自调节中性点接地方式应对故障选线

胡珂瑞

国网乐山供电公司 四川乐山 614000

摘要：在我国低电压等级电力系统中，配电系统的中性点一般采用不接地或经消弧线圈接地两种接地方式，并且有关规程规定小电流接地系统发生单相接地故障时可以继续运行1~2h。但由于发生故障时非故障相的相电压抬升至相电压，系统容易发生相间故障，且弧光接地还会引起系统过电压。因此，故障发生后迅速准确的检测出故障线路是小电流接地保护系统的关键。本文对此进行简单介绍。

关键词：小电流选线现状；自调节中性点接地方式；故障选线

1 小电流选线现状

现有的小电流选线原理可分为基于稳态分量的选线方法和基于暂态分量的选线方法。基于稳态分量的选线方法主要包括群体比幅比相法、五次谐波法、残留增量法、零序导纳法，基于暂态分量的选线方法主要包括首半波法。

单相接地故障时故障线路电流小、接地电弧不稳定、故障特征模糊和其他影响因素，导致配电线路单相接地故障选线尚未从根本上得到解决。

2 自调节中性点接地方式

自动跟踪补偿消弧线圈根据电感值改变方式的不同，可分为：调节铁心气隙式消弧线圈、调匝式消弧线圈、直流偏磁式消弧线圈、磁阀式消弧线圈、调容式消弧线圈。

现提出一种新型自调节中性点接地方式，拓扑结构如图2-1。

图2-1 新型消弧线圈磁路模型示意图

消弧线圈原边、副边绕组在同一条封闭的磁路上，磁路中存在气隙，原边绕组和副边绕组匝数相同，且采用异铭端连接方式将绕组并联。副边绕组串联反向可控硅堆，当可控硅堆关断时，副边绕组开路，消弧线圈电感等于原边绕组的电感量；当可控硅堆导通时，原边绕组并联副边绕组的等效电感充当消弧线圈的电感，由于异铭端连接，此时的电感值较小，且与耦合因数相关。通过改变晶闸管的触发角控制副边绕组的关断导通比例，可以调节消弧线圈的等效电感值。

假设中性点N施加电压u，晶闸管导通角为󠇐δ。

                    (2-1)

经过理论计算，流过中性点的电流i ：

   (2-2)

由于i为奇对称函数及关于ωt=±kπ（k=0,1,2…）齐对称的周期函数，对式(2-2)进行傅里叶分解可得到其基波分量幅值及奇次谐波分量幅值。

(2-3)

(2-4)

(2-5)

分析：

1)对I1m求导，可得：

            (2-6)

由式(2-6)可知，在 范围内, I1m是一个随δ变化的单调递减函数，新型消弧线圈等效电感随δ变化单调增大。

2)当晶闸管全导通时()，流过消弧线圈电流最大， ,消弧线圈等效电感最小， 。当晶闸管完全关断时()，消弧线圈等效电感最大，。新型消弧线圈电感调节范围为（耦合因数）：

           (2-7)

    由式(2-7)可知，k越大，新型消弧线圈等效电感调节范围越大。对于理想变压器k=1，此时新型消弧线圈等效电感调节范围达到了100%，即调节范围为0~L。

3)流过消弧线圈电流3、5次谐波分量与基波分量的比值：

           (2-8)

          (2-9)

由式(2-7)、(2-8)可知，当δ一定时，各次谐波与基波的比值与M、L的比值即耦合因数k有关，且k增大，谐波的比重会增加，这将不利于接地电弧的熄灭。

3 新型消弧线圈的仿真计算

利用Matlab/Simulink仿真软件建立新型消弧线圈的仿真模型，模拟其运行的电气特征，得到新型消弧线圈等效电感及总谐波失真比(THD)随晶闸管导通角δ的变化规律。

新型消弧线圈仿真模型如图3-1。

图3-1 新型消弧线圈仿真模型

仿真模型中，新型消弧线圈接入一个幅值为100V的正弦电压，设置新型消弧线圈原边、副边电感量，， ，可以得到原副边电压波形及新型消弧线圈电流波形图，如图3-2所示。电流波形与理论分析一致，为奇对称曲线。

图3-2 新型消弧线圈输入电压与输出电流

由仿真结果可知，新型消弧线圈的调节范围与耦合因数相关，且随着耦合因数的增大调节范围变大。k的变化几乎不会改变流过新型消弧线圈的最小基波电流，而对流过新型消弧线圈的最大基波电流有较显著影响，且k值越大，影响更加明显，当k由0.8增至0.9，I­max增加了一倍。新型消弧线圈的调节范围理论上为(1-k)L/2~L，与上述仿真结果一致。

4 与高短路阻抗变压器式消弧线圈的比较

高短路阻抗变压器式消弧线圈基本工作原理如图4-1，其一次绕组接入电网，二次绕组接反向并联晶闸管，通过调节晶闸管触发角控制二次绕组导通关断，实现输出电流的可控调节。

图4-1 高短路阻抗变压器式消弧线圈基本工作原理

高短路阻抗变压器式消弧线圈等效电感调节范围为(1-k­²)L~L（L为高短路阻抗变压器式消弧线圈一次绕组电感，k为耦合因数），等效电感极限调节范围为0~L。本文上述新型消弧线圈等效电感调节范围为(1-k)L/2~L。表4-1为高短路阻抗变压器式消弧线圈调节范围仿真结果，与表3-1新型消弧线圈等效电感调节范围比较可知，新型消弧线圈与高短路阻抗变压器式消弧线圈相比，在相同

k值下新型消弧线圈的电感调节范围更大，随着k值减小新型消弧线圈等效电感调节范围缩小的程度更小。

表4-1 高短路阻抗变压器式消弧线圈电感调节范围

在不同k值下，当晶闸管处于不同触发角δ时高短路阻抗变压器式消弧线圈一次侧电流THD值仿真结果如表4-2所示。与表3-2新型消弧线圈电流THD值仿真结果比较可得，在相同k值下新型消弧线圈电流THD值较大，当晶闸管导通角在30°~60°范围内时新型消弧线圈电流THD值远大于高短路阻抗变压器式消弧线圈基波电流THD值。谐波电流分量较大将不利于接地电弧的熄灭。

图4-2 高短路阻抗变压器式消弧线圈一次侧电流THD值

5 小结

相较于高短路阻抗变压器式消弧线圈，新型消弧线圈具有调节范围更广的特点。但新型消弧线圈电流谐波分量较大，对滤波电路的要求更高。两种消弧线圈在配置滤波电路的情况下也将引入谐波，不利于接地点的灭弧。综上，新型消弧线圈具有补偿电流连续可调的优点，但同时存在着补偿相应慢、有谐波和晶闸管控制稳定性易受影响的问题，在可靠性和灭弧效果方面还有待提高。

6参考文献

[1]涂祖蕾. 中性点经消弧线圈接地系统单相接地故障选线方法[J]. 中国设备工程, 2020, No.453(17):150-151.