配电网用无源消弧装置运行效果比较

宋振，熊立新，2

（1.山东理工大学智能电网研究中心，山东淄博255049；2.山东科汇电力自动化股份有限公司，山东淄博255087）

·电网技术·

配电网用无源消弧装置运行效果比较

宋振1，熊立新1，2

（1.山东理工大学智能电网研究中心，山东淄博255049；2.山东科汇电力自动化股份有限公司，山东淄博255087）

对配电网用无源消弧装置进行研究，比较在系统发生单相接地故障时，消弧线圈与消弧柜对故障点接地电流和弧光接地过电压的抑制效果。基于Matlab／simulink仿真软件建立配电网模型，以某10 kV配电网为例，分别仿真采用消弧线圈与消弧柜两种消弧装置的系统单相接地故障，分析了消弧装置在故障相电压分别处于峰值和零值时，发生金属性接地与间歇性弧光接地情况下的运行效果，总结了两种消弧装置的优缺点，对合理选择消弧装置具有一定的指导意义。

Matlab／simulink；消弧线圈；消弧柜；单相接地故障

0 引言

目前我国配电网为应对单相接地故障所装设的消弧装置多采用无源消弧法。此方法按控制对象的不同又可以分为无源电流消弧法和无源电压消弧法。前者被广泛应用的代表为消弧线圈，利用故障时中性点电压作用在消弧线圈上产生感性电流补偿接地点容性故障电流的方式，促使故障接地电流达到最小。消弧柜则依据无源电压消弧法将故障相母线与地短接，通过限制系统过电压水平，延长故障相电压恢复时间的方法，防止了电弧复燃。由于消弧柜能较好地解决过电压问题，因而在工矿、冶金等行业应用较多［1－3］。

研究消弧线圈与消弧柜灭弧原理，利用Matlab／simulink仿真软件对分别装配有此两种消弧装置的10 kV配电网进行单相接地故障仿真，研究在金属性接地和间歇性弧光接地情况下两种消弧装置的运行特性，给出相关的仿真数据和波形曲线，总结二者在抑制故障点接地电流和弧光过电压方面的特点，为消弧线圈和消弧柜的实际应用提供方案论证和理论支持。

1 消弧线圈和消弧柜

1.1 消弧线圈

二十世纪初德国科学家W.Petersen发明了消弧

线圈，在经过了近一个世纪的实践检验和理论完善后，消弧线圈已在世界各地得到了广泛的应用。图1为经消弧线圈接地系统的等值接线图。当消弧线圈投入运行后，补偿电网（中性点经消弧线圈接地的电网）在正常运行情况下，其零序回路中消弧线圈与系统的对地电容为串联关系，故障时则为并联关系。通过调整消弧线圈匝数进而调整其电感值，可以产生相应的感性补偿电流，与接地处的容性故障电流相抵消，减小接地电流的危害。

消弧线圈的补偿电流有分级（阶段）调整和无级（连续）调整之分，调整方式又有自动和手动之别，而自动调整又有发生接地故障前预先调整的预调式和出现接地故障后迅速调整的随调式两种形式。在我国配电网消弧线圈补偿系统中，虽然目前手动分级调整的消弧线圈较多，但是，自动跟踪调谐的补偿装置正在迅速发展，并已大量地投入运行。消弧线圈能够使得单相接地电弧自动瞬间熄灭，主要基于以下两个要点［4］：

1）故障点接地电容电流可以和消弧线圈的电感电流相互补偿，极大地减小故障点的接地电流，接地电弧从而易于自熄。

2）接地电弧过零自熄后，故障相恢复电压的幅值和初速度都会减小，从而有效降低了接地电弧重燃的概率，达到彻底熄弧的效果。

经补偿之后的故障点接地电流，其电动力和热效应所造成的破坏作用会大大降低，同时也在一定程度上减小了电弧熄灭后再次复燃的概率。当故障相电压的恢复初速度远小于故障点介质绝缘的恢复强度的时候，故障点将不再建立电弧，补偿电网便又回到了正常运行状态。

图1 经消弧线圈接地电网等值接线

1.2 消弧柜

消弧柜实质上是一个装设在变电站10 kV母线与大地之间可以分相控制的3个单相开关。图2为经消弧柜接地电网的等值接线图，EA、EB、EC分别为配电网三相电源电压，TV为电压互感器，UA、UB、UC分别为配电网三相母线电压，SA、SB、SC为受控制器分相控制的单相开关，l1到ln为配电网的n条馈线，R为接地点的过渡电阻。其工作过程为：消弧柜的微机控制器不断检测变电站母线的三相电压，一旦配电网出现故障，控制器会立即对故障类型和故障相别进行判断。当发生单相接地故障时（以A相为例），控制器通过对稳态三相电压进行比较，判断出电压较低的一相即为故障相，控制此相（A相）所对应的单相开关（SA）合闸，单相开关（SA）闭合后，使得故障相（A相）直接转化为金属性接地。

为判断已发生的单相接地故障是否为瞬时性故障，单相开关（SA）会在闭合一段时间后断开一次，并检测开关断开后的母线稳态三相电压是否恢复正常。若恢复，则该次单相接地故障为瞬时性接地故障，单相开关（SA）不再闭合，系统将恢复到正常运行状态。若未能恢复，单相开关（SA）会再次闭合，此时系统将运行在稳定的单相接地状态，并发出报警信号通知值班人员。

图2 经消弧柜接地电网等值接线

2 系统仿真

为了能更直观地比较两种消弧装置在单相接地故障情况下的熄弧效果，在Simulink内搭建10 kV配电网模型，主要涉及的仿真模块有无穷大功率电源、三相变压器、接地变压器、示波器、电力线路、接地故障、电力系统图形用户界面等。

2.1 输电线路的建模与实现

在Simulink的电力系统工具箱（Power System Blockset，PSB）中，提供了两种线路模型，分别是集中

式π形等值模块和分布参数等值模块。在建模过程中选用合适的线路模型及线路参数可以提高仿真结果的准确性。

集中式π形等值模块是在三相平衡的情况下三相R、L、C参数相同的近似线路模型。对于实际运行中的配电网络，配电线路三相换位较差，配电网三相对地的分布电容一般是不相等的，因而会造成配电网的中性点与大地之间存在一定的电势差，亦可称为“不对称电压”。当消弧线圈接入后，消弧线圈的电感与电网的三相对地电容构成电压谐振回路，在中性点会产生中性点位移电压。分布参数等值模块在进行设置的时候，可以输入不对称配电线路的参数矩阵，保证了仿真模型与实际线路高度匹配，因而优先选用［5］。

2.2 接地变压器的建模与实现

配电变压器联结组别的选择应考虑系统同步并列运行及减小三次谐波提高输电效率等要求。对电压等级为110 kV及以上的变压器，出于绝缘费用和系统安全运行的考虑，选用“YN”接法；35 kV及以下（不含0.4 kV及以下）则一般采用三角形连接。综合考虑，仿真模型中的配变的联结组别标号为“YNd11”。

由于10 kV侧为三角形接线，没有中性点引出，为了安装消弧线圈需装配一台三相三柱式接地变压器［6］。此接地变压器采用Z型接线：每一铁芯柱上有两个绕向相同匝数相等的绕组，按反极性串联而成，其接线方式如图3所示。

图3 接地变压器一次侧接线

当接地发生时，处于接地变压器同一相铁芯柱的上、下两半绕组会流过方向相反、数值相同的零序电流，其产生的零序磁势相平衡，从而减小了零序磁通，形成的零序阻抗及附加损耗较小，因而与普通变压器相比其中性点更适合安装消弧线圈。其二次绕组是否设置应视工程具体需要而定，如若当接地变压器兼做站用变压器时，应设置二次绕组。本例中只为引出10 kV侧的中性点，因而仅对接地变压器的一次侧进行构造：利用PSB工具箱中的12节点三相线形变压器按图3进行接线，即可构成Z型接地变压器，再将其封装成接地变压器模块，如图4所示［7］。

图4 接地变压器模块

2.310 kV系统模型的建立

为突出主要因素，需将谐振接地系统的110 kV侧等效为一无穷大功率的三相电压源，再将各个元件的仿真模型连线组合，构成经消弧线圈接地系统和经消弧柜接地系统仿真模型如图5、图6所示。

3 仿真算例

3.1 算例说明

根据某10 kV配电网建立2个仿真模型，配电变压器10 kV侧共有3条出线L1～L3。模型一为经消弧线圈接地系统，消弧线圈安装在由接地变压器引出的中性点上，过补偿运行，过补偿度为10%。模型二为经消弧柜接地系统，消弧柜直接接于10 kV母线处，正常运行时消弧柜的3个单相开关均处于分闸状态。为了使故障特征更加明显，均人为增加了配电线路的长度。增加后的3条配电线路L1～L3的长度分别为200 km、250 km、151 km。

两仿真模型的故障点均选在第3条出线的1 km

处（即图5与图6中Line3与Line4之间发生单相接地故障）。试验表明，故障状态下的系统特性会因故障发生时刻故障相电压相角的差异而有所不同，其中最具典型性的时刻分别是故障相电压处于极值和零值，其他时刻均为此二者的过渡情况［8］。故本试验只对此两种情况进行仿真分析。

图5 经消弧线圈接地系统仿真

图6 经消弧柜接地系统仿真

3.2 金属性接地故障仿真结果及分析

仿真开始前，选择离散算法，仿真的结束时间取0.2 s，采样时间设置为1×10-6s。系统在第2个周波内发生故障，故障发生时刻为A相电压过零点。3条出线L1～L3的零序电流3I01～3I03及故障点电流Id的波形如图7、图8所示。

图7 消弧装置为消弧线圈时电流波形

由图示结果可知，在故障发生前，线路完好系统没有零序电流流通，当出现单相接地故障时，整个系统均会出现零序电流，且无论采用何种消弧装置，故障线路的零序电流幅值均为最大。

图8 消弧装置为消弧柜时电流波形

当熄弧装置为消弧线圈时，单相接地过程的暂态过程结束后，由于消弧线圈的补偿作用，故障线路的零序电流失去一致性，依靠稳态零序电流选线的做法不再适用，此时故障点的接地电流的有效值为2.93 A。

当熄弧装置为消弧柜时，暂态过程结束后，故障线路与健全（非故障）线路仍有较大差别，可以据此进行判断，此时故障点的接地电流的有效值为12.49 A。

保持原有仿真模型中的参数不变，仅调整故障发生时间为A相电压过正峰值，线路L1～L3零序电流3I01～3I03及故障点电流Id的波形如图9、图10所示。

图9 消弧装置为消弧线圈时电流波形

图示结果表明，单相接地故障发生时刻为A相电压过正峰值时会使得系统的暂态过程变得剧烈且时间变长，但各线路零序电流与故障点电流的特征没有发生变化。消弧装置为消弧线圈系统的故障点接地电流数值较经消弧柜接地系统数值较小，利于电弧的熄灭。但当过渡过程结束后，故障线路与非故障线路的零序电流失去了区分度，根据稳态零序电流选线难以实现。经消弧柜接地系统虽然装置动作后，接地故障电流数值大于前者，但各线路零序电流易于辨别，方便判断故障线路。

图10 消弧装置为消弧柜时电流波形

3.3 间接性弧光接地故障仿真结果及分析

通常配电线路在实际运行过程中发生单相接地故障时，整个故障过程按时间顺序可依次分为3个阶段：间歇性电弧接地、稳定性电弧接地以及金属性接地［9］。其中最为危险的时刻发生在间歇性电弧接地阶段，电弧间歇性的熄灭和重燃会导致非故障相上产生幅值数倍于相电压的弧光过电压，对系统中的绝缘薄弱部分造成积累性破坏，严重时甚至会引发相间短路故障，造成事故的扩大。

根据工频熄弧理论（工频熄弧理论较高频熄弧理论与实测值更为接近［10］）对上述两种配有不同消弧装置的10 kV系统进行单相弧光接地仿真，故障燃弧发生在A相电压达到最大时，熄弧时刻为工频电流过零点，运行仿真模型，当消弧装置为消弧线圈时，系统的三相电压波形如图11所示：随着接地电弧的熄灭和复燃，非故障相上产生的弧光接地过电压的最大幅值约为额定相电压的3.5倍，且持续时间较长。经消弧柜接地时，系统的三相电压波形如图12所示：消弧柜动作后，非故障相上的相电压随即稳定保持在线电压水平，有效抑制了过电压现象的

发生。

根据仿真结果可知，消弧线圈与消弧柜相比，消弧线圈并不能有效消除弧光接地过电压。造成这一问题主要是因为系统发生单相接地故障瞬间，故障点接地电流含有较多的高频分量，而消弧线圈仅能针对工频容性电流进行调谐，因而不能较好地降低过电压水平［10］。

图11 经消弧线圈接地系统三相电压波形

图12 经消弧柜接地系统三相电压波形

4 结语

同系无源消弧装置的消弧线圈与消弧柜在限制故障点接地电流和抑制弧光接地过电压方面存在较大差异。消弧线圈对过渡电阻较小的金属性接地故障具有良好的补偿效果，而当发生间歇性弧光接地时，不能抑制弧光接地过电压，可能导致系统绝缘薄弱部分产生积累性损伤。消弧柜则能较好地防止弧光接地过电压现象的发生，限制系统电压处于安全范围内，但对于金属性接地故障，消弧柜动作后的故障点接地电流依旧较大，不利于电弧的可靠熄灭。

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Operation Effect Comparison of Two Passive Arc-suppression Devices Used in Distribution Networks

SONG Zhen1，XIONG Lixin1，2
（1.Research Center for Smart Grid，Shandong University of Technology，Zibo 255049，China；2.Shandong Kehui Power Automation Company Limited，Zibo 255087，China）

The performance of two passive arc-suppression devices is researched when single-phase grounding fault happens，and the ability of limiting the grounding fault current and the arc grounding over-voltage are compared between arc suppression coil and arc-overvoltage suppressor.Two simulation models with different devices are established using Matlab／Simulink taking a 10 kV distribution network as an example.During the simulation process，the occurrence time of single-phase metal earth fault are composed of two types.One is the voltage of the grounded phase at its maximum value，the other one is at its zero point.Meanwhile intermittent arc grounding fault based of main frequency arc extinguishing theory of transmission lines is also simulated in the two models.Advantages and disadvantages of the two devices are concluded，which has theoretical significance value to choose the suitable device.

Matlab／simulink；arc suppression coil；arc-overvoltage suppressor；single-phase earth fault

TM475

A

1007－9904（2016）10－0001－06

2016－04－18

宋振（1989），男，硕士研究生，主要研究方向为电力系统自动化；

国家高技术研究发展计划（863计划）项目（SS2012AA050213）；国家自然科学基金项目（51177096）

熊立新（1976），男，博士，高级工程师，主要研究方向为电力电子与电机控制技术及电力系统故障监测。