配電網單相接地故障消弧方法探究

張文浪

（陜西公眾智能科技有限公司，陜西 西安 710000）

隨著社會經濟的發展，電力行業在國民生產生活中的地位越來越高。在我們的國家，配電網是國民經濟和工業發展的重要基礎，現代社會對電力工業的要求更加嚴格，不僅電力的需求迅速增加，而且對電網的安全性、可靠性和穩定性有了更高的要求。

配電網作為電能傳輸的主要承擔者，其正常、穩定、可靠運行是電力保障的關鍵環節[1]。

為抑制配電網發生單相接地時的接地電流,中壓配電網采用帶消弧線圈的小電流接地運行方式，降低電流[2]。

在我國建設初期，由于當時配電網系統結構不復雜，運行線路大多以架空線路為主，電纜線路運行規模較小，尚能滿足系統保障故障熄弧要求。

隨著城鄉配網中電力電纜的大量使用，電容電流急劇增大，非線性負載接入，殘流中諧波含量大大增加。而消弧線圈不能抵消諧波電流，從而影響了故障電弧的自熄，可能對絕緣薄弱處造成擊穿，引發更大的故障[3]。

因此為進一步對故障殘流進行深度補償，保障配電網運行的安全性和可靠性，則必須對消弧技術進行更深層次的研究，使其可以滿足日漸復雜的配電網接地故障可靠消弧的要求，保障配網運行安全。

本文主要針對配電網消弧難題，分析了現有消弧技術的優缺點，并推導了電流控制框圖，介紹了本方案的實現過程，并利用仿真分析比較了兩種方法消弧特征。

1 配電網單相接地故障消弧機理

1.1 配電網無源消弧機理

其中以消弧線圈為主要裝置的無源消弧技術，可以對接地故障電流的工頻容性成份進行有效補償。

消弧線圈目前已經在配電網故障消弧領域得到了廣泛的應用，其呈現著從固定式消弧線圈到自動調諧式消弧線圈的發展趨勢[4-7]。

在早期，消弧線圈主要采用固定式消弧線圈，其電感值固定不變，僅能補償參數固定的系統，無法保證故障電流有效熄滅。

隨后在此基礎之上，出現了手動調諧消弧線圈，該裝置可通過手動調節消弧線圈電感量，適應系統參數的改變，但其存在調節方式復雜，操作難度大，需要運行人員具有較深厚的工作經驗，且無法適應越來越復雜的配電網絡。

隨著科學技術的不斷發展，可適應復雜工況的自動調諧式消弧線圈應運而生，其可主要由預調式和隨調式兩類組成。

前者的工作原理為：在配電網正常時檢測其對地電容電流，將消弧線圈感值設置為全補償狀態，為避免諧振，常并聯或串聯阻尼。這種消弧線圈的優點是：當發生單相接地故障時，可迅速進行故障電流補償。

后者的工作原理為：配電網正常時，將消弧線圈設置為過補償，則無需關心諧振問題。

當發生單相接地故障時，使其從預設的過補償運行轉變為全補償運行，以滿足對故障電流的補償，當故障消失后將其切換至過補償狀態。

目前自動調諧消弧線圈的發展方向主要圍繞其電感值調節的速度與精度，當前現場中投入使用的消弧線圈有如下兩種：

(1)調匝式消弧線圈是調節繞組匝數，以調節消弧線圈感值。

其優點是操作方便。其缺點是調節速度較慢，且不能進行連續調節。但由于經濟可靠，易于操作，國內應用較多。

(2)調容式消弧線圈是控制電容器組變化，通過對電容器的投切實現電感的分級調節。

優點是相應速度快。缺點是由于線圈含有大量電容可能會對諧波有放大作用。

綜上可知，隨著科技發展消弧線圈的調節精度與速率在不斷完善，從而使消弧線圈能最大限度的補償接地工頻容性電流，然而因為其無法補償故障殘流中的諧波電流，無法滿足配電網對接地殘流深度補償的要求。

1.2 配電網有源消弧機理

鑒于無源消弧僅能補償故障殘流中工頻容性分量的局限性，國內外學者利用電力逆變器靈活輸出電流的特點，提出了基于電力電子裝置的有源消弧技術[7-9]。

通過逆變器等補償裝置，對消弧線圈補償后的故障殘流進行深度補償，或直接取代消弧線圈單純利用電力電子裝置對故障電流進行補償。

這種技術不僅可對接地點故障電流的工頻容性成分進行補償，同時也能夠實現對系統中無功分量及諧波分量進行有效補償。

圖1 為有源接地配電網結構圖。

圖1 有源接地配電網結構圖

圖1 主要分為有源注入裝置以及配電網兩部分組成。

有源注入裝置可以取任意逆變器拓撲，當前有源消弧裝置常用的拓撲有級聯H 橋逆變器拓撲以及單相逆變器拓撲等。

E˙A、E˙B、E˙C分別為三相電源電勢，CA、CB、CC分別為對地電容，RA、RB、RC為對地電阻，U˙0為中性點電壓，L1為消弧線圈,L2為串聯電感，I˙in為注入電流，Rd為接地故障電阻。

由基爾霍夫定律可知：

即可實現對故障電流的補償,這就是有源消弧方法的基本原理。

殘流中由非線性負載帶來的諧波分量，以5、7 次最高，因此也應該注入一個與其等大反相的諧波電流，具體表達式為：

由式(6)可知，注入電流不僅能補償工頻，還能補償諧波，能完全補償殘流。

2 控制策略

有源消弧系統的消弧效果,依賴于系統對指令電流跟蹤精度。

這就要求構建電流閉環系統，使補償電流能精確滿足系統補償的要求。

PI 控制是工程上一種經典控制，具有快速響應性以及較強的魯棒性，且系統校正快捷。

因此本文的電流控制系統采用PI 控制，其系統結構如圖2 所示。

圖2 PI 電流閉環控制系統

在上圖中，Iref為逆變器補償電流，Iin為注入電流，GPI為PI 的傳遞函數，GINV為注入裝置傳遞函數，GO為電感傳遞函數。

閉環電流的傳遞函數為：

其流程圖如圖3 所示。

圖3 電流閉環消弧流程圖

首先：在配電網運行時，對三相電壓進行采樣，并利用逆變器向配電網注入電流，獲得對應電壓偏移；

其次：判斷是否發生接地故障；若是，進行選相。故障電壓相降低的故障相；若為發生此現象，則返回上步驟；

再次：當確定故障發生，選擇故障相成功后，計算補償電流的相位和幅值，確認補償電流；

最后：將補償電流注入配電網，從而熄滅故障電流，達到消弧目的。

3 仿真分析

為了驗證本文所提出方法的正確性，所以在MATLAB中建立如圖4 所示仿真模型并進行驗證。

圖4 有源接地配電網仿真模型

本文采取的模型包含6 條饋線，包括架空線路，電纜線路，以及由兩者混合組成的混合線路。線路的具體參數見表1。

表1 線路參數

注入裝置選擇雙串聯H 橋拓撲，適應于高壓大功率場合。

其電源電壓選為4000V，電感選取10mH，負載采用RLC模型。

仿真以驗證本文所提出策略的有效性和適用性。

設定0.05s 發生故障，0.15s 投入補償裝置。

圖5 為當發生單相接地故障，且接地電阻為300Ω 時，采用無源消弧法（投入消弧線圈）和有源消弧法控制下（有源注入裝置及消弧線圈）的故障殘流波形圖。

圖5 PI 和PI 控制下故障殘流

由圖5 可知采取無源消弧法進行補償之后，故障殘流約為4.8A，剩余電流仍較大，電弧仍有復燃的可能。

利用有源消弧補償后，故障殘流降低至僅為0.8A，無電弧重新復燃可能，較無源消弧法得到顯著提高，實現可靠熄弧。

綜上可以看出，有源消弧法性能優于無源消弧法。

4 結論

配網發生單相接地故障，若不及時處理，將嚴重影響電力系統正常運行。

而現有無源消弧法無法將接地電流抑制到安全范圍之內，因此提出了有源消弧法的方法。

本文詳細推導了消弧原理，并給出了電流控制策略，利用仿真分析證明了有源消弧法的消弧優勢。