基于Z型接地變壓器的配電網(wǎng)單相接地故障柔性消弧系統(tǒng)

司渭濱， 馬柯翔， 雷智榮， 黨長富， 宋國兵， 贠保記，， 劉彬

（1.國網(wǎng)陜西省電力有限公司 安康供電公司，陜西 安康 725000；2.西安科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院,陜西 西安 710054；3.西安西瑞控制技術(shù)股份有限公司，陜西 西安 710077；4.西安交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，陜西 西安 710054；5.國網(wǎng)陜西省電力有限公司電力科學(xué)研究院，陜西 西安 710100）

0 引言

我國煤礦供配電系統(tǒng)通常采用中性點非有效接地方式，該方式在發(fā)生單相接地故障時可短暫運行[1]。但中性點非有效接地方式下的供電線路大多采用電纜線路，導(dǎo)致井下供電系統(tǒng)復(fù)雜，電壓等級較多，發(fā)生單相接地故障時對地電容大，導(dǎo)致接地故障過電壓產(chǎn)生概率增大，極易在接地點形成間歇性電弧，出現(xiàn)弧光接地過電壓，嚴(yán)重時會造成大面積停電，影響電氣設(shè)備正常運行，危及礦井供電安全及井下工作人員人身安全[2]。若不能快速抑制電弧，易引起超過3倍相電壓的系統(tǒng)過電壓，會發(fā)展為永久性單相接地故障，極易造成相間短路故障[3-4]。當(dāng)前主要通過中性點經(jīng)消弧線圈接地或經(jīng)電阻接地對電弧進(jìn)行快速抑制。在我國煤礦10 kV變電站中變壓器繞組最常用的接線方式是三角形接線，該方式無中性點引出，需通過專用接地變壓器人為引出中性點連接消弧線圈，而大多數(shù)變電站采用的接地變壓器為Z型接地變壓器[5]。

影響單相接地故障產(chǎn)生電弧的主要因素包括接地故障電流和間歇性電弧過電壓，其中間歇性電弧過電壓包括故障相恢復(fù)電壓的速度、恢復(fù)電壓幅值和恢復(fù)時間[6-7]。根據(jù)影響因素來確定補償目標(biāo)，將補償目標(biāo)方法（單相接地故障消弧方法）分為電壓消弧法和電流消弧法。電壓消弧法是指控制故障相恢復(fù)電壓為零，達(dá)到故障殘流為零[8]。電流消弧法是指利用中性點接地電抗補償接地故障殘流，降低介質(zhì)損傷和故障相恢復(fù)電壓的上升速度，促進(jìn)故障消弧[8]。

許多學(xué)者針對煤礦配電網(wǎng)單相接地故障消弧方法進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[9]通過控制三相級聯(lián)H橋變流器分相向配電網(wǎng)各相注入電流，以補償接地故障電流，并抑制故障相電源電壓為零，該方法弊端是需解決補償器件耐壓問題，且實現(xiàn)成本較高。文獻(xiàn)[10]提出了中性點電阻接地超前相接電感、中性點電抗接地滯后相接電容的方法，該方法難以準(zhǔn)確測量配電網(wǎng)對地參數(shù)，不能判別故障相，受限于實際應(yīng)用，操作較復(fù)雜。文獻(xiàn)[11]在消弧線圈與接地變壓器組合的基礎(chǔ)上，研制出三相五柱式消弧線圈，采用可控硅調(diào)節(jié)二次電感電流的方法，實現(xiàn)配電網(wǎng)對地電容電流的自動跟蹤補償，但該方法的消弧效果不佳。文獻(xiàn)[12]在零序電壓柔性控制的配電網(wǎng)接地故障消弧與保護(hù)新原理的基礎(chǔ)上，提出了一種配電網(wǎng)三相不對稱電壓抑制的新原理，故障初期通過脈寬調(diào)制有源逆變器注入零序電流補償接地故障電流，從而控制零序電壓，實現(xiàn)瞬時故障消弧，但該方法配備的有源逆變器容量大、成本高且體積大。

針對現(xiàn)有中性點非有效接地配電網(wǎng)單相接地故障消弧方法的消弧效果不佳、難以精準(zhǔn)測量配電網(wǎng)對地參數(shù)等問題，設(shè)計了一種基于Z型接地變壓器的配電網(wǎng)單相接地故障柔性消弧系統(tǒng)。當(dāng)配電網(wǎng)發(fā)生接地故障時，測量配電網(wǎng)電壓和中性點電壓，判斷出故障相后迅速閉合其對應(yīng)的快速投切開關(guān)，同時投入有源逆變器與Z型接地變壓器功率轉(zhuǎn)換模塊，進(jìn)而使中性點電壓反相鉗位至故障相電源電壓，且二者幅值相等，即可達(dá)到故障點穩(wěn)定消弧的目標(biāo)。

1 基本原理

1.1 Z型接地變壓器原理

接地補償電流本質(zhì)上是零序電流，而接地變壓器由于特殊的連結(jié)方式，具有非常小的零序阻抗特點，使零序電流可正常流過接地變壓器[13]。柔性消弧系統(tǒng)中接地變壓器Zn，yn11接線方式如圖1所示，圖中X1，X2，X3分別為Z型接地變壓器高壓側(cè)與中性點非有效接地系統(tǒng)連接的一端，X4，X5，X6分別為Z型接地變壓器高壓側(cè)與中性點接消弧線圈相連的一端，a，b，c分別為Z型接地變壓器低壓側(cè)。Z型接地變壓器的三相繞組按Z型連接，且各相芯柱中的2段繞組匝數(shù)相同、極性相反。當(dāng)配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時，該接地變壓器對正序和負(fù)序電流產(chǎn)生非常大的阻抗，流過的正序、負(fù)序電流較小。同時，同一芯柱上的2段繞組流過相等的零序電流而產(chǎn)生相互抵消的磁通，對零序電流產(chǎn)生低阻抗，可使系統(tǒng)零序電流正常通過[13]。Z型接地變壓器可滿足系統(tǒng)對零序阻抗小的要求，能夠更好地配合消弧線圈使用，同時可使零序接地保護(hù)正確動作。

圖1 接地變壓器 Zn,yn11 接線方式Fig.1 Zn, yn11 wiring mode of grounding transformer

1.2 柔性消弧系統(tǒng)原理

柔性消弧系統(tǒng)原理如圖2所示，其中，配電網(wǎng)系統(tǒng)主變壓器為 Y?Δ連接，EA，EB，EC分別為 A，B，C三相線路電源電動勢，RA，RB，RC分別為 A，B，C三相線路對地電阻，CA，CB，CC分別為 A，B，C三相線路對地電容，Z0為消弧線圈阻抗，Y0為中性點接地導(dǎo)納，Yf為接地故障導(dǎo)納。GLB為隔離變壓器，ZRB為注入變壓器。

圖2 柔性消弧系統(tǒng)原理Fig.2 Principle of flexible arc suppression system

假設(shè)A相發(fā)生單相接地故障，由基爾霍夫定律可得

式中：I1為零序電流；YA，YB，YC分別為 A，B，C 三相線路總導(dǎo)納；UN為中性點電壓；Rf為接地故障電阻。

假設(shè)三相電源對稱，即

則式（1）可化簡為

故障相電源電壓為

向中性點注入零序電流I1即可將故障相電源電壓UA降低為零，但該方法需精確測量配電網(wǎng)對地參數(shù)。考慮到系統(tǒng)對地參數(shù)難以精確測量，因此采用式（7）控制目標(biāo)，達(dá)到故障點可靠消弧。

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生A相單相接地故障時，根據(jù)接地變壓器高低壓側(cè)關(guān)系可知，Z型接地變壓器低壓側(cè)c，a相電壓?Uca相位與故障相電源電壓UA相位一致，此時有源逆變器輸出電壓U=?Uca+λUN，λ為ZRB變比。調(diào)控有源逆變器輸出電壓，使中性點電壓等于故障相電源電動勢的相反數(shù)，實現(xiàn)故障點電壓遠(yuǎn)小于熄弧電壓，達(dá)到接地故障消弧。

2 柔性消弧系統(tǒng)流程

柔性消弧系統(tǒng)流程如圖3所示。當(dāng)配電網(wǎng)發(fā)生接地故障時，首先實時測量配電網(wǎng)的三相電源電動勢和中性點電壓，當(dāng)中性點電壓幅值大于三相電源電動勢的15%時，可判斷為接地故障；對比三相電源電動勢，其中電源電動勢最小相為故障相。在單相接地故障發(fā)生后，迅速閉合故障相對應(yīng)的快速投切開關(guān)，同時投入有源逆變器和Z型接地變壓器功率轉(zhuǎn)換，強制使中性點電壓與故障相電源電動勢呈等幅值反相位，進(jìn)而達(dá)到故障消弧。一定時間延時后切除快速投切開關(guān)，若中性點電壓有效降低，則可判斷該故障為瞬時性接地故障，即可恢復(fù)配電網(wǎng)正常運行，否則判斷為永久性故障，采取故障饋線隔離措施，恢復(fù)配電網(wǎng)正常運行。

圖3 柔性消弧系統(tǒng)流程Fig.3 Flow of flexible arc suppression system

3 仿真分析

通過Matlab/Simulink模塊搭建10 kV中性點非有效接地配電網(wǎng)單相接地故障仿真模型，如圖4所示，圖中If為故障點電流，Uf為故障點電壓。Z型接地變壓器高壓側(cè)一端在中性點非有效接地系統(tǒng)側(cè)做Z型接線后引出中性點N，再經(jīng)消弧線圈Lp接地。ZRB 變比λ=6 000∶400，Z 型接地變壓器高低壓側(cè)變比λ1=10 000∶400，GLB 變比λ2=1 000∶200。

圖4 中性點非有效接地配電網(wǎng)單相接地故障仿真模型Fig.4 Simulation model of single-phase to ground fault of neutral point non-effectively grounded distribution network

3.1 Z型接地變壓器功率轉(zhuǎn)換

Z型接地變壓器功率轉(zhuǎn)換是指利用Z型接地變壓器對故障相電源電壓進(jìn)行反相鉗位補償。模擬接地故障過渡電阻為500，3 000 Ω的單相接地故障，仿真波形如圖5?圖8所示，仿真結(jié)果見表1。仿真時間為 0.4 s，在 0.05 s時發(fā)生 A 相接地故障，0.1 s時投入Z型接地變壓器功率轉(zhuǎn)換。

表1 不同過渡電阻下仿真結(jié)果Table 1 Simulation results under different transition resistances

由圖5可知，當(dāng)0.05 s發(fā)生A相接地故障且過渡過渡電阻為500 Ω時，中性點電壓有效值（最大值與有效值的比值為）為4 810 V，故障相電源電壓相反數(shù)有效值為5 759 V，二者在幅值和相位上存在一定偏差；在0.1 s投入Z型接地變壓器功率轉(zhuǎn)換后，中性點電壓幅值在0.17 s后迅速追上故障相電源電壓。

圖5 故障相電源電壓相反數(shù)和中性點電壓仿真波形（過渡電阻500 Ω）Fig.5 Simulation waveforms of the opposite number of the fault phase power supply voltage and the neutral point voltage （transition resistance 500 Ω）

由圖6可知，當(dāng)0.05 s發(fā)生故障時，故障點電壓有效值為 3 032 V，故障點電流有效值為 6.06 A。通過Z型接地變壓器功率轉(zhuǎn)換0.17 s后，故障點電壓有效值為649 V，抑制率達(dá)79%；故障點電流有效值為1.3 A，抑制率達(dá) 79%。

圖6 故障點電壓、故障點電流和消弧裝置注入電流仿真波形（過渡電阻500 Ω）Fig.6 Simulation waveforms of fault point voltage, fault point current and injection current of arc suppression device （transition resistance 500 Ω）

由圖7可知，當(dāng)0.05 s發(fā)生A相接地故障且過渡電阻為 3 000 Ω 時，中性點電壓有效值為 1 530 V，故障相電源電壓相反數(shù)有效值為5 759 V，二者在幅值和相位上存在一定偏差；在0.1 s投入Z型接地變壓器功率轉(zhuǎn)換后，中性點電壓幅值在0.18 s后迅速追上故障相電源電壓。

圖7 故障相電源電壓相反數(shù)和中性點電壓仿真波形（過渡電阻 3 000 Ω）Fig.7 Simulation waveforms of the opposite number of the fault phase power supply voltage and the neutral point voltage （transition resistance 3 000 Ω）

由圖8可知，當(dāng)0.05 s發(fā)生故障時，故障點電壓有效值為 5 169 V，故障點電流有效值為 1.73 A。通過Z型接地變壓器功率轉(zhuǎn)換0.18 s后，故障點電壓有效值為910 V，抑制率達(dá)82%；故障點電流有效值為0.30 A，抑制率達(dá) 83%。

圖8 故障點電壓、故障點電流和消弧裝置注入電流仿真波形（過渡電阻 3 000 Ω）Fig.8 Simulation waveforms of fault point voltage, fault point current and injection current of arc suppression device （transition resistance 3 000 Ω）

說明當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，通過Z型接地變壓器功率轉(zhuǎn)換可有效降低故障點電壓和故障點電流。但降低后的故障點電壓仍高達(dá)600 V以上，尚未完全達(dá)到消弧效果，且易發(fā)生觸電事故，煤礦操作人員仍不能實現(xiàn)不停電作業(yè)。

3.2 柔性消弧系統(tǒng)

消弧線圈只能補償故障殘流中的無功殘流，引入有源逆變器對故障殘流中的有功殘流和諧波殘流進(jìn)行精確補償。有源逆變器容量僅為10 kVA，通過Z型接地變壓器功率轉(zhuǎn)換，將中性點電壓反相鉗制接近于故障相電源電壓，中性點電壓與故障相電源電壓差值的幅值和相位由有源逆變器補償。模擬接地故障過渡電阻為500，3 000 Ω的單相接地故障，仿真波形如圖9?圖12所示，仿真結(jié)果見表2。仿真時間為 0.4 s，0.05 s時發(fā)生 A 相接地故障，0.1 s時投入柔性消弧系統(tǒng)。

表2 不同過渡電阻下仿真結(jié)果Table 2 Simulation results under different transition resistances

圖9 故障相電源電壓相反數(shù)和中性點電壓仿真波形（過渡電阻500 Ω）Fig.9 Simulation waveforms of the opposite number of the fault phase power supply voltage and the neutral point voltage（transition resistance 500 Ω）

由圖9可知，當(dāng)0.05 s發(fā)生A相接地故障且過渡電阻為 500 Ω 時，中性點電壓有效值為 4 810 V，故障相電源電壓相反數(shù)有效值為5 759 V，二者在幅值和相位上存在一定偏差；在0.1 s投入柔性消弧系統(tǒng)后，中性點電壓有效值為5 765 V，故障相電源電壓相反數(shù)有效值為5 759 V，中性點電壓的幅值和相位在0.16 s后迅速追上故障相電源電壓。

由圖10可知，當(dāng)0.05 s發(fā)生A相接地故障時，故障點電壓有效值為3 032 V，故障點電流有效值為6.06 A。投入柔性消弧系統(tǒng)0.16 s后，故障點電壓有效值為61.06 V，抑制率達(dá)98%；故障點電流有效值為0.12 A，抑制率達(dá)98%。

圖10 故障點電壓、故障點電流和柔性消弧系統(tǒng)注入電流仿真波形（過渡電阻500 Ω）Fig.10 Simulation waveforms of fault point voltage, fault point current and injection current of flexible arc suppression system（transition resistance 500 Ω）

由圖11可知，當(dāng)0.05 s發(fā)生A相接地故障且過渡電阻為 3 000 Ω 時，中性點電壓有效值為 1 530 V，故障相電源電壓相反數(shù)有效值為5 759 V，二者在幅值和相位上存在一定偏差；在0.1 s投入柔性消弧系統(tǒng)后，中性點電壓有效值為5 852 V，故障相電源電壓相反數(shù)有效值為5 759 V，中性點電壓的幅值和相位在0.17 s后迅速追上故障相電源電壓。

圖11 故障相電源電壓相反數(shù)和中性點電壓仿真波形（過渡電阻 3 000 Ω）Fig.11 Simulation waveforms of the opposite number of the fault phase power supply voltage and the neutral point voltage（transition resistance 3 000 Ω）

由圖12可知，當(dāng)0.05 s發(fā)生A相接地故障時，故障點電壓有效值為5 169 V，故障點電流有效值為1.73 A。投入柔性消弧系統(tǒng)0.17 s后，故障點電壓有效值為62.79 V，抑制率達(dá)99%；故障點電流有效值為0.02 A，抑制率達(dá)99%。

圖12 故障點電壓、故障點電流和柔性消弧系統(tǒng)注入電流仿真波形（過渡電阻3 000 Ω）Fig.12 Simulation waveforms of fault point voltage, fault point current and injection current of flexible arc suppression system（transition resistance 3 000 Ω）

相對僅通過Z型接地變壓器功率轉(zhuǎn)換，采用柔性消弧系統(tǒng)可有效提高故障抑制率，消弧效果好且響應(yīng)速度快。由于加入了有源逆變器對中性點電壓和故障相電源電壓相反數(shù)的差值進(jìn)行精確補償，使故障殘流產(chǎn)生的有功殘流和諧波殘流得到充分補償，實現(xiàn)了不同過渡電阻下故障消弧目標(biāo)。

4 結(jié)語

針對當(dāng)前中性點非有效接地配電網(wǎng)單相接地故障消弧問題，設(shè)計了基于Z型接地變壓器的配電網(wǎng)單相接地故障柔性消弧系統(tǒng)。通過Z型接地變壓器功率轉(zhuǎn)換，將中性點電壓反相鉗制接近于故障相電源電壓，中性點電壓與故障相電源電壓差值偏差電壓的幅值和相位由有源逆變器補償。仿真結(jié)果表明，單相接地故障過渡電阻為 500，3 000 Ω 時，僅通過Z型接地變壓器功率轉(zhuǎn)換，故障點電壓和電流抑制率達(dá)79%～83%，不能完全達(dá)到消弧效果；采用柔性消弧系統(tǒng)可有效抑制故障點電壓和電流，抑制率達(dá)98%以上。說明基于Z型接地變壓器的配電網(wǎng)單相接地故障柔性消弧系統(tǒng)可實現(xiàn)配電網(wǎng)單相接地故障的可靠消弧。