高漏抗式消弧線圈的配電網單相接地故障狀態研究

陳漢超，萬家偉，方書博，李 迪

（1.國網電力科學研究院有限公司，南京 211106；2.國網電力科學研究院武漢南瑞有限責任公司，武漢 430074；3.電網雷擊風險預防湖北省重點實驗室，武漢 430074）

引言

在配電網中，線網的中性點和大地相連接的方式是通過消弧線圈進行連接，這種連接方式叫做諧振接地，其比其他配電網中性點接地方式突出許多，諧振接地方式有著較多優勢[1]。例如，在單相接地故障發生后，可通過消弧線圈中產生感應電流，以此來彌補配電網電容中缺失的部分，從而消除弧光。在滅弧成功后，使故障電壓的恢復速度降低，避免弧光重新燃燒。諧振接地技術在一定程度上降低了接地故障的發生率，被廣泛應用于中壓變電站中。在傳統的變電站中，適應較為廣泛的是調匝式消弧線圈，這種線圈主要是通過改變電感線圈的檔位，實現電感值的調節。

在配電網采用諧振接地的連接方式以后，當接地故障消失時，單相接地消失并不能夠被消弧線圈有效判斷出來，沒有及時地退出補償狀態，導致消弧線圈與系統對地電容串聯，嚴重影響了系統正常運行。針對這一種情況，目前所用的方式是增加消弧線圈的脫諧度，有效地將補償精度增加[2]。

1 諧振接地系統接地故障消失時的暫態過程

當諧振接地系統發生單相接地時，零序回路如圖1所示。Ua為故障電源電壓，U0為系統的零序電壓，Rd為故障點接地電阻，L為消弧線圈的電感值，C0為系統三相對地分布電容等效電容值，R0消弧線圈的損耗。

圖1 零序回路等效電路

當接地故障點零電弧熄滅時，如同圖中開關S斷開，這時系統的零序回路等效電路如圖2所示，圖2中Uk表示系統中三相不平衡電壓。

圖2 接地故障消失時零序回路等效電路

在配電網單相接地故障消失之前，零序回路中的每一項參數決定零序電壓的幅值，此時的U0角頻率與電網中電源的角頻率大致相同。當電網恢復至正常狀態后，消弧線圈電感會與系統對電容形成一個諧振回路，如圖2中所示，接地消失后，零序電壓中將會出現一個變化量，并且這個變化量會隨著角頻率的降低逐漸降低。因此，為了防止單相接地時產生大量的殘流，可以通過消弧線圈中的電抗來對其進行相應的補償[3]。因此，當接地消失時，圖2中的電路自振頻率與系統電源頻率相同，一般為了讓單相接地時電弧能夠快速地熄滅，殘流需越小越好。

2 高漏抗式消弧線圈在接地消失時的暫態分析

通常來說，高漏式消弧線圈是處于零序電壓的周波范圍內。但晶閘管處于斷開狀態時，濾波阻抗將會對輸入的電流產生一定的阻礙。此時，若配電系統發生故障，則消弧線圈中的電流大小將會受到晶閘管的影響。由于高抗漏式消弧線圈的基本原理和構造與其他線圈之間存在一定的差異，在接地消失的過程中，電路中的零序電壓變化也不同。

2.1 晶閘管不導通時零序電壓的變化

在接地消失之后，檢查發現消弧線圈中晶閘管出現異常情況，相應的電路如圖3所示。圖3中，Uk為不平衡電壓，C0為對地電容，L0為等效電感，L1+L2表示阻抗電感值，U0表示零序電壓。

圖3 接地消失時系統的等效電路

零序暫態電壓的頻率分量受到系統對地電容與消弧線圈勵磁阻抗的參數影響，而高頻暫態分量，則受到濾波回路和系統對地電容的參數的影響。當晶閘管一直處于截止狀態時，零序電壓在振蕩衰減過程中，電壓幅度值降低時，頻率也相應減小。

2.2 晶閘管導通時零序電壓的變化

針對不同類型晶閘管對零序電壓影響的問題，通過相應的試驗來對其研究，試驗為高壓配網模擬試驗。試驗中消弧線圈的基本參數見表1。

表1 消弧線圈的基本參數

在試驗過程中，要將消弧線圈的晶閘管觸發延遲角度穩定在一個固定的狀態，然后再用示波器來記錄每個階段零序電壓的變化。根據相應的試驗參數，將晶閘管的觸角延遲角度定為111.5°。接地消失后，產生相應的串聯諧振，此時便能得到相應的諧振觸發延遲角。此外，根據不同類型晶閘管的延遲角，可將其分為大于、等于、小于系統諧振觸發的延遲角三種情況[4]。

3 基于頻率跟蹤的系統單相接地故障狀態識別方法

當配電網中出現單相接地情況時，電網中的電流量會缺失，此時高漏抗消弧線圈便會產生相應的補償電流。若將此時觸發延遲角定為D1，則在接地故障消失的某個特定時間值內，可以通過相應的裝置調整晶閘管的觸發延遲角，使其變為D2，那么零序電壓的頻率變化△?m為：

控制裝置的實際測量零序電壓的頻率變化為?,一般裝置的誤差與消弧線圈都會影響?值，都會有相對的偏差。即

當接地故障解除后，配電網的接地故障也隨之改變。經過許多測試以后，發現K值取0.6最為理想。在接地故障沒有消失的情況下，在控制裝置調整延遲角度后，在故障電壓的影響下，消弧線圈的電壓會受到相應的限制，但是零序電壓是保持恒定不變的。在經過頻率跟蹤系統的單相接地故障狀態識別后，判斷之間沒有相應的交集，這樣能夠將系統的狀態準確地判斷出來。

4 現場應用

以某變電站為例，通過其人工接地故障的試驗數據來進行頻率跟蹤。線路采用的電纜是YJV22-3×300交聯聚乙烯電力電纜，單位長度與參數見表2。各出線電纜長度見表3。

表2 YJV22-3×300交聯聚乙烯電纜線路單位參數

表3 出線電纜長度與對地電容電流

在一段母線上通過對金屬性接地、弧光接地等不同接地方式進行模擬。試驗表明，在系統接地故障消失以后，系統中的零序電壓產生了一定的變化，逐漸減小。再結合控制裝置中的記錄數據來分析后發現，此時晶閘管的角度變為111.1°，并且系統中的電容與消弧線圈兩者之間呈現出串聯諧振的狀態，并且故障點的電壓有最低的恢復速度。在啟動頻率跟蹤判斷以后，改變了晶閘體管的觸發延遲角，讓其變為149.0°，零序電壓頻率也相應地變為39.5 Hz，與接地故障狀態下消失的頻率跟蹤判斷相同，說明單相接地故障得到了有效消除。晶閘管出現延遲角變化，使得串聯諧振現象不能發生。除此之外，在脫諧度的變化下，零序電壓也隨之發生了相應的改變，并且其恢復速度逐漸降低。在零序電壓降低到一定的范圍時，便可以停止相應的觸發，系統將恢復正常的運行狀態[5]。這些試驗充分說明了基于頻率跟蹤的系統單相接地故障狀態識別方法是有效的，這種方法已經廣泛應用于高漏式抗消弧線圈中。

5 結語

針對配電網單相接地故障問題，對配電網中高漏抗式消弧線圈的應用進行了分析，并提出一種利用頻率的診斷方式。通過這種方式，能夠有效識別出系統接地時零序電壓的變化。在接地消失后，能夠有效防止系統中產生串聯諧振。此外，增大脫諧度的作用下，將接地故障時電容產生的殘流降低到最小，并且能夠使電壓以緩慢的速度恢復，在一定程度上避免了電弧重新燃燒的情況，這對于提升配電網的安全運行有著十分重要的作用。