学术︱基于新型磁控消弧线圈的电磁混合消弧及配合选线新方法
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武汉大学电气工程学院、国网浙江省桐乡市供电公司的研究人员王朋、田翠华等，在2015年第16期《电工技术学报》上撰文，为了解决谐振接地系统中单相接地故障消弧和故障线路可靠识别的难题，本文提出一种基于新型磁控消弧线圈的电磁混合消弧及配合选线方法。采用由磁控电抗器（MCR）和逆变器构成的新型磁控消弧线圈，提出了基于接地故障电流无功和有功分量解耦补偿的电磁混合消弧及系统对地参数测量方法，详细分析了消弧线圈补偿对线路零序导纳的影响，提出了基于动态零序导纳的配合选线理论，利用逆变器的等效负阻特性，能够提高故障线路动态零序导纳对MCR调节量的灵敏度，论述了该方法及相应的配合选线控制策略和选线判据。
该选线判据具有确定性和唯一性，无需集中交叉比较。通过仿真分析和模拟平台实验验证了本文所述理论、方法和控制策略的正确性和可行性。
我国6～66kV中压电网普遍采用中性点不接地、中性点经电阻接地和中性点经消弧线圈接地（又称谐振接地）。较之前两者，谐振接地系统的接地电流小，瞬时单相接地时，能快速消弧，减少误跳闸，抑制电弧过电压，提高了供电可靠性。当发生永久接地故障时，谐振接地系统要求能够快速准确地检出故障线路，以便采取相应的继电保护操作和及时切除。因此，快速有效的故障消弧和及时准确的馈线保护是谐振接地系统安全可靠运行的重要保障。
故障选线是根据故障信号来区分健全线路与故障线路，其原理按故障信号类型可分为：基于稳态信号分析的5次谐波电流法、有功分量法、负序电流法、零序电流法和零序导纳法等；基于暂态信号分析的首半波法、小波分析法和能量法等[1-4]。上述方法目前已取得了一定的研究成果，但单相接地故障线路的可靠识别仍没有得到彻底解决。
消弧线圈可分为预调式和随调式两类，前者会造成故障信号持续衰减；后者的故障消弧性能决定了暂态故障信号的衰减程度和持续时间。因此，通过合理的消弧方式配合适当的选线方法来提高选线准确性十分必要。
由于消弧线圈的补偿能改变故障线路的零序导纳，文献[5]提出了零序补偿导纳的概念，即故障前后零序导纳的变化量。故障消弧后，故障线路的零序补偿导纳等于消弧线圈的导纳，而不是恒为自然导纳。但线路零序补偿导纳会随系统运行方式和线路结构变化，因此故障前需要实时测量各线路的零序导纳。
文献[6,7]提出了基于抖动原理的选线方法，即在故障消弧后，微调消弧线圈的脱谐度，线路的零序电流随之改变，故障线路的零序电流变化最大。当接地过渡电阻较大时，抖动引起中性点位移电压的变化较大，非故障线路的零序电流变化也较大，甚至与故障线路的变化相当，此时无法保证选线正确。
文献[8]将抖动前后线路零序导纳的变化量经电压折算后的值称为m参数，其他线路与故障线路的m参数的比值最小。该方法较之其他方法选线更准确，但需要对所有线路的m参数进行集中比较。综上所述，消弧线圈的配合能有效提高故障线路识别的准确性，但上述方法仍存在不足之处。
文献[9]采用调匝式消弧线圈与有源逆变器配合，前者补偿定量的无功电流，后者补偿接地故障电流的有功分量和剩余无功分量。但故障消弧时调匝式消弧线圈的电抗不能调节，无法配合选线。基于上述组合结构，文献[10]采用扫频法测量故障前系统对地参数（对地电容和泄漏电阻），但无法准确反映故障后系统对地参数。
本文提出了一种基于新型磁控消弧线圈的电磁混合消弧及配合选线方法。其中，新型消弧线圈由磁控电抗器[11-14]（MagneticallyControllable Reactor, MCR）和逆变器两部分构成。当发生单相接地故障时，改变MCR的直流励磁电流，连续平滑地调节电抗，自动跟踪补偿接地故障电流的无功分量。逆变器则注入负阻性电流补偿接地电流的有功分量，其可等效为一个可调负电阻，其工作原理类似于STATCOM[15]。
采用上述无功和有功分量解耦补偿的故障消弧方法，能同时实现故障后系统对地参数的精确测量。若判断为永久接地故障，则保持逆变器的等效负电阻不变，根据抖动原理调节MCR，从而实现配合选线。
本文详细分析了消弧线圈的补偿对线路零序导纳的影响，提出了基于动态零序导纳的配合选线理论。利用逆变器的等效负阻特性，提高了故障线路动态零序导纳对MCR调节量的灵敏度，还可采用自适应的调节量提高高阻接地故障的选线准确性，论述了该方法及相应的配合选线控制策略，提出故障线路动态零序导纳的大小应等于MCR电纳的变化量为配合选线判据。该判据具有确定性和唯一性，无需集中比较所有线路，避免了因其他线路零序参数测量准确度不够影响选线准确性。
图1 基于新型磁控消弧线圈的配电网
结论
（1）本文提出的新型磁控消弧线圈采用上述解耦补偿的电磁混合消弧及系统对地参数测量方法，能同时实现接地故障电流工频分量的完全补偿和系统对地电容和泄漏电阻的准确测量。
（2）利用逆变器的等效负电阻特性，能有效提高故障线路动态零序导纳对MCR调节量的灵敏度，减小所需抖动系数和残流增量。
（3）用于残流增量控制的MCR自适应调节方式能够提高高阻接地的零序导纳测量准确度，确保选线准确。
（4）采用本文所述的控制策略，使得选线新判据具有确定性和唯一性，无需对健全线路的零序参数进行精确测量和集中交叉比较。
（5）仿真和实验表明本文提出的基于动态零序导纳的配合选线理论是正确的；基于新型磁控消弧线圈的电磁混合消弧及配合选线方法是可行的。