中性点经消弧线圈接地系统中柔性环网控制装置接地故障分析

姜田贵，谢晔源, 李洪涛,连建阳, 邱德锋

(1. 南京南瑞继保电气有限公司，南京市 211002；2. 国网北京市电力公司，北京市 100031)

中性点经消弧线圈接地系统中柔性环网控制装置接地故障分析

姜田贵1，谢晔源1, 李洪涛2,连建阳1, 邱德锋1

(1. 南京南瑞继保电气有限公司，南京市 211002；2. 国网北京市电力公司，北京市 100031)

中性点经消弧线圈接地系统采用无连接变压器接线方式的柔性环网控制装置与交流系统共用接地支路，装置的接地故障特性不同于常规有连接变压器的换流装置，需要对其接地故障特性进行分析，为装置故障诊断、保护的设计提供依据。分析了基于模块化多电平换流器的柔性环网控制装置交流侧单相接地故障时的故障机理，阐述了故障后装置故障侧和非故障侧换流器的电气量特征，分析了柔性环网控制装置直流单极接地故障特性，推导了故障后换流器在不同工作模式下故障电流的解析方程，指出在消弧线圈接地支路增加阻尼电阻可以加快故障电流衰减。通过建立的基于模块化多电平换流器的柔性环网控制装置PSCAD/EMTDC仿真模型，验证了本文故障特性分析的正确性和有效性。

柔性环网控制装置；消弧线圈接地；模块化多电平换流器；单相接地故障；直流单极接地故障

0 引 言

电压源型换流器(voltage source converter，VSC)可以实现AC/DC变换，其有功、无功可以独立解耦控制，是柔性环网控制装置的核心组成部分。基于VSC的柔性环网控制装置连接配电网多个交流分段母线，可以实现交流配电网的闭环运行，改善交流配电系统的功率和电压控制能力，提高配电网的供电可靠性[1-3]。柔性环网控制装置是交直流混合配电网的关键设备。

模块化多电平换流器(modular multilevel converter，MMC)是电压源型换流器的一种，采用子模块级联实现多电平输出，无需器件直接串联，具有损耗低、可靠性高等优点，在国内外柔性直流工程中得到了广泛的应用[4-7]。MMC是柔性环网控制装置的优选换流器方案。MMC多采用连接变压器与交流电网相连接，连接变压器可以实现交直流系统间的故障隔离，但也使得系统的整体占地和造价大幅增加。城市配电网对电力装置的体积占地具有较高的要求，柔性环网控制装置应用于城市配电网时需要采用紧凑型设计方案。若可以省去柔性环网控制装置中换流器与交流系统的连接变压器，则可以显著减少系统的整体投资和占地。

接地故障是换流装置常见的故障类型。换流装置的故障特性与换流器拓扑、接地方式及其所接入的交流系统的接地方式相关。城市配电中普遍采用了中性点经消弧线圈接地方式。中性点经消弧线圈接地系统中换流装置采用无连接变压器的接线方式时，换流器的交流输出端直接连接至交流电网，装置与交流系统共用接地支路。

采用无连接变压器接线方式的换流装置交流侧和直流侧接地故障特性不同于常规的有连接变压器的换流装置。对于常规的采用连接变压器与交流电网连接换流器的接地故障特性，国内外学者已经做了较多的研究[4,8-11]。文献[4]分析了MMC直流单极接地故障特性，文献[8]分析了两电平换流器交流接地故障对直流配电网电压平衡的影响，文献[9]分析了VSC-HVDC站内交流母线的故障现象及机制，文献[10]分析了基于MMC的多端直流输电系统直流侧故障控制保护策略，文献[11]分析了两电平换流器的交流母线及直流线路故障性能。国内外未见对采用无连接变压器接线方式的换流装置接地故障特性分析的报道。

1 柔性环网控制装置的基本结构

柔性环网控制装置由背靠背连接的电压源型换流器构成，电压源型换流器的交流输出连接至不同交流系统。采用无变压器接线方式的两端柔性环网控制装置的拓扑结构如图1所示，包含背靠背连接的MMC1和MMC2。MMC1的交流输出端通过交流开关DL1连接到中压配电系统AC1，MMC2通过DL2连接至另一中压交流系统AC2，MMC1与交流系统AC1共用接地装置，MMC2与交流系统AC2共用接地装置。

图1 无连接变压器的柔性环网控制装置拓扑结构图Fig.1 Topology structure of flexible loop network control device without transformer connection

柔性环网控制装置中MMC原理图如图2所示，其中Usj-k、isj-k分别为换流器k交流侧系统的相电压和线电流(j∈{a,b,c}，k∈{1,2}，下同)；Rj-eq-k、Lj-eq-k分别为交流系统的等效电阻和等效电感；Lxk为消弧线圈电感值；Lpj-k、Rpj-k为MMC的桥臂电感及等效内阻；udc-p、udc-n分别为MMC的直流正极对地电压和负极对地电压[12]。

图2 MMC原理图Fig.2 Schematic diagram of MMC converter

MMC可以控制各桥臂子模块投入和切出数，输出期望的交流电压。桥臂输出电压可以用一个受控电压源等效，桥臂电压近似正弦变化，在换流器三相对称，正、负极直流电压幅值相等时，以A相为例上桥臂电压upa-k和下桥臂电压una-k分别为：

(1)

(2)

式中：Udc为MMC的直流输出电压；mk为MMCk的电压调制比；ω0为基波角频率；φk为初始相位角[13-15]。

柔性环网控制装置的接地故障主要包括交流侧接地故障和直流侧接地故障，本文以发生概率较大的交流侧单相接地故障和直流单极接地故障为例对中性点经消弧线圈接地交流系统中采用无连接变压器接线方式的柔性环网控制装置故障特性进行分析。

2 交流侧单相接地故障特性分析

以图1中柔性环网控制装置中MMC1与交流系统AC1间的c相F1点发生单相接地(金属性接地)故障为例分析装置的故障特性。

(3)

两种大米淀粉湿热处理前后的 RDS、SDS、RS含量如表4所示。从结果中可以看到，经湿热处理后二者的RS和SDS含量均增加，RDS含量均降低，且YF变化的程度更为显著。研究表明，淀粉糊的消化性能主要与淀粉链结构有关，且发现直链含量越高，淀粉消化率越低[5,6]。如前所述，湿热处理增加了二者的直链淀粉含量，这可能有消化速率降低有关。另一方面，淀粉的的糊化程度也会影响淀粉的消化性能，完整颗粒存在的越多，淀粉消化性能越低[15]。湿热处理促进了淀粉分子的重排，加强了淀粉颗粒的稳定性，可能有更多完整颗粒存在，且YF被加强的效果更为明显，故YF的RS和SDS含量增加的程度更大。

(4)

对于交流侧的零序分量，其以共模型式出现在直流侧，由式(4)故障侧MMC1直流侧正极和负极对地共模波动值为交流侧零序电压分量。直流正负极线的差模电压仍然为Udc不发生变化。

换流器正负极线共模分量会增加换流阀对地电压，若要求换流器在交流接地故障时具有长时间运行能力，换流阀的绝缘设计时需要考虑该幅值，避免导致直流极线避雷器保护动作。

直流侧对地电压变化后，随着非故障侧MMC子模块的开关器件动作，换流器2交流出口对地电压uj-2为

(5)

柔性环网控制装置一侧换流器发生交流接地故障后，非故障侧换流器三相交流端口对地出现工频零序电压分量。由式(5)换流器2的c相对地电压可以表示为

(6)

若柔性环网控制装置两侧MMC1和MMC2的调制比、相位角相近，则uc-2≈0，此时非故障侧电压特征与故障侧类同。

MMC1的F1点发生单相接地故障，故障电流通路分为图3中①、②、③、④这4个通路。故障电流通路①的情况类同于常规的交流系统接地故障分析，接地故障产生的零序电压会造成零序电流经过接地点与消弧线圈形成回路。故障电流通路②、③为发生不对称故障后，故障侧交流系统AC1和非故障侧AC2的电容电流通路。采用无连接变压器的柔性环网控制装置的特殊之处在于一侧交流侧发生单相接地故障后，非故障侧交流系统将通过与故障点相连的换流器桥臂单元，经过接地点与非故障侧消弧线圈形成零序电流回路，如图3中电流支路④所示。

图3 单相接地故障故障电流通路 Fig.3 Fault current path of single phase grounding fault

图4 柔性环网控制装置单相接地故障仿真波形Fig.4 Simulation waveform of single phase grounding fault of flexible loop network control device

3 直流单极接地故障特性分析

柔性环网控制装置与交流系统共用消弧线圈接地方式时，换流器的直流单极接地故障特性将与文[4]所述有较大差异。以图1中MMC1直流侧负极F2点发生单极接地(金属性接地)故障为例分析柔性环网控制装置直流侧接地故障特性。

在直流单极接地故障情况下，换流器交流端会通过换流器的桥臂、接地点、消弧线圈构成故障电流通路，柔性环网控制装置的故障通路如图5所示。

根据换流器控制保护动作时序，故障后换流器有下述3种模式：(1)换流器维持触发导通；(2)换流器闭锁，交流开关未分断；(3)交流开关分断。

图5 柔性环网控制装置单极接地故障故障电流通路Fig.5 Fault current path of flexible loop network control device under monopolar grounding fault

(7)

模式2 ：换流器检测识别出直流侧发生单极接地故障后，换流器触发脉冲闭锁，同时下发分断交流侧断路器命令，交流断路器分断通常需要数10 ms分断时间。换流器闭锁后，交流电网将通过换流器子模块IGBT2的二级管、接地点以及消弧线圈支路构成故障电流通路，换流器闭锁、交流断路器分断前的故障回路如图6所示。换流器中对交流系统中性点n电压最小那相的换流阀续流二极管导通，其他两相截止。1个工频周期内，a、b、c三相与故障极线连接的换流阀的续流二极管将轮流导通。换流器闭锁后，负极没有故障电流流过，直流电流降低为0。消弧线圈

图6 闭锁后的装置单极接地故障电流通路Fig.6 Fault current path of flexible loop network control device after blocked under monopolar grounding fault

为大电抗器，由于二极管的钳位，消弧线圈两端电压为单极性电压，消弧线圈中电流将快速增加。

模式3：交流侧断路器接受到分闸命令后开始分断。因换流器的a、b、c三相中正常仅有一相导通(换流时刻除外)，非导通相因没有故障电流流过，非导通相的断路器可以正常分断。导通相因流过较大幅值的带直流偏置的故障电流，且故障电流无过零点，超过断路器的分断能力，断路器无法正常分闸。换流器交流侧两相分断后故障电流通路如图7所示。

图7 换流器1交流断路器两相分断后的故障电流通路Fig.7 Fault current path of converter 1 after AC breaker breaking

(8)

故障电流非周期分量从开关分断前的最大电流按指数函数衰减，时间常数为(Lx-1+Lj-eq-1)/Rj-eq-1，因故障回路阻尼较小，消弧线圈上非周期分量衰减时间较长。消弧线圈、换流阀二极管中将长期流过较大的故障电流，将引起消弧接地系统及换流阀等设备的损环。

图8给出柔性环网控制装置直流侧发生单极接地故障后(负极)的换流器仿真波形。负极单极接地后，换流器10 ms左右闭锁，下发交流断路器跳闸命令，交流断路器的a、b两相延时约60 ms后跳开，60 ms 后c相电流达到1.9 kA，超过断路器分断直流电流能力无法分断，c相维持导通，如图8(b)所示。图8(c)为消弧线圈上电压的波形。因故障回路阻尼较小，消弧线圈上电流iL-X-1呈现缓慢衰减，如图8(d)所示。

在消弧线圈接地支路增加阻尼电阻可以减少非周期分量的衰减时间常数，加快故障电流衰减。增加阻尼电阻RZ-1后的衰减时间常数为

图8 柔性环网控制装置直流单极接地故障波形Fig.8 DC monopolar grounding fault waveform of flexible loop network control device

(9)

图9(a)给出消弧接地支路增加阻尼电阻(6 Ω)后的换流器1的三相交流电流仿真波形，交流断路器的a、b两相延时60 ms后跳开，c相电流震荡衰减，在123 ms后c相电流衰减至0，断路器分断。图9(a)给出消弧接地支路增加阻尼电阻后流过消弧线圈的故障电流波形。增加阻尼电阻后使消弧线圈上非周期分量电流快速衰减，从而为交流断路器分断故障电流提供条件。阻尼电阻另一方面还可以限制故障电流峰值。

4 结 论

本文针对中性点经消弧接地的配电网中采用无连接变压器接线方式的柔性环网控制装置，分析了交流单相接地故障和直流单极接地故障时装置的故障特性。

图9 增加阻尼电阻后流过消弧线圈的故障波形Fig.9 Fault waveform of the arc suppression coil with the damping resistance

(1)当柔性环网控制装置的一侧发生单相接地不对称故障时，交流侧的零序分量以共模形式出现在直流侧，并通过直流极线传输影响非故障侧的换流器，非故障交流系统会出现故障特征，产生零序电压柔性环网控制装置可以传递零序分量。

(2)一侧交流侧发生单相接地故障后，非故障侧交流系统将通过与故障点相连的换流器桥臂、接地点与非故障侧的消弧线圈形成零序电流回路。

(3)对于中性点采用消弧接地的配电网，如果柔性环网控制装置不采用连接变压器，在直流单极接地故障情况下，交流电网会通过换流器的续流二极管、消弧线圈构成故障电流通路，将出现交流相电流缺少过零点而导致断路器无法分断的状况。

(4)在消弧线圈接地支路增加阻尼电阻后，阻尼电阻可以使直流单极接地故障时流过消弧线圈的非周期电流分量快速衰减，从而为交流断路器分断故障电流提供条件。

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(编辑 蒋毅恒)

Grounding Fault Analysis of Flexible Loop Network Control Device in Neutral Point Grounding System with Arc Suppression Coil

JIANG Tiangui1，XIE Yeyuan1, LI Hongtao2, LIAN Jianyang1, QIU Defeng1

(1. Nari-Relays Electric Co., Ltd., Nanjing 211102, China; 2. State Grid Beijing Electric Power Company, Beijing 100031, China)

Flexible loop network control device without transformer shares the same ground branch with the AC system, whose neutral point is grounded by arc suppression coil. The grounding fault characteristic of the device is different from that of the conventional device with transformer. It is necessary to analyze the characteristics of the grounding fault, which provides the basis for fault diagnosis and protection design. This paper analyzes the fault mechanism of the single phase grounding fault in the AC side of the flexible loop network control device based on the modular multilevel converter, and describes the electrical characteristics of the fault side and the non-fault side of the converter. Then, this paper analyzes the characteristics of DC monopolar grounding fault in the flexible loop network control device, derives the analytical equations of fault current in different operating modes of the converter, and points out that the increase of damping resistance of arc suppression coil grounding branch can speed up the fault current attenuation. Finally, this paper constructs the PSCAD/EMTDC simulation model of the flexible loop network control device based on the modular multilevel inverter, and verifies the correctness and validity of the fault characteristic analysis.

flexible loop network control device; arc suppression coil grounding; modular multilevel converter; single phase grounding fault; DC monopolar grounding fault

国家高技术研究发展计划项目(863计划)(2015AA050102)

TM 721

A

1000-7229(2016)05-0146-07

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.05.016

2016-03-07

姜田贵(1984)，男，通信作者，硕士，研发工程师，研究方向为柔性直流输电及电力电子技术；

谢晔源(1978)，男，硕士，高级工程师,研究方向为柔性直流输电及大功率电力电子技术；

李洪涛(1975)，男，硕士，高级工程师，国家电网公司专业领军人才，主要从事配电网设备和运维技术研究工作；

连建阳(1987)，男，硕士，工程师，研究方向为柔性直流输电及电力电子技术；

邱德锋(1986)，男，硕士，工程师，研究方向为柔性直流输电控制保护技术。

Project supported by the National High Technology Research and Development of China (863 Program) (2015AA050102 )