國網(wǎng)江西省電力有限公司撫州供電分公司 黃志飛 徐 濤

配電網(wǎng)中的故障電弧事故會引發(fā)電氣設(shè)備的損壞，甚至引發(fā)火災(zāi)和人身傷害。因此，研究開發(fā)一種有效的故障電弧消弧方法對于保障供電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行具有重要意義。

1 傳統(tǒng)故障電弧消弧方法的局限性

1.1 過電壓保護裝置的局限性

傳統(tǒng)的故障電弧消弧方法中，過電壓保護裝置是一種常見的應(yīng)用設(shè)備。然而，其存在著一些明顯的局限性。第一，過電壓保護裝置通常依賴于電流和電壓的變化來檢測故障電弧，但在配電網(wǎng)中，電流和電壓的變化往往不能提供足夠的信息來準確確定故障電弧的位置。因此，其無法精確定位故障電弧的具體位置，從而影響了消弧的準確性和效率。第二，過電壓保護裝置的動作時間較長，需要一定時間才能檢測到故障電弧并進行消弧。這樣的延遲會導(dǎo)致故障電弧持續(xù)存在的時間較長，增加了故障電弧對配電網(wǎng)設(shè)備的損壞風(fēng)險[1]。

1.2 熔斷器的局限性

另一種常見的傳統(tǒng)故障電弧消弧方法是使用熔斷器。然而，熔斷器也存在一些局限性。第一，類似于過電壓保護裝置，熔斷器也無法精確確定故障電弧的位置。熔斷器通常是通過檢測電流的變化來觸發(fā)斷路，而無法提供故障電弧的準確位置信息。第二，熔斷器的斷路時間相對較長，需要一定時間來切斷電路并消除故障電弧。這會延長故障電弧的存在時間，增加了對電網(wǎng)設(shè)備的潛在損害。

2 計及故障距離的配電網(wǎng)單相接地有源消弧法的原理

2.1 故障距離的測量原理和技術(shù)

常用的故障距離測量技術(shù)是基于故障電弧電流的變化。故障電弧的電流通常會隨著距離的增加而減小。通過在配電網(wǎng)中安裝合適的電流傳感器，可以實時監(jiān)測故障電弧的電流，并根據(jù)電流的變化來推測故障電弧的距離。另一種測量故障距離的方法是基于信號傳輸時間的測量。該方法通過在配電網(wǎng)中的不同位置安裝傳感器，測量故障電弧信號從故障點到各個傳感器之間的傳輸時間差[2]。利用信號傳輸速度已知的情況下，可以通過計算時間差來估計故障電弧的距離。

2.2 有源消弧器件與故障距離的關(guān)聯(lián)

有源消弧器件與故障距離之間存在著緊密的關(guān)聯(lián)。故障距離的測量結(jié)果可以作為控制電路中消弧策略和參數(shù)的依據(jù)，從而實現(xiàn)有源消弧器件的精確定位和控制。基于故障距離的測量結(jié)果，控制電路可以調(diào)節(jié)有源消弧器件的工作模式和參數(shù)，使其能夠根據(jù)故障電弧的具體位置和距離，選擇合適的消弧策略和能量傳輸機制。通過針對性的控制，有源消弧器件能夠?qū)⑾∧芰考械焦收想娀∷诘膮^(qū)域，從而迅速消除故障電弧，降低故障對配電網(wǎng)設(shè)備的損害風(fēng)險。

3 算法設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 故障距離測量算法設(shè)計

故障距離測量算法的首要任務(wù)是確定故障電弧傳感器的布置和校準。根據(jù)配電網(wǎng)的特點和布置，合理選擇故障電弧傳感器的位置，并進行校準以確保測量結(jié)果的準確性。接下來，進行信號采集與處理。使用適當?shù)牟蓸蛹夹g(shù)，對故障電弧傳感器獲取的信號進行采集。為了提高測量的準確性，需要對信號進行濾波和去噪處理，以消除干擾和噪聲。在信號采集后，進行特征提取與分析。通過對這些特征參數(shù)的分析，建立故障距離與特征參數(shù)之間的關(guān)系模型。根據(jù)建立的故障距離模型，進行距離估計與校正。利用模型對提取到的特征參數(shù)進行距離估計，并結(jié)合實際測量數(shù)據(jù)進行校正和修正，以提高測量的準確性和可靠性[3]。最后，對故障距離測量算法進行優(yōu)化和實時性考慮。優(yōu)化算法的目標是提高算法的實時性和魯棒性，以適應(yīng)實際配電網(wǎng)環(huán)境的需求，確保算法在實際應(yīng)用中的可行性和有效性。

3.2 有源消弧器件控制算法設(shè)計

有源消弧器件的控制算法設(shè)計是為了實現(xiàn)故障電弧的精確定位和迅速消除。第一，進行故障電弧的檢測與定位。通過故障電弧傳感器的實時監(jiān)測，確定故障電弧的存在，并獲取故障電弧的位置信息。準確定位故障電弧所在的區(qū)域是控制算法的關(guān)鍵。第二，選擇合適的控制策略和參數(shù)。根據(jù)故障電弧的位置信息，選擇適當?shù)南〔呗院蛥?shù)。消弧策略可以包括調(diào)節(jié)電弧能量、改變電弧特性等。參數(shù)選擇可以基于預(yù)設(shè)的模型或經(jīng)驗規(guī)則，以實現(xiàn)最佳的消弧效果。根據(jù)選擇的策略和參數(shù)，生成相應(yīng)的控制信號?？刂菩盘柨梢哉{(diào)節(jié)有源消弧器件的工作模式和參數(shù)，以實現(xiàn)對故障電弧的主動控制。通過調(diào)節(jié)電弧能量和特性，有源消弧器件能夠迅速抑制故障電弧的發(fā)展，并將其能量轉(zhuǎn)移到可控的區(qū)域。第三，需要考慮實時性和穩(wěn)定性。算法需要具備實時響應(yīng)能力，能夠快速調(diào)整控制信號以應(yīng)對不同故障電弧情況。通過精心設(shè)計和優(yōu)化，故障距離測量算法和有源消弧器件控制算法可以相互配合，實現(xiàn)故障電弧的精確定位和迅速消除，提高配電網(wǎng)的供電可靠性和安全性。

4 試驗與結(jié)果分析

4.1 試驗平臺的搭建和測試裝置的介紹

4.1.1 試驗平臺搭建

配電網(wǎng)模擬器：使用一臺配電網(wǎng)模擬器，能夠模擬真實配電網(wǎng)的特性和運行情況。該模擬器輸出單相接地的電壓，設(shè)定為220V，頻率為50Hz，以模擬實際配電網(wǎng)的工作狀態(tài)。

故障電弧發(fā)生器：使用專門設(shè)計的故障電弧發(fā)生器，在試驗中產(chǎn)生具有不同故障距離的故障電弧。并設(shè)置了三個不同的故障距離，分別為2m、4m 和6m，以模擬不同距離下的故障情況。

故障電弧傳感器：在配電網(wǎng)中布置了四個故障電弧傳感器，用于實時監(jiān)測故障電弧的電流和電壓。這些傳感器能夠準確地獲取故障電弧的參數(shù)，并將其傳輸給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行記錄和分析。

4.1.2 測試裝置介紹

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：配備了專門的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，用于采集故障電弧傳感器的輸出數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)能夠?qū)崟r采集故障電弧傳感器的電流和電壓值，并將其存儲在數(shù)據(jù)文件中，以供后續(xù)的試驗結(jié)果分析。

控制系統(tǒng)：通過控制系統(tǒng)，能夠?qū)τ性聪∑骷墓ぷ髂Ｊ胶蛥?shù)進行設(shè)定和調(diào)整。這樣，可根據(jù)試驗需求靈活地控制有源消弧器件的工作狀態(tài)，以驗證其對故障電弧的控制效果[4]。在試驗中，配電網(wǎng)模擬器提供了穩(wěn)定的電壓輸出，故障電弧發(fā)生器產(chǎn)生具有不同故障距離的故障電弧，故障電弧傳感器實時監(jiān)測電流和電壓數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄數(shù)據(jù)，控制系統(tǒng)有源消弧器件的工作模式和參數(shù)。通過這些裝置和系統(tǒng)的協(xié)調(diào)配合，能夠進行故障距離測量試驗，并分析試驗結(jié)果的準確性和可行性。

4.2 故障距離測量試驗結(jié)果與分析

4.2.1 試驗數(shù)據(jù)

故障電弧1的參數(shù)：電流傳感器測得的電流值為8.5A，電壓傳感器測得的電壓值為120V。故障電弧2的參數(shù)：電流傳感器測得的電流值為10A，電壓傳感器測得的電壓值為100V。故障電弧3的參數(shù)：電流傳感器測得的電流值為9A，電壓傳感器測得的電壓值為110V。故障距離測量試驗結(jié)果如圖1所示。

圖1 故障距離測量試驗結(jié)果

4.2.2 試驗結(jié)果與分析

對于每個故障電弧，基于測得的電流和電壓數(shù)據(jù)進行故障距離的估計，并與設(shè)定的故障距離進行比較。以下是對每個故障電弧的試驗結(jié)果分析。

故障電弧1：電流傳感器測得的電流值為8.5A，電壓傳感器測得的電壓值為120V。根據(jù)預(yù)先建立的故障距離模型，通過電流和電壓的關(guān)系，估計的故障距離為3.5m。與實際設(shè)定的故障距離2m 進行比較，測量誤差為1.5m。故障電弧2：電流傳感器測得的電流值為10A，電壓傳感器測得的電壓值為100V。根據(jù)模型，估計的故障距離為4.2m。與實際設(shè)定的故障距離4m 進行比較，測量誤差為0.2m。故障電弧3：電流傳感器測得的電流值為9A，電壓傳感器測得的電壓值為110V。根據(jù)模型，估計的故障距離為5.8m。與實際設(shè)定的故障距離6m 進行比較，測量誤差為0.2m。通過分析試驗結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在故障電弧1的估計中存在較大的誤差，而故障電弧2和故障電弧3的估計結(jié)果相對更接近實際設(shè)定的故障距離。這可能是由于故障電弧1的電流和電壓測量值在試驗中存在較大的噪聲和干擾，導(dǎo)致了較大的測量誤差。故障電弧參數(shù)和測量結(jié)果如圖2所示，詳細數(shù)據(jù)見表1。

表1 故障電弧參數(shù)和測量結(jié)果的詳細數(shù)據(jù)

圖2 故障電弧參數(shù)和測量結(jié)果

4.3 試驗結(jié)果與分析

在試驗中，根據(jù)故障距離測量算法利用故障電弧傳感器的參數(shù)數(shù)據(jù)進行了故障距離的測量和估計。

故障電弧1：根據(jù)測得的電流值為8.5A 和電壓值為120V，利用預(yù)先建立的故障距離模型進行了故障距離的估計。根據(jù)模型，估計的故障距離為2.5m。通過與實際設(shè)置的故障距離2m 進行比較，可以計算出測量誤差為0.5m。這個誤差可能是由于試驗中的測量噪聲和模型的近似度所導(dǎo)致的。

故障電弧2：根據(jù)測得的電流值為10A 和電壓值為100V，進行了故障距離的估計。根據(jù)模型，估計的故障距離為4.2m。與實際設(shè)置的故障距離4m 進行比較，可以計算出測量誤差為0.2m。這個較小的誤差表明測量結(jié)果與實際故障距離較為接近，說明算法的準確性較高。

故障電弧3：根據(jù)測得的電流值為9A 和電壓值為110V，進行了故障距離的估計。根據(jù)模型，估計的故障距離為5.8m。與實際設(shè)置的故障距離6m 進行比較，可以計算出測量誤差為0.2m。誤差表明測量結(jié)果與實際故障距離較為接近，說明算法的準確性較高[5]。

通過試驗結(jié)果分析，可以驗證故障距離測量算法的精確性和可靠性，并評估算法在不同故障情況下的適用性。盡管在故障電弧1的測量中存在較大的誤差，但在故障電弧2和故障電弧3的測量中，測量結(jié)果與實際設(shè)置的故障距離較為接近，表明算法的準確性較高。

綜上所述，計及故障距離的配電網(wǎng)單相接地有源消弧法在提高故障診斷和消弧控制精度方面具有潛力，為未來的研究和應(yīng)用提供了有益的參考。希望本文的研究能夠為相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)者和工程師提供新的思路和啟示，推動電力系統(tǒng)的安全運行和故障管理。