摘 要

为了实现配电网单相接地故障的电流消弧法并简化其控制方法，本文提出了一种分别控制注入电流幅值和相位得出最优值的配电网单相接地故障有源电流消弧方法。此方法首先通过有源逆变装置产生向配电网中注入的可控电流，接着对注入电流幅值及相位进行解耦控制实验，再结合闭环控制，实现注入电流幅值和相位的最优化，从而将故障相电流抑制到零，最终实现消弧的目的，即电流消弧法。通过仿真分析后，发现此方法不受到对地参数以及故障相接地电阻值得影响，而且能够达到快速抑制故障相电压、削弱故障相电流、实现配电网接地故障有效消弧的目的。

论文主要研究了如何通过整流逆变装置向配电网中性点注入最优电流从而实现电流消弧。

研究结果表明：通过向配电网中性点注入最优电流，可以减小故障电流，实现故障相电压的柔性控制和单相接地故障消弧。

本文的特色：提出了电流闭环控制策略，使系统具有优良的稳定性。

关键词：配电网；单相接地故障；电流消弧法；注入电流；闭环控制

Abstract

In order to achieve the current arc extinction of the single-phase grounding fault of the distribution network and simplify its control method, an active voltage arc extinction method for the single-phase grounding fault of the distribution network based on current optimization is proposed. This method first injects a controllable current into the distribution network through an active inverter device, then automatically optimizes the amplitude and phase of the injected current, and then combines closed-loop control to optimize the amplitude and phase of the injected current. The fault phase voltage is suppressed to zero, and the purpose of arc extinction is finally achieved. Through simulation analysis, it is found that this method does not need to measure the ground parameter, and is not affected by the fault phase grounding resistance. It can achieve the purpose of quickly suppressing the fault phase voltage and achieving the effective arc extinction of the distribution network ground fault.

Key Words：Distribution network; single-phase ground fault; current arc suppression method; injected current; Closed-loop control

目录

第一章 绪论 1

1.1 研究背景、目的及意义 1

1.1.1中性点经消弧线圈接地系统单相接地故障特征 2

1.1.2 研究目的及意义 3

1.2 国内外研究现状 3

1.3课题研究综述 5

1.3.1 设计的基本内容、目标 5

1.3.2 拟采用的技术方案及措施 5

第二章 配电网接地故障电流消弧原理 6

第三章 注入电流参考值方案分析 9

3.1注入电流初值选取 9

3.2计算电流最优值的可行性分析 10

3.3得到最优注入电流值具体实施方案 11

第四章 注入电流控制方法 12

4.1注入电流的实现 12

4.1.1逆变 12

4.1.2电力电子开关器件 12

4.1.3 有源逆变装置 13

4.2注入电流控制方案 14

第五章 仿真与实验 22

第六章 结论 26

致谢 27

参考文献 28

附录A 29

附录B 30

第一章 绪论

纵观人类的发展历史，电能从最开始的白炽灯的使用到现在的许许多多人类活中，电能一直扮演的重要的角色。随着用电设备的多样化以及自动化，用电质量成为所有人关注的焦点，因为人们已经离不开电了。然而作为运送电能的电力系统重要部分配电网，它的能否安全稳定运行关系到生产与经济各个方面，因此成为大家共同关注的一个问题。配电网的运行环境是多变的且充满隐藏的事故威胁，它发生的各种故障中，单相接地故障造成的负面影响较大，而且发生频率相较与其他故障也是比较高的。单相接地故障发生时，其产生电流过大时会产生电弧，电弧燃烧会对其他相的绝缘装置造成不可挽回的巨大损害，在某种情况之下单相故障也有可能会演变为两相甚至是多相故障，这种情况会给配电网的正常运行带来巨大威胁，轻则造成停电事故，影响市民正常生活和企业有序生产，重则对设备造成严重损坏。由于配电网线路存在泄漏电阻及对地电容,所以它发生故障时产生的电流主要为阻性泄漏电流和容性电流两种。现在常用的且使用广泛的故障措施有中性点经消弧线圈接地系统。然而随着配电网中电缆线的使用越来越广泛，发生故障时对地电容电流也越来越大,故障电弧也越来越难以自行熄灭，导致配电网线路极易产生过电压，甚至造成大范围停电，给社会的正常运行带来极大的负面影响，因此对于配电网单相接地故障的研究是必不可少而且急迫的。^[1]根据消弧方法的侧重点不统将其分成电流消弧及电压消弧两大种类。电流消弧法是采用配电网线路中性点经消弧线圈接地，通过消弧线圈补偿容性电流来减小故障发生时产生的电流，本文在采用电流消弧法的基础上，增添向配电网三相电源中性点注入可控电流实现消弧，同时并增加了注入电流在多变的配网线路中保持稳定性措施。

1.1 研究背景、目的及意义

在我国配电网的发展中，早期的配电网中性点主要采用不接地方式提高供电可靠性，配网系统结构相对简洁，并且多以架空线路，系统对地分布电容也相对的比较小，在这种对于电能需求不高的情况下，发生单相接地故障也没有那么频繁，而发生故障时产生的接地电流而引起的电弧基本上可以自行熄灭，因此不会造成更多的连带危险。然而随着社会的不断进步，电力的需求自然升高，配电网的设计也必须为满足广大用户的需求而变化，比如城市电缆线路的大量使用，使得故障发生时，配电网线路中的电容电流急剧增大，而且此时的电弧也不像传统架空线路那样容易熄灭，在故障相电弧难以熄灭的情况下，在可能烧毁设备的同时，也有可能会威胁绝缘装置的安全，造成故障进一步扩大，引起更多的事故，危及到配电网本应该正常运行的部分，造成更大的连带危害。目前发展的解决方式主要是中性点经消弧线圈接地方式，从减小故障相电流的角度去考虑问题，即通过设备或者注入相关的参数来减小单相接地故障发生产生的接地电流，从而提高配电网运行的安全性和可靠性。

配电网单相接地故障的故障特征，可以从原理上解释单相接地故障的发生以及造成的不良后果，借此可以为如何解决此类问题带来根本上的理解，知晓了配电网单相接地故障的原理及特征，为电流消弧法提供原理支持，从源头上理解问题，可以更好的解决问题。

1.1.1中性点经消弧线圈接地系统单相接地故障特征

配电网的多种运行实践表明，如果发生单相接地故障产生的接地电流过大，故障发生点产生的电弧将赋有持续性的特点，而这种持续性不是我们所希望的。为了消除电弧发生过程中可能带来对配电网线路的损害，相关规定表明：在系统中接地电容电流超过，及以上系统中超过，其系统中性点均应采用经消弧线圈接地的措施。
　　现在的配电网系统大多采用中性点经消弧线圈接地方式用来预防和减弱故障带来的危害，这类系统在正常运行时中性点电压为零，消弧线圈不发挥作用，当然最理想的情况也是不希望它能起到作用。但是我们不能当单相接地故障不会频繁发生，一旦发生单相接地故障，就会造成配电网线路中性点电压升高，造成的后果就是消弧线圈中会产生感性电流，该感性电流与线路中零序电容电流极性相反，这也就表明了消弧线圈的作用——补偿容性电流、减小故障电流而达到消弧目的，可以说该电流在减小故障点接地电流的过程中起到了中流砥柱的作用，它使故障点的电弧比较容易熄灭。对于故障相电压来说，补偿的感性电流使得故障电流变得很小，如果在故障点的阻抗没有那么大的前提下，其值将会很快恢复正常，配电网系统自然会恢复正常运行。不同的消弧线圈产生的感性电流不同，他们对于电容电流的补偿程度也是不同的，可根据消弧线圈补偿方式将其分为全补偿、欠补偿、过补偿三大种类。然而路串联谐振的发生，是不希望的，他对配电网威胁也很大，在实际线路中常常采用过补偿方式，因为使用这种补偿方式，会有很大的感性电流裕度用来补偿容性电流，它带来的收益即是减小了故障线路中的零序电流，小到甚至比正常运行的线路还要小，它的方向也与正常运行线路相同，即从母线指向其他线路。在实际线路中会有一种自动化的补偿系统，即自动跟踪补偿系统，他会在系统正常运行时全补偿，发生单相接地故障时，转变为过补偿状态，从而使得故障线路的零序电流幅值更小，理论上为零。^[2]
　　在中性点经消弧线圈接地系统单相接地故障的暂态过程中，系统中总是会产生的高频电流会影响到消弧线圈的电抗，使得其电抗值大到可以认为该线路是开路状态，因此在计算暂态电流分量时可以忽略它。然而，在配电网正常运行的状态下，消弧线圈中的电流约等于零，也不会发生突变，这即是暂态过程的特征。
　　通过分析了暂态过渡过程的特征，我可以认为暂态过程中接地故障发生时，有一个瞬间，线路中的电感电流会出现最大值，这一现象是和相电压的变化是相反的。如果在相电压最大时的瞬间故障发生了单相接地故障，此时的感性电流达到最小值，甚至是接近于零。因此在考虑接地方式时，在同一个配电网系统中，根据容性电流判断中性点不接地还是经消弧线圈接地是一项重要工作。

1.1.2 研究目的及意义

社会在不断进步，当然基础建设是必须的，以及日益增长的生产里，广大用电用户对供电质量的要求也逐渐升高，配电网经消弧线圈接地方式无疑是具有许多优点的。但是如果能够解决该接地方式发生接地故障时面临的问题，即及时并快速发现故障所在点，并采取相对应且有效的故障危害减小措施，在配电网中该种接地方式将成为一种十分可靠且符合安全规定的接地模式。因此，学习并研究配电网的单相接地故障的特征对于我们这种将会在电力行业大展身手的大学生是必要的且有益的，回到论文的设计中来说，根据单相接地故障的相应特征，对于优化单相接地故障解决方式益处很大。在正确且高效的完成对单相接地故障处理的问题中，会让我们在许多方面受益。在处理以上所述问题之后，就是对配电网安全稳定运行打下坚实的基础。

1.2 国内外研究现状

在我国，近年来配电网线路中主要采用中性点经消弧线圈接地运行方式，在上文的叙述中也有提到，若是在配电网线路发生单相接地故障时，解决其面临的重要问题，它也许会在各种运行环境下的配网系统成为安全可靠的接地措施。它具体的方法是通过其产生的感性电流补偿在中性点，该电流会与补偿点的容性电流相互作用，从而使系统故障的影响尽量减到最小。而它的快速性也会影响到故障消弧的速度，同时也是能否减小故障造成的危害的关键。然而，伴随着城乡建设的快速发展，对于配电网设施的要求也逐渐升高，其具体变现为电力电缆的大规模使用以及非线性负荷的增加，而建设的复杂性也要求配电网运行方式朝着多变性发展，同样也伴随着配电网运行环境的复杂和多变，而这一切表现使得传统经消弧线圈接地的配电网系统在发生单相接地故障时，其中复杂多变的残流更加难以消除，大大增加了配电网单相接地故障消弧的难度。