潘曉娟，關(guān)靜恩，張春麗，唐偉超

（1. 景森設(shè)計(jì)股份有限公司昆明分公司，昆明 650051；2.云南電力技術(shù)有限責(zé)任公司，昆明 650217； 3. 云南文山電力股份有限公司，云南 文山 663000）

0 前言

中壓配電網(wǎng)中性點(diǎn)采用非有效接地方式，能夠提高單相接地故障（即小電流接地故障）時(shí)的自動(dòng)熄弧率并可在出現(xiàn)永久性接地故障時(shí)繼續(xù)運(yùn)行1～2 小時(shí)，因此具有更高的供電可靠性。但隨著中壓配電網(wǎng)的線(xiàn)路日趨復(fù)雜，運(yùn)行環(huán)境日益惡劣，單相接地故障已成為配電網(wǎng)的主要故障。中性點(diǎn)經(jīng)消弧線(xiàn)圈接地方式的系統(tǒng)雖提高了配電網(wǎng)的供電可靠性，然而持續(xù)燃燒的電弧將對(duì)系統(tǒng)設(shè)備、人身安全造成極大的威脅[1-3]。因此，為了避免故障電弧的持續(xù)性燃燒，不少配電網(wǎng)系統(tǒng)重新采用中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地的形式，雖然能降低間歇性燃燒電弧帶來(lái)的危害，卻使得配電網(wǎng)的供電可靠性降低[4]。為了實(shí)現(xiàn)供電可靠性與人身安全均能得到滿(mǎn)足，目前不少研究通過(guò)對(duì)消弧線(xiàn)圈的改進(jìn)從而達(dá)到故障電弧的快速消弧且不易重燃，如消弧線(xiàn)圈并小電阻、消弧線(xiàn)圈自動(dòng)調(diào)諧裝置等方式[5-6]。

然而，接地電弧的熄滅與諸多因素相關(guān)，為了實(shí)現(xiàn)其快速有效熄滅，需同時(shí)補(bǔ)償其故障電流的無(wú)功分量與有功分量。無(wú)功分量，即故障電流的容性分量，通過(guò)調(diào)節(jié)消弧線(xiàn)圈的阻抗，注入感性分量以抵消故障電流的容性分量；有功分量，為故障電流的阻性分量，有系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及設(shè)備決定。為了有效消除接地電弧，有必要對(duì)故障電流的有功和無(wú)功分量分別進(jìn)行補(bǔ)償，以使得接地電弧難以重燃[7-11]。有源注入的全補(bǔ)償技術(shù)使接地電弧有效消除并難以重燃，從而保障了配電網(wǎng)的供電可靠性及人身財(cái)產(chǎn)安全。

1 故障電流全補(bǔ)償消弧理論研究

1.1 系統(tǒng)模型建立

本文采用10 kV 配網(wǎng)模型進(jìn)行研究分析，系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式為有源補(bǔ)償器并聯(lián)消弧線(xiàn)圈（如圖1）。有源補(bǔ)償器以中性點(diǎn)電壓為有源補(bǔ)償器的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)接地故障點(diǎn)電弧的快速熄滅且殘流較小，保證配電網(wǎng)供電可靠性及人身財(cái)產(chǎn)安全。

圖1 配電網(wǎng)接地故障電流全補(bǔ)償系統(tǒng)圖

1.2 理論分析

當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，有源補(bǔ)償器通過(guò)判斷三相電壓與電流，向中性點(diǎn)注入與故障相原電壓反相的補(bǔ)償電壓，通過(guò)抑制中性點(diǎn)電壓達(dá)到故障消除。其計(jì)算依據(jù)疊加定理可知，分別計(jì)算只有三相電源單獨(dú)作用和只有注入電壓源單獨(dú)作用時(shí)的故障點(diǎn)電流，再求和。

三相電源作用時(shí)，故障電流的等效電路圖，如圖2 所示。得到流過(guò)接地電阻的電流If1為：

其中，r為注入電壓源內(nèi)阻，為故障相正常運(yùn)行時(shí)的電壓，Rf為故障接地電阻，Z1為線(xiàn)路對(duì)地參數(shù)和消弧線(xiàn)圈參數(shù)的并聯(lián)阻抗，具體為：

其中，RL為消弧線(xiàn)圈內(nèi)，C0=CA=CB=CC為線(xiàn)路對(duì)地電容。

圖2 故障接地電流的等效電路

只有注入電壓源單獨(dú)作用時(shí)的等效電路圖，如圖3 所示。計(jì)算得到流過(guò)接地電阻的電流為：

圖3 注入電源作用故障接地電流的等效電路

故障接地電流的等效電路，如圖4 所示。故障電流If，即流過(guò)Rf的電流為：

要使其為零，即達(dá)到熄弧的目的，則有：

圖4 故障接地電流的等效電路

通過(guò)以上分析，可知故障點(diǎn)電流受外加電源控制，且二者數(shù)學(xué)關(guān)系表達(dá)式如式（5）。

2 全補(bǔ)償消弧控制研究

注入電壓源為一套交-直-交變流器，用以從系統(tǒng)獲得注入中性點(diǎn)的一定幅值和相位的電壓。交-直-交變流器采用大功率IGBT 進(jìn)行高速開(kāi)斷，整流側(cè)為傳統(tǒng)三相PWM 整流器，輸入側(cè)為電網(wǎng)，輸出側(cè)連接電容。直流側(cè)并聯(lián)電容，可以作為儲(chǔ)能元件并且穩(wěn)定直流電壓。逆變側(cè)為橋式逆變電路，輸入側(cè)并聯(lián)電容，輸出側(cè)經(jīng)隔離變壓器連接電網(wǎng)，如圖5 所示。

圖5 有源補(bǔ)償器示意圖

橋式逆變電路的控制模塊可采用PWM 控制，為了調(diào)節(jié)相角還需要引入可控移相環(huán)節(jié)。對(duì)一個(gè)正弦信號(hào)（電壓或電流）進(jìn)行一定電角度的相移，通常采用某種結(jié)構(gòu)的電路來(lái)實(shí)現(xiàn)這樣的相移時(shí)要造成對(duì)正弦信號(hào)有一定時(shí)延，從而影響整個(gè)系統(tǒng)的相應(yīng)速度和降低其性能。比如在諧波與無(wú)功電流檢測(cè)電路中用一般相移電路對(duì)正弦電源電壓相移90°時(shí)，相應(yīng)地會(huì)產(chǎn)生T/4 的時(shí)延。這樣大的一個(gè)時(shí)延時(shí)間無(wú)疑會(huì)增加諧波檢測(cè)系統(tǒng)的響應(yīng)過(guò)程。為了滿(mǎn)足實(shí)際需要，應(yīng)該設(shè)法減少對(duì)正弦電壓或電流信號(hào)相移所帶來(lái)的時(shí)延，最大程度地提高電路的響應(yīng)速度。

假設(shè)要對(duì)一正弦電壓ui進(jìn)行電角度為θ 的相移，uO為輸出電壓。使對(duì)輸入正弦電壓相移θ 所需要的試驗(yàn)時(shí)間td并不只由相移量θ 決定，而是還讓它與其他參數(shù)有關(guān)，那么就能形成一種實(shí)現(xiàn)快速時(shí)延的相移電路，如圖6 所示。

圖6 相移電路

其中，A1和A2為正比例系數(shù)。

形成具體的快速時(shí)延相移電路時(shí)，可把圖6相移電路中的時(shí)延環(huán)節(jié)De-jωtd用實(shí)際的相移電路替換，如圖7 所示。替代的實(shí)際相移電路可以是由無(wú)源器件組成的無(wú)源電路，也可以是由有源器件組成的有源電路。

圖7 RC移相電路

3 試驗(yàn)分析

圖8 接地電阻10 Ω時(shí)的試驗(yàn)波形

圖9 接地電阻10 kΩ時(shí)的試驗(yàn)波形

為了驗(yàn)證本文所提出的消弧方法的可行性，實(shí)驗(yàn)室搭建了10 kV 配網(wǎng)接地電流補(bǔ)償試驗(yàn)平臺(tái)。其中，試驗(yàn)系統(tǒng)的主要參數(shù)包括：?jiǎn)蜗鄬?duì)地電容分別為9.02 μF，單相對(duì)地泄露電阻為20.01 kΩ，消弧線(xiàn)圈為960.02 mH。

設(shè)置配電網(wǎng)C 相發(fā)生單相接地故障，故障發(fā)生時(shí)刻投入接地電流補(bǔ)償裝置，實(shí)驗(yàn)室測(cè)試了不同接地過(guò)渡電阻下消弧線(xiàn)圈和全補(bǔ)償裝置的消弧性能。圖8 (a)-(b) 分別為接地過(guò)渡電阻10 Ω 時(shí)經(jīng)消弧線(xiàn)圈和全補(bǔ)償消弧的試驗(yàn)波形，圖9 (a)-(b)分別為接地過(guò)渡電阻10 kΩ 時(shí)經(jīng)消弧線(xiàn)圈和全補(bǔ)償消弧的試驗(yàn)波形。

如圖8 所示，此時(shí)試驗(yàn)所得消弧線(xiàn)圈消弧后電流殘流為8.354 A，相對(duì)零序電壓的相角為103.17°，有功分量1.903 A，無(wú)功分量為8.134 A；全補(bǔ)償消弧后電流殘流為4.180 A，相對(duì)零序電壓的相角為95.22°，有功分量3.186 A，無(wú)功分量為2.706 A。

如圖9 所示，消弧線(xiàn)圈消弧后電流殘流為0.772 A，相對(duì)零序電壓的相角為118.91°，有功分量0.282 A，無(wú)功分量為0.676 A；全補(bǔ)償消弧后電流殘流為0.073 A，相對(duì)零序電壓的相角為162.29°，有功分量0.070 A，無(wú)功分量為0.022 A。

對(duì)比測(cè)試不同接地電阻下消弧線(xiàn)圈和全補(bǔ)償裝置補(bǔ)償性能，非金屬性接地時(shí)，故障點(diǎn)殘流較消弧線(xiàn)圈補(bǔ)償后殘流顯著降低，基本上控制在500 mA 以下，金屬性接地故障時(shí)全補(bǔ)償效果不理想。故障點(diǎn)殘流相對(duì)零序電壓的相角取決于系統(tǒng)對(duì)地電容電流、泄漏電阻以及消弧線(xiàn)圈補(bǔ)償檔位（對(duì)應(yīng)脫諧度），與接地故障過(guò)渡電阻的大小無(wú)關(guān)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種基于交-直-交電壓柔性控制的消弧方式，采用有源補(bǔ)償器并聯(lián)消弧線(xiàn)圈的中性點(diǎn)接地方式，當(dāng)檢測(cè)到單相接地故障時(shí)，獲取此時(shí)系統(tǒng)的三相電壓、電流及零序電壓等參數(shù)，計(jì)算變流器應(yīng)該輸出的電壓，通過(guò)PWM調(diào)制算法控制有源補(bǔ)償器輸出相應(yīng)幅值和相位的電壓，對(duì)故障接地電流進(jìn)行全補(bǔ)償。試驗(yàn)結(jié)果表明：

1）本方法不受過(guò)渡電阻影響，能快速抑制故障相電壓，實(shí)現(xiàn)配電系統(tǒng)接地故障電流的全補(bǔ)償。

2）采用控制中性點(diǎn)電壓的方法，向系統(tǒng)中性點(diǎn)處注入與故障相原電壓反相的補(bǔ)償電壓，可以有效抑制中性點(diǎn)電壓達(dá)到故障消除的目的。

3）本文提出的交- 直- 交電壓柔性控制的消弧方法，能夠顯著降低故障點(diǎn)殘流和快速熄滅電弧，使小電流接地系統(tǒng)單相弧光接地問(wèn)題得到很好的解決。

4）本方法彌補(bǔ)了傳統(tǒng)消弧線(xiàn)圈不能補(bǔ)償有功電流和無(wú)法抑制間歇性接地故障的不足，操作簡(jiǎn)單可靠，調(diào)節(jié)方便、成本低，因而其在實(shí)際應(yīng)用中更具可行性。