组成。
关键词：消弧 过电压 KWX 限制措施
1、中性点非直接接地系统弧光接地过电压的危害
1.1弧光接地的产生
①固体绝缘设备的增多降低了系统承受过电压的能力
随着我国电网的发展，具有固体绝缘的电缆线路逐渐取代架空线路。由于固体绝缘击穿的积累效应，在3～4倍的内部过电压作用下，局部放电会造成绝缘的积累性损伤。
②真空断路器的大量采用使操作过电压的概率大大提高
由于真空断路器很强的灭弧能力，在电弧过零点之前被强行截断。截流后电感中的磁能在向杂散电容充放电的振荡过程中，产生过电压。这种过电压，主要产生在相间，一般为额定相电压的3～4倍。
③内部过电压得不到有效限制使绝缘寿命大大降低
按照国标GB311.1的规定，220kV及以下的系统以雷电过电压作为防护重点。对于3～35kV的中压系统，大多数场合还在采用传统的避雷器来限制过电压。避雷器的放电电压为相电压的4倍以上，按躲过内部过电压设计。而且避雷器接在相对地之间，对发生在相与相之间的操作过电压，根本起不到限制作用。
在内部过电压的长期持续作用下，聚乙烯交联电缆等固体绝缘设备的运行寿命大大降低，形成绝缘的薄弱环节，导致对地击穿。
④雷击、鸟害、断线、树枝等外力破坏以及阀式避雷器放电等，是产生弧光接地的外部原因。
1.2弧光接地过电压的产生
形成弧光接地过电压的基础是间歇性电弧。当中性点非直接接地系统发生单相间歇性弧光接地（以下简称“弧光接地”）故障时，由于电弧多次不断的熄灭和重燃，导致系统对地电容上的电荷多次不断的积累和重新再分配，在非故障相的电感—电容回路上引起高频振荡过电压。对于架空线路，过电压幅值一般可达3.1～3.5倍相电压。
以电缆线路为主的供电电网， 绝缘击穿或电弧重燃时过渡过程中的高频电流，可达数百安培甚至上千安培。高频电流过零点电弧熄灭的可能性大大提高，电缆线路弧光接地时，非故障相的过电压可达4～71倍。
1.3弧光接地过电压的危害
①高幅值的过电压加剧了电缆等固体绝缘的积累性破坏
对于中性点非直接接地系统，我国现行规程笼统地规定允许带单相接地故障运行2小时，并未区分是架空线路还是电缆线路，也没有明确是弧光接地还是金属接地。在高幅值的弧光接地过电压的持续作用下，加剧了电缆等固体绝缘的积累性破坏。最终在非故障相的绝缘薄弱环节造成对地击穿，进而发展成为相间短路事故。
②弧光接地过电压导致烧PT或保险熔断
普通的电压互感器饱和点一般为1.6～1.8倍，在弧光接地过电压作用下，使电压互感器严重饱和，激磁电流剧烈增加。另一方面，电压互感器饱和，也很容易激发铁磁谐振，导致电压互感器过载。上述两种情况，都将造成电压互感器烧毁或高压保险熔断。
③ 弧光接地过电压导致避雷器爆炸
弧光接地时，过电压的能量由电源提供，持续时间较长，能量很大。当过电压的能量超过避雷器所能承受的400A 2mS的能量指标时，就会造成避雷器的爆炸事故。
2、弧光接地时电弧对故障点的破坏
2.1 弧光接地时流过故障点的电弧电流
弧光接地或电弧重燃的瞬间，已充电的相对地电容将要向故障点放电，相当于RLC放电过程。放电电流为：
过渡过程结束后，流过故障点的电弧电流只剩下稳态的工频电容电流，其有效值为：
I=3Uω0C
瞬时值为：
流过故障点的综合电弧电流为：
2.2 不同电网单相接地时的电弧电流
不难证明以电缆线路为主的电网和以架空线路为主的电网，当发生单相电弧接地时，电弧电流具有如下特征：
① 电缆线路的稳态工频电弧电流是架空线路的25～50倍；
② 电缆线路的高频电弧电流是架空线路的十倍以上 ；
③ 架空线路的接地电弧较长，高频电弧电流衰减较快。
2.3 单相接地电弧电流对架空线路的破坏
由于高频电流较小，且衰减较快，发生单相接地时，电弧电流对故障点的破坏程度，主要取决于稳态的工频电容电流。正因为这样，几十年来，人们一直把工频电容电流当作单相接地时的电弧电流。
单相接地时的电弧电流对故障点的破坏，主要表现在：
① 燃弧点的温度高达5000K以上，将会烧伤导线，甚至导致断线事故。
② 若电弧不能很快熄灭，则在风吹、电动力、热气流等因素的影响下，将会发展成为相间弧光短路事故。
2.4 单相接地电弧电流对电缆线路的破坏
① 由于电缆线路的稳态工频电容电流比架空线路大很多，而过渡过程中的高频电流更大，电弧电流对故障点的破坏程度远比架空线路严重得多；
② 电缆线路的相间距离很短，电弧燃烧时将直接破坏相间绝缘，以致于在几分钟之内就会形成相间短路事故。
3、我国限制弧光接地过电压的措施分析
3.1消弧线圈的作用
① 消弧线圈曾经对提高3～35kV架空线路供电可靠性起到了积极的作用
中性点非直接接地系统发生单相接地时，三相电压是对称的，仍然可以继续供电。由于消弧线圈的电感电流补偿了电容电流，使得故障点的电弧能够自行熄灭，这就大大减小了因受风吹、电动力等影响而引起直接的相间弧光短路的可能性。一旦电弧自行熄灭后，架空线路的绝缘又可以完全恢复。
②消弧线圈对于以电缆线路为主的供电网络已不能继续发挥作用
随着城网改造的进行，架空线路逐步被电缆线路取代，中压电网中固体绝缘的设备逐年增多，以及现有电缆线路随着运行时间的加长绝缘逐渐老化。近几年来弧光接地过电压的问题越来越突出，以至于电缆放炮等绝缘事故成为影响企业内部电网和供电电网安全运行的主要因素。
几十年来人们误认为消弧线圈能够限制弧光接地过电压。其实不然，消弧线圈不仅不能抑制弧光接地过电压，有时反而加大了过电压的幅值①。
从弧光接地过电压产生的整个过程来看，与系统对地电容电流的大小并无关系。有人曾经在系统对地电容电流为1.1～4.5A的情况下做过上千次试验，结果每次都有弧光接地过电压产生①。消弧线圈无法将故障点的电弧电流降低到1.1A以下，因此并不能抑制弧光接地过电压。所以，我国现行规程并不建议采用消弧线圈来抑制弧光接地过电压①。
正是由于消弧线圈的投入，减少了故障点的电流，加快了故障点绝缘的恢复，使得在电压接近最大值的时候发生击穿的可能性以及在高频电流过零点击穿的可能性大大增加。这都会导致过电压幅值的增加。
如前所述，电缆线路发生单相电弧接地时，电弧电流以高频电流为主。而消弧线圈只能补偿工频电流的90～95%，对于高频电流根本起不到补偿作用。消弧线圈无法减轻高频电弧电流对故障点的破坏。
与架空线路不同的是，电缆线路等固体绝缘设备的绝缘水平低于架空线路，一旦发生击穿其绝缘很难恢复，而且故障的发展非常迅速，这类设备对弧光接地过电压的承受能力远远低于架空线路。大量的事故表明，电路线路发生单相接地警报之后，少则几秒钟多则十几分钟就已发展成为相间短路事故。
③消弧线圈正常运行时给系统带来的问题
a.消弧线圈与系统对地电容串联谐振，产生虚幻接地或串联谐振过电压
可以证明，是消弧线圈的投入，放大了系统的不平衡电压Ubp，使系统中性点产生位移电压U0：
U0=Ubp
正是这一位移电压，才导致接地保护误动作发出接地警报，造成虚幻接地现象或者串联谐振过电压。
b.消弧线圈与系统对地电容并联谐振，产生传递过电压③
变压器高压侧的对地过电压U01通过高低压绕组之间的耦合电容C12传递到低压侧，使低压侧产生过电压U02.这一过电压取决于变压器低压侧对地阻抗Z20与高低压绕组间耦合阻抗Z12之间的分压比，即传递系数K.等效电路如下图所示：
其中，Z12由高低压绕组之间的耦合电容C12构成，Z20由消弧线圈的电感L及系统对地电容C构成。
U02=KU01
K=Z20/（Z20+Z12）
由于正常时LC运行在谐振点附近，变压器对地阻抗Z20很大，使得传递系数接近于1，产生传递过电压。
c.选线灵敏度降低甚至无法选线。
中性点非直接接地系统发生单相接地故障时，应尽快选出故障线路，以便检查处理。由于消弧线圈的补偿作用，使故障点的电流减少，相位发生变化，必然会降低选线的灵敏度，甚至使选线工作根本无法进行。
3.2 中性点经小电阻接地
正因为消弧线圈不但不能避免电缆事故，在正常运行时还存在上述诸多问题，我国北京、上海、广州等地区已逐步将中性点经消弧线圈接地改为经小电阻接地方式，我国石油化工系统也提出了采用小电阻接地方式的建议④。
中性点经小电阻接地，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，但扩大了单相接地时的故障电流，加剧了故障点的烧伤，牺牲了对用户供电的可靠性。对于用电企业，被迫停电将会造成巨大的经济损失。
3.3 将电弧接地快速地转化为金属接地
为能有效抑制弧光接地过电压，防止电缆事故的发生，避免企业因被迫停电所带来的经济损失，当发生单相电弧接地时，应当在以下方面采取措施：
①尽快熄灭电弧，防止故障进一步发展；
②尽快将过电压限制在安全水平，避免固体绝缘的积累性破坏；
③允许用户在完成转移负荷的倒闸操作之后再处理故障线路，避免被迫停电。
在中性点非直接接地系统中，发生单相电弧接地时，若能快速地转化为金属接地，则可收到如下效果：
① 由于故障相直接与地网连接，对地电压等于零，工频电弧和高频电弧都将立即熄灭；
② 金属性接地后，非故障相上的过电压立即稳定在倍，系统中的设备可以在这个电压下安全运行；
③ 由于电弧被熄灭，过电压被限制在安全水平，故障不会再继续发展，为用户倒闸操作赢得了时间，避免造成被迫停电。
④ 由于弧光接地的持续时间大大缩短，过电压的能量降低到过电压保护器允许的400A 2mS能量指标以内，避免了过电压保护器爆炸事故；
⑤ 由于母线过电压被限制在较低的水平，可避免激发铁磁谐振过电压。
3.4将故障相经氧化锌非线性电阻接地
① 由于氧化锌非线性电阻导通电压不为零，装置动作后不能保证立即熄灭电弧，电弧熄灭后也不能保证不重燃；
② 电弧一旦熄灭并不再重燃，则系统电容电流将全部流过氧化锌非线性电阻，若能容量按照1MJ设计，氧化锌非线性电阻也只能维持5秒钟，仍不能避免被迫停电。
4、结论
近几年来，经过冶金、煤炭、石油、化工及供电等企业的数百台运行经验表明，将单相电弧接地快速地转化为金属接地的办法，在提高供电电网和企业内部电网的供电可靠性方面，收到了较理想的效果，受到用户的欢迎和认可。
消弧及过电压保护装置（简称KWX），是为了迅速消除中性点非直接接地系统弧光接地给电器设备带来的危害而研制的最新专利技术产品。装置主要由三相组合式过电压保护器DCB、可分相控制的高压真空接触器JZ、微机控制器、高压限流熔断器组件FU及带有辅助二次绕组的电压互感器PT等组成。一旦系统发生单相弧光接地，微机控制器立即判别故障类型和相别并向故障相的真空接触器JZ发出动作指令，真空接触器JZ在30mS左右完成合闸动作，间歇性弧光接地随之被转化为金属性接地。真空接触器动作之前的过电压由三相组合式过电压保护器DCB限制在较低的数值。当由于装置故障、检修调试人员误接线等原因造成装置误判断，导致相间弧光短路时，FU组件可以在2mS之内快速熔断，短路电流远没有达到最大值，不会造成任何后果，对系统的运行没有影响。
参考书目：
1. 电气工程
2. 自动控制原理