一种配电网弧光接地故障模拟方法

2022-05-23郭海云徐幻南张敏朱志伟汝萍

河南科技 2022年7期

郭海云徐幻南张敏朱志伟汝萍

摘要：配电网规模逐年扩大，单相接地故障造成的影响越来越大。文章从低压角度出发，利用工频熄弧理论和电力电子延迟导通技术提出了低压模拟高压弧光电流的方法;利用PSIM电力仿真软件搭建所述方法的仿真模型，并在低压系统内建立100 V试验电路。试验结果与仿真结果的趋势一致，证明了所述方法的可实施性。

关键词：配电网;弧光电流;PSIM;工频熄弧理论

中图分类号：U213.1+4 文献标志码：A 文章编号：1003-5168（2022）7-0029-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.07.006

Abstract： The scale of the distribution system is expanding year by year， and the impact of single-phase grounding fault is increasing. From the perspective of low voltage， this paper proposes a method for low-voltage simulation of high-voltage arc current by using the theory of power frequency arc extinguishing and power electronic delay conduction technology. A simulation model of the method was built using PSIM power simulation software， and a 100 V test circuit was established in a low-voltage system. The trend of the experimental results are consistent with the simulation results， which proves the feasibility of the method.

Keywords： distribution system; arc current; PSIM; frequency arc extinguishing theory

0 引言

我國配电网规模巨大，且随着经济规模的逐年增大，配电网供电能力和供电规模也逐年增大。特别在10 kV和35 kV电压等级，城市配电网和农村配电网的体量和复杂程度已经远远超过预期。因此，一旦发生配电网故障，所引发的经济损失也会增大[1]。而随着城市配电网架空线路越来越少、电缆线路逐年增多，且农村配电网的架空线路逐步走向老化，在两者的同时作用下，造成配电网故障的概率增大。特别是配电网发生的单相接地故障，因其受中性点运行型式的影响，不同类型的故障造成了不同的现象和特性[2]，识别单相接地故障愈发困难。

特别是在常见配电网故障中，弧光接地电流难以被模拟，弧光接地电流与常规高阻接地电流波形有较大区别等情况，造成弧光接地保护难以有效校验。而城市配电网中电缆放电、击穿和农村配电网架空线路经过树木接地、草地接地等情况造成的弧光接地故障，在没有有效校验下的小故障电流更加难以被传统保护装置识别。同时，一旦产生弧光接地，故障点难以排查，将耗费电力系统运维人员的大量时间、人力、物力;更严重的是一旦弧光热量引发火灾，将产生更严重的人身财产经济损失。因此，充分研究弧光接地特性，准确模拟弧光接地故障成为一项重要课题。

1 模拟弧光接地的机理与方法

1.1 模拟弧光接地的常规方法

传统的弧光故障特性主要通过仿真模型的方式实现，常见的弧光接地仿真模型有Cassie电弧模型、Mayr电弧模型、控制论电弧模型等，这些理论模型有不同类型特点，诸多学者为此做出了众多贡献。然而，对广大工程人员来讲，难以充分理解各类型的电弧模型，难以具备足够理论基础和学术积累。因此，在1.2中，文章提出一种利用电力电子延迟导通技术，通过低压系统模拟高压弧光接地波形的方法。通过该波形校验保护装置，特别是校验具有弧光接地识别能力的保护装置的准确度和有效性，方便各保护产品研发厂家进行有效性验证。

1.2 基于电力电子延迟导通技术的弧光模拟

根据间歇性电弧接地的工频熄弧理论[3]可知，故障相在电压最大值处发生绝缘击穿，工频电流过零时熄灭。空气中自由燃炽的电弧的熄灭过程主要由工频电流控制。根据这一理论，可以搭建低压模拟高压弧光接地的电路，如图1所示。在低压系统内，将反串联IGBT与主电路相连，控制器通过驱动器控制IGBT在电压峰值附近导通，电压降低后关断。两组IGBT分别负责正负半周的导通与关断，并通过HMI人机接口与控制器通信，控制IGBT在电压峰值导通的时间。IGBT导通后主电路通过阻抗Z与大地相连，构成电源与大地通路，形成模拟弧光电流。同时，灵活配置阻抗Z的大小以调整弧光电流的大小。一般认为弧光过程特性可以等效为弧光电阻，因此可以配置阻抗为电阻R。

2 仿真与测试

2.1 仿真

根据表1所示参数，利用PSIM 9.0电力仿真软件搭建仿真模型，进行低压弧光电流的模拟。

中性点小电阻接地系统，0.3 s时刻，当电压过零后56.25 °后，IGBT导通，如图2所示。

中性点小电阻接地系统，0.3 s时刻，当电压过零后84.375 °后，IGBT导通，如图3所示。

中性点消弧电感接地系统，0.3 s时刻，当电压过零后56.25 °后，IGBT导通，如图4所示。

中性点消弧电感接地系统，0.3 s时刻，当电压过零后84.375 °后，IGBT导通，如图5所示。

2.2 试验

根据仿真的主电路参数以及1.2节所提出的设计方案，搭建低压模拟平台。HMI人机接口设置电压过零后IGBT延迟时间，在下一个过零点前有同样延迟时间提前关断，如图6所示。图7展示了搭建的低压模拟系统电路，利用隔离变压器产生100 V电压，利用电容模拟馈线参数，利用示波器进行电流观测。

图8中（a）（b）（c）（d）四图分别为中性点小电阻系统电压过零后延迟56.25°以及84.375°后IGBT导通，以及中性点消弧电感系统电压过零后延迟56.25°以及84.375°后IGBT导通的情况。通过观察试验图可知，试验结果与2.1所描述弧光电流一致。

3 结语

笔者利用工频熄弧理论，提出了一种利用低压模拟高压弧光接地电流的方法。该方法解决了在工程应用中难以建立准确弧光电流物理模型，无法工程化验证弧光保护装置有效性的问题。从仿真结果以及试验结果，都证明了模拟弧光电流趋势的可行性。