2024年10月24日发(作者：蚁山)
“小”电流接地系统的“大”问题——
间歇性弧光接地过电压事故分析
摘要：本文描述了一起典型的弧光接地过电压导致开关柜内绝缘击穿，进而
发生开关柜爆炸的事故，通过对事故原因分析，重点阐述小电流接地系统发生单
相接地时的危害，提出解决办法和优化措施，为变电运维技能人员提供正面典型
经验。
关键字：弧光接地 过电压 开关柜绝缘
引言
小电流接地系统频繁发生的单相接地多次引发过电压从而造成开关柜设备爆
炸，对人员的安全，电网和设备的维护以及供电的可靠性都极为不利。因此，如
何优化10kV系统的接地方式，提升开关柜的“安全性”，是当前需要重点解决
的问题。
1.
事故简要经过
（1）事故背景
220kV某变配置有2台散热方式为强油风冷的220kV主变压器，10kV侧为单
母分段接线，采用中性点不接地方式，未配置消弧线圈。事故发生前运行在正常
的运行方式，其10kV设备运行方式如下：
1）101#1主变走10kVⅠ段母线供105#1站用变；
2）102#2主变走10kVⅡ段母线供106#2站用变；
3）1002母联刀闸合上，100母联热备用；
4）10kVⅠ段母线上有7条运行线路和1组电容器，10kVⅡ段母线上有8条
运行线路和1组电容器。
5）400V站用电系统：单母线分段接线，105#1站用变供400VⅠ段，106#2
站用变供400VⅡ段，分段开关在分位；
（2）事故经过
事故动作情况：凌晨1点08分，#1、#2主变低压侧过流Ⅰ段动作，101#1
主变、102#2主变开关跳闸，10kVⅠ、Ⅱ段母线失电，#1、#2主变风冷全停，
123线保护启动（开关未跳）；
失电情况：10kVⅠ、Ⅱ段母线失电，400V站用电系统失电。220kV、110kV
系统运行正常；
其他异常现象：10kVⅡ段母线曾发生单相接地。
运行人员进入10kV开关室检查确认：10kV开关室有大量烟雾，101#1主变、
102#2主变及100母联开关在分闸位置，100母联后仓炸开，与其相临的1002母
联刀闸柜受气浪冲击损坏。
事故处理：故障点在100母联开关柜后仓，其母线仓（连接至10kVⅠ段母线）
和出线仓（连接至10kVⅡ段母线）均损坏，故10kVⅠ、Ⅱ段母线均失电，导致
400V站用电系统失电，此时，220kV某变2台主变压器尚在运行中，强油风冷系
统已失去工作电源，情况危急。10kV母线无其它明显故障点，通过断开1002母
联刀闸手车，10kVⅡ段母线可恢复送电。故立即申请将100母联开关、1002母联
刀闸手车改检修，123开关拉开改为热备用，隔离故障点。随后试送102#2主变
开关，恢复10kVⅡ段母线和站用电系统。
2．事故原因分析
从事故现象看，123线保护启动（开关未跳），且系统有单相接地现象，判
断123线路上可能有故障，因此在事故处理中将它隔离。但10kV母联为热备用
状态，什么原因使其后仓被炸开呢？
100母联使用JYNC-10型高压开关柜及ZN12-10型真空断路器。该型开关柜
为早期的落地式开关柜，由固定的壳体和装有滚轮的可移开部件（简称手车）两
部分组成，设计不够完善，后仓母线室和电缆室未用隔板隔开，制造工艺落后。
100母联开关在分位，经检修确认真空灭弧室完好。开关柜前仓无故障，后仓炸
开，后仓内部发生绝缘损坏短路故障。
经巡线检查发现123线某处配变B相刀闸上桩头发生间歇性弧光接地，与事
故发生前出现的10kVⅡ段母线接地信号相吻合。
由于某变10kV母线未配置消弧线圈，接地点容性电弧难以熄灭，10kVⅡ段
母线上产生弧光接地过电压，理论上最高可达到相电压的3-4倍。结合100母联
开关后仓的损坏情况可知，过电压首先击穿100母联开关后仓内下导电臂（连接
至Ⅱ段母线）的绝缘。故障录波显示60mS内，A、B两相电流比C相电流大，此
时AB相间故障，随后发展到C相后三相短路。由于故障点位于开关柜后仓的下
方，且与上方母线仓之间未设计隔板，短路飞弧引起了上导电臂（I段母线）发
生相间短路。至此，10kVⅡ段母线和10kVⅠ段母线先后（几乎同时）发生相间短
路，导致两台主变低后备保护同时动作，10kV母线失电。
3．暴露问题
1）小电流接地系统的弧光接地过电压问题
我国10kV系统多采用中性点不接地的方式，当发生单相接地故障时，健全
相对地电压上升到线电压，系统中流过容性的接地电流。
故障电流为
Ｉ=√３Ｉ2=３ωC Uph
即：单相接地时流过故障点的容性电流Ｉ与线路对地电容和系统额定电压成
正比。
（a） （b）
图1 中性点不接地系统的单相接地故障
单相接地电流（A/km）
额定电压
（kV）
无避雷线
有避雷线
变电站设备
电容电流
10
0.03
——
16%
20
0.06
——
——
35
0.10
0.12
13%
表1 电容电流估计值
表中给出每公里线路的电容电流估计值，并列出了变电站设备电容引起电容
电流增加的百分数。
在实际运行过程中，线路多发生对树枝等放电的非金属性接地，出现间歇性
电弧。若系统较小，线路不长，线路对地电容电流小，经故障点的电流也小，接
地电弧可以自动熄灭，系统恢复正常。然而随着系统的发展和电压等级的提高，
单相接地故障电流将成比例增加。对于10kV线路，总长度超过1000km时，电容
电流超过30A；35kV线路总长度超过100km时，电容电流超过10A，这时电弧将
难以自动熄灭，进而产生弧光接地过电压。
图1（a）所示等值电路中，A相发生接地故障，设以U
A
、U
B
、U
C
代表三相电
源电压，以U
1
、U
2
、U
3
代表三相线路的对地电压。故障点发弧后，电路中将有一
电磁振荡过程，在这个过程中，故障相电容CError: Reference source not
found
1
的电荷通过电弧电流泄放入地，电压突然将为零。两健全相电容C
2
、C
3
则
有一个由电源线电压通过电源内电抗Ls进行充电的高频振荡过程。设A相在达
到最大值Uphm时发弧，发弧前t-前电压分别为
U
1
（t-）=Uphm
U
2
（t-）= U
3
（t-）=-0.5Uphm
这就是振荡过程的电压起始值。其稳态值则为
U
1
（t+）=0
U
2
（t+）= U
BA
=－Uphm+（-Uphmcos60°）=-1.5Uphm
U
3
（t+）= U
CA
=-Uphm+（-Uphmcos60°）=-1.5Uphm
由于振荡引起的过电压由两部分组成，一为稳态值，第二部分为振荡部分。
振荡部分的幅值为稳态值减起始值，所以
过电压=稳态值+振荡值=稳态值+ [稳态值-起始值]
=2倍稳态值-振荡值
即Umax=-2.5Uphm
电源电压A相由正半周转为负半周，如在其最大值时重燃，则过电压将达到
-3.5Uphm。
综上，弧光接地过电压发展的过程是：当发生A相接地故障时，接地电容电
流又不至于达到形成稳定电弧的程度（几百安以下），可能出现电弧时然时灭的
不稳定状态，正常相与故障相对地电压的起始值与稳态值不相等，需要通过电源
的电感再充电，间歇性的电弧导致系统中发生电感－电容回路电磁振荡过程。当
振荡电流过零时与三相对应的磁场能量转变为静电场能量，对地电位的稳态分量
与自由振荡分量叠加，从而产生过电压。熄弧时对地电容的电荷重新分配使系统
产生多余的电荷，电弧重燃时多余电荷使过电压更高。
由于电弧过程的强烈随机性，过电压倍数亦具有统计性质。据国内外实测，
弧光接地过电压一般不超过3倍，个别可达3.5倍甚至4倍。这种过电压持续时
间可能较长，若不采取措施，可能危及设备绝缘，引起相间短路，使事故扩大。
此外根据有关检测数据统计，在雷雨等恶劣天气多发的月份，公司所辖变电
站最多平均每站出现5、6次接地，部分变电站会在短时间内出现数十次的频繁
接地。间歇性弧光接地过电压发生的概率大为增加。
1.
开关柜运行维护及设计质量等问题
铠装式高压开关柜具有结构紧凑等优点，随之而来的问题是开关柜空间狭小，
绝缘裕度较低，产品工艺和安装施工要求高，检修工作复杂，各类辅助部件繁杂，
故障率高。同时，开关柜内设备有存在着空气流通不佳，散热不良，受潮易发生
凝露锈蚀等问题。当发生过电压时，开关柜设备绝缘耐受能力低。在本次事故中，
由于母线仓和出线仓未设置隔板，导致短路故障范围扩大，全站低压侧失电的危
急事故。近10年来，公司所辖变电站频繁发生开关柜爆炸事故，其中多数与系
统发生接地有直接关系。
4．整改防范措施
1）加装消弧线圈防止小电流接地系统出现间歇性弧光接地过电压
本次事故中220kV某变10kV母线上出线并不多，原本设计中10kV母线未配
置消弧线圈，随着线路长度不断增加，城区配网已基本完成线路入地改造，大量
电缆的使用导致10kV母线对地电容早已超过早期设计数值，促成了该事故的发
生，造成较大的经济损失。
任何形式的单相接地故障，都存在由暂态到稳态的过渡过程。就是金属性接
地其接触前的瞬间也存在着空气放电的问题，所以减少接地故障时的电容电流是
降低弧光接地时的重燃次数、降低弧光接地过电压的有效措施。运行规程要求当
10kV系统对地电容电流大于30A时须加装消弧线圈。
安装消弧线圈的目的：减少接地时的残流值，减缓恢复电压的上升速度，抑
制谐振过电压的产生，本次事故发生后，公司立即对其10kV系统加装了接地变
和消弧线圈。
1.
加强对开关柜的运行维护和检测
新的探测仪器和技术逐步运用于开关柜的早期故障侦测。各类绝缘缺陷发展
到最终击穿，酿成事故之前，往往先经过局部放电阶段，局部放电的强度能够在
一定程度上反映绝缘的状态，因此可通过在线监测局部放电来判断绝缘状态。
此外，在开关柜内部配置光传感器，当内部发生短路放电时立即启动主变后
备保护，很好的解决了开关柜母线仓内短路故障时的保护配合问题，提升保护速
度，大大降低开关柜爆炸的发生概率。
对母线等金属导体包裹绝缘热缩套可以很大程度上解决开关柜内部绝缘裕度
低等问题。于此同时，也应考虑开关柜内部散热及受潮等问题的影响。
3）低压侧配网的接地方式选择
对于小电流接地系统，加装消弧线圈只是大幅降低间歇性接地发生的概率，
并不能绝对消除这一过电压，因此有些变电站虽然配置有消弧线圈，但仍有发生
接地时设备爆炸。华东地区电网飞速发展，在10kV配网侧各变电站的10kV线路
越来越长，并且大量敷设电缆，导致系统对地电容节节攀升。据统计，公司所辖
各变电站10kV中性点不接地系统的平均电容电流在2008年时49.67A，在2016
年已攀升至103.54A，很多变电站的10kV母线对地电容电流已超过150A（单台
消弧线圈最大补偿电流为150A），只能采用并接消弧线圈进行扩容。目前，甚至
部分变电站超过了200A。
于此同时，城市配网自动化等新技术的推广，原有的电网设计理念已经逐渐
发生改变，供电可靠性不必过度依赖单条线路的“坚持”运行。因此，将10kV
配网由中性点经消弧线圈接地改为直接接地很好的解决了上述问题，通过配置零
序保护，当发生母线单相接地时，立即切除故障线路。如此一来，就从根本上杜
绝了本次事故的同类问题。
7
2024年10月24日发(作者：蚁山)
“小”电流接地系统的“大”问题——
间歇性弧光接地过电压事故分析
摘要：本文描述了一起典型的弧光接地过电压导致开关柜内绝缘击穿，进而
发生开关柜爆炸的事故，通过对事故原因分析，重点阐述小电流接地系统发生单
相接地时的危害，提出解决办法和优化措施，为变电运维技能人员提供正面典型
经验。
关键字：弧光接地 过电压 开关柜绝缘
引言
小电流接地系统频繁发生的单相接地多次引发过电压从而造成开关柜设备爆
炸，对人员的安全，电网和设备的维护以及供电的可靠性都极为不利。因此，如
何优化10kV系统的接地方式，提升开关柜的“安全性”，是当前需要重点解决
的问题。
1.
事故简要经过
（1）事故背景
220kV某变配置有2台散热方式为强油风冷的220kV主变压器，10kV侧为单
母分段接线，采用中性点不接地方式，未配置消弧线圈。事故发生前运行在正常
的运行方式，其10kV设备运行方式如下：
1）101#1主变走10kVⅠ段母线供105#1站用变；
2）102#2主变走10kVⅡ段母线供106#2站用变；
3）1002母联刀闸合上，100母联热备用；
4）10kVⅠ段母线上有7条运行线路和1组电容器，10kVⅡ段母线上有8条
运行线路和1组电容器。
5）400V站用电系统：单母线分段接线，105#1站用变供400VⅠ段，106#2
站用变供400VⅡ段，分段开关在分位；
（2）事故经过
事故动作情况：凌晨1点08分，#1、#2主变低压侧过流Ⅰ段动作，101#1
主变、102#2主变开关跳闸，10kVⅠ、Ⅱ段母线失电，#1、#2主变风冷全停，
123线保护启动（开关未跳）；
失电情况：10kVⅠ、Ⅱ段母线失电，400V站用电系统失电。220kV、110kV
系统运行正常；
其他异常现象：10kVⅡ段母线曾发生单相接地。
运行人员进入10kV开关室检查确认：10kV开关室有大量烟雾，101#1主变、
102#2主变及100母联开关在分闸位置，100母联后仓炸开，与其相临的1002母
联刀闸柜受气浪冲击损坏。
事故处理：故障点在100母联开关柜后仓，其母线仓（连接至10kVⅠ段母线）
和出线仓（连接至10kVⅡ段母线）均损坏，故10kVⅠ、Ⅱ段母线均失电，导致
400V站用电系统失电，此时，220kV某变2台主变压器尚在运行中，强油风冷系
统已失去工作电源，情况危急。10kV母线无其它明显故障点，通过断开1002母
联刀闸手车，10kVⅡ段母线可恢复送电。故立即申请将100母联开关、1002母联
刀闸手车改检修，123开关拉开改为热备用，隔离故障点。随后试送102#2主变
开关，恢复10kVⅡ段母线和站用电系统。
2．事故原因分析
从事故现象看，123线保护启动（开关未跳），且系统有单相接地现象，判
断123线路上可能有故障，因此在事故处理中将它隔离。但10kV母联为热备用
状态，什么原因使其后仓被炸开呢？
100母联使用JYNC-10型高压开关柜及ZN12-10型真空断路器。该型开关柜
为早期的落地式开关柜，由固定的壳体和装有滚轮的可移开部件（简称手车）两
部分组成，设计不够完善，后仓母线室和电缆室未用隔板隔开，制造工艺落后。
100母联开关在分位，经检修确认真空灭弧室完好。开关柜前仓无故障，后仓炸
开，后仓内部发生绝缘损坏短路故障。
经巡线检查发现123线某处配变B相刀闸上桩头发生间歇性弧光接地，与事
故发生前出现的10kVⅡ段母线接地信号相吻合。
由于某变10kV母线未配置消弧线圈，接地点容性电弧难以熄灭，10kVⅡ段
母线上产生弧光接地过电压，理论上最高可达到相电压的3-4倍。结合100母联
开关后仓的损坏情况可知，过电压首先击穿100母联开关后仓内下导电臂（连接
至Ⅱ段母线）的绝缘。故障录波显示60mS内，A、B两相电流比C相电流大，此
时AB相间故障，随后发展到C相后三相短路。由于故障点位于开关柜后仓的下
方，且与上方母线仓之间未设计隔板，短路飞弧引起了上导电臂（I段母线）发
生相间短路。至此，10kVⅡ段母线和10kVⅠ段母线先后（几乎同时）发生相间短
路，导致两台主变低后备保护同时动作，10kV母线失电。
3．暴露问题
1）小电流接地系统的弧光接地过电压问题
我国10kV系统多采用中性点不接地的方式，当发生单相接地故障时，健全
相对地电压上升到线电压，系统中流过容性的接地电流。
故障电流为
Ｉ=√３Ｉ2=３ωC Uph
即：单相接地时流过故障点的容性电流Ｉ与线路对地电容和系统额定电压成
正比。
（a） （b）
图1 中性点不接地系统的单相接地故障
单相接地电流（A/km）
额定电压
（kV）
无避雷线
有避雷线
变电站设备
电容电流
10
0.03
——
16%
20
0.06
——
——
35
0.10
0.12
13%
表1 电容电流估计值
表中给出每公里线路的电容电流估计值，并列出了变电站设备电容引起电容
电流增加的百分数。
在实际运行过程中，线路多发生对树枝等放电的非金属性接地，出现间歇性
电弧。若系统较小，线路不长，线路对地电容电流小，经故障点的电流也小，接
地电弧可以自动熄灭，系统恢复正常。然而随着系统的发展和电压等级的提高，
单相接地故障电流将成比例增加。对于10kV线路，总长度超过1000km时，电容
电流超过30A；35kV线路总长度超过100km时，电容电流超过10A，这时电弧将
难以自动熄灭，进而产生弧光接地过电压。
图1（a）所示等值电路中，A相发生接地故障，设以U
A
、U
B
、U
C
代表三相电
源电压，以U
1
、U
2
、U
3
代表三相线路的对地电压。故障点发弧后，电路中将有一
电磁振荡过程，在这个过程中，故障相电容CError: Reference source not
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1
的电荷通过电弧电流泄放入地，电压突然将为零。两健全相电容C
2
、C
3
则
有一个由电源线电压通过电源内电抗Ls进行充电的高频振荡过程。设A相在达
到最大值Uphm时发弧，发弧前t-前电压分别为
U
1
（t-）=Uphm
U
2
（t-）= U
3
（t-）=-0.5Uphm
这就是振荡过程的电压起始值。其稳态值则为
U
1
（t+）=0
U
2
（t+）= U
BA
=－Uphm+（-Uphmcos60°）=-1.5Uphm
U
3
（t+）= U
CA
=-Uphm+（-Uphmcos60°）=-1.5Uphm
由于振荡引起的过电压由两部分组成，一为稳态值，第二部分为振荡部分。
振荡部分的幅值为稳态值减起始值，所以
过电压=稳态值+振荡值=稳态值+ [稳态值-起始值]
=2倍稳态值-振荡值
即Umax=-2.5Uphm
电源电压A相由正半周转为负半周，如在其最大值时重燃，则过电压将达到
-3.5Uphm。
综上，弧光接地过电压发展的过程是：当发生A相接地故障时，接地电容电
流又不至于达到形成稳定电弧的程度（几百安以下），可能出现电弧时然时灭的
不稳定状态，正常相与故障相对地电压的起始值与稳态值不相等，需要通过电源
的电感再充电，间歇性的电弧导致系统中发生电感－电容回路电磁振荡过程。当
振荡电流过零时与三相对应的磁场能量转变为静电场能量，对地电位的稳态分量
与自由振荡分量叠加，从而产生过电压。熄弧时对地电容的电荷重新分配使系统
产生多余的电荷，电弧重燃时多余电荷使过电压更高。
由于电弧过程的强烈随机性，过电压倍数亦具有统计性质。据国内外实测，
弧光接地过电压一般不超过3倍，个别可达3.5倍甚至4倍。这种过电压持续时
间可能较长，若不采取措施，可能危及设备绝缘，引起相间短路，使事故扩大。
此外根据有关检测数据统计，在雷雨等恶劣天气多发的月份，公司所辖变电
站最多平均每站出现5、6次接地，部分变电站会在短时间内出现数十次的频繁
接地。间歇性弧光接地过电压发生的概率大为增加。
1.
开关柜运行维护及设计质量等问题
铠装式高压开关柜具有结构紧凑等优点，随之而来的问题是开关柜空间狭小，
绝缘裕度较低，产品工艺和安装施工要求高，检修工作复杂，各类辅助部件繁杂，
故障率高。同时，开关柜内设备有存在着空气流通不佳，散热不良，受潮易发生
凝露锈蚀等问题。当发生过电压时，开关柜设备绝缘耐受能力低。在本次事故中，
由于母线仓和出线仓未设置隔板，导致短路故障范围扩大，全站低压侧失电的危
急事故。近10年来，公司所辖变电站频繁发生开关柜爆炸事故，其中多数与系
统发生接地有直接关系。
4．整改防范措施
1）加装消弧线圈防止小电流接地系统出现间歇性弧光接地过电压
本次事故中220kV某变10kV母线上出线并不多，原本设计中10kV母线未配
置消弧线圈，随着线路长度不断增加，城区配网已基本完成线路入地改造，大量
电缆的使用导致10kV母线对地电容早已超过早期设计数值，促成了该事故的发
生，造成较大的经济损失。
任何形式的单相接地故障，都存在由暂态到稳态的过渡过程。就是金属性接
地其接触前的瞬间也存在着空气放电的问题，所以减少接地故障时的电容电流是
降低弧光接地时的重燃次数、降低弧光接地过电压的有效措施。运行规程要求当
10kV系统对地电容电流大于30A时须加装消弧线圈。
安装消弧线圈的目的：减少接地时的残流值，减缓恢复电压的上升速度，抑
制谐振过电压的产生，本次事故发生后，公司立即对其10kV系统加装了接地变
和消弧线圈。
1.
加强对开关柜的运行维护和检测
新的探测仪器和技术逐步运用于开关柜的早期故障侦测。各类绝缘缺陷发展
到最终击穿，酿成事故之前，往往先经过局部放电阶段，局部放电的强度能够在
一定程度上反映绝缘的状态，因此可通过在线监测局部放电来判断绝缘状态。
此外，在开关柜内部配置光传感器，当内部发生短路放电时立即启动主变后
备保护，很好的解决了开关柜母线仓内短路故障时的保护配合问题，提升保护速
度，大大降低开关柜爆炸的发生概率。
对母线等金属导体包裹绝缘热缩套可以很大程度上解决开关柜内部绝缘裕度
低等问题。于此同时，也应考虑开关柜内部散热及受潮等问题的影响。
3）低压侧配网的接地方式选择
对于小电流接地系统，加装消弧线圈只是大幅降低间歇性接地发生的概率，
并不能绝对消除这一过电压，因此有些变电站虽然配置有消弧线圈，但仍有发生
接地时设备爆炸。华东地区电网飞速发展，在10kV配网侧各变电站的10kV线路
越来越长，并且大量敷设电缆，导致系统对地电容节节攀升。据统计，公司所辖
各变电站10kV中性点不接地系统的平均电容电流在2008年时49.67A，在2016
年已攀升至103.54A，很多变电站的10kV母线对地电容电流已超过150A（单台
消弧线圈最大补偿电流为150A），只能采用并接消弧线圈进行扩容。目前，甚至
部分变电站超过了200A。
于此同时，城市配网自动化等新技术的推广，原有的电网设计理念已经逐渐
发生改变，供电可靠性不必过度依赖单条线路的“坚持”运行。因此，将10kV
配网由中性点经消弧线圈接地改为直接接地很好的解决了上述问题，通过配置零
序保护，当发生母线单相接地时，立即切除故障线路。如此一来，就从根本上杜
绝了本次事故的同类问题。
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