一种新型的配电网消弧结构与方法
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输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室（重庆大学）的研究人员周兴达、陆帅，在2019年第6期《电工技术学报》上撰文（论文标题为“”一种基于消弧线圈和静止同步补偿器协同作用的配电网消弧结构与方法）指出，由于线路对地电容的存在，中性点非有效接地系统发生单相线路接地故障后会引起较大的接地故障电流甚至弧光。
本文提出一种基于消弧线圈和三相级联H桥静止同步补偿器（STATCOM）协同作用的新型配电网单相线路接地故障消弧结构和方法，该结构将STATCOM中性点通过消弧线圈接地，当单相接地故障发生后，消弧线圈补偿接地故障电流中的大部分基波分量，另外通过对STATCOM增加共模控制回路，来补偿接地故障电流中剩余的基波、谐波和有功分量。
实现了无源与有源消弧措施的结合，提升了单相接地故障电流的补偿效果，避免了使用STATCOM中性点直接接地来补偿接地故障电流时直流侧电压大幅升高和所需级联H桥单元增加的问题。另一方面该方法能够同时实现STATCOM无功补偿功能与消弧功能，提高了设备利用率。最后，通过Matlab/Simulink仿真和低压版实验系统的结果验证了该方法的可行性和有效性。
为了提高供电可靠性，中压配电网一般采用小电流接地方式，包括配电网中性点不接地或经消弧线圈接地等，当发生单相接地故障后，配电网可以继续供电1～2h。但随着配电网规模的增大以及电缆线路的大量使用，线路对地电容所产生的单相接地故障电流随之增大。一般通过在配电网中性点接消弧线圈的方式，可以抑制接地故障电流，防止弧光的发生。
为了更加准确地补偿接地故障电流，一种能够自动跟踪补偿的消弧线圈被采用，但是接地故障电流中一般还会存在一定的谐波和有功电流，消弧线圈并不能对这部分电流进行有效补偿。近年来，基于金属性接地原理的消弧柜装置逐渐被采用，当单相接地故障发生后，该装置将故障相线路通过高压开关直接接地，彻底抑制接地点的故障电流，但该方法一旦对接地故障相判断错误，容易造成相间短路，而且该方法容易激发电压互感器（PT）过电流，引起铁磁谐振。
为了进一步提升单相接地故障电流补偿效果，基于电力电子技术的有源消弧方法得到了广泛研究，并取得了一定的成果。瑞典Swedish Neutral公司研发了一种残余电流补偿设备，该设备可以在3个电网周期内将单相接地点的残余电流基本抑制为零。
文献[10]提出了将配电网中性点处的消弧线圈替换为有源逆变器的策略，该方法控制灵活，可以实现接地故障电流的全补偿，有效防止了消弧线圈与线路对地电容之间可能发生的谐振现象，但是由于该有源逆变器需要补偿全部的接地故障电流，导致有源逆变器容量过大，设备造价高。
文献[11]提出了主从逆变器替代消弧线圈的方法，主逆变器用于补偿接地故障电流中的基波分量，从逆变器用于补偿接地故障电流中的有功功率和谐波分量，但是此方案同样存在造价过高的问题。为了减小有源逆变器的容量，文献[12-13]提出了将配电网中性点处的消弧线圈并联有源逆变器的方法，其中消弧线圈补偿接地电流中的基波分量，而有源逆变器只补偿谐波和有功分量，从而大大降低了有源逆变器的容量和成本。
文献[14-16]提出了一种电磁混合式消弧线圈，采用新型磁控消弧线圈与有源逆变器并联的方式，也可实现接地故障电流的全补偿，并且在此基础上融合了线路对地参数测量以及单相接地故障选线等功能。
以上有源消弧方法均是将有源逆变器输出的补偿电流通过变压器耦合到配电网变压器中性点侧，由于以上方案中的有源逆变器仅在单相接地故障发生后才起动运行，平时处于闲置状态，因此上述方法都存在着造价高昂的有源逆变设备利用率低的问题，同时还存在需要额外提供有源逆变器的直流侧电源的问题。
文献[17-19]提出了一种基于配电网母线侧三相级联H桥结构的新型消弧方法，可以实现接地故障电流的全补偿，而且该方法无需单独提供直流侧电源。但该设备与一般的配电网中用于无功补偿的静止同步补偿器（Static Synchronous Compensator, STATCOM）相比，每一相的耐受电压最低为线电压，而普通的STATCOM设备每一相的耐受电压仅为相电压，这无疑需要更多的级联H桥模块，大大增加了设备成本；另外，文献[17-19]也没有讨论单相接地故障下该设备消弧模式能否和无功补偿功能同时工作，以及相应的控制方法。
针对以上方案及其存在的问题，本文提出一种改进的消弧结构和方法，其将一般配电网已有的消弧线圈和STATCOM设备重新组合，将安装在配电网母线侧的STATCOM的中性点引出后经消弧线圈再接地。当配电网正常运行时，STATCOM工作在无功补偿模式，并且通过共模电流注入法实时检测线路参数值，以此对消弧线圈的电感值进行动态调整；一旦单相接地故障发生，首先消弧线圈可以补偿接地故障电流中的大部分基波分量，然后在STATCOM的控制中加入共模控制回路，在配电网中产生一定的共模补偿电流，补偿消弧线圈未能完全抵消的接地故障电流以及其中的谐波和有功分量，从而实现接地故障电流的全补偿。
与文献[17-19]的方法相比，本文方法的优势在于：由于在STATCOM中性点串联了一定电感值的消弧线圈，使得STATCOM每一相在单相接地故障发生时只需承受相电压，从而降低了设备成本；同时，单相接地故障时的消弧与无功补偿功能可以同时运行，消弧功能不影响STATCOM设备的无功补偿功能，从而提高了设备利用率。下面将对本文方法的拓扑结构、工作原理以及控制算法进行阐述。
为了验证本方法的正确性和有效性，本文不仅在Matlab/Simulink环境下进行了10kV配电网系统的单相接地消弧仿真分析，并且搭建了低压版的实验平台，对本方法的消弧效果进行了实验验证。
图1 配电网拓扑和新型消弧方法示意图
图12 低压实验平台
本文提出了一种基于消弧线圈和STATCOM协同工作的新型消弧结构和方法，该方法将STATCOM的直流侧中性点经过消弧线圈接地，当单相接地故障发生后，消弧线圈对接地故障电流产生一定的补偿作用，同时通过STATCOM产生一定的共模电压，进行有源消弧控制，将抑制接地点的故障电流到基本为零。
本方法的优势在于：一方面能够同时实现设备消弧功能与无功补偿功能，提高了设备利用率；另一方面通过在STATCOM中性点串联消弧线圈，降低了STATCOM用于消弧功能时每相所承受的电压，减小了设备成本。本文通过Matlab/Simulink平台对本方法进行了仿真分析，并且搭建了低压版的实验平台，实验验证了此方法对于单相接地故障电流的良好抑制效果，为配电网单相接地故障消弧提供了一种行之有效的方法。