有源柔性配電網單相接地消弧方法研究

朱明澤，宋 蕾

(1.哈爾濱電氣國際工程有限責任公司，哈爾濱 150028；2.國網黑龍江省電力有限公司經濟技術研究院，哈爾濱 150036)

0 引 言

目前，中國配電網大多采用中性點不接地或消弧線圈接地方式，流經消弧線圈的電感電流補償單相接地故障產生的電容電流，使殘余電流迅速減小，實現快速滅弧。隨著配電網電纜線路規模的不斷擴大，傳統的消弧線圈補償方式不能滿足快速滅弧要求，柔性補償消弧方法應運而生[1]。文獻[2]提出一種并聯電阻式的消弧線圈，以開關投切實現消弧線圈的實時調整，僅能粗調。文獻[3]提出一種注入補償電流的消弧方法，計算中性點至故障點壓降，再調控零序電壓至該壓降，將故障點處電壓抑制為0，從而實現消弧。文獻[4]通過脈寬調制有源逆變器注入零序電流補償接地故障全電流，實現對零序電壓的控制，使故障點電壓為0，實現瞬時故障100%消弧。但是，向系統注入電流的方式實現消弧的經濟性較差。

為了解決配電網單相故障柔性補償中存在的上述問題，該文提出一種主從式消弧線圈柔性補償方法。為解決故障選線問題，提出故障選線新方法，利用單相接地故障后零序電流新息幅值，進行比對選出故障饋線。提出一種主從式消弧線圈結構，在此基礎上設計了柔性補償控制策略，最后利用 ADPSS搭建配電網模型，對其有效性進行驗證。

1 配電網單相接地故障動態辨識

系統電氣量當前時刻的測量值與根據上一時刻狀態估計結果得到的預報值之差即為新息。以故障前后的線路電流和各節點電壓為研究對象，用故障后一時刻電流、電壓測量值減去故障前一時刻電流，計算電流新息，如式1所示。

(1)

由回路電流法和圖論知識，根據上一時刻系統拓撲結構，在選取樹支支路和連支支路后，由連支支路新息可以推算出全網支路的新息，即為連支推算新息。在實際計算時，可由回路關聯矩陣C和已知的連支新息Ilink程序計算得出，如式(2)所示。

Irec=CIlink

(2)

式中：Irec為支路ij的修正預估比；Ilink為連支新息向量。

由式(2)推算的各線路電流新息與直接計算的新息相比，可有效避免壞數據等不正常事件，提高故障辨識的可靠性。針對多饋線的配電網結構，可增加地節點，形成環網計算零序電流新息[5]。

設配電網存在多條饋線，故障后經消弧線圈補償，導致的零序電壓變化為，則故障線路的零序電流為

(3)

式中：Z0為故障線路對地零序阻抗；E為電源相電壓；rd為接地過渡電阻。

補償前后故障線路零序電流新息為

(4)

非故障線路的零序電流新息為

(5)

式中：Z0m為非故障線路對地零序阻抗。

一般情況下，零序阻抗幅值遠大于過渡電阻值，則故障線路的零序電流新息遠大于正常線路零序電流新息，據此比較各線路零序電流新息，幅值最大者即為故障線路。

2 自適應有源消弧方法

2.1 主從式消弧線圈的基本原理

采用主從式可調節電抗器，其主要由主消弧線圈、副消弧線圈和雙向晶閘管開關三部分組成。如圖1所示，L1為主消弧線圈，線路正常運行時L1運行于過補償狀態，L2為副消弧線圈，是一種晶閘管控制的可實現從零至全電感值連續調節的電子式消弧線圈，可通過控制晶閘管導通角，實現電感值的微調，從而完成快速消弧。L2容量約為L1容量的10%～20%，其等值電抗較小，引入諧波分量也較小。當發生單相故障時，L1、L2串聯投入運行，使系統運行于全補償狀態，補償故障處的電容電流，實現消弧[6]。

圖1 主從式消弧線圈電路結構

圖2 全補償系統相量關系

圖3 過補償系統相量關系

2.2 控制策略

基于晶閘管控制的主從式消弧線圈的控制策略是補償系統的關鍵，晶閘管的觸發導通角度直接決定了系統的補償效果。將圖1所示的消弧線圈置于配電網接地變的中性點處，系統正常運行時，主消弧線圈L1投入運行，晶閘管VT1和VT2處于全導通狀態，副消弧線圈短接，系統處于過補償狀態。當單相故障發生時，調節晶閘管的觸發角，使副消弧線圈投入運行，根據測得的故障電容電流值，調節副消弧線圈迅速達到全補償點處，完成故障消弧。在故障消除后，兩晶閘管繼續全導通運行，副線圈短接，系統處于過補償狀態，避免熄弧后系統運行在全補償狀態產生過電壓。

(6)

式中：Q為消弧線圈的過補償度；L為消弧線圈電感值；C為系統對地電容；ω為工頻角頻率。

綜合上述分析，提出主從式消弧線圈控制策略的步驟，如圖4所示。

圖4 控制策略流程圖

3 仿真分析

利用ADPSS仿真，驗證所提出的有源柔性消弧方法。如圖5所示，仿真模型中共含有4條饋線，具體參數設置見表1。為驗證單相接地檢測方法在不同接地方式下的通用性，分別設置了不接地和過補償15%消弧線圈接地2種接地方式。

圖5 仿真系統拓撲圖

表1 線路參數

設置饋線1發生A相接地故障，為兼顧低阻和高阻等不同類型的接地故障，分別設置過渡電阻為10 Ω、1 000 Ω。表2給出了單相故障發生后各饋線的零序電流新息幅值，饋線1的零序電流新息遠大于其他饋線。純電阻接地故障，隨著故障電阻增大，零序電流新息的幅值逐漸減小，利用零序電流新息的幅值特征能可靠檢測單相接地故障。

表2 接地故障時零序電流新息

在接地變壓器中性點加入主從式消弧線圈，發生接地故障時柔性調節副消弧線圈，實現全補償，10 Ω低阻、1 000 Ω高阻仿真結果分別如圖6、圖7所示。由圖可知，采用主從式消弧線圈，系統故障相零序電流新息幅值小于1 A，接近于0，可實現全補償。

圖6 低阻單相接地故障

圖7 高阻單相接地故障

4 結 語

1)提出了基于主從式消弧線圈柔性消弧的配電網單相接地故障消弧方法，設計了消弧線圈柔性補償控制策略，仿真結果表明，該控制策略能夠精準快速地補償接地電容電流。

2)提出了基于零序電流新息的故障選線方法，根據線路拓撲結構推算零序電流新息，可消除壞數據等異常事件影響，提高選線準確性。理論和仿真驗證了該方法的有效性，原理可靠，操作簡單，易于工程實現。