考虑线路压降的快速接地开关消弧性能及应用

赵 军， 阮 琦, 李景禄

(1. 国网湖南省电力有限公司衡阳供电分公司， 湖南省衡阳市 421001； 2. 国电集团汉川发电有限公司， 湖北省汉川市 431614； 3. 长沙理工大学电气与信息工程学院, 湖南省长沙市 410114)

0 引言

随着城市配电网的扩大及电力电缆的大量使用，配电网电容电流越来越大，发生单相接地故障时若不能及时处理，电弧不能自行熄灭，可能在系统中引起弧光接地过电压导致人身和电网设备安全事故[1-2]。

配电网发生单相接地故障时，减小故障点电流，钳制故障点电压可实现故障消弧。单相接地故障消弧方法分为电压消弧法和电流消弧法。电压消弧法通过控制故障相母线电压，促使故障点电弧熄灭，具体又可分为有源电压消弧和无源电压消弧，但都受故障线路压降的影响，在某些低阻接地故障下可能使故障电流增大，影响熄弧效果[3-5]。电流消弧法通过提供与故障点电流方向相反的电流，减小故障点电流促使电弧熄灭。传统的消弧线圈及有源故障电流全补偿消弧装置都属于电流消弧，消弧线圈无法补偿故障点谐波电流及有功电流分量，有源电流全补偿装置依赖于系统对地参数的精确测量，控制系统复杂[6-8]。

快速接地开关消弧法，通过投切单相开关使变电站内故障相直接接地或经过小电阻、小电抗接地[9-10]，转移故障点电流，钳制故障相电压，促使故障电弧快速熄灭，其本质上可归于电压消弧法[5]。文献[11]提出采用自动补偿消弧线圈与快速接地开关配合使用的消弧方法。由自动补偿消弧线圈对瞬时性接地故障进行消弧，由快速接地开关对永久性接地故障进行处理，从而使系统兼具快速熄弧和小电流接地系统的优点。文献[12]提出了一种配电网单相接地故障性质的快速诊断方法与处理装置，该装置可取代消弧线圈进行故障消弧，本质仍然是通过快速接地开关钳制故障相电压，将故障电流转移至站内，促使故障电弧熄灭。快速接地开关消弧结构简单，易于控制，且设备成本少，目前国内有多个厂家在生产，国家电网公司也在若干省份进行推广试用。但是相关文献或产品在对快速接地开关消弧原理进行分析时，都采用典型的集中参数模型，未考虑线路压降及过渡电阻对熄弧效果的影响[13]，因此需要对其消弧性能做进一步的分析。

本文采用线路π形等值参数模型建立应用快速接地开关的小电流接地系统等效电路，由对称分量法推导出故障点电流表达式。分析发现当故障线路存在较大压降且过渡电阻较小时，快速接地开关可能会增大故障点电流，影响熄弧效果。通过监测接地开关上的电流可间接检测故障点电流，从而确认熄弧效果。对于中性点不接地系统，当检测到故障点电流超过预定值时，应退出接地开关，及时隔离故障区段。对于消弧线圈接地系统，当检测到故障点电流超过预定值时，退出接地开关，仅由消弧线圈消弧，再视具体情况隔离故障区段。

1 应用快速接地快关时故障点电流分析

图1 单相接地故障下消弧等效电路Fig.1 Arc suppression equivalent circuit under single phase grounding fault

规定电流由母线流向线路方向为正，由图1可知，流经故障点的故障电流与流经站内接地点的电流的关系可表示为:

(1)

图2 故障馈线等效电路图Fig.2 Diagram of fault feeder equivalent circuit

(2)

(3)

式中：C0和C1分别表示单位长度线路零序电容和正序电容。

(4)

(5)

在故障点由边界条件可得：

(6)

(7)

故障相母线电压与故障点电压应用对称分量法表示为：

(8)

由式(8)解得故障相母线处电压为：

(9)

(10)

解得故障相母线电压为：

(11)

(12)

由式(9)、式(11)计算所得故障相母线对地电压相等，于是有

(13)

令k=1-lz/(2l)，结合式(1)、式(9)至式(13)可解得故障点的故障电流表达式为：

(14)

由式(14)可知馈线i上流经故障点的电流由三部分组成：第一部分为馈线i自身电容电流及馈线i

(15)

将满足式(15)的过渡电阻值称为临界过渡电阻，当过渡电阻大于临界过渡电阻时，故障电流才会小于系统对地阻抗电流，此时投入快速接地开关才能起到使故障电流减小作用，否则反而会使得故障点电流增大。

对于站内单相接地故障，lz的长度基本可忽略，流经故障点的电流是系统对地阻抗电流在过渡电阻与站内接地电阻上的分配，其表达式为：

(16)

设一个系统电容电流为40 A的不接地系统，A相发生单相接地故障，故障馈线长为8 km，站内接地电阻为0.1 Ω，线路单位长度正序阻抗Z1=0.034+j0.163 Ω，零序阻抗Z0=0.34+j0.572 Ω，负载电流为300 A，负荷功率因数为0.95。保持其他参数不变，过渡电阻在0.1～10 Ω之间变化，故障距离在0～6 km之间变化时，故障点电流曲线如图3所示，当线路压降和过渡电阻满足一定条件时，故障点电流甚至可达上百安培。

采用快速接地开关消弧时，可在接地开关上串入电流互感器，通过监测站内接地点的电流间接实现故障点电流测量，由式(1)可知：

(17)

对于系统中存在的高次谐波分量，由于站内接地点电阻通常远小于过渡电阻，因此快速接地开关能够将其有效转移至站内接地点，避免其影响熄弧。

图3 故障电流随故障距离及过渡电阻变化关系Fig.3 Relationship among fault current, fault distance and transition resistance

2 快速接地开关消弧性能分析

2.1 快速接地开关抑制弧光接地过电压

图4 快速接地开关等效熄弧电路模型Fig.4 Equivalent extinguishing arc circuit model for fast grounding switch

小电流接地系统发生单相接地故障，未投入开关KA时，在故障相与非故障相上将发生两个过程，非故障相电压突然升高和故障相电压突然降低，非故障相上电容充电，故障相电容放电。非故障相对地电容经本相线路阻抗与电源及故障点形成回路，故障相对地电容经故障相线路阻抗及故障点形成回路。非故障相上电压由强制分量与自由分量组成[16]，当开关KA闭合时，强制分量为非故障相线电压，自由分量将经过接地开关泄入大地，快速衰减为零，因此非故障相母线电压为线电压，同理，故障相母线电压基本为零，避免了线路电容反复充放电过程，破坏掉间歇性弧光接地过电压的形成条件，从而能够有效抑制间歇性弧光接地过电压。

2.2 快速接地开关消弧分析

根据能量守恒原则，电弧的熄灭与重燃取决于电流过零期间的弧道能量平衡过程，当弧道输入能量小于弧道散出能量时，电弧无法维持燃烧将自行熄灭，反之则电弧重燃[17]。小电流接地系统发生单相接地故障时，一般经过三个阶段，由不稳定燃弧阶段至稳定燃弧阶段最后形成金属性接地故障。不稳定燃弧和稳定燃弧阶段电弧都有可能熄灭，其中不稳定燃弧阶段故障电流主要是高频分量，稳定燃弧阶段电流主要为工频分量[18]。

3 快速接地开关的应用效果

通过上面的分析可知，快速接地开关具有以下优点。

1)有效抑制间歇性弧光接地过电压。

2)转移故障点高频谐波分量、消耗故障点暂态电流分量。

3)当过渡电阻远大于故障线路阻抗时，可降低故障点电压、电流，促使电弧熄灭熄弧。

应用快速接地开关有以下不足。

1)当过渡电阻较小，线路压降较大时，投入接地开关反而会进一步增大故障点电流，影响熄弧效果。

2)对于站内接地故障，在同一接地网中，分流效果有限。

在一些已有相关的研究中，通过在快速接地开关支路串接小电阻或小电抗来减小线路压降对故障点电流的影响，但是从式(14)可以看到，增加快速接地开关支路阻抗，即增大式中R的值，在低阻接地状态下可减小线路压降对故障电流的影响，但是同时增大了系统电容电流在故障点的分布，无法从根本上解决快速接地开关在处理低阻接地故障时不能可靠减小故障点电流的问题。因此快速接地开关本质上作为一种电压消弧方法，存在固有的缺陷。

若快速接地开关单独作为一种消弧装置，应配以完善的配电自动化系统，将快速接地开关无法处理的故障及时隔离。当系统发生单相接地故障时，闭合相应相的快速接地开关，钳制故障相母线电压，转移故障点电流，并检测接地开关支路电流，由式(17)实现故障点电流的间接测量，当故障电流大于设定值时，断开故障相接地开关，由配电自动化系统对永久性接地故障进行故障隔离。

若将快速接地开关与消弧线圈结合进行消弧，当系统发生单相接地故障时，闭合相应相的快速接地开关，钳制故障相母线电压、转移故障点电流，并检测接地开关支路电流，由式(17)实现故障点电流的间接测量。当故障电流大于设定值时，断开故障相接地开关，仅由消弧线圈进行消弧，对于永久性接地故障可根据需要进行故障隔离。

4 仿真验证

为了验证本文分析结果，利用MATLAB仿真软件搭建Simulink仿真模型进行仿真验证。选用10 kV理想电压源，以三相π形等值电路模拟系统馈线，共设置6组出线，分别为l1至l6，线路长度分别6，8，7，7，6，6 km。线路参数如下：正序电阻为0.034 Ω/km，零序电阻为0.34 Ω/km，正序电感为0.52 mH/km，零序电感为1.82 mH/km，正序电容为0.29 μF/km，零序电容为0.19 μF/km。系统正序阻抗Z1=0.034+j0.163 Ω，系统零序阻抗Z0=0.34+j0.572 Ω，系统电容电流为41.358 A，β=0.175。负载参数设置为P=4.299×106W，QL=0.165×106var。线路l2带负载，其他线路空载。分别仿真中性点不接地及中性点经消弧线圈接地方式下快速接地开关的消弧效果。消弧线圈处于过补偿10%状态下，其电感值L=0.404 H，站内接地电阻为0.1 Ω。假设l2线路A相发生单相接地故障，分别仿真在不同过渡电阻、不同故障距离下的故障点电流。所得仿真数据见附录A表A1和表A2。通过表中的仿真数据可知，根据文中推导的故障点电流计算公式能够较精确地得到故障点电流值。当负载电流较大时，在低阻接地故障下，随着故障距离增加，应用快速接地开关并不能有效减小故障点电流，有可能造成故障点电流增大，甚至达上百安培。

故障距离为6 km，过渡电阻分别为1,10,50 Ω时，投入快速接地开关前后，故障点电流如图5所示。可知，在大负载、长距离单相接地故障下，当过渡电阻较小时，投入快速接地开关，故障点电流反而进一步增加，只有当过渡电阻大于一定值时，投入快速接地开关才能使故障点电流减小。

图5 不同过渡电阻下投入快速接地 开关前后故障点电流Fig.5 Current before and after switching of rapid arc suppression device with different transition resistances at fault point

同时，对快速接地开关抑制弧光接地过电压进行仿真，过渡电阻为1 Ω，三相母线电压及中性点电压仿真结果如附录A图A1所示，结果表明快速接地开关能够有效抑制间歇性弧光接地过电压。

5 结语

1)应用快速接地开关处理单相接地故障时，故障点电流受故障线路参数影响，当故障线路压降较大、过渡电阻较小时，流经故障点的电流反而可能增大。

2)快速接地开关能钳制故障相母线电压接近于零，能够有效抑制间歇性弧光接地过电压。当过渡电阻较大时，快速接地开关能够有效抑制故障点燃弧，但是对于某些距离较远、过渡电阻较小、负载较大的接地故障反而可能促进电弧燃烧。

3)快速接地开关独立应用于故障消弧时，应配备完善的配电自动化系统，及时将接地开关无法消弧的区段进行隔离，与消弧线圈结合应用于消弧时，若检测故障点电流较大，应退出快速接地开关，仅由消弧线圈进行消弧。

本文分析了线路压降对快速接地开关的消弧性能的影响，并通过Simulink仿真软件进行了验证，但尚未在实际电网中进行验证。下一步将制定试验方案，在10 kV等值模拟网中考虑线路压降对快速接地开关消弧性能进行试验，以验证本文的结论。

附录见本刊网络版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。