基于交-直-交电压柔性控制的接地故障全消弧技术分析研究

潘晓娟，关静恩，张春丽，唐伟超

（1. 景森设计股份有限公司昆明分公司，昆明 650051；2.云南电力技术有限责任公司，昆明 650217； 3. 云南文山电力股份有限公司，云南 文山 663000）

0 前言

中压配电网中性点采用非有效接地方式，能够提高单相接地故障（即小电流接地故障）时的自动熄弧率并可在出现永久性接地故障时继续运行1～2 小时，因此具有更高的供电可靠性。但随着中压配电网的线路日趋复杂，运行环境日益恶劣，单相接地故障已成为配电网的主要故障。中性点经消弧线圈接地方式的系统虽提高了配电网的供电可靠性，然而持续燃烧的电弧将对系统设备、人身安全造成极大的威胁[1-3]。因此，为了避免故障电弧的持续性燃烧，不少配电网系统重新采用中性点经小电阻接地的形式，虽然能降低间歇性燃烧电弧带来的危害，却使得配电网的供电可靠性降低[4]。为了实现供电可靠性与人身安全均能得到满足，目前不少研究通过对消弧线圈的改进从而达到故障电弧的快速消弧且不易重燃，如消弧线圈并小电阻、消弧线圈自动调谐装置等方式[5-6]。

然而，接地电弧的熄灭与诸多因素相关，为了实现其快速有效熄灭，需同时补偿其故障电流的无功分量与有功分量。无功分量，即故障电流的容性分量，通过调节消弧线圈的阻抗，注入感性分量以抵消故障电流的容性分量；有功分量，为故障电流的阻性分量，有系统拓扑结构及设备决定。为了有效消除接地电弧，有必要对故障电流的有功和无功分量分别进行补偿，以使得接地电弧难以重燃[7-11]。有源注入的全补偿技术使接地电弧有效消除并难以重燃，从而保障了配电网的供电可靠性及人身财产安全。

1 故障电流全补偿消弧理论研究

1.1 系统模型建立

本文采用10 kV 配网模型进行研究分析，系统中性点接地方式为有源补偿器并联消弧线圈（如图1）。有源补偿器以中性点电压为有源补偿器的控制信号，实现接地故障点电弧的快速熄灭且残流较小，保证配电网供电可靠性及人身财产安全。

图1 配电网接地故障电流全补偿系统图

1.2 理论分析

当发生单相接地故障时，有源补偿器通过判断三相电压与电流，向中性点注入与故障相原电压反相的补偿电压，通过抑制中性点电压达到故障消除。其计算依据叠加定理可知，分别计算只有三相电源单独作用和只有注入电压源单独作用时的故障点电流，再求和。

三相电源作用时，故障电流的等效电路图，如图2 所示。得到流过接地电阻的电流If1为：

其中，r为注入电压源内阻，为故障相正常运行时的电压，Rf为故障接地电阻，Z1为线路对地参数和消弧线圈参数的并联阻抗，具体为：

其中，RL为消弧线圈内，C0=CA=CB=CC为线路对地电容。

图2 故障接地电流的等效电路

只有注入电压源单独作用时的等效电路图，如图3 所示。计算得到流过接地电阻的电流为：

图3 注入电源作用故障接地电流的等效电路

故障接地电流的等效电路，如图4 所示。故障电流If，即流过Rf的电流为：

要使其为零，即达到熄弧的目的，则有：

图4 故障接地电流的等效电路

通过以上分析，可知故障点电流受外加电源控制，且二者数学关系表达式如式（5）。

2 全补偿消弧控制研究

注入电压源为一套交-直-交变流器，用以从系统获得注入中性点的一定幅值和相位的电压。交-直-交变流器采用大功率IGBT 进行高速开断，整流侧为传统三相PWM 整流器，输入侧为电网，输出侧连接电容。直流侧并联电容，可以作为储能元件并且稳定直流电压。逆变侧为桥式逆变电路，输入侧并联电容，输出侧经隔离变压器连接电网，如图5 所示。

图5 有源补偿器示意图

桥式逆变电路的控制模块可采用PWM 控制，为了调节相角还需要引入可控移相环节。对一个正弦信号（电压或电流）进行一定电角度的相移，通常采用某种结构的电路来实现这样的相移时要造成对正弦信号有一定时延，从而影响整个系统的相应速度和降低其性能。比如在谐波与无功电流检测电路中用一般相移电路对正弦电源电压相移90°时，相应地会产生T/4 的时延。这样大的一个时延时间无疑会增加谐波检测系统的响应过程。为了满足实际需要，应该设法减少对正弦电压或电流信号相移所带来的时延，最大程度地提高电路的响应速度。

假设要对一正弦电压ui进行电角度为θ 的相移，uO为输出电压。使对输入正弦电压相移θ 所需要的试验时间td并不只由相移量θ 决定，而是还让它与其他参数有关，那么就能形成一种实现快速时延的相移电路，如图6 所示。

图6 相移电路

其中，A1和A2为正比例系数。

形成具体的快速时延相移电路时，可把图6相移电路中的时延环节De-jωtd用实际的相移电路替换，如图7 所示。替代的实际相移电路可以是由无源器件组成的无源电路，也可以是由有源器件组成的有源电路。

图7 RC移相电路

3 试验分析

图8 接地电阻10 Ω时的试验波形

图9 接地电阻10 kΩ时的试验波形

为了验证本文所提出的消弧方法的可行性，实验室搭建了10 kV 配网接地电流补偿试验平台。其中，试验系统的主要参数包括：单相对地电容分别为9.02 μF，单相对地泄露电阻为20.01 kΩ，消弧线圈为960.02 mH。

设置配电网C 相发生单相接地故障，故障发生时刻投入接地电流补偿装置，实验室测试了不同接地过渡电阻下消弧线圈和全补偿装置的消弧性能。图8 (a)-(b) 分别为接地过渡电阻10 Ω 时经消弧线圈和全补偿消弧的试验波形，图9 (a)-(b)分别为接地过渡电阻10 kΩ 时经消弧线圈和全补偿消弧的试验波形。

如图8 所示，此时试验所得消弧线圈消弧后电流残流为8.354 A，相对零序电压的相角为103.17°，有功分量1.903 A，无功分量为8.134 A；全补偿消弧后电流残流为4.180 A，相对零序电压的相角为95.22°，有功分量3.186 A，无功分量为2.706 A。

如图9 所示，消弧线圈消弧后电流残流为0.772 A，相对零序电压的相角为118.91°，有功分量0.282 A，无功分量为0.676 A；全补偿消弧后电流残流为0.073 A，相对零序电压的相角为162.29°，有功分量0.070 A，无功分量为0.022 A。

对比测试不同接地电阻下消弧线圈和全补偿装置补偿性能，非金属性接地时，故障点残流较消弧线圈补偿后残流显著降低，基本上控制在500 mA 以下，金属性接地故障时全补偿效果不理想。故障点残流相对零序电压的相角取决于系统对地电容电流、泄漏电阻以及消弧线圈补偿档位（对应脱谐度），与接地故障过渡电阻的大小无关。

4 结束语

本文提出了一种基于交-直-交电压柔性控制的消弧方式，采用有源补偿器并联消弧线圈的中性点接地方式，当检测到单相接地故障时，获取此时系统的三相电压、电流及零序电压等参数，计算变流器应该输出的电压，通过PWM调制算法控制有源补偿器输出相应幅值和相位的电压，对故障接地电流进行全补偿。试验结果表明：

1）本方法不受过渡电阻影响，能快速抑制故障相电压，实现配电系统接地故障电流的全补偿。

2）采用控制中性点电压的方法，向系统中性点处注入与故障相原电压反相的补偿电压，可以有效抑制中性点电压达到故障消除的目的。

3）本文提出的交- 直- 交电压柔性控制的消弧方法，能够显著降低故障点残流和快速熄灭电弧，使小电流接地系统单相弧光接地问题得到很好的解决。

4）本方法弥补了传统消弧线圈不能补偿有功电流和无法抑制间歇性接地故障的不足，操作简单可靠，调节方便、成本低，因而其在实际应用中更具可行性。