李一卓

（國網(wǎng)河南省電力公司新野縣供電公司 河南省新野市 473500）

諧振接地方式符合配電網(wǎng)運(yùn)行對(duì)安全性和可靠性的要求，但是傳統(tǒng)消弧線圈無法對(duì)接地故障電流中的有功分量與諧波分量進(jìn)行補(bǔ)償，導(dǎo)致接地殘流難以控制在規(guī)定范圍內(nèi)。較大的殘流將導(dǎo)致電弧無法及時(shí)熄滅，嚴(yán)重威脅電網(wǎng)的安全運(yùn)行。同時(shí)，接地電弧的維持會(huì)引起過電壓，并使得事故進(jìn)一步發(fā)展，呈現(xiàn)范圍擴(kuò)大化，危害巨大化，給電力系統(tǒng)、用戶和人身安全帶來了巨大的威脅。

本文提出一種自適應(yīng)全補(bǔ)償消弧技術(shù)及方案，能夠快速、準(zhǔn)確地補(bǔ)償殘流，使得接地殘流限制在較小的范圍甚至完全消除，從而有效抑制電弧接地過電壓，保障設(shè)備的安全運(yùn)行，減少供電中斷及發(fā)生電力事故帶來的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)，保證人員人身安全，提高供電的安全性和可靠性。

1 殘流補(bǔ)償理論

如圖1所示，殘流全補(bǔ)償裝置主要由主從式消弧線圈和單相逆變器組成。該消弧線圈由自動(dòng)調(diào)匝式消弧線圈作為主消弧線圈，由基于單相直交逆變單元的可控部分作為從消弧線圈。主消弧線圈補(bǔ)償大部分的基波接地電流，從消弧線圈通過單相電壓源式逆變器，采用PWM 控制技術(shù)生成補(bǔ)償電流，作為主調(diào)匝式消弧線圈的有益補(bǔ)充，補(bǔ)償剩余基波接地電流、接地電流中的諧波分量。

圖1：全補(bǔ)償裝置結(jié)構(gòu)示意圖

配電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，消弧線圈不斷對(duì)中性點(diǎn)電壓、主消弧線圈的檔位和電抗值進(jìn)行檢測，估算出當(dāng)前系統(tǒng)的對(duì)地電容值；依據(jù)計(jì)算結(jié)果調(diào)整主消弧線圈的檔位，使其保持在過補(bǔ)償約15%的位置；利用電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時(shí)的歷史故障錄波數(shù)據(jù)，估算電網(wǎng)各條饋線在不同單相接地故障下的基波電容電流值、各條線路的對(duì)地電容以及電流的畸變成分。

配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，消弧線圈控制器首先確定故障線路；然后利用故障線路的零序電流（即全網(wǎng)除去故障線路本身的故障點(diǎn)的接地電流）、正常狀態(tài)下計(jì)算出的系統(tǒng)對(duì)地電容、估算出的故障線路電容及該故障狀態(tài)下電流畸變的經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行故障全電流的估算，得出整個(gè)系統(tǒng)含故障線路接地電流、含有功分量和諧波分量的故障電流；同時(shí)檢測當(dāng)前主消弧線圈和從消弧線圈的補(bǔ)償電流，應(yīng)用有源逆變算法生成功率器件驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制有源從消弧線圈實(shí)現(xiàn)全補(bǔ)償[1]。

2 控制實(shí)現(xiàn)

2.1 對(duì)地電容參數(shù)的估計(jì)

采用信號(hào)注入法測量接地電容的大小，每次注入不同頻率信號(hào)，信號(hào)注入的步長為0.1Hz，持續(xù)時(shí)間為0.2s，通過檢測零序電壓的最大值，得到諧振頻率值，根據(jù)LC 并聯(lián)諧振的原理，可估算接地電容的大小。頻率發(fā)生電路和振蕩頻率檢測電路如圖 2所示。

圖2：頻率發(fā)生電路和振蕩頻率檢測電路

電網(wǎng)電壓存在固有的不平、非理想電網(wǎng)電壓含有的諧波成分、電網(wǎng)接入大量非線性負(fù)荷等因素，會(huì)造成零序電壓和零序電流中含有諧波成分；同時(shí)，通過單相逆變器向中性點(diǎn)注入的零序電流中的諧波成分會(huì)造成零序電壓中含有諧波分量，因此如何從含有豐富諧波成分的零序電壓的信號(hào)中提取特定的頻率信號(hào)是算法實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。

利用廣義積分器（SOGI）可實(shí)現(xiàn)某特定頻率信號(hào)的提取，但單一SOGI 在處理含多頻率信號(hào)源的某特定頻率信號(hào)提取時(shí)效果不佳。因此，本設(shè)計(jì)基于SOGI 的選頻特性，考慮采用多個(gè)SOGI 組成交叉解耦結(jié)構(gòu)，第1 至第n-1 個(gè)SOGI 的輸出反向后接入第n 個(gè)SOGI 的輸入，形成信號(hào)正反饋，可增強(qiáng)濾波性能，提高SOGI 對(duì)頻率信號(hào)的提取效果，實(shí)現(xiàn)對(duì)某特定頻率信號(hào)的提取[2]。

考慮到電網(wǎng)基波以及電網(wǎng)中比較明顯的5、7、11 次諧波，采用了5 個(gè)SOGI 構(gòu)成本應(yīng)用中的選頻器，用來提取注入的頻率信號(hào)?；诙鄠€(gè)SOGI 的選頻器的結(jié)構(gòu)框圖如圖 3所示。

圖3：基于M-SOGI 的選頻器結(jié)構(gòu)框圖

2.2 故障恢復(fù)控制

在注入電流信號(hào)的作用下，即使單相接地故障恢復(fù)，系統(tǒng)仍然處于諧振狀態(tài)下，中性點(diǎn)電壓保持不變。為了控制消弧線圈及時(shí)退出運(yùn)行，需要破壞系統(tǒng)的諧振運(yùn)行工況，采取合理的退出機(jī)制[3]。

假設(shè)主消弧線圈投入后使得系統(tǒng)處于過補(bǔ)償狀態(tài)，則從消弧線圈后滿足接地電流全補(bǔ)償?shù)南到y(tǒng)如圖4(a)所示，其等效示意圖如圖4(b)所示，圖中Rs和Cs滿足：

圖4：接地故障消失后系統(tǒng)等效電路示意圖

由公式（7）可知，系統(tǒng)將發(fā)生LC 并聯(lián)諧振，諧振頻率為電網(wǎng)角頻率。

令L=L1，C=3C0+Cs，R=Rs//1/(3g0)，根據(jù)二階RLC 并聯(lián)電路的零輸入響應(yīng)建立系統(tǒng)的微分方程為：

系統(tǒng)的特征方程為：

特征根為：

其中：

上式中，α 定義為電路的阻尼系數(shù)；ω0為電路的諧振角頻率。

一般情況下R 很大，系統(tǒng)特征根為共軛復(fù)根，電路處于欠阻尼狀態(tài)，則可得系統(tǒng)的響應(yīng)為：

式中，A 和φ 需要根據(jù)接地恢復(fù)時(shí)刻零序電壓、電感和電容的數(shù)值進(jìn)行計(jì)算。

在全補(bǔ)償狀態(tài)，R=∞，α=0，ωd=ωg，由公式（5）可知，系統(tǒng)零序電壓將以電網(wǎng)頻率做等幅振蕩，而實(shí)際情況下，R 不可能無窮大，則系統(tǒng)零序電壓為幅值按指數(shù)規(guī)律衰減的正弦信號(hào)，振蕩頻率小于電網(wǎng)頻率[4]。

假設(shè)主動(dòng)阻尼電流注入后，在tc時(shí)間后，零序電壓幅值下降到原來的Δ 倍，則可得：

進(jìn)一步可得：

由公式（13）可知，在接地故障恢復(fù)后，需要向系統(tǒng)額外注入正阻性電流即有功電流，才能使得零序電壓幅值處于衰減下降狀態(tài)[5]。

考慮通過控制單相逆變器向中性點(diǎn)額外注入一定大小的有功電流，等效于在并聯(lián)諧振電路中增加阻尼電阻，可抑制系統(tǒng)的諧振；并聯(lián)系統(tǒng)退出諧振過程中，中性點(diǎn)電壓將逐漸下降，而注入的有功電流也將隨著零序電壓的下降而下降，當(dāng)中性點(diǎn)電壓下降至閾值以下，可判斷單相接地故障恢復(fù)，則控制消弧線圈和單相逆變器退出運(yùn)行。

接地故障恢復(fù)檢測框圖如圖 5所示。需要注意的是，因?yàn)閱蜗喙收系幕謴?fù)時(shí)間不確定，因此在整個(gè)接地殘留補(bǔ)償?shù)倪^程中，需要周期性地向系統(tǒng)注入有功電流，從而周期性判斷接地故障是否消失，從而確保消弧線圈和逆變器及時(shí)退出運(yùn)行。

圖5：接地故障恢復(fù)檢測電路框圖

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

以10kV 配電網(wǎng)帶三回路出線系統(tǒng)為例，進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

3.1 接地電容計(jì)算

考慮單相接地后，接地電流為60A，則可得電容計(jì)算值為：

3.2 主消弧線圈電感值計(jì)算

根據(jù)電感和電容并聯(lián)諧振理論，可得理論電感值為：

實(shí)際情況下，主消弧線圈一般處于過補(bǔ)償狀態(tài)，即脫諧度γ＜0，根據(jù)脫諧度的計(jì)算公式：

對(duì)不同的脫諧度有：

由此可得過補(bǔ)償電感值的計(jì)算公式為：

3.3 線路接地電阻計(jì)算

線路接地電阻值電流計(jì)算公式為：

上公式中，零序電壓u0可測，接地電阻值R0不可知，可根據(jù)阻尼率預(yù)估得到。

阻尼率計(jì)算公式為：

阻尼率一般取10%，dg0可取5%，由此可得接地電阻的估計(jì)值為：

3.4 主消弧線圈并聯(lián)電阻計(jì)算

主消弧線圈的并聯(lián)電阻值不可知，可根據(jù)阻尼率預(yù)估得到，一般dgL可取5%，由此可得主消弧線圈并聯(lián)電阻的估計(jì)值為：

3.5 從消弧線圈需要補(bǔ)償?shù)碾娏鞔笮∮?jì)算

主消弧線圈補(bǔ)償了全部電容電流并有5%的盈余，該電流大小為3A；從消弧線圈需要補(bǔ)償接地電阻和主消弧線圈并聯(lián)電阻上的電流，其大小為電容電流的10%，該電流大小為6A。

因此從消弧線圈需要補(bǔ)償?shù)目傠娏鞔笮椋?/p>

其峰值為9.485A。

3.6 單相逆變器容量計(jì)算

由于需要補(bǔ)償?shù)碾娏饔行е禐?.7A，則可得單相逆變器的容量為：

考慮效率以及補(bǔ)償諧波電流的情況，則單相逆變器的容量至少需要50kW。

3.7 單相逆變器輸出電流大小計(jì)算

考慮變壓器的原副邊比值為K=10e3/420，則可得單相逆變器的輸出電流為：

其峰值為226A。

3.8 單相逆變器輸出電壓大小計(jì)算

考慮變壓器的原/副邊比值為K=10e3/420，則可得單相逆變器的輸出電壓為：

其峰值為343V。

對(duì)三相380V 交流經(jīng)整流器輸入的單相逆變器，直流電壓的最大值為537V，因此最大調(diào)制度為：

考慮正常工作時(shí)，直流電壓為最大值的80%，則調(diào)制度為：

4 結(jié)論

本文提出一種低壓配電網(wǎng)單相接地故障的殘流全補(bǔ)償控制方法。分析了單相接地故障的殘流補(bǔ)償基本理論，提出對(duì)地電容電流檢測的實(shí)現(xiàn)方法，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)單相接地故障的殘流實(shí)時(shí)估計(jì)；利用主動(dòng)阻尼電流注入法實(shí)現(xiàn)單相接地故障恢復(fù)的實(shí)時(shí)檢測，確保單相接地故障恢復(fù)后消弧線圈的及時(shí)退出。本文提出的殘流全補(bǔ)償控制方法能夠?qū)崿F(xiàn)配電網(wǎng)接地殘流的實(shí)時(shí)補(bǔ)償，所述方法具有一定的實(shí)用性。