配电网接地残流全补偿协调控制

李一卓

（国网河南省电力公司新野县供电公司 河南省新野市 473500）

谐振接地方式符合配电网运行对安全性和可靠性的要求，但是传统消弧线圈无法对接地故障电流中的有功分量与谐波分量进行补偿，导致接地残流难以控制在规定范围内。较大的残流将导致电弧无法及时熄灭，严重威胁电网的安全运行。同时，接地电弧的维持会引起过电压，并使得事故进一步发展，呈现范围扩大化，危害巨大化，给电力系统、用户和人身安全带来了巨大的威胁。

本文提出一种自适应全补偿消弧技术及方案，能够快速、准确地补偿残流，使得接地残流限制在较小的范围甚至完全消除，从而有效抑制电弧接地过电压，保障设备的安全运行，减少供电中断及发生电力事故带来的经济损失，同时，保证人员人身安全，提高供电的安全性和可靠性。

1 残流补偿理论

如图1所示，残流全补偿装置主要由主从式消弧线圈和单相逆变器组成。该消弧线圈由自动调匝式消弧线圈作为主消弧线圈，由基于单相直交逆变单元的可控部分作为从消弧线圈。主消弧线圈补偿大部分的基波接地电流，从消弧线圈通过单相电压源式逆变器，采用PWM 控制技术生成补偿电流，作为主调匝式消弧线圈的有益补充，补偿剩余基波接地电流、接地电流中的谐波分量。

图1：全补偿装置结构示意图

配电网正常运行时，消弧线圈不断对中性点电压、主消弧线圈的档位和电抗值进行检测，估算出当前系统的对地电容值；依据计算结果调整主消弧线圈的档位，使其保持在过补偿约15%的位置；利用电网发生单相接地故障时的历史故障录波数据，估算电网各条馈线在不同单相接地故障下的基波电容电流值、各条线路的对地电容以及电流的畸变成分。

配电网发生单相接地故障时，消弧线圈控制器首先确定故障线路；然后利用故障线路的零序电流（即全网除去故障线路本身的故障点的接地电流）、正常状态下计算出的系统对地电容、估算出的故障线路电容及该故障状态下电流畸变的经验值进行故障全电流的估算，得出整个系统含故障线路接地电流、含有功分量和谐波分量的故障电流；同时检测当前主消弧线圈和从消弧线圈的补偿电流，应用有源逆变算法生成功率器件驱动信号控制有源从消弧线圈实现全补偿[1]。

2 控制实现

2.1 对地电容参数的估计

采用信号注入法测量接地电容的大小，每次注入不同频率信号，信号注入的步长为0.1Hz，持续时间为0.2s，通过检测零序电压的最大值，得到谐振频率值，根据LC 并联谐振的原理，可估算接地电容的大小。频率发生电路和振荡频率检测电路如图 2所示。

图2：频率发生电路和振荡频率检测电路

电网电压存在固有的不平、非理想电网电压含有的谐波成分、电网接入大量非线性负荷等因素，会造成零序电压和零序电流中含有谐波成分；同时，通过单相逆变器向中性点注入的零序电流中的谐波成分会造成零序电压中含有谐波分量，因此如何从含有丰富谐波成分的零序电压的信号中提取特定的频率信号是算法实现的关键。

利用广义积分器（SOGI）可实现某特定频率信号的提取，但单一SOGI 在处理含多频率信号源的某特定频率信号提取时效果不佳。因此，本设计基于SOGI 的选频特性，考虑采用多个SOGI 组成交叉解耦结构，第1 至第n-1 个SOGI 的输出反向后接入第n 个SOGI 的输入，形成信号正反馈，可增强滤波性能，提高SOGI 对频率信号的提取效果，实现对某特定频率信号的提取[2]。

考虑到电网基波以及电网中比较明显的5、7、11 次谐波，采用了5 个SOGI 构成本应用中的选频器，用来提取注入的频率信号。基于多个SOGI 的选频器的结构框图如图 3所示。

图3：基于M-SOGI 的选频器结构框图

2.2 故障恢复控制

在注入电流信号的作用下，即使单相接地故障恢复，系统仍然处于谐振状态下，中性点电压保持不变。为了控制消弧线圈及时退出运行，需要破坏系统的谐振运行工况，采取合理的退出机制[3]。

假设主消弧线圈投入后使得系统处于过补偿状态，则从消弧线圈后满足接地电流全补偿的系统如图4(a)所示，其等效示意图如图4(b)所示，图中Rs和Cs满足：

图4：接地故障消失后系统等效电路示意图

由公式（7）可知，系统将发生LC 并联谐振，谐振频率为电网角频率。

令L=L1，C=3C0+Cs，R=Rs//1/(3g0)，根据二阶RLC 并联电路的零输入响应建立系统的微分方程为：

系统的特征方程为：

特征根为：

其中：

上式中，α 定义为电路的阻尼系数；ω0为电路的谐振角频率。

一般情况下R 很大，系统特征根为共轭复根，电路处于欠阻尼状态，则可得系统的响应为：

式中，A 和φ 需要根据接地恢复时刻零序电压、电感和电容的数值进行计算。

在全补偿状态，R=∞，α=0，ωd=ωg，由公式（5）可知，系统零序电压将以电网频率做等幅振荡，而实际情况下，R 不可能无穷大，则系统零序电压为幅值按指数规律衰减的正弦信号，振荡频率小于电网频率[4]。

假设主动阻尼电流注入后，在tc时间后，零序电压幅值下降到原来的Δ 倍，则可得：

进一步可得：

由公式（13）可知，在接地故障恢复后，需要向系统额外注入正阻性电流即有功电流，才能使得零序电压幅值处于衰减下降状态[5]。

考虑通过控制单相逆变器向中性点额外注入一定大小的有功电流，等效于在并联谐振电路中增加阻尼电阻，可抑制系统的谐振；并联系统退出谐振过程中，中性点电压将逐渐下降，而注入的有功电流也将随着零序电压的下降而下降，当中性点电压下降至阈值以下，可判断单相接地故障恢复，则控制消弧线圈和单相逆变器退出运行。

接地故障恢复检测框图如图 5所示。需要注意的是，因为单相故障的恢复时间不确定，因此在整个接地残留补偿的过程中，需要周期性地向系统注入有功电流，从而周期性判断接地故障是否消失，从而确保消弧线圈和逆变器及时退出运行。

图5：接地故障恢复检测电路框图

3 系统设计

以10kV 配电网带三回路出线系统为例，进行系统设计。

3.1 接地电容计算

考虑单相接地后，接地电流为60A，则可得电容计算值为：

3.2 主消弧线圈电感值计算

根据电感和电容并联谐振理论，可得理论电感值为：

实际情况下，主消弧线圈一般处于过补偿状态，即脱谐度γ＜0，根据脱谐度的计算公式：

对不同的脱谐度有：

由此可得过补偿电感值的计算公式为：

3.3 线路接地电阻计算

线路接地电阻值电流计算公式为：

上公式中，零序电压u0可测，接地电阻值R0不可知，可根据阻尼率预估得到。

阻尼率计算公式为：

阻尼率一般取10%，dg0可取5%，由此可得接地电阻的估计值为：

3.4 主消弧线圈并联电阻计算

主消弧线圈的并联电阻值不可知，可根据阻尼率预估得到，一般dgL可取5%，由此可得主消弧线圈并联电阻的估计值为：

3.5 从消弧线圈需要补偿的电流大小计算

主消弧线圈补偿了全部电容电流并有5%的盈余，该电流大小为3A；从消弧线圈需要补偿接地电阻和主消弧线圈并联电阻上的电流，其大小为电容电流的10%，该电流大小为6A。

因此从消弧线圈需要补偿的总电流大小为：

其峰值为9.485A。

3.6 单相逆变器容量计算

由于需要补偿的电流有效值为6.7A，则可得单相逆变器的容量为：

考虑效率以及补偿谐波电流的情况，则单相逆变器的容量至少需要50kW。

3.7 单相逆变器输出电流大小计算

考虑变压器的原副边比值为K=10e3/420，则可得单相逆变器的输出电流为：

其峰值为226A。

3.8 单相逆变器输出电压大小计算

考虑变压器的原/副边比值为K=10e3/420，则可得单相逆变器的输出电压为：

其峰值为343V。

对三相380V 交流经整流器输入的单相逆变器，直流电压的最大值为537V，因此最大调制度为：

考虑正常工作时，直流电压为最大值的80%，则调制度为：

4 结论

本文提出一种低压配电网单相接地故障的残流全补偿控制方法。分析了单相接地故障的残流补偿基本理论，提出对地电容电流检测的实现方法，进而实现单相接地故障的残流实时估计；利用主动阻尼电流注入法实现单相接地故障恢复的实时检测，确保单相接地故障恢复后消弧线圈的及时退出。本文提出的残流全补偿控制方法能够实现配电网接地残流的实时补偿，所述方法具有一定的实用性。