配電網接地故障電流全補償系統框架及其參數設計

云南電網有限責任公司臨滄供電局 李 杰 張 瑞 皇 坤 施春虎 于文云

引言

就當今的配電網接地故障保護方面的研究來看，其主要的研究方向依然集中在小電流接地故障中的選線以及定位，將選線裝置實用性的提升和整體選線功率的提升作為重點關注對象。而關于接地故障電流的快速主動補償所能達到的弧光消滅以及觸電事故幾率降低等方面的研究卻很少。

從目前的技術水平來看，在小電阻接地形式的配電網接地故障中，其保護反應接地電阻的能力僅僅可達到300Ω左右，并不能在高阻接地故障發生時實現可靠的報警以及跳閘動作，同時也會讓接地故障問題的解決難度進一步提升。

在這樣的情況下，為實現配電網接地故障的有效處理，達到良好的弧光消滅效果，盡最大限度避免觸電事故的發生，電力企業就應該加強電流全補償系統的研究，使其在配電網接地故障中得以良好應用，以此來實現配電網接地故障的良好處理，確保配電網的安全穩定運行。

在當今社會經濟的發展中，隨著人們生產生活中用電需求的不斷提升，配電網在規模與負載方面也實現了不斷增加。而在配電網的運行過程中接地故障是一種典型故障，同時也是當今電力企業所重點關注的一項故障。

為實現此類故障問題的有效解決，盡最大限度降低配電網中的觸電事故，實現配電網運行安全的良好保障，本文特對一種配電網接地故障電流全補償系統的框架及其參數設計進行分析，以此來為配電網接地故障中的故障電流全補償效果保障提供參考。

1 配電網接地故障殘流特征與全補償分析

1.1 配電網接地故障殘流特征分析

在配電網發生了接地故障之后，其回路中的參數有三種：電阻、電感、電容。但是其中的電感僅可以進行無功參數的補償，因此在接地電流中的殘流僅僅是有功殘流。同時，因為消弧線圈內的電感量主要依據工頻補償的實際要求進行設計，所以僅可對工頻形式的無功電流進行補償。而在系統的實際運行過程中，其諧波電流的含量通常很大，這就使得諧波所引起的對地容性大電流無法被消弧線圈所補償，進而導致殘流中含有諧波容性電流[1]。另外，因配電網采用的大多是過補償形式，這樣的情況也導致接地電流中有大量的感性電流存在。

1.2 配電網接地故障殘流全補償問題及其解決方案分析

對于無功殘流而言，系統中的阻尼率將會對其起到決定性作用，而系統阻尼又是配電網中不可避免的存在，只有在系統處于全補償形式的運行狀態時，其中的感性電流以及容性電流才可以全部達到相互抵消效果，但在這樣的運行條件下，系統中勢必會出現諧波過電壓情況。就目前應用在配電網中的調檔形式消弧線圈來看，其工作檔位與諧振點上的過補償檔位十分接近，并不能對接地電流實現真正的完全補償。

在近年來的此類研究中，相關的專家學者們提出了這樣的一個觀點：因為動態可控形式的消弧線圈以及連續可調形式的消弧線圈在測量以及控制方面都存在誤差，所以這兩種消弧線圈并不能對接地殘流實現完全補償。通過對工頻消弧線圈所進行的原理研究發現，在電弧電流出現過零現象時，其過電壓值將會達到最大，此時的無功殘流將會給絕緣條件較為薄弱的位置造成嚴重威脅。

在接地故障電流中，系統阻尼率將會對其有功分量起到決定性作用，且這種情況也不可避免。在接地故障發生時，其有功殘流的主要來源是電暈損耗電阻、線路等效電阻、消弧線圈等效電阻以及系統對地泄漏電阻，在類型以及電壓等級不同的配電網中，其設備的絕緣情況存在差異，且其阻尼率也存在不同。

如果絕緣條件正常，電纜中的阻尼率通常在1.5%以內，架空線路中的阻尼率通常在1.5～2%之間。但是在線路受損、絕緣老化或者出現故障的情況下，其阻尼率便會超過5%[2]。在這樣的情況下，消弧線圈并不能對這些有功殘流進行補償，若有功殘流具有很大幅值，配電網中的故障將會進一步擴大。因此在具體的全補償問題研究中，就需要對此類問題的解決方案進行深入研究。

在消弧之后，殘流內存在的消弧電流將會對電弧能否實現自然熄滅起到決定性作用，同時也會對整個配電網的安全性起到最大的影響作用。在當今的配電網中，電子電力設備以及整流負載的應用數量正在不斷增長，這樣的情況就難免讓配電網中存在越來越多的諧波電壓。

同時，因電容具有放大諧波的作用，加之當今城市配電網中大量電纜線路應用中電容參數的不斷加大，這些情況都將會導致接地故障發生后的零序回路諧波顯著增加。因此在本次項目中，將會對這一問題的解決方案進行研究。

2 配電網接地故障電流全補償系統框架設計

在對配電網中的接地故障電流全補償系統進行總體框架的設計過程中，首先需要根據實際的問題來明確其設計思路，然后再通過科學合理的方案來進行整體系統設計。這樣才可以讓配電網接地故障中的殘流問題得以有效解決，實現全補償系統的合理設計與應用。

2.1 設計思路

在配電網出現單相接地的情況時，要想使其中的故障電流達到有源全補償效果，最為關鍵的內容就是對消弧線圈工頻補償之后所具有的接地故障殘流特征加以科學確定，然后以此為依據來進行補償系統的針對性設計，這樣才可以讓殘流接近于零。基于此，在本次所研究的配電網接地故障電流全補償系統中，便對消弧線圈加級聯H橋形式的逆變器有源全補償技術進行開發，并根據配電網中接地故障狀態下的電流有源補償原理以及消弧指令電流所具備的特征來進行有源逆變器具體調至策略的合理設計。通過這樣的方式，便可讓配電網中電壓對于消弧電流注入所產生的前饋電壓影響參數得以有效抑制，同時也可以按照工頻以及多次諧波指令電流中的閉環參數得到合理控制。

2.2 具體框架設計

在消弧線圈加H橋級聯形式的逆變器具體應用中，借助于其中的有源消弧補償拓撲結構，不僅可以實現性能良好的接地故障補償電流輸出，同時也可以實現有源補償過程中容量的顯著降低，還可以讓配電網中的等效對地參數實際測量精度得以顯著提升。圖1是本次所研究的新型消弧線圈加H橋級聯形式的逆變器有源全補償系統的總體結構示意圖。

如圖1所示，L1所代表的是該逆變器中的濾波感裝置；L2所代表的是配電網中的消弧線圈；Li所代表的是從消弧線圈中流出的電流；Lin代表的是從有源逆變器中向配電網注入的消弧電流；if0所代表的是配電網故障點中流入的總電流。在這一拓撲結構中，L1這個消弧線圈將會為配電網接地電流內工頻容性的主要分量提供補償。而級聯H橋形式的逆變器主要作用有兩個：

圖1 新型消弧線圈加H橋級聯形式的逆變器有源全補償系統

第一，在配電網運行正常的條件下，整個系統中的對地參數可通過信號注入法來進行測量，這樣便可獲得到故障出現之后的消弧指令電流：第二，在接地故障發生之后，應在補償算法以及逆變器自身的控制算法共同作用下，將可控電流Lin注入到中性點，以此來實現殘流中有功電流、無功電流以及諧波電流的補償，進而達到電流全補償效果[3]。

由此可見，在對該系統進行拓撲設計的過程中，一個首要問題就是殘流具體特征以及補償電流具體特征分析，因為這兩項因素對于拓撲結構中的逆變器控制、連接電感確定、電流電壓裕量以及系統帶寬等的各種閉環參數設計都有著基礎性和關鍵性的影響作用。

3 配電網接地故障電流全補償系統的參數設計

在本次所設計的配電網接地故障電流全補償系統中，其有源消弧部分主要是將多個全橋串聯形式的逆變器和電感L1之間進行連接，借助于CPSSPWM的控制方式，讓整個系統中的最高輸出可達±NUDC；其電平數是2N+1的脈沖交流電壓。圖2是該系統中的電流閉環傳遞函數框架圖。

圖2 電流閉環傳遞函數框架圖

通過上述分析可知，其主要的特征是輸出電壓高以及諧波含量低，這樣便可讓配電網接地故障殘流中所含有的工頻分量以及諧波分量獲得深度補償。但是與基本形式的H橋拓撲結構相比，本次所選擇的有源形式的消弧H橋級聯逆變器也具備自身的獨特優勢，在這種逆變器的應用過程中，可根據實際需求對其級聯數目N以及電感連接參數進行合理設計。通過這樣的方式，便可讓有源消弧方面的補償性能得以顯著提升，以此來實現配電網接地故障的有效處理。

在該系統的具體應用過程中，級聯單元的數量N將會對其輸出性能產生直接的影響作用，如果其數量太少，不僅難以達到故障電流的全補償效果，同時也很可能對逆變器造成破壞；而如果數量太多則會造成系統的冗余浪費情況[4]。

因此，在具體設計中，一定要根據實際需求、結合實際情況對其級聯單元數量加以合理設計。在配電網中出現了單相接地故障之后，電感L1一端電壓為逆變器中輸出的電壓Uin；另一端電壓則是中性點位置的電壓Uf0。

按照歐姆定律進行計算，可得出以下結果：Uin=IinjωL1+Uf0=UL+Uf0。式中，Iin和Uf0的幅值及其相位都可按照有源全補償這一原理來獲得。與電感相連接的電壓UL隨著電流注入變化的電壓矢量圖如圖3，當UL與Uf0處于同一相位的情況下，便可獲得UL的最大值；而在這兩者處于相反相位的情況下，便可獲得Uf0的最小值。基于此，在具體的參數設計中可將上式簡化成Uin=λUf0＜φ。

圖3 與電感相連接的電壓UL隨著電流注入變化的電壓矢量圖

由此可知，在具體參數設計中，只要逆變器級聯單元個數滿足N＞λmaxUf0/UDC，補償電流的跟隨性能便會十分良好。通過這樣的方式，便可讓配電網接地故障情況下的殘流達到全補償效果。

4 結語

在配電網的運行過程中，接地故障是一種常見的故障現象。而在接地故障發生之后，其殘流補償效果將會對電網運行質量和安全起到決定性的影響作用。基于此，在進行全補償系統的設計中，應根據實際需求，結合實際情況來進行系統總體框架及其參數的設計。這樣才可以實現故障電流全補償，避免觸電事故，盡最大限度確保配電網的運行質量與安全。