基于混合補(bǔ)償?shù)呐潆娋W(wǎng)單相接地故障消弧方法

榮飛，劉成，劉紅文，柴晨超

(1. 湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，長沙410082；2. 云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，昆明650217；3. 云南兆訊 科技有限責(zé)任公司，昆明650217)

0 引言

配電網(wǎng)是電力網(wǎng)絡(luò)的終端部分，配電網(wǎng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行在很大程度上影響用戶所獲得電能的質(zhì)量。配電網(wǎng)具有電壓等級多、設(shè)備類型多、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點，容易發(fā)生接地故障，其中80%以上的故障為單相接地故障[1 - 3]。我國6～66 kV配電網(wǎng)主要采用中性點非直接接地運(yùn)行方式，能夠在發(fā)生單相接地故障后帶故障運(yùn)行1～2 h。然而，配電網(wǎng)復(fù)雜程度不斷增加以及電力電纜的大量使用，使得故障電流急劇增加[4]。故障電流如果得不到及時抑制，容易引發(fā)山火和人身觸電等事故，甚至發(fā)展成為相間短路。因此對故障電流進(jìn)行及時有效的抑制是十分有必要的[5 - 6]。當(dāng)前主要消弧方法分為無源消弧法和有源消弧法。

無源消弧法中的消弧線圈消弧是利用消弧線圈產(chǎn)生的電流去抵消故障電流，常用消弧線圈有調(diào)匝式消弧線圈、調(diào)容式消弧線圈、偏磁式消弧線圈和氣隙調(diào)感式消弧線圈[7 - 10]，它們需要依靠測量故障電流準(zhǔn)確性，并且僅能抑制故障電流的容性無功電流，對其他分量不起作用。利用消弧柜消弧是在配電線路母線處安裝一個接地裝置，使故障電流都通過消弧柜流經(jīng)大地，鉗位故障點電壓為0，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、無容量限制等優(yōu)勢，但是沒有從根本上抑制故障電流[11]。

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，有源消弧法應(yīng)運(yùn)而生，文獻(xiàn)[12]說明了基于柔性接地技術(shù)的電壓消弧原理。文獻(xiàn)[13]利用有源補(bǔ)償裝置向配電網(wǎng)中性點注入零序電流補(bǔ)償故障電流，但是這種方法需要測量配電網(wǎng)對地參數(shù)，具有一定的局限性，并且裝置容量較大。文獻(xiàn)[14]提出了一種以故障前后電導(dǎo)和電納測量偏差值作為補(bǔ)償電流依據(jù)，能夠降低對參數(shù)測量精度的依賴程度，文獻(xiàn)[15]提出了一種基于二次注入的配電網(wǎng)接地故障有源消弧方法，二次注入法僅需要在故障前向中性點注入兩次工頻電流，即可完成對地電容電流測量，無須測量配電網(wǎng)對地參數(shù)，方法簡單，準(zhǔn)確性較高，但是注入電流會對正常運(yùn)行系統(tǒng)產(chǎn)生影響。文獻(xiàn)[16]采用雙閉環(huán)控制方法向中性點注入電流，無須測量配電網(wǎng)對地參數(shù)，文獻(xiàn)[17]提出一種利用級聯(lián)H橋代替消弧線圈接入中性點進(jìn)行消弧方法，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)對地電流全補(bǔ)償，但是存在裝置容量大，可靠性低的問題。文獻(xiàn)[18]借鑒配電網(wǎng)靜止無功補(bǔ)償器技術(shù)思路，三相級聯(lián)H橋在發(fā)生接地故障時用來消弧，在電網(wǎng)正常運(yùn)行時用來無功補(bǔ)償，但是每一相耐受電壓需要從相電壓升到線電壓，需要增加級聯(lián)H橋子模塊。

綜上所述，無源消弧方法存在不能將殘流抑制為0，有源消弧方法又存在裝置容量大問題，為解決以上問題，本文提出一種配電網(wǎng)單相接地故障混合補(bǔ)償方法，在有效消弧的基礎(chǔ)上，有源補(bǔ)償裝置只需補(bǔ)償線相變換器補(bǔ)償后的殘流，能夠降低有源補(bǔ)償裝置容量。利用線相變換器將故障相相電源電動勢反相180 °接入中性點，由于線相變換器一次側(cè)與二次側(cè)電壓存在相角偏移，不能完全消弧，利用有源補(bǔ)償裝置對其進(jìn)行校正。仿真結(jié)果表明，本方法適用于不同過渡電阻的故障情況，并且能夠大幅度降低有源補(bǔ)償裝置的容量來降低成本。

1 配電網(wǎng)單相接地故障消弧原理

圖1 單相接地故障示意圖Fig.1 Schematic diagram of the single-phase grounding fault

(1)

(2)

此時混合補(bǔ)償裝置需要向中性點注入的補(bǔ)償電流為：

(3)

發(fā)生接地故障后，如果中性點電壓和中性點注入電流分別滿足式(2)—(3)，則能夠?qū)崿F(xiàn)消弧。

2 基于混合補(bǔ)償?shù)膯蜗嘟拥毓收舷≡?/h2>

基于混合補(bǔ)償?shù)男滦徒拥毓收舷∠到y(tǒng)如圖2所示，該系統(tǒng)由線相變換器、選相開關(guān)、有源補(bǔ)償裝置和接地變壓器4部分構(gòu)成，有源補(bǔ)償裝置由三相不控整流器、單相全橋逆變器以及濾波器構(gòu)成，其中濾波器由濾波電感Lf、濾波電容Cf、濾波電阻Rf構(gòu)成。線相變換器采用聯(lián)結(jié)組別為Yyn6方式的三相變壓器，接地變壓器采用Znyn11接法。

圖2 基于混合補(bǔ)償?shù)男滦徒拥毓收舷∠到y(tǒng)Fig.2 New grounding fault arc suppression system based on hybrid compensation

2.1 線相變換器消弧原理

理想線相變換器能夠?qū)⒐收舷嚯娫措妱觿莘聪嘟尤氲街行渣c，即有式(4)：

(4)

2.1.1 線相變換器輸出電壓偏差計算

(5)

(6)

線相變換器二次側(cè)電壓與一次側(cè)電壓的相位偏差α為：

(7)

式中k可由式(7)—(8)計算獲得。由于此時線相變換器一次側(cè)與二次側(cè)電壓幅值相等，根據(jù)余弦定理可得線相變換器二次側(cè)電壓與一次側(cè)總偏差ΔU為：

(8)

考慮實際工作中，三相輸電線路存在電壓偏差，線相變換器不工作在額定狀態(tài)，設(shè)電壓偏差為λ，此時，線相變換器二次側(cè)與一次側(cè)電壓偏差ΔU′為：

(9)

根據(jù)電力系統(tǒng)允許電壓偏差可知，10 kV電網(wǎng)電壓允許偏差為±7%， 所以ΔU′max為：

(10)

如果線路對地電容較小，線相變換器的容量也會較小，此時內(nèi)阻抗所造成的角度偏移會增大，通過公式(10)可以看出由于角度偏移所引起的偏移電壓可能會超過人體安全電壓36 V，因此需要加裝有源補(bǔ)償裝置，來彌補(bǔ)線相變換器的不足。

2.2 有源補(bǔ)償裝置原理

利用有源補(bǔ)償裝置對線相變換器二次側(cè)電壓進(jìn)行補(bǔ)償，則有：

(11)

2.2.1 有源補(bǔ)償裝置控制方法

有源補(bǔ)償裝置采用準(zhǔn)PR控制方法，利用準(zhǔn)PR控制器能夠?qū)涣餍盘栠M(jìn)行無靜差跟蹤的特點，對參考電壓信號進(jìn)行跟蹤，提高了補(bǔ)償精度。準(zhǔn)PR控制器的傳遞函數(shù)為：

(12)

式中：kp為比例系數(shù)；kr為積分系數(shù)；ζ為阻尼系數(shù)；ω0為基波角頻率。為了將故障電壓完全抑制為零，將故障相電源電動勢與線相變換器的二次側(cè)電壓之差作為參考值，有源裝置輸出電壓串入補(bǔ)償線路部分，二者經(jīng)過PR和逆變器的傳遞函數(shù)，電壓閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 電壓閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Block diagram of voltage closed-loop control system

GPR為準(zhǔn)PR控制器傳遞函數(shù)，GPWM為逆變器的傳遞函數(shù)。根據(jù)圖3可以得系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

(13)

由于逆變器可以等效為一個比例控制器，所以有GPWM=kPWM，kPWM為逆變器比例系數(shù)，令總對地電容為cZ=cA+cB+cC，總泄漏電阻為rZ=rA//rB//rC，GO為逆變器輸出電壓與串入補(bǔ)償系統(tǒng)電壓的傳遞函數(shù)，表達(dá)式如式(14)所示。

(14)

其中a、b、c、A、B、C、D、E分別為：

(15)

式中：cZ為總對地電容；rZ為總泄漏電阻；rd為過渡電阻；RT為線相變換器內(nèi)阻；LT為線相變換器漏感；Cf為濾波電容；Lf為濾波電感；kPWM為逆變器比例系數(shù)；kp為比例系數(shù)；kr為積分系數(shù)；ζ為阻尼系數(shù)；ω0為基波角頻率。各個控制系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。

表1 控制系統(tǒng)參數(shù)Tab.1 Control system parameters

繪出控制系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)Bode圖，如4圖所示。通過幅頻特性圖，可以看出，在基波頻率處，傳遞函數(shù)幅值增益為80 dB，所以逆變器串入補(bǔ)償系統(tǒng)的電壓能夠很好地跟蹤電壓參考值，通過相頻特性圖，能夠看出系統(tǒng)相角裕度約為90 °，系統(tǒng)穩(wěn)定性較好。

圖4 控制系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)Bode圖Fig.4 Bode diagram of the open-loop transfer function of control system

通過幅頻特性圖可以看出，在基波頻率處，傳遞函數(shù)幅值增益為80 dB，所以逆變器串入補(bǔ)償系統(tǒng)的電壓能夠很好的跟蹤電壓參考值，通過相頻特性圖，能夠看出系統(tǒng)相角裕度約為90 °，系統(tǒng)穩(wěn)定性較好。

2.2.2 串聯(lián)耦合變壓器變比計算

以南通城區(qū)張芝山變電站母線段為例來計算有源補(bǔ)償裝置中串聯(lián)耦合變壓器的變比。配電網(wǎng)電壓等級為10 kV，每相線路對地電容c0=8.42 μF，據(jù)式(3)計算得到Im=45.83 A, 線相變換器一次側(cè)內(nèi)阻抗ZT1=0.24+j2.4 Ω, 計算得到k=0.970 1，將以上參數(shù)代入到式(12)中，得出ΔU′max≈20 V。

考慮一定裕量，有源補(bǔ)償裝置的逆變器輸出電壓只需30 V即可。而有源補(bǔ)償裝置的不可控整流模塊的輸出直流電壓約為530 V，遠(yuǎn)高于逆變器需要的直流電壓，調(diào)制比會很低。因此，本文將串聯(lián)耦合變壓器的變比設(shè)置為15:1，此時逆變器的調(diào)制比可以大幅度提升，并且可以將逆變器輸出電流降低為1/15，開關(guān)頻率可以得到提升，從而降低諧波畸變率。

3 線相變換器與接地變壓器選型

3.1 線相變換器選型

理論上線相變換器容量S應(yīng)為：

(16)

式中：1.3為裕度系數(shù)；UE為配電網(wǎng)線電壓，其值為10 kV；Im為混合補(bǔ)償裝置補(bǔ)償電流?？紤]到線相變換器的常用容量，選擇額定容量SN時選用比S大1檔的容量。

3.2 接地變壓器選型

由于二次繞組容量等于有源補(bǔ)償裝置容量，因此其容量S2N為：

S2N=1.3UinvIm

(17)

二次繞組額定電流Ij2N為：

Ij2N=1.3UinvIm/Uj2N

(18)

式中Uj2N為二次繞組額定電壓，其值為380 V。

理論上一次繞組容量等于消弧所需容量與二次繞組的容量之和，其容量Sj1為：

(19)

考慮到接地變壓器的常用容量，選擇額定容量Sj1N時選用比Sj1大1檔的容量。則一次繞組額定電流Ij1N為:

Ij1N=Sj1N/Uj1N

(20)

式中Uj1N為一次繞組額定電壓，其值為10 kV。

4 仿真分析

為了驗證本文提出的混合補(bǔ)償方法對配電網(wǎng)單相接地故障消弧效果，在MATLAB/Simulink中搭建仿真模型，其中配電網(wǎng)線電壓、線相變換器容量、接地變壓器容量和過渡電阻參數(shù)見表2，其他仿真參數(shù)如表1所示。

表2 仿真參數(shù)Tab.2 The simulation parameters

4.1 穩(wěn)態(tài)電流抑制效果分析

假設(shè)C相在0.125 s發(fā)生單相接地故障，為了對比單獨投入線相變換器和線相變換器與有源補(bǔ)償裝置同時投入的效果，0.3 s投入線相變換器，0.7 s再投入有源補(bǔ)償裝置。具體算例如下。

4.1.1 算例1：過渡電阻為30 Ω

當(dāng)過渡電阻為30 Ω時，配電網(wǎng)單相接地故障混合全補(bǔ)償仿真結(jié)果如圖5所示。圖5(a)是中性點電壓參考波形與中性點電壓實際波形。從圖中可以看出，發(fā)生單相接地故障后，中性點電壓從0上升到5 616 V；0.3 s后，投入線相變換器，中性點電壓經(jīng)過0.01 s后，上升到5 773 V，但是存在約為0.2 °偏差，如圖5(b)所示；0.7 s再投入有源部分，中性點電壓維持在5 773 V，角度偏差消失。圖5(c)—(d)給出了低阻接地時的故障電流和故障電壓波形，當(dāng)0.125 s發(fā)生單相接地故障后，故障電流達(dá)到44.57 A，故障點電壓達(dá)到1 337 V；0.3 s投入相線變換器后，故障電流降低到0.580 5 A，故障電壓降低到17.41 V，0.7 s投入有源補(bǔ)償裝置后，故障電流能夠降低到0.020 5 A，故障電壓降低到0.615 V。從圖5(e)可以看出，逆變器輸出電流為3.056 A, 經(jīng)過串聯(lián)耦合變壓器后注入到中性點的電流為45.84 A，與前面理論分析一致。

4.1.2 算例2：過渡電阻為100 Ω

當(dāng)過渡電阻為100 Ω時，配電網(wǎng)單相接地故障混合全補(bǔ)償仿真結(jié)果如圖6所示。從圖6(a)—(b)可以看出，0.125 s發(fā)生單相接地故障后，故障電流達(dá)到35.89 A，故障點電壓達(dá)到3 589 V；0.3 s投入相線變換器后，故障電流降低到0.177 A，故障電壓降低到17.7 V，0.7 s投入有源補(bǔ)償裝置后，故障電流能夠降低到0.006 1 A，故障點電壓降低到0.61 V。

圖6 過渡電阻為100 Ω時，混合全補(bǔ)償仿真結(jié)果Fig.6 The simulation results of hybrid full compensation when the transition resistance is 100 Ω

4.1.3 算例3 過渡電阻為800 Ω

當(dāng)過渡電阻為800 Ω時，配電網(wǎng)單相接地故障混合全補(bǔ)償仿真結(jié)果如圖7所示，圖7(a)—(b)給出了高阻接地時的故障電流和故障電壓波形。當(dāng)0.125 s發(fā)生單相接地故障后，故障電流達(dá)到7.13 A，故障點電壓達(dá)到5 703 V；0.3 s投入相線變換器后，故障電流降低到0.022 2 A，故障電壓降低到17.76 V，0.7 s投入有源補(bǔ)償裝置后，故障電流能夠降低到0.000 79 A，故障點電壓降低到0.6 V。

圖7 過渡電阻為800 Ω時，混合全補(bǔ)償仿真結(jié)果Fig.7 The simulation results of hybrid full compensation when the transition resistance is 800 Ω

通過圖5—7可知，不論過渡電阻為多大，線相變換器投入后，均能消除大部分故障電流，當(dāng)混合補(bǔ)償裝置投入后，故障電流與故障電壓均能抑制到幾乎為0，因此該方法適用于不同過渡電阻的故障情況。

4.2 暫態(tài)電流抑制效果分析

由于隨著過渡電阻的增加，暫態(tài)電流衰減速度加快；過渡阻抗較大時故障線路和非故障線路故障零序電流的暫態(tài)過程不明顯，很快過渡到了穩(wěn)態(tài)。因此只展示過渡電阻為30 Ω時補(bǔ)償裝置投入前后的暫態(tài)電流波形圖，假設(shè)0.2 s發(fā)生單相接地故障，由于存在故障檢測時間，0.202 s投入混合補(bǔ)償裝置。由于故障檢測期間無法對暫態(tài)電流進(jìn)行補(bǔ)償，因此圖8中實線與虛線重合。補(bǔ)償裝置投入后，本方案能在一定程度上抑制單相接地故障暫態(tài)電流。

圖8 補(bǔ)償前后暫態(tài)故障電流對比仿真圖Fig.8 Comparison simulation diagram of transient current before and after compensation

5 與現(xiàn)有方法比較

現(xiàn)有的補(bǔ)償方案多為基于消弧線圈的無源補(bǔ)償方案和基于電力電子裝置的有源補(bǔ)償方案?；谙【€圈的無源消弧方案僅能將故障電流降低到10 A以下[19]，而本方法能將故障電流降低到幾乎為0，提高了補(bǔ)償精度?；陔娏﹄娮友b置的有源補(bǔ)償方案主要設(shè)備為大容量電力電子裝置，在相同補(bǔ)償精度下，本混合補(bǔ)償方案中使用線相變換器大幅度減小了對電力電子裝置容量要求，成本更低。以本文算例中需要補(bǔ)償45.83 A故障電流為例，從成本、體積和補(bǔ)償精度3個方面對本文提出的混合補(bǔ)償方案、基于消弧線圈的無源補(bǔ)償方案、基于電力電子裝置的有源補(bǔ)償方案進(jìn)行對比分析，對比結(jié)果如表3所示。

表3 3種補(bǔ)償方案對比Tab.3 Comparison of three compensation schemes

6 結(jié)語

本文提出了一種基于線相變換器和有源補(bǔ)償裝置相串聯(lián)的混合全補(bǔ)償方法，發(fā)生單相接地故障后，線相變換器輸出電壓幅值等于故障相電壓，相位偏差接近180 °，有源補(bǔ)償裝置對相位偏差進(jìn)行補(bǔ)償，從而使中性點電壓完全等于故障相電壓相反數(shù)，實現(xiàn)消弧。試驗結(jié)果表明，該方法在一定程度上抑制了單相接地故障暫態(tài)電流，并且能夠?qū)Ψ€(wěn)態(tài)故障電流有很好的補(bǔ)償能力。相比于傳統(tǒng)的純有源消弧方案，本方法能夠大大降低有源補(bǔ)償裝置的容量，經(jīng)濟(jì)性更高、可靠性更強(qiáng)。