15 kV配电馈线砂土中的高阻抗故障弧：对低频频谱评估的贡献

HIGH IMPEDANCE FAULT ARCING ON SANDY SOIL IN 15kV DISTRIBUTION FEEDERS: CONTRIBUTIONS TO THE EVALUATION OF THE LOW FREQUENCY SPECTRUM

Shiller S. High impedance fault arcing on sandy soil in 15kV distribution feeders: contributions to the evaluation of the low frequency spectrum[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 1990, 5(2).

摘要

本文介绍了在沙质土壤上分阶段进行的高阻抗接地故障下电流谐波的测量值。将测得的低频频谱与变电站连续记录一周的电流谐波进行比较。进行此比较以确定可以在多大程度上使用120 Hz和180 Hz分量来帮助检测高阻抗故障。现场测量由简单的理论模型和实验室测量支持。结论是，对于所研究的馈线，可以通过监视二次谐波电流来检测高阻抗电弧故障。

1. 引言

在过去的十年中，为开发一种可靠的方法来检测高阻抗接地故障（HIGF）的工程工作导致在理解故障电流的“特征”和评估几种检测概念方面取得了重要进展[I]。在不同研究小组提出的许多技术中（2-61），使用幅度和相位方面的低频频谱行为中包含的信息似乎是下一步的最有前途的方法，它将使整个行业更加紧密。实现完全可操作的HIGF检测器。本文的主要目的是报告13.8kV配电馈线上的分段故障的故障电流谱，并将测得的分量与变电站测得的中性电流谱进行比较。在开发一种可靠检测电弧故障的方法的背景下评估结果，而在非故障条件下不会出现过多的误跳闸。还提出了在砂土上起弧的基本理论模型。

2. 分段高阻抗接地故障现场测试

现场测试是在图1所示的系统上进行的。馈线由两个并联的69 / 13.8kV三相星形接地星形7.5 MVA短路阻抗为7.6％的三相变压器供电。在主要为住宅用户供电的支线分支末端，距变电站20,000英尺，通过将绝缘导体（通过10A保险丝）连接到支线的B相主导体上来进行HIGF分级。绝缘导体连接到直径为2.5英尺的非绝缘铜线＃2 AWG上。通过将回路放置在离被驱动的接地棒更近或更远的位置，可以获得更大或更小的故障电流。

在Appendiv和参考文献中介绍了用于监视故障电流频谱的仪器[7]，在通电导体和接地棒之间的不同间距下进行了一些测试。记录了基波，二次谐波和三次谐波电流随时间的变化情况。图2所示为电弧电流较大（约15A）的测试，同一测试中第二和第三次电流和电压谐波的相角也显示在该图中。测试条件列于表I。

观察到，后来在实验室中确认，电流超过1A的故障会产生稳定的电弧，并在很长一段时间内均方根值几乎恒定。低于1A的电弧电流的特征在于稳定的电弧电流的周期较短，并且电弧的随机引发和熄灭。针对12A和15A电弧测量的二次谐波电流和三次谐波电流的相位角保持在一定范围内（二次谐波= t25O，三次谐波= 115°f150）。在较低电流下，相角在三个象限中变化。对于10A以上的电流，三次谐波电流介于基波的5％到15%之间。二次谐波电流在基波的3.7％和6.7％之间。对于低于1A的电流，120 Hz分量在0％至3％之间变化，而180 Hz分量在最大基值的0％至24％之间。

这里没有讨论三次谐波以上的测量，因为尚未发现它们包含用于检测低电流电弧的可靠的特征信息。

3. 变电站电流

为了确定使用可监测低频谐波分量的HIGF检测器的可行性，必须熟悉在变电站中测量的背景电流谐波。连续一周（168小时）连续监测相电流和中性电流谐波。图3显示了零线电流的一些图形结果，结果总结在表II中。线电流的三次谐波分量显示在图4中。最小值，平均值和最大值分别为0.35A，1.75A和3.5A。将图4所示的三次谐波线路电流的直方图与图3f的三次谐波中性电流进行比较，表明如果检测设备基于对180 Hz分量的感测，则传感器应该监控线路（而不是监测中性）电流，因为背景信号在线路上较低。

对于120 Hz分量的结论是相反的，在中性点电流中发现较低的背景。表I1显示120 Hz分量的最小值，平均值和最大值分别为OA，0.148A和2.7A。最大值通常小于0.6A；但是，观察到随机脉冲高达2.7A。 120 Hz分量由系统中的瞬变控制。这种瞬变会导致铁芯设备的直流偏置和不对称的零电压交叉，进而产生120 Hz的分量。

主要由磁化电流引起的180 Hz分量具有较小的随机行为。发现最大值和最小值之间的相对差异（图3e）明显小于120 Hz时的相对差异（图3c）。发现三次谐波的相角在255“ f15”处非常稳定。对于由变压器励磁电流产生的三次谐波，此值非常典型。

4. 实验室测量和理论计算

设计了一个简单的实验（图5），以帮助在受控条件下显示沙土中电弧的行为。将二次电压（7900V）施加到直径30厘米，高50厘米的金属圆柱形容器中，该容器填充有建筑级砂。可变电阻器与容器串联连接，以模拟和改变接地路径的电阻。根据电弧电流测量v-i特性以及电流谐波。以下是主要观察结果的简要概述。

故障电流不对称。正半周的幅度大于负半周。图6显示了说明该特性的电流和电压波形图。只要发生电弧，此特性对于大故障电流和小故障电流均有效。这种不对称性在电弧的v-i磁滞以及在正半周期内较小的电弧电压中也很明显，如图7所示。

出于所有实际目的，起弧电压Vp，VN（图7b）与高压电极的几何形状和材料（Cu，Al，Fe）无关。沙质土壤的密度（孔隙度）和水分含量对Vp，VN的值有很大影响。密度较小的土壤产生较高的起始电压。较干燥的土壤也会引起较高的电弧电压。土壤水分对起弧电压的影响如图8所示。水分会影响电弧的局部几何形状和传热条件。在水分含量超过15％至20％的沙质土壤上，不会立即触发电弧。借助图9所示的波形图，可以了解电弧在湿润土壤上的演变。在通电时，电流为正弦波（不产生电弧）。几秒钟后，电极周围的土壤变热；蒸汽的产生会导致孔隙率局部增加，并触发电弧。随着时间的推移，电弧电压会随着电弧开始在土壤中传播而增加。

电弧的发展如图10所示。当触发电弧时，如图lob所示，土壤中的电弧尖端将极大地改变局部电场的分布，从而导致电弧尖端处的电场增强。热电子发射，高场梯度以及土壤的导电层逐渐远离电极的事实。导致弧线延伸。图10C，并渗透到土壤中。这种类型的电弧可能归因于其明显的U-i不对称性，因为这样的事实：围绕电弧的炽热二氧化硅起着“阴极点”的作用，该阴极发射电子，从而在导体（高压电极）为正时引起较小的电压降。随着电弧进一步延伸到土壤中，两个参数将发生变化：（1）电弧区域周围的土壤变干；（2）破坏了电弧热的产生速率和向环境传递的热量之间的平衡。这些导致电弧被熄灭，图10d。从这一阶段开始，可能出现两种情况：

水分将扩散回到干燥的土壤中，一旦潮湿（导电）层的前边缘足够靠近高压电极，电弧将重新点燃。但是，该弧将在与前一条不同的路径上重新触发。最初的起弧路径现在是玻璃化管的固体玻璃化形式。
如果掉落的导体与土壤有多个接触点，则如果局部电场由于电势分布的变化而增加，则先前不活动的另一个点可能会开始产生电弧。

一个简单的模型（图11）可以执行一些理论计算。借助两个直流电源Vp，VN对电弧进行建模，两个直流电源通过两个二极管反并联连接。在正半周期内，电流仅流过Vp。源$V_N> V_p$，$V_N-V_p = \Delta V$。在图12a，b中，二次谐波电流和三次谐波电流（以基波的百分比形式）表示为$\Delta V$和$tan \theta = X_L / R$的函数。定义每个表面的参数是电压VN。这些结果被实验工作所证实。电弧电压越高，电弧电流越失真。尽管不对称电压AV对三次谐波电流的影响较小，但如图12b所示，应仅凭$\Delta V$产生二次谐波电流。

5. 结论

图13显示了120 Hz电流与故障电流的关系。实线表示从基本模型图11中获得的理论值，假设V_N = 5000V，$\Delta V = 100OV$（上线）或V_N = 1000V，$\Delta V$ = 250V（下线）。分阶段故障期间测得的电流用实心点标记。在右侧示出了在正常运行期间在变电站处测量的二次谐波电流幅度的出现概率，以使得能够确定用于检测由于电弧引起的二次谐波电流的阈值。同样，三次谐波电弧电流vs.故障电流如图14所示。在右侧，显示了线路和中性三次谐波电流的密度函数。

可以肯定的是，当使用三次谐波电流进行电弧检测时，监视线路电流而不是中性线电流更为合适。比较图图13与图14一起示出了对于特定的馈线，与使用三次谐波电流相比，使用二次谐波检测将能够识别幅度较低的电弧。