中国储能网讯：

1.研究背景

  单相接地是配电网最主要的故障类型，极易形成山林起火和人身触电等威胁公众安全的事故，消弧装置能够补偿接地电流和抑制弧光过电压，确保消弧在时间上的优先权和快速性是及时遏制故障扩大、避免火灾和人身伤害的关键。为此，2017年以来，国家电网、南方电网相继发布导则，并调整了小电流接地系统故障后的运行和处置办法，要求永久性故障快速隔离、瞬时性故障安全消弧，这对配电网单相接地故障快速处置能力提出更高要求。随着电力电子技术的发展，有源柔性接地方式得到了广泛关注，由于有源消弧全补偿装置能够完全补偿接地电流，有源消弧装置快速投入会改变故障特征，故障检测期间消弧装置往往不能投入而存在着故障扩大的安全隐患，由此故障检测和消弧之间在时间顺序上的配合矛盾。研究与故障消弧同步进行的故障检测方法对及时遏制配电网故障扩大、进一步提高供电安全具有重要意义。

2.论文所解决的问题及意义 

  现有接地故障检测技术主要存在以下问题：1）由于快速消弧会掩盖接地故障引发的特征，当前故障检测方法需要为故障信号的采集预留时间，致使消弧时间延迟。2）现有的接地故障发展跟踪与接地故障类型识别方法大都独立于消弧过程之外，需要通过延时退出消弧的方式来观察故障是否恢复，存在瞬时性故障下消弧装置退出滞后引发谐振过电压、永久性故障下消弧装置退出过早使设备遭受二次短路电流冲击等问题。

  为顺应我国全面提升配电电缆网单相接地故障快速处置能力的发展要求，着力解决有源消弧装置快速投入引起故障信号改变的问题，利用有源消弧全补偿过程强暂态信号的接地故障同步检测方法能够在保障快速消弧同时提高检测灵敏性，并具备实时跟踪故障发展的能力，是解决上述故障检测技术存在问题的有效手段之一。

3.论文重点内容  

  1）有源消弧全补偿衰减直流特征分析。

  图1(a)为柔性接地配网集总参数等效模型。在考虑线路参数不对称的条件下，图1(a)可进一步等效为图1(b)所示的有源消弧全补偿电流投入过程等值运算电路。研究发现，当接地故障发生且注入有源全补偿电流后，故障相电压按一阶指数规律衰减至0。在此过程中，系统零序电压有如下特点：

  ①零序电压的稳态解为对称的周期分量，其幅值与电源电压幅值有关。

  ②含随时间增长而衰减的直流分量，按时间常数τ最终衰减至0，且τ反映零序电压暂态过程的发展速度，对于一个确定的配电网，零序电压暂态分量的衰减速度随着过渡电导的增大而增大。有源消弧过程零序电压表达式中的时间常数τ是将零序电压衰减波形和过渡电阻测量与故障程度跟踪过程紧密联系在一起的“桥梁”。

  另外，若在故障相电压极值点注入全补偿电流，则零序电压直流分量衰减过程最长，有利于开展基于消弧过程的故障检测；若在故障相电压过零点注入全补偿电流，零序电压直流分量衰减过程最短，有利于在最短的时间内将故障点相电压抑制至燃弧电压以下，更有利于快速故障消弧。

图1 消弧过程建模

  2）基于消弧过程衰减直流特征的接地故障跟踪方法。

  在有源消弧全补偿电流投入后，零序电压的直流分量与故障相电压均按照一阶指数规律衰减。图2为过渡电阻辨识方法原理图，根据一阶指数函数特征，实际应用中仅需读取零序电压直流衰减分量曲线上的两个特殊点，即可求得衰减时间常数τ，然后根据过渡电阻与时间常数τ的关联方程计算过渡电阻。因此，利用消弧过程中零序电压直流分量信息快速辨识过渡电阻，这与传统通过测量电压电流求比值的方法得到过渡电阻相比，基于消弧过程的过渡电阻图像辨识方法，实时且更加直观，无需因测量过渡电阻而延迟投入消弧装置。当过渡电阻发生变化时，直流分量的曲率随之发生改变，此时重新计算时间常数以灵敏感知接地电阻的变化，检测故障程度的发展情况，准确判断瞬时性或永久性接地故障的发生，具备消弧过程中实时监测故障自愈程度的能力。

图2 基于消弧过程衰减直流特征的接地故障跟踪原理

  3）基于消弧过程衰减直流特征的接地故障选线方法。

  配电网发生故障后，全补偿消弧电流的投切均会导致零序电压产生以一阶指数衰减的直流分量，在该分量的作用下，电阻和电容产生的衰减直流电流方向分别与该电压分量方向相同和相反。配电网正常线路的零序导纳主要为分布电容，故障线路零序阻抗因过渡电阻的存在使得阻性分量明显增加，由此导致正常和故障线路零序电流在一阶指数衰减零序电压作用下的衰减趋势不同。研究发现，正常线路的零序电流和故障线路零序电流的衰减直流分量除大小差异外，还反映在波形衰减趋势的差别。如图3所示(线路1故障)，在实际应用中，仅需观察上述两类零序电流波形的变化趋势即可快速直观地实现故障选线。

图3 基于消弧过程零序电流衰减特征的故障选线

4.结论  

  1）建立计及线路不对称的故障集总参数等效模型，实现了全补偿电流注入过程零序电压的精确表达，为消弧过程故障检测提供了更具一般性的理论基础。

  2）利用消弧过程零序电压一阶指数衰减特征进行过渡电阻测量与故障程度跟踪，能够在消弧中实时监测故障发展，尤其对于多数出现的瞬时性故障具有广泛的应用场景。

  3）提出基于消弧全补偿电流投切过程的故障选线方法，实际应用中对于低阻、高阻接地均具有优异的检测灵敏度与准确度。本方法具有较强的可行性，下一步将开发原理样机，进行工业应用。