高漏抗式消弧线圈的配电网单相接地故障状态研究

陈汉超，万家伟，方书博，李 迪

（1.国网电力科学研究院有限公司，南京 211106；2.国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司，武汉 430074；3.电网雷击风险预防湖北省重点实验室，武汉 430074）

引言

在配电网中，线网的中性点和大地相连接的方式是通过消弧线圈进行连接，这种连接方式叫做谐振接地，其比其他配电网中性点接地方式突出许多，谐振接地方式有着较多优势[1]。例如，在单相接地故障发生后，可通过消弧线圈中产生感应电流，以此来弥补配电网电容中缺失的部分，从而消除弧光。在灭弧成功后，使故障电压的恢复速度降低，避免弧光重新燃烧。谐振接地技术在一定程度上降低了接地故障的发生率，被广泛应用于中压变电站中。在传统的变电站中，适应较为广泛的是调匝式消弧线圈，这种线圈主要是通过改变电感线圈的档位，实现电感值的调节。

在配电网采用谐振接地的连接方式以后，当接地故障消失时，单相接地消失并不能够被消弧线圈有效判断出来，没有及时地退出补偿状态，导致消弧线圈与系统对地电容串联，严重影响了系统正常运行。针对这一种情况，目前所用的方式是增加消弧线圈的脱谐度，有效地将补偿精度增加[2]。

1 谐振接地系统接地故障消失时的暂态过程

当谐振接地系统发生单相接地时，零序回路如图1所示。Ua为故障电源电压，U0为系统的零序电压，Rd为故障点接地电阻，L为消弧线圈的电感值，C0为系统三相对地分布电容等效电容值，R0消弧线圈的损耗。

图1 零序回路等效电路

当接地故障点零电弧熄灭时，如同图中开关S断开，这时系统的零序回路等效电路如图2所示，图2中Uk表示系统中三相不平衡电压。

图2 接地故障消失时零序回路等效电路

在配电网单相接地故障消失之前，零序回路中的每一项参数决定零序电压的幅值，此时的U0角频率与电网中电源的角频率大致相同。当电网恢复至正常状态后，消弧线圈电感会与系统对电容形成一个谐振回路，如图2中所示，接地消失后，零序电压中将会出现一个变化量，并且这个变化量会随着角频率的降低逐渐降低。因此，为了防止单相接地时产生大量的残流，可以通过消弧线圈中的电抗来对其进行相应的补偿[3]。因此，当接地消失时，图2中的电路自振频率与系统电源频率相同，一般为了让单相接地时电弧能够快速地熄灭，残流需越小越好。

2 高漏抗式消弧线圈在接地消失时的暂态分析

通常来说，高漏式消弧线圈是处于零序电压的周波范围内。但晶闸管处于断开状态时，滤波阻抗将会对输入的电流产生一定的阻碍。此时，若配电系统发生故障，则消弧线圈中的电流大小将会受到晶闸管的影响。由于高抗漏式消弧线圈的基本原理和构造与其他线圈之间存在一定的差异，在接地消失的过程中，电路中的零序电压变化也不同。

2.1 晶闸管不导通时零序电压的变化

在接地消失之后，检查发现消弧线圈中晶闸管出现异常情况，相应的电路如图3所示。图3中，Uk为不平衡电压，C0为对地电容，L0为等效电感，L1+L2表示阻抗电感值，U0表示零序电压。

图3 接地消失时系统的等效电路

零序暂态电压的频率分量受到系统对地电容与消弧线圈励磁阻抗的参数影响，而高频暂态分量，则受到滤波回路和系统对地电容的参数的影响。当晶闸管一直处于截止状态时，零序电压在振荡衰减过程中，电压幅度值降低时，频率也相应减小。

2.2 晶闸管导通时零序电压的变化

针对不同类型晶闸管对零序电压影响的问题，通过相应的试验来对其研究，试验为高压配网模拟试验。试验中消弧线圈的基本参数见表1。

表1 消弧线圈的基本参数

在试验过程中，要将消弧线圈的晶闸管触发延迟角度稳定在一个固定的状态，然后再用示波器来记录每个阶段零序电压的变化。根据相应的试验参数，将晶闸管的触角延迟角度定为111.5°。接地消失后，产生相应的串联谐振，此时便能得到相应的谐振触发延迟角。此外，根据不同类型晶闸管的延迟角，可将其分为大于、等于、小于系统谐振触发的延迟角三种情况[4]。

3 基于频率跟踪的系统单相接地故障状态识别方法

当配电网中出现单相接地情况时，电网中的电流量会缺失，此时高漏抗消弧线圈便会产生相应的补偿电流。若将此时触发延迟角定为D1，则在接地故障消失的某个特定时间值内，可以通过相应的装置调整晶闸管的触发延迟角，使其变为D2，那么零序电压的频率变化△ƒm为：

控制装置的实际测量零序电压的频率变化为ƒ,一般装置的误差与消弧线圈都会影响ƒ值，都会有相对的偏差。即

当接地故障解除后，配电网的接地故障也随之改变。经过许多测试以后，发现K值取0.6最为理想。在接地故障没有消失的情况下，在控制装置调整延迟角度后，在故障电压的影响下，消弧线圈的电压会受到相应的限制，但是零序电压是保持恒定不变的。在经过频率跟踪系统的单相接地故障状态识别后，判断之间没有相应的交集，这样能够将系统的状态准确地判断出来。

4 现场应用

以某变电站为例，通过其人工接地故障的试验数据来进行频率跟踪。线路采用的电缆是YJV22-3×300交联聚乙烯电力电缆，单位长度与参数见表2。各出线电缆长度见表3。

表2 YJV22-3×300交联聚乙烯电缆线路单位参数

表3 出线电缆长度与对地电容电流

在一段母线上通过对金属性接地、弧光接地等不同接地方式进行模拟。试验表明，在系统接地故障消失以后，系统中的零序电压产生了一定的变化，逐渐减小。再结合控制装置中的记录数据来分析后发现，此时晶闸管的角度变为111.1°，并且系统中的电容与消弧线圈两者之间呈现出串联谐振的状态，并且故障点的电压有最低的恢复速度。在启动频率跟踪判断以后，改变了晶闸体管的触发延迟角，让其变为149.0°，零序电压频率也相应地变为39.5 Hz，与接地故障状态下消失的频率跟踪判断相同，说明单相接地故障得到了有效消除。晶闸管出现延迟角变化，使得串联谐振现象不能发生。除此之外，在脱谐度的变化下，零序电压也随之发生了相应的改变，并且其恢复速度逐渐降低。在零序电压降低到一定的范围时，便可以停止相应的触发，系统将恢复正常的运行状态[5]。这些试验充分说明了基于频率跟踪的系统单相接地故障状态识别方法是有效的，这种方法已经广泛应用于高漏式抗消弧线圈中。

5 结语

针对配电网单相接地故障问题，对配电网中高漏抗式消弧线圈的应用进行了分析，并提出一种利用频率的诊断方式。通过这种方式，能够有效识别出系统接地时零序电压的变化。在接地消失后，能够有效防止系统中产生串联谐振。此外，增大脱谐度的作用下，将接地故障时电容产生的残流降低到最小，并且能够使电压以缓慢的速度恢复，在一定程度上避免了电弧重新燃烧的情况，这对于提升配电网的安全运行有着十分重要的作用。