諧振接地系統(tǒng)對(duì)弧光接地過(guò)電壓的抑制建模及仿真分析

王瑋

摘要：從理論層面研究了諧振接地類型的單相接地故障，同時(shí)采用RTDS建立中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的供電系統(tǒng)模型，分析了消弧線圈響應(yīng)時(shí)間所起到的接地電弧抑制作用。仿真結(jié)果表明：接地電弧都沒(méi)有發(fā)生重燃的現(xiàn)象，當(dāng)接地電流變小后可以使電弧更容易熄滅，而消弧線圈能夠抑制高幅值過(guò)電壓，使弧隙恢復(fù)電壓需更長(zhǎng)時(shí)間恢復(fù)，從而減小了電弧重燃概率，由此實(shí)現(xiàn)熄滅電弧的效果。諧振接地系統(tǒng)發(fā)生接地電弧首次燃燒過(guò)程中形成的暫態(tài)電壓與電流跟中性點(diǎn)未接地系統(tǒng)一致，都表現(xiàn)為消弧線圈沒(méi)有對(duì)首次燃弧的瞬間實(shí)施補(bǔ)償。

關(guān)鍵詞：接地系統(tǒng);電壓抑制;建模;仿真分析

中圖分類號(hào)：TP391

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

ModelingandSimulationofArcGroundingOvervoltageSuppressionbyResonantGroundingSystem

WANGWei

（ResearchInstitute，StateGridJiangsuElectricPowerCo.Ltd.，Yinchuan750000，China）

Abstract：Thesinglephasegroundingfaultofresonantgroundingwasstudiedtheoretically.Atthesametime，RTDSwasusedtoestablishthepowersupplysystemmodelofneutralpointgroundedbyarcsuppressioncoil，andthesuppressioneffectofarcsuppressioncoilresponsetimewasanalyzed.Thesimulationresultsshowthatthegroundarcdoesnotreignite，andwhenthegroundingcurrentdecreases，thearccanbemoreeasilyextinguished，andthearcsuppressioncoilcansuppressthehighamplitudeovervoltage，sothattherecoveryvoltageofthearcgaptakeslongertorecover.Thus，reducingtheprobabilityofarcreignitioncanrealizetheeffectofarcextinction.Thetransientvoltageandcurrentformedduringthefirstgroundingarccombustioninresonantgroundingsystemareconsistentwiththeungroundedneutralsystem，whichshowsthatthearcsuppressioncoildoesnotcompensatethemomentofthefirstarccombustion.

Keywords：groundingsystem;voltagesuppression;modeling;simulationanalysis

0引言

弧光接地過(guò)電壓具有極大的危害性，會(huì)引起設(shè)備絕緣結(jié)構(gòu)的破壞，導(dǎo)致相間短路的問(wèn)題[14]。從總體上分析，因?yàn)殡娀【哂袕?fù)雜的物理特性，并且受到多種干擾因素的共同影響，到目前為止大部分電弧模型都存在一定的不足之處[57]。為了構(gòu)建一個(gè)可以精確反映實(shí)際電弧變化特征且具備良好通用性的數(shù)學(xué)模型，還需對(duì)這方面繼續(xù)開展深入研究。例如，文獻(xiàn)[8]以ATPEMTP建立了Schwarz和“控制論”模型，之后根據(jù)電弧特性測(cè)試電路對(duì)上述模型進(jìn)行仿真測(cè)試，對(duì)比了不同弧長(zhǎng)下的電弧穩(wěn)定性及其暫態(tài)變化過(guò)程。文獻(xiàn)[9]采用數(shù)值逼近方法處理Cassie電弧模型，之后將其轉(zhuǎn)換為離散數(shù)值遞推模型，同時(shí)以RTDS的CBuilder功能構(gòu)建得到可控電弧模型，之后和MATLAB中的電路相比表明此模型符合實(shí)際運(yùn)行情況。文獻(xiàn)[10]利用弧隙能量平衡理論，同時(shí)認(rèn)為電弧溫度和電流之間存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，由此構(gòu)建得到動(dòng)態(tài)電弧的分析模型，同時(shí)利用PSCAD建立10kV電網(wǎng)再對(duì)電弧模型有效性進(jìn)行了測(cè)試。文獻(xiàn)[11]構(gòu)建了一種通過(guò)小波變換方法實(shí)現(xiàn)的接地電弧建模方法，同時(shí)以PSCAD/EMTDC的各控制模塊，實(shí)現(xiàn)了對(duì)接地電弧動(dòng)態(tài)特征的準(zhǔn)確表達(dá)，同時(shí)完成了電弧模型的實(shí)時(shí)控制目標(biāo)。

本文從理論層面研究了諧振接地類型的單相接地故障，同時(shí)采用RTDS建立中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的供電系統(tǒng)模型，分析了消弧線圈響應(yīng)時(shí)間所起到的接地電弧抑制作用，可以將本文研究結(jié)果作為消弧線圈型號(hào)和保護(hù)配置選擇的參考依據(jù)。

1接地故障分析

出現(xiàn)單相接地故障時(shí)，故障相電壓將減小到零，系統(tǒng)各相電壓恢復(fù)情況受到零序回路儲(chǔ)能的顯著影響[1213]。當(dāng)故障點(diǎn)發(fā)生熄弧時(shí)，諧振接地系統(tǒng)將會(huì)恢復(fù)為正常電壓向量如圖1所示。

這時(shí)將在零序回路內(nèi)形成如下的儲(chǔ)存總能：

W=12Csin2ωt+cos2ωt1ω2LCU20=

12 C（1-υcos2ωt）U20

ω0=1LC=ωK=ω1-υ≈ω1-υ2

可以將阻尼系數(shù)表示為

δ=12ωd

對(duì)上式進(jìn)行分析可知，阻尼系數(shù)和系統(tǒng)阻尼率之間表現(xiàn)為正相關(guān)的變化趨勢(shì)。出現(xiàn)故障的情況下，單相接地零序等值回路的開關(guān)K保持閉合，這時(shí)開關(guān)兩端的電壓等于零，如圖2所示。

弧隙恢復(fù)電壓為：

ur=uA-u0=

UΦmej（ωt+φ）[1-e-δtej（ω0-ω）]=

UΦmej（ωt+φ）[1-e-（d+jυ）2ωt]

式中UΦm表示相電壓的變化幅度，φ是在熄弧過(guò)程中電流和電壓的初始相角。

因?yàn)殡娀≈厝际艿交∠痘謴?fù)電壓初速度的明顯影響，該初速度可以通過(guò)對(duì)弧隙恢復(fù)電壓包絡(luò)線的起點(diǎn)進(jìn)行切線計(jì)算得到[1417]。各個(gè)υ/d值情況下的包絡(luò)線，如圖3所示。

結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)υ/d不斷增大后，在原點(diǎn)切線處的斜率對(duì)應(yīng)的就是弧隙恢復(fù)電壓初速度，該值表現(xiàn)為不斷上升的變化趨勢(shì)。

根據(jù)以上分析可以發(fā)現(xiàn)，因?yàn)槭艿较【€圈的影響，弧隙恢復(fù)電壓發(fā)生了恢復(fù)初速度顯著減小的現(xiàn)象，導(dǎo)致弧隙電壓需要更長(zhǎng)的恢復(fù)時(shí)間，顯著減小了接地電弧的重燃概率，最終引起過(guò)電壓值減小，這是引起消弧線圈發(fā)生熄弧的一個(gè)重要因素。

2模型建立

本文選擇國(guó)網(wǎng)溫州供電公司作為研究對(duì)象并構(gòu)建了相應(yīng)的分析模型，根據(jù)之前的設(shè)置要求，中性點(diǎn)不與接地供電系統(tǒng)模型的變壓器、電源、電纜相連，之后構(gòu)建得到接地變壓器和消弧線圈的仿真模型，該模型的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)如圖4所示。

通常情況下，將諧振接地系統(tǒng)的主變壓器設(shè)置為Y/△的連接方式，考慮到二次側(cè)不存在中性點(diǎn)。為主繞組設(shè)置曲折連接方式，屬于一種Zn連接形式，將各相繞組的一側(cè)連接后得到公共點(diǎn)，將此公共端作為中性點(diǎn)。把各相繞組分成二個(gè)部分，并將其套在對(duì)應(yīng)的鐵心上，雖然鐵心繞組各部分存在不同的感應(yīng)電壓相位，考慮到所有繞組形成的零序電流具有一致的相位與大小，由此形成的磁動(dòng)勢(shì)將被抵消。RSCAD內(nèi)不包含接地變壓器模塊，本實(shí)驗(yàn)通過(guò)三個(gè)單相雙繞組變壓器進(jìn)行構(gòu)建得到結(jié)果，如圖5所示。

串聯(lián)電阻是由消弧線圈產(chǎn)生的損耗電阻引起。先計(jì)算系統(tǒng)對(duì)地總電容再計(jì)算得到故障點(diǎn)的接地電流，當(dāng)系統(tǒng)選擇x%過(guò)補(bǔ)償方式時(shí)，可以利用以下式子計(jì)算出消弧線圈的電感值：

L=UN（1+0.01×x）ωIC

式中的UN表示相電壓的有效值;IC表示接地電容電流。

設(shè)定6kV電纜線路發(fā)生電弧接地故障，并在C相電壓增大到幅值的情況下出現(xiàn)故障，當(dāng)電弧接地時(shí)迅速利用消弧線圈實(shí)施補(bǔ)償，不考慮電網(wǎng)不對(duì)稱度產(chǎn)生的影響，相間電容都等于10μF，其它各參數(shù)和中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)相同。

3結(jié)果分析

為了分析消弧線圈在抑制間歇性弧光接地過(guò)電壓方面的作用，如圖6、圖7所示。

分別顯示了上述兩種條件三相電壓和故障點(diǎn)的接地電流。每種熄弧狀態(tài)下都出現(xiàn)了4次燃弧熄弧過(guò)程，其中電弧初次燃燒產(chǎn)生的最大三相暫態(tài)電壓都是10.972kV，對(duì)應(yīng)的暫態(tài)電流都等于327.533A，接著各自進(jìn)入了不同的變化階段。

將中性點(diǎn)與消弧線圈連接后，設(shè)定補(bǔ)償度等于105%，同時(shí)將消弧線圈的等值電阻設(shè)定在3Ω，在電弧接地的時(shí)候立刻利用消弧線圈實(shí)施補(bǔ)償，由此得到圖6與圖7所示的故障點(diǎn)接地情況下的電流模擬結(jié)果。從圖6（a）與圖6（b）中可以發(fā)現(xiàn)，處于工頻熄弧的狀態(tài)下，當(dāng)消弧線圈被接通后，故障期間第一次發(fā)生燃燒時(shí)形成最大過(guò)電壓，等于10.87kV，同時(shí)最大暫態(tài)電流也在電弧初次燃燒過(guò)程出現(xiàn)，等于327.53A，后續(xù)三相電壓重新恢復(fù)到正常狀態(tài)，接地電流減小到零;根據(jù)圖7（a）與圖7（b）可以發(fā)現(xiàn)，在高頻熄弧情況下將消弧線圈接入后，暫態(tài)電壓和電流的最大值也發(fā)生于首次燃弧的過(guò)程中，之后再?gòu)?fù)到正常狀態(tài)，同時(shí)接地電流不斷減小到0。同時(shí)還可發(fā)現(xiàn)，接地電弧在上述二種熄弧情況下，都沒(méi)有發(fā)生重燃的現(xiàn)象。通過(guò)仿真測(cè)試可知，當(dāng)接地電流變小后可以使電弧更容易熄滅，而消弧線圈能夠抑制高幅值過(guò)電壓，使弧隙恢復(fù)電壓需更長(zhǎng)時(shí)間恢復(fù)，從而減小了電弧重燃概率，由此實(shí)現(xiàn)熄滅電弧的效果。

根據(jù)以上分析可知，諧振接地系統(tǒng)發(fā)生接地電弧首次燃燒過(guò)程中形成的暫態(tài)電壓與電流跟中性點(diǎn)未接地系統(tǒng)一致，都表現(xiàn)為消弧線圈沒(méi)有對(duì)首次燃弧的瞬間實(shí)施補(bǔ)償。由于當(dāng)前消弧線圈跟蹤設(shè)備都工作在小于50Hz的條件下，由消弧線圈形成的感性電流只可以對(duì)接地電容電流分量進(jìn)行補(bǔ)償，并且在初始故障階段，并不能使消弧線圈電感電流和接地電容電流之間形成相互補(bǔ)償。

4總結(jié)

1）接地電弧都沒(méi)有發(fā)生重燃的現(xiàn)象，當(dāng)接地電流變小后可以使電弧更容易熄滅，而消弧線圈能夠抑制高幅值過(guò)電壓，使弧隙恢復(fù)電壓需更長(zhǎng)時(shí)間恢復(fù)，從而減小了電弧重燃概率，由此實(shí)現(xiàn)熄滅電弧的效果。

2）諧振接地系統(tǒng)發(fā)生接地電弧首次燃燒過(guò)程中形成的暫態(tài)電壓與電流跟中性點(diǎn)未接地系統(tǒng)一致，都表現(xiàn)為消弧線圈沒(méi)有對(duì)首次燃弧的瞬間實(shí)施補(bǔ)償。

參考文獻(xiàn)

[1]BrennaM，BerardinisED，CarpiniLD，etal.PetersenCoilRegulatorsAnalysisUsingaRealTimeDigitalSimulator[J].IEEETransactionsonPowerDelivery，2011，26（3）：14791488.

[2]WangW，YanL，ZengX，etal.PrincipleandDesignofaSinglePhaseInverterBasedGroundingSystemforNeutraltoGroundVoltageCompensationinDistributionNetworks[J].IEEETransactionsonIndustrialElectronics，2017，64（2）：12041213.

[3]胡平，謝桂林.礦井電網(wǎng)參數(shù)與弧光接地過(guò)電壓的關(guān)系[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，1990（1）：3336.

[4]KalyuzhnyA.AnalysisofTemporaryOvervoltagesDuringOpenPhaseFaultsinDistributionNetworkswithResonantGrounding[J].IEEETransactionsonPowerDelivery，2015，30（1）：420427.

[5]夏小飛，許飛.10kV系統(tǒng)單相接地過(guò)電壓的仿真計(jì)算[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2010，30（9）：7576.

[6]高亞棟，杜斌，趙峰，等.中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地配電網(wǎng)中弧光接地過(guò)電壓的研究[J].高壓電器，2004，40（5）：345348.

[7]WangW，ZengX，YanL，etal.PrincipleandControlDesignofActiveGroundFaultArcSuppressionDeviceforFullCompensationofGroundCurrent[J].IEEETransactionsonIndustrialElectronics，2017，64（2）：12041213.

[8]劉健，張小慶，李品德，等.基于熄弧倍增原理的配電網(wǎng)單相接地故障處理[J].電網(wǎng)技術(shù)，2016，40（11）：35863590.

[9]BrennaM，BerardinisED，CarpiniLD，etal.PetersenCoilRegulatorsAnalysisUsingaRealTimeDigitalSimulator[J].IEEETransactionsonPowerDelivery，2011，26（3）：14791488.

[10]金恩淑，楊明芳，李衛(wèi)剛，等.基于MODELS的工頻弧光接地過(guò)電壓的仿真[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2009，37（13）：2428.

[11]賀棟棟，張桂懷，楊潤(rùn)田，等.中壓電網(wǎng)中性點(diǎn)不同接地方式的弧光過(guò)電壓仿真研究[J].內(nèi)蒙古電力技術(shù)，2011，29（4）：1014.

[12]許曄，郭謀發(fā)，陳彬，等.配電網(wǎng)單相接地電弧建模及仿真分析研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2015（7）：5764.

[13]楊柳林，李德奎，陳延明，等.基于RTDS的電弧接地故障自定義建模及仿真分析[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2016，44（16）：137142.

[14]顧榮斌，蔡旭，陳海昆，等.非有效接地電網(wǎng)單相電弧接地故障的建模及仿真[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2009，33（13）：6367.

[15]范李平，袁兆強(qiáng)，張凱.基于小波變換的單相接地故障電弧模型及其PSCAD/EMTDC仿真研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2011，39（5）：5156.

[16]王蕾，陳樂(lè)生.開關(guān)電弧仿真數(shù)學(xué)模型研究進(jìn)展[J].電工材料，2013（3）：3240.

[17]ZengX，XiaY，MaH，etal.GroundingFaultedFeederDetectionMethodsAppliedinChineseIneffectivelyEarthedDistributionSystems[C]//IndustryApplicationsConference，2007.ConferenceRecordofthe.IEEE，2007：13481352.

（收稿日期：2019.11.20）