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)運行的過程中，經常會出現單相接地故障電流和弧光過電壓情況。近年來，隨著城鎮(zhèn)建設的不斷加強，供電系統(tǒng)持續(xù)擴大，電纜數量不斷增多，導致單相接地故障電流急劇增加，故障點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、影響不斷擴大，對于供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性產生了極大威脅。一直以來，學界對于接地故障消弧和減小接地電流方面的研究從未停止，接地電流全補償概念應運而生。在此基礎上，本文針對新型接地故障基波電流全補償柔性控制系統(tǒng)展開研究和探討，對電網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償柔性控制原理

接地電流全補償措施是針對配電網接地故障消弧和減小接地電流而提出的，主要補償方式包括以下2種類型。一是有源全電流補償，主要借助有源逆變器實現在中性點注入電流，達到補償效果；二是無源基波電流全補償，主要通過在電網接入偏置元件，以達到補償目的[1]。柔性控制系統(tǒng)是基于第2種方式提出的，在電網實際運行過程中，相較于諧振接地系統(tǒng)，中性點不接地系統(tǒng)在正常運行過程中的零序電壓較低，因此電網穩(wěn)定性較高，適合接入偏置元件，以此構建柔性控制系統(tǒng)。在實際運用柔性控制系統(tǒng)的過程中，一旦發(fā)生單相接地故障，根據零序電壓能夠有效實現對于電容分布情況和絕緣電阻的測量，進一步計算電網絕緣參數，并以此明確基波電流全補償偏置元件要求。在出現單相接地故障時，柔性系統(tǒng)可以對故障電流和絕緣電阻進行計算，并以此控制補償元件進行投切。當接地故障電阻較高時，電流相對較小，此時不會出現電弧自燃情況，因此無須接入補償元件；當接地電流較高時，需要以此分析故障相，并通過柔性控制將預調好的補償元件接入線路中，完成基波電流的補償，實現對于故障相電壓的控制，避免出現電弧自燃事故。

2 柔性控制系統(tǒng)運行要點

2.1 測量電網絕緣參數

柔性控制系統(tǒng)在實際運行的過程中需要對電網絕緣參數進行測量，以此配置相應補償元件。當前測量中性點不接地系統(tǒng)的電網絕緣參數方法相對較多，其中以偏置電容法為主，但在實際應用的過程中應注意以下2點。其一，僅針對電網電容電流無法測量絕緣電阻的情況；其二，系統(tǒng)不平衡度的增加，會導致該方法測量結果的誤差有所增加[2]。偏置電容法的測量是在線路參數嚴格并忽視絕緣電阻基礎上實現的，Cad為偏置電容，當將其接入A相時，可計算得到中性點的電壓為

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

電網總分布電容的計算公式為

電容電流的計算公式為

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Cad的電流。

值得注意的是，實際電網運行過程中，其不對稱度通常為0.5%～1.5%，嚴重情況下可能會達到3.5%，而且相比架空線，電纜線不對稱性偏小。電網阻尼率通常為1.5%～4%，絕緣老化或者存在嚴重污穢時可升至10%左右[3]。在實際進行絕緣參數計算的過程中，還需要考慮電網線路參數不對稱以及絕緣線路情況，并進一步明確偏置電容法的誤差因子。

基于此，在加入偏置補償元件和考慮電網參數不對稱的情況下，依次對系統(tǒng)不平衡電壓、電網零序電壓、流經偏置元件電流、電網對地分布總電容以及線路絕緣電導依次進行計算，并將參數不對稱矢量和代入到電網零序電壓計算公式中，能夠有效解決電網不對稱問題。對此，在實際應用柔性控制系統(tǒng)的過程中，僅需對偏置補償元件投入前后的電壓和電流進行測量，就能夠通過計算得到精準的絕緣參數。為了保障電網運行安全，選擇電阻作為偏置元件，同時要求其在保障偏置元件接入電網后，零序電壓位移能夠達到15%左右，既不會影響電網的正常運行，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，傳統(tǒng)選相判據并不具備可靠性，甚至是失效的，應根據電壓變化情況進行選相判斷。對此，當系統(tǒng)A相發(fā)生單相接地故障時，應對電網零序電壓進行計算，并明確故障電流與電網絕緣參數、故障前后零序電壓之間的關系，以此判斷故障電流與電壓處于相同相位，并根據電流相位判斷故障相。此外，在電網參數對稱的情況下，故障電流和故障相不會受到電網不對稱影響。在此基礎上，用故障電壓除以故障電流即可計算得到過渡電阻[5]。

2.3 基波電流補償方法

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注入電流以控制零序電壓的方式所需要使用的設備相對復雜，而且并未充分考量電網不對稱度的問題，因此實用性有待商榷[6]。為了解決這一問題，可通過在故障相超前相對地接入組感性偏置補償元件的方式，實現對于零序電壓的有效控制，以此達到電壓消弧效果。對此，需要先明確電網參數不對稱矢量和，并在此基礎上計算零序電壓，然后假設零序電壓與故障相電源電勢相反，以此使得故障相電壓為零，同時探討消除間歇性電弧自燃的條件，明確偏置補償元件等效并聯電感和電導需要滿足的情況。在此基礎上，明確電網C相電壓，分別探討電網線路參數嚴格對稱與不對稱等情況，然后計算偏置補償元件等效并聯電感和電導的矢量和。

在電網線路參數嚴格對稱時，單相接地故障有功和無功電流偏置補償原理如圖1所示，其中I表示相電壓UC在偏置補償元件上產生的電流，ILM表示電感電流，IGM表示電導電流，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，CΣ表示電網總分布電容。當偏置元件在C相上的電流與A相金屬性接地故障電流相等時，能夠實現電流全補償。在電網線路參數不對稱的情況下，偏置接地故障電流全補償方法能夠消除電網不對稱故障電流所造成的影響。值得注意的是，在實際應用基波電流全補償方式的過程中，應精確進行絕緣參數的測量，才能保障后續(xù)計算結果的準確性，確保相應偏置補償裝置的配置合理[7]。

圖1 單相接地故障有功和無功電流偏置補償原理

2.4 接地柔性控制流程

在電網發(fā)生單相接地故障的過程中，過渡電阻的存在會影響故障特點的表現，若中性點不接地系統(tǒng)出現高阻接地故障時，故障發(fā)生的瞬間中性點電壓位移較小，無法滿足電弧自燃條件[8]。在系統(tǒng)運行過程中，由于諧振回路會使得中性點位移電壓增加，可能會滿足電弧自燃條件，應將諧振接地系統(tǒng)放置在距離諧振點較遠的位置，但同時這種操作也會影響補償效果。故障發(fā)生后，系統(tǒng)仍然處于全補償狀態(tài)，若出現高阻接地情況，則會導致諧振過電壓較大，還可能會出現虛幻接地情況，影響故障判斷，這些都會降低電網運行的安全性和可靠性[9]。在實際應用柔性控制系統(tǒng)時，可從故障電流和電阻之間的關系入手，以此實現對于偏置補償元件投切行為的柔性控制?；诖耍敯l(fā)生接地故障時，可對補償元件的阻抗值進行調整，并通過零序電壓變化情況進行判斷。若其與故障未發(fā)生時的設定值相同，則說明故障已經消除，可以切除補償元件；若零序電壓發(fā)生變化，則判斷為永久性故障，將補償元件調整為全補償值[10]。根據上述邏輯關系和操作步驟，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針對上述柔性控制系統(tǒng)展開仿真實驗，以此分析接地故障基波電流全補償柔性控制系統(tǒng)的應用效果。基本仿真條件設置如表1所示，仿真系統(tǒng)為10 kV配電網。經計算，電網總電容為30.655 μF，對地絕緣總電導為 2.823×10-4S。

表1 仿真條件設置

3.2 仿真實驗

仿真實驗主要包括電網絕緣參數測量、接地電流預測、電阻測量、選相以及偏置接地基波故障電流全補償方法等，分別針對上述討論方法進行驗證分析。

（1）當偏置元件選用650 Ω的電阻時，將電阻分別投入到三相電源中，然后進行零序電流和電壓的測量，并計算電網絕緣參數，經過分析計算結果發(fā)現，偏置電阻的接入并不會影響絕緣參數測量結果，測量到的電網分布電容以及絕緣電阻也不會受到電網的不對稱影響，說明上述測量方法具有較強的可靠性。

（2）通過對電流、電阻以及選相測量方法的驗證分析，得到接地電流相位與故障電壓相位相同，說明可以根據此方法進行選相判斷，也可實現對于過渡電阻的準確計算。

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

4 結 論

新型接地故障基波電流全補償柔性控制系統(tǒng)主要是通過在電網中接入偏置補償元件實現的，該方法不僅能夠實現對于電網絕緣參數、接地電流以及過渡電阻的有效計算，還能夠實現故障電流全補償，有效彌補了消弧線圈的缺陷問題，在實際接地故障處置中具有極強的可行性。