配電網用無源消弧裝置運行效果比較

宋振，熊立新，2

（1.山東理工大學智能電網研究中心，山東淄博255049；2.山東科匯電力自動化股份有限公司，山東淄博255087）

·電網技術·

配電網用無源消弧裝置運行效果比較

宋振1，熊立新1，2

（1.山東理工大學智能電網研究中心，山東淄博255049；2.山東科匯電力自動化股份有限公司，山東淄博255087）

對配電網用無源消弧裝置進行研究，比較在系統發生單相接地故障時，消弧線圈與消弧柜對故障點接地電流和弧光接地過電壓的抑制效果?；贛atlab／simulink仿真軟件建立配電網模型，以某10 kV配電網為例，分別仿真采用消弧線圈與消弧柜兩種消弧裝置的系統單相接地故障，分析了消弧裝置在故障相電壓分別處于峰值和零值時，發生金屬性接地與間歇性弧光接地情況下的運行效果，總結了兩種消弧裝置的優缺點，對合理選擇消弧裝置具有一定的指導意義。

Matlab／simulink；消弧線圈；消弧柜；單相接地故障

0 引言

目前我國配電網為應對單相接地故障所裝設的消弧裝置多采用無源消弧法。此方法按控制對象的不同又可以分為無源電流消弧法和無源電壓消弧法。前者被廣泛應用的代表為消弧線圈，利用故障時中性點電壓作用在消弧線圈上產生感性電流補償接地點容性故障電流的方式，促使故障接地電流達到最小。消弧柜則依據無源電壓消弧法將故障相母線與地短接，通過限制系統過電壓水平，延長故障相電壓恢復時間的方法，防止了電弧復燃。由于消弧柜能較好地解決過電壓問題，因而在工礦、冶金等行業應用較多［1－3］。

研究消弧線圈與消弧柜滅弧原理，利用Matlab／simulink仿真軟件對分別裝配有此兩種消弧裝置的10 kV配電網進行單相接地故障仿真，研究在金屬性接地和間歇性弧光接地情況下兩種消弧裝置的運行特性，給出相關的仿真數據和波形曲線，總結二者在抑制故障點接地電流和弧光過電壓方面的特點，為消弧線圈和消弧柜的實際應用提供方案論證和理論支持。

1 消弧線圈和消弧柜

1.1 消弧線圈

二十世紀初德國科學家W.Petersen發明了消弧

線圈，在經過了近一個世紀的實踐檢驗和理論完善后，消弧線圈已在世界各地得到了廣泛的應用。圖1為經消弧線圈接地系統的等值接線圖。當消弧線圈投入運行后，補償電網（中性點經消弧線圈接地的電網）在正常運行情況下，其零序回路中消弧線圈與系統的對地電容為串聯關系，故障時則為并聯關系。通過調整消弧線圈匝數進而調整其電感值，可以產生相應的感性補償電流，與接地處的容性故障電流相抵消，減小接地電流的危害。

消弧線圈的補償電流有分級（階段）調整和無級（連續）調整之分，調整方式又有自動和手動之別，而自動調整又有發生接地故障前預先調整的預調式和出現接地故障后迅速調整的隨調式兩種形式。在我國配電網消弧線圈補償系統中，雖然目前手動分級調整的消弧線圈較多，但是，自動跟蹤調諧的補償裝置正在迅速發展，并已大量地投入運行。消弧線圈能夠使得單相接地電弧自動瞬間熄滅，主要基于以下兩個要點［4］：

1）故障點接地電容電流可以和消弧線圈的電感電流相互補償，極大地減小故障點的接地電流，接地電弧從而易于自熄。

2）接地電弧過零自熄后，故障相恢復電壓的幅值和初速度都會減小，從而有效降低了接地電弧重燃的概率，達到徹底熄弧的效果。

經補償之后的故障點接地電流，其電動力和熱效應所造成的破壞作用會大大降低，同時也在一定程度上減小了電弧熄滅后再次復燃的概率。當故障相電壓的恢復初速度遠小于故障點介質絕緣的恢復強度的時候，故障點將不再建立電弧，補償電網便又回到了正常運行狀態。

圖1 經消弧線圈接地電網等值接線

1.2 消弧柜

消弧柜實質上是一個裝設在變電站10 kV母線與大地之間可以分相控制的3個單相開關。圖2為經消弧柜接地電網的等值接線圖，EA、EB、EC分別為配電網三相電源電壓，TV為電壓互感器，UA、UB、UC分別為配電網三相母線電壓，SA、SB、SC為受控制器分相控制的單相開關，l1到ln為配電網的n條饋線，R為接地點的過渡電阻。其工作過程為：消弧柜的微機控制器不斷檢測變電站母線的三相電壓，一旦配電網出現故障，控制器會立即對故障類型和故障相別進行判斷。當發生單相接地故障時（以A相為例），控制器通過對穩態三相電壓進行比較，判斷出電壓較低的一相即為故障相，控制此相（A相）所對應的單相開關（SA）合閘，單相開關（SA）閉合后，使得故障相（A相）直接轉化為金屬性接地。

為判斷已發生的單相接地故障是否為瞬時性故障，單相開關（SA）會在閉合一段時間后斷開一次，并檢測開關斷開后的母線穩態三相電壓是否恢復正常。若恢復，則該次單相接地故障為瞬時性接地故障，單相開關（SA）不再閉合，系統將恢復到正常運行狀態。若未能恢復，單相開關（SA）會再次閉合，此時系統將運行在穩定的單相接地狀態，并發出報警信號通知值班人員。

圖2 經消弧柜接地電網等值接線

2 系統仿真

為了能更直觀地比較兩種消弧裝置在單相接地故障情況下的熄弧效果，在Simulink內搭建10 kV配電網模型，主要涉及的仿真模塊有無窮大功率電源、三相變壓器、接地變壓器、示波器、電力線路、接地故障、電力系統圖形用戶界面等。

2.1 輸電線路的建模與實現

在Simulink的電力系統工具箱（Power System Blockset，PSB）中，提供了兩種線路模型，分別是集中

式π形等值模塊和分布參數等值模塊。在建模過程中選用合適的線路模型及線路參數可以提高仿真結果的準確性。

集中式π形等值模塊是在三相平衡的情況下三相R、L、C參數相同的近似線路模型。對于實際運行中的配電網絡，配電線路三相換位較差，配電網三相對地的分布電容一般是不相等的，因而會造成配電網的中性點與大地之間存在一定的電勢差，亦可稱為“不對稱電壓”。當消弧線圈接入后，消弧線圈的電感與電網的三相對地電容構成電壓諧振回路，在中性點會產生中性點位移電壓。分布參數等值模塊在進行設置的時候，可以輸入不對稱配電線路的參數矩陣，保證了仿真模型與實際線路高度匹配，因而優先選用［5］。

2.2 接地變壓器的建模與實現

配電變壓器聯結組別的選擇應考慮系統同步并列運行及減小三次諧波提高輸電效率等要求。對電壓等級為110 kV及以上的變壓器，出于絕緣費用和系統安全運行的考慮，選用“YN”接法；35 kV及以下（不含0.4 kV及以下）則一般采用三角形連接。綜合考慮，仿真模型中的配變的聯結組別標號為“YNd11”。

由于10 kV側為三角形接線，沒有中性點引出，為了安裝消弧線圈需裝配一臺三相三柱式接地變壓器［6］。此接地變壓器采用Z型接線：每一鐵芯柱上有兩個繞向相同匝數相等的繞組，按反極性串聯而成，其接線方式如圖3所示。

圖3 接地變壓器一次側接線

當接地發生時，處于接地變壓器同一相鐵芯柱的上、下兩半繞組會流過方向相反、數值相同的零序電流，其產生的零序磁勢相平衡，從而減小了零序磁通，形成的零序阻抗及附加損耗較小，因而與普通變壓器相比其中性點更適合安裝消弧線圈。其二次繞組是否設置應視工程具體需要而定，如若當接地變壓器兼做站用變壓器時，應設置二次繞組。本例中只為引出10 kV側的中性點，因而僅對接地變壓器的一次側進行構造：利用PSB工具箱中的12節點三相線形變壓器按圖3進行接線，即可構成Z型接地變壓器，再將其封裝成接地變壓器模塊，如圖4所示［7］。

圖4 接地變壓器模塊

2.310 kV系統模型的建立

為突出主要因素，需將諧振接地系統的110 kV側等效為一無窮大功率的三相電壓源，再將各個元件的仿真模型連線組合，構成經消弧線圈接地系統和經消弧柜接地系統仿真模型如圖5、圖6所示。

3 仿真算例

3.1 算例說明

根據某10 kV配電網建立2個仿真模型，配電變壓器10 kV側共有3條出線L1～L3。模型一為經消弧線圈接地系統，消弧線圈安裝在由接地變壓器引出的中性點上，過補償運行，過補償度為10%。模型二為經消弧柜接地系統，消弧柜直接接于10 kV母線處，正常運行時消弧柜的3個單相開關均處于分閘狀態。為了使故障特征更加明顯，均人為增加了配電線路的長度。增加后的3條配電線路L1～L3的長度分別為200 km、250 km、151 km。

兩仿真模型的故障點均選在第3條出線的1 km

處（即圖5與圖6中Line3與Line4之間發生單相接地故障）。試驗表明，故障狀態下的系統特性會因故障發生時刻故障相電壓相角的差異而有所不同，其中最具典型性的時刻分別是故障相電壓處于極值和零值，其他時刻均為此二者的過渡情況［8］。故本試驗只對此兩種情況進行仿真分析。

圖5 經消弧線圈接地系統仿真

圖6 經消弧柜接地系統仿真

3.2 金屬性接地故障仿真結果及分析

仿真開始前，選擇離散算法，仿真的結束時間取0.2 s，采樣時間設置為1×10-6s。系統在第2個周波內發生故障，故障發生時刻為A相電壓過零點。3條出線L1～L3的零序電流3I01～3I03及故障點電流Id的波形如圖7、圖8所示。

圖7 消弧裝置為消弧線圈時電流波形

由圖示結果可知，在故障發生前，線路完好系統沒有零序電流流通，當出現單相接地故障時，整個系統均會出現零序電流，且無論采用何種消弧裝置，故障線路的零序電流幅值均為最大。

圖8 消弧裝置為消弧柜時電流波形

當熄弧裝置為消弧線圈時，單相接地過程的暫態過程結束后，由于消弧線圈的補償作用，故障線路的零序電流失去一致性，依靠穩態零序電流選線的做法不再適用，此時故障點的接地電流的有效值為2.93 A。

當熄弧裝置為消弧柜時，暫態過程結束后，故障線路與健全（非故障）線路仍有較大差別，可以據此進行判斷，此時故障點的接地電流的有效值為12.49 A。

保持原有仿真模型中的參數不變，僅調整故障發生時間為A相電壓過正峰值，線路L1～L3零序電流3I01～3I03及故障點電流Id的波形如圖9、圖10所示。

圖9 消弧裝置為消弧線圈時電流波形

圖示結果表明，單相接地故障發生時刻為A相電壓過正峰值時會使得系統的暫態過程變得劇烈且時間變長，但各線路零序電流與故障點電流的特征沒有發生變化。消弧裝置為消弧線圈系統的故障點接地電流數值較經消弧柜接地系統數值較小，利于電弧的熄滅。但當過渡過程結束后，故障線路與非故障線路的零序電流失去了區分度，根據穩態零序電流選線難以實現。經消弧柜接地系統雖然裝置動作后，接地故障電流數值大于前者，但各線路零序電流易于辨別，方便判斷故障線路。

圖10 消弧裝置為消弧柜時電流波形

3.3 間接性弧光接地故障仿真結果及分析

通常配電線路在實際運行過程中發生單相接地故障時，整個故障過程按時間順序可依次分為3個階段：間歇性電弧接地、穩定性電弧接地以及金屬性接地［9］。其中最為危險的時刻發生在間歇性電弧接地階段，電弧間歇性的熄滅和重燃會導致非故障相上產生幅值數倍于相電壓的弧光過電壓，對系統中的絕緣薄弱部分造成積累性破壞，嚴重時甚至會引發相間短路故障，造成事故的擴大。

根據工頻熄弧理論（工頻熄弧理論較高頻熄弧理論與實測值更為接近［10］）對上述兩種配有不同消弧裝置的10 kV系統進行單相弧光接地仿真，故障燃弧發生在A相電壓達到最大時，熄弧時刻為工頻電流過零點，運行仿真模型，當消弧裝置為消弧線圈時，系統的三相電壓波形如圖11所示：隨著接地電弧的熄滅和復燃，非故障相上產生的弧光接地過電壓的最大幅值約為額定相電壓的3.5倍，且持續時間較長。經消弧柜接地時，系統的三相電壓波形如圖12所示：消弧柜動作后，非故障相上的相電壓隨即穩定保持在線電壓水平，有效抑制了過電壓現象的

發生。

根據仿真結果可知，消弧線圈與消弧柜相比，消弧線圈并不能有效消除弧光接地過電壓。造成這一問題主要是因為系統發生單相接地故障瞬間，故障點接地電流含有較多的高頻分量，而消弧線圈僅能針對工頻容性電流進行調諧，因而不能較好地降低過電壓水平［10］。

圖11 經消弧線圈接地系統三相電壓波形

圖12 經消弧柜接地系統三相電壓波形

4 結語

同系無源消弧裝置的消弧線圈與消弧柜在限制故障點接地電流和抑制弧光接地過電壓方面存在較大差異。消弧線圈對過渡電阻較小的金屬性接地故障具有良好的補償效果，而當發生間歇性弧光接地時，不能抑制弧光接地過電壓，可能導致系統絕緣薄弱部分產生積累性損傷。消弧柜則能較好地防止弧光接地過電壓現象的發生，限制系統電壓處于安全范圍內，但對于金屬性接地故障，消弧柜動作后的故障點接地電流依舊較大，不利于電弧的可靠熄滅。

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Operation Effect Comparison of Two Passive Arc-suppression Devices Used in Distribution Networks

SONG Zhen1，XIONG Lixin1，2
（1.Research Center for Smart Grid，Shandong University of Technology，Zibo 255049，China；2.Shandong Kehui Power Automation Company Limited，Zibo 255087，China）

The performance of two passive arc-suppression devices is researched when single-phase grounding fault happens，and the ability of limiting the grounding fault current and the arc grounding over-voltage are compared between arc suppression coil and arc-overvoltage suppressor.Two simulation models with different devices are established using Matlab／Simulink taking a 10 kV distribution network as an example.During the simulation process，the occurrence time of single-phase metal earth fault are composed of two types.One is the voltage of the grounded phase at its maximum value，the other one is at its zero point.Meanwhile intermittent arc grounding fault based of main frequency arc extinguishing theory of transmission lines is also simulated in the two models.Advantages and disadvantages of the two devices are concluded，which has theoretical significance value to choose the suitable device.

Matlab／simulink；arc suppression coil；arc-overvoltage suppressor；single-phase earth fault

TM475

A

1007－9904（2016）10－0001－06

2016－04－18

宋振（1989），男，碩士研究生，主要研究方向為電力系統自動化；

國家高技術研究發展計劃（863計劃）項目（SS2012AA050213）；國家自然科學基金項目（51177096）

熊立新（1976），男，博士，高級工程師，主要研究方向為電力電子與電機控制技術及電力系統故障監測。