張文浪

（陜西公眾智能科技有限公司，陜西 西安 710000）

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，電力行業(yè)在國民生產(chǎn)生活中的地位越來越高。在我們的國家，配電網(wǎng)是國民經(jīng)濟和工業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，現(xiàn)代社會對電力工業(yè)的要求更加嚴格，不僅電力的需求迅速增加，而且對電網(wǎng)的安全性、可靠性和穩(wěn)定性有了更高的要求。

配電網(wǎng)作為電能傳輸?shù)闹饕袚?，其正常、穩(wěn)定、可靠運行是電力保障的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1]。

為抑制配電網(wǎng)發(fā)生單相接地時的接地電流,中壓配電網(wǎng)采用帶消弧線圈的小電流接地運行方式，降低電流[2]。

在我國建設(shè)初期，由于當時配電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不復雜，運行線路大多以架空線路為主，電纜線路運行規(guī)模較小，尚能滿足系統(tǒng)保障故障熄弧要求。

隨著城鄉(xiāng)配網(wǎng)中電力電纜的大量使用，電容電流急劇增大，非線性負載接入，殘流中諧波含量大大增加。而消弧線圈不能抵消諧波電流，從而影響了故障電弧的自熄，可能對絕緣薄弱處造成擊穿，引發(fā)更大的故障[3]。

因此為進一步對故障殘流進行深度補償，保障配電網(wǎng)運行的安全性和可靠性，則必須對消弧技術(shù)進行更深層次的研究，使其可以滿足日漸復雜的配電網(wǎng)接地故障可靠消弧的要求，保障配網(wǎng)運行安全。

本文主要針對配電網(wǎng)消弧難題，分析了現(xiàn)有消弧技術(shù)的優(yōu)缺點，并推導了電流控制框圖，介紹了本方案的實現(xiàn)過程，并利用仿真分析比較了兩種方法消弧特征。

1 配電網(wǎng)單相接地故障消弧機理

1.1 配電網(wǎng)無源消弧機理

其中以消弧線圈為主要裝置的無源消弧技術(shù)，可以對接地故障電流的工頻容性成份進行有效補償。

消弧線圈目前已經(jīng)在配電網(wǎng)故障消弧領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，其呈現(xiàn)著從固定式消弧線圈到自動調(diào)諧式消弧線圈的發(fā)展趨勢[4-7]。

在早期，消弧線圈主要采用固定式消弧線圈，其電感值固定不變，僅能補償參數(shù)固定的系統(tǒng)，無法保證故障電流有效熄滅。

隨后在此基礎(chǔ)之上，出現(xiàn)了手動調(diào)諧消弧線圈，該裝置可通過手動調(diào)節(jié)消弧線圈電感量，適應(yīng)系統(tǒng)參數(shù)的改變，但其存在調(diào)節(jié)方式復雜，操作難度大，需要運行人員具有較深厚的工作經(jīng)驗，且無法適應(yīng)越來越復雜的配電網(wǎng)絡(luò)。

隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，可適應(yīng)復雜工況的自動調(diào)諧式消弧線圈應(yīng)運而生，其可主要由預(yù)調(diào)式和隨調(diào)式兩類組成。

前者的工作原理為：在配電網(wǎng)正常時檢測其對地電容電流，將消弧線圈感值設(shè)置為全補償狀態(tài)，為避免諧振，常并聯(lián)或串聯(lián)阻尼。這種消弧線圈的優(yōu)點是：當發(fā)生單相接地故障時，可迅速進行故障電流補償。

后者的工作原理為：配電網(wǎng)正常時，將消弧線圈設(shè)置為過補償，則無需關(guān)心諧振問題。

當發(fā)生單相接地故障時，使其從預(yù)設(shè)的過補償運行轉(zhuǎn)變?yōu)槿a償運行，以滿足對故障電流的補償，當故障消失后將其切換至過補償狀態(tài)。

目前自動調(diào)諧消弧線圈的發(fā)展方向主要圍繞其電感值調(diào)節(jié)的速度與精度，當前現(xiàn)場中投入使用的消弧線圈有如下兩種：

(1)調(diào)匝式消弧線圈是調(diào)節(jié)繞組匝數(shù)，以調(diào)節(jié)消弧線圈感值。

其優(yōu)點是操作方便。其缺點是調(diào)節(jié)速度較慢，且不能進行連續(xù)調(diào)節(jié)。但由于經(jīng)濟可靠，易于操作，國內(nèi)應(yīng)用較多。

(2)調(diào)容式消弧線圈是控制電容器組變化，通過對電容器的投切實現(xiàn)電感的分級調(diào)節(jié)。

優(yōu)點是相應(yīng)速度快。缺點是由于線圈含有大量電容可能會對諧波有放大作用。

綜上可知，隨著科技發(fā)展消弧線圈的調(diào)節(jié)精度與速率在不斷完善，從而使消弧線圈能最大限度的補償接地工頻容性電流，然而因為其無法補償故障殘流中的諧波電流，無法滿足配電網(wǎng)對接地殘流深度補償?shù)囊蟆?/p>

1.2 配電網(wǎng)有源消弧機理

鑒于無源消弧僅能補償故障殘流中工頻容性分量的局限性，國內(nèi)外學者利用電力逆變器靈活輸出電流的特點，提出了基于電力電子裝置的有源消弧技術(shù)[7-9]。

通過逆變器等補償裝置，對消弧線圈補償后的故障殘流進行深度補償，或直接取代消弧線圈單純利用電力電子裝置對故障電流進行補償。

這種技術(shù)不僅可對接地點故障電流的工頻容性成分進行補償，同時也能夠?qū)崿F(xiàn)對系統(tǒng)中無功分量及諧波分量進行有效補償。

圖1 為有源接地配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖。

圖1 有源接地配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

圖1 主要分為有源注入裝置以及配電網(wǎng)兩部分組成。

有源注入裝置可以取任意逆變器拓撲，當前有源消弧裝置常用的拓撲有級聯(lián)H 橋逆變器拓撲以及單相逆變器拓撲等。

E˙A、E˙B、E˙C分別為三相電源電勢，CA、CB、CC分別為對地電容，RA、RB、RC為對地電阻，U˙0為中性點電壓，L1為消弧線圈,L2為串聯(lián)電感，I˙in為注入電流，Rd為接地故障電阻。

由基爾霍夫定律可知：

即可實現(xiàn)對故障電流的補償,這就是有源消弧方法的基本原理。

殘流中由非線性負載帶來的諧波分量，以5、7 次最高，因此也應(yīng)該注入一個與其等大反相的諧波電流，具體表達式為：

由式(6)可知，注入電流不僅能補償工頻，還能補償諧波，能完全補償殘流。

2 控制策略

有源消弧系統(tǒng)的消弧效果,依賴于系統(tǒng)對指令電流跟蹤精度。

這就要求構(gòu)建電流閉環(huán)系統(tǒng)，使補償電流能精確滿足系統(tǒng)補償?shù)囊蟆?/p>

PI 控制是工程上一種經(jīng)典控制，具有快速響應(yīng)性以及較強的魯棒性，且系統(tǒng)校正快捷。

因此本文的電流控制系統(tǒng)采用PI 控制，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 PI 電流閉環(huán)控制系統(tǒng)

在上圖中，Iref為逆變器補償電流，Iin為注入電流，GPI為PI 的傳遞函數(shù)，GINV為注入裝置傳遞函數(shù)，GO為電感傳遞函數(shù)。

閉環(huán)電流的傳遞函數(shù)為：

其流程圖如圖3 所示。

圖3 電流閉環(huán)消弧流程圖

首先：在配電網(wǎng)運行時，對三相電壓進行采樣，并利用逆變器向配電網(wǎng)注入電流，獲得對應(yīng)電壓偏移；

其次：判斷是否發(fā)生接地故障；若是，進行選相。故障電壓相降低的故障相；若為發(fā)生此現(xiàn)象，則返回上步驟；

再次：當確定故障發(fā)生，選擇故障相成功后，計算補償電流的相位和幅值，確認補償電流；

最后：將補償電流注入配電網(wǎng)，從而熄滅故障電流，達到消弧目的。

3 仿真分析

為了驗證本文所提出方法的正確性，所以在MATLAB中建立如圖4 所示仿真模型并進行驗證。

圖4 有源接地配電網(wǎng)仿真模型

本文采取的模型包含6 條饋線，包括架空線路，電纜線路，以及由兩者混合組成的混合線路。線路的具體參數(shù)見表1。

表1 線路參數(shù)

注入裝置選擇雙串聯(lián)H 橋拓撲，適應(yīng)于高壓大功率場合。

其電源電壓選為4000V，電感選取10mH，負載采用RLC模型。

仿真以驗證本文所提出策略的有效性和適用性。

設(shè)定0.05s 發(fā)生故障，0.15s 投入補償裝置。

圖5 為當發(fā)生單相接地故障，且接地電阻為300Ω 時，采用無源消弧法（投入消弧線圈）和有源消弧法控制下（有源注入裝置及消弧線圈）的故障殘流波形圖。

圖5 PI 和PI 控制下故障殘流

由圖5 可知采取無源消弧法進行補償之后，故障殘流約為4.8A，剩余電流仍較大，電弧仍有復燃的可能。

利用有源消弧補償后，故障殘流降低至僅為0.8A，無電弧重新復燃可能，較無源消弧法得到顯著提高，實現(xiàn)可靠熄弧。

綜上可以看出，有源消弧法性能優(yōu)于無源消弧法。

4 結(jié)論

配網(wǎng)發(fā)生單相接地故障，若不及時處理，將嚴重影響電力系統(tǒng)正常運行。

而現(xiàn)有無源消弧法無法將接地電流抑制到安全范圍之內(nèi)，因此提出了有源消弧法的方法。

本文詳細推導了消弧原理，并給出了電流控制策略，利用仿真分析證明了有源消弧法的消弧優(yōu)勢。