基于交-直-交電壓柔性控制的接地故障全消弧技術(shù)分析研究

潘曉娟，關(guān)靜恩，張春麗，唐偉超

（1. 景森設(shè)計(jì)股份有限公司昆明分公司，昆明 650051；2.云南電力技術(shù)有限責(zé)任公司，昆明 650217； 3. 云南文山電力股份有限公司，云南 文山 663000）

0 前言

中壓配電網(wǎng)中性點(diǎn)采用非有效接地方式，能夠提高單相接地故障（即小電流接地故障）時(shí)的自動(dòng)熄弧率并可在出現(xiàn)永久性接地故障時(shí)繼續(xù)運(yùn)行1～2 小時(shí)，因此具有更高的供電可靠性。但隨著中壓配電網(wǎng)的線路日趨復(fù)雜，運(yùn)行環(huán)境日益惡劣，單相接地故障已成為配電網(wǎng)的主要故障。中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式的系統(tǒng)雖提高了配電網(wǎng)的供電可靠性，然而持續(xù)燃燒的電弧將對系統(tǒng)設(shè)備、人身安全造成極大的威脅[1-3]。因此，為了避免故障電弧的持續(xù)性燃燒，不少配電網(wǎng)系統(tǒng)重新采用中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地的形式，雖然能降低間歇性燃燒電弧帶來的危害，卻使得配電網(wǎng)的供電可靠性降低[4]。為了實(shí)現(xiàn)供電可靠性與人身安全均能得到滿足，目前不少研究通過對消弧線圈的改進(jìn)從而達(dá)到故障電弧的快速消弧且不易重燃，如消弧線圈并小電阻、消弧線圈自動(dòng)調(diào)諧裝置等方式[5-6]。

然而，接地電弧的熄滅與諸多因素相關(guān)，為了實(shí)現(xiàn)其快速有效熄滅，需同時(shí)補(bǔ)償其故障電流的無功分量與有功分量。無功分量，即故障電流的容性分量，通過調(diào)節(jié)消弧線圈的阻抗，注入感性分量以抵消故障電流的容性分量；有功分量，為故障電流的阻性分量，有系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及設(shè)備決定。為了有效消除接地電弧，有必要對故障電流的有功和無功分量分別進(jìn)行補(bǔ)償，以使得接地電弧難以重燃[7-11]。有源注入的全補(bǔ)償技術(shù)使接地電弧有效消除并難以重燃，從而保障了配電網(wǎng)的供電可靠性及人身財(cái)產(chǎn)安全。

1 故障電流全補(bǔ)償消弧理論研究

1.1 系統(tǒng)模型建立

本文采用10 kV 配網(wǎng)模型進(jìn)行研究分析，系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式為有源補(bǔ)償器并聯(lián)消弧線圈（如圖1）。有源補(bǔ)償器以中性點(diǎn)電壓為有源補(bǔ)償器的控制信號，實(shí)現(xiàn)接地故障點(diǎn)電弧的快速熄滅且殘流較小，保證配電網(wǎng)供電可靠性及人身財(cái)產(chǎn)安全。

圖1 配電網(wǎng)接地故障電流全補(bǔ)償系統(tǒng)圖

1.2 理論分析

當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，有源補(bǔ)償器通過判斷三相電壓與電流，向中性點(diǎn)注入與故障相原電壓反相的補(bǔ)償電壓，通過抑制中性點(diǎn)電壓達(dá)到故障消除。其計(jì)算依據(jù)疊加定理可知，分別計(jì)算只有三相電源單獨(dú)作用和只有注入電壓源單獨(dú)作用時(shí)的故障點(diǎn)電流，再求和。

三相電源作用時(shí)，故障電流的等效電路圖，如圖2 所示。得到流過接地電阻的電流If1為：

其中，r為注入電壓源內(nèi)阻，為故障相正常運(yùn)行時(shí)的電壓，Rf為故障接地電阻，Z1為線路對地參數(shù)和消弧線圈參數(shù)的并聯(lián)阻抗，具體為：

其中，RL為消弧線圈內(nèi)，C0=CA=CB=CC為線路對地電容。

圖2 故障接地電流的等效電路

只有注入電壓源單獨(dú)作用時(shí)的等效電路圖，如圖3 所示。計(jì)算得到流過接地電阻的電流為：

圖3 注入電源作用故障接地電流的等效電路

故障接地電流的等效電路，如圖4 所示。故障電流If，即流過Rf的電流為：

要使其為零，即達(dá)到熄弧的目的，則有：

圖4 故障接地電流的等效電路

通過以上分析，可知故障點(diǎn)電流受外加電源控制，且二者數(shù)學(xué)關(guān)系表達(dá)式如式（5）。

2 全補(bǔ)償消弧控制研究

注入電壓源為一套交-直-交變流器，用以從系統(tǒng)獲得注入中性點(diǎn)的一定幅值和相位的電壓。交-直-交變流器采用大功率IGBT 進(jìn)行高速開斷，整流側(cè)為傳統(tǒng)三相PWM 整流器，輸入側(cè)為電網(wǎng)，輸出側(cè)連接電容。直流側(cè)并聯(lián)電容，可以作為儲(chǔ)能元件并且穩(wěn)定直流電壓。逆變側(cè)為橋式逆變電路，輸入側(cè)并聯(lián)電容，輸出側(cè)經(jīng)隔離變壓器連接電網(wǎng)，如圖5 所示。

圖5 有源補(bǔ)償器示意圖

橋式逆變電路的控制模塊可采用PWM 控制，為了調(diào)節(jié)相角還需要引入可控移相環(huán)節(jié)。對一個(gè)正弦信號（電壓或電流）進(jìn)行一定電角度的相移，通常采用某種結(jié)構(gòu)的電路來實(shí)現(xiàn)這樣的相移時(shí)要造成對正弦信號有一定時(shí)延，從而影響整個(gè)系統(tǒng)的相應(yīng)速度和降低其性能。比如在諧波與無功電流檢測電路中用一般相移電路對正弦電源電壓相移90°時(shí)，相應(yīng)地會(huì)產(chǎn)生T/4 的時(shí)延。這樣大的一個(gè)時(shí)延時(shí)間無疑會(huì)增加諧波檢測系統(tǒng)的響應(yīng)過程。為了滿足實(shí)際需要，應(yīng)該設(shè)法減少對正弦電壓或電流信號相移所帶來的時(shí)延，最大程度地提高電路的響應(yīng)速度。

假設(shè)要對一正弦電壓ui進(jìn)行電角度為θ 的相移，uO為輸出電壓。使對輸入正弦電壓相移θ 所需要的試驗(yàn)時(shí)間td并不只由相移量θ 決定，而是還讓它與其他參數(shù)有關(guān)，那么就能形成一種實(shí)現(xiàn)快速時(shí)延的相移電路，如圖6 所示。

圖6 相移電路

其中，A1和A2為正比例系數(shù)。

形成具體的快速時(shí)延相移電路時(shí)，可把圖6相移電路中的時(shí)延環(huán)節(jié)De-jωtd用實(shí)際的相移電路替換，如圖7 所示。替代的實(shí)際相移電路可以是由無源器件組成的無源電路，也可以是由有源器件組成的有源電路。

圖7 RC移相電路

3 試驗(yàn)分析

圖8 接地電阻10 Ω時(shí)的試驗(yàn)波形

圖9 接地電阻10 kΩ時(shí)的試驗(yàn)波形

為了驗(yàn)證本文所提出的消弧方法的可行性，實(shí)驗(yàn)室搭建了10 kV 配網(wǎng)接地電流補(bǔ)償試驗(yàn)平臺。其中，試驗(yàn)系統(tǒng)的主要參數(shù)包括：單相對地電容分別為9.02 μF，單相對地泄露電阻為20.01 kΩ，消弧線圈為960.02 mH。

設(shè)置配電網(wǎng)C 相發(fā)生單相接地故障，故障發(fā)生時(shí)刻投入接地電流補(bǔ)償裝置，實(shí)驗(yàn)室測試了不同接地過渡電阻下消弧線圈和全補(bǔ)償裝置的消弧性能。圖8 (a)-(b) 分別為接地過渡電阻10 Ω 時(shí)經(jīng)消弧線圈和全補(bǔ)償消弧的試驗(yàn)波形，圖9 (a)-(b)分別為接地過渡電阻10 kΩ 時(shí)經(jīng)消弧線圈和全補(bǔ)償消弧的試驗(yàn)波形。

如圖8 所示，此時(shí)試驗(yàn)所得消弧線圈消弧后電流殘流為8.354 A，相對零序電壓的相角為103.17°，有功分量1.903 A，無功分量為8.134 A；全補(bǔ)償消弧后電流殘流為4.180 A，相對零序電壓的相角為95.22°，有功分量3.186 A，無功分量為2.706 A。

如圖9 所示，消弧線圈消弧后電流殘流為0.772 A，相對零序電壓的相角為118.91°，有功分量0.282 A，無功分量為0.676 A；全補(bǔ)償消弧后電流殘流為0.073 A，相對零序電壓的相角為162.29°，有功分量0.070 A，無功分量為0.022 A。

對比測試不同接地電阻下消弧線圈和全補(bǔ)償裝置補(bǔ)償性能，非金屬性接地時(shí)，故障點(diǎn)殘流較消弧線圈補(bǔ)償后殘流顯著降低，基本上控制在500 mA 以下，金屬性接地故障時(shí)全補(bǔ)償效果不理想。故障點(diǎn)殘流相對零序電壓的相角取決于系統(tǒng)對地電容電流、泄漏電阻以及消弧線圈補(bǔ)償檔位（對應(yīng)脫諧度），與接地故障過渡電阻的大小無關(guān)。

4 結(jié)束語

本文提出了一種基于交-直-交電壓柔性控制的消弧方式，采用有源補(bǔ)償器并聯(lián)消弧線圈的中性點(diǎn)接地方式，當(dāng)檢測到單相接地故障時(shí)，獲取此時(shí)系統(tǒng)的三相電壓、電流及零序電壓等參數(shù)，計(jì)算變流器應(yīng)該輸出的電壓，通過PWM調(diào)制算法控制有源補(bǔ)償器輸出相應(yīng)幅值和相位的電壓，對故障接地電流進(jìn)行全補(bǔ)償。試驗(yàn)結(jié)果表明：

1）本方法不受過渡電阻影響，能快速抑制故障相電壓，實(shí)現(xiàn)配電系統(tǒng)接地故障電流的全補(bǔ)償。

2）采用控制中性點(diǎn)電壓的方法，向系統(tǒng)中性點(diǎn)處注入與故障相原電壓反相的補(bǔ)償電壓，可以有效抑制中性點(diǎn)電壓達(dá)到故障消除的目的。

3）本文提出的交- 直- 交電壓柔性控制的消弧方法，能夠顯著降低故障點(diǎn)殘流和快速熄滅電弧，使小電流接地系統(tǒng)單相弧光接地問題得到很好的解決。

4）本方法彌補(bǔ)了傳統(tǒng)消弧線圈不能補(bǔ)償有功電流和無法抑制間歇性接地故障的不足，操作簡單可靠，調(diào)節(jié)方便、成本低，因而其在實(shí)際應(yīng)用中更具可行性。