基于新型磁控消弧線圈的電磁混合消弧及配合選線新方法

王 朋 田翠華 陳柏超 沈偉偉 魏亮亮 涂志康

（1.武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院 武漢 430072 2.國網(wǎng)浙江省桐鄉(xiāng)市供電公司 桐鄉(xiāng) 314500）

0 引言

我國6～66kV中壓電網(wǎng)普遍采用中性點(diǎn)不接地、中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地和中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地（又稱諧振接地）。較之前兩者，諧振接地系統(tǒng)的接地電流小，瞬時(shí)單相接地時(shí)，能快速消弧，減少誤跳閘，抑制電弧過電壓，提高了供電可靠性。當(dāng)發(fā)生永久接地故障時(shí)，諧振接地系統(tǒng)要求能夠快速準(zhǔn)確地檢出故障線路，以便采取相應(yīng)的繼電保護(hù)操作和及時(shí)切除。因此，快速有效的故障消弧和及時(shí)準(zhǔn)確的饋線保護(hù)是諧振接地系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的重要保障。

故障選線是根據(jù)故障信號(hào)來區(qū)分健全線路與故障線路，其原理按故障信號(hào)類型可分為：基于穩(wěn)態(tài)信號(hào)分析的5次諧波電流法、有功分量法、負(fù)序電流法、零序電流法和零序?qū)Ъ{法等；基于暫態(tài)信號(hào)分析的首半波法、小波分析法和能量法等[1-4]。上述方法目前已取得了一定的研究成果，但單相接地故障線路的可靠識(shí)別仍沒有得到徹底解決。

消弧線圈可分為預(yù)調(diào)式和隨調(diào)式兩類，前者會(huì)造成故障信號(hào)持續(xù)衰減；后者的故障消弧性能決定了暫態(tài)故障信號(hào)的衰減程度和持續(xù)時(shí)間。因此，通過合理的消弧方式配合適當(dāng)?shù)倪x線方法來提高選線準(zhǔn)確性十分必要。

由于消弧線圈的補(bǔ)償能改變故障線路的零序?qū)Ъ{，文獻(xiàn)[5]提出了零序補(bǔ)償導(dǎo)納的概念，即故障前后零序?qū)Ъ{的變化量。故障消弧后，故障線路的零序補(bǔ)償導(dǎo)納等于消弧線圈的導(dǎo)納，而不是恒為自然導(dǎo)納。但線路零序補(bǔ)償導(dǎo)納會(huì)隨系統(tǒng)運(yùn)行方式和線路結(jié)構(gòu)變化，因此故障前需要實(shí)時(shí)測量各線路的零序?qū)Ъ{。文獻(xiàn)[6,7]提出了基于抖動(dòng)原理的選線方法，即在故障消弧后，微調(diào)消弧線圈的脫諧度，線路的零序電流隨之改變，故障線路的零序電流變化最大。當(dāng)接地過渡電阻較大時(shí)，抖動(dòng)引起中性點(diǎn)位移電壓的變化較大，非故障線路的零序電流變化也較大，甚至與故障線路的變化相當(dāng)，此時(shí)無法保證選線正確。文獻(xiàn)[8]將抖動(dòng)前后線路零序?qū)Ъ{的變化量經(jīng)電壓折算后的值稱為m參數(shù)，其他線路與故障線路的m參數(shù)的比值最小。該方法較之其他方法選線更準(zhǔn)確，但需要對(duì)所有線路的m參數(shù)進(jìn)行集中比較。綜上所述，消弧線圈的配合能有效提高故障線路識(shí)別的準(zhǔn)確性，但上述方法仍存在不足之處。

文獻(xiàn)[9]采用調(diào)匝式消弧線圈與有源逆變器配合，前者補(bǔ)償定量的無功電流，后者補(bǔ)償接地故障電流的有功分量和剩余無功分量。但故障消弧時(shí)調(diào)匝式消弧線圈的電抗不能調(diào)節(jié)，無法配合選線。基于上述組合結(jié)構(gòu)，文獻(xiàn)[10]采用掃頻法測量故障前系統(tǒng)對(duì)地參數(shù)（對(duì)地電容和泄漏電阻），但無法準(zhǔn)確反映故障后系統(tǒng)對(duì)地參數(shù)。

本文提出了一種基于新型磁控消弧線圈的電磁混合消弧及配合選線方法。其中，新型消弧線圈由磁控電抗器[11-14]（Magnetically Controllable Reactor,MCR）和逆變器兩部分構(gòu)成。當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，改變 MCR的直流勵(lì)磁電流，連續(xù)平滑地調(diào)節(jié)電抗，自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償接地故障電流的無功分量。逆變器則注入負(fù)阻性電流補(bǔ)償接地電流的有功分量，其可等效為一個(gè)可調(diào)負(fù)電阻，其工作原理類似于 STATCOM[15]。采用上述無功和有功分量解耦補(bǔ)償?shù)墓收舷》椒?，能同時(shí)實(shí)現(xiàn)故障后系統(tǒng)對(duì)地參數(shù)的精確測量。若判斷為永久接地故障，則保持逆變器的等效負(fù)電阻不變，根據(jù)抖動(dòng)原理調(diào)節(jié)MCR，從而實(shí)現(xiàn)配合選線。

本文詳細(xì)分析了消弧線圈的補(bǔ)償對(duì)線路零序?qū)Ъ{的影響，提出了基于動(dòng)態(tài)零序?qū)Ъ{的配合選線理論。利用逆變器的等效負(fù)阻特性，提高了故障線路動(dòng)態(tài)零序?qū)Ъ{對(duì) MCR調(diào)節(jié)量的靈敏度，還可采用自適應(yīng)的調(diào)節(jié)量提高高阻接地故障的選線準(zhǔn)確性，論述了該方法及相應(yīng)的配合選線控制策略，提出故障線路動(dòng)態(tài)零序?qū)Ъ{的大小應(yīng)等于 MCR電納的變化量為配合選線判據(jù)。該判據(jù)具有確定性和唯一性，無需集中比較所有線路，避免了因其他線路零序參數(shù)測量準(zhǔn)確度不夠影響選線準(zhǔn)確性。

1 電磁混合消弧及系統(tǒng)對(duì)地參數(shù)測量

1.1 概述

圖1 基于新型磁控消弧線圈的配電網(wǎng)Fig.1 The novel magnetic controlled petersen coil based distribution network

接地故障前后系統(tǒng)的零序回路等效電路分別如圖2和圖3所示。其中，C0和R0為系統(tǒng)零序回路的等值電容和電阻（C0=CA+CB+CC，R0=RA||RB||RC），為不對(duì)稱電壓。虛線框內(nèi)為消弧線圈的等效電路。故障前，消弧線圈等效為變頻電流源和固定電抗；故障后，消弧線圈等效為負(fù)電阻和可控電抗。

圖2 故障前系統(tǒng)對(duì)地電容測量的等效電路Fig.2 Equivalent circuit of ground capacitance measurement of the system before the fault

圖3 故障消弧及系統(tǒng)對(duì)地參數(shù)測量的等效電路Fig.3 Equivalent circuit of arc suppression and grounding parameters measurement

1.2 故障前系統(tǒng)對(duì)地電容測量

文獻(xiàn)[16]提出了基于調(diào)匝式消弧線圈和變頻電流源的掃頻法測量對(duì)地電容，本文用 MCR取代調(diào)匝式消弧線圈，其等效電路如圖2所示。其中MCR的鐵心磁路中需加入空氣隙，以保證其空載電感L0在測量時(shí)恒定不變。當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，空載電感L0與系統(tǒng)對(duì)地電容C0構(gòu)成并聯(lián)回路，由逆變器注入恒幅變頻電流If搜索諧振頻率。當(dāng)母線零序電壓U'0的變頻分量Uf達(dá)最大值時(shí)，對(duì)應(yīng)的頻率fr即為諧振頻率。根據(jù)諧振條件，系統(tǒng)對(duì)地電容值為

1.3 故障消弧及系統(tǒng)對(duì)地參數(shù)測量

如圖1所示，基于新型磁控消弧線圈的配電網(wǎng)C相經(jīng)過渡電阻Rd接地。由基爾霍夫定律可知

可知，通過適當(dāng)?shù)慕怦钛a(bǔ)償，MCR和逆變器分別補(bǔ)償接地電流的容性分量和阻性分量，能夠使=?和=0。此時(shí)，MCR的電抗和逆變器的等效負(fù)電阻滿足XLm=XC0和Ri=?R0。

配電網(wǎng)的阻尼率d=XC0R0，MCR的補(bǔ)償合諧度K=XC0XLm，考慮逆變器補(bǔ)償后，阻尼率，令故障接地系數(shù)τ=RdXC0（τ＞0），式（6）可簡化為

其中，A=d'2+(1 ?K)2，B=Aτ+d'。

圖4 和隨K值和d'值的變化曲面Fig.4 Variation curvature of , withK andd'

MCR根據(jù)故障前的對(duì)地電容實(shí)測值快速開環(huán)補(bǔ)償。當(dāng)開環(huán)補(bǔ)償達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，MCR閉環(huán)跟蹤補(bǔ)償接地電流的無功分量，達(dá)到完全補(bǔ)償時(shí)K=1，則式（7）可簡化為

此時(shí)，逆變器閉環(huán)跟蹤補(bǔ)償接地電流的有功分量，達(dá)到完全補(bǔ)償時(shí)d'=0，則系統(tǒng)對(duì)地電容和泄漏電阻分別為

2 基于動(dòng)態(tài)零序?qū)Ъ{的配合選線

2.1 單相故障接地時(shí)的零序網(wǎng)絡(luò)分析

圖1所示配電網(wǎng)中，n回出線中第j回出線的C相經(jīng)電阻Rd接地時(shí)的零序網(wǎng)絡(luò)如圖5所示。圖中，第i回出線的對(duì)地電容電納、泄漏電導(dǎo)和零序電流分別為Bi、Gi和，其對(duì)地自然導(dǎo)納。MCR的電納為BLm，逆變器的等值電導(dǎo)為GiR，則消弧線圈的導(dǎo)納。

圖5 單相接地故障時(shí)諧振接地系統(tǒng)的零序網(wǎng)絡(luò)圖Fig.5 Zero-sequence network diagram of neutral resonant-grounded system when single-phase earths

流經(jīng)健全線路和故障線路的零序電流分別為

由式（10）可知，健全線路和故障線路的零序?qū)Ъ{分別為

2.2 基于動(dòng)態(tài)零序?qū)Ъ{的配合選線理論

經(jīng)故障消弧后，適當(dāng)調(diào)節(jié)消弧線圈的補(bǔ)償導(dǎo)納，定義調(diào)節(jié)前后線路零序?qū)Ъ{的變化量為動(dòng)態(tài)零序?qū)Ъ{。由式（11）可知，健全線路零序?qū)Ъ{恒為自然導(dǎo)納，其動(dòng)態(tài)零序?qū)Ъ{為零，而故障線路動(dòng)態(tài)零序?qū)Ъ{等于消弧線圈導(dǎo)納的變化量。若僅調(diào)節(jié)MCR，則健全線路和故障線路的動(dòng)態(tài)零序?qū)Ъ{分別為

由式（12）可知，若動(dòng)態(tài)零序?qū)Ъ{的虛部與MCR的電納變化量相等，該線路即為故障線路。

由于調(diào)節(jié) MCR會(huì)增大殘流，為避免引起電弧重燃，其調(diào)節(jié)量應(yīng)受限，則線路零序電流的無功分量變化也受限。由于系統(tǒng)泄漏電導(dǎo)引起的零序電流有功分量的存在，降低了線路零序電流變化量隨MCR調(diào)節(jié)的靈敏度，使得零序電流變化會(huì)很小。此時(shí)，電流互感器對(duì)零序電流的相位檢測有誤差，容易造成動(dòng)態(tài)零序?qū)Ъ{虛部檢測不準(zhǔn)確，導(dǎo)致誤選。因此需采取措施提高線路零序電流對(duì) MCR調(diào)節(jié)量的靈敏度，避免小信號(hào)的相位檢測。

若逆變器完全補(bǔ)償接地電流的阻性分量，則其等值電導(dǎo)滿足GiR=?G∑。令故障線路對(duì)地電容與所有線路對(duì)地電容之和的比值為ε，則ε=Bj/B∑。又有Gi=diBi，Bi=KB∑，則式（11）中故障線路零序?qū)Ъ{的表達(dá)式可簡化為

通常，架空線的阻尼率為3%～5%，污染嚴(yán)重并受潮時(shí)可達(dá) 10%[1]；電纜的阻尼率為2%～4%，絕緣老化嚴(yán)重時(shí)可達(dá) 10%[1]，即 0.02＜di＜0.1，則B∑＞10G∑。此外，采用諧振接地方式的配網(wǎng)出線較多，則G∑＞Gj。可認(rèn)為B∑>>Gj，則故障線路零序?qū)Ъ{的模為

定義MCR的補(bǔ)償合諧度K的變化量ΔK為MCR的抖動(dòng)系數(shù)。由式（12）～式（14）可知，健全線路和故障線路動(dòng)態(tài)零序?qū)Ъ{的大小為

由式（15）可知，所述配合選線方法的原理是，在故障消弧后，逆變器保持對(duì)接地電流阻性分量的完全補(bǔ)償，即其等效負(fù)電阻Ri=?R0不變。以一定抖動(dòng)系數(shù)調(diào)節(jié)MCR，測量中性點(diǎn)位移電壓和線路的零序電流并計(jì)算其零序?qū)Ъ{。必定會(huì)有一回出線的動(dòng)態(tài)零序?qū)Ъ{大小等于 MCR電納的變化量，該線路即為故障線路。該方法的優(yōu)勢在于：

（1）通過減小故障線路零序?qū)Ъ{的電導(dǎo)分量，提高了零序?qū)Ъ{隨MCR電納變化的靈敏度，減小了MCR的調(diào)節(jié)量，避免了因殘流增大引起電弧重燃。

（2）只有故障線路的動(dòng)態(tài)零序?qū)Ъ{不為零，且與MCR調(diào)節(jié)量的大小相符。因此，無需集中比較所有線路，減小了健全線路零序電流的檢測誤差對(duì)選線準(zhǔn)確性的影響。只需檢測零序電流和中性點(diǎn)位移電壓的大小，提高了互感器準(zhǔn)確度的冗余性。

（3）可根據(jù)零序電流實(shí)際測量的需要自適應(yīng)地調(diào)整抖動(dòng)系數(shù)。抖動(dòng)系數(shù)越大，動(dòng)態(tài)零序?qū)Ъ{越準(zhǔn)確。因此，在高阻接地的情況下，仍可確保測量準(zhǔn)確度和選線判據(jù)整定值的靈敏度。

（4）理論上，動(dòng)作整定值比其他選線方法更加明確，但由于涉及到零序電流互感器準(zhǔn)確度以及MCR調(diào)節(jié)量，需要分析整個(gè)系統(tǒng)的測量誤差才能明確。

2.3 配合選線的控制策略

本文提出的配合選線控制策略如圖6所示。控制系統(tǒng)主要分為參考信號(hào)檢測、APC控制和 MCR控制三個(gè)部分。設(shè)由式（9）測得的系統(tǒng)對(duì)地電容和泄漏電阻分別為C0和R0，調(diào)節(jié)MCR引起的殘流增量的限值為，則MCR的抖動(dòng)系數(shù)、APC和MCR的參考指令電流有效值分別為

式中，欲使MCR過補(bǔ)償時(shí)取“+”，欠補(bǔ)償時(shí)取“?”；U0rms為中性點(diǎn)位移電壓的有效值；Uph為相電壓。

圖6 配合選線的控制框圖Fig.6 Control block diagram of the feeder selection

APC采用PI控制方式，將APC實(shí)際輸出電流的有效值與指令值作差，偏差信號(hào)經(jīng) PI調(diào)節(jié)后，再乘以?sinωt得到與中性點(diǎn)位移電壓相位相反的正弦調(diào)制波。采用PWM調(diào)制方式，控制APC注入負(fù)阻性電流，保持對(duì)接地電流阻性分量的完全補(bǔ)償。

MCR是通過改變直流勵(lì)磁電流來調(diào)節(jié)其電抗大小，該特性可以用電抗特性函數(shù)XLm=f(Uac,Idc)來表征，反映了一定直流控制電流和端電壓下 MCR的電抗值。MCR采用PI控制方式，將MCR實(shí)際輸出電流的有效值與指令值作差，偏差信號(hào)經(jīng)PI調(diào)節(jié)后得到MCR的電抗參考值，再根據(jù)U0rms和電抗特性函數(shù)得到直流勵(lì)磁電流信號(hào)Idc。通過直流勵(lì)磁電流控制調(diào)節(jié) MCR的補(bǔ)償電抗，使殘流增量達(dá)到參考值。測量調(diào)節(jié)過程中線路的動(dòng)態(tài)零序?qū)Ъ{和MCR的電納變化，根據(jù)是否符合判據(jù)進(jìn)行選線。

上述用于殘流增量控制的抖動(dòng)調(diào)整方法具有自適應(yīng)性，接地電阻越大抖動(dòng)系數(shù)越大，能確保大接地電阻時(shí)的動(dòng)態(tài)導(dǎo)納測量準(zhǔn)確度和選線準(zhǔn)確性。

另外，由式（14）可知，若抖動(dòng)系數(shù)滿足ΔK≈±ε，在抖動(dòng)前后的某個(gè)穩(wěn)態(tài)下，故障線路的零序電流會(huì)很小，容易引起測量誤差。若按合諧度K=1、1+ΔK和1?ΔK三個(gè)穩(wěn)態(tài)（即完全補(bǔ)償、過補(bǔ)償和欠補(bǔ)償）調(diào)節(jié) MCR，可確保在兩個(gè)穩(wěn)態(tài)下對(duì)故障線路零序電流的準(zhǔn)確測量，使得配合故障選線不受暫態(tài)補(bǔ)償誤差和系統(tǒng)對(duì)地參數(shù)測量誤差的影響。

3 電磁混合消弧及配合選線的實(shí)現(xiàn)流程

電磁混合消弧及配合選線的實(shí)現(xiàn)流程如圖7所示。連續(xù)檢測三相電源電壓和中性點(diǎn)位移電壓，實(shí)時(shí)測量對(duì)地電容值并預(yù)設(shè)開環(huán)補(bǔ)償參數(shù)。當(dāng)中性點(diǎn)位移電壓大于15%相電壓時(shí)，MCR立即開環(huán)補(bǔ)償。當(dāng)開環(huán)補(bǔ)償達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)，MCR啟動(dòng)閉環(huán)控制補(bǔ)償容性電流，逆變器注入負(fù)阻性電流閉環(huán)補(bǔ)償阻性電流，達(dá)到對(duì)工頻接地電流的完全補(bǔ)償和系統(tǒng)對(duì)地參數(shù)的測量。若判斷為永久接地故障，則逆變器保持其等效負(fù)電阻等于對(duì)地泄漏電阻不變。調(diào)節(jié)MCR，檢測各線路的零序電流，并計(jì)算線路的動(dòng)態(tài)零序?qū)Ъ{。若某一回出線零序?qū)Ъ{大小的變化量與MCR電納的變化量相等，則該線路即為故障線路。

圖7 電磁混合消弧及配合選線的實(shí)現(xiàn)流程圖Fig.7 Flow chart of electromagnetic hybrid arc suppression and feeder selection

4 仿真分析

為了驗(yàn)證本文提出的基于新型磁控消弧線圈的電磁混合消弧及配合選線理論，以及所述基于動(dòng)態(tài)零序?qū)Ъ{的配合選線控制策略的可行性，本文利用EMTDC/PSCAD進(jìn)行模擬仿真。具體系統(tǒng)參數(shù)配置如下：系統(tǒng)電壓為10.5kV，各出線的單相對(duì)地參數(shù)見表1，6回出線的單相對(duì)地總電容、泄漏電阻和阻尼率分別為26.25μF、1.62kΩ和7.5%。根據(jù)理論計(jì)算，金屬接地且未補(bǔ)償時(shí)，系統(tǒng)接地故障電流的容性和阻性分量分別為150A和11.3A。

表1 仿真模型中各出線的單相對(duì)地參數(shù)Tab.1 Single-phase grounding parameters of each feeder in the simulation model

消弧線圈配置為：MCR額定電壓為6.06kV，額定電流為150A；逆變器的額定電壓為450V，額定電流為200A；升壓變壓器電壓/電流比為6 000∶450。

當(dāng)τ＜6.6時(shí)，U0大于允許值，需要立即進(jìn)行故障消弧。仿真模型中出線6的C相經(jīng)65Ω過渡電阻（τ=1.6）單相接地模擬故障，采用上述解耦補(bǔ)償?shù)拈]環(huán)控制策略，快速故障消弧，測量故障后系統(tǒng)對(duì)地參數(shù)，并以此配合選線，仿真結(jié)果如圖8所示。具體分析過程如下：

（1）t＜t1時(shí)，連續(xù)檢測相關(guān)電壓并測量對(duì)地電容值。

（2）t=t1時(shí)，發(fā)生接地故障，U0上升且大于允許值，根據(jù)故障前的對(duì)地電容測量值，MCR快速地開環(huán)補(bǔ)償。接近穩(wěn)態(tài)后，MCR啟動(dòng)閉環(huán)補(bǔ)償。

（3）t=t2時(shí)，tanθ減小至 0.2時(shí)，逆變器啟動(dòng)閉環(huán)補(bǔ)償。約t=0.2s時(shí)，故障接地電流Ijd＜5A，中性點(diǎn)位移電壓U0=6.05kV，150ms內(nèi)實(shí)現(xiàn)故障消弧。

（4）t=t3時(shí)，MCR的感性電流ILm=150.3A，逆變器的負(fù)阻性電流IiR=11.3A，且Ijd=0.2A，U0=6.06kV，達(dá)到完全補(bǔ)償。由式（10）可得系統(tǒng)零序回路中的對(duì)地電容C0和泄漏電阻分別為78.92μF和536Ω。

圖8 MCR電納BLm與各出線零序?qū)Ъ{Y0i，補(bǔ)償?shù)母行噪娏鱅Lm和負(fù)阻性電流IiR及接地故障電流Ijd，故障相電壓UC和中性點(diǎn)位移電壓U0的變化曲線Fig.8 Variation curves ofBLm,Y0i,ILm,IiR,Ijd,UCandU0

此時(shí)，逆變器保持其等效負(fù)電阻不變，以殘流增量不大于5A為限值，調(diào)節(jié)MCR欠補(bǔ)償，穩(wěn)態(tài)時(shí)ILm=145.8A，Ijd=4.6A，出線6的零序?qū)Ъ{Y06=6.2×10?3S。

（4）t=t4時(shí)，調(diào)節(jié) MCR過補(bǔ)償，穩(wěn)態(tài)時(shí)ILm=155.3A，Ijd=4.9A，Y06=8.3×10?3S。t=t5時(shí)，調(diào)節(jié)MCR維持完全補(bǔ)償?shù)墓收舷顟B(tài)。

由上可知，在欠補(bǔ)償和過補(bǔ)償?shù)膬蓚€(gè)穩(wěn)態(tài)下，MCR的導(dǎo)納變化量BLm=2.4×10?3S，只有出線6的零序?qū)Ъ{改變，且變化量ΔY06=2.1×10?3S，即BLm≈ΔY06，其余出線的零序?qū)Ъ{Y0i(i≠6)恒定不變。

上述仿真結(jié)果表明：

（1）根據(jù)故障前的對(duì)地電容測量值預(yù)設(shè)開環(huán)補(bǔ)償與解耦方法閉環(huán)補(bǔ)償，能實(shí)現(xiàn)故障消弧和系統(tǒng)對(duì)地參數(shù)的準(zhǔn)確測量。

（2）基于動(dòng)態(tài)零序?qū)Ъ{的配合選線理論是正確的，本文所述電磁混合消弧及配合選線的控制策略可行，所采用的選線判據(jù)確定性和唯一性。

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所述的配合選線理論及其控制策略，本文參照?qǐng)D1、圖5搭建了380V實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖9、圖10所示。具體系統(tǒng)參數(shù)配置如下：電源為三相四線制市電 380V，各出線的單相對(duì)地參數(shù)見表 2，6回出線的單相對(duì)地總電容、泄漏電阻和阻尼率分別為210μF、190.9Ω和8.0%。根據(jù)理論計(jì)算，金屬接地且未補(bǔ)償時(shí)，系統(tǒng)接地故障電流的容性和阻性分量分別為43.5A和3.5A。消弧線圈及其控制器配置為：MCR額定電壓為380V，額定電流為50A；逆變器的額定電壓為400V，額定電流為20A。

圖9 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的電阻和電容器組Fig.9 Resistors and capacitors of the experiment platform

圖10 新型磁控消弧線圈及其控制器Fig.10 The novel magnetic controlled petersen coil and its controller

表2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中各出線的單相對(duì)地參數(shù)Tab.2 Single-phase grounding parameters of each feeder in the experiment platform

基于LabVIEW的選線系統(tǒng)采用臺(tái)灣研華ARK系列工控機(jī)和PCI-1742U多功能卡為硬件平臺(tái)，對(duì)相關(guān)的電壓和電流量進(jìn)行采集和處理，與消弧線圈通信并配合選線。

5.1 故障消弧及選線保護(hù)實(shí)驗(yàn)

出線3經(jīng)5Ω過渡電阻單相接地模擬故障。在故障錄波模式下，MCR的電納和各出線零序?qū)Ъ{的變化曲線如圖11所示。

圖11 MCR電納BLm和出線零序?qū)Ъ{Y0i的變化曲線Fig.11 Variation curves ofBLmandY0i

（1）t=t1時(shí)，發(fā)生單相接地故障，約0.5s后消弧線圈的故障消弧接近穩(wěn)態(tài)，MCR的電納和各出線零序?qū)Ъ{漸趨恒定不變。

（2）t=t2和t=t3時(shí)，依次按補(bǔ)償合諧度K=1.05和K=0.95調(diào)節(jié) MCR。期間，出線 3的零序?qū)Ъ{隨MCR電納的變化一致，且變化量基本相等；其余線路零序?qū)Ъ{的暫態(tài)值有稍微抖動(dòng)，但穩(wěn)態(tài)值沒有變化。

（3）t=t4時(shí)，選線系統(tǒng)判定出線3為故障線路后，立即切除故障線路并退出消弧線圈。

在上述實(shí)驗(yàn)條件下，依次對(duì)6回出線進(jìn)行單相接地模擬故障，并配合選線。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法對(duì)所有6回出線的模擬接地故障都能正確選線。

5.2 動(dòng)態(tài)零序?qū)Ъ{測量實(shí)驗(yàn)

在進(jìn)行上述配合選線實(shí)驗(yàn)過程中，各出線零序電流和零序?qū)Ъ{的測量結(jié)果見表 3，誤差分析結(jié)果見表 4。其中，ΔY0j-32為過補(bǔ)償（K3=1.05）和欠補(bǔ)償（K2=0.95）穩(wěn)態(tài)下故障線路零序?qū)Ъ{大小的差值，MCR電納的變化量為19.79×10?3S。

表3 各出線零序電流和零序?qū)Ъ{的測量結(jié)果Tab.3 Measuring results of zero-sequence current and zero-sequence admittance measurements of each feeder

表4 測量結(jié)果分析Tab.4 Analysis of measuring results

動(dòng)態(tài)零序?qū)Ъ{計(jì)算準(zhǔn)確度取決于線路零序電流的測量準(zhǔn)確度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明不同參數(shù)的線路發(fā)生接地故障時(shí)，其動(dòng)態(tài)零序?qū)Ъ{ΔY0j-32與MCR電納的變化量的誤差（差值百分比）僅約10%，滿足選線判據(jù)。結(jié)論表明當(dāng)抖動(dòng)系數(shù)ΔK=0.05時(shí)，仍能根據(jù)判據(jù)準(zhǔn)確選線。

由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：

（1）只有故障線路的零序?qū)Ъ{隨 MCR電納的變化一致，且其變化量滿足與MCR調(diào)節(jié)量大小相符的選線判據(jù)，健全線路的檢測誤差不會(huì)影響選線的準(zhǔn)確性。

（2）利用逆變器保持對(duì)接地故障電流分量的完全補(bǔ)償，提高了零序?qū)Ъ{隨 MCR電納變化的靈敏度。不同參數(shù)的線路發(fā)生接地故障時(shí)，采用較小的MCR調(diào)節(jié)量（抖動(dòng)系數(shù)），仍能準(zhǔn)確選線，所用的選線判據(jù)準(zhǔn)確可行。

6 結(jié)論

（1）本文提出的新型磁控消弧線圈采用上述解耦補(bǔ)償?shù)碾姶呕旌舷〖跋到y(tǒng)對(duì)地參數(shù)測量方法，能同時(shí)實(shí)現(xiàn)接地故障電流工頻分量的完全補(bǔ)償和系統(tǒng)對(duì)地電容和泄漏電阻的準(zhǔn)確測量。

（2）利用逆變器的等效負(fù)電阻特性，能有效提高故障線路動(dòng)態(tài)零序?qū)Ъ{對(duì)MCR調(diào)節(jié)量的靈敏度，減小所需抖動(dòng)系數(shù)和殘流增量。

（3）用于殘流增量控制的MCR自適應(yīng)調(diào)節(jié)方式能夠提高高阻接地的零序?qū)Ъ{測量準(zhǔn)確度，確保選線準(zhǔn)確。

（4）采用本文所述的控制策略，使得選線新判據(jù)具有確定性和唯一性，無需對(duì)健全線路的零序參數(shù)進(jìn)行精確測量和集中交叉比較。

（5）仿真和實(shí)驗(yàn)表明本文提出的基于動(dòng)態(tài)零序?qū)Ъ{的配合選線理論是正確的；基于新型磁控消弧線圈的電磁混合消弧及配合選線方法是可行的。

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