劉寶穩(wěn)，李曉波

（中國礦業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，江蘇 徐州 221008）

0 引言

配電網(wǎng)故障以單相接地故障為主。隨著配電網(wǎng)容量的增加，輸電線路的增長，尤其是電纜的使用，使得故障接地電容電流增大，我國配電網(wǎng)多以消弧線圈方式接地。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障后，消弧線圈在中性點(diǎn)能產(chǎn)生補(bǔ)償接地電容電流的感性電流，大大減小故障電流，達(dá)到熄弧的效果[1]。在實(shí)際運(yùn)行中，小電流接地系統(tǒng)在諧振狀態(tài)下會(huì)出現(xiàn)零序電壓長時(shí)間升高的現(xiàn)象[2]。為了滿足中性點(diǎn)長時(shí)間的電壓位移不超過系統(tǒng)相電壓的15%，消弧線圈多并聯(lián)阻尼電阻，當(dāng)發(fā)生接地故障時(shí)，為減故障電流，需迅速切除電阻[3]。

目前，已提出的電容電流測(cè)量方法中極值法[4]、相位法[5]、阻抗三角形法[6]只適用于預(yù)調(diào)式消弧線圈，屬于間接測(cè)量；兩點(diǎn)法[7]、注入信號(hào)法[8-9]、諧振法結(jié)合曲線擬合法[10]和已知增量補(bǔ)償電流法[11]可直接測(cè)量故障接地時(shí)電容電流，因此既適用于預(yù)調(diào)式也適用于隨調(diào)式消弧線圈。

基于失諧量(ωCΣ-1/(ωL))的消弧線圈跟蹤調(diào)諧方法，在隨調(diào)式與預(yù)調(diào)式消弧線圈中均可使用，有測(cè)量精度高、易實(shí)現(xiàn)和跟蹤性能好等優(yōu)點(diǎn)，為配電網(wǎng)的單相接地保護(hù)提供新的理論判據(jù)。

1 消弧線圈補(bǔ)償狀態(tài)的判斷

圖1為中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈并聯(lián)電阻接地系統(tǒng)。CA、CB和CC為三相對(duì)地電容；GA、GB和GC為三相對(duì)地電導(dǎo)；L為消弧線圈電感，GL為消弧線圈并聯(lián)電導(dǎo)。當(dāng)消弧線圈并聯(lián)GL1時(shí)，電網(wǎng)正常運(yùn)行中性點(diǎn)電壓為

式中：CΣ=CA+CB+CC為系統(tǒng)總分布電容；為系統(tǒng)參數(shù)不對(duì)稱矢量和，其中1/(ωL)為分布容納與消弧線圈感納的差，稱失諧量；GΣ=GA+GB+GC為系統(tǒng)分布總電導(dǎo)。

圖1 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈并聯(lián)電阻接地系統(tǒng)Fig. 1 Neutral grounded via arc-suppression coil with parallel resistance

當(dāng)阻尼電阻變?yōu)镚L2時(shí)，中性點(diǎn)電壓為

圖2 消弧線圈并聯(lián)不同阻尼電阻時(shí)jYW+GΣ+GL的相位圖Fig. 2 Phase angle of jYW+GΣ+GL when arc-suppression coil parallel different damping resistors

圖2 為消弧線圈并不同阻尼電阻時(shí)jYW+GΣ+GL的相位圖。調(diào)諧測(cè)量時(shí)，改變消弧線圈并聯(lián)電導(dǎo)的大小。以GL增大為例，GL10；消弧線圈欠補(bǔ)償時(shí) ωCΣ- 1/(ωL)>0，電導(dǎo)增大，jYW+GΣ+GL的相角減小，即α2-α1<0。

因此，當(dāng)GL增大時(shí)，檢測(cè)中性點(diǎn)電壓的相角。如果 φ2-φ1>0，即可判斷消弧線圈欠補(bǔ)償；如果φ2-φ1<0即可判斷消弧線圈過補(bǔ)償。

2 系統(tǒng)對(duì)地電容的測(cè)量及消弧線圈的調(diào)諧

將式（1）除以式（2）得

式中，U01和 U02為中性點(diǎn)電壓有效值。由于GSGL，系統(tǒng)總電導(dǎo)可以忽略，解式（3）得

上式消弧線圈過補(bǔ)償時(shí)取負(fù)，欠補(bǔ)償時(shí)取正。則系統(tǒng)對(duì)地總電容為

式中，L為調(diào)諧測(cè)量時(shí)消弧線圈現(xiàn)有的電感值，為已知量。

則消弧線圈全補(bǔ)償?shù)刃щ姼蠰0為

如果希望消弧線圈在其他狀態(tài)下運(yùn)行，只需相應(yīng)地調(diào)節(jié)電感值即可。

3 仿真驗(yàn)證

基于Matlab的仿真系統(tǒng)的原理圖見圖3，配電網(wǎng)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈并電阻接地，系統(tǒng)共5條出線L11、L2、L3、L4、L5長度分別為 50、20、40、55、35 km。電源電壓等級(jí)為10 kV；線路模型采用PI型分布參數(shù)電路等效模塊，正序分布參數(shù)為：電阻0.012 73 ?/km，電感 0.622 4×10-3H/km，電容12.74×10-9F/km；零序分布參數(shù)為：電阻 0.286 4?/km，電感0.933 7×10-3H/km，電容7.751×10-9F/km；為實(shí)現(xiàn)線路分布參數(shù)不平衡，在A相串入單相PI型電路等效模塊L22，長20 km，與線路零序分布參數(shù)一致。消弧線圈通過單相斷路器 B1、B2與電阻R1、R2并聯(lián)，B1在0.04 s開通，B2在0.3 s開通，設(shè)置不同大小的R1、R2即可實(shí)現(xiàn)消弧線圈并聯(lián)阻尼的變化?，F(xiàn)已知系統(tǒng)零序?qū)Φ乜傠娙轂镃0=0.480 6×10-5F，因而諧振電感L0=2.108 38 H。為了探究中性點(diǎn)電壓相位在不同阻尼電阻下的變化，人為地改變消弧線圈電感值，使消弧線圈工作在過補(bǔ)償或欠補(bǔ)償狀態(tài)下，觀察中性點(diǎn)電壓在不同阻尼電阻下相位和大小的變化。

仿真實(shí)驗(yàn)分別測(cè)試阻尼電阻由 2 000 ?變?yōu)?00 ?（R1=2 000 ?、R2=500 ?）和 1 200 ? 變?yōu)?300?（R1=1 200 ?、R2=400 ?）的兩組仿真數(shù)據(jù)，記錄阻尼改變前后中性點(diǎn)電壓的幅值和相位，并根據(jù)式（5）和式（6）計(jì)算 YΣ和 L0，由此計(jì)算仿真諧振電感L0與實(shí)際諧振電感的誤差大小，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1和表2。圖4中顯示了消弧線圈并聯(lián)電導(dǎo)增大時(shí)中性點(diǎn)電壓相位的變化，其中實(shí)線表示消弧線圈全補(bǔ)償，點(diǎn)虛線表示消弧線圈過補(bǔ)償，段虛線表示消弧線圈欠補(bǔ)償；圖5顯示在消弧線圈并聯(lián)電導(dǎo)增大時(shí)中性點(diǎn)電壓波形和幅值的變化。誤差主要由忽略線路對(duì)地電阻引起?；谑еC量的消弧線圈跟蹤測(cè)量方法精度高，測(cè)量方法簡單，能滿足實(shí)際使用的需求。

圖3 模擬仿真電路圖Fig.3 Simulation test circuit

表1 阻尼電阻由2 000 Ω變?yōu)?00 Ω時(shí)的仿真數(shù)據(jù)Table 1 Rest data of damping resistors from 2000 ? to 400 ?

表2 阻尼電阻由1 200 Ω變?yōu)?00 Ω時(shí)的仿真數(shù)據(jù)Table 2 Simulation data of damping resistors from 1 200 ? to 300 ?

圖4 消弧線圈不同補(bǔ)償狀態(tài)下改變阻尼電阻時(shí)中性點(diǎn)電壓相位的變化Fig. 4 Neutral voltage phase changes when transform damp resistance as arc-suppression coil in different compensation

圖5 不同阻尼電阻下中性點(diǎn)電壓波形和幅值的變化Fig. 5 Change of neutral voltage waveform and amplitude under different damping resistors

4 結(jié)束語

本文提出的基于失諧量的消弧線圈跟蹤控制方法，當(dāng)系統(tǒng)對(duì)地電容參數(shù)變化時(shí)，為了限制中性點(diǎn)電壓往往也需要改變阻尼電阻，只需記錄改變消弧線圈并聯(lián)阻尼電阻前后中性點(diǎn)電壓幅值和相位的大小，通過相位變化便可知道消弧線圈的補(bǔ)償狀態(tài)，根據(jù)中性點(diǎn)電壓的幅值、阻尼電導(dǎo)和現(xiàn)有的消弧線圈電感值即可計(jì)算失諧量，操作方便，計(jì)算簡單，跟蹤實(shí)用性好。阻尼改變引起的系統(tǒng)暫態(tài)時(shí)間短（一般小于0.05 s），系統(tǒng)變化對(duì)測(cè)量精度的影響小。由于該測(cè)量方法可實(shí)時(shí)計(jì)算出系統(tǒng)對(duì)地電容的大小，因此在隨調(diào)式和預(yù)調(diào)式消弧線圈中均可使用。

[1] 王崇林. 中性點(diǎn)接地方式與消弧線圈[M]. 徐州: 中國礦業(yè)大學(xué)出版社, 1999．WANG Chong-lin. Methods of neutral point to earth and arc-suppression coil[M]. Xuzhou: China University of Mining and Technology Press, 1999.

[2] 吳駿, 盧剛. 小電流接地系統(tǒng)單相接地與諧振狀態(tài)辨識(shí)技術(shù)[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2010, 38(13):144-147.WU Jun, LU Gang. Virtual grounding identification technology in neutral point non-effectively grouned system[J]. Power System Protection and Control, 2010,38(13): 144-147.

[3] 李嗣明, 何婧, 張熙軍, 等. 消弧線圈投入后引起系統(tǒng)電壓不平衡原因分析及解決辦法[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2008, 36(24): 124-128.LI Si-ming, HE Jing, ZHANG Xi-jun, et a1. Causing analysis and design solution of system voltage’s unbanlance when ARC-suppression coil goer line[J].Power System Protection and Control, 2008, 36(24):124-128.

[4] TANG Yi. A complete set of automatic compensation equipment of a capacitive charging current in application of a medium-volt-age power system[J]. Electric Power System Research, 1997, 41(1): 35-41.

[5] 張松, 孫偉. 消弧線圈自動(dòng)調(diào)諧的研究[J]. 高壓電器,1999, 35(2): 3-7.ZHANG Song, SUN Wei. Studies on automatic resonant regulation of Peterson coil[J]. High Voltage Apparatus,1999, 35(2): 3-7.

[6] 張怡. 調(diào)匝式消弧線圈的自動(dòng)調(diào)諧[J]. 華東電力, 1997,25(8): 46-47.ZHANG Yi. Automatic tuning of multi-tap arc-suppression coil[J]. East China Electric Power, 1997,25(8): 46-47.

[7] 龐清樂, 孫同景, 穆健, 等. 氣隙調(diào)感式消弧線圈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 高電壓技術(shù), 2006, 32(4): 5-10.PANG Qing-le, SUN Tong-jing, MU Jian, et a1. Design of air gap inductance regulation arc-suppression coil control system[J]. High Voltage Engineering, 2006, 32(4):5-10.

[8] 杜剛, 劉迅, 蘇高峰. 基于FTU和“S”信號(hào)注入法的配電網(wǎng)接地故障定位技術(shù)的研究[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2010, 38(12): 73-76.DU Gang, LIU Xun, SU Gao-feng. Research on technology of grounding fault location combining FTU and “S” signal injecting method in distribution grid[J].Power System Protection and Control, 2010, 38(12):73-76.

[9] 叢偉, 李盼盼, 李洪濤, 等. 基于恒頻注入信號(hào)的消弧線圈自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償技術(shù)研究[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2010, 38(19): 185-189.CONG Wei, LI Pan-pan, LI Hong-tao, et al. Automatic arc suppression coil compensation technology based on fixed-frequency signal injection method[J]. Power System Protection and Control, 2010, 38(19): 185-189.

[10] 陳忠仁, 吳維寧, 張勤, 等. 調(diào)匝式消弧線圈自動(dòng)調(diào)諧新方法[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2005, 29(24): 75-78.CHEN Zhong-ren, WU Wei-ning, ZHANG Qin, et al.New automatic tuning method for multi-tap arc-suppression coil[J]. Automation of Electric Power Systems, 2005, 29(24): 75-78.

[11] 唐軼, 王濤, 羅建鋒. 用于消弧線圈控制的單相接地電流測(cè)量方法[J]. 高電壓技術(shù), 2010, 36(9): 2242-2245.TANG Yi, WANG Tao, LUO Jian-feng. Measurement method of the phase-to-earth fault current used in the control of arc-suppression coil[J]. High Voltage Engineering, 2010, 35(9): 2242-2245.