新型接地故障基波电流全补偿柔性控制系统

2022-02-06李国航

通信电源技术 2022年21期

李国航

（云南拓洲科技有限公司，云南昆明 650213）

0 引言

在供电系统运行的过程中，经常会出现单相接地故障电流和弧光过电压情况。近年来，随着城镇建设的不断加强，供电系统持续扩大，电缆数量不断增多，导致单相接地故障电流急剧增加，故障点接地电弧不可自然熄灭，在间歇性弧光过电压的作用下，事故危害、影响不断扩大，对于供电系统的稳定性和安全性产生了极大威胁。一直以来，学界对于接地故障消弧和减小接地电流方面的研究从未停止，接地电流全补偿概念应运而生。在此基础上，本文针对新型接地故障基波电流全补偿柔性控制系统展开研究和探讨，对电网接地故障消弧研究有着积极意义。

1 接地故障基波电流全补偿柔性控制原理

接地电流全补偿措施是针对配电网接地故障消弧和减小接地电流而提出的，主要补偿方式包括以下2种类型。一是有源全电流补偿，主要借助有源逆变器实现在中性点注入电流，达到补偿效果；二是无源基波电流全补偿，主要通过在电网接入偏置元件，以达到补偿目的[1]。柔性控制系统是基于第2种方式提出的，在电网实际运行过程中，相较于谐振接地系统，中性点不接地系统在正常运行过程中的零序电压较低，因此电网稳定性较高，适合接入偏置元件，以此构建柔性控制系统。在实际运用柔性控制系统的过程中，一旦发生单相接地故障，根据零序电压能够有效实现对于电容分布情况和绝缘电阻的测量，进一步计算电网绝缘参数，并以此明确基波电流全补偿偏置元件要求。在出现单相接地故障时，柔性系统可以对故障电流和绝缘电阻进行计算，并以此控制补偿元件进行投切。当接地故障电阻较高时，电流相对较小，此时不会出现电弧自燃情况，因此无须接入补偿元件；当接地电流较高时，需要以此分析故障相，并通过柔性控制将预调好的补偿元件接入线路中，完成基波电流的补偿，实现对于故障相电压的控制，避免出现电弧自燃事故。

2 柔性控制系统运行要点

2.1 测量电网绝缘参数

柔性控制系统在实际运行的过程中需要对电网绝缘参数进行测量，以此配置相应补偿元件。当前测量中性点不接地系统的电网绝缘参数方法相对较多，其中以偏置电容法为主，但在实际应用的过程中应注意以下2点。其一，仅针对电网电容电流无法测量绝缘电阻的情况；其二，系统不平衡度的增加，会导致该方法测量结果的误差有所增加[2]。偏置电容法的测量是在线路参数严格并忽视绝缘电阻基础上实现的，Cad为偏置电容，当将其接入A相时，可计算得到中性点的电压为

式中：U0表示中性点电压；EA表示三相电源中电源A的电压；Cad表示偏置电容；CΣ表示电网总分布电容。

电网总分布电容的计算公式为

电容电流的计算公式为

式中：UA表示接入小电容Cad后A相的电压；EA=U1^；U1^表示电源相电压；Ic'表示流经Cad的电流。

值得注意的是，实际电网运行过程中，其不对称度通常为0.5%～1.5%，严重情况下可能会达到3.5%，而且相比架空线，电缆线不对称性偏小。电网阻尼率通常为1.5%～4%，绝缘老化或者存在严重污秽时可升至10%左右[3]。在实际进行绝缘参数计算的过程中，还需要考虑电网线路参数不对称以及绝缘线路情况，并进一步明确偏置电容法的误差因子。

基于此，在加入偏置补偿元件和考虑电网参数不对称的情况下，依次对系统不平衡电压、电网零序电压、流经偏置元件电流、电网对地分布总电容以及线路绝缘电导依次进行计算，并将参数不对称矢量和代入到电网零序电压计算公式中，能够有效解决电网不对称问题。对此，在实际应用柔性控制系统的过程中，仅需对偏置补偿元件投入前后的电压和电流进行测量，就能够通过计算得到精准的绝缘参数。为了保障电网运行安全，选择电阻作为偏置元件，同时要求其在保障偏置元件接入电网后，零序电压位移能够达到15%左右，既不会影响电网的正常运行，还能够确保电压位移满足柔性控制需求[4]。

2.2 故障电流电阻分析

与普通金属性接地故障不同，单相接地故障发生时，传统选相判据并不具备可靠性，甚至是失效的，应根据电压变化情况进行选相判断。对此，当系统A相发生单相接地故障时，应对电网零序电压进行计算，并明确故障电流与电网绝缘参数、故障前后零序电压之间的关系，以此判断故障电流与电压处于相同相位，并根据电流相位判断故障相。此外，在电网参数对称的情况下，故障电流和故障相不会受到电网不对称影响。在此基础上，用故障电压除以故障电流即可计算得到过渡电阻[5]。

2.3 基波电流补偿方法

常用的单相接地故障消弧方法主要包括电流和电压2种，但由于借助有源逆变器向电网注入电流以控制零序电压的方式所需要使用的设备相对复杂，而且并未充分考量电网不对称度的问题，因此实用性有待商榷[6]。为了解决这一问题，可通过在故障相超前相对地接入组感性偏置补偿元件的方式，实现对于零序电压的有效控制，以此达到电压消弧效果。对此，需要先明确电网参数不对称矢量和，并在此基础上计算零序电压，然后假设零序电压与故障相电源电势相反，以此使得故障相电压为零，同时探讨消除间歇性电弧自燃的条件，明确偏置补偿元件等效并联电感和电导需要满足的情况。在此基础上，明确电网C相电压，分别探讨电网线路参数严格对称与不对称等情况，然后计算偏置补偿元件等效并联电感和电导的矢量和。

在电网线路参数严格对称时，单相接地故障有功和无功电流偏置补偿原理如图1所示，其中I表示相电压UC在偏置补偿元件上产生的电流，ILM表示电感电流，IGM表示电导电流，ILGM表示二者的矢量和，ω表示系统角频率，GΣ表示系统分布总电导，CΣ表示电网总分布电容。当偏置元件在C相上的电流与A相金属性接地故障电流相等时，能够实现电流全补偿。在电网线路参数不对称的情况下，偏置接地故障电流全补偿方法能够消除电网不对称故障电流所造成的影响。值得注意的是，在实际应用基波电流全补偿方式的过程中，应精确进行绝缘参数的测量，才能保障后续计算结果的准确性，确保相应偏置补偿装置的配置合理[7]。

图1 单相接地故障有功和无功电流偏置补偿原理

2.4 接地柔性控制流程

在电网发生单相接地故障的过程中，过渡电阻的存在会影响故障特点的表现，若中性点不接地系统出现高阻接地故障时，故障发生的瞬间中性点电压位移较小，无法满足电弧自燃条件[8]。在系统运行过程中，由于谐振回路会使得中性点位移电压增加，可能会满足电弧自燃条件，应将谐振接地系统放置在距离谐振点较远的位置，但同时这种操作也会影响补偿效果。故障发生后，系统仍然处于全补偿状态，若出现高阻接地情况，则会导致谐振过电压较大，还可能会出现虚幻接地情况，影响故障判断，这些都会降低电网运行的安全性和可靠性[9]。在实际应用柔性控制系统时，可从故障电流和电阻之间的关系入手，以此实现对于偏置补偿元件投切行为的柔性控制。基于此，当发生接地故障时，可对补偿元件的阻抗值进行调整，并通过零序电压变化情况进行判断。若其与故障未发生时的设定值相同，则说明故障已经消除，可以切除补偿元件；若零序电压发生变化，则判断为永久性故障，将补偿元件调整为全补偿值[10]。根据上述逻辑关系和操作步骤，接地柔性控制流程如图2所示。