- 頭條一種新型的配電網消弧結構與方法2019-12-16 作者：周興達、陸帥 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室（重慶大學）的研究人員周興達、陸帥，在2019年第6期《電工技術學報》上撰文（論文標題為“”一種基于消弧線圈和靜止同步補償器協同作用的配電網消弧結構與方法）指出，由于線路對地電容的存在，中性點非有效接地系統發生單相線路接地故障后會引起較大的接地故障電流甚至弧光。 本文提出一種基于消弧線圈和三相級聯H橋靜止同步補償器（STATCOM）協同作用的新型配電網單相線路接地故障消弧結構和方法，該結構將STATCOM中性點通過消弧線圈接地，當單相接地故障發生后，消弧線圈補償接地故障電流中的大部分基波分量，另外通過對STATCOM增加共模控制回路，來補償接地故障電流中剩余的基波、諧波和有功分量。 實現了無源與有源消弧措施的結合，提升了單相接地故障電流的補償效果，避免了使用STATCOM中性點直接接地來補償接地故障電流時直流側電壓大幅升高和所需級聯H橋單元增加的問題。另一方面該方法能夠同時實現STATCOM無功補償功能與消弧功能，提高了設備利用率。最后，通過Matlab/Simulink仿真和低壓版實驗系統的結果驗證了該方法的可行性和有效性。
為了提高供電可靠性，中壓配電網一般采用小電流接地方式，包括配電網中性點不接地或經消弧線圈接地等，當發生單相接地故障后，配電網可以繼續供電1～2h。但隨著配電網規模的增大以及電纜線路的大量使用，線路對地電容所產生的單相接地故障電流隨之增大。一般通過在配電網中性點接消弧線圈的方式，可以抑制接地故障電流，防止弧光的發生。
為了更加準確地補償接地故障電流，一種能夠自動跟蹤補償的消弧線圈被采用，但是接地故障電流中一般還會存在一定的諧波和有功電流，消弧線圈并不能對這部分電流進行有效補償。近年來，基于金屬性接地原理的消弧柜裝置逐漸被采用，當單相接地故障發生后，該裝置將故障相線路通過高壓開關直接接地，徹底抑制接地點的故障電流，但該方法一旦對接地故障相判斷錯誤，容易造成相間短路，而且該方法容易激發電壓互感器（PT）過電流，引起鐵磁諧振。
為了進一步提升單相接地故障電流補償效果，基于電力電子技術的有源消弧方法得到了廣泛研究，并取得了一定的成果。瑞典Swedish Neutral公司研發了一種殘余電流補償設備，該設備可以在3個電網周期內將單相接地點的殘余電流基本抑制為零。
文獻[10]提出了將配電網中性點處的消弧線圈替換為有源逆變器的策略，該方法控制靈活，可以實現接地故障電流的全補償，有效防止了消弧線圈與線路對地電容之間可能發生的諧振現象，但是由于該有源逆變器需要補償全部的接地故障電流，導致有源逆變器容量過大，設備造價高。
文獻[11]提出了主從逆變器替代消弧線圈的方法，主逆變器用于補償接地故障電流中的基波分量，從逆變器用于補償接地故障電流中的有功功率和諧波分量，但是此方案同樣存在造價過高的問題。為了減小有源逆變器的容量，文獻[12-13]提出了將配電網中性點處的消弧線圈并聯有源逆變器的方法，其中消弧線圈補償接地電流中的基波分量，而有源逆變器只補償諧波和有功分量，從而大大降低了有源逆變器的容量和成本。
文獻[14-16]提出了一種電磁混合式消弧線圈，采用新型磁控消弧線圈與有源逆變器并聯的方式，也可實現接地故障電流的全補償，并且在此基礎上融合了線路對地參數測量以及單相接地故障選線等功能。
以上有源消弧方法均是將有源逆變器輸出的補償電流通過變壓器耦合到配電網變壓器中性點側，由于以上方案中的有源逆變器僅在單相接地故障發生后才起動運行，平時處于閑置狀態，因此上述方法都存在著造價高昂的有源逆變設備利用率低的問題，同時還存在需要額外提供有源逆變器的直流側電源的問題。
文獻[17-19]提出了一種基于配電網母線側三相級聯H橋結構的新型消弧方法，可以實現接地故障電流的全補償，而且該方法無需單獨提供直流側電源。但該設備與一般的配電網中用于無功補償的靜止同步補償器（Static Synchronous Compensator, STATCOM）相比，每一相的耐受電壓最低為線電壓，而普通的STATCOM設備每一相的耐受電壓僅為相電壓，這無疑需要更多的級聯H橋模塊，大大增加了設備成本；另外，文獻[17-19]也沒有討論單相接地故障下該設備消弧模式能否和無功補償功能同時工作，以及相應的控制方法。
針對以上方案及其存在的問題，本文提出一種改進的消弧結構和方法，其將一般配電網已有的消弧線圈和STATCOM設備重新組合，將安裝在配電網母線側的STATCOM的中性點引出后經消弧線圈再接地。當配電網正常運行時，STATCOM工作在無功補償模式，并且通過共模電流注入法實時檢測線路參數值，以此對消弧線圈的電感值進行動態調整；一旦單相接地故障發生，首先消弧線圈可以補償接地故障電流中的大部分基波分量，然后在STATCOM的控制中加入共模控制回路，在配電網中產生一定的共模補償電流，補償消弧線圈未能完全抵消的接地故障電流以及其中的諧波和有功分量，從而實現接地故障電流的全補償。
與文獻[17-19]的方法相比，本文方法的優勢在于：由于在STATCOM中性點串聯了一定電感值的消弧線圈，使得STATCOM每一相在單相接地故障發生時只需承受相電壓，從而降低了設備成本；同時，單相接地故障時的消弧與無功補償功能可以同時運行，消弧功能不影響STATCOM設備的無功補償功能，從而提高了設備利用率。下面將對本文方法的拓撲結構、工作原理以及控制算法進行闡述。
為了驗證本方法的正確性和有效性，本文不僅在Matlab/Simulink環境下進行了10kV配電網系統的單相接地消弧仿真分析，并且搭建了低壓版的實驗平臺，對本方法的消弧效果進行了實驗驗證。
圖1 配電網拓撲和新型消弧方法示意圖
圖12 低壓實驗平臺
結論
本文提出了一種基于消弧線圈和STATCOM協同工作的新型消弧結構和方法，該方法將STATCOM的直流側中性點經過消弧線圈接地，當單相接地故障發生后，消弧線圈對接地故障電流產生一定的補償作用，同時通過STATCOM產生一定的共模電壓，進行有源消弧控制，將抑制接地點的故障電流到基本為零。
本方法的優勢在于：一方面能夠同時實現設備消弧功能與無功補償功能，提高了設備利用率；另一方面通過在STATCOM中性點串聯消弧線圈，降低了STATCOM用于消弧功能時每相所承受的電壓，減小了設備成本。本文通過Matlab/Simulink平臺對本方法進行了仿真分析，并且搭建了低壓版的實驗平臺，實驗驗證了此方法對于單相接地故障電流的良好抑制效果，為配電網單相接地故障消弧提供了一種行之有效的方法。
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