有源柔性配电网单相接地消弧方法研究

朱明泽，宋 蕾

(1.哈尔滨电气国际工程有限责任公司，哈尔滨 150028；2.国网黑龙江省电力有限公司经济技术研究院，哈尔滨 150036)

0 引 言

目前，中国配电网大多采用中性点不接地或消弧线圈接地方式，流经消弧线圈的电感电流补偿单相接地故障产生的电容电流，使残余电流迅速减小，实现快速灭弧。随着配电网电缆线路规模的不断扩大，传统的消弧线圈补偿方式不能满足快速灭弧要求，柔性补偿消弧方法应运而生[1]。文献[2]提出一种并联电阻式的消弧线圈，以开关投切实现消弧线圈的实时调整，仅能粗调。文献[3]提出一种注入补偿电流的消弧方法，计算中性点至故障点压降，再调控零序电压至该压降，将故障点处电压抑制为0，从而实现消弧。文献[4]通过脉宽调制有源逆变器注入零序电流补偿接地故障全电流，实现对零序电压的控制，使故障点电压为0，实现瞬时故障100%消弧。但是，向系统注入电流的方式实现消弧的经济性较差。

为了解决配电网单相故障柔性补偿中存在的上述问题，该文提出一种主从式消弧线圈柔性补偿方法。为解决故障选线问题，提出故障选线新方法，利用单相接地故障后零序电流新息幅值，进行比对选出故障馈线。提出一种主从式消弧线圈结构，在此基础上设计了柔性补偿控制策略，最后利用 ADPSS搭建配电网模型，对其有效性进行验证。

1 配电网单相接地故障动态辨识

系统电气量当前时刻的测量值与根据上一时刻状态估计结果得到的预报值之差即为新息。以故障前后的线路电流和各节点电压为研究对象，用故障后一时刻电流、电压测量值减去故障前一时刻电流，计算电流新息，如式1所示。

(1)

由回路电流法和图论知识，根据上一时刻系统拓扑结构，在选取树支支路和连支支路后，由连支支路新息可以推算出全网支路的新息，即为连支推算新息。在实际计算时，可由回路关联矩阵C和已知的连支新息Ilink程序计算得出，如式(2)所示。

Irec=CIlink

(2)

式中：Irec为支路ij的修正预估比；Ilink为连支新息向量。

由式(2)推算的各线路电流新息与直接计算的新息相比，可有效避免坏数据等不正常事件，提高故障辨识的可靠性。针对多馈线的配电网结构，可增加地节点，形成环网计算零序电流新息[5]。

设配电网存在多条馈线，故障后经消弧线圈补偿，导致的零序电压变化为，则故障线路的零序电流为

(3)

式中：Z0为故障线路对地零序阻抗；E为电源相电压；rd为接地过渡电阻。

补偿前后故障线路零序电流新息为

(4)

非故障线路的零序电流新息为

(5)

式中：Z0m为非故障线路对地零序阻抗。

一般情况下，零序阻抗幅值远大于过渡电阻值，则故障线路的零序电流新息远大于正常线路零序电流新息，据此比较各线路零序电流新息，幅值最大者即为故障线路。

2 自适应有源消弧方法

2.1 主从式消弧线圈的基本原理

采用主从式可调节电抗器，其主要由主消弧线圈、副消弧线圈和双向晶闸管开关三部分组成。如图1所示，L1为主消弧线圈，线路正常运行时L1运行于过补偿状态，L2为副消弧线圈，是一种晶闸管控制的可实现从零至全电感值连续调节的电子式消弧线圈，可通过控制晶闸管导通角，实现电感值的微调，从而完成快速消弧。L2容量约为L1容量的10%～20%，其等值电抗较小，引入谐波分量也较小。当发生单相故障时，L1、L2串联投入运行，使系统运行于全补偿状态，补偿故障处的电容电流，实现消弧[6]。

图1 主从式消弧线圈电路结构

图2 全补偿系统相量关系

图3 过补偿系统相量关系

2.2 控制策略

基于晶闸管控制的主从式消弧线圈的控制策略是补偿系统的关键，晶闸管的触发导通角度直接决定了系统的补偿效果。将图1所示的消弧线圈置于配电网接地变的中性点处，系统正常运行时，主消弧线圈L1投入运行，晶闸管VT1和VT2处于全导通状态，副消弧线圈短接，系统处于过补偿状态。当单相故障发生时，调节晶闸管的触发角，使副消弧线圈投入运行，根据测得的故障电容电流值，调节副消弧线圈迅速达到全补偿点处，完成故障消弧。在故障消除后，两晶闸管继续全导通运行，副线圈短接，系统处于过补偿状态，避免熄弧后系统运行在全补偿状态产生过电压。

(6)

式中：Q为消弧线圈的过补偿度；L为消弧线圈电感值；C为系统对地电容；ω为工频角频率。

综合上述分析，提出主从式消弧线圈控制策略的步骤，如图4所示。

图4 控制策略流程图

3 仿真分析

利用ADPSS仿真，验证所提出的有源柔性消弧方法。如图5所示，仿真模型中共含有4条馈线，具体参数设置见表1。为验证单相接地检测方法在不同接地方式下的通用性，分别设置了不接地和过补偿15%消弧线圈接地2种接地方式。

图5 仿真系统拓扑图

表1 线路参数

设置馈线1发生A相接地故障，为兼顾低阻和高阻等不同类型的接地故障，分别设置过渡电阻为10 Ω、1 000 Ω。表2给出了单相故障发生后各馈线的零序电流新息幅值，馈线1的零序电流新息远大于其他馈线。纯电阻接地故障，随着故障电阻增大，零序电流新息的幅值逐渐减小，利用零序电流新息的幅值特征能可靠检测单相接地故障。

表2 接地故障时零序电流新息

在接地变压器中性点加入主从式消弧线圈，发生接地故障时柔性调节副消弧线圈，实现全补偿，10 Ω低阻、1 000 Ω高阻仿真结果分别如图6、图7所示。由图可知，采用主从式消弧线圈，系统故障相零序电流新息幅值小于1 A，接近于0，可实现全补偿。

图6 低阻单相接地故障

图7 高阻单相接地故障

4 结 语

1)提出了基于主从式消弧线圈柔性消弧的配电网单相接地故障消弧方法，设计了消弧线圈柔性补偿控制策略，仿真结果表明，该控制策略能够精准快速地补偿接地电容电流。

2)提出了基于零序电流新息的故障选线方法，根据线路拓扑结构推算零序电流新息，可消除坏数据等异常事件影响，提高选线准确性。理论和仿真验证了该方法的有效性，原理可靠，操作简单，易于工程实现。