摘 要

为解决单相接地故障时传统消弧装置只能补偿无功电流分量的问题，本文采用有源消弧装置进行故障残流补偿，以配电网柔性接地技术为基础，通过注入电流控制故障相电压，从而实现故障消弧。同时本文中提出一种电流内环、电压外环的双闭环控制策略，以控制有源电压消弧，该方法的突出特点是不需测量配电网接地电阻等参数，且能够实现故障残流的有效补偿，达到接地故障快速消弧的目的。

关键词：配电网；单相接地故障；故障电流；零残流消弧；双闭环控制

Abstract

In order to solve the problem that the traditional arc-extinguishing device can only compensate the reactive current component when solving single-phase ground fault, this paper uses the active arc-extinguishing device to compensate the residual residual current. Based on the flexible grounding technology of the distribution network, the fault phase is controlled by the injection current. Voltage, thus achieving fault arc suppression. At the same time, a double closed-loop control strategy of current inner loop and voltage outer loop is proposed to control the active voltage arc-extinguishing. The outstanding feature of this method is that it does not need to measure the grounding resistance and other parameters of the distribution network. The effective compensation of the residual current of the fault reaches the purpose of fast arc suppression of the ground fault.

Key Words：Distribution network；single-phase ground fault；fault current；zero residual flow arc suppression；double closed loop control

目 录

第1章 绪论 1

1.1 选题背景及意义 1

1.2 配电网中性点运行方式 2

1.2.1中性点非有效接地运行方式 2

1.2.2 中性点有效接地运行方式 6

1.3 本文所做的主要工作 8

第2章 消弧必要性 9

2.1 配电网单相接地故障分析 9

2.1.1 配电网单相接地故障稳态分析 9

2.1.2 配电网单相接地故障暂态分析 12

2.2 分析非有效接地配电网 14

2.2.1非有效接地运行方式的特点 14

2.2.2 故障选线 15

2.3单相弧光接地过电压 16

第3章 配电网消弧方法研究 18

3.1 配电网消弧方法 18

3.1.1 电流消弧法 18

3.1.2 电压消弧法 18

3.2 消弧装置研究 19

3.2.1 消弧线圈 19

3.2.2 调谐方式 19

3.2.3 消弧线圈的补偿原理 20

3.3 调匝式消弧线圈 20

3.3.1 调匝式消弧线圈结构 21

3.3.2 补偿原理 21

3.3.3 调匝式消弧线圈特点 21

第4章 配电网单相接地故障零残流消弧 24

4.1 国内零残流消弧发展 24

4.2零残流消弧机理机理研究 26

4.2.1 消弧机理 26

4.2.2 双闭环控制方法 27

4.3 仿真分析 28

第5章 结论 31

参考文献 32

致 谢 33

第1章 绪论

1.1 选题背景及意义

配电网是电力系统的重要组成部分，主要起电能分配的作用，同时作为电力网的末端与用户直接相连，能够对用户供电品质要求进行及时有效反映，同时其运行可靠性、安全性及经济性将会与人们的生活和社会生产直接相关。现今，由于愈来愈多的电力负荷具有冲击性和波动性，并且配电网的运行环境复杂多变，造成配网损耗严重，供电质量日益恶化，故障发生率日渐提升，其中约80%的故障是单相接地故障^[1]。

过去，电网规模和对地电容电流都很小，系统发生单相接地故障时，多数电弧能够自然熄灭，不会造成严重危害，所以中性点不接地方式运行成为我国配电网的优先选择，但也会有少数采用中性点经高电阻接地。随着配电网的不断延伸，电缆线路的日益广泛，故障电流及对地电容电流随之增大，造成电缆绝缘烧毁，故障电弧不能自行熄灭，此时中性点经消弧线圈接地运行方式凭其能够及时补偿系统对地电容电流、有效减少故障点电流、提高系统供电可靠性的独特优势，成为我国配电网中性点接地运行的首选方式。然而最大不足是只单一地对接地故障电流的电容电流分量进行补偿，残流中的有功电流和谐波电流仍存在。

电流消弧和电压消弧是配电网的两种接地故障消弧方法^[2]。利用中性点经消弧线圈接地对电容电流进行补偿，以减小接地故障电流，促进故障消弧，将此方法称为电流消弧法，不足之处是有效补偿困难，消弧效果有限。而电压消弧的实质是对故障相恢复电压进行控制，通过限制故障相电压，防止故障电弧重燃，限制弧光接地过电压。

接地故障电流、故障相电压的恢复过程是影响配网接地故障消弧的两个主要因素。介质损伤与故障电流的大小密切相关，且随着故障电流的减小而减小，此时建弧率减小，对故障消弧十分有利；故障相恢复电压的恢复时间和初速度决定了绝缘的恢复程度，当初速度越小，恢复时间越长时，越有利于绝缘的恢复；当恢复电压越小时，绝缘介质越难被再次击穿，从而有利于防止电弧重燃，实现故障消弧。

综合来讲，配电网单相接地故障消弧，甚至实现零残流消弧的关键是解决接地故障电流及弧光过电压问题。故障点残流越小，越利于熄灭接地电弧，同时对间歇性电弧过电压进行限制。据了解目前我国的传统消弧线圈装置只能对接地故障电流的无功分量进行补偿，不能补偿残流中的谐波分量及有功分量。因此，对能够补偿接地故障电流的谐波及有功分量的技术进行进一步地深入研究，具有十分重要的实际意义。基于此，本文在前期研究的基础上，拟采用有源消弧装置，弥补传统消弧装置不能补偿谐波分量和有功分量的不足，一定程度上提高消弧有效性，实现配电网单相接地故障零残流消弧。

1.2 配电网中性点运行方式

配电网由线路、配电变压器、电抗器、电容器等各种用电设备组成， 在确保有充分供电能力的情况下，能够满足供电可靠性、合格的电能质量以及安全经济运行是对配电网的基本要求。正常运行情况下，三相交流配电网的中性点与大地电位类似，认为是零电位。某一相发生接地时，中性点电位会随之变化，与大地间存在较大的电位差，并将此时的电位差称为位移电压。因而中性点经过不同方式与大地相连接，可提高运行安全性及可靠性。

配电网中性点运行方式指配电网中性点与大地间的电气连接方式。中性点运行方式的不同，对配电网绝缘水平、系统供电可靠性和安全运行以及过电压保护的选择等将产生不同的影响^[3]。零序电抗与正序电抗比值是中性点运行方式划分的依据，其值大于3且满足零序电阻与正序电阻之比大于1，可认为该配电网采用中性点非有效接地运行方式；相反，则认为采用中性点有效接地的运行方式^[4]。采用上述两种中性点运行方式的配电网，分别称为中性点非有效接地配电网和中性点有效接地配电网。

1.2.1中性点非有效接地运行方式

中性点非有效接地运行可分为中性点不接地、中性点经高电阻接地及中性点经消弧线圈接地三种运行方式。由于发生一相接地故障时，故障电流很小，并不需要立即切除故障，因此将称为小电流接地运行方式。采用小电流接地运行不仅可以减少接地电流危害，而且电流较小时接地电弧能自动熄灭，减少故障停电事故，提高系统供电的安全性、可靠性。

中性点不接地运行方式

我国多数6-10kV和部分35kV高压电网采用中性点不接地运行方式^[5]，其主要特点是当系统中有一相接地时，每相间的电压大小和相位均未改变，三相系统的平衡未受到影响，系统运行并未破坏，用户用电仍正常进行。

（1）运行情况

在系统正常运行时，三相电压、、对称，每相对地的电容电流对称，且各相对地的电容是相等的，此时大地中并没有电容电流流过，中性点电位为零。
（1-1）

（1-2）

在中性点不接地的三相系统中，A相发生单相接地故障的电路图如图1.1所示。发生接地故障后，A相的对地电压为零，即：，此时，中性点电位为未接地两相电压的向量和，即：，该公式意味着：中性点对地电压变为相电压，并且与接地相的原相电压相位相反。非故障相B、C两相的对地电压升高到相电压的倍，即变为线电压，分别为：、，此时，B、C两相的对地电容电流也随着相电压的升高而增大，变为正常运行时的倍。

图1.1 中性点不接地系统发生单相接地故障

（2）优缺点

该方式结构简单，运行方便，并且不需添加其它的设备；在单相接地故障中瞬时故障占较大比例，一般发生瞬时故障，系统能自行熄弧，且不会破坏系统对称性，系统允许带单相接地故障运行一定的时间，借此为排除故障争取到一定时间。当线路不是特别长时，系统能够自动对单相接地故障进行清除，并不需要跳闸操作，这便是中性点不接地运行方式的最大优势。

中性点不接地时，中性点是绝缘的，没有适宜的能量释放通道供给对地电容使用。 因此在发生弧光接地时，由于电容反复充电的过程依靠电弧的反复熄灭与重燃，对地电容中的能量不能得到释放，电压借此升高，从而产生数值较相电压数倍的谐振过电压或弧光接地过电压，对设备绝缘造成严重的威胁。

2. 中性点经高电阻接地运行方式

（1）运行情况

在系统中性点和大地之间接入阻值较高的电阻，以限制单相接地故障电流，系统对地电容与所接入的电阻构成并联回路，其接线方式如图1.2所示。

由《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》可知：“中性点经高电阻接地的系统设计理应满足原则（是系统的等值零序电阻、是系统每相对地分布容抗），从而限制因电弧接地故障产生的瞬态过电压。”发生单相接地故障时，电阻电流不小于系统总电容电流，且原理上接地故障电流应小于10A。当接地电容电流超过限定值时，中性点经高电阻接地运行方式无法解决熄弧和接触电压过高的问题，需要尝试其它的接地方式。

图1.2 中性点经高电阻接地系统接线方式

（2）优缺点

有效控制单相接地故障电流，抑制间接性弧光接地过电压，在大型发电机组、发电厂厂用电和一些6~10kV的变电站得到广泛应用。与中性点不接地运行方式相似，中性点经高电阻接地运行的最大特点是电网可以继续带故障运行1~2小时，当接地故障点的电容电流较小时，接地故障可实现自愈，故障接地也不需进行跳闸，减小故障对设备安全、配电网、通信系统及人身安全的影响，提高供电可靠性，实现危害最小化、安全最大化。

由于中性点经高电阻运行的网络适应性差，该接地方式的应用受到极大的限制。采用该种接地方式的电网电容电流一般要求小于10A，电网规模一般不宜过大，所以10kV及以下配电网常采用这种接地运行方式。

3. 中性点经消弧线圈接地运行方式

变压器的中性点与大地之间接一个电感线圈，构成消弧线圈接地系统。当故障电容电流较大超过限制时，电弧不能自行熄灭，此时消弧线圈的电感电流可以补偿故障点的电容电流分量，限制接地故障点电流。其接线方式如图1.3所示。

（1）运行情况

正常运行状态下，消弧线圈中无电流流过，中性点的电位为零。如图1.3所示，当C相发生接地故障时，电感电流会通过接地点和消弧线圈，同时消弧线圈两端的电压将升高为相电压，会超前于90°。与两者相位相反，相差180°，因此接地点处与起补偿作用，相互抵消，这便是消弧线圈的补偿原理。

（2）优缺点

消弧线圈电感电流对接地故障电容电流进行补偿，补偿后残流值不足以维持电弧，因而接地电弧可瞬间自行熄灭。与中性点不接地或经高电阻接地运行相类似，中性点经消弧线圈接地方式运行时，故障接地不需立即跳闸，系统可继续带故障运行2小时；且故障时对通信线路干扰最小，设备安全性好，系统供电可靠性高。

中性点经消弧线圈接地运行时，电网运行方式或其相关参数的改变会影响人工估算电容电流，不能对线路残流及弧光过电压起到良好的抑制作用，并且消弧线圈不可能始终在最佳状态运行，补偿作用也不可能得到完全充分的发挥。

图1.3 中性点经消弧线圈接地系统

图1.4 电压与电流的向量图

中性点经消弧线圈接地运行时，故障点电容电流不能完全被补偿，不过较小的电容电流不致产生危险的间歇电弧。利用消弧线圈的脱谐度表示消弧线圈的电感电流对电容电流的补偿程度，可以分为全补偿、欠补偿和过补偿三种补偿方式。

(1-3)

式中 ——消弧线圈的脱谐度；

——接地点的容性电流；

——消弧线圈产生的电感电流。

（1）全补偿

消弧线圈的电感电流与系统电容电流相等即时，接地点的电流近似为零，此时，称为全补偿。全补偿在一定程度上避免了电弧重燃出现弧光过电压，从消弧来看该补偿方式显然应为最好的。但正常运行时，三相对地电容不完全相等，系统发生单相接地故障时，中性点与大地之间会出现不对称电压，甚至由此引起串联谐振过电压，对电网绝缘造成严重损伤，因此一般不考虑采用全补偿方式。

（2）欠补偿

消弧线圈的电感电流小于系统的电容电流即时，（感抗大于容抗）接地点有尚未补偿的电容性电流，补偿后接地点电流仍为容性，此时，称为欠补偿。切除部分线路时，对地电容会减小；线路送电端某相断线时，该相电容为零，上述情况均可能使系统由欠补偿转变成全补偿，从而产生串联谐振过电压，造成绝缘损伤。因而欠补偿方式也较少采用。

（3）过补偿

消弧线圈的电感电流大于系统的电容电流即时，（感抗小于容抗）接地点有多余的电感电流，且补偿后的残余电流是感性的，此时，称为过补偿。不会引起系统发生串联谐振是过补偿方式的显著特点，所以配电网一般采用过补偿方式，脱谐度在-10%左右。但过补偿运行时，接地处流过的电感电流不能超过规定限定值，否则，接地故障点电弧将不会可靠地自动熄灭。

1.2.2 中性点有效接地运行方式

中性点直接接地和中性点经小电阻接地运行属于中性点有效接地运行方式。在中性点有效接地方式运行时，故障电流较大，需要断路器立即跳闸以切除故障，从而消除大接地电流的危害，因此习惯上又将其称为大电流接地方式。

中性点直接接地运行方式

（1）运行情况

在系统正常运行时，三相系统对称，接地电阻近似为零，中性点没有电流流过，且中性点与大地等电位即，故障相对地电压为零，非故障相对地电压保持不变，中性点直接接地系统如图1.5所示。

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