一種配電網(wǎng)弧光接地故障模擬方法

郭海云 徐幻南 張敏 朱志偉 汝萍

摘 要：配電網(wǎng)規(guī)模逐年擴(kuò)大，單相接地故障造成的影響越來越大。文章從低壓角度出發(fā)，利用工頻熄弧理論和電力電子延遲導(dǎo)通技術(shù)提出了低壓模擬高壓弧光電流的方法;利用PSIM電力仿真軟件搭建所述方法的仿真模型，并在低壓系統(tǒng)內(nèi)建立100 V試驗(yàn)電路。試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果的趨勢一致，證明了所述方法的可實(shí)施性。

關(guān)鍵詞：配電網(wǎng);弧光電流;PSIM;工頻熄弧理論

中圖分類號：U213.1+4 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號：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

我國配電網(wǎng)規(guī)模巨大，且隨著經(jīng)濟(jì)規(guī)模的逐年增大，配電網(wǎng)供電能力和供電規(guī)模也逐年增大。特別在10 kV和35 kV電壓等級，城市配電網(wǎng)和農(nóng)村配電網(wǎng)的體量和復(fù)雜程度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過預(yù)期。因此，一旦發(fā)生配電網(wǎng)故障，所引發(fā)的經(jīng)濟(jì)損失也會增大[1]。而隨著城市配電網(wǎng)架空線路越來越少、電纜線路逐年增多，且農(nóng)村配電網(wǎng)的架空線路逐步走向老化，在兩者的同時作用下，造成配電網(wǎng)故障的概率增大。特別是配電網(wǎng)發(fā)生的單相接地故障，因其受中性點(diǎn)運(yùn)行型式的影響，不同類型的故障造成了不同的現(xiàn)象和特性[2]，識別單相接地故障愈發(fā)困難。

特別是在常見配電網(wǎng)故障中，弧光接地電流難以被模擬，弧光接地電流與常規(guī)高阻接地電流波形有較大區(qū)別等情況，造成弧光接地保護(hù)難以有效校驗(yàn)。而城市配電網(wǎng)中電纜放電、擊穿和農(nóng)村配電網(wǎng)架空線路經(jīng)過樹木接地、草地接地等情況造成的弧光接地故障，在沒有有效校驗(yàn)下的小故障電流更加難以被傳統(tǒng)保護(hù)裝置識別。同時，一旦產(chǎn)生弧光接地，故障點(diǎn)難以排查，將耗費(fèi)電力系統(tǒng)運(yùn)維人員的大量時間、人力、物力;更嚴(yán)重的是一旦弧光熱量引發(fā)火災(zāi)，將產(chǎn)生更嚴(yán)重的人身財(cái)產(chǎn)經(jīng)濟(jì)損失。因此，充分研究弧光接地特性，準(zhǔn)確模擬弧光接地故障成為一項(xiàng)重要課題。

1 模擬弧光接地的機(jī)理與方法

1.1 模擬弧光接地的常規(guī)方法

傳統(tǒng)的弧光故障特性主要通過仿真模型的方式實(shí)現(xiàn)，常見的弧光接地仿真模型有Cassie電弧模型、Mayr電弧模型、控制論電弧模型等，這些理論模型有不同類型特點(diǎn)，諸多學(xué)者為此做出了眾多貢獻(xiàn)。然而，對廣大工程人員來講，難以充分理解各類型的電弧模型，難以具備足夠理論基礎(chǔ)和學(xué)術(shù)積累。因此，在1.2中，文章提出一種利用電力電子延遲導(dǎo)通技術(shù)，通過低壓系統(tǒng)模擬高壓弧光接地波形的方法。通過該波形校驗(yàn)保護(hù)裝置，特別是校驗(yàn)具有弧光接地識別能力的保護(hù)裝置的準(zhǔn)確度和有效性，方便各保護(hù)產(chǎn)品研發(fā)廠家進(jìn)行有效性驗(yàn)證。

1.2 基于電力電子延遲導(dǎo)通技術(shù)的弧光模擬

根據(jù)間歇性電弧接地的工頻熄弧理論[3]可知，故障相在電壓最大值處發(fā)生絕緣擊穿，工頻電流過零時熄滅。空氣中自由燃熾的電弧的熄滅過程主要由工頻電流控制。根據(jù)這一理論，可以搭建低壓模擬高壓弧光接地的電路，如圖1所示。在低壓系統(tǒng)內(nèi)，將反串聯(lián)IGBT與主電路相連，控制器通過驅(qū)動器控制IGBT在電壓峰值附近導(dǎo)通，電壓降低后關(guān)斷。兩組IGBT分別負(fù)責(zé)正負(fù)半周的導(dǎo)通與關(guān)斷，并通過HMI人機(jī)接口與控制器通信，控制IGBT在電壓峰值導(dǎo)通的時間。IGBT導(dǎo)通后主電路通過阻抗Z與大地相連，構(gòu)成電源與大地通路，形成模擬弧光電流。同時，靈活配置阻抗Z的大小以調(diào)整弧光電流的大小。一般認(rèn)為弧光過程特性可以等效為弧光電阻，因此可以配置阻抗為電阻R。

2 仿真與測試

2.1 仿真

根據(jù)表1所示參數(shù)，利用PSIM 9.0電力仿真軟件搭建仿真模型，進(jìn)行低壓弧光電流的模擬。

中性點(diǎn)小電阻接地系統(tǒng)，0.3 s時刻，當(dāng)電壓過零后56.25 °后，IGBT導(dǎo)通，如圖2所示。

中性點(diǎn)小電阻接地系統(tǒng)，0.3 s時刻，當(dāng)電壓過零后84.375 °后，IGBT導(dǎo)通，如圖3所示。

中性點(diǎn)消弧電感接地系統(tǒng)，0.3 s時刻，當(dāng)電壓過零后56.25 °后，IGBT導(dǎo)通，如圖4所示。

中性點(diǎn)消弧電感接地系統(tǒng)，0.3 s時刻，當(dāng)電壓過零后84.375 °后，IGBT導(dǎo)通，如圖5所示。

2.2 試驗(yàn)

根據(jù)仿真的主電路參數(shù)以及1.2節(jié)所提出的設(shè)計(jì)方案，搭建低壓模擬平臺。HMI人機(jī)接口設(shè)置電壓過零后IGBT延遲時間，在下一個過零點(diǎn)前有同樣延遲時間提前關(guān)斷，如圖6所示。圖7展示了搭建的低壓模擬系統(tǒng)電路，利用隔離變壓器產(chǎn)生100 V電壓，利用電容模擬饋線參數(shù)，利用示波器進(jìn)行電流觀測。

圖8中（a）（b）（c）（d）四圖分別為中性點(diǎn)小電阻系統(tǒng)電壓過零后延遲56.25°以及84.375°后IGBT導(dǎo)通，以及中性點(diǎn)消弧電感系統(tǒng)電壓過零后延遲56.25°以及84.375°后IGBT導(dǎo)通的情況。通過觀察試驗(yàn)圖可知，試驗(yàn)結(jié)果與2.1所描述弧光電流一致。

3 結(jié)語

筆者利用工頻熄弧理論，提出了一種利用低壓模擬高壓弧光接地電流的方法。該方法解決了在工程應(yīng)用中難以建立準(zhǔn)確弧光電流物理模型，無法工程化驗(yàn)證弧光保護(hù)裝置有效性的問題。從仿真結(jié)果以及試驗(yàn)結(jié)果，都證明了模擬弧光電流趨勢的可行性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 薛永端，徐丙垠，李天友.等，配網(wǎng)自動化系統(tǒng)小電流接地故障暫態(tài)定位技術(shù)[J].電力自動化設(shè)備，2013，33（12）：27-32.

[2] 曾德輝，王鋼，李海鋒，等.小電阻接地配電網(wǎng)多回線故障分析與自適應(yīng)零序電流保護(hù)[J].電力自動化設(shè)備，2019，39（5）：45-52.

[3] 李淑蓉，薛永端，徐丙垠，等，小電流接地故障電弧建模及過電壓分析[J].電力科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào)，2019，34（1）：47-53.