单相接地故障柔性消弧系统的研究李立成

单相接地故障柔性消弧系统的研究李立成

李立成

(国家能源宁夏煤业煤制油分公司750411)

摘要：小电流接地系统发生单相故障接地时，如果不能及时清除故障，很可能发展为相间短路，从而导致严重事故。本项目提出单相接地故障柔性消弧技术，对系统方案进行了设计，对系统参数进行了详细核算，并对柔性电源进行了设计。本项目预期实现经消弧线圈接地系统的高准确度选线功能，研发接地故障的柔性消弧设备，实现10kV系统带接地故障不停电安全运行。

关键词：小电流接地系统；柔性消弧；单相接地故障；电压源

一、研究背景

我国6～35kV配电网中，大多采用小电流接地方式，当单相接地故障时，半绝缘电压互感器需要承受线电压的冲击，一般运行不得超过2小时，长期运行可能造成击穿故障但接地点电流不能补偿为零，往往会带来比较大的危害：1）人或动物等会因为接触过电压或跨步过电压有触电风险；2）对于电缆线路，燃弧会引发火灾，已发生多起电缆起火导致的停电事故，经济损失巨大；3）弧光过电压还会引起非故障相绝缘损坏发展为相间故障。而目前传统的消弧线圈，只能补偿无功残流，不能完全消弧。

中性点不接地运行方式和经消弧线圈接地方式均属于小电流接地方式，其优点是当发生单相接地故障时，可继续运行1～2小时，与大电流接地方式的单相接地直接跳闸相比，极大的提高了供电可靠性。但在电缆居多的供电系统中，发生单相接地后如不及时处理，弧光过电压会引起非故障相绝缘损坏导致故障发展为相间故障,而且接地后燃弧会引发电缆起火导致火灾和停电事故，人员也会受到接触过电压或跨步过电压的严重威胁。近年来,供电系统曾多次发生因电缆单相接地转化为相间短路最终导致停车的重大事故。

本研究通过控制故障点电压小于电弧重燃电压，即故障点接地电缆电流接近于零，实现10kV系统接地故障不停电安全运行。

二、研究方向

本项目提出单相接地故障柔性消弧技术，系统由选线消弧装置、柔性电压源、升压变压器、单相开关等构成。选线消弧装置采集母线三相电压、零序电压、各支路零序电流，在发生接地故障后选出故障线路、故障相。选线消弧装置计算出需要注入的电压的幅值及向量发送给柔性电压源，通过柔性电压源在中性点注入零序电压，控制故障点电压小于电弧重燃电压，即故障点熄弧使故障电流为零，实现10kV系统带接地故障不停电安全运行。

工作原理如图1所示，正常运行时三相电压相位如最左面图所示，中性点电位O和大地N重合。当发生A相接地时，电压相位如中间图所示，大地电位N随着接地电阻变小而沿着虚线由O向EA偏移。柔性电压源注入一个与EA大小相等相位相反的电压向量后，故障相A相对地电压为UA=EA-EA=0，A相对地电压为0，对地电流也为0。B相对地电压UB=EB-EA=EBA，C相对地电压为UC=EC-EA=ECA，非故障相对地电压变为线电压。

图1柔性消弧向量图

三、一次系统方案

3.1单线图

柔性消弧系统单线图如图3所示。柔性电压源采用站用电400V母线输入，经过三相整流桥及单相逆变回路后，接入升压变将电压升至6kV，升压变高压侧经过一个单相隔离开关后接入接地变中性点。

3.2系统参数核算

本项目提供一套100kVA的柔性消弧系统。由于现场系统无消弧线圈，系统接地电容电流全部由柔性消弧系统进行补偿，按照1.2倍裕度考虑100kVA/1.2/5.7kV=14.61A，加装柔性消弧系统的10kV系统的电容电流最大不应超过14.61A。柔性电压源需要的有功功率按照系统阻尼率*电容电流*电压来计算。一般系统阻尼率在0.05左右，考虑一定裕度按照0.1计算。则柔性电压源所需有压源整流桥输入侧功率因素控制为1。故柔性电压源输入电源功率功率为8.3kW，无功功率接近于0。柔性电压源输入采用站用电400V输入，为了防止在系统单相接地时瞬间冲击，由400V站用变提供50kW容量给柔性电压源。站用变副边至柔性电压源输入侧，额定电压为0.4kV，容量为50kW，电流为76A。拟采用ZR-YJV22-0.6/1.0kV-3*120电缆，电缆额定载流量：235A>76A。柔性电压源输出侧至升压变低压侧额定电压为0.4kV，容量为27.36kVA，电流为68.4A。拟采用ZR-YJV22-0.6/1.0kV-2*120电缆，电缆额定载流量：265A>68.4A。升压变高压侧至隔离开关及隔离开关至接地变消弧线圈，额定电压为6kV(相电压)，容量为27.36kVA，电流为4.56A。短路电流为100kVA/(6kV×0.04)=417A。拟采用ZR-YJV22-8.7/15kV-25电缆，电缆在土壤中敷设额定载流量：

152A>4.56A

电缆导体最大允许短路电流(1s)：

3.69kA>417A

图3柔性消弧系统单线图

柔性消弧系统配套柔性电压源额定容量100kVA，输入电压为3相DC400V，输出单相AC400V。升压变压器为单相干式变压器，容量100kVA，变比6kV/0.4kV，短路阻抗4%~6%。

单相隔离开关额定电压12kV，额定电流400A。接地变至柔性电压源输入侧电缆拟采用ZR-YJV22-0.6/1.0kV-3*120。柔性电压源输出侧至升压变低压侧拟采用ZR-YJV22-0.6/1.0kV-2*120，升压变高压侧至接地变电缆拟采用ZR-YJV22-8.7/15kV-25。

3.3柔性电压源

站用变DC400V的电源输入先经过避雷器和滤波器，接入三相AC/DC整流桥整流为直流电。避雷器吸收电源侧浪涌电压，滤波器抑制整流产生的谐波分量。三相AC/DC整流桥整流为直流电后接入DC/AC逆变桥，根据选线消弧装置发出的幅值及相位，逆变出单相交流电压经过滤波器滤波产生正弦波交流电，再经由交流滤波器抑制高频信号传导干扰，最终接入接地变。

柔性电压源输入侧及输出侧均配置交流断路器，断路器为手动操作机构，配置热磁脱扣器作为短路及过流保护。输入断路器后配置交流接触器用以控制电压源投退。

柔性电压源配置PCS-9657-X-P控制器一台，是柔性电压源的控制核心。可以实现整个柔性电压源启停控制、脉冲触发、状态监视，使用光纤与选线消弧装置进行信号传输。

同时，柔性电压源还配置了交流过/欠压、过/欠频过温等多种保护功能，一旦检测到故障及异常，控制器均可有效动作，并发出相应的报警信息，保护柔性电压源的安全运行。

四、预期目标

1）研发经消弧线圈接地系统高阻接地故障选线技术，基于小波包暂态选线算法及高灵敏度零序电流、电压采集技术，实现高准确度选线功能。

2）研发接地故障的柔性消弧设备，通过柔性电压源注入技术，控制故障点对地电压小于电弧重燃电压，即故障点熄弧使故障电流为零，实现10kV系统带接地故障不停电安全运行。

柔性消弧动作时间及测量精如表1。