一種新型配網(wǎng)接地故障電容電流補償方法

丁維銘，張宏云

（山東信力工礦安全檢測有限公司，山東 鄒城273500）

0 引 言

電力系統(tǒng)中的各類型的用戶對于能夠使用安全可靠高質(zhì)量的電力能源的要求越來越高，使得在電力系統(tǒng)中對供電安全性和可靠性的要求越來越嚴苛。中性點接地方式對于電力系統(tǒng)的安全可靠運行有著非常重要的直接影響，并且會對電網(wǎng)系統(tǒng)的運行方式和各類電氣參數(shù)有決定性的影響[1]。在日常的電力系統(tǒng)運行過程中，極大部分的故障為單相接地故障，所以一般會采用通過消弧線圈接地來減弱單相接地故障對故障電流和過電壓的影響。系統(tǒng)的中性點接地方式也會直接影響接地裝置的選型、故障后對其他負荷設(shè)備的影響、供電可靠性等[2]。常見的接地方式按照運行特性可以分為有效接地（大電流接地系統(tǒng)）和非有效接地（小電流接地系統(tǒng)）兩類，這其中又分別可以分為不接地、直接接地、經(jīng)消弧線圈接地等[3]。

依據(jù)現(xiàn)行中華人民共和國電力行業(yè)標準GB/T50064-2014《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合設(shè)計規(guī)范》[4]中第3.1.3、3.1.5、3.1.6 條的規(guī)定：在6～66kV 系統(tǒng)中，在單項接地故障電容電流大于等于某一值的情況下，這時往往通過諧振的方式接地，并且就相關(guān)的設(shè)備運行條件提出了具體的要求和補償意見。陸陸續(xù)續(xù)的出現(xiàn)了許多種補償裝置和補償方式，但是由于技術(shù)條件的限制，早些時候的消弧線圈補償不夠智能，電感值固定無法跟蹤系統(tǒng)的不同變化而改變。除了無法精確補償?shù)膯栴}外還有可能導(dǎo)致諧振。為了解決上述問題，本文設(shè)計了一種并聯(lián)電力電子逆變器，在接地故障模式下，使得變流器產(chǎn)生與故障電容電流幅值相同、相位相反的電流，實現(xiàn)對于系統(tǒng)的動態(tài)補償。

1 中性點接地方式分析

目前，電網(wǎng)中性點接地方式有以下幾種：①中性點隔離模式（未接地）；②直接接地（直接連接到接地回路）；③通過消弧線圈接地；④通過電阻接地（低電阻或高電阻）。

大多情況下，我國中壓系統(tǒng)采用中性點經(jīng)消弧線圈或電阻接地的方法[5]。由機械部件構(gòu)成的消弧線圈會產(chǎn)生損耗使得維護工作頻繁，耗費較多資源。很多情況下由于消弧線圈與系統(tǒng)電容電抗存在誤差，不能夠完全匹配，容易造成系統(tǒng)失諧使得本來的單項接地故障發(fā)展成為兩項故障帶來更嚴重的損失；而一旦過補償或者欠補償會導(dǎo)致中性點不對稱的情況出現(xiàn)。

在高阻抗接地情況下，存在以下問題：電阻根據(jù)短路電流進行設(shè)計，限制了電網(wǎng)的擴容；電阻不能長時間在短路狀態(tài)下工作，要求短路切除，需對電阻進行額外的熱保護。在低阻抗接地的情況下，存在以下缺點：短路電流加大，使得設(shè)備損壞增加；限制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展；短路時需要斷路，造成用戶停電[6-7]。

系統(tǒng)正常運行時，無故障發(fā)生，此時三相配電網(wǎng)系統(tǒng)中的各相電壓電流參數(shù)正常，中性點電位和地電位相等，三相導(dǎo)線對地電位都與相電壓相同。但是系統(tǒng)的某一相發(fā)生故障時（圖1 為A 相發(fā)生接地故障），A 相的對地電壓改變，中性點的電位上升到相電壓Up，其余正常相的對地電位也會變?yōu)橹罢Ｇ闆r下的√3 倍，與系統(tǒng)的線電壓相等，如圖1所示。此時仍然可以維持供電，使得單相接地故障情況下不停機（約2h）。

圖1 單相接地故障（系統(tǒng)中性點不接地情況下）示意圖

如圖1 所示，存在于系統(tǒng)中的分布電容會導(dǎo)致接地電容電流Ic 產(chǎn)生，由于此時的故障電流呈容性，所以造成的損害也被稱為電容電流危害。實際情況中甚至存在接地電弧無法熄滅或者更嚴重的損害，此時的接地電容電流甚至會大于10A，這種情況多發(fā)生于電力線路（尤其是電纜線）較長時。單相接地故障電流會有以下的危害：

1）當電容電流過大時可能產(chǎn)生跨步電壓危害人身安全。

2）若接地方式為中性點不接地，其中的電磁式PT 會存在鐵磁諧振現(xiàn)象進而使得PT 損壞甚至使得熔斷器被破壞。

3）一旦發(fā)生弧光接地可能導(dǎo)致幅值最高可達3.5 倍相電壓的過電壓，對系統(tǒng)的絕緣和設(shè)備耐受程度帶來嚴峻挑戰(zhàn)。

4）當單相接地故障接地過電壓持續(xù)過久，可能會擊穿絕緣介質(zhì)導(dǎo)致線路損壞，甚至威脅發(fā)電機對電網(wǎng)造成打擊，而且這種情況持續(xù)越久越容易發(fā)展成為相間故障。

2 中性點經(jīng)補償裝置接地系統(tǒng)

2.1 中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)

如圖2 所示為一典型的中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，其中中性點經(jīng)消弧線圈與地直接相連，當系統(tǒng)采用這種方式接地后，可以在產(chǎn)生單相接地故障的情況下由消弧線圈對故障產(chǎn)生的故障電流進行補償，減小故障危害。

圖2 中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)的單相接地故障

在實際的使用過程中，大部分情況下所使用的是可調(diào)電感式的消弧線圈。正常工作情況下系統(tǒng)等價于一個中性點不接地系統(tǒng)，該線圈可近似看作感值無窮大的電感或者是串了電阻的阻尼；一旦出現(xiàn)單相接地故障，設(shè)備會發(fā)出報警信號進行故障排查，處理故障，通常情況下可在較短時間完成。并且與此同時的消弧線圈進入工作模式產(chǎn)生感性電流對接地故障的容性電流進行補償，迅速減小了故障電流使得其帶來的損害降到最低，從而達到能夠有效熄滅電弧的作用，也能夠使得故障不會由單相接地故障發(fā)展為更嚴重的故障，比如相間短路等。當線路正常后消弧線圈也會避免故障恢復(fù)時的電氣參數(shù)變化速度過快引起的電弧復(fù)燃。可以做到不停機，從而使得供電更加穩(wěn)定。

2.2 電容電流補償運行方式

由圖2 可知Ig=Ic+IL，式中，IL 為消弧線圈補償電流；Ic為全系統(tǒng)對地電容電流。由于Ic與IL的相位相差180°，故障線路零序電流分量發(fā)生變化，Ig的補償度隨補償裝置的變化發(fā)生改變。下面為3 種不同的容性電流補償方式：

1）全補償。即Ic=IL，這種補償方式的使用情況較少。

2）欠補償。即IL＜Ic，這種補償方式的使用情況也比較少。

3）過補償。即IL＞Ic，這種情況下由于為補償裝置留下了補償裕度，所以在實際中的應(yīng)用范圍十分廣泛。

3 中性點隔離網(wǎng)絡(luò)中的電磁過程及仿真分析

本文分析中性點連接補償裝置接地時的電磁和暫態(tài)過程，考慮將傳統(tǒng)的消弧線圈和電阻替換為電力電子逆變器，利用靜止變流器補償接地故障電容電流。在中性點不接地的網(wǎng)絡(luò)中，三相系統(tǒng)的導(dǎo)線通過沿線分布式電容與地相連。圖3 所示為正常模式和A 相接地故障模式。

圖3 中性點不接地系統(tǒng)分布式電容原理

考慮電源、相電容Ca、Cb、Cc、供電網(wǎng)絡(luò)內(nèi)阻、縱線電阻等分布式參數(shù)，并將等效電路分布式參數(shù)集中，可得穩(wěn)態(tài)接地故障電流表達式：

式中：XLs，Rs分別為供電網(wǎng)絡(luò)的感抗和內(nèi)阻，Rf為短路的接觸電阻。根據(jù)中壓線路網(wǎng)絡(luò)設(shè)置電纜參數(shù)，設(shè)置接地發(fā)生在0.04s，仿真計算單相接地模式下的過渡過程。暫態(tài)電流過程如圖4 所示。

圖4 單相接地情況下暫態(tài)電流過程

考慮接地產(chǎn)生的零序電流等于系統(tǒng)電容電流，因此可以通過創(chuàng)造一個幅值相等但方向相反的零序電流進行補償。為了補償電容電流，在中性點設(shè)置等效補償電抗，且參數(shù)設(shè)置為諧振狀態(tài)，如圖5 所示。

圖5 消弧線圈補償電容電流原理

以三相電流源的形式，安裝于電源出線點，利用三相輸出合成電流抵消接地故障電流，如圖6 所示。

采用Matlab 軟件對基于逆變器的電容電流控制進行仿真。令t=0.02s 發(fā)生短路，在t=0.06s 逆變器輸出補償電流。

由圖7 可知，逆變器投入前，接地故障電流較大；逆變器投入后，接地故障電流由逆變器補償，數(shù)值趨于零。實驗結(jié)果表明，本文設(shè)計用靜止變流器代替消弧線圈是可行的。

圖6 三相逆變器補償電容電流原理

圖7 基于逆變器的電容電流零序控制

4 結(jié) 論

綜上所述，當配電網(wǎng)系統(tǒng)采用不接地方式，發(fā)生單相接地故障電流超過規(guī)定值應(yīng)采用補償裝置

接地方式。為了使得供電更加穩(wěn)定可靠，本文提出了一種中性點不接地電網(wǎng)單相短路電容電流補償?shù)男路椒ā７治隽酥行渣c不接地系統(tǒng)單相接地模式下的電磁過程，設(shè)計了中性點單相逆變器或電源出線三相逆變器，采用電力電子逆變器輸出感性電流補償線路電容電流。仿真結(jié)果表明，逆變器可以實現(xiàn)故障電流完全補償，補償效果較優(yōu)。