低壓電氣設備末端過電壓自動化抑制方法

孫玉美

（國網北京市電力公司檢修公司，北京 100027）

當前配電網多采用中性點非的形式有效實現接地運行，不僅對于電壓控制程度較高，而且零序阻抗大，單相高壓負載處于均衡的狀態，可以更好地確保電氣設備的穩定運行。通常情況下，電氣設備可以劃定為高壓設備和低壓設備，高壓設備的電壓幅值較大，一般定向的波動影響較小，幾乎可以忽略不計。但是低壓設備如果不及時進行保護與抑制，極有可能造成設備內部損壞，引發三相電壓的不平衡。所以，為減少低壓電氣設備的損壞了，相關人員設計了過電壓自動化抑制結構，參考文獻［1］和文獻［2］，設定傳統磁環過電壓自動化抑制方法，傳統有源逆變分相注入過電壓自動化抑制方法，這一類傳統的過電壓自動化抑制形式雖然可以實現預期的電壓控制目標，但是該類方法的穩定性與針對性并不強，對于異常區域的定位也并不精準，常常受到外部環境及特定因素的影響，最終導致自動化抑制結果不準確［3］。為此提出對低壓電氣設備末端過電壓自動化抑制方法的設計與分析。綜合實際的測定與需求及標準的變化，融合相關過電壓自動化抑制技術，構建更為靈活、多變的抑制結構，從多個方向穩定電氣設備的電壓情況，營造更為穩定的設備運行環境，為后續相關技術的進一步創新和升級奠定基礎。

1 構建低壓設備過電壓自動化抑制方法

1.1 三相不平衡過電壓辨識

通常情況下，配電網的內置結構較為復雜，運行多變，再加上區域性用電調度存在一定的不合理性，導致隨機故障頻繁，且70%以上的均屬于單向接地性故障，形成零序電壓和過電壓的問題，一定程度上影響配電網日常的應用和運行［4］。因此，面對上述情況，進行三相不平衡過電壓狀態的多維辨識處理。首先，明確具體的辨識范圍，并在邊緣位置進行標定，確保自動化抑制過程中環境的穩定性與可靠性［5］。

隨即，進行辨識節點的設定，這部分需要先將辨識范圍劃分為對應的單元區域，內部設定對應數量過電壓辨識點位，同時配備對應的辨識節點，形成關聯搭接之后，營造基礎性的多維辨識環境［6］。采用輻射形式的控制網線路，即為環網線路，進行故障過渡電阻與線路對地零序阻抗的等效并聯，這樣一定程度上可以確保故障線路零序阻抗值的減少，也可以簡化辨識環節，提升三相不平衡過電壓辨識效率［7］。

此時，分析阻抗辨識配電網處于不平衡運行狀態時，綜合柔性控制技術，測定出PWM 有源逆變器的注入頻率，當產生電壓信號時，計算此時的測量阻抗：

公式（1）中：H表示測量阻抗，U表示總電壓，d表示額定電流，τ 表示測定電流，v 表示調控次數，? 表示中性點電壓。根據上述設定，完成對測量阻抗的計算與分析。將其設定為三相不平衡過電壓的實際辨識標準，在不同的電壓環境下，進行標準的調整，形成多階的辨識結構，為后續辨識工作的執行奠定基礎。

1.2 柔性自動化多目標抑制結構設計

與初始的過電壓自動化抑制結構不同的是，綜合柔性技術所設計的過電壓自動抑制結構的抑制速度相對較快，對于異常區域的抑制針對性會更強一些［8］。首先，根據此時測量阻抗數值的變化，融合阻尼率，對各個區域進行多目標二次不平衡過電壓辨識。采用柔性控制技術，設定中性點位移電壓，當電壓大于整定值時，辨識配電網處于不平衡狀態，并存在接地故障。此時需要向配電網注入零序電流，促使中性點的位移電壓處于零的狀態。

在此基礎之上，采用三角形接線，設定接地點，注入零序電流，促使對地電容逐漸接入地面形成一個循環性的自動化抑制結構，能夠進一步確保過電壓抑制環境的穩定。此時，設計柔性自動化多目標抑制結構的執行流程圖如圖1所示。

圖1 柔性自動化多目標抑制結構執行流程圖

根據圖1，完成對柔性自動化多目標抑制結構執行流程的設計與應用。隨即，以此為基礎，合理調節低壓電氣設備的電壓、電流以及功率等電氣量，避免結構在抑制處理的過程中出現不可控的誤差。

1.3 構建三相有源過電壓自動化抑制模型

將上述設計的柔性自動化抑制結構設定在初始的過電壓抑制模型之中，綜合節點所采集的配電網運行、異常數據，進行三相有源過電壓自動化抑制模型的構建。可以先在配電網中注入電流，進行三相對地導納。注入電流的大小相位通常與實時零序電壓存在一定的抑制關系：

公式（2）中：F1和F2表示中性點位移電壓幅值的變化情況，FS表示注入電流，J表示輸出電壓。根據上述測算，調整自動化抑制的處理環節與覆蓋區域，同時對配電網異常的位置進行三相有源不平衡電壓補償處理，具體如下圖2所示。

圖2 三相有源不平衡電壓補償處理結構圖

根據圖2，完成對三相有源不平衡電壓補償處理結構的設計與調整。此時，利用構建的柔性自動化抑制結構，捕捉低壓電氣設備各個階段過電壓的具體數值，在合理的補償標準范圍之內，采用三相處理技術，在低壓電氣設備中設定并聯電阻，改變配電網中性點的接地方式，進一步強化有源過電壓自動化抑制能力。

但是當對三相不平衡過電壓進行辨識時，一旦配電網進行電力的調度，低壓電氣設備便容易出現電壓上的波動，出現單相高壓負載。此時，可以通過補償三相不平衡電流的方式來抑制三相不平衡過電壓，再利用模型對低壓電氣設備末端的運行狀態維持穩定，避免電壓波動對其造成關聯性的損壞，至此，完成三相有源過電壓自動化抑制模型的構建。

1.4 無零矢量處理實現自動化抑制

所謂無零矢量處理，主要是針對電氣設備在零序運行的狀態下，采用自動化抑制共模的方式，強化抑制速度和效率，最終實現低壓電氣設備末端電壓的自動化抑制處理。采用新的矢量法或者矢量作用法等設定初始的抑制共模電壓。利用NZPWM法主控制直流電壓，并測算實時的利用率，如果在合理的范圍之內，可以采集異常信號，通過非零矢量合成零矢量，以等效變換的方式對不同過電壓情況進行彌補。與此同時，在平衡的零矢量狀態下，測算出平均電壓：

2 方法測試

此次主要是對低壓電氣設備末端過電壓自動化抑制方法的實際應用效果進行分析與驗證研究，考慮到最終測試結果的真實性與可靠性，選定G配電網作為測定處理的基礎性環境，參考文獻設定傳統磁環過電壓自動化抑制測試組、傳統有源逆變分相注入過電壓自動化抑制測試組以及此次所設計的柔性處理電壓自動化抑制測試組。根據實際的測定需求及標準，對最終獲取的測試結果比照研究，并進行基礎測試環境的搭建。

2.1 測試準備

綜合相關的過電壓自動化抑制測定需求及標準，依據對應的控制性技術，進行基礎測試環境的搭建。首先，選定10 kV的G配電網進行測算研究，標定出三個區域作為測試的目標，配電網的可控模式設定為開放模式，建立動態化的多維控制程序，設定在模型之中，在程序中增加三相控制結構，對應DSP28335主控制器，關聯恒河DLM4000型號的示波器進行數據信息的定向化采集。低壓電氣設備的輸出頻率為55 Hz，逆變器與示波器進行搭接，完成初始環境的設定。綜合低壓電氣設備的日常應用需求，對相關的執行指標參數做出調整，如下表1所示：

表1 低壓設備過電壓自動化抑制指標參數調整表

根據表1，完成對低壓設備過電壓自動化抑制指標參數的調整與設定。隨即，進行基礎過電壓自動化抑制環境的建設。此時，測定出三個區域輸出點和逆變器負母線之間的實時電壓，確保電網處于穩定的運行狀態之后，對過電壓自動化抑制方法進行具體的驗證與分析。

2.2 測試過程及結構分析

在上述搭建的測試環境中，綜合柔性控制技術和三相自動化處理技術，對G配電網過電壓自動化抑制方法進行驗證與分析研究。首先，通過柔性控制技術構建一個定向的電壓控制程序，將其設定為設計的過電壓自動化抑制模型之中，形成動態化的可控抑制結構。

隨即，在抑制模型增設輸出電抗器，用于電壓的逆向調節與分流，依據需求捕捉PWM 的輸出波形，測算出尖峰電壓值，降低長電纜末端的過電壓，確保測試過程中配電網運行的穩定性與可靠性。構建穩定的過電壓環境，針對選定的三個區域，測定出此時配電網的交流電壓均方根值升高，并且超過額定值的10%，持續的時間均超過1分鐘，通過自動化抑制模型依據流程對其作出處理，最終測算出自動化抑制耗時：

公式（4）中：G表示自動化抑制耗時，n表示電壓變換偏差，§表示過電壓峰值，i 表示抑制次數，v表示靜電力常量，g 表示預設自動化控制頻次，ζ 表示電流幅值。根據上述測定，完成對測試結果的對比分析，具體如下圖3所示：

圖3 測試結果對比分析圖示

根據圖3，完成對測試結果的對比分析：與傳統磁環過電壓自動化抑制測試組、傳統有源逆變分相注入過電壓自動化抑制測試組進行對比，此次所設計的柔性處理電壓自動化抑制測試組最終對于過電壓自動化抑制的耗時相對較短，控制在了0.4s以下，說明該種自動化抑制模式相對更為靈活，應用簡單，抑制速度和效率較高，具有實際的應用價值。

3 結論

綜上所述，對低壓電氣設備末端過電壓自動化抑制方法的設計與驗證分析，與傳統的過電壓自動化抑制方式相對比，此次綜合柔性控制技術和三相自動化處理技術所構建的過電壓自動化抑制結構相對更為穩定、靈活，具有更強的針對性。在復雜的電壓環境下，可以快速解決零序過電壓的抑制難題。與此同時，柔性控制技術的融合應用，還可以對過電壓區段進行精準定位與處理，實現多頻控制，及時消除中性點位移電壓的不平衡情況，為配電網過電壓自動化抑制工作的執行提供借鑒。