基于交-直-交電壓柔性控制的接地故障全消弧技術分析研究

潘曉娟，關靜恩，張春麗，唐偉超

（1. 景森設計股份有限公司昆明分公司，昆明 650051；2.云南電力技術有限責任公司，昆明 650217； 3. 云南文山電力股份有限公司，云南 文山 663000）

0 前言

中壓配電網中性點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）時的自動熄弧率并可在出現永久性接地故障時繼續運行1～2 小時，因此具有更高的供電可靠性。但隨著中壓配電網的線路日趨復雜，運行環境日益惡劣，單相接地故障已成為配電網的主要故障。中性點經消弧線圈接地方式的系統雖提高了配電網的供電可靠性，然而持續燃燒的電弧將對系統設備、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性燃燒，不少配電網系統重新采用中性點經小電阻接地的形式，雖然能降低間歇性燃燒電弧帶來的危害，卻使得配電網的供電可靠性降低[4]。為了實現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從而達到故障電弧的快速消弧且不易重燃，如消弧線圈并小電阻、消弧線圈自動調諧裝置等方式[5-6]。

然而，接地電弧的熄滅與諸多因素相關，為了實現其快速有效熄滅，需同時補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，通過調節消弧線圈的阻抗，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，有系統拓撲結構及設備決定。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行補償，以使得接地電弧難以重燃[7-11]。有源注入的全補償技術使接地電弧有效消除并難以重燃，從而保障了配電網的供電可靠性及人身財產安全。

1 故障電流全補償消弧理論研究

1.1 系統模型建立

本文采用10 kV 配網模型進行研究分析，系統中性點接地方式為有源補償器并聯消弧線圈（如圖1）。有源補償器以中性點電壓為有源補償器的控制信號，實現接地故障點電弧的快速熄滅且殘流較小，保證配電網供電可靠性及人身財產安全。

圖1 配電網接地故障電流全補償系統圖

1.2 理論分析

當發生單相接地故障時，有源補償器通過判斷三相電壓與電流，向中性點注入與故障相原電壓反相的補償電壓，通過抑制中性點電壓達到故障消除。其計算依據疊加定理可知，分別計算只有三相電源單獨作用和只有注入電壓源單獨作用時的故障點電流，再求和。

三相電源作用時，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為注入電壓源內阻，為故障相正常運行時的電壓，Rf為故障接地電阻，Z1為線路對地參數和消弧線圈參數的并聯阻抗，具體為：

其中，RL為消弧線圈內，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作用時的等效電路圖，如圖3 所示。計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，可知故障點電流受外加電源控制，且二者數學關系表達式如式（5）。

2 全補償消弧控制研究

注入電壓源為一套交-直-交變流器，用以從系統獲得注入中性點的一定幅值和相位的電壓。交-直-交變流器采用大功率IGBT 進行高速開斷，整流側為傳統三相PWM 整流器，輸入側為電網，輸出側連接電容。直流側并聯電容，可以作為儲能元件并且穩定直流電壓。逆變側為橋式逆變電路，輸入側并聯電容，輸出側經隔離變壓器連接電網，如圖5 所示。

圖5 有源補償器示意圖

橋式逆變電路的控制模塊可采用PWM 控制，為了調節相角還需要引入可控移相環節。對一個正弦信號（電壓或電流）進行一定電角度的相移，通常采用某種結構的電路來實現這樣的相移時要造成對正弦信號有一定時延，從而影響整個系統的相應速度和降低其性能。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，相應地會產生T/4 的時延。這樣大的一個時延時間無疑會增加諧波檢測系統的響應過程。為了滿足實際需要，應該設法減少對正弦電壓或電流信號相移所帶來的時延，最大程度地提高電路的響應速度。

假設要對一正弦電壓ui進行電角度為θ 的相移，uO為輸出電壓。使對輸入正弦電壓相移θ 所需要的試驗時間td并不只由相移量θ 決定，而是還讓它與其他參數有關，那么就能形成一種實現快速時延的相移電路，如圖6 所示。

圖6 相移電路

其中，A1和A2為正比例系數。

形成具體的快速時延相移電路時，可把圖6相移電路中的時延環節De-jωtd用實際的相移電路替換，如圖7 所示。替代的實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 試驗分析

圖8 接地電阻10 Ω時的試驗波形

圖9 接地電阻10 kΩ時的試驗波形

為了驗證本文所提出的消弧方法的可行性，實驗室搭建了10 kV 配網接地電流補償試驗平臺。其中，試驗系統的主要參數包括：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。

設置配電網C 相發生單相接地故障，故障發生時刻投入接地電流補償裝置，實驗室測試了不同接地過渡電阻下消弧線圈和全補償裝置的消弧性能。圖8 (a)-(b) 分別為接地過渡電阻10 Ω 時經消弧線圈和全補償消弧的試驗波形，圖9 (a)-(b)分別為接地過渡電阻10 kΩ 時經消弧線圈和全補償消弧的試驗波形。

如圖8 所示，此時試驗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償裝置補償性能，非金屬性接地時，故障點殘流較消弧線圈補償后殘流顯著降低，基本上控制在500 mA 以下，金屬性接地故障時全補償效果不理想。故障點殘流相對零序電壓的相角取決于系統對地電容電流、泄漏電阻以及消弧線圈補償檔位（對應脫諧度），與接地故障過渡電阻的大小無關。

4 結束語

本文提出了一種基于交-直-交電壓柔性控制的消弧方式，采用有源補償器并聯消弧線圈的中性點接地方式，當檢測到單相接地故障時，獲取此時系統的三相電壓、電流及零序電壓等參數，計算變流器應該輸出的電壓，通過PWM調制算法控制有源補償器輸出相應幅值和相位的電壓，對故障接地電流進行全補償。試驗結果表明：

1）本方法不受過渡電阻影響，能快速抑制故障相電壓，實現配電系統接地故障電流的全補償。

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

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殘流和快速熄滅電弧，使小電流接地系統單相弧光接地問題得到很好的解決。

4）本方法彌補了傳統消弧線圈不能補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，調節方便、成本低，因而其在實際應用中更具可行性。