有源柔性配電網(wǎng)單相接地消弧方法研究

朱明澤，宋 蕾

(1.哈爾濱電氣國際工程有限責(zé)任公司，哈爾濱 150028；2.國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，哈爾濱 150036)

0 引 言

目前，中國配電網(wǎng)大多采用中性點不接地或消弧線圈接地方式，流經(jīng)消弧線圈的電感電流補償單相接地故障產(chǎn)生的電容電流，使殘余電流迅速減小，實現(xiàn)快速滅弧。隨著配電網(wǎng)電纜線路規(guī)模的不斷擴大，傳統(tǒng)的消弧線圈補償方式不能滿足快速滅弧要求，柔性補償消弧方法應(yīng)運而生[1]。文獻[2]提出一種并聯(lián)電阻式的消弧線圈，以開關(guān)投切實現(xiàn)消弧線圈的實時調(diào)整，僅能粗調(diào)。文獻[3]提出一種注入補償電流的消弧方法，計算中性點至故障點壓降，再調(diào)控零序電壓至該壓降，將故障點處電壓抑制為0，從而實現(xiàn)消弧。文獻[4]通過脈寬調(diào)制有源逆變器注入零序電流補償接地故障全電流，實現(xiàn)對零序電壓的控制，使故障點電壓為0，實現(xiàn)瞬時故障100%消弧。但是，向系統(tǒng)注入電流的方式實現(xiàn)消弧的經(jīng)濟性較差。

為了解決配電網(wǎng)單相故障柔性補償中存在的上述問題，該文提出一種主從式消弧線圈柔性補償方法。為解決故障選線問題，提出故障選線新方法，利用單相接地故障后零序電流新息幅值，進行比對選出故障饋線。提出一種主從式消弧線圈結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上設(shè)計了柔性補償控制策略，最后利用 ADPSS搭建配電網(wǎng)模型，對其有效性進行驗證。

1 配電網(wǎng)單相接地故障動態(tài)辨識

系統(tǒng)電氣量當(dāng)前時刻的測量值與根據(jù)上一時刻狀態(tài)估計結(jié)果得到的預(yù)報值之差即為新息。以故障前后的線路電流和各節(jié)點電壓為研究對象，用故障后一時刻電流、電壓測量值減去故障前一時刻電流，計算電流新息，如式1所示。

(1)

由回路電流法和圖論知識，根據(jù)上一時刻系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)，在選取樹支支路和連支支路后，由連支支路新息可以推算出全網(wǎng)支路的新息，即為連支推算新息。在實際計算時，可由回路關(guān)聯(lián)矩陣C和已知的連支新息Ilink程序計算得出，如式(2)所示。

Irec=CIlink

(2)

式中：Irec為支路ij的修正預(yù)估比；Ilink為連支新息向量。

由式(2)推算的各線路電流新息與直接計算的新息相比，可有效避免壞數(shù)據(jù)等不正常事件，提高故障辨識的可靠性。針對多饋線的配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，可增加地節(jié)點，形成環(huán)網(wǎng)計算零序電流新息[5]。

設(shè)配電網(wǎng)存在多條饋線，故障后經(jīng)消弧線圈補償，導(dǎo)致的零序電壓變化為，則故障線路的零序電流為

(3)

式中：Z0為故障線路對地零序阻抗；E為電源相電壓；rd為接地過渡電阻。

補償前后故障線路零序電流新息為

(4)

非故障線路的零序電流新息為

(5)

式中：Z0m為非故障線路對地零序阻抗。

一般情況下，零序阻抗幅值遠大于過渡電阻值，則故障線路的零序電流新息遠大于正常線路零序電流新息，據(jù)此比較各線路零序電流新息，幅值最大者即為故障線路。

2 自適應(yīng)有源消弧方法

2.1 主從式消弧線圈的基本原理

采用主從式可調(diào)節(jié)電抗器，其主要由主消弧線圈、副消弧線圈和雙向晶閘管開關(guān)三部分組成。如圖1所示，L1為主消弧線圈，線路正常運行時L1運行于過補償狀態(tài)，L2為副消弧線圈，是一種晶閘管控制的可實現(xiàn)從零至全電感值連續(xù)調(diào)節(jié)的電子式消弧線圈，可通過控制晶閘管導(dǎo)通角，實現(xiàn)電感值的微調(diào)，從而完成快速消弧。L2容量約為L1容量的10%～20%，其等值電抗較小，引入諧波分量也較小。當(dāng)發(fā)生單相故障時，L1、L2串聯(lián)投入運行，使系統(tǒng)運行于全補償狀態(tài)，補償故障處的電容電流，實現(xiàn)消弧[6]。

圖1 主從式消弧線圈電路結(jié)構(gòu)

圖2 全補償系統(tǒng)相量關(guān)系

圖3 過補償系統(tǒng)相量關(guān)系

2.2 控制策略

基于晶閘管控制的主從式消弧線圈的控制策略是補償系統(tǒng)的關(guān)鍵，晶閘管的觸發(fā)導(dǎo)通角度直接決定了系統(tǒng)的補償效果。將圖1所示的消弧線圈置于配電網(wǎng)接地變的中性點處，系統(tǒng)正常運行時，主消弧線圈L1投入運行，晶閘管VT1和VT2處于全導(dǎo)通狀態(tài)，副消弧線圈短接，系統(tǒng)處于過補償狀態(tài)。當(dāng)單相故障發(fā)生時，調(diào)節(jié)晶閘管的觸發(fā)角，使副消弧線圈投入運行，根據(jù)測得的故障電容電流值，調(diào)節(jié)副消弧線圈迅速達到全補償點處，完成故障消弧。在故障消除后，兩晶閘管繼續(xù)全導(dǎo)通運行，副線圈短接，系統(tǒng)處于過補償狀態(tài)，避免熄弧后系統(tǒng)運行在全補償狀態(tài)產(chǎn)生過電壓。

(6)

式中：Q為消弧線圈的過補償度；L為消弧線圈電感值；C為系統(tǒng)對地電容；ω為工頻角頻率。

綜合上述分析，提出主從式消弧線圈控制策略的步驟，如圖4所示。

圖4 控制策略流程圖

3 仿真分析

利用ADPSS仿真，驗證所提出的有源柔性消弧方法。如圖5所示，仿真模型中共含有4條饋線，具體參數(shù)設(shè)置見表1。為驗證單相接地檢測方法在不同接地方式下的通用性，分別設(shè)置了不接地和過補償15%消弧線圈接地2種接地方式。

圖5 仿真系統(tǒng)拓撲圖

表1 線路參數(shù)

設(shè)置饋線1發(fā)生A相接地故障，為兼顧低阻和高阻等不同類型的接地故障，分別設(shè)置過渡電阻為10 Ω、1 000 Ω。表2給出了單相故障發(fā)生后各饋線的零序電流新息幅值，饋線1的零序電流新息遠大于其他饋線。純電阻接地故障，隨著故障電阻增大，零序電流新息的幅值逐漸減小，利用零序電流新息的幅值特征能可靠檢測單相接地故障。

表2 接地故障時零序電流新息

在接地變壓器中性點加入主從式消弧線圈，發(fā)生接地故障時柔性調(diào)節(jié)副消弧線圈，實現(xiàn)全補償，10 Ω低阻、1 000 Ω高阻仿真結(jié)果分別如圖6、圖7所示。由圖可知，采用主從式消弧線圈，系統(tǒng)故障相零序電流新息幅值小于1 A，接近于0，可實現(xiàn)全補償。

圖6 低阻單相接地故障

圖7 高阻單相接地故障

4 結(jié) 語

1)提出了基于主從式消弧線圈柔性消弧的配電網(wǎng)單相接地故障消弧方法，設(shè)計了消弧線圈柔性補償控制策略，仿真結(jié)果表明，該控制策略能夠精準(zhǔn)快速地補償接地電容電流。

2)提出了基于零序電流新息的故障選線方法，根據(jù)線路拓撲結(jié)構(gòu)推算零序電流新息，可消除壞數(shù)據(jù)等異常事件影響，提高選線準(zhǔn)確性。理論和仿真驗證了該方法的有效性，原理可靠，操作簡單，易于工程實現(xiàn)。