配電網(wǎng)快速開關(guān)型消除弧光接地故障技術(shù)研究

配電網(wǎng)快速開關(guān)型消除弧光接地故障技術(shù)研究1引言

中國(guó)配電網(wǎng)的中性點(diǎn)主要采納不接地和諧振接地兩種運(yùn)行方式，規(guī)程規(guī)定其可以帶單相接地故障運(yùn)行2h。但是隨著配電網(wǎng)中越來(lái)越多的使用固體絕緣的電纜線路，線路絕緣不具有自恢復(fù)性，在發(fā)生單相電弧接地故障時(shí)，長(zhǎng)時(shí)間帶故障運(yùn)行會(huì)造成絕緣損傷積累，在間歇性弧光接地過(guò)電壓的作用下簡(jiǎn)單發(fā)生絕緣擊穿，引發(fā)更為嚴(yán)峻的相間短路事故，所以必需實(shí)行措施消退弧光接地故障。而電纜線路單位長(zhǎng)度對(duì)地電容較架空線路大許多，故障電容電流很大，當(dāng)其值達(dá)到或超過(guò)150A時(shí)，采納諧振接地方式的配電網(wǎng)中消弧線圈將難以補(bǔ)償接地電容電流，不能完全消退電弧。在以電纜線路為主的配電網(wǎng)中，消弧線圈不僅不能消弧，反而會(huì)帶來(lái)選線靈敏度降低等問(wèn)題，必需選擇更為有效的消弧措施以適應(yīng)電網(wǎng)進(jìn)展要求。

根據(jù)熄弧原理，目前配電系統(tǒng)消弧方式大致可分為電流型消弧和電壓型消弧。傳統(tǒng)的中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式屬于電流型消弧，由于消弧線圈不能達(dá)到全補(bǔ)償?shù)哪康模瑖?guó)內(nèi)外學(xué)者嘗試?yán)酶郊拥碾娏﹄娮悠骷M成補(bǔ)償裝置，對(duì)接地殘流進(jìn)行補(bǔ)償[3-8]，稱為有源電流型消弧方式，現(xiàn)階段技術(shù)較為成熟的有瑞典RCC殘流補(bǔ)償裝置[9]、哈佛ERC+補(bǔ)償裝置[3]、華北電力高校主從式消弧線圈[10-13]等。有源電流型消弧方式仍舊存在補(bǔ)償電流有限，響應(yīng)時(shí)間慢，依靠電流精確測(cè)量裝置等諸多缺點(diǎn)，難以廣泛應(yīng)用。電壓型消弧方式則是通過(guò)對(duì)故障相恢復(fù)電壓的掌握，抑制電弧重燃，從而達(dá)到消退電弧的目的[14，15]，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的電壓型消弧方式有將故障相弧光接地轉(zhuǎn)換為金屬性接地、小電抗接地和氧化鋅電阻接地三種。電壓型消弧與故障電流大小無(wú)關(guān)[16，17]，故障電流很大時(shí)也可以達(dá)到完全消弧，相比于電流型消弧方式有較大優(yōu)勢(shì)，已有裝置投入使用[18，19]，但是在裝置的動(dòng)作策略以及相配套的故障判別和故障選相策略方面還有進(jìn)步的空間，需要進(jìn)一步討論。

針對(duì)將故障相弧光接地轉(zhuǎn)換為金屬性接地的電壓型消弧方式，本文討論了一種配電網(wǎng)快速開關(guān)型消弧技術(shù)，介紹了該技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)消弧線圈的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)其消弧原理及相應(yīng)的故障判別、故障選相、故障選線等環(huán)節(jié)的流程進(jìn)行討論，并通過(guò)仿真驗(yàn)證了快速開關(guān)型消弧消諧技術(shù)原理的可行性和動(dòng)作流程的合理性。結(jié)果說(shuō)明快速開關(guān)型消弧技術(shù)在理論上可以達(dá)到快速消退電弧接地故障的目的，有助于提高配電系統(tǒng)的供電牢靠性。

2快速開關(guān)型消弧技術(shù)概述

2.1電壓型消弧方式概述

快速開關(guān)型消弧技術(shù)以弧隙恢復(fù)抗電強(qiáng)度理論為基礎(chǔ)[14]，是一種典型的電壓型消弧方式。采納快速開關(guān)將單相弧光接地轉(zhuǎn)換成母線處故障相穩(wěn)定的金屬性接地，實(shí)現(xiàn)接地故障的轉(zhuǎn)移并鉗制故障相恢復(fù)電壓，使得故障相弧隙電壓始終小于弧道介質(zhì)的恢復(fù)強(qiáng)度，電弧將不會(huì)重燃。電容電流分布圖如圖1所示。

由式（1）可知故障電流與線路對(duì)地電容直接相關(guān)，配電網(wǎng)中大量使用電纜線路時(shí)，線路對(duì)地電容大幅度增加，電流型消弧方式的應(yīng)用將受到限制。

利用快速開關(guān)將線路弧光接地故障轉(zhuǎn)換為母線金屬性接地，見(jiàn)圖1中虛線，線路故障點(diǎn)電弧電流全部轉(zhuǎn)移到母線的金屬性接地相，流過(guò)故障點(diǎn)的電弧電流快速降為0，電弧很快熄滅，而且故障相電壓被鉗制在較低水平，電弧不發(fā)生重燃，從而消退弧光接地故障。

電壓型消弧方式不受接地電容電流大小的影響，在實(shí)現(xiàn)完全消弧的同時(shí)避開了有源電流型消弧方式中對(duì)故障電流的簡(jiǎn)單追蹤和補(bǔ)償計(jì)算過(guò)程，消弧過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)潔，響應(yīng)時(shí)間短。

2.2快速開關(guān)開斷技術(shù)

在發(fā)生單相接地故障時(shí)，要求開關(guān)在盡可能短的時(shí)間內(nèi)將弧光接地故障轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的金屬性接地。傳統(tǒng)的機(jī)械開關(guān)雖然帶負(fù)載力量強(qiáng)、導(dǎo)通穩(wěn)定，但響應(yīng)速度慢，一般在50ms左右，不能滿意開關(guān)快速動(dòng)作要求；電力電子開關(guān)響應(yīng)速度快，但其通態(tài)損耗過(guò)大、耐壓力低。因此，快速開關(guān)型消弧裝置一般采納基于電磁斥力機(jī)構(gòu)的改進(jìn)型快速開關(guān)，可實(shí)現(xiàn)7ms內(nèi)合閘，3ms內(nèi)分閘，開斷電流達(dá)40kA，能夠滿意快速分合閘并且在兩相接地故障時(shí)快速斷開短路電流的要求。

改進(jìn)型快速開關(guān)是一種基于渦流原理的新型快速操動(dòng)機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。主要由真空滅弧室、動(dòng)導(dǎo)電桿、分合閘線圈、金屬盤等組成[20-21]。滅弧室內(nèi)動(dòng)觸頭的操作機(jī)構(gòu)由電磁斥力機(jī)構(gòu)帶動(dòng)。電磁斥力機(jī)構(gòu)的工作原理：當(dāng)開關(guān)收到合閘（或分閘）命令時(shí)，分閘（或合閘）線圈中產(chǎn)生持續(xù)幾毫秒的脈沖電流，勵(lì)磁線圈在此脈沖電流作用下產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)，同時(shí)金屬盤因感應(yīng)出渦流而產(chǎn)生電磁力。金屬盤受到洛侖茲斥力的作用快速運(yùn)動(dòng)，通過(guò)連桿驅(qū)動(dòng)真空滅弧室的動(dòng)觸頭動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)快速真空開關(guān)支路的快速分合閘。

3快速開關(guān)型消弧裝置

3.1快速開關(guān)型消弧裝置結(jié)構(gòu)

基于電壓型消弧方式的快速開關(guān)型消弧裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示。裝置通過(guò)電壓互感PT的幫助二次開口三角電壓來(lái)推斷系統(tǒng)是否發(fā)生故障，掌握器ZK推斷是否為單相接地故障并推斷故障相。若系統(tǒng)發(fā)生單相弧光接地故障，則掌握分相真空接觸器JZ合閘將故障相直接接地，消退電弧。JZ第一次閉合數(shù)秒后，掌握器ZK自動(dòng)令接觸器打開，此時(shí)若故障消逝，系統(tǒng)自動(dòng)恢復(fù)正常運(yùn)行，掌握器退回初始狀態(tài)。

3.2快速開關(guān)型消弧裝置動(dòng)作流程

快速開關(guān)型消弧消諧裝置可完成故障判別、快速選相、快速開關(guān)動(dòng)作及故障選線等一系列動(dòng)作流程，從而實(shí)現(xiàn)快速消退單相接地故障和PT鐵磁諧振故障，并保證后續(xù)故障處理過(guò)程的平安牢靠。裝置整體動(dòng)作流程如圖4所示。

3.2.1單相接地故障判別流程

配電網(wǎng)中需要與單相接地故障區(qū)分的故障類型有PT鐵磁諧振故障和PT一次側(cè)斷線故障，均可引起PT二次側(cè)開口三角電壓上升。

通過(guò)監(jiān)測(cè)PT二次側(cè)開口三角是否消失零序電壓來(lái)推斷系統(tǒng)是否發(fā)生故障。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，依據(jù)自限流抑制器動(dòng)作與否推斷系統(tǒng)是否發(fā)生PT鐵磁諧振。自限流抑制器是一種熱敏電阻，正常運(yùn)行時(shí)阻抗幾乎為零，而PT中性點(diǎn)流過(guò)較大電流時(shí)阻抗快速增大，破壞零序諧振回路[22]，消退PT鐵磁諧振。若未發(fā)生PT鐵磁諧振，再讀取三相電壓數(shù)據(jù)，若其中一相或兩相為正常電壓，其他相電壓為零，則推斷發(fā)生了PT一次側(cè)斷線故障，系統(tǒng)發(fā)出告警信號(hào)；否則推斷為系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障。

3.2.2單相接地故障選相流程

單相接地故障選相依據(jù)為故障后母線三相電壓，若有一相電壓接近0，另外兩相電壓上升接近線電壓，則說(shuō)明故障接地電阻較小，可直接判定電壓最小相為故障相，而且由于故障相暫態(tài)電壓變化明顯且持續(xù)時(shí)間短，可實(shí)現(xiàn)很短時(shí)間內(nèi)通過(guò)三相電壓的最大值推斷出故障相。若三相電壓均較大，則推斷為大電阻接地故障，此時(shí)故障相電壓不肯定是三相最低的[23]，需要通過(guò)故障相前一相電壓最高這一特征綜合推斷。

3.2.3快速開關(guān)動(dòng)作流程

首先，故障相快速開關(guān)收到合閘信號(hào)后會(huì)快速閉合，將故障點(diǎn)處接地電流轉(zhuǎn)移到母線處，使故障電弧熄滅并抑制電弧重燃。然后，依據(jù)選線結(jié)果識(shí)別發(fā)生故障的線路是否為電纜線路，由于電纜線路故障后絕緣不能恢復(fù)，必需排解線路故障才能重新恢復(fù)正常運(yùn)行，因此快速開關(guān)合閘后不再分閘，電弧不會(huì)再次進(jìn)展，同時(shí)保證故障點(diǎn)電壓在平安電壓以下，愛(ài)護(hù)工作人員平安；若發(fā)生故障的線路為架空線，臨時(shí)性的弧光接地故障在開關(guān)閉合后數(shù)秒內(nèi)就能夠徹底消退，且絕緣也恢復(fù)到初始狀態(tài)，斷開快速開關(guān)后系統(tǒng)隨即恢復(fù)正常運(yùn)行，不會(huì)有接地故障信號(hào)；若架空線路上發(fā)生的是永久性接地故障，快速開關(guān)斷開后，接地故障仍舊存在，此時(shí)母線故障相快速開關(guān)需要再次動(dòng)作合閘，以轉(zhuǎn)移故障點(diǎn)電流并保證工作人員的平安。

考慮到故障相金屬性接地后，非故障相電壓會(huì)上升至線電壓，可能使線路上絕緣薄弱點(diǎn)發(fā)生接地故障，或者裝置選相錯(cuò)誤，均會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生兩相短路故障。此時(shí)，快速開關(guān)可實(shí)現(xiàn)短時(shí)快速分閘，避開更嚴(yán)峻的后果發(fā)生。

3.2.4單相接地故障選線流程

快速開關(guān)消弧裝置會(huì)依據(jù)發(fā)生故障的線路為電纜線路還是架空線路來(lái)選擇不同的處理方案，因此需要精確?????的選線流程。

配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，故障線路零序電流與非故障線路零序電流方向相反，且幅值為非故障線路的零序電流幅值之和。在母線快速開關(guān)動(dòng)作時(shí)故障相零序電流會(huì)轉(zhuǎn)變方向，而非故障線路零序電流的方向不變。可依據(jù)以上兩個(gè)特征推斷出故障線路。

4單相接地故障及故障消退過(guò)程仿真分析

為驗(yàn)證快速開關(guān)型消弧裝置原理的可行性和動(dòng)作流程的合理性，現(xiàn)以某10kV配電網(wǎng)為例，仿真分析系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障以及故障消退的過(guò)程。系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖5所示。圖5中共5條出線L1-L5，其中L1和L2為架空線；L3和L4為電纜線路；L5為一段架空線與兩段電纜混聯(lián)的線路。

利用EMTP/ATP建立配電網(wǎng)系統(tǒng)模型，仿真分析單相接地故障過(guò)程、快速開關(guān)動(dòng)作過(guò)程以及故障選線過(guò)程。

4.1單相接地故障過(guò)程

設(shè)置混聯(lián)線路的電纜段L52中部在t=0.02s時(shí)，A相電壓為正峰值時(shí)發(fā)生單相接地故障。在A相設(shè)置一個(gè)開關(guān)與電阻串聯(lián)接地，開關(guān)閉合模擬接地故障，開關(guān)斷開模擬故障消退。

系統(tǒng)PT二次側(cè)開口三角推斷故障發(fā)生的電壓閾值為30V，而且要求系統(tǒng)發(fā)生單相金屬性接地故障，即中性點(diǎn)電壓為相電壓時(shí)，PT二次側(cè)開口三角電壓為100V，因此系統(tǒng)中性點(diǎn)電壓有效值達(dá)到1.73kV時(shí)，裝置推斷系統(tǒng)發(fā)生故障。

故障電阻為10Ω時(shí)，依據(jù)仿真結(jié)果測(cè)得中性點(diǎn)電壓有效值為5.37kV，母線電壓波形如圖6所示。故障電阻較小時(shí)，母線故障相電壓在很短時(shí)間內(nèi)下降到較低值，而非故障相電壓會(huì)消失一個(gè)較高的暫態(tài)電壓峰值，然后穩(wěn)定到線電壓四周，如圖6所示，可依據(jù)故障后3ms內(nèi)的電壓數(shù)據(jù)，利用三相電壓的最大值即可推斷出故障相，達(dá)到快速選相的目的。

故障接地電阻為400Ω時(shí)，中性點(diǎn)電壓有效值為1.80kV，母線電壓波形如圖7所示。故障電阻較大時(shí)，母線三相電壓均較大，此時(shí)若僅依據(jù)電壓最低相推斷很簡(jiǎn)單造成誤判現(xiàn)象，可以結(jié)合故障相前一相電壓最高這一特征來(lái)綜合判別，提高高阻接地時(shí)故障選相的正確率。

4.2快速開關(guān)合閘過(guò)程

消弧裝置的掌握器最快可在3ms內(nèi)推斷出故障相，分相快速開關(guān)在收到合閘信號(hào)后7ms內(nèi)完成合閘。在模型中設(shè)置母線A相快速開關(guān)在t=0.03s時(shí)合閘，故障相母線金屬性接地。

快速開關(guān)合閘后故障接地電流和經(jīng)快速開關(guān)入地的電流波形如圖8所示。故障相母線金屬性接地后，故障點(diǎn)電流快速減小，絕大部分故障電流轉(zhuǎn)移到母線金屬性接地相，故障點(diǎn)接地電弧電流不足以維持電弧燃燒，電弧快速熄滅，而且母線金屬性接地會(huì)將故障相電壓限制在很低值，電弧很難重燃，即達(dá)到熄滅電弧的目的。

4.3故障選線過(guò)程

故障過(guò)程及快速開關(guān)合閘過(guò)程中故障線路L5與非故障線路L3和L4為例）零序電流波形如圖9所示。單相接地故障時(shí)，故障線路零序電流與非故障線路零序電流方向相反，且比非故障線路零序電流幅值大許多。在t=0.03s故障相母線快速開關(guān)合閘時(shí)，故障相零序電流有明顯的轉(zhuǎn)變方向過(guò)程，而非故障線路零序電流方向不變，依據(jù)這一特點(diǎn)可大大提高選線的精確?????性。

線路的兩個(gè)分支線路零序電流特點(diǎn)與上述類似，可同理推斷出故障分支。

4.4快速開關(guān)分閘過(guò)程

對(duì)于架空線路上發(fā)生的臨時(shí)性單相接地故障，母線故障相快速開關(guān)合閘一段時(shí)間，確保故障電弧完全熄滅，線路絕緣恢復(fù)到原始狀態(tài)后會(huì)再次動(dòng)作分閘，以恢復(fù)配電系統(tǒng)正常運(yùn)行狀態(tài)。設(shè)置架空線L1中部在t=0.02s時(shí)發(fā)生單相接地故障，母線故障相快速接地開關(guān)在故障后10ms時(shí)合閘，單相接地故障在開關(guān)合閘0.02s后，t=0.05s熄滅，而開關(guān)在t=3.05s時(shí)分閘，線路恢復(fù)正常。

快速開關(guān)分閘后母線三相電壓波形如圖10所示。三相電壓在快速開關(guān)分閘后快速恢復(fù)到正常值，配電網(wǎng)恢復(fù)正常運(yùn)行。

對(duì)于架空線路永久性單相接地故障，快速開關(guān)分閘后仍有故障信號(hào)，就會(huì)快速再次合閘，設(shè)置再次合閘時(shí)間為t=3.06s。永久性接地故障過(guò)程故障點(diǎn)電壓波形如圖11所示。故障消退前故障點(diǎn)電壓為672V，母線故障相金屬性接地后故障點(diǎn)電壓為30V，保證了工作人員和故障點(diǎn)四周人畜的平安。

5結(jié)論

本文提出在中性點(diǎn)不接地的配電系統(tǒng)中采納快速開關(guān)型消弧技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)消弧線圈，對(duì)裝置的消弧原理及動(dòng)作策略進(jìn)行了分析和仿真驗(yàn)證，得出以下結(jié)論：