配电网单相接地故障消弧方法探究

张文浪

（陕西公众智能科技有限公司，陕西 西安 710000）

随着社会经济的发展，电力行业在国民生产生活中的地位越来越高。在我们的国家，配电网是国民经济和工业发展的重要基础，现代社会对电力工业的要求更加严格，不仅电力的需求迅速增加，而且对电网的安全性、可靠性和稳定性有了更高的要求。

配电网作为电能传输的主要承担者，其正常、稳定、可靠运行是电力保障的关键环节[1]。

为抑制配电网发生单相接地时的接地电流,中压配电网采用带消弧线圈的小电流接地运行方式，降低电流[2]。

在我国建设初期，由于当时配电网系统结构不复杂，运行线路大多以架空线路为主，电缆线路运行规模较小，尚能满足系统保障故障熄弧要求。

随着城乡配网中电力电缆的大量使用，电容电流急剧增大，非线性负载接入，残流中谐波含量大大增加。而消弧线圈不能抵消谐波电流，从而影响了故障电弧的自熄，可能对绝缘薄弱处造成击穿，引发更大的故障[3]。

因此为进一步对故障残流进行深度补偿，保障配电网运行的安全性和可靠性，则必须对消弧技术进行更深层次的研究，使其可以满足日渐复杂的配电网接地故障可靠消弧的要求，保障配网运行安全。

本文主要针对配电网消弧难题，分析了现有消弧技术的优缺点，并推导了电流控制框图，介绍了本方案的实现过程，并利用仿真分析比较了两种方法消弧特征。

1 配电网单相接地故障消弧机理

1.1 配电网无源消弧机理

其中以消弧线圈为主要装置的无源消弧技术，可以对接地故障电流的工频容性成份进行有效补偿。

消弧线圈目前已经在配电网故障消弧领域得到了广泛的应用，其呈现着从固定式消弧线圈到自动调谐式消弧线圈的发展趋势[4-7]。

在早期，消弧线圈主要采用固定式消弧线圈，其电感值固定不变，仅能补偿参数固定的系统，无法保证故障电流有效熄灭。

随后在此基础之上，出现了手动调谐消弧线圈，该装置可通过手动调节消弧线圈电感量，适应系统参数的改变，但其存在调节方式复杂，操作难度大，需要运行人员具有较深厚的工作经验，且无法适应越来越复杂的配电网络。

随着科学技术的不断发展，可适应复杂工况的自动调谐式消弧线圈应运而生，其可主要由预调式和随调式两类组成。

前者的工作原理为：在配电网正常时检测其对地电容电流，将消弧线圈感值设置为全补偿状态，为避免谐振，常并联或串联阻尼。这种消弧线圈的优点是：当发生单相接地故障时，可迅速进行故障电流补偿。

后者的工作原理为：配电网正常时，将消弧线圈设置为过补偿，则无需关心谐振问题。

当发生单相接地故障时，使其从预设的过补偿运行转变为全补偿运行，以满足对故障电流的补偿，当故障消失后将其切换至过补偿状态。

目前自动调谐消弧线圈的发展方向主要围绕其电感值调节的速度与精度，当前现场中投入使用的消弧线圈有如下两种：

(1)调匝式消弧线圈是调节绕组匝数，以调节消弧线圈感值。

其优点是操作方便。其缺点是调节速度较慢，且不能进行连续调节。但由于经济可靠，易于操作，国内应用较多。

(2)调容式消弧线圈是控制电容器组变化，通过对电容器的投切实现电感的分级调节。

优点是相应速度快。缺点是由于线圈含有大量电容可能会对谐波有放大作用。

综上可知，随着科技发展消弧线圈的调节精度与速率在不断完善，从而使消弧线圈能最大限度的补偿接地工频容性电流，然而因为其无法补偿故障残流中的谐波电流，无法满足配电网对接地残流深度补偿的要求。

1.2 配电网有源消弧机理

鉴于无源消弧仅能补偿故障残流中工频容性分量的局限性，国内外学者利用电力逆变器灵活输出电流的特点，提出了基于电力电子装置的有源消弧技术[7-9]。

通过逆变器等补偿装置，对消弧线圈补偿后的故障残流进行深度补偿，或直接取代消弧线圈单纯利用电力电子装置对故障电流进行补偿。

这种技术不仅可对接地点故障电流的工频容性成分进行补偿，同时也能够实现对系统中无功分量及谐波分量进行有效补偿。

图1 为有源接地配电网结构图。

图1 有源接地配电网结构图

图1 主要分为有源注入装置以及配电网两部分组成。

有源注入装置可以取任意逆变器拓扑，当前有源消弧装置常用的拓扑有级联H 桥逆变器拓扑以及单相逆变器拓扑等。

E˙A、E˙B、E˙C分别为三相电源电势，CA、CB、CC分别为对地电容，RA、RB、RC为对地电阻，U˙0为中性点电压，L1为消弧线圈,L2为串联电感，I˙in为注入电流，Rd为接地故障电阻。

由基尔霍夫定律可知：

即可实现对故障电流的补偿,这就是有源消弧方法的基本原理。

残流中由非线性负载带来的谐波分量，以5、7 次最高，因此也应该注入一个与其等大反相的谐波电流，具体表达式为：

由式(6)可知，注入电流不仅能补偿工频，还能补偿谐波，能完全补偿残流。

2 控制策略

有源消弧系统的消弧效果,依赖于系统对指令电流跟踪精度。

这就要求构建电流闭环系统，使补偿电流能精确满足系统补偿的要求。

PI 控制是工程上一种经典控制，具有快速响应性以及较强的鲁棒性，且系统校正快捷。

因此本文的电流控制系统采用PI 控制，其系统结构如图2 所示。

图2 PI 电流闭环控制系统

在上图中，Iref为逆变器补偿电流，Iin为注入电流，GPI为PI 的传递函数，GINV为注入装置传递函数，GO为电感传递函数。

闭环电流的传递函数为：

其流程图如图3 所示。

图3 电流闭环消弧流程图

首先：在配电网运行时，对三相电压进行采样，并利用逆变器向配电网注入电流，获得对应电压偏移；

其次：判断是否发生接地故障；若是，进行选相。故障电压相降低的故障相；若为发生此现象，则返回上步骤；

再次：当确定故障发生，选择故障相成功后，计算补偿电流的相位和幅值，确认补偿电流；

最后：将补偿电流注入配电网，从而熄灭故障电流，达到消弧目的。

3 仿真分析

为了验证本文所提出方法的正确性，所以在MATLAB中建立如图4 所示仿真模型并进行验证。

图4 有源接地配电网仿真模型

本文采取的模型包含6 条馈线，包括架空线路，电缆线路，以及由两者混合组成的混合线路。线路的具体参数见表1。

表1 线路参数

注入装置选择双串联H 桥拓扑，适应于高压大功率场合。

其电源电压选为4000V，电感选取10mH，负载采用RLC模型。

仿真以验证本文所提出策略的有效性和适用性。

设定0.05s 发生故障，0.15s 投入补偿装置。

图5 为当发生单相接地故障，且接地电阻为300Ω 时，采用无源消弧法（投入消弧线圈）和有源消弧法控制下（有源注入装置及消弧线圈）的故障残流波形图。

图5 PI 和PI 控制下故障残流

由图5 可知采取无源消弧法进行补偿之后，故障残流约为4.8A，剩余电流仍较大，电弧仍有复燃的可能。

利用有源消弧补偿后，故障残流降低至仅为0.8A，无电弧重新复燃可能，较无源消弧法得到显著提高，实现可靠熄弧。

综上可以看出，有源消弧法性能优于无源消弧法。

4 结论

配网发生单相接地故障，若不及时处理，将严重影响电力系统正常运行。

而现有无源消弧法无法将接地电流抑制到安全范围之内，因此提出了有源消弧法的方法。

本文详细推导了消弧原理，并给出了电流控制策略，利用仿真分析证明了有源消弧法的消弧优势。