1 引言
中國配電網(wǎng)的中性點(diǎn)主要采用不接地和諧振接地兩種運(yùn)行方式，規(guī)程規(guī)定其可以帶單相接地故障運(yùn)行2h。但是隨著配電網(wǎng)中越來越多的使用固體絕緣的電纜線路，線路絕緣不具有自恢復(fù)性，在發(fā)生單相電弧接地故障時，長時間帶故障運(yùn)行會造成絕緣損傷積累，在間歇性弧光接地過電壓的作用下容易發(fā)生絕緣擊穿，引發(fā)更為嚴(yán)重的相間短路事故，所以必須采取措施消除弧光接地故障。而電纜線路單位長度對地電容較架空線路大很多，故障電容電流很大，當(dāng)其值達(dá)到或超過150a時，采用諧振接地方式的配電網(wǎng)中消弧線圈將難以補(bǔ)償接地電容電流，不能完全消除電弧。在以電纜線路為主的配電網(wǎng)中，消弧線圈不僅不能消弧，反而會帶來選線靈敏度降低等問題，必須選擇更為有效的消弧措施以適應(yīng)電網(wǎng)發(fā)展要求。
按照熄弧原理，目前配電系統(tǒng)消弧方式大致可分為電流型消弧和電壓型消弧。傳統(tǒng)的中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式屬于電流型消弧，由于消弧線圈不能達(dá)到全補(bǔ)償?shù)哪康?，國?nèi)外學(xué)者嘗試?yán)酶郊拥碾娏﹄娮悠骷M成補(bǔ)償裝置，對接地殘流進(jìn)行補(bǔ)償[3-8]，稱為有源電流型消弧方式，現(xiàn)階段技術(shù)較為成熟的有瑞典rcc殘流補(bǔ)償裝置[9]、哈佛erc+補(bǔ)償裝置[3]、華北電力大學(xué)主從式消弧線圈[10-13]等。有源電流型消弧方式仍然存在補(bǔ)償電流有限，響應(yīng)時間慢，依賴電流精確測量裝置等諸多缺點(diǎn)，難以廣泛應(yīng)用。電壓型消弧方式則是通過對故障相恢復(fù)電壓的控制，抑制電弧重燃，從而達(dá)到消除電弧的目的[14，15]，國內(nèi)現(xiàn)有的電壓型消弧方式有將故障相弧光接地轉(zhuǎn)換為金屬性接地、小電抗接地和氧化鋅電阻接地三種。電壓型消弧與故障電流大小無關(guān)[16，17]，故障電流很大時也可以達(dá)到完全消弧，相比于電流型消弧方式有較大優(yōu)勢，已有裝置投入使用[18，19]，但是在裝置的動作策略以及相配套的故障判別和故障選相策略方面還有進(jìn)步的空間，需要進(jìn)一步研究。
針對將故障相弧光接地轉(zhuǎn)換為金屬性接地的電壓型消弧方式，本文研究了一種配電網(wǎng)快速開關(guān)型消弧技術(shù)，介紹了該技術(shù)相對于傳統(tǒng)消弧線圈的優(yōu)點(diǎn)，對其消弧原理及相應(yīng)的故障判別、故障選相、故障選線等環(huán)節(jié)的流程進(jìn)行研究，并通過仿真驗(yàn)證了快速開關(guān)型消弧消諧技術(shù)原理的可行性和動作流程的合理性。結(jié)果說明快速開關(guān)型消弧技術(shù)在理論上可以達(dá)到快速消除電弧接地故障的目的，有助于提高配電系統(tǒng)的供電可靠性。
2 快速開關(guān)型消弧技術(shù)概述
2.1 電壓型消弧方式概述
快速開關(guān)型消弧技術(shù)以弧隙恢復(fù)抗電強(qiáng)度理論為基礎(chǔ)[14]，是一種典型的電壓型消弧方式。采用快速開關(guān)將單相弧光接地轉(zhuǎn)換成母線處故障相穩(wěn)定的金屬性接地，實(shí)現(xiàn)接地故障的轉(zhuǎn)移并鉗制故障相恢復(fù)電壓，使得故障相弧隙電壓始終小于弧道介質(zhì)的恢復(fù)強(qiáng)度，電弧將不會重燃。電容電流分布圖如圖1所示。
由式（1）可知故障電流與線路對地電容直接相關(guān)，配電網(wǎng)中大量使用電纜線路時，線路對地電容大幅度增加，電流型消弧方式的應(yīng)用將受到限制。
利用快速開關(guān)將線路弧光接地故障轉(zhuǎn)換為母線金屬性接地，見圖1中虛線，線路故障點(diǎn)電弧電流全部轉(zhuǎn)移到母線的金屬性接地相，流過故障點(diǎn)的電弧電流迅速降為0，電弧很快熄滅，而且故障相電壓被鉗制在較低水平，電弧不發(fā)生重燃，從而消除弧光接地故障。
電壓型消弧方式不受接地電容電流大小的影響，在實(shí)現(xiàn)完全消弧的同時避免了有源電流型消弧方式中對故障電流的復(fù)雜追蹤和補(bǔ)償計(jì)算過程，消弧過程相對簡單，響應(yīng)時間短。
2.2 快速開關(guān)開斷技術(shù)
在發(fā)生單相接地故障時，要求開關(guān)在盡可能短的時間內(nèi)將弧光接地故障轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的金屬性接地。傳統(tǒng)的機(jī)械開關(guān)雖然帶負(fù)載能力強(qiáng)、導(dǎo)通穩(wěn)定，但響應(yīng)速度慢，一般在50ms左右，不能滿足開關(guān)快速動作要求；電力電子開關(guān)響應(yīng)速度快，但其通態(tài)損耗過大、耐壓力低。因此，快速開關(guān)型消弧裝置一般采用基于電磁斥力機(jī)構(gòu)的改進(jìn)型快速開關(guān)，可實(shí)現(xiàn)7ms內(nèi)合閘，3ms內(nèi)分閘，開斷電流達(dá)40ka，能夠滿足快速分合閘并且在兩相接地故障時迅速斷開短路電流的要求。
改進(jìn)型快速開關(guān)是一種基于渦流原理的新型快速操動機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。主要由真空滅弧室、動導(dǎo)電桿、分合閘線圈、金屬盤等組成[20-21]。滅弧室內(nèi)動觸頭的操作機(jī)構(gòu)由電磁斥力機(jī)構(gòu)帶動。電磁斥力機(jī)構(gòu)的工作原理：當(dāng)開關(guān)收到合閘（或分閘）命令時，分閘（或合閘）線圈中產(chǎn)生持續(xù)幾毫秒的脈沖電流，勵磁線圈在此脈沖電流作用下產(chǎn)生交變的磁場，同時金屬盤因感應(yīng)出渦流而產(chǎn)生電磁力。金屬盤受到洛侖茲斥力的作用迅速運(yùn)動，通過連桿驅(qū)動真空滅弧室的動觸頭動作，從而實(shí)現(xiàn)快速真空開關(guān)支路的快速分合閘。
3 快速開關(guān)型消弧裝置
3.1 快速開關(guān)型消弧裝置結(jié)構(gòu)
基于電壓型消弧方式的快速開關(guān)型消弧裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示。裝置通過電壓互感pt的輔助二次開口三角電壓來判斷系統(tǒng)是否發(fā)生故障，控制器zk判斷是否為單相接地故障并判斷故障相。若系統(tǒng)發(fā)生單相弧光接地故障，則控制分相真空接觸器jz合閘將故障相直接接地，消除電弧。jz第一次閉合數(shù)秒后，控制器zk自動令接觸器打開，此時若故障消失，系統(tǒng)自動恢復(fù)正常運(yùn)行，控制器退回初始狀態(tài)。
3.2 快速開關(guān)型消弧裝置動作流程
快速開關(guān)型消弧消諧裝置可完成故障判別、快速選相、快速開關(guān)動作及故障選線等一系列動作流程，從而實(shí)現(xiàn)快速消除單相接地故障和pt鐵磁諧振故障，并保證后續(xù)故障處理過程的安全可靠。裝置整體動作流程如圖4所示。
3.2.1 單相接地故障判別流程
配電網(wǎng)中需要與單相接地故障區(qū)分的故障類型有pt鐵磁諧振故障和pt一次側(cè)斷線故障，均可引起pt二次側(cè)開口三角電壓升高。
通過監(jiān)測pt二次側(cè)開口三角是否出現(xiàn)零序電壓來判斷系統(tǒng)是否發(fā)生故障。當(dāng)發(fā)生故障時，根據(jù)自限流抑制器動作與否判斷系統(tǒng)是否發(fā)生pt鐵磁諧振。自限流抑制器是一種熱敏電阻，正常運(yùn)行時阻抗幾乎為零，而pt中性點(diǎn)流過較大電流時阻抗迅速增大，破壞零序諧振回路[22]，消除pt鐵磁諧振。若未發(fā)生pt鐵磁諧振，再讀取三相電壓數(shù)據(jù)，若其中一相或兩相為正常電壓，其他相電壓為零，則判斷發(fā)生了pt一次側(cè)斷線故障，系統(tǒng)發(fā)出告警信號；否則判斷為系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障。
3.2.2 單相接地故障選相流程
單相接地故障選相依據(jù)為故障后母線三相電壓，若有一相電壓接近0，另外兩相電壓升高接近線電壓，則說明故障接地電阻較小，可直接判定電壓最小相為故障相，而且由于故障相暫態(tài)電壓變化明顯且持續(xù)時間短，可實(shí)現(xiàn)很短時間內(nèi)通過三相電壓的最大值判斷出故障相。若三相電壓均較大，則判斷為大電阻接地故障，此時故障相電壓不一定是三相最低的[23]，需要通過故障相前一相電壓最高這一特征綜合判斷。
3.2.3 快速開關(guān)動作流程
首先，故障相快速開關(guān)收到合閘信號后會迅速閉合，將故障點(diǎn)處接地電流轉(zhuǎn)移到母線處，使故障電弧熄滅并抑制電弧重燃。然后，根據(jù)選線結(jié)果識別發(fā)生故障的線路是否為電纜線路，由于電纜線路故障后絕緣不能恢復(fù)，必須排除線路故障才能重新恢復(fù)正常運(yùn)行，因此快速開關(guān)合閘后不再分閘，電弧不會再次發(fā)展，同時保證故障點(diǎn)電壓在安全電壓以下，保護(hù)工作人員安全；若發(fā)生故障的線路為架空線，暫時性的弧光接地故障在開關(guān)閉合后數(shù)秒內(nèi)就能夠徹底消除，且絕緣也恢復(fù)到初始狀態(tài)，斷開快速開關(guān)后系統(tǒng)隨即恢復(fù)正常運(yùn)行，不會有接地故障信號；若架空線路上發(fā)生的是永久性接地故障，快速開關(guān)斷開后，接地故障仍然存在，此時母線故障相快速開關(guān)需要再次動作合閘，以轉(zhuǎn)移故障點(diǎn)電流并保證工作人員的安全。
考慮到故障相金屬性接地后，非故障相電壓會上升至線電壓，可能使線路上絕緣薄弱點(diǎn)發(fā)生接地故障，或者裝置選相錯誤，均會導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生兩相短路故障。此時，快速開關(guān)可實(shí)現(xiàn)短時快速分閘，避免更嚴(yán)重的后果發(fā)生。
3.2.4 單相接地故障選線流程
快速開關(guān)消弧裝置會根據(jù)發(fā)生故障的線路為電纜線路還是架空線路來選擇不同的處理方案，因此需要準(zhǔn)確的選線流程。
配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時，故障線路零序電流與非故障線路零序電流方向相反，且幅值為非故障線路的零序電流幅值之和。在母線快速開關(guān)動作時故障相零序電流會改變方向，而非故障線路零序電流的方向不變?？筛鶕?jù)以上兩個特征判斷出故障線路。
4 單相接地故障及故障消除過程仿真分析
為驗(yàn)證快速開關(guān)型消弧裝置原理的可行性和動作流程的合理性，現(xiàn)以某10kv配電網(wǎng)為例，仿真分析系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障以及故障消除的過程。系統(tǒng)簡圖如圖5所示。圖5中共5條出線l1-l5，其中l(wèi)1和l2為架空線；l3和l4為電纜線路；l5為一段架空線與兩段電纜混聯(lián)的線路。
利用emtp/atp建立配電網(wǎng)系統(tǒng)模型，仿真分析單相接地故障過程、快速開關(guān)動作過程以及故障選線過程。
4.1 單相接地故障過程
設(shè)置混聯(lián)線路的電纜段l52中部在t=0.02s時，a相電壓為正峰值時發(fā)生單相接地故障。在a相設(shè)置一個開關(guān)與電阻串聯(lián)接地，開關(guān)閉合模擬接地故障，開關(guān)斷開模擬故障消除。
系統(tǒng)pt二次側(cè)開口三角判斷故障發(fā)生的電壓閾值為30v，而且要求系統(tǒng)發(fā)生單相金屬性接地故障，即中性點(diǎn)電壓為相電壓時，pt二次側(cè)開口三角電壓為100v，因此系統(tǒng)中性點(diǎn)電壓有效值達(dá)到1.73kv時，裝置判斷系統(tǒng)發(fā)生故障。
故障電阻為10ω時，根據(jù)仿真結(jié)果測得中性點(diǎn)電壓有效值為5.37kv，母線電壓波形如圖6所示。故障電阻較小時，母線故障相電壓在很短時間內(nèi)下降到較低值，而非故障相電壓會出現(xiàn)一個較高的暫態(tài)電壓峰值，然后穩(wěn)定到線電壓附近，如圖6所示，可根據(jù)故障后3ms內(nèi)的電壓數(shù)據(jù)，利用三相電壓的最大值即可判斷出故障相，達(dá)到快速選相的目的。
故障接地電阻為400ω時，中性點(diǎn)電壓有效值為1.80kv，母線電壓波形如圖7所示。故障電阻較大時，母線三相電壓均較大，此時若僅根據(jù)電壓最低相判斷很容易造成誤判現(xiàn)象，可以結(jié)合故障相前一相電壓最高這一特征來綜合判別，提高高阻接地時故障選相的正確率。
4.2 快速開關(guān)合閘過程
消弧裝置的控制器最快可在3ms內(nèi)判斷出故障相，分相快速開關(guān)在收到合閘信號后7ms內(nèi)完成合閘。在模型中設(shè)置母線a相快速開關(guān)在t=0.03s時合閘，故障相母線金屬性接地。
快速開關(guān)合閘后故障接地電流和經(jīng)快速開關(guān)入地的電流波形如圖8所示。故障相母線金屬性接地后，故障點(diǎn)電流迅速減小，絕大部分故障電流轉(zhuǎn)移到母線金屬性接地相，故障點(diǎn)接地電弧電流不足以維持電弧燃燒，電弧迅速熄滅，而且母線金屬性接地會將故障相電壓限制在很低值，電弧很難重燃，即達(dá)到熄滅電弧的目的。
4.3 故障選線過程
故障過程及快速開關(guān)合閘過程中故障線路l5與非故障線路l3和l4為例）零序電流波形如圖9所示。單相接地故障時，故障線路零序電流與非故障線路零序電流方向相反，且比非故障線路零序電流幅值大很多。在t=0.03s故障相母線快速開關(guān)合閘時，故障相零序電流有明顯的改變方向過程，而非故障線路零序電流方向不變，根據(jù)這一特點(diǎn)可大大提高選線的準(zhǔn)確性。
線路 的兩個分支線路零序電流特點(diǎn)與上述類似，可同理判斷出故障分支。
4.4 快速開關(guān)分閘過程
對于架空線路上發(fā)生的暫時性單相接地故障，母線故障相快速開關(guān)合閘一段時間，確保故障電弧完全熄滅，線路絕緣恢復(fù)到原始狀態(tài)后會再次動作分閘，以恢復(fù)配電系統(tǒng)正常運(yùn)行狀態(tài)。設(shè)置架空線l1中部在t=0.02s時發(fā)生單相接地故障，母線故障相快速接地開關(guān)在故障后10ms時合閘，單相接地故障在開關(guān)合閘0.02s后，t=0.05s熄滅，而開關(guān)在t=3.05s時分閘，線路恢復(fù)正常。
快速開關(guān)分閘后母線三相電壓波形如圖10所示。三相電壓在快速開關(guān)分閘后迅速恢復(fù)到正常值，配電網(wǎng)恢復(fù)正常運(yùn)行。
對于架空線路永久性單相接地故障，快速開關(guān)分閘后仍有故障信號，就會迅速再次合閘，設(shè)置再次合閘時間為t=3.06s。永久性接地故障過程故障點(diǎn)電壓波形如圖11所示。故障消除前故障點(diǎn)電壓為672v，母線故障相金屬性接地后故障點(diǎn)電壓為30v，保證了工作人員和故障點(diǎn)附近人畜的安全。
5 結(jié)論
本文提出在中性點(diǎn)不接地的配電系統(tǒng)中采用快速開關(guān)型消弧技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)消弧線圈，對裝置的消弧原理及動作策略進(jìn)行了分析和仿真驗(yàn)證，得出以下結(jié)論：
（1）快速開關(guān)型消弧技術(shù)基于電壓型消弧原理，可實(shí)現(xiàn)100%消弧，且與故障電流大小無關(guān)，相對于傳統(tǒng)電流型消弧方式優(yōu)勢明顯。
（2）快速開關(guān)型消弧技術(shù)與故障判別、故障選相和故障選線等模塊相互配合可以實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)暫時性單相接地故障和鐵磁諧振故障迅速消除，并且使永久性單相接地故障后續(xù)處理過程更加快速安全。
（3）經(jīng)過仿真分析，快速開關(guān)型消弧技術(shù)原理有效且流程合理。
配電網(wǎng)快速開關(guān)型消弧裝置可解決傳統(tǒng)電流型消弧方式消弧效果有限、可靠性低等難題。下一步將開發(fā)快速開關(guān)型消弧消諧裝置的樣機(jī)并完成裝置測試。