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摘要：文章讨论了550kVGIS快速接地开关熄灭潜供电弧的研究
关键词：快速接地开关潜供电流恢复电压潜供电弧自动重合闸
一、 前言
超高压输电线路的故障90%以上是单相接地故障，而单相接地故障约有80%为“瞬时性”故障，在550kV以上的架空线路上，由于线间距离大，运行经验表明：其中绝大部分故障都是单相接地短路。在这种情况下，如果只把发生故障的一相断开，然后进行单相重合，而未发生故障的两相仍然继续运行，就能够大大提高供电的可靠性和系统并列运行的稳定性，但单相重合闸的成功与否取决于故障点的潜供电弧是否自熄，这就要求考虑如何才能熄灭潜供电弧。
二、潜供电流研究
1. 潜供电弧
潜供电流是指在超高压输电线路上,由于输电线路存在相间电容、相对地电容和互感，单相接地故障发生后，故障相两端断路器跳开，由故障相与健全相以及可能的相邻线路通过静电耦合和电磁耦合继续向故障点提供的电流。其产生的原因包括：
（1）故障相电源虽被切断，但由于非故障相仍带电运行，它通过相间电容仍对故障点进行供电，这一部分电流称为电容分量；
（2）由于相间互感耦合的作用,感应出一个电势，在此电势作用下，通过故障点及相对地电容形容形成一个环流，该部分电流称为电感分量；
上述两部分电流和称为潜供电流。潜供电流所形成的接地弧光就构成了潜供电弧。
2. 潜供电流
上面讲述到潜供电弧是由潜供电流所形成的接地弧光，发生故障时故障相两端断路器跳开，由故障相与健全相以及可能的相邻线路通过静电耦合和电磁耦合继续向故障点提供的电流。这一电流包括两个分量：电容分量和电感分量。此外，潜供电流的电感分量与故障点位置密切相关，如图1-1所示。
a 故障发生在线路首端 b故障发生在线路中间；c故障发生在线路末端
图1-1 潜供电流的电感分量与故障点位置关系
3. 影响潜供电弧的因素
现场运行与试验表明：稳态下潜供电流和恢复电压的幅值是潜供电弧自灭的两个决定因素。
恢复电压则指线路发生单相瞬时性故障，断路器开断，故障相被断路器切除，在有效熄弧措施下，潜供电弧熄灭。这时非故障相中的电压和负载电流分别通过相间静电耦合（电容传递）和电磁耦合（互感传递）而在故障相上产生感应电压，这一电压就称为恢复电压。恢复电压也含有静电感应分量和电磁感应分量，静电感应分量是非故障相的电压经相间电容产生的，电磁感应分量负载电流通过相间互感耦合产生的。通过限制潜供电流的大小和恢复电压的幅值，可促使潜供电弧顺利自熄，保证单相自动重合闸的成功。
4. 消除输电线路故障的方法
目前采用的熄弧措施主要有两种：在三相并联电抗器的中性点加小电抗和使用快速接地开关。前者主要通过补偿相间电容来限制潜供电流，和恢复电压的静电耦合分量。采用后者后则它的作用大大地降低了恢复电压的幅值，使得潜供电弧的燃弧过程难以继续，电弧顺利自熄。故此本文选择了后种方法，它能够很好的限制恢复电压的幅值，并使潜供电弧重燃困难，有利于快速熄弧，可以成功的完成自动重合闸任务。
三、快速接地开关熄灭的潜供电流研究
1. 快速接地开关的作用
快速接地开关是熄灭潜供电弧的有效方法。其实质是将故障点的开放性电弧转化开关内压缩性电弧，流经开关的电流仅数百安培易开断。它使故障点的潜供电流大大降低，从而使电弧容易熄灭，其重要作用是对潜供电流的降低和恢复电压的限制。
2. 快速接地开关的短路关合
线路端的快速接地开关，有产生短路关合的可能（线路上接地线末清除时的误操作，或FES的合闸瞬间线路产生故障）。FES短路关合时，短路电流产生的电动力阻值触头合闸，其阻尼能量 （ 为短路电流的电动力， 为触头的超程），汇同静触头关合摩擦阻尼功 （ 为摩擦系数）一起阻止触头合闸，如果FES的关合功 ，合闸失败，或触头熔焊。FES的关合功用 表示，提高关合速度 和增大动触头质量 ，都可以提高FES的短路关合能力。
3. 影响快速接地开关的因素
（1）FES的接地电阻
FES的接地电阻与短路点的工频接地电阻的比值直接影响到FES的分流作用，其比值越小，分流作用越明显。潜供电弧的顺利自熄是单相重合闸成功的必要条件，潜供电流的数值是潜供电弧自熄的决定性因素。在线路采用不同熄弧措施的情况下，接地电阻数值对潜供电流幅值的影响是不同的。
（2）FES与断路器的配合
FES的关合可以使潜供电流减小，快速有效的熄灭电弧，从而排除故障，使电力系统恢复正常的供电，但其中的关键在于断路器与FES的紧密配合，这就要对断路器的开断及其自动重合闸的操作时间进行计算。
线路两端加装快速接地开关后，系统内与相对应的继电保护也有所变化，其操作要比补偿线路复杂一些，单相自动重合闸重合时间整定的越短，对系统的稳定越有利。在2.3节中提到了从发生故障到断路器自动重合闸所需时间初步规定为1s较为合适。
线路保护装置发生反应的时间有发生单相接地故障时间，切除故障时间，FES合上时间，潜供电流自熄时间，FES分开时间，重合闸时间。时间分配如图2-4所示。其中分闸时间约为0.06s；FES合上时间约0.02s；去游离时间0.06s和FES动作时间0.02s；合闸时间约0.06s，除上述时间外，还应考虑速度0.1s系统两端断路器不同期性0.02s，继电保护动作时间0.02s，按初步设计的整个单相自动重合闸时间为1s，那么净余0.64s是潜供电弧持续燃烧时间上限，约0.8s，对于500kV线路可用公式计算 ,其中 为无电流间歇时间（单位为s），为潜供电流（单位为A）。按该公式计算结果可看出，当潜供电流小于20A时，整个单相自动重合闸时间可整定为1s，这就说明，线路使用FES后，潜供电流受到限制，继电保护可在较短时间内完成动作，保证线路安全运行。
4 线路加装快速接地开关后的工作过程
线路加装FES后，故障潜供电流两个分量均有不同程度的减小，当故障相断路器跳开、FES快速合上时，故障相的相对地电容部分短路，与短路点构成分流回路，从而减少了短路点的潜供电流。其原理图见图2-1所示：
四、結论
综上所述，超高压输电线路发生故障后，线路故障相两端断路器断开，此时健全相与故障相之间存在的电磁与静电耦合使故障点电弧通道中在一定时间内仍然流有潜供电流。这种电弧电流的持续时间不仅与其大小有关，而且也与故障电流的大小、故障切除的时间、弧光的长度以及故障点的环境等因素有关。由于超高压系统电压较高、线路较长，所以潜供电流燃烧的持续时间较长，降低了单相自动重合闸的成功率。这不仅不利于系统的安全和稳定，同时还使得电气设备的工作条件恶化。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词：快速接地开关潜供电流恢复电压潜供电弧自动重合闸
一、 前言
超高压输电线路的故障90%以上是单相接地故障，而单相接地故障约有80%为“瞬时性”故障，在550kV以上的架空线路上，由于线间距离大，运行经验表明：其中绝大部分故障都是单相接地短路。在这种情况下，如果只把发生故障的一相断开，然后进行单相重合，而未发生故障的两相仍然继续运行，就能够大大提高供电的可靠性和系统并列运行的稳定性，但单相重合闸的成功与否取决于故障点的潜供电弧是否自熄，这就要求考虑如何才能熄灭潜供电弧。
二、潜供电流研究
1. 潜供电弧
潜供电流是指在超高压输电线路上,由于输电线路存在相间电容、相对地电容和互感，单相接地故障发生后，故障相两端断路器跳开，由故障相与健全相以及可能的相邻线路通过静电耦合和电磁耦合继续向故障点提供的电流。其产生的原因包括：
（1）故障相电源虽被切断，但由于非故障相仍带电运行，它通过相间电容仍对故障点进行供电，这一部分电流称为电容分量；
（2）由于相间互感耦合的作用,感应出一个电势，在此电势作用下，通过故障点及相对地电容形容形成一个环流，该部分电流称为电感分量；
上述两部分电流和称为潜供电流。潜供电流所形成的接地弧光就构成了潜供电弧。
2. 潜供电流
上面讲述到潜供电弧是由潜供电流所形成的接地弧光，发生故障时故障相两端断路器跳开，由故障相与健全相以及可能的相邻线路通过静电耦合和电磁耦合继续向故障点提供的电流。这一电流包括两个分量：电容分量和电感分量。此外，潜供电流的电感分量与故障点位置密切相关，如图1-1所示。
a 故障发生在线路首端 b故障发生在线路中间；c故障发生在线路末端
图1-1 潜供电流的电感分量与故障点位置关系
3. 影响潜供电弧的因素
现场运行与试验表明：稳态下潜供电流和恢复电压的幅值是潜供电弧自灭的两个决定因素。
恢复电压则指线路发生单相瞬时性故障，断路器开断，故障相被断路器切除，在有效熄弧措施下，潜供电弧熄灭。这时非故障相中的电压和负载电流分别通过相间静电耦合（电容传递）和电磁耦合（互感传递）而在故障相上产生感应电压，这一电压就称为恢复电压。恢复电压也含有静电感应分量和电磁感应分量，静电感应分量是非故障相的电压经相间电容产生的，电磁感应分量负载电流通过相间互感耦合产生的。通过限制潜供电流的大小和恢复电压的幅值，可促使潜供电弧顺利自熄，保证单相自动重合闸的成功。
4. 消除输电线路故障的方法
目前采用的熄弧措施主要有两种：在三相并联电抗器的中性点加小电抗和使用快速接地开关。前者主要通过补偿相间电容来限制潜供电流，和恢复电压的静电耦合分量。采用后者后则它的作用大大地降低了恢复电压的幅值，使得潜供电弧的燃弧过程难以继续，电弧顺利自熄。故此本文选择了后种方法，它能够很好的限制恢复电压的幅值，并使潜供电弧重燃困难，有利于快速熄弧，可以成功的完成自动重合闸任务。
三、快速接地开关熄灭的潜供电流研究
1. 快速接地开关的作用
快速接地开关是熄灭潜供电弧的有效方法。其实质是将故障点的开放性电弧转化开关内压缩性电弧，流经开关的电流仅数百安培易开断。它使故障点的潜供电流大大降低，从而使电弧容易熄灭，其重要作用是对潜供电流的降低和恢复电压的限制。
2. 快速接地开关的短路关合
线路端的快速接地开关，有产生短路关合的可能（线路上接地线末清除时的误操作，或FES的合闸瞬间线路产生故障）。FES短路关合时，短路电流产生的电动力阻值触头合闸，其阻尼能量 （ 为短路电流的电动力， 为触头的超程），汇同静触头关合摩擦阻尼功 （ 为摩擦系数）一起阻止触头合闸，如果FES的关合功 ，合闸失败，或触头熔焊。FES的关合功用 表示，提高关合速度 和增大动触头质量 ，都可以提高FES的短路关合能力。
3. 影响快速接地开关的因素
（1）FES的接地电阻
FES的接地电阻与短路点的工频接地电阻的比值直接影响到FES的分流作用，其比值越小，分流作用越明显。潜供电弧的顺利自熄是单相重合闸成功的必要条件，潜供电流的数值是潜供电弧自熄的决定性因素。在线路采用不同熄弧措施的情况下，接地电阻数值对潜供电流幅值的影响是不同的。
（2）FES与断路器的配合
FES的关合可以使潜供电流减小，快速有效的熄灭电弧，从而排除故障，使电力系统恢复正常的供电，但其中的关键在于断路器与FES的紧密配合，这就要对断路器的开断及其自动重合闸的操作时间进行计算。
线路两端加装快速接地开关后，系统内与相对应的继电保护也有所变化，其操作要比补偿线路复杂一些，单相自动重合闸重合时间整定的越短，对系统的稳定越有利。在2.3节中提到了从发生故障到断路器自动重合闸所需时间初步规定为1s较为合适。
线路保护装置发生反应的时间有发生单相接地故障时间，切除故障时间，FES合上时间，潜供电流自熄时间，FES分开时间，重合闸时间。时间分配如图2-4所示。其中分闸时间约为0.06s；FES合上时间约0.02s；去游离时间0.06s和FES动作时间0.02s；合闸时间约0.06s，除上述时间外，还应考虑速度0.1s系统两端断路器不同期性0.02s，继电保护动作时间0.02s，按初步设计的整个单相自动重合闸时间为1s，那么净余0.64s是潜供电弧持续燃烧时间上限，约0.8s，对于500kV线路可用公式计算 ,其中 为无电流间歇时间（单位为s），为潜供电流（单位为A）。按该公式计算结果可看出，当潜供电流小于20A时，整个单相自动重合闸时间可整定为1s，这就说明，线路使用FES后，潜供电流受到限制，继电保护可在较短时间内完成动作，保证线路安全运行。
4 线路加装快速接地开关后的工作过程
线路加装FES后，故障潜供电流两个分量均有不同程度的减小，当故障相断路器跳开、FES快速合上时，故障相的相对地电容部分短路，与短路点构成分流回路，从而减少了短路点的潜供电流。其原理图见图2-1所示：
四、結论
综上所述，超高压输电线路发生故障后，线路故障相两端断路器断开，此时健全相与故障相之间存在的电磁与静电耦合使故障点电弧通道中在一定时间内仍然流有潜供电流。这种电弧电流的持续时间不仅与其大小有关，而且也与故障电流的大小、故障切除的时间、弧光的长度以及故障点的环境等因素有关。由于超高压系统电压较高、线路较长，所以潜供电流燃烧的持续时间较长，降低了单相自动重合闸的成功率。这不仅不利于系统的安全和稳定，同时还使得电气设备的工作条件恶化。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。