配電網(wǎng)單相接地故障消弧方法探究

張文浪

（陜西公眾智能科技有限公司，陜西 西安 710000）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電力行業(yè)在國民生產(chǎn)生活中的地位越來越高。在我們的國家，配電網(wǎng)是國民經(jīng)濟(jì)和工業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，現(xiàn)代社會(huì)對(duì)電力工業(yè)的要求更加嚴(yán)格，不僅電力的需求迅速增加，而且對(duì)電網(wǎng)的安全性、可靠性和穩(wěn)定性有了更高的要求。

配電網(wǎng)作為電能傳輸?shù)闹饕袚?dān)者，其正常、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行是電力保障的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1]。

為抑制配電網(wǎng)發(fā)生單相接地時(shí)的接地電流,中壓配電網(wǎng)采用帶消弧線圈的小電流接地運(yùn)行方式，降低電流[2]。

在我國建設(shè)初期，由于當(dāng)時(shí)配電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不復(fù)雜，運(yùn)行線路大多以架空線路為主，電纜線路運(yùn)行規(guī)模較小，尚能滿足系統(tǒng)保障故障熄弧要求。

隨著城鄉(xiāng)配網(wǎng)中電力電纜的大量使用，電容電流急劇增大，非線性負(fù)載接入，殘流中諧波含量大大增加。而消弧線圈不能抵消諧波電流，從而影響了故障電弧的自熄，可能對(duì)絕緣薄弱處造成擊穿，引發(fā)更大的故障[3]。

因此為進(jìn)一步對(duì)故障殘流進(jìn)行深度補(bǔ)償，保障配電網(wǎng)運(yùn)行的安全性和可靠性，則必須對(duì)消弧技術(shù)進(jìn)行更深層次的研究，使其可以滿足日漸復(fù)雜的配電網(wǎng)接地故障可靠消弧的要求，保障配網(wǎng)運(yùn)行安全。

本文主要針對(duì)配電網(wǎng)消弧難題，分析了現(xiàn)有消弧技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，并推導(dǎo)了電流控制框圖，介紹了本方案的實(shí)現(xiàn)過程，并利用仿真分析比較了兩種方法消弧特征。

1 配電網(wǎng)單相接地故障消弧機(jī)理

1.1 配電網(wǎng)無源消弧機(jī)理

其中以消弧線圈為主要裝置的無源消弧技術(shù)，可以對(duì)接地故障電流的工頻容性成份進(jìn)行有效補(bǔ)償。

消弧線圈目前已經(jīng)在配電網(wǎng)故障消弧領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，其呈現(xiàn)著從固定式消弧線圈到自動(dòng)調(diào)諧式消弧線圈的發(fā)展趨勢(shì)[4-7]。

在早期，消弧線圈主要采用固定式消弧線圈，其電感值固定不變，僅能補(bǔ)償參數(shù)固定的系統(tǒng)，無法保證故障電流有效熄滅。

隨后在此基礎(chǔ)之上，出現(xiàn)了手動(dòng)調(diào)諧消弧線圈，該裝置可通過手動(dòng)調(diào)節(jié)消弧線圈電感量，適應(yīng)系統(tǒng)參數(shù)的改變，但其存在調(diào)節(jié)方式復(fù)雜，操作難度大，需要運(yùn)行人員具有較深厚的工作經(jīng)驗(yàn)，且無法適應(yīng)越來越復(fù)雜的配電網(wǎng)絡(luò)。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，可適應(yīng)復(fù)雜工況的自動(dòng)調(diào)諧式消弧線圈應(yīng)運(yùn)而生，其可主要由預(yù)調(diào)式和隨調(diào)式兩類組成。

前者的工作原理為：在配電網(wǎng)正常時(shí)檢測(cè)其對(duì)地電容電流，將消弧線圈感值設(shè)置為全補(bǔ)償狀態(tài)，為避免諧振，常并聯(lián)或串聯(lián)阻尼。這種消弧線圈的優(yōu)點(diǎn)是：當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，可迅速進(jìn)行故障電流補(bǔ)償。

后者的工作原理為：配電網(wǎng)正常時(shí)，將消弧線圈設(shè)置為過補(bǔ)償，則無需關(guān)心諧振問題。

當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，使其從預(yù)設(shè)的過補(bǔ)償運(yùn)行轉(zhuǎn)變?yōu)槿a(bǔ)償運(yùn)行，以滿足對(duì)故障電流的補(bǔ)償，當(dāng)故障消失后將其切換至過補(bǔ)償狀態(tài)。

目前自動(dòng)調(diào)諧消弧線圈的發(fā)展方向主要圍繞其電感值調(diào)節(jié)的速度與精度，當(dāng)前現(xiàn)場中投入使用的消弧線圈有如下兩種：

(1)調(diào)匝式消弧線圈是調(diào)節(jié)繞組匝數(shù)，以調(diào)節(jié)消弧線圈感值。

其優(yōu)點(diǎn)是操作方便。其缺點(diǎn)是調(diào)節(jié)速度較慢，且不能進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)。但由于經(jīng)濟(jì)可靠，易于操作，國內(nèi)應(yīng)用較多。

(2)調(diào)容式消弧線圈是控制電容器組變化，通過對(duì)電容器的投切實(shí)現(xiàn)電感的分級(jí)調(diào)節(jié)。

優(yōu)點(diǎn)是相應(yīng)速度快。缺點(diǎn)是由于線圈含有大量電容可能會(huì)對(duì)諧波有放大作用。

綜上可知，隨著科技發(fā)展消弧線圈的調(diào)節(jié)精度與速率在不斷完善，從而使消弧線圈能最大限度的補(bǔ)償接地工頻容性電流，然而因?yàn)槠錈o法補(bǔ)償故障殘流中的諧波電流，無法滿足配電網(wǎng)對(duì)接地殘流深度補(bǔ)償?shù)囊蟆?/p>

1.2 配電網(wǎng)有源消弧機(jī)理

鑒于無源消弧僅能補(bǔ)償故障殘流中工頻容性分量的局限性，國內(nèi)外學(xué)者利用電力逆變器靈活輸出電流的特點(diǎn)，提出了基于電力電子裝置的有源消弧技術(shù)[7-9]。

通過逆變器等補(bǔ)償裝置，對(duì)消弧線圈補(bǔ)償后的故障殘流進(jìn)行深度補(bǔ)償，或直接取代消弧線圈單純利用電力電子裝置對(duì)故障電流進(jìn)行補(bǔ)償。

這種技術(shù)不僅可對(duì)接地點(diǎn)故障電流的工頻容性成分進(jìn)行補(bǔ)償，同時(shí)也能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)系統(tǒng)中無功分量及諧波分量進(jìn)行有效補(bǔ)償。

圖1 為有源接地配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖。

圖1 有源接地配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

圖1 主要分為有源注入裝置以及配電網(wǎng)兩部分組成。

有源注入裝置可以取任意逆變器拓?fù)?，?dāng)前有源消弧裝置常用的拓?fù)溆屑?jí)聯(lián)H 橋逆變器拓?fù)湟约皢蜗嗄孀兤魍負(fù)涞取?/p>

E˙A、E˙B、E˙C分別為三相電源電勢(shì)，CA、CB、CC分別為對(duì)地電容，RA、RB、RC為對(duì)地電阻，U˙0為中性點(diǎn)電壓，L1為消弧線圈,L2為串聯(lián)電感，I˙in為注入電流，Rd為接地故障電阻。

由基爾霍夫定律可知：

即可實(shí)現(xiàn)對(duì)故障電流的補(bǔ)償,這就是有源消弧方法的基本原理。

殘流中由非線性負(fù)載帶來的諧波分量，以5、7 次最高，因此也應(yīng)該注入一個(gè)與其等大反相的諧波電流，具體表達(dá)式為：

由式(6)可知，注入電流不僅能補(bǔ)償工頻，還能補(bǔ)償諧波，能完全補(bǔ)償殘流。

2 控制策略

有源消弧系統(tǒng)的消弧效果,依賴于系統(tǒng)對(duì)指令電流跟蹤精度。

這就要求構(gòu)建電流閉環(huán)系統(tǒng)，使補(bǔ)償電流能精確滿足系統(tǒng)補(bǔ)償?shù)囊蟆?/p>

PI 控制是工程上一種經(jīng)典控制，具有快速響應(yīng)性以及較強(qiáng)的魯棒性，且系統(tǒng)校正快捷。

因此本文的電流控制系統(tǒng)采用PI 控制，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 PI 電流閉環(huán)控制系統(tǒng)

在上圖中，Iref為逆變器補(bǔ)償電流，Iin為注入電流，GPI為PI 的傳遞函數(shù)，GINV為注入裝置傳遞函數(shù)，GO為電感傳遞函數(shù)。

閉環(huán)電流的傳遞函數(shù)為：

其流程圖如圖3 所示。

圖3 電流閉環(huán)消弧流程圖

首先：在配電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，對(duì)三相電壓進(jìn)行采樣，并利用逆變器向配電網(wǎng)注入電流，獲得對(duì)應(yīng)電壓偏移；

其次：判斷是否發(fā)生接地故障；若是，進(jìn)行選相。故障電壓相降低的故障相；若為發(fā)生此現(xiàn)象，則返回上步驟；

再次：當(dāng)確定故障發(fā)生，選擇故障相成功后，計(jì)算補(bǔ)償電流的相位和幅值，確認(rèn)補(bǔ)償電流；

最后：將補(bǔ)償電流注入配電網(wǎng)，從而熄滅故障電流，達(dá)到消弧目的。

3 仿真分析

為了驗(yàn)證本文所提出方法的正確性，所以在MATLAB中建立如圖4 所示仿真模型并進(jìn)行驗(yàn)證。

圖4 有源接地配電網(wǎng)仿真模型

本文采取的模型包含6 條饋線，包括架空線路，電纜線路，以及由兩者混合組成的混合線路。線路的具體參數(shù)見表1。

表1 線路參數(shù)

注入裝置選擇雙串聯(lián)H 橋拓?fù)?，適應(yīng)于高壓大功率場合。

其電源電壓選為4000V，電感選取10mH，負(fù)載采用RLC模型。

仿真以驗(yàn)證本文所提出策略的有效性和適用性。

設(shè)定0.05s 發(fā)生故障，0.15s 投入補(bǔ)償裝置。

圖5 為當(dāng)發(fā)生單相接地故障，且接地電阻為300Ω 時(shí)，采用無源消弧法（投入消弧線圈）和有源消弧法控制下（有源注入裝置及消弧線圈）的故障殘流波形圖。

圖5 PI 和PI 控制下故障殘流

由圖5 可知采取無源消弧法進(jìn)行補(bǔ)償之后，故障殘流約為4.8A，剩余電流仍較大，電弧仍有復(fù)燃的可能。

利用有源消弧補(bǔ)償后，故障殘流降低至僅為0.8A，無電弧重新復(fù)燃可能，較無源消弧法得到顯著提高，實(shí)現(xiàn)可靠熄弧。

綜上可以看出，有源消弧法性能優(yōu)于無源消弧法。

4 結(jié)論

配網(wǎng)發(fā)生單相接地故障，若不及時(shí)處理，將嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)正常運(yùn)行。

而現(xiàn)有無源消弧法無法將接地電流抑制到安全范圍之內(nèi)，因此提出了有源消弧法的方法。

本文詳細(xì)推導(dǎo)了消弧原理，并給出了電流控制策略，利用仿真分析證明了有源消弧法的消弧優(yōu)勢(shì)。