程玉凯

（国网福建电力公司漳州供电公司，福建漳州363000）

电网规模的不断扩大一方面增加了电网传输容量和电网稳定性，另一方面导致单相接地电流也不断增大，增加了发生人身触电事故的概率.近年来高压触电事故已经屡见不鲜：据统计，2019 年全国发生电力人身伤亡事故38 起，死亡43 人，其中电力生产事故29 起，死亡32 人[1].电力安全事故不仅给事故肇事人家属带来无限悲痛，同时可能会造成电网大规模停电，给经济生产带来重大损失[2-3].在所有电网故障类型中，单相接地故障占到总数的70%～80%，因此如何限制单相接地故障电流成为一项亟待解决的问题.

1 消弧线圈对单相接地电流的限制

已有的研究表明，配电网单相接地电流是容性的[4].在图1 所示的单相接地等效电路图中，单相接地电流İd的大小与整个电网等效电容CΣ、电网接地电阻Re和电网电源电压U̇ph有关.因此若在等效电容CΣ两端并联一个电感，与CΣ发生并联谐振，即可完全补偿[5].现实中并联的电感即为消弧线圈，其安装于电网中性点处，若无直接中性点则安装于接地变压器提供的中性点处，现在业已出现无需中性点的三相五柱式消弧线圈，原理是类似的.

图1 单相接地简单等效电路图

消弧线圈除了可以补偿电容电流外，还可减缓单相接地电弧的形成速度，加快故障相电压的下降速度，使电弧更容易熄灭.

电网正常运行时，为了限制中性点偏移电压的升高，消弧线圈一般工作在过补偿（10%左右）状态，当发生单相接地故障时，消弧线圈立刻调节到全补偿状态，有效限制了单相接地电流.

2 单相接地电流的谐波和阻性成分

现代电网由于受各种谐波源（如电力电子装置等）的污染，在零序回路中也出现了大量的谐波成分.另外为了可以快速跟踪单相接地故障基波电流，新型消弧线圈也开始引入电力电子元器件[4]，导致单相接地电流中的谐波起来越多.

单相接地电流中一般还存在较大的阻性成分，这主要是由于输电线路绝缘老化造成的.新架设的输电线路绝缘电阻往往很大，单相接地电流中的阻性分量很小，可以忽略不计，而随着线路绝缘电阻降低，单相接地阻性电流也逐渐增大[6].

消弧线圈的设计初衷是补偿容性基波成分，因而仅采用普通消弧线圈不能补偿谐波成分和阻性电流成分，必须采用其他措施进行补偿.

3 有源补偿技术的基本原理

目前有源逆变技术主要应用于APF（即有源滤波器）中，其基本原理是从被补偿对象中提取待跟踪电流，由逆变补偿装置产生一个与该跟踪电流对象大小相等但极性相反的补偿电流，并将该跟踪电流注入到电网系统中，两者叠加大致抵消待补偿电流的目的[7].因此，单相接地故障电流全补偿方法首先通过算法模拟出待补偿的故障电流，利用有源逆变装置产生与待补偿电流大小相等、极性相反的补偿电流，将该电流注入到零序回路（单相接地故障电流只流通于零序回路）中，从而实现单相接地故障电流的全补偿[8].这样，只要算法可靠，得到的待补偿电流信号足够精确，就能较为理想地实现对单相接地故障电流的全补偿.另外，此方法继承了有源补偿技术的优点：响应迅速，补偿特性不受电网阻抗的影响，不会产生并/串联谐振，无过载问题等.

本文所采用的有源补偿单相接地电流技术与有源滤波技术类似，关键是如何得到单相接地待补偿电流信号.

4 单相接地故障模拟电流计算

因为故障发生地点的不可预见性，因此单相接地电流是不可测量的，但仍可根据等效电路图2 对故障电流进行预测[7].

图2 等效电路图

电容电流可通过如下公式进行预测：

阻性电流可通过如下公式得到：

若想满足单相接地电流的全补偿则应满足：

将式（4）带入式（1）（2），分别得到式（5）（6）：

本文中单相接地故障电流全补偿的实现方法是：在消弧线圈两端（零序回路）并联一个有源逆变装置使其输出电流İbc满足：

就可以实现单相接地电流的全补偿.

5 单相接地故障电流全补偿的实现

本文采用三相五柱式消弧线圈对单相接地电流进行补偿[9]，根据上一节所提方法，对传统三相五柱消弧线圈进行了改进，结果见图3.

图中，新型消弧线圈新增两组二次绕组，一组绕组用于测量系统的三相电源相电压，另一组二次绕组装设了逆变器，提供补偿电流，用以补偿残流的谐波分量和阻性分量.PT1、PT2、PT3用于测量三相的电源相电压，PT4、PT5、PT6 用于测量三相对地电压，PT7用于测量零序电压，CT1用于测量双向晶闸管输出的电流，CT2用于测量逆变器输出的电流.

图3 三相五柱消弧线圈结构

6 仿真分析

仿真模型参数设置如下：仿真系统为单电源10 kV 系统，所带负载为一个谐波负载，100 V 电源经YD 变压器（无中性点）升压到10 kV.与电源相连的“电源本身谐波”是升压变压器因非线性特性产生的谐波，该模块和模型中的消弧线圈装置模块、谐波负载模块、交-交变频器模块共同组成了接地电流中的谐波来源.电源经一条电缆接入母线，电压互感器和消弧线圈装置都连接在母线上，架空线路上的电阻和电感是模拟线路本身的电阻和电感.系统仿真时间为0.2 s，0.1 s投入逆变器.

在PSIM中搭建的仿真模型如图4所示.

图4 PSIM总体模型

图4 中，“电源本身自带谐波”模块、“交-交变频器”模块、“PT”模块、“谐波负载”模块、“消弧线圈装置”模块为PSIM 软件提供的Subcircuit 模块即子电路模块.该模块具有“收纳”功能，可将复杂接线集成到模块内部，使总体模型简洁明了.以“消弧线圈装置”模块为例，其内部结构模型如图5 所示，模型是根据图3 所示原理所建立，该子模块模型图也采用了子电路模块布置.“补偿信号生成”模块、“驱动信号生成”模块和“逆变电源拓扑结构”模块组成了有源逆变装置，用以提供补偿电流，“相电源电压计算”模块和“故障相选择”模块用于故障相的选择，保证故障电流的实时补偿，由于篇幅所限，模块功能的实现未作分析.

图5 消弧线圈的PSIM模型

利用第3 节介绍的方法计算出来的逆变器参考信号波形和逆变器输出电流波形如图6所示.由图6可以看出，在0.1 s逆变器投入工作以后，逆变器输出电流的波形能较为准确地跟踪了参考信号波形.

单相接地电流波形如图7所示.由图7可知，逆变器投入以后，单相接地电流被限制到接近于0.通过对比0.1 s 前后的单相接地故障电流波形，可以看出其中的电容电流成分、阻性成分和谐波成分都得到了有效的补偿，从而验证了本文所提方法的正确性和科学性.

7 结语

单相接地是各类故障中发生概率最高的，造成触电事故的罪魁祸首是单相接地电流，因此如何实现对单相接地电流的全补偿是一个急迫和实际的问题[10-11].本文采用有源补偿技术，通过对单相接地电流预测信号的跟踪补偿，实现了对单相接地电流的全补偿.本文在技术上是可行的，但对硬件的设计和软件的编程还需在以后的工作中深入研究.

图6 参考信号和逆变器输出电流信号

图7 单相接地电流波形