摘要：中性点不接地对于电网系统具有结构简单、运行方便、无需附加设备等优点，但在实际运行过程中，会存在最大长期工作电压与过电压过高，尤其是存在电弧接地过电压危险，这些因素导致电压互感器损坏的事件时有发生，严重影响了整个系统的安全稳定运行，为此有必要对电压互感器的损坏机理进行分析，以便于进行改造和预防。
关键词：中性点不接地；单相接地；电压互感器；损坏机理
前言
在电网运行过程中，中性点的接地方式主要包括不接地、直接接地、经消弧线圈接地三种形式，三种形式有着不同的适用范围，且具有各自的优缺点。其中中性点不接地系统指的是中性点不接地或经过高阻抗接地的系统，当系统发生单相接地时，故障点只会通过较小的导线对地电容电流，系统在短时间内仍可持续运行，所以这一系统也被称为小接地电流系统。采用这种中性点接地形式对于供电可靠性有着很大的帮助，但是在系统运行过程中，当系统发生单相接地时，系统中性点对地电压会升高到线电压，非故障相对地电压会升高到线电压。若接地点不稳定，产生间歇性电弧，则过电压会更严重，对绝缘不利。在电网建设运行过程中为了更好对其运行状况进行监控，在系统中安装了大量的电磁式电压互感器，作为一次电压重要的采集单元，对于电网测量、监视、保护与控制都有着重要的意义，是保证电网安全运行的重要基础设备。但是在实际的运行过程中，当中性点不接地系统发生单相接地时，多方面原因会造成电压互感器的频繁损坏，严重影响着系统的安全稳定运行。在下面文章里，我们就将针对电压互感器在单相接地故障时的损坏机理进行深入的分析研究。
一.中性点不接地系统
1.1中性点不接地系统适用的范围
中性点不接地系统一般是适用于电压在500V以下的三相三线制电网和6到60kV电网，对于6到60kV电网其单相接地电流有着如下几个要求：
（1）6～10kV电网。单相接地电流，≤30A；
（2）10～60kV电网。单相接地电流，≤10A。
在上述条件下，单相接地电流产生的电弧可自行熄灭。
1.2单相接地发生时的两种不同情况
中性点不接地电网发生单相接地时不必立即停电，可允许继续运行2小时。单相接地可分为两种情况，一是稳定性接地，二是非稳定性接地。当前者发生时，会使电网产生稳定的不对称三相对地电压和中性点对地电压的偏移，不接地相对地电压升高至线电压大小。当后者发生时，故障相电压降低，非故障相电压升高，且波动变化，会在接地点位置出现不稳定性燃烧的电弧，同时还会使电网处于不断换路中。
二.单相接地时电压互感器损坏原因统计
通过对以往电网运行过程中出现电压互感器损坏事故的原因进行统计分析，我们将损坏原因概括为下列几项：1.产品质量不合格；2.接线错误；3.二次负载过大；4.系统环境突变；5.弧光接地过电压；6.设备安装错误；7.操作失误等。在上述几个损坏原因中，最主要的损坏原因是铁磁谐振、系统环境突变造成PT冲击电流、弧光接地过电压。
三.损坏机理的分析
在系统运行过程中，由于单相接地造成系统波动导致PT损坏的最主要原因可以概括为铁磁谐振、PT冲击电流和弧光接地三个原因。下面我们对这三个方面进行逐一分析。
3.1铁磁谐振的机理
铁磁谐振，是一种电力系统自激振荡的形式，一般是由于变压器、电压互感器等铁磁电感的饱和作用引发的持续性、高幅值谐振过电压现象。在电力系统中，我们一般以带非线性电感的RLC的串联电路来对铁磁谐振的特点进行分析，下图1为铁磁谐振的等效电路图：
图1.铁磁谐振等效电路图
上图中E代表不接地系统中性点偏移电压，C代表中性点对地电容，L代表为非线性电感，R为回路的等效电阻，由于电阻相对于系统电容和非线性电感的值较小，可忽略不计。和分别代表系统电容和非线性电感两端的电压，I为回路电流。当系统正常运行时，非线性感抗值远大于系统容抗值；当系统发生扰动时，非线性电感两端存在过电压，非线性感抗急剧下降，当感抗小于容抗时，系统就可能发生铁磁谐振。
3.2PT冲击电流的机理
在对电压互感器损坏机理进行研究分析的最初阶段，各方面都将原因归结于铁磁谐振，但是在采取了避免铁磁谐振的措施后，互感器损坏事件还是不断发生，通过更进一步的分析，我们发现在中性点不接地的电网中，母线上装设的电压互感器其接线形式一般为/开口三角型，且为了对熔断器和PT间和PT一次部分进行短路保护，在一次绕组装设了额定电流为0.5A的保险。为了验证单相接地时谐振电流对互感器的影响，通过大量的试验证明只有1%左右的谐振会烧毁保险。同时通过对输电线路长度与铁磁谐振关系的分析研究得出，当输电线路足够长时，不会出现铁磁谐振，但是如果发生多次单相接地故障，电压互感器的损坏几率会大大上升。所以我们可以清楚的认识到PT损坏的主要原因不只是铁磁谐振，通过大量的试验得出下列结论：
3.2.1故障恢复后的电容放电冲击电流
下图2为单相接地的等值电路图，
图2. 等值电路图
通过对下图的分析，我们可以了解到当系统正常运行时，线路的对地电容上附着的总电荷之和为零。但是当发生单相接地故障时，非故障相电压升高至线电压，此时对地电容上会充上线电压下的电荷量，当故障持续时，在线电压作用下，电荷通过接地点联通导线和大地，形成的电流即电容电流，在故障消除后，这条通路消失，但是电荷不会消失，各线对地电压要恢复至正常水平，非故障相上的电荷需要释放，由于接地点消失，这些自由电荷只能通过PT的一次绕组流向大地，自由电荷数量足够的情况下，在流向大地的过程中就会引起铁芯饱和，出现较大的冲击电流。
3.2.2系统发生多次单相接地
系统多次的单相反复接地就相当于以上过程的重复，这时产生的冲击电流就相当于几次冲击累加的效果，最终导致电压互感器热稳固性破坏或者一次侧保险熔丝的烧毁。
3.3弧光接地的机理
在中性点不接地的小电流系统中，如果系统中线路较少，单相接地电流相对较小，在发生瞬时性弧光接地时一般都可以自行灭弧，但是随着电网规模的扩大及电压等级的升高，当电网发生单相接地时容性电流大幅增加，接地电弧出现后往往很难自行灭弧；其次，当接地点电流较小时，一般无法形成稳定的接地电弧，这样就会在接地点出现熄弧与电弧重燃交替出现的不稳定状态。这种状态被称为弧光接地。目前在10kV配电网中，大量的使用了高压电缆和绝缘导线，当这些输电线路的绝缘出现损坏时，就极易发生间歇性电弧，由此产生的工频过电压、高频熄弧过电压其幅值最大可以达到6到8倍的相电压，且一般持续时间长，对于运行中的设备都构成了巨大的威胁。
3.3.1弧光接地的产生
下图3为中性点不接地系统发生单相接地故障的等值电路图，图4为向量图：
图3.单相接地故障等值电路图
图4.向量图
通过对图3、图4的分析，我们可以了解到，当发生单相接地时，流过中性点的容性电流会随着线路长度的增加、电压的升高而增大，这种情况下单相接地时的电容电流将无法自行消失；同时由于接地电流不大，难以形成稳定的电弧，这样就形成了弧光接地现象。对于整个电网而言，弧光接地会使得电网运行状态瞬息多变，在非故障相产生严重的暂态过电压。
3.3.2弧光接地的危害
通过大量的实践和试验分析，当电网发生弧光接地是，造成的危害主要包括下列几项：
①电缆等固体绝缘在幅值较高的弧光接地过电压作用下，会造成绝缘的累积性破坏。
②一般情况下，电压互感器的饱和点为1.6到1.8倍的相电压，当发生弧光接地时，互感器磁通严重饱和会导致励磁绕组电流的剧烈增加，电热效应与电流呈平方关系，大电流会导致互感器热稳定的破坏、烧毁及一次侧保险的故障性熔断。
③发生弧光接地时，过电压产生能量的大小和持续时间及系统电压大小有着直接的关系，时间越长，能量越大，当能量超限时，避雷器等设备极易发生爆炸。
结束语
在传统的电网运行过程中，一般认为电压互感器的损坏是由于铁磁谐振造成，但是通过上面文章的分析，我们可以清楚的认识到，造成电压互感器的主要原因还包括PT冲击电流和间歇性弧光接地，通过对这三方面造成互感器损坏的机理进行分析，能够为更进一步的数字仿真和动模试验提供可靠的理论依据。
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作者简介：
曾祥意，（1985.1-），男，工程师，研究生，目前从事电力系统变电运维、电压质量及无功管理、工程项目、固定资产等方面的工作。
论文作者:曾祥意
论文发表刊物:《基层建设》2015年32期
论文发表时间:2016/10/20
标签：单相论文; 电压互感器论文; 过电压论文; 电流论文; 电网论文; 谐振论文; 系统论文; 《基层建设》2015年32期论文;