基于线电压馈入的配电网故障消弧与故障检测方法

doi:10.16183/j.cnki.jsjtu.2023.216

基于线电压馈入的配电网故障消弧与故障检测方法

许洪华¹, 刘宝稳^,², 许自强¹, 刘德林², 于宝淇²

1.国网江苏省电力有限公司南京供电分公司,南京 210019

2.河海大学能源与电气学院,南京 211100

Arc Suppression and Fault Detection Method for Distribution Network Faults Based on Line Voltage Feeding

XU Honghua¹, LIU Baowen^,², XU Ziqiang¹, LIU Delin², YU Baoqi²

1. Nanjing Power Supply Company, State Grid Jiangsu Electric Power Co., Ltd., Nanjing 210019, China

2. College of Energy and Electrical Engineering, Hohai University, Nanjing 211100, China

通讯作者: 刘宝稳,博士,讲师;E-mail:lbw_5566@163.com.

收稿日期: 2023-05-29 修回日期: 2023-08-30 接受日期: 2023-09-1

基金资助:

江苏省自然科学基金面上项目(SBK2023020122)
中国博士后科学基金(2020M671318)

Received: 2023-05-29 Revised: 2023-08-30 Accepted: 2023-09-1

作者简介 About authors

许洪华(1981—),博士,研究员级高工,从事电力设备故障诊断研究.

摘要

为了提高降压消弧装置的可靠性和便捷性,提出基于线电压串调制阻尼接地的零序电压灵活调控方法,并研究其在故障消弧与馈线保护中的应用.首先,利用配电网线电压不受单相接地故障影响的优势,提出采用隔离变压器、消弧线圈等传统无源设备的有源接地装置替代方案,具有灵活调控零序电压幅值和相位的优势;然后,论证配电网分布参数不对称对有源消弧的影响,提出基于无源装置的基波电流全补偿的消弧控制方法;其次,提出线电压接入的故障相电压稳定抬升方法,有效提升高阻故障的检测灵敏度;最后,分析接入线电压和调制阻尼的优化选择方案,给出配网故障消弧与馈线保护综合控制方案,并利用仿真实验证实有效性.实际应用中,仅需把选定的线电压经隔离变压器接入中性点,并与阻感式调制阻尼相配合,可有效降低设备成本,提高设备可靠性和控制便捷性,为配电网接地故障馈线保护和零残流故障消弧提供新方案.

关键词： 单相接地故障; 线电压馈入中性点; 故障消弧; 馈线接地保护

Abstract

In order to improve the reliability and convenience of the voltage-reduction arc suppression device, a zero-sequence voltage flexible control method based on line voltage series modulation damping grounding is proposed, and its application in arc suppression and feeder protection is studied. First, based on the advantage that the line voltage of the distribution network is not affected by single-phase grounding fault, an active grounding device replacement scheme using isolation transformer, arc suppression coil, and other traditional passive devices is proposed, which has the advantage of flexibly regulating the amplitude and phase of zero sequence voltage. Then, the impact of the asymmetric distribution parameters on the active arc suppression is demonstrated, and an arc suppression control method based on full compensation of fundamental current is proposed. Furthermore, a fault phase voltage active lifting method with line voltage access is proposed to effectively improve the detection sensitivity of high resistance faults. Finally, the optimal selection scheme of the accessed line voltage and modulation damping is analyzed, and the integrated control scheme of fault arc suppression and feeder protection in distribution network is given, whose effectiveness is validated by simulation experiment. In practical application, the equipment cost can be reduced only by connecting the selected line voltage to the neutral point through the isolation transformer and cooperating with the resistive modulation damping, which improves the reliability and control convenience of equipment, and provides a new scheme for the grounding fault feeder protection and zero residual current fault arc elimination of the distribution network.

Keywords： single phase grounding fault; line voltage feedback input neutral point; arc suppression; feeder grounding protection

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本文引用格式

许洪华, 刘宝稳, 许自强, 刘德林, 于宝淇. 基于线电压馈入的配电网故障消弧与故障检测方法[J]. 上海交通大学学报, 2025, 59(2): 230-241 doi:10.16183/j.cnki.jsjtu.2023.216

XU Honghua, LIU Baowen, XU Ziqiang, LIU Delin, YU Baoqi. Arc Suppression and Fault Detection Method for Distribution Network Faults Based on Line Voltage Feeding[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University, 2025, 59(2): 230-241 doi:10.16183/j.cnki.jsjtu.2023.216

我国配电网主要采取小电流接地方式,包括不接地、消弧线圈接地和高阻接地等,具有单相接地故障电流小、线电压保持对称等优点.单相接地故障占配网故障的80%以上且接地电流主要是电容电流,消弧线圈因能够有效补偿接地电容电流、抑制接地电弧的形成而得到广泛应用^[1-2].消弧线圈可分为调匝式、偏磁式、磁阀式、三相五柱式等^[3⇓-5],通过连续调节等效电感值,能够跟踪补偿接地电流的无功分量,但对接地电流的有功和不对称分量无能为力,且易因调谐不当引起谐振过电压.零序电压灵活调控能够实现不平衡电压抑制、故障相电压主动降压消弧、高阻故障主动升压检测以及系统过电压抑制等,是保障配电网安全可靠运行的有效手段之一^{[6⇓⇓⇓⇓-11]}.

现有的零序电压灵活调控方法主要依赖基于电力电子的有源柔性接地装置,通过电力电子装置向配电网注入电流实现零序电压灵活调控.文献[7 ⇓-9]中通过电力电子变流器注入电流抑制不平衡电压,文献[9,11]中以零序电压为控制目标,通过变流器注入电流将故障相电压可靠钳制为0,根除起弧的电压条件,具有灭弧效果可控易控等优点.现有有源消弧装置可分为混合式和全电力电子式两类.混合式有源消弧装置中的单相变流器需要经升压变压器接入配电网中性点,并与消弧线圈并联运行;全电力电子式有源消弧装置往往采用级联H桥多电平变流器直接接入配电网中性点或母线^[12-13].实际情况中,由于电力电子器件耐压能力弱,有源接地装置往往引入升压变压器或者采用级联H桥变流器以满足运行的耐压要求且需要为变流器配置独立电源,开关元件数量多、硬件成本高、控制复杂、实施条件较严苛,导致工业推广应用受限.

为了解决电力电子型有源消弧装置设备昂贵、可靠性差的问题,基于无源装置的零序电压控制技术也在逐步发展.20世纪50年代所研发的“接地故障转移装置”可以主动将故障相接地,旁路接地点,抑制故障相电压.曾祥君等^[14]提出接地变压器绕组分档调压消弧方法,通过改变特制的接地变压器抽头调控故障相电压,属于有级降压调控;曾祥君等^[15]提出基于相电源馈入的故障消弧方法,利用含移相绕组的接地变压器对电源电势进行相序重组,并调节注入变压器变比使得故障相电压降低至燃弧电压以下,所需设备较为复杂.虽然现有无源消弧装置具有设备简单、易于实施等优点,但在零序电压调控的灵活性等方面尚不能取代基于电力电子技术的有源接地装置.

据统计,高阻接地故障约占总故障的5%~15%,高阻接地引起零序电压的偏移量小、故障特征微弱,提高故障保护的灵敏度和准确度是关键^[16⇓-18].利用故障自身引发电气信息变化的被动检测法,如暂态特征法、稳态数值计算法、行波法等对故障反映的灵敏度受过渡电阻的影响较大^[19⇓-21].曾祥君等^[22]提出采用故障相主动升压的方式主动放大接地电流,对1 kΩ以上的高阻接地故障灵敏度较高.当前,主动抬升故障相电压主要依靠具有高灵活性的有源注入装置,由于电网存在负荷和线路投切、随机扰动等,所以要求电力电子设备在故障相电压抬升的过程中能精准跟踪电网状态,能快速调节注入电流保证电压抬升的稳定性,对电力电子变流器输出电流的跟踪控制、抗扰和设备可靠性要求较高.

非直接接地系统单相接地故障后线电压保持不变,是理想可靠的稳定电源.另外,消弧线圈作为广泛应用的可靠装置,其等效电感具有灵活调控的能力,如磁阀式消弧线圈的等效电感具备无极差调节的能力.因此,利用线电压和消弧线圈等无源元件构造与基于电力电子的有源接地方式等效的灵活接地方式,能够有效降低设备成本、提高设备可靠性和控制便捷性.

现有研究存在以下不足:①基于有源装置的零序电压控制技术受电力电子器件耐压能力限制,存在设备成本高、可靠性差的问题;②基于无源装置的零序电压控制技术对零序电压的调控不够灵活,尚不能取代基于有源装置的零序电压控制技术;③在高阻故障选线领域,基于有源注入装置的主动抬升故障相电压方法不能保证电压稳定抬升,尚缺少不受电网随机扰动影响、可靠性高的主动抬升故障相电压方法.

为了解决以上问题,提出一种基于线电压串联调制阻尼的零序电压柔性控制方法并应用于故障消弧和高阻故障选线.首先,重点给出线电压串联调制阻尼接地方式下的零序电压调压原理,论证调制阻尼对中性点接入线电压的调制效果,提出零序电压调控所需参量的测量方法,为后文故障消弧和故障检测新原理提供理论依据;然后,论证配电网参数不对称对有源消弧的影响,提出线电压串联调制阻尼接地的配电网故障消弧全补偿方法,并研究中性点接入线电压和调制阻尼的优化选择方案;继而提出基于线电压调控的高阻接地电流主动抬升和接地馈线保护方法;最后,搭建10 kV配电网模拟仿真平台,利用故障模拟验证了配电网故障消弧与馈线保护方法的有效性.

1 线电压串消弧线圈接地的调压原理

1.1 零序电压灵活调控原理

图1为线电压串联调制阻尼接地方式结构图,由配电网线电压、隔离变压器和调制阻尼三部分构成,隔离变压器将配网线电压引入中性点,调节串联阻尼即消弧线圈,实现零序电压的灵活调控.图中:E_A、E_B、E_C为三相电源电势;C_A、C_B、C_C为配电网三相对地分布总电容;G_A、G_B、G_C为配电网三相对地分布总电导;Y_E为过渡导纳;Y_S为调制阻尼;N为配电网中性点,若变压器为星形接线方式则中性点从变压器引出,若变压器为三角形接线方式则中性点由Z型接地变压器引出.由于配电网以线电压向负荷供电,所以在非直接接地方式下,调控零序电压不会影响线电压供电.

图1

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图1 线电压串联调制阻尼接地方式结构

Fig.1 Structure of line voltage series modulation damping grounding mode

(1) 线电压接入对相电压的影响:配电网线电压有6种接入组合方式,记接入中性点的线电压为U_X,记隔离变压器的变比为n,则接入中性点的线电压为nU_X.图2中圆的半径是线电压,由于配网设备采用线电压绝缘,所以线电压nU_X接入中性点后各相电压等于各相电源电势与接入线电压nU_X的矢量和,其幅值应小于线电压,即各相电压应处于图2的圆内.

图2

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图2 线电压接入对零序电压的调控

Fig.2 Regulation of zero sequence voltage by line voltage connection

图2中U_BA=E_B-E_A,若把线电压U_BA接入中性点并令隔离变压器的变比n=0.5,A相电压为

$|U_{A}|$ =

$|E_{A} + \frac{1}{2} U_{B A}|$ =

$|\frac{1}{2} E_{A}|$

(1)

此时,A相电压U_A最小,U_A为电源电势E_A的一半,同理,接入线电压U_CA可使A相电压U_A减小,接入其他4种线电压可使A相电压U_A增大.另外,当接入线电压U_BA且隔离变压器变比n=0.456时,B相电压达到线电压,此时A相电压降低49.4%,也即线电压接入可令某一相电压最高增大至线电压、最小降低为相电压的50.6%.因此,线电压对零序电压的调控能力有限,还需要串联调制阻尼进一步调控零序电压的幅值和相角.

(2) 零序电压的灵活调控机理:根据基尔霍夫定律计算中性点经线电压nU_X串接调制阻尼Y_S接地配电网零序电压为

U₀=

$\frac{- E_{A} k_{Z} - n U_{X} Y_{S}}{j ω C_{Σ} + G_{Σ} + Y_{S}}$

(2)

式中:k_Z=jωC_A+G_A+α²(jωC_B+G_B)+α(jωC_C+G_C)为配电网三相参数自然不对称矢量和,其中α=e^j^120°,C_Σ=C_A+C_B+C_C,G_Σ=G_A+G_B+G_C,ω为基波角频率.图1中隔离变压器一次侧电流在两个相之间流通,不与大地形成回路,不影响零序电压理论运算.令E_A=λnU_X,其中λ为转换系数,代入式(2)得:

$\boldsymbol{U}_{0}=-n \boldsymbol{U}_{X} \cdot \tau$

(3)

τ=

$\frac{λ k_{Z} + Y_{S}}{j ω C_{Σ} + G_{Σ} + Y_{S}}$

(4)

由式(3)可知,零序电压是由接入中性点的线电压nU_X和与调制阻尼控制的调制系数τ两部分构成.考虑配电网的阻尼率和不对称度较小^[1,23],当忽略配电网三相参数不对称和阻尼电阻时,调制系数τ可简化为

τ=

$\frac{Y_{S}}{j ω C_{Σ} + Y_{S}}$

(5)

由式(5)可知,调制系数τ的幅值和相角直接受调制阻尼Y_S控制.因此,改变调制阻尼Y_S即调控零序电压的幅值和相位.

(3) 调制阻尼的调制效果:图3给出调制阻尼Y_S分别为纯电阻、电容和电感时,调制系数τ的变化范围,即Y_S变化对τ的调制效果,具体推导过程见附录A.

图3

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图3 调制系数τ的调制区

Fig.3 Modulation region of modulation coefficient τ

根据图3可知,调制阻尼Y_S可使接入线电压nU_X的幅值在0~+∞、相角在0°~180° 的区间内任意调制.实际应用中,消弧线圈的感抗值调节相对容易,如磁阀式消弧线圈可实现感抗值的连续调节,而电容元件的容抗值连续调节较为困难.因此,调制阻尼应当选择消弧线圈.

1.2 参数测量

根据式(4)可知,调制系数τ中含有3个关键参量,即配电网三相参数自然不对称矢量和k_Z、配电网分布总电容C_Σ、配电网分布总电导G_Σ.传统配电网参数测量主要集中在分布总电容C_Σ和总电导C_Σ^[24⇓-26],尚缺少在线测量配电网参数自然不对称矢量和k_Z的方法.为了实现零序电压的精准控制,提出基于线电压调控的配电网零序电压调控关键参量k_Z、C_Σ、G_Σ的在线跟踪测量方法.

若接入中性点的线电压为U_X,记隔离变压器的变比为n₁、中性线电流为I₁,则根据基尔霍夫定律,得到如下方程:

$n_{1} \boldsymbol{U}_{X}\left(\mathrm{j} \omega C_{\Sigma}+G_{\Sigma}\right)+\boldsymbol{E}_{A} \boldsymbol{k}_{Z}+\boldsymbol{I}_{1}=0$

(6)

若调节隔离变压器的变比为n₂、中性线电流为I₂,同理得到方程:

$n_{2} \boldsymbol{U}_{X}\left(\mathrm{j} \omega C_{\Sigma}+G_{\Sigma}\right)+\boldsymbol{E}_{A} \boldsymbol{k}_{\mathrm{Z}}+\boldsymbol{I}_{2}=0$

(7)

由于零序电压调控不影响线电压,所以可选择线电压U_AB作为中性线电流I₁、I₂相角的参考值.由U_AB获取电源电势E_A的相角并令其为0,再把测量的中性线电流I₁、I₂与E_A相比较,计算各电流的相角值及其相位差.根据式(6)和式(7)可求得配网总零序导纳Y_Σ=jωC_Σ+G_Σ和参数自然不对称矢量和k_Z分别为

$\begin{array}{l} j ω C_{Σ} + G_{Σ} = \frac{I_{1} - I_{2}}{U_{X} (n_{2} - n_{1})} \\ k_{Z} = \frac{n_{1} I_{2} - n_{2} I_{1}}{E_{A} (n_{2} - n_{1})} \end{array}\}$

(8)

其中,配电网分布总电导G_Σ、配电网分布总电容C_Σ分别为

$\begin{array}{l} G_{Σ} = I m \frac{I_{1} - I_{2}}{U_{X} (n_{2} - n_{1})} \\ C_{Σ} = R e \frac{I_{1} - I_{2}}{ω U_{X} (n_{2} - n_{1})} \end{array}\}$

(9)

根据式(8)和(9)可知,实际应用中调节隔离变压器变比即可准确求得3个关键参量k_Z、C_Σ和G_Σ.接入中性点线电压nU_X越大,零序电流越大,传感器测量的误差越小,参数测量误差就越小;另一方面,接入中性点线电压nU_X太大,会威胁线路和设备的绝缘安全.考虑零序电压调控的暂态过程时间较短,为 1~3个工频周期,记录5~10个工频周期的数据即可满足参数运算的需求.实际应用中,在保证各相电压不超线电压绝缘的基础上,尽可能增大隔离变压器变比,以提高参数计算准确性.

综上所述,采用隔离变压器、消弧线圈等传统无源装置能够替代基于电力电子的有源装置所具有的零序电压灵活调控的功能,具有设备可靠性高、控制难度低、成本低廉的优势.零序电压调控的两个重要应用是主动降压消弧和故障相主动升压的高阻接地检测.因此,所提基于线电压串调制阻尼的零序电压灵活调控方法在故障消弧和高阻接地检测等方面有较好应用效果.

2 基波电流降压消弧全补偿方法

2.1 三相分布参数不对称对故障消弧的影响

以A相故障为例,传统降压消弧法认为实现100%消弧的等效注入电流值为

$\boldsymbol{I}_{X}=-\boldsymbol{E}_{A}\left(\mathrm{j} \omega C_{\Sigma}+G_{\Sigma}\right)$

(10)

文献[19-20]中认为中性点注入I_X后,配电网零序电压为-E_A,I_X可等效成在中性点接入一个负阻性阻抗

$\boldsymbol{Y}_{X}=\boldsymbol{I}_{X} / \boldsymbol{E}_{A}=-\mathrm{j} \omega C_{\Sigma}-G_{\Sigma}$

(11)

然而,实际情况中线路三相不换位等因素使得配电网分布参数不对称必然存在^[27⇓-29].当计及配电网三相分布参数不对称时,若继续注入I_X,则I_X与零序电压U_X满足的关系式如下:

U_X=

$\frac{I_{X} - E_{A} k_{Z}}{j ω C_{Σ} + G_{Σ}}$

(12)

此时中性点等效导纳Y_S_X=-I_X/U_X,代入式(12)可得

Y_S_X=-

$\frac{I_{X} (j ω C_{Σ} + G_{Σ})}{I_{X} - E_{A} k_{Z}}$

(13)

令Y_S_X=Y_X,整理式(11)和式(13)得

$\boldsymbol{I}_{X}=\boldsymbol{I}_{X}-\boldsymbol{E}_{A} \boldsymbol{k}_{Z}$

(14)

由式(14)可知,当电网三相分布参数不对称,即 k_Z≠0时,式(14)的注入电流I_X无解,即传统降压消弧法注入电流I_X不能使其中性点等效导纳等于-jωC_Σ-G_Σ.综上,式(10)给出的注入电流在实际情况中不具备可行性.

2.2 计及配网参数不对称的接地故障消弧方法

刘宝稳等^[9]给出计及配电网三相分布参数不对称时,故障相电压被抑制为0的中性点等效注入电流为

$\boldsymbol{I}_{\mathrm{SQ}}=-\boldsymbol{E}_{A}\left(\mathrm{j} \omega C_{\Sigma}+G_{\Sigma}-\boldsymbol{k}_{\mathrm{Z}}\right)$

(15)

其中性点等效接地导纳为

$\boldsymbol{Y}_{\mathrm{SQ}}=-\mathrm{j} \omega C_{\Sigma}-G_{\Sigma}+\boldsymbol{k}_{Z}$

(16)

因此,若中性点经线电压串调制阻尼接地支路的电流满足式(15),或者中性点经线电压串调制阻尼接地支路的等效接地导纳满足式(16)即能够实现补偿状态的等效,就实现利用无源设备替代基于电力电子的有源设备进行故障消弧.

在计及配网参数不对称条件下,在电网中性点接入线电压nU_X和调制阻尼Y_S后的中性线电流为

I_S=(U₀+nU_X)Y_S=

$\frac{- E_{A} k_{Z} + n U_{X} (j ω C_{Σ} + G_{Σ})}{j ω C_{Σ} + G_{Σ} + Y_{S}}$ Y_S

(17)

中性线电流I_S的等效导纳为

Y_S_X=

$\frac{E_{A} k_{Z} - n U_{X} (j ω C_{Σ} + G_{Σ})}{E_{A} k_{Z} + n U_{X} Y_{S}}$ Y_S

(18)

令式(18)的等效导纳Y_S_X等于有源全补偿的等效导纳Y_SQ,则调制阻尼为

Y_S=

$\frac{j ω C_{Σ} + G_{Σ} - k_{Z}}{η - 1}$

(19)

式中:η=1/λ,为受线电压nU_X控制的参数且影响调制元件的相角.由于调制阻尼Y_S的相角需满足-90°~+90°,若Y_S为阻感式元件其相角范围为0°~+90°,所以需要选择适宜的线电压.

根据图3,配电网A相故障消弧且满足η-1的相角处于0°~180° 之间的线电压U_X包含U_AB、U_CB、U_CA.同理,满足配电网B、C相故障消弧的线电压U_X如表1所示.

表1 故障消弧接入线电压的选择方案

Tab.1 Line voltage selection scheme for fault arc suppression

接地故障相	接入线电压
A相	U_AB、U_CB、U_CA
B相	U_BC、U_AC、U_AB
C相	U_CA、U_BA、U_BC

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2.3 调制阻尼和线电压的优化选择

由表1可知,每一个故障相均有3种线电压可以选择,下面以A相故障为例,分析最优的中性点接入线电压.图4为接入线电压与故障电源电势的矢量关系图.由图可见,当线电压U_X选择U_CB、U_CA时,η-1的相角处于90°~180°之间,调制阻尼Y_S为阻感性元件;当线电压U_X选择U_AB且n>2/3,η-1的相角处于60°~90°之间,调制阻尼Y_S为阻容性元件,若0<n<2/3,nU_X-E_A的相角处于90°~180°之间,调制阻尼Y_S为阻感性元件.因此,当中性点接入线电压U_X选择U_CB或U_CA时,调制元件选择消弧线圈最优.

图4

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图4 接入线电压与故障电源电势的矢量关系

Fig.4 Vector relationship between access line voltage and fault power supply potential

另外,当中性点接入线电压U_X选择U_CB时,不论变比n如何选择,故障相电压U_A=E_A+U_CB均先增大,然后通过调制阻尼Y_S再将U_A抑制为0;当中性点接入线电压U_X选择U_CA时,故障相电压U_A=E_A+U_CA减少,可选择变比n=1/2并与调制阻尼Y_S共同作用使得U_A抑制为0.对比以上两种情形可知,线电压U_CA具有A相电压的初步抑制效果,更有利于故障熄弧.对于B和C相接地故障,最佳接入中性点的线电压分别为U_AB和U_BC.

当采用线电压0.5U_CA和调制阻尼进行主动降压消弧时,调制阻尼承担的电压为0.5 $|E_{A}|$ ,因此调组阻尼中的消弧线圈输出功率可按照50%的电容电流补偿量确定.当需要补偿接地电流的谐波分量时,可以将隔离变压器由单相变压器换成3绕组变压器,原边两个绕组分别与线电压和H桥变流器连接,其中H桥变流器运行在谐波电流源状态并独立进行谐波电流补偿,计及谐波补偿的消弧装置结构见附录图B1.

3 接地故障馈线保护方法

当前,高阻接地故障检测是馈线保护的难点,故障相主动升压能够主动放大接地电流,能够有效提升故障检测的灵敏度.现有短接故障相、接地变压器绕组分档调压、相电压馈入等无源装置只能降低某相电压,而相电压抬升只能依赖基于电力电子的有源注入装置.实际情况下,配电网线电压不受接地故障的影响、稳定性高,根据图2可知,线电压接入中性点后,各相电压能够在0.5~1.73倍的标称值范围内变化,因而能够主动抬升故障相电压.图5为含多馈线配电网等效运算电路.图中:C_iA、C_iB、C_iC为第i条馈线的对地分布电容;G_iA、G_iB、G_iC为第i条馈线的对地分布电导;I₀_i为第i条馈线的零序电流.

图5

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图5 多馈线配电网等效运算电路

Fig.5 Equivalent arithmetic circuit of multiple feeder system

(1) 馈线保护原理:如图5所示,正常状态下若在配电网中性点接入线电压nU_X,对于含有n条线路的配电网线路i的零序电流理论值I₀_i为

$\begin{aligned}3 \boldsymbol{I}_{0 i}= & \left(n \boldsymbol{U}_{X}+\boldsymbol{E}_{A}\right)\left(\mathrm{j} \omega C_{i A}+G_{i A}\right)+ \\& \left(n \boldsymbol{U}_{X}+\boldsymbol{E}_{B}\right)\left(\mathrm{j} \omega C_{i B}+G_{i B}\right)+ \\& \left(n \boldsymbol{U}_{X}+\boldsymbol{E}_{C}\right)\left(\mathrm{j} \omega C_{i C}+G_{i C}\right)= \\& n \boldsymbol{U}_{X}\left(\mathrm{j} \omega C_{i \Sigma}+G_{i \Sigma}\right)+\boldsymbol{E}_{A} \boldsymbol{k}_{i}\end{aligned}$

(20)

式中:k_i=jωC_iA+G_iA+α²(jωC_iB+G_iB)+α(jωC_iC+G_iC)为线路i参数不对称矢量和,其中C_i_Σ=C_iA+C_iB+C_iC,G_i_Σ=G_iA+G_iB+G_iC.

当配电网发生单相接地故障,若线路i是正常线路,由于零序电压被接入的线电压可靠钳制,所以线路i的零序电流实测值同式(20)保持不变;若线路i的A相发生接地故障,则线路i的零序电流实测值I_F_i满足

$\begin{aligned}3 \boldsymbol{I}_{\mathrm{F} i}= & n \boldsymbol{U}_{X}\left(\mathrm{j} \omega C_{i \Sigma}+G_{i \Sigma}\right)+\boldsymbol{E}_{A} \boldsymbol{k}_{i}+ \\& \left(n \boldsymbol{U}_{X}+\boldsymbol{E}_{A}\right) \boldsymbol{Y}_{\mathrm{E}}=3 \boldsymbol{I}_{0 i}+\boldsymbol{U}_{A} \boldsymbol{Y}_{\mathrm{E}}\end{aligned}$

(21)

式中:U_AY_E为接地电流.由式(21)可知,故障线路零序电流的变化量等于接地电流,接地电流相位与故障相电压同相位,基此可准确选择出故障相.文献[30]中实测弧光接地的过渡电阻含有感性分量,电压相位超前电流相位最大约10°.考虑配电网各相电压相角相差接近120°,弧光接地带来的10°误差不影响选相结果的准确性.

(2) 故障特征放大:根据式(21)可知,接地电流U_AY_E是馈线保护的关键特征量,若对相电压U_A进行调制,可以放大故障电流,有利于提升高阻接地故障的检测灵敏度.由表1可知,对于A相故障,具备将A相抑制为0的线电压包含3种,其中U_AB对A相电压的放大效果最明显.考虑到配电网设备绝缘按照线电压设计,因此需满足U_A= $|n U_{A B} + E_{A}|$ ≤ $\sqrt{3}$ E_A.以A相为例,接入的线电压nU_AB与A相电压的矢量关系如图6所示.图中,三角形OMN为直角三角形.若令E_A=1、U_A= $\sqrt{3}$ 、边MN为z,则 nU_AB=2z,可得方程:

4z²+2

$\sqrt{3}$ z-2=0

(22)

图6

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图6 接入的线电压与A相电压的矢量关系

Fig.6 Vector relationship between line voltage and Phase A voltage

式(22)中一元二次方程含有两个实根,解得:

$\frac{- 2 \sqrt{3} \pm 2 \sqrt{11}}{8}$

(23)

考虑z只能为正数,2z≈0.792.因此,中性点接入线电压U_AB且其幅值约为0.792倍的电源电势时,A相电压U_A等于线电压,B相电压U_B减小为0.5E_B,C相电压U_C增大为1.3E_C,BC两相电压均小于线电压,符合配电网运行的绝缘安全范围.

综上,基于线电压调控的高阻接地电流主动抬升和接地馈线保护方法为:当发生高阻故障时,中性点引入2.3节的最佳线电压、并调整隔离变压器变比n=0.792/ $\sqrt{3}$ ,使故障相电压与线电压大小相等;根据式(21)计算此时各馈线的零序电流理论值3I₀_i,然后与各馈线零序电流实测值3I_F_i对比,二者相等的线路即为正常线路、反之则为故障线路.由式(22)可知,通过线电压调控将故障相电压钳制为线电压大小,主动抬升故障电流,放大了故障线路零序电流理论值与实测值之间的差异,提高了高阻故障选线灵敏度.

实际应用中,高阻接地引起的故障特征微弱,零序电压的偏移度很小,很难与正常状态区分.因此在未知电网是否发生高阻故障的情况下,应定期主动抬升各相电压,监测各相线路对地的绝缘状态,计算接地电流,选择故障线路和故障相.该方法所用设备简单可靠、成本低廉、控制便捷,能够提升高阻接地故障的检测灵敏度.

4 配网故障消弧与馈线保护综合控制实现

基于线电压串调制阻尼接地的配电网故障消弧与馈线保护控制流程如图7所示.

图7

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图7 配电网故障消弧与馈线保护控制流程

Fig.7 Control flow of fault arc suppression and feeder protection in distribution network

(1) 正常运行状态.配电网正常运行时,根据式(8)和(9)快速计算配电网总零序导纳Y_Σ=jωC_Σ+G_Σ和参数自然不对称矢量和k_Z,调制阻尼的消弧线圈以随调试方式运行.跟踪监视零序电压,若零序电压大于15%相电压时,判定发生低阻故障.

(2) 高阻故障识别.高阻接地故障特征微弱,难与正常状态区分.考虑配电网三相分布参数存在自然不对称且小于3.5%^[31],若零序电压小于3.5%相电压,则认定为正常状态;若3.5%相电压小于零序电压且零序电压小于15%相电压,则需要预警,在中性点接入0.792倍电源电势的线电压以抬升各相电压,然后观测各线路零序电流,根据式(21)判别是否存在故障,并进行故障选相,同时根据各馈线零序电流实测值和理论值进行选线.考虑频繁调压不利于电网安全,根据小电流接地系统单相接地故障后允许运行1~2 h的规定,建议每隔1~2 h进行一次高阻故障检测流程.实际中,抬升相电压后采集2~3个稳定工频周期的信号即可,考虑调压暂态时间一般不超2 s,一次检测流程可在3~5 s左右的时间完成.对于低阻接地故障,故障特征明显,现有故障选线选相方法较多且具有较好的检测准确率.

(3) 故障消弧.线电压串调制阻尼接地是对基于电力电子的有源接地装置的等效和替代.由于调制阻尼主要为消弧线圈,所以实际消弧可以分两步进行:①若发生接地故障,先将随调试消弧线圈投入,快速补偿接地电流的主要成分,即电容电流;②根据式(19)计算能够补偿接地电流中的有功分量和不平衡分量所需的接地线电压、隔离变压器变比和调制阻尼,实现接地基波电流的全补偿;隔离变压器变比与调制阻尼可以提前预设,所需设备响应时间仅为开关动作时间.

(4) 消弧延时返回.实际中70%以上的接地故障为瞬时性故障,针对绝大多数的瞬时性接地故障,消弧装置无需持续运行,可经过一定延时后返回,返回时间需要考虑以下3个方面:①故障点的电弧熄灭并使周围介质恢复绝缘强度所需要的时间;②消弧装置操作机构恢复并准备好再次动作所需要的时间;③应留有一定时间裕度.根据上述3个方面,建议返回时间为0.5~1.0 s,若故障依然存在则继续进入消弧状态.

5 仿真实验验证

利用MATLAB/Simulink仿真验证所提基于线电压串调制阻尼接地的零序电压柔性控制方法,及其在故障消弧与馈线保护中的应用.仿真系统为含有3条馈线的10 kV配电网,如图8所示,总电容电流为72.77 A、总有功电流为1.32 A,系统不对称度为1.75%、阻尼率为1.81%,具体各线路绝缘参数及其不对称度等见附录表C1^[32-33],G_F为过渡电导.基于仿真模型分别对配电网参数测量、馈线保护和故障消弧方法的有效性进行验证.

图8

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图8 仿真系统拓扑结构

Fig.8 Topology of simulation system

5.1 配电网参数测量的仿真验证

根据线电压串调制阻尼接地的调压原理可知,配电网参数自然不对称矢量和k_Z、配电网分布总电容C_Σ、配电网分布总电导G_Σ这3个参数是零序电压灵活调控和有源消弧全补偿的参数基础.由式(8)和式(9)可知,仅需改变一次接入中性点的电压即可实现以上3个参数的测量.

配电网参数测量的仿真中,分别选择线电压U_AB和U_BA这一对反向线电压并令隔离变压器变比n为 0.086 6(也即n₂=-n₁),零序电压和零序电流的实验测量值见附录表C2,参数测量结果见附录表C3.由表可见,根据式(8)和式(9)能够准确测量出配电网参数自然不对称矢量和k_Z、配电网分布总电容C_Σ、配电网分布总电导G_Σ这3个参数.实际应用中,仅需把配电网线电压通过隔离变压器接入中性线即可,测量方便,计算误差小.

5.2 馈线接地故障保护的仿真验证

为了验证所提故障选相和选线方法的准确性,在线路1的A相设置10 kΩ过渡电阻的高阻接地故障.然后,根据式(23),线电压U_AB通过隔离变压器单独接入中性点,且接入电压为nU_AB=4.574∠30° kV,此时A相电压实验值为线电压、相角为13.219°,三相线电压保持不变.为了更好地说明故障放大效果和故障检测的优越性,分别与中性点不接地、小电阻接地即中性点接地电阻设为 10 Ω^[34]方式作对比.消弧线圈属于不利于故障检测的接地方式,因此不在比较范围之内.不同接地方式下正常状态与10 kΩ高阻接地故障各线路零序电流值见附录表C4.由表可知,对于中性点不接地和小电阻接地系统,每条线路零序电流均会受10 kΩ高阻接地故障的影响而变化,但是在所提线电压接地方式中,仅故障线路零序电流受接地故障的影响而变化,非故障线路零序电流保持不变.因此,中性点经线电压接地方式下进行故障选线时,无须进行线路间信息的比较,零序电流变化的线路即为故障线路.

中性点经线电压接地方式下发生10 kΩ高阻接地故障的接地电流为1.000∠13.219°A,而不接地和小电阻接地方式下的接地电流分别为0.574∠-0.512°A 和0.578∠-0.045°A.因此,中性点经线电压接地方式对故障电流有明显的放大作用,比直接接地方式提高1.73倍.

根据附录表C4,线路1零序电流的变化量等于接地电流1.000∠13.219°A,其相角与A相电压相角相同;因此,可根据相角特征选择故障相.

通过以上仿真过程可知,所提中性点经线电压接地方式中馈线保护无须进行线路信息的横向比较,线路零序电流变化的即为故障线路,且变量等于接地电流,接地电流的相角与故障相电压相同,故障检测的灵敏度是直接接地系统的 $\sqrt{3}$ 倍.

5.3 故障消弧全补偿的仿真验证

提出计及电网不对称的电压消弧全补偿控制方法,线电压与调制阻尼配合调控零序电压,在计及配电网分布参数不对称的基础上将故障相电压可靠抑制为0.下面以A相故障为例,根据2.2节所提计及配网参数不对称的接地故障消弧方法,通过隔离变压器接入中性点的线电压为U_CA、隔离变压器的变比为0.5,根据式(19)计算调制阻尼为 467.462 mH电感与697.155 Ω电阻的并联.为了与传统降压消弧法作对比,当忽略配电网分布参数不对称时(|k_Z|=0),根据式(19)计算调制阻尼为 466.923 mH 电感与642.450 Ω电阻的并联.两种方式下的A相剩余电压如图9所示.

图9

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图9 A相剩余电压

Fig.9 Residual voltage of Phase A

图9中红色为忽略配电网分布参数不对称的A相电网剩余电压,绿色为计及配电网分布参数不对称的A相电网剩余电压.由图可见,在配电网正常状态下0.2 s投入消弧装置,当计及电网不对称的调制阻尼时,电网A相电压减小至67 mV;当未计及电网分布参数不对称,电网A相剩余电压为 210.279 V.由此可知,忽略电网分布参数不对称,故障相电压并未有效抑制为0,未实现100%有效消弧.

此外,在仿真系统的A相设置单相接地故障,过渡电阻的取值范围设置为0.1~10 000 Ω,测量故障点剩余电流,如图10所示.由图可见,传统消弧法忽略了配电网分布参数不对称,故障点存在较大剩余电流.当过渡电阻为0.1 Ω时,剩余电流为1.273 A;而所提计及电网不对称的电压消弧全补偿控制方法中,当过渡电阻为0.1 Ω时,剩余电流仅为 0.2 mA,实现接地基波电流的全补偿,消弧效果比传统电压消弧法更优异.

图10

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图10 接地剩余电流

Fig.10 Grounding residual current

同时,为了验证所提消弧方法在不同过渡电阻下的有效性,在线路1分别设置过渡电阻为50、100、1 000、2 000 Ω的单相接地故障,当t=0.1 s时发生单相接地故障;在t=0.2 s时,投入线电压与调制阻尼配合的消弧装置,进行低阻接地故障和高阻接地故障的消弧仿真.相应的故障相电压波形图和接地故障电流波形图见附录图C1.由图可见,所提消弧方法在不同过渡电阻下皆能实现故障消弧的全补偿.

5.4 与现有接地方式的比较

所提新型接地方式与现有接地方式的比较结果见附录表C5.中性点经消弧线圈、经小电阻接地方式广泛应用于电容电流大于10 A的配电网中,其中,消弧线圈能够抑制弧光过电压、促进接地故障快速恢复,但无法补偿接地基波电流中的有功分量;有源柔性接地方式多利用有源逆变器、H桥变流器等电力电子装置接入配电网中性点,可实现不平衡电压抑制与接地电流有功、无功、谐波分量全补偿,但由于电力电子设备耐压能力有限,有源接地装置结构冗杂、调控方法复杂、成本高昂.所提基于线电压串调制阻尼接地的配电网新型接地方式具有接地装置结构精简、接地电流全补偿、基于相电压主动抬升的高阻接地故障有效辨识等优势,应用前景良好.

6 结论

提出采用隔离变压器、消弧线圈等传统无源设备的有源接地装置替代方案,具备灵活调控零序电压的功能,并给出其在不平衡接地电流补偿和主动升压的高阻故障检测中的应用,该方案具有抗扰能力强、设备可靠性高、控制难度低、成本低廉的优势.主要结论如下:

(1) 提出基于线电压串调制阻尼接地方式,该方式具有电力电子型有源接地方式能够灵活调控零序电压幅值和相角的优点;同时,给出电网分布电容、绝缘电阻及其不对称参量的精确测量方法.

(2) 提出基于线电压串阻尼电阻的主动降压消弧方法,在计及配电网分布参数不对称条件下可靠钳制故障相电压为0,实现不对称分量在内的接地电流全补偿.

(3) 提出高阻接地故障主动检测方法,利用强稳定性的线电压抬升故障相电压,接地电流可提升到直接接地系统的 $\sqrt{3}$ 倍,提升了高阻接地故障的检测灵敏度且抗扰效果好.

附录见本刊网络版(xuebao.sjtu.edu.cn/article/2025/1006-2467/1006-2467-59-02-0230.shtml)

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