配电网接地故障电流全补偿系统框架及其参数设计

云南电网有限责任公司临沧供电局 李 杰 张 瑞 皇 坤 施春虎 于文云

引言

就当今的配电网接地故障保护方面的研究来看，其主要的研究方向依然集中在小电流接地故障中的选线以及定位，将选线装置实用性的提升和整体选线功率的提升作为重点关注对象。而关于接地故障电流的快速主动补偿所能达到的弧光消灭以及触电事故几率降低等方面的研究却很少。

从目前的技术水平来看，在小电阻接地形式的配电网接地故障中，其保护反应接地电阻的能力仅仅可达到300Ω左右，并不能在高阻接地故障发生时实现可靠的报警以及跳闸动作，同时也会让接地故障问题的解决难度进一步提升。

在这样的情况下，为实现配电网接地故障的有效处理，达到良好的弧光消灭效果，尽最大限度避免触电事故的发生，电力企业就应该加强电流全补偿系统的研究，使其在配电网接地故障中得以良好应用，以此来实现配电网接地故障的良好处理，确保配电网的安全稳定运行。

在当今社会经济的发展中，随着人们生产生活中用电需求的不断提升，配电网在规模与负载方面也实现了不断增加。而在配电网的运行过程中接地故障是一种典型故障，同时也是当今电力企业所重点关注的一项故障。

为实现此类故障问题的有效解决，尽最大限度降低配电网中的触电事故，实现配电网运行安全的良好保障，本文特对一种配电网接地故障电流全补偿系统的框架及其参数设计进行分析，以此来为配电网接地故障中的故障电流全补偿效果保障提供参考。

1 配电网接地故障残流特征与全补偿分析

1.1 配电网接地故障残流特征分析

在配电网发生了接地故障之后，其回路中的参数有三种：电阻、电感、电容。但是其中的电感仅可以进行无功参数的补偿，因此在接地电流中的残流仅仅是有功残流。同时，因为消弧线圈内的电感量主要依据工频补偿的实际要求进行设计，所以仅可对工频形式的无功电流进行补偿。而在系统的实际运行过程中，其谐波电流的含量通常很大，这就使得谐波所引起的对地容性大电流无法被消弧线圈所补偿，进而导致残流中含有谐波容性电流[1]。另外，因配电网采用的大多是过补偿形式，这样的情况也导致接地电流中有大量的感性电流存在。

1.2 配电网接地故障残流全补偿问题及其解决方案分析

对于无功残流而言，系统中的阻尼率将会对其起到决定性作用，而系统阻尼又是配电网中不可避免的存在，只有在系统处于全补偿形式的运行状态时，其中的感性电流以及容性电流才可以全部达到相互抵消效果，但在这样的运行条件下，系统中势必会出现谐波过电压情况。就目前应用在配电网中的调档形式消弧线圈来看，其工作档位与谐振点上的过补偿档位十分接近，并不能对接地电流实现真正的完全补偿。

在近年来的此类研究中，相关的专家学者们提出了这样的一个观点：因为动态可控形式的消弧线圈以及连续可调形式的消弧线圈在测量以及控制方面都存在误差，所以这两种消弧线圈并不能对接地残流实现完全补偿。通过对工频消弧线圈所进行的原理研究发现，在电弧电流出现过零现象时，其过电压值将会达到最大，此时的无功残流将会给绝缘条件较为薄弱的位置造成严重威胁。

在接地故障电流中，系统阻尼率将会对其有功分量起到决定性作用，且这种情况也不可避免。在接地故障发生时，其有功残流的主要来源是电晕损耗电阻、线路等效电阻、消弧线圈等效电阻以及系统对地泄漏电阻，在类型以及电压等级不同的配电网中，其设备的绝缘情况存在差异，且其阻尼率也存在不同。

如果绝缘条件正常，电缆中的阻尼率通常在1.5%以内，架空线路中的阻尼率通常在1.5～2%之间。但是在线路受损、绝缘老化或者出现故障的情况下，其阻尼率便会超过5%[2]。在这样的情况下，消弧线圈并不能对这些有功残流进行补偿，若有功残流具有很大幅值，配电网中的故障将会进一步扩大。因此在具体的全补偿问题研究中，就需要对此类问题的解决方案进行深入研究。

在消弧之后，残流内存在的消弧电流将会对电弧能否实现自然熄灭起到决定性作用，同时也会对整个配电网的安全性起到最大的影响作用。在当今的配电网中，电子电力设备以及整流负载的应用数量正在不断增长，这样的情况就难免让配电网中存在越来越多的谐波电压。

同时，因电容具有放大谐波的作用，加之当今城市配电网中大量电缆线路应用中电容参数的不断加大，这些情况都将会导致接地故障发生后的零序回路谐波显著增加。因此在本次项目中，将会对这一问题的解决方案进行研究。

2 配电网接地故障电流全补偿系统框架设计

在对配电网中的接地故障电流全补偿系统进行总体框架的设计过程中，首先需要根据实际的问题来明确其设计思路，然后再通过科学合理的方案来进行整体系统设计。这样才可以让配电网接地故障中的残流问题得以有效解决，实现全补偿系统的合理设计与应用。

2.1 设计思路

在配电网出现单相接地的情况时，要想使其中的故障电流达到有源全补偿效果，最为关键的内容就是对消弧线圈工频补偿之后所具有的接地故障残流特征加以科学确定，然后以此为依据来进行补偿系统的针对性设计，这样才可以让残流接近于零。基于此，在本次所研究的配电网接地故障电流全补偿系统中，便对消弧线圈加级联H桥形式的逆变器有源全补偿技术进行开发，并根据配电网中接地故障状态下的电流有源补偿原理以及消弧指令电流所具备的特征来进行有源逆变器具体调至策略的合理设计。通过这样的方式，便可让配电网中电压对于消弧电流注入所产生的前馈电压影响参数得以有效抑制，同时也可以按照工频以及多次谐波指令电流中的闭环参数得到合理控制。

2.2 具体框架设计

在消弧线圈加H桥级联形式的逆变器具体应用中，借助于其中的有源消弧补偿拓扑结构，不仅可以实现性能良好的接地故障补偿电流输出，同时也可以实现有源补偿过程中容量的显著降低，还可以让配电网中的等效对地参数实际测量精度得以显著提升。图1是本次所研究的新型消弧线圈加H桥级联形式的逆变器有源全补偿系统的总体结构示意图。

如图1所示，L1所代表的是该逆变器中的滤波感装置；L2所代表的是配电网中的消弧线圈；Li所代表的是从消弧线圈中流出的电流；Lin代表的是从有源逆变器中向配电网注入的消弧电流；if0所代表的是配电网故障点中流入的总电流。在这一拓扑结构中，L1这个消弧线圈将会为配电网接地电流内工频容性的主要分量提供补偿。而级联H桥形式的逆变器主要作用有两个：

图1 新型消弧线圈加H桥级联形式的逆变器有源全补偿系统

第一，在配电网运行正常的条件下，整个系统中的对地参数可通过信号注入法来进行测量，这样便可获得到故障出现之后的消弧指令电流：第二，在接地故障发生之后，应在补偿算法以及逆变器自身的控制算法共同作用下，将可控电流Lin注入到中性点，以此来实现残流中有功电流、无功电流以及谐波电流的补偿，进而达到电流全补偿效果[3]。

由此可见，在对该系统进行拓扑设计的过程中，一个首要问题就是残流具体特征以及补偿电流具体特征分析，因为这两项因素对于拓扑结构中的逆变器控制、连接电感确定、电流电压裕量以及系统带宽等的各种闭环参数设计都有着基础性和关键性的影响作用。

3 配电网接地故障电流全补偿系统的参数设计

在本次所设计的配电网接地故障电流全补偿系统中，其有源消弧部分主要是将多个全桥串联形式的逆变器和电感L1之间进行连接，借助于CPSSPWM的控制方式，让整个系统中的最高输出可达±NUDC；其电平数是2N+1的脉冲交流电压。图2是该系统中的电流闭环传递函数框架图。

图2 电流闭环传递函数框架图

通过上述分析可知，其主要的特征是输出电压高以及谐波含量低，这样便可让配电网接地故障残流中所含有的工频分量以及谐波分量获得深度补偿。但是与基本形式的H桥拓扑结构相比，本次所选择的有源形式的消弧H桥级联逆变器也具备自身的独特优势，在这种逆变器的应用过程中，可根据实际需求对其级联数目N以及电感连接参数进行合理设计。通过这样的方式，便可让有源消弧方面的补偿性能得以显著提升，以此来实现配电网接地故障的有效处理。

在该系统的具体应用过程中，级联单元的数量N将会对其输出性能产生直接的影响作用，如果其数量太少，不仅难以达到故障电流的全补偿效果，同时也很可能对逆变器造成破坏；而如果数量太多则会造成系统的冗余浪费情况[4]。

因此，在具体设计中，一定要根据实际需求、结合实际情况对其级联单元数量加以合理设计。在配电网中出现了单相接地故障之后，电感L1一端电压为逆变器中输出的电压Uin；另一端电压则是中性点位置的电压Uf0。

按照欧姆定律进行计算，可得出以下结果：Uin=IinjωL1+Uf0=UL+Uf0。式中，Iin和Uf0的幅值及其相位都可按照有源全补偿这一原理来获得。与电感相连接的电压UL随着电流注入变化的电压矢量图如图3，当UL与Uf0处于同一相位的情况下，便可获得UL的最大值；而在这两者处于相反相位的情况下，便可获得Uf0的最小值。基于此，在具体的参数设计中可将上式简化成Uin=λUf0＜φ。

图3 与电感相连接的电压UL随着电流注入变化的电压矢量图

由此可知，在具体参数设计中，只要逆变器级联单元个数满足N＞λmaxUf0/UDC，补偿电流的跟随性能便会十分良好。通过这样的方式，便可让配电网接地故障情况下的残流达到全补偿效果。

4 结语

在配电网的运行过程中，接地故障是一种常见的故障现象。而在接地故障发生之后，其残流补偿效果将会对电网运行质量和安全起到决定性的影响作用。基于此，在进行全补偿系统的设计中，应根据实际需求，结合实际情况来进行系统总体框架及其参数的设计。这样才可以实现故障电流全补偿，避免触电事故，尽最大限度确保配电网的运行质量与安全。