新型接地故障基波電流全補(bǔ)償柔性控制系統(tǒng)

李國航

（云南拓洲科技有限公司，云南 昆明 650213）

0 引 言

在供電系統(tǒng)運(yùn)行的過程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)單相接地故障電流和弧光過電壓情況。近年來，隨著城鎮(zhèn)建設(shè)的不斷加強(qiáng)，供電系統(tǒng)持續(xù)擴(kuò)大，電纜數(shù)量不斷增多，導(dǎo)致單相接地故障電流急劇增加，故障點(diǎn)接地電弧不可自然熄滅，在間歇性弧光過電壓的作用下，事故危害、影響不斷擴(kuò)大，對(duì)于供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性產(chǎn)生了極大威脅。一直以來，學(xué)界對(duì)于接地故障消弧和減小接地電流方面的研究從未停止，接地電流全補(bǔ)償概念應(yīng)運(yùn)而生。在此基礎(chǔ)上，本文針對(duì)新型接地故障基波電流全補(bǔ)償柔性控制系統(tǒng)展開研究和探討，對(duì)電網(wǎng)接地故障消弧研究有著積極意義。

1 接地故障基波電流全補(bǔ)償柔性控制原理

接地電流全補(bǔ)償措施是針對(duì)配電網(wǎng)接地故障消弧和減小接地電流而提出的，主要補(bǔ)償方式包括以下2種類型。一是有源全電流補(bǔ)償，主要借助有源逆變器實(shí)現(xiàn)在中性點(diǎn)注入電流，達(dá)到補(bǔ)償效果；二是無源基波電流全補(bǔ)償，主要通過在電網(wǎng)接入偏置元件，以達(dá)到補(bǔ)償目的[1]。柔性控制系統(tǒng)是基于第2種方式提出的，在電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行過程中，相較于諧振接地系統(tǒng)，中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)在正常運(yùn)行過程中的零序電壓較低，因此電網(wǎng)穩(wěn)定性較高，適合接入偏置元件，以此構(gòu)建柔性控制系統(tǒng)。在實(shí)際運(yùn)用柔性控制系統(tǒng)的過程中，一旦發(fā)生單相接地故障，根據(jù)零序電壓能夠有效實(shí)現(xiàn)對(duì)于電容分布情況和絕緣電阻的測(cè)量，進(jìn)一步計(jì)算電網(wǎng)絕緣參數(shù)，并以此明確基波電流全補(bǔ)償偏置元件要求。在出現(xiàn)單相接地故障時(shí)，柔性系統(tǒng)可以對(duì)故障電流和絕緣電阻進(jìn)行計(jì)算，并以此控制補(bǔ)償元件進(jìn)行投切。當(dāng)接地故障電阻較高時(shí)，電流相對(duì)較小，此時(shí)不會(huì)出現(xiàn)電弧自燃情況，因此無須接入補(bǔ)償元件；當(dāng)接地電流較高時(shí)，需要以此分析故障相，并通過柔性控制將預(yù)調(diào)好的補(bǔ)償元件接入線路中，完成基波電流的補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)對(duì)于故障相電壓的控制，避免出現(xiàn)電弧自燃事故。

2 柔性控制系統(tǒng)運(yùn)行要點(diǎn)

2.1 測(cè)量電網(wǎng)絕緣參數(shù)

柔性控制系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行的過程中需要對(duì)電網(wǎng)絕緣參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，以此配置相應(yīng)補(bǔ)償元件。當(dāng)前測(cè)量中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)的電網(wǎng)絕緣參數(shù)方法相對(duì)較多，其中以偏置電容法為主，但在實(shí)際應(yīng)用的過程中應(yīng)注意以下2點(diǎn)。其一，僅針對(duì)電網(wǎng)電容電流無法測(cè)量絕緣電阻的情況；其二，系統(tǒng)不平衡度的增加，會(huì)導(dǎo)致該方法測(cè)量結(jié)果的誤差有所增加[2]。偏置電容法的測(cè)量是在線路參數(shù)嚴(yán)格并忽視絕緣電阻基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，Cad為偏置電容，當(dāng)將其接入A相時(shí)，可計(jì)算得到中性點(diǎn)的電壓為

式中：U0表示中性點(diǎn)電壓；EA表示三相電源中電源A的電壓；Cad表示偏置電容；CΣ表示電網(wǎng)總分布電容。

電網(wǎng)總分布電容的計(jì)算公式為

電容電流的計(jì)算公式為

式中：UA表示接入小電容Cad后A相的電壓；EA=U1^；U1^表示電源相電壓；Ic'表示流經(jīng)Cad的電流。

值得注意的是，實(shí)際電網(wǎng)運(yùn)行過程中，其不對(duì)稱度通常為0.5%～1.5%，嚴(yán)重情況下可能會(huì)達(dá)到3.5%，而且相比架空線，電纜線不對(duì)稱性偏小。電網(wǎng)阻尼率通常為1.5%～4%，絕緣老化或者存在嚴(yán)重污穢時(shí)可升至10%左右[3]。在實(shí)際進(jìn)行絕緣參數(shù)計(jì)算的過程中，還需要考慮電網(wǎng)線路參數(shù)不對(duì)稱以及絕緣線路情況，并進(jìn)一步明確偏置電容法的誤差因子。

基于此，在加入偏置補(bǔ)償元件和考慮電網(wǎng)參數(shù)不對(duì)稱的情況下，依次對(duì)系統(tǒng)不平衡電壓、電網(wǎng)零序電壓、流經(jīng)偏置元件電流、電網(wǎng)對(duì)地分布總電容以及線路絕緣電導(dǎo)依次進(jìn)行計(jì)算，并將參數(shù)不對(duì)稱矢量和代入到電網(wǎng)零序電壓計(jì)算公式中，能夠有效解決電網(wǎng)不對(duì)稱問題。對(duì)此，在實(shí)際應(yīng)用柔性控制系統(tǒng)的過程中，僅需對(duì)偏置補(bǔ)償元件投入前后的電壓和電流進(jìn)行測(cè)量，就能夠通過計(jì)算得到精準(zhǔn)的絕緣參數(shù)。為了保障電網(wǎng)運(yùn)行安全，選擇電阻作為偏置元件，同時(shí)要求其在保障偏置元件接入電網(wǎng)后，零序電壓位移能夠達(dá)到15%左右，既不會(huì)影響電網(wǎng)的正常運(yùn)行，還能夠確保電壓位移滿足柔性控制需求[4]。

2.2 故障電流電阻分析

與普通金屬性接地故障不同，單相接地故障發(fā)生時(shí)，傳統(tǒng)選相判據(jù)并不具備可靠性，甚至是失效的，應(yīng)根據(jù)電壓變化情況進(jìn)行選相判斷。對(duì)此，當(dāng)系統(tǒng)A相發(fā)生單相接地故障時(shí)，應(yīng)對(duì)電網(wǎng)零序電壓進(jìn)行計(jì)算，并明確故障電流與電網(wǎng)絕緣參數(shù)、故障前后零序電壓之間的關(guān)系，以此判斷故障電流與電壓處于相同相位，并根據(jù)電流相位判斷故障相。此外，在電網(wǎng)參數(shù)對(duì)稱的情況下，故障電流和故障相不會(huì)受到電網(wǎng)不對(duì)稱影響。在此基礎(chǔ)上，用故障電壓除以故障電流即可計(jì)算得到過渡電阻[5]。

2.3 基波電流補(bǔ)償方法

常用的單相接地故障消弧方法主要包括電流和電壓2種，但由于借助有源逆變器向電網(wǎng)注入電流以控制零序電壓的方式所需要使用的設(shè)備相對(duì)復(fù)雜，而且并未充分考量電網(wǎng)不對(duì)稱度的問題，因此實(shí)用性有待商榷[6]。為了解決這一問題，可通過在故障相超前相對(duì)地接入組感性偏置補(bǔ)償元件的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)于零序電壓的有效控制，以此達(dá)到電壓消弧效果。對(duì)此，需要先明確電網(wǎng)參數(shù)不對(duì)稱矢量和，并在此基礎(chǔ)上計(jì)算零序電壓，然后假設(shè)零序電壓與故障相電源電勢(shì)相反，以此使得故障相電壓為零，同時(shí)探討消除間歇性電弧自燃的條件，明確偏置補(bǔ)償元件等效并聯(lián)電感和電導(dǎo)需要滿足的情況。在此基礎(chǔ)上，明確電網(wǎng)C相電壓，分別探討電網(wǎng)線路參數(shù)嚴(yán)格對(duì)稱與不對(duì)稱等情況，然后計(jì)算偏置補(bǔ)償元件等效并聯(lián)電感和電導(dǎo)的矢量和。

在電網(wǎng)線路參數(shù)嚴(yán)格對(duì)稱時(shí)，單相接地故障有功和無功電流偏置補(bǔ)償原理如圖1所示，其中I表示相電壓UC在偏置補(bǔ)償元件上產(chǎn)生的電流，ILM表示電感電流，IGM表示電導(dǎo)電流，ILGM表示二者的矢量和，ω表示系統(tǒng)角頻率，GΣ表示系統(tǒng)分布總電導(dǎo)，CΣ表示電網(wǎng)總分布電容。當(dāng)偏置元件在C相上的電流與A相金屬性接地故障電流相等時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)電流全補(bǔ)償。在電網(wǎng)線路參數(shù)不對(duì)稱的情況下，偏置接地故障電流全補(bǔ)償方法能夠消除電網(wǎng)不對(duì)稱故障電流所造成的影響。值得注意的是，在實(shí)際應(yīng)用基波電流全補(bǔ)償方式的過程中，應(yīng)精確進(jìn)行絕緣參數(shù)的測(cè)量，才能保障后續(xù)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，確保相應(yīng)偏置補(bǔ)償裝置的配置合理[7]。

圖1 單相接地故障有功和無功電流偏置補(bǔ)償原理

2.4 接地柔性控制流程

在電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障的過程中，過渡電阻的存在會(huì)影響故障特點(diǎn)的表現(xiàn)，若中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)出現(xiàn)高阻接地故障時(shí)，故障發(fā)生的瞬間中性點(diǎn)電壓位移較小，無法滿足電弧自燃條件[8]。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，由于諧振回路會(huì)使得中性點(diǎn)位移電壓增加，可能會(huì)滿足電弧自燃條件，應(yīng)將諧振接地系統(tǒng)放置在距離諧振點(diǎn)較遠(yuǎn)的位置，但同時(shí)這種操作也會(huì)影響補(bǔ)償效果。故障發(fā)生后，系統(tǒng)仍然處于全補(bǔ)償狀態(tài)，若出現(xiàn)高阻接地情況，則會(huì)導(dǎo)致諧振過電壓較大，還可能會(huì)出現(xiàn)虛幻接地情況，影響故障判斷，這些都會(huì)降低電網(wǎng)運(yùn)行的安全性和可靠性[9]。在實(shí)際應(yīng)用柔性控制系統(tǒng)時(shí)，可從故障電流和電阻之間的關(guān)系入手，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)于偏置補(bǔ)償元件投切行為的柔性控制?；诖?，當(dāng)發(fā)生接地故障時(shí)，可對(duì)補(bǔ)償元件的阻抗值進(jìn)行調(diào)整，并通過零序電壓變化情況進(jìn)行判斷。若其與故障未發(fā)生時(shí)的設(shè)定值相同，則說明故障已經(jīng)消除，可以切除補(bǔ)償元件；若零序電壓發(fā)生變化，則判斷為永久性故障，將補(bǔ)償元件調(diào)整為全補(bǔ)償值[10]。根據(jù)上述邏輯關(guān)系和操作步驟，接地柔性控制流程如圖2所示。

圖2 接地柔性控制流程

3 仿真分析

3.1 仿真條件

使用MATLAB針對(duì)上述柔性控制系統(tǒng)展開仿真實(shí)驗(yàn)，以此分析接地故障基波電流全補(bǔ)償柔性控制系統(tǒng)的應(yīng)用效果。基本仿真條件設(shè)置如表1所示，仿真系統(tǒng)為10 kV配電網(wǎng)。經(jīng)計(jì)算，電網(wǎng)總電容為30.655 μF，對(duì)地絕緣總電導(dǎo)為 2.823×10-4S。

表1 仿真條件設(shè)置

3.2 仿真實(shí)驗(yàn)

仿真實(shí)驗(yàn)主要包括電網(wǎng)絕緣參數(shù)測(cè)量、接地電流預(yù)測(cè)、電阻測(cè)量、選相以及偏置接地基波故障電流全補(bǔ)償方法等，分別針對(duì)上述討論方法進(jìn)行驗(yàn)證分析。

（1）當(dāng)偏置元件選用650 Ω的電阻時(shí)，將電阻分別投入到三相電源中，然后進(jìn)行零序電流和電壓的測(cè)量，并計(jì)算電網(wǎng)絕緣參數(shù)，經(jīng)過分析計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，偏置電阻的接入并不會(huì)影響絕緣參數(shù)測(cè)量結(jié)果，測(cè)量到的電網(wǎng)分布電容以及絕緣電阻也不會(huì)受到電網(wǎng)的不對(duì)稱影響，說明上述測(cè)量方法具有較強(qiáng)的可靠性。

（2）通過對(duì)電流、電阻以及選相測(cè)量方法的驗(yàn)證分析，得到接地電流相位與故障電壓相位相同，說明可以根據(jù)此方法進(jìn)行選相判斷，也可實(shí)現(xiàn)對(duì)于過渡電阻的準(zhǔn)確計(jì)算。

（3）通過對(duì)基波電流全補(bǔ)償方法的仿真分析可知，通過添加偏置補(bǔ)償元件能夠有效實(shí)現(xiàn)電流全補(bǔ)償，并且具有較好的補(bǔ)償效果。

4 結(jié) 論

新型接地故障基波電流全補(bǔ)償柔性控制系統(tǒng)主要是通過在電網(wǎng)中接入偏置補(bǔ)償元件實(shí)現(xiàn)的，該方法不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于電網(wǎng)絕緣參數(shù)、接地電流以及過渡電阻的有效計(jì)算，還能夠?qū)崿F(xiàn)故障電流全補(bǔ)償，有效彌補(bǔ)了消弧線圈的缺陷問題，在實(shí)際接地故障處置中具有極強(qiáng)的可行性。