（中国第一重型机械集团公司 300300）
摘要：本文阐述了中性点经消弧线圈接地系统中的绝缘击穿的原因，尤其是提出了这种接地系统中存在中性点能量的观点，论述了解决绝缘击穿的具体措施。对新建和改扩建中性点经消弧线圈接地系统的电网设计和解决此类故障具有一定的实用性。
关键词：绝缘击穿；消弧线圈接地；中性点能量；电缆绝缘；发热电阻
1.引言
随着国民经济的发展，工矿企业35kV供电网络采用了中性点经消弧线圈接地系统，给企业带来巨大的经济效益和十分明显的技术进步。同时，由于新技术和装备的引进，给企业电网的可靠性带来不同程度的危害，尤其是电网的绝缘击穿，表现的形式是：系统的绝缘都正常，带较大负荷运行一段时间后，35kV供电网络发生了电缆终端击穿、热备用的负荷进线电缆击穿等故障、以致于断路器相间或纵绝缘闪络放电、甚至35kV变压器主绝缘破坏。此类故障对于运行人员来说，判断起来很困难。某企业（中国一重）35kV开闭所，投入时故障频繁，尤其是带较大负荷运行过程中上述故障发生的几率更高。所以，对电网的绝缘击穿的故障分析、剖析其故障机理、找出解决办法是各个生产企业的当务之急。
2.绝缘击穿的故障分析
2.1 35kV开闭所的运行方式与故障现象
35kV开闭所电源取自110kV/35kV总降压站，35kV电网总容量为240MVA，由第五开闭所单母线分段带部分负荷和分配电能，每段带有一套1650kVar自动调节的消弧线圈接地装置，分配给第一开闭所容量为5250kVA，35kV侧中性点采用经消弧消谐装置接地型式，一次主接线见图1。
图1 35kV电网一次主接线原理图
故障类1：电缆终端击穿；故障类2：变压器35kV侧匝间绝缘短路。
2.2绝缘击穿故障的分析
2.2.1中性点能量引发绝缘热击穿
35kV网络中性点经消弧线圈补偿原理图（以电缆终端为例）见图2。
图2 35kV网络中性点经消弧线圈接地系统电缆绝缘示意图
其中：1—变压器35kV侧绕组 2—电缆终端 3—自动调节消弧线圈 4—电缆外屏蔽导体接地
Ca、Cb、Cc分别为a、b、c相对地电容
根据DL/T620-1997 中，35kV的电缆线路，当电容电流超过20A时，中性点应采用经过消弧线圈接地系统，对于配电网络，应采用过补偿方式。其补偿的原理：对电网中性点的补偿容量QL大于等于中性点产生的电容电流的能量QC，可以看出补偿过程是接近L-C震荡的过程，在该过程中必然存在一个在网络中运行的能量Q，由于网络中电缆的路径比较长，此能量流动的方向表现为电容电流和补偿电感电流的方向矢量差。
其中：K—补偿系数，一般取1.35
可以看出，无论中性点消弧线圈投入与否，电网的中性点都有电容电流流过。投入中性点消弧线圈只是当网络中发生单相接地故障时，能够有效地减少电弧的产生和系统不至于停电。实际运行中，发生单相接地故障时，投入中性点消弧线圈后，当绝缘崩溃时，反而加剧了弧光的产生，比中性点不接地和经高电阻接地时的弧光更强烈。
中性点经消弧线圈补偿过程中，至少有能量为QC的电能运行于中性点及其接地系统中——中性点能量。并不是我们习惯地认为中性点经过消弧线圈接地后，其中性点能量为0。可以理解为就像0℃的水与0℃的冰之间存在着内能一样，在正常运行时，此能量是必要消耗在中性点与其接地系统构成的回路中，由具有电阻性的元件消耗掉，而系统中没有外加任何消耗元件，接地体的电阻值又很小，这样就加剧了电缆终端接地线与电缆绝缘外屏蔽处的能量消耗，从电缆击穿的现象看，都是有一个直径15～20mm的圆形电痕迹，用固体物理的电击穿理论解释，此种击穿属于热击穿，即：中性点的能量与电缆绝缘层介质损耗能量叠加效应击穿，而且具有累积效应，表现在电气指标上，即：中性点脉冲冲击电流与负荷电流的合成效应。在电网负荷发生波动时，随着电容电流的变化中性点能量也在发生波动，中性点经消弧线圈补偿过程中，不可能做到分相补偿，必然会发生不对称三相电流，形成了较强烈的中性点扰动信号加载，破坏了中性点固有频率和工频，表现在能量上是电缆终端接地线与电缆绝缘外屏蔽处的能量消耗急剧加大，而电缆绝缘层是以工频击穿场强设计的，介质损耗也是以工频为基础的，由于上述现象的存在，会使电缆终端接地线与电缆绝缘外屏蔽处的电缆绝缘发热，老化加剧，直到最后发生热击穿。实际运行中，测试电缆终端外半导电屏蔽及外导体与接地线的连接处的温度远大于交联聚乙烯绝缘电力电缆的工作温度90℃。运行负荷越大温升越快，温升值还要高。所以，中性点能量的存在，“改变了”电缆（或变压器）绝缘层的耐热能力—工作温度，势必加快了绝缘层的老化速度，同时由于绝缘层的温升增大了绝缘层的介电常数和介质损耗角正切值，直至发生热击穿--电缆终端击穿、变压器35kV侧匝间绝缘短路。
2.2.2 35kV网络中固有频率的叠加效应加剧绝缘的破坏
对35kV电网我们平常理解为中性点不对称电压频率也是工频50Hz，但实质上由于中性点经消弧线圈接地还存在L-C固有振荡频率，其固有频率f：
（Hz）
其中：L--消弧线圈的电感（H） C—系统的对地电容（F）
由于该固有频率的存在，对电缆绝缘承受的电压具有一定的扰动性，电缆的绝缘是按照工频电压设计的，由于其受到扰动，使电缆长期耐受比正常电压高得多的电压数值—电压谐波，而且像电弧炉等波动性较大的负荷本身运行中谐波含有率就很高，加上2.2.1中的论述，已运行过的负荷处于热备用状态，发生击穿是必然的。所以，35kV电网中性点固有频率的叠加效应加剧绝缘的破坏是不可忽视的。
3. 35kV中性点经消弧线圈接地系统绝缘击穿故障的对策
3.1降低系统的电容电流
为了降低35kV网络的中性点能量，关键是降低中性点的电容电流——单相接地故障电容电流。首先，尽量减少热备用状态的分支负荷，将其停运；其次，减少网络中用电设备中性点接地的数量，比如：电压互感器的一次侧尽量不采用或减少采用中性点接地方式、网络中的阻容吸收装置采用中性点不接地方式等，这些设备在网络设计计算电容电流时没有计入中性点电容电流中，实际测试中它的含量在7%～15%左右，对降低电容电流有一定的效果；第三，电气设备及材料选用绝缘性能优良的产品，比如电力电缆、变压器、避雷器等，就某一线路的电力电缆，绝缘水平的高低决定了该条电缆的电容电流的大小，所以，除了提高网络的绝缘水平可以避免绝缘击穿故障的直接方法外，选择用电和材料设备上也是关键的。
3.2采用与消弧线圈串联的发热消耗电阻
消除35kV中性点经消弧线圈接地系统中中性点能量对绝缘的破坏，最主要是把这部分能量消耗掉，因此在消弧线圈回路串联接入一定数值的发热消耗电阻，该电阻的额定功率选择Pe=QC，电阻值按运行经验确定，一般小于等于消弧线圈的阻抗值，可取100Ω～300Ω。
4.结论
某企业（中国一重）35kV网络中性点采用的是经消弧线圈接地方式，中性点运行方式采用有载分接开关调压的自动调节中性点容量，运行过程中出现了上述故障，不仅严重影响了电网的电能质量的提高和供电的可靠性，而且严重影响了企业的正常生产。虽然消弧线圈接地产品技术和制造技术正在日益发展，但是，绝缘击穿故障率呈上升趋势，人们开始怀疑这种中性点接地方式。所以，对35kV网络的绝缘击穿故障分析、剖析其故障机理、找出解决办法是各个生产企业和使用企业的当务之急。本文虽然对一些故障进行了剖析，尤其提出了中性点能量的理念，能够给设计和使用单位提供一定的帮助和参考，但在消弧线圈接地技术上和理论上还有诸多不足之处，尤其在对晶闸管投切的消弧线圈接地的故障和解决办法上，还有很大的空间需要进一步研究。
参考文献：
[1]工业与民用配电设计手册 中国航空工业规划设计研究院 北京 中国电力出版社，2005
[2]电气工程师手册 王建华主编 北京 机械工业出版社，2006.9
[3]《电气绝缘测试技术》 西安交通大学 刘耀南 邱昌荣等 机械工业出版社 1981
[4]DL/T620-1997 《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》
论文作者:王秋健
论文发表刊物:《电力设备》2018年第29期
论文发表时间:2019/3/27
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