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1 研究背景
中壓配電網(wǎng)拓撲結構與環(huán)境工況復雜，饋線發(fā)生單相接地故障概率高，而配電網(wǎng)中性點接地方式直接關系接地故障處理。中性點諧振接地配電網(wǎng)采用消弧線圈補償接地故障殘流，降低電弧重燃概率。但消弧線圈無法補償故障殘流有功與諧波分量，消弧效果有限。隨著配電網(wǎng)規(guī)模持續(xù)擴增以及電纜敷設范圍的擴大，單相接地故障殘流增大，故障電弧難以自行熄滅，且易產(chǎn)生故障過電壓，嚴重威脅電網(wǎng)設備與人身安全。相比于消弧線圈的被動式補償，中性點柔性接地方式可主動將故障電壓限制在燃弧電壓以下，保障故障電弧可靠熄滅，同時實現(xiàn)故障過電壓抑制。目前，課題組研發(fā)的中性點柔性接地成套裝置已通過各項入網(wǎng)測試，在各網(wǎng)省公司推廣應用，取得了較好的應用效果。配電網(wǎng)接地故障過零熄弧后的電壓暫態(tài)恢復特性決定了系統(tǒng)過電壓水平及電弧重燃特性，而目前研究主要關注柔性接地裝置對故障工頻特征的作用，柔性接地配電網(wǎng)故障熄弧后暫態(tài)恢復電壓變化機理尚不明確。
2 論文所解決的問題及意義
本文建立了柔性接地配電網(wǎng)接地故障暫態(tài)等值電路，分析了故障暫態(tài)恢復電壓特征隨注入零序電流值與電流注入時機的變化規(guī)律，揭示了不同系統(tǒng)參數(shù)對故障恢復電壓暫態(tài)峰值與恢復速度的影響機理，闡釋了柔性接地方式能夠從原理上避免過電壓產(chǎn)生的原因，對進一步豐富電網(wǎng)中性點接地方式的理論體系、拓展中性點柔性接地與電壓消弧方法的研究思路具有重要意義，為相關產(chǎn)品的研發(fā)和工程推廣應用奠定基礎。
3 論文重點內(nèi)容
1）諧振接地配電網(wǎng)接地故障相恢復電壓暫態(tài)特征分析。
圖1和圖2給出了在不同系統(tǒng)參數(shù)與故障條件下，諧振接地配電網(wǎng)接地故障過零熄弧后的故障恢復電壓包絡曲線。
圖1 不同系統(tǒng)運行參數(shù)下故障相恢復電壓包絡曲線
圖2 不同故障條件下的故障相恢復電壓
當系統(tǒng)失諧度絕對值增大，故障相恢復電壓的初速度上升，且暫態(tài)峰值將隨之增大；同時，恢復電壓的拍振周期減小，電壓穩(wěn)定前的振蕩次數(shù)增多。而當系統(tǒng)失諧度保持恒定，隨著系統(tǒng)阻尼率增大，故障恢復電壓初速度下降，同時恢復電壓暫態(tài)峰值減小。此外，當故障過渡電阻較大時，由于非故障相電壓抬升程度較低，非故障相對地電容與消弧線圈中儲存的初始能量較少，換路后的暫態(tài)能量交換過程較緩和，因此，故障相恢復電壓暫態(tài)峰值較低，且達到峰值的時間較快。而當故障過渡電阻較小時，換路后暫態(tài)能量交換較激烈，導致恢復電壓拍振幅度較大，暫態(tài)電壓峰值甚至超過系統(tǒng)線電壓值，在系統(tǒng)中產(chǎn)生顯著的過電壓，對線路絕緣構成嚴重威脅。
2）柔性接地系統(tǒng)接地故障相恢復電壓暫態(tài)特征分析。
由于故障相恢復電壓中的衰減暫態(tài)分量特性與電弧熄滅時刻零序電壓和消弧線圈電流初值相關，為此，基于圖3所示的中性點柔性接地配電網(wǎng)結構，根據(jù)柔性接地裝置的不同投入時刻，分析了柔性接地裝置在故障過零熄弧前注入電流以及在故障過零熄弧瞬間注入電流這兩種情況下的恢復電壓時域表達式。
圖3 中性點柔性接地配電網(wǎng)單相接地故障示意圖
據(jù)此得到柔性接地裝置在故障過零熄弧前注入電流和故障過零熄弧瞬間注入電流兩種情況下，不同注入電流下故障相恢復電壓分別如圖4-圖5所示。
圖4 不同注入電流在過零熄弧前注入情況下故障相恢復電壓包絡線
圖5 不同注入電流在過零熄弧瞬間注入情況下故障相恢復電壓包絡線
由圖4-圖5均可以看出，當柔性接地裝置注入電流圖片的幅值或相位偏離最優(yōu)值圖片、圖片時，故障相恢復電壓呈現(xiàn)拍頻特性，相較于同樣故障工況下諧振接地配電網(wǎng)的故障恢復電壓達到十余千伏水平，柔性接地配電網(wǎng)可主動將故障電壓迅速鉗制在較低范圍內(nèi)，可有效抑制故障電弧發(fā)生重燃，但其工頻穩(wěn)態(tài)分量不為0。當注入電流的幅值與相位達到最優(yōu)值時(圖片)，故障相恢復電壓包絡線為指數(shù)衰減曲線，因此對應恢復電壓為衰減的正弦函數(shù)，暫態(tài)電壓峰值單調(diào)減小，數(shù)周期后達到趨近于0的穩(wěn)態(tài)值，可確保接地故障可靠消弧。
3）實驗測試。
團隊研發(fā)了配電網(wǎng)中性點柔性接地成套裝置，該成套裝置由可控電流源屏、控制屏與注入變壓器構成，如圖6所示。為驗證不同中性點接地方式配電網(wǎng)故障相恢復電壓的變化特征，在10kV真型配電網(wǎng)實驗場對中性點諧振接地及柔性接地方式進行接地故障真型實驗。
圖6 中性點柔性接地成套裝置
柔性接地裝置投入前后的故障相電壓錄波如圖7所示?？梢钥闯?，諧振接地系統(tǒng)故障相恢復電壓具有顯著的拍頻特性，產(chǎn)生明顯的過電壓，并在600ms時達到暫態(tài)電壓峰值11.3kV，線路絕緣擊穿與電弧重燃風險較大；而在中性點柔性接地系統(tǒng)中，通過向系統(tǒng)中性點注入最優(yōu)零序電流，故障相電壓在100ms內(nèi)被快速抑制到50V以下，故障恢復暫態(tài)期間不產(chǎn)生過電壓，可確保故障電弧可靠熄滅。
圖7 不同中性點接地方式配電網(wǎng)故障相電壓錄波
4 結論
1）采用中性點柔性接地方式可實現(xiàn)故障恢復電壓暫態(tài)時間尺度下的主動抑制，尤其當注入零序電流為最優(yōu)值時，恢復電壓工頻穩(wěn)態(tài)分量被抑制為零，同時暫態(tài)分量呈指數(shù)衰減，與諧振接地方式相比，柔性接地方式從機理上避免了電壓恢復過程中過電壓的產(chǎn)生。
2）故障恢復電壓暫態(tài)特性受系統(tǒng)失諧度、阻尼率、故障過渡電阻及可控零序電流注入時機的影響，在故障過零前注入可控零序電流有利于降低恢復電壓初速度，縮短暫態(tài)電壓恢復時間，實現(xiàn)故障電弧的快速、可靠消除。
