諧振接地系統對弧光接地過電壓的抑制建模及仿真分析

王瑋

摘要：從理論層面研究了諧振接地類型的單相接地故障，同時采用RTDS建立中性點經消弧線圈接地的供電系統模型，分析了消弧線圈響應時間所起到的接地電弧抑制作用。仿真結果表明：接地電弧都沒有發生重燃的現象，當接地電流變小后可以使電弧更容易熄滅，而消弧線圈能夠抑制高幅值過電壓，使弧隙恢復電壓需更長時間恢復，從而減小了電弧重燃概率，由此實現熄滅電弧的效果。諧振接地系統發生接地電弧首次燃燒過程中形成的暫態電壓與電流跟中性點未接地系統一致，都表現為消弧線圈沒有對首次燃弧的瞬間實施補償。

關鍵詞：接地系統;電壓抑制;建模;仿真分析

中圖分類號：TP391

文獻標志碼：A

ModelingandSimulationofArcGroundingOvervoltageSuppressionbyResonantGroundingSystem

WANGWei

（ResearchInstitute，StateGridJiangsuElectricPowerCo.Ltd.，Yinchuan750000，China）

Abstract：Thesinglephasegroundingfaultofresonantgroundingwasstudiedtheoretically.Atthesametime，RTDSwasusedtoestablishthepowersupplysystemmodelofneutralpointgroundedbyarcsuppressioncoil，andthesuppressioneffectofarcsuppressioncoilresponsetimewasanalyzed.Thesimulationresultsshowthatthegroundarcdoesnotreignite，andwhenthegroundingcurrentdecreases，thearccanbemoreeasilyextinguished，andthearcsuppressioncoilcansuppressthehighamplitudeovervoltage，sothattherecoveryvoltageofthearcgaptakeslongertorecover.Thus，reducingtheprobabilityofarcreignitioncanrealizetheeffectofarcextinction.Thetransientvoltageandcurrentformedduringthefirstgroundingarccombustioninresonantgroundingsystemareconsistentwiththeungroundedneutralsystem，whichshowsthatthearcsuppressioncoildoesnotcompensatethemomentofthefirstarccombustion.

Keywords：groundingsystem;voltagesuppression;modeling;simulationanalysis

0引言

弧光接地過電壓具有極大的危害性，會引起設備絕緣結構的破壞，導致相間短路的問題[14]。從總體上分析，因為電弧具有復雜的物理特性，并且受到多種干擾因素的共同影響，到目前為止大部分電弧模型都存在一定的不足之處[57]。為了構建一個可以精確反映實際電弧變化特征且具備良好通用性的數學模型，還需對這方面繼續開展深入研究。例如，文獻[8]以ATPEMTP建立了Schwarz和“控制論”模型，之后根據電弧特性測試電路對上述模型進行仿真測試，對比了不同弧長下的電弧穩定性及其暫態變化過程。文獻[9]采用數值逼近方法處理Cassie電弧模型，之后將其轉換為離散數值遞推模型，同時以RTDS的CBuilder功能構建得到可控電弧模型，之后和MATLAB中的電路相比表明此模型符合實際運行情況。文獻[10]利用弧隙能量平衡理論，同時認為電弧溫度和電流之間存在對應關系，由此構建得到動態電弧的分析模型，同時利用PSCAD建立10kV電網再對電弧模型有效性進行了測試。文獻[11]構建了一種通過小波變換方法實現的接地電弧建模方法，同時以PSCAD/EMTDC的各控制模塊，實現了對接地電弧動態特征的準確表達，同時完成了電弧模型的實時控制目標。

本文從理論層面研究了諧振接地類型的單相接地故障，同時采用RTDS建立中性點經消弧線圈接地的供電系統模型，分析了消弧線圈響應時間所起到的接地電弧抑制作用，可以將本文研究結果作為消弧線圈型號和保護配置選擇的參考依據。

1接地故障分析

出現單相接地故障時，故障相電壓將減小到零，系統各相電壓恢復情況受到零序回路儲能的顯著影響[1213]。當故障點發生熄弧時，諧振接地系統將會恢復為正常電壓向量如圖1所示。

這時將在零序回路內形成如下的儲存總能：

W=12Csin2ωt+cos2ωt1ω2LCU20=

12 C（1-υcos2ωt）U20

ω0=1LC=ωK=ω1-υ≈ω1-υ2

可以將阻尼系數表示為

δ=12ωd

對上式進行分析可知，阻尼系數和系統阻尼率之間表現為正相關的變化趨勢。出現故障的情況下，單相接地零序等值回路的開關K保持閉合，這時開關兩端的電壓等于零，如圖2所示。

弧隙恢復電壓為：

ur=uA-u0=

UΦmej（ωt+φ）[1-e-δtej（ω0-ω）]=

UΦmej（ωt+φ）[1-e-（d+jυ）2ωt]

式中UΦm表示相電壓的變化幅度，φ是在熄弧過程中電流和電壓的初始相角。

因為電弧重燃受到弧隙恢復電壓初速度的明顯影響，該初速度可以通過對弧隙恢復電壓包絡線的起點進行切線計算得到[1417]。各個υ/d值情況下的包絡線，如圖3所示。

結果可以發現，當υ/d不斷增大后，在原點切線處的斜率對應的就是弧隙恢復電壓初速度，該值表現為不斷上升的變化趨勢。

根據以上分析可以發現，因為受到消弧線圈的影響，弧隙恢復電壓發生了恢復初速度顯著減小的現象，導致弧隙電壓需要更長的恢復時間，顯著減小了接地電弧的重燃概率，最終引起過電壓值減小，這是引起消弧線圈發生熄弧的一個重要因素。

2模型建立

本文選擇國網溫州供電公司作為研究對象并構建了相應的分析模型，根據之前的設置要求，中性點不與接地供電系統模型的變壓器、電源、電纜相連，之后構建得到接地變壓器和消弧線圈的仿真模型，該模型的簡化結構如圖4所示。

通常情況下，將諧振接地系統的主變壓器設置為Y/△的連接方式，考慮到二次側不存在中性點。為主繞組設置曲折連接方式，屬于一種Zn連接形式，將各相繞組的一側連接后得到公共點，將此公共端作為中性點。把各相繞組分成二個部分，并將其套在對應的鐵心上，雖然鐵心繞組各部分存在不同的感應電壓相位，考慮到所有繞組形成的零序電流具有一致的相位與大小，由此形成的磁動勢將被抵消。RSCAD內不包含接地變壓器模塊，本實驗通過三個單相雙繞組變壓器進行構建得到結果，如圖5所示。

串聯電阻是由消弧線圈產生的損耗電阻引起。先計算系統對地總電容再計算得到故障點的接地電流，當系統選擇x%過補償方式時，可以利用以下式子計算出消弧線圈的電感值：

L=UN（1+0.01×x）ωIC

式中的UN表示相電壓的有效值;IC表示接地電容電流。

設定6kV電纜線路發生電弧接地故障，并在C相電壓增大到幅值的情況下出現故障，當電弧接地時迅速利用消弧線圈實施補償，不考慮電網不對稱度產生的影響，相間電容都等于10μF，其它各參數和中性點不接地系統相同。

3結果分析

為了分析消弧線圈在抑制間歇性弧光接地過電壓方面的作用，如圖6、圖7所示。

分別顯示了上述兩種條件三相電壓和故障點的接地電流。每種熄弧狀態下都出現了4次燃弧熄弧過程，其中電弧初次燃燒產生的最大三相暫態電壓都是10.972kV，對應的暫態電流都等于327.533A，接著各自進入了不同的變化階段。

將中性點與消弧線圈連接后，設定補償度等于105%，同時將消弧線圈的等值電阻設定在3Ω，在電弧接地的時候立刻利用消弧線圈實施補償，由此得到圖6與圖7所示的故障點接地情況下的電流模擬結果。從圖6（a）與圖6（b）中可以發現，處于工頻熄弧的狀態下，當消弧線圈被接通后，故障期間第一次發生燃燒時形成最大過電壓，等于10.87kV，同時最大暫態電流也在電弧初次燃燒過程出現，等于327.53A，后續三相電壓重新恢復到正常狀態，接地電流減小到零;根據圖7（a）與圖7（b）可以發現，在高頻熄弧情況下將消弧線圈接入后，暫態電壓和電流的最大值也發生于首次燃弧的過程中，之后再復到正常狀態，同時接地電流不斷減小到0。同時還可發現，接地電弧在上述二種熄弧情況下，都沒有發生重燃的現象。通過仿真測試可知，當接地電流變小后可以使電弧更容易熄滅，而消弧線圈能夠抑制高幅值過電壓，使弧隙恢復電壓需更長時間恢復，從而減小了電弧重燃概率，由此實現熄滅電弧的效果。

根據以上分析可知，諧振接地系統發生接地電弧首次燃燒過程中形成的暫態電壓與電流跟中性點未接地系統一致，都表現為消弧線圈沒有對首次燃弧的瞬間實施補償。由于當前消弧線圈跟蹤設備都工作在小于50Hz的條件下，由消弧線圈形成的感性電流只可以對接地電容電流分量進行補償，并且在初始故障階段，并不能使消弧線圈電感電流和接地電容電流之間形成相互補償。

4總結

1）接地電弧都沒有發生重燃的現象，當接地電流變小后可以使電弧更容易熄滅，而消弧線圈能夠抑制高幅值過電壓，使弧隙恢復電壓需更長時間恢復，從而減小了電弧重燃概率，由此實現熄滅電弧的效果。

2）諧振接地系統發生接地電弧首次燃燒過程中形成的暫態電壓與電流跟中性點未接地系統一致，都表現為消弧線圈沒有對首次燃弧的瞬間實施補償。

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（收稿日期：2019.11.20）