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摘要：随着煤炭行业的不断发展，煤炭供电由早期的架空线路为主逐步转变为以电缆供电为主，为提高供电可靠性，一般多采用中性点不接地系统供电，随着电缆长度不断增加，系统对地电容电流随之增加，由于电容电流的存在，当系统再发生单相接地时，间隙性弧光接地将给系统带来极大的危害，现就当今电力系统弧光接地的产生及危害分析，以及解决弧光接的各种方案进行比较并做进一步探讨。
关键词：中性点接地方式、弧光接地、电容电流、消弧线圈、消弧柜、铁磁谐振
中图分类号：TD 文献标识码：A 文章编号：1009-914x（2014）32-01-01
1、中性点非直接接地系统弧光接地过电压的产生及危害
1.1 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网绝缘击穿或电弧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。
1.2 弧光接地过电压的危害
1.2.1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。
1.2.2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。
1.2.3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（一般设计选择容量）2mS的能量指标时，就会造成避雷器的爆炸事故。
1.3 光接地时电弧对故障点的破坏
1.3.1弧光接地时流过故障点的电弧电流（主要为高频电流）1.3.2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：
a、电缆线路的稳态工频电弧电流是架空线路的25～50倍；
b、电缆线路的高频电弧电流是架空线路的十倍以上 ；
c、架空线路的接地电弧较长，高频电弧电流衰减较快。
1.3.3单相接地电弧电流对电缆线路的破坏
a、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；
b、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。
2、我国限制弧光接地过电压的各种措施分析
2.1消弧线圈的作用
消弧线圈的设计原理是利用电感电流补偿系统单相接地时的电容电流，在设计上需要系统单相接地时系统的电容电流作为参数，这个电容电流是工频电流，不管是固定补偿还是自动跟踪补偿调节补偿装置均按工频电容电流调节。弧光接地时流过接地点的电容电流为高频容性电流，只有当系统自动转变到稳态的金属接地时，这个时候线圈确实可以将稳态的工频电容电流补偿掉，综上所述，消弧线圈仅仅在系统发生单相金属接地时才起作用。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。
2.2消弧线圈正常运行时给系统带来的问题
2.2.1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Uo：
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。
2.2.2消弧线圈与系统对地电容并联谐振，产生传递过电压
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。
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。
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。
2.2.3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，由于消弧线圈工作在过补偿章台，所以正常相和故障相之间相位关系完全相同，这样选线需要的两大特征（幅值和相位）均不能作为判据，必然会降低选线的灵敏度，甚至使选线工作根本无法进行。
2.3中性点经小电阻接地或直接接地
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。 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。对于煤矿用电企业，被迫停电将会造成巨大的经济损失。
2.4将不稳定的电弧接地快速地转化为稳态接地
2.4.1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：
a、尽快熄灭电弧，防止故障进一步发展；
b、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；
c、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。
2.4.2在中性点非直接接地系统中，发生单相电弧接地时，若能快速地将不稳定的弧光接地转化为稳态接地，则可收到如下效果：
a、由于在发生接地故障的位置存在不可定因素（比如接地点为导电率比较地的大地），这样将产生跨步电压，对煤矿作业带来很大的安全隐患。通过设计的接地通道和接地点，将不可定的接地点转移到事先设计好的通道和接地点，这样通过接地装置直接将故障相与地网连接，这样故障相对地电压等于零，工频电弧和高频电弧都将立即熄灭，接地电流被接地装置分流，接地点电流几乎为零；
b、金属性接地后，非故障相上的过电压立即稳定在1.73倍，系统中的设备可以在这个电压下安全运行；
c、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。
d、正由于通过装置将接地点进行转移，利用这个特点大大提高小电流接地选线的准确度，目前市场上的小电流接地选线主要还是采用比扶比相原理，误选率相对比较高，特别装了消弧线圈的系统，由于接地工频电流被补偿掉，这样选线将无法正常工作。通过接地点转移的特点，目前小电流接地选线针对这个特点采用增量法（将接地点转移前和接地点转移后各回路零序电流进行相减，查值最大的为接地回路）进行选线，大大提高接地选线的准确性。
3、结论
近十年来，经过煤炭、冶金、石油、化工及供电等企业的数千台运行经验表明，将单相电弧接地快速地转化为稳态接地的办法，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，受到煤炭用户的认可。
但随着供电自动化程度的进一步发展，特别煤矿供电系统越来越大，加上煤矿系统供电的特殊性，按矿业规程，发生单相接地时，流过接地点的电容电流不能超过20A，因此在中小型煤矿推荐设置按接地点转移分流原理，将弧光接地的不稳定状态转为稳态接地的TXK-M型煤矿专业消弧消谐及过电压保护装置（专利号：ZL 2008 2 0041790.8），该设备可对各种频率电流进行治理，转移后的接地点为系统接地网，接地通道阻抗几乎为零，故障接地点周围也不会产生跨步电压，流过故障接地点的电流几乎被限制到0A，不会再发生弧光过电压。但对于大型煤矿，存在电容电流较大，如系统电容电流在80A以上的系统，为确保满足《煤矿安全安规》要求，考虑同时设置消弧消谐及过电压保护装置和补偿线圈，两套装置配合使用，从而确保迅速消除中性点非直接接地系统弧光接地给煤矿设备带来的危害，提供煤矿供电的可靠性。
参考文献：
[1]许颖.评当今电力系统过电压及绝缘配合方面的十个误导[M].中国电力科学研究院.
作者简介：左丽君（1965），女，本科，新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市，电气高级工程师，现就职于新疆煤炭设计研究院有限责任公司电力所，主要从事电气设计方面的工作。
关键词：中性点接地方式、弧光接地、电容电流、消弧线圈、消弧柜、铁磁谐振
中图分类号：TD 文献标识码：A 文章编号：1009-914x（2014）32-01-01
1、中性点非直接接地系统弧光接地过电压的产生及危害
1.1 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网绝缘击穿或电弧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。
1.2 弧光接地过电压的危害
1.2.1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。
1.2.2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。
1.2.3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（一般设计选择容量）2mS的能量指标时，就会造成避雷器的爆炸事故。
1.3 光接地时电弧对故障点的破坏
1.3.1弧光接地时流过故障点的电弧电流（主要为高频电流）1.3.2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：
a、电缆线路的稳态工频电弧电流是架空线路的25～50倍；
b、电缆线路的高频电弧电流是架空线路的十倍以上 ；
c、架空线路的接地电弧较长，高频电弧电流衰减较快。
1.3.3单相接地电弧电流对电缆线路的破坏
a、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；
b、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。
2、我国限制弧光接地过电压的各种措施分析
2.1消弧线圈的作用
消弧线圈的设计原理是利用电感电流补偿系统单相接地时的电容电流，在设计上需要系统单相接地时系统的电容电流作为参数，这个电容电流是工频电流，不管是固定补偿还是自动跟踪补偿调节补偿装置均按工频电容电流调节。弧光接地时流过接地点的电容电流为高频容性电流，只有当系统自动转变到稳态的金属接地时，这个时候线圈确实可以将稳态的工频电容电流补偿掉，综上所述，消弧线圈仅仅在系统发生单相金属接地时才起作用。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。
2.2消弧线圈正常运行时给系统带来的问题
2.2.1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Uo：
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。
2.2.2消弧线圈与系统对地电容并联谐振，产生传递过电压
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。
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。
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。
2.2.3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，由于消弧线圈工作在过补偿章台，所以正常相和故障相之间相位关系完全相同，这样选线需要的两大特征（幅值和相位）均不能作为判据，必然会降低选线的灵敏度，甚至使选线工作根本无法进行。
2.3中性点经小电阻接地或直接接地
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。 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。对于煤矿用电企业，被迫停电将会造成巨大的经济损失。
2.4将不稳定的电弧接地快速地转化为稳态接地
2.4.1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：
a、尽快熄灭电弧，防止故障进一步发展；
b、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；
c、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。
2.4.2在中性点非直接接地系统中，发生单相电弧接地时，若能快速地将不稳定的弧光接地转化为稳态接地，则可收到如下效果：
a、由于在发生接地故障的位置存在不可定因素（比如接地点为导电率比较地的大地），这样将产生跨步电压，对煤矿作业带来很大的安全隐患。通过设计的接地通道和接地点，将不可定的接地点转移到事先设计好的通道和接地点，这样通过接地装置直接将故障相与地网连接，这样故障相对地电压等于零，工频电弧和高频电弧都将立即熄灭，接地电流被接地装置分流，接地点电流几乎为零；
b、金属性接地后，非故障相上的过电压立即稳定在1.73倍，系统中的设备可以在这个电压下安全运行；
c、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。
d、正由于通过装置将接地点进行转移，利用这个特点大大提高小电流接地选线的准确度，目前市场上的小电流接地选线主要还是采用比扶比相原理，误选率相对比较高，特别装了消弧线圈的系统，由于接地工频电流被补偿掉，这样选线将无法正常工作。通过接地点转移的特点，目前小电流接地选线针对这个特点采用增量法（将接地点转移前和接地点转移后各回路零序电流进行相减，查值最大的为接地回路）进行选线，大大提高接地选线的准确性。
3、结论
近十年来，经过煤炭、冶金、石油、化工及供电等企业的数千台运行经验表明，将单相电弧接地快速地转化为稳态接地的办法，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，受到煤炭用户的认可。
但随着供电自动化程度的进一步发展，特别煤矿供电系统越来越大，加上煤矿系统供电的特殊性，按矿业规程，发生单相接地时，流过接地点的电容电流不能超过20A，因此在中小型煤矿推荐设置按接地点转移分流原理，将弧光接地的不稳定状态转为稳态接地的TXK-M型煤矿专业消弧消谐及过电压保护装置（专利号：ZL 2008 2 0041790.8），该设备可对各种频率电流进行治理，转移后的接地点为系统接地网，接地通道阻抗几乎为零，故障接地点周围也不会产生跨步电压，流过故障接地点的电流几乎被限制到0A，不会再发生弧光过电压。但对于大型煤矿，存在电容电流较大，如系统电容电流在80A以上的系统，为确保满足《煤矿安全安规》要求，考虑同时设置消弧消谐及过电压保护装置和补偿线圈，两套装置配合使用，从而确保迅速消除中性点非直接接地系统弧光接地给煤矿设备带来的危害，提供煤矿供电的可靠性。
参考文献：
[1]许颖.评当今电力系统过电压及绝缘配合方面的十个误导[M].中国电力科学研究院.
作者简介：左丽君（1965），女，本科，新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市，电气高级工程师，现就职于新疆煤炭设计研究院有限责任公司电力所，主要从事电气设计方面的工作。