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1 研究背景

  中压配电网拓扑结构与环境工况复杂，馈线发生单相接地故障概率高，而配电网中性点接地方式直接关系接地故障处理。中性点谐振接地配电网采用消弧线圈补偿接地故障残流，降低电弧重燃概率。但消弧线圈无法补偿故障残流有功与谐波分量，消弧效果有限。随着配电网规模持续扩增以及电缆敷设范围的扩大，单相接地故障残流增大，故障电弧难以自行熄灭，且易产生故障过电压，严重威胁电网设备与人身安全。相比于消弧线圈的被动式补偿，中性点柔性接地方式可主动将故障电压限制在燃弧电压以下，保障故障电弧可靠熄灭，同时实现故障过电压抑制。目前，课题组研发的中性点柔性接地成套装置已通过各项入网测试，在各网省公司推广应用，取得了较好的应用效果。配电网接地故障过零熄弧后的电压暂态恢复特性决定了系统过电压水平及电弧重燃特性，而目前研究主要关注柔性接地装置对故障工频特征的作用，柔性接地配电网故障熄弧后暂态恢复电压变化机理尚不明确。

2 论文所解决的问题及意义 

  本文建立了柔性接地配电网接地故障暂态等值电路，分析了故障暂态恢复电压特征随注入零序电流值与电流注入时机的变化规律，揭示了不同系统参数对故障恢复电压暂态峰值与恢复速度的影响机理，阐释了柔性接地方式能够从原理上避免过电压产生的原因，对进一步丰富电网中性点接地方式的理论体系、拓展中性点柔性接地与电压消弧方法的研究思路具有重要意义，为相关产品的研发和工程推广应用奠定基础。

3 论文重点内容  

  1）谐振接地配电网接地故障相恢复电压暂态特征分析。

  图1和图2给出了在不同系统参数与故障条件下，谐振接地配电网接地故障过零熄弧后的故障恢复电压包络曲线。

图1 不同系统运行参数下故障相恢复电压包络曲线

图2 不同故障条件下的故障相恢复电压

  当系统失谐度绝对值增大，故障相恢复电压的初速度上升，且暂态峰值将随之增大；同时，恢复电压的拍振周期减小，电压稳定前的振荡次数增多。而当系统失谐度保持恒定，随着系统阻尼率增大，故障恢复电压初速度下降，同时恢复电压暂态峰值减小。此外，当故障过渡电阻较大时，由于非故障相电压抬升程度较低，非故障相对地电容与消弧线圈中储存的初始能量较少，换路后的暂态能量交换过程较缓和，因此，故障相恢复电压暂态峰值较低，且达到峰值的时间较快。而当故障过渡电阻较小时，换路后暂态能量交换较激烈，导致恢复电压拍振幅度较大，暂态电压峰值甚至超过系统线电压值，在系统中产生显著的过电压，对线路绝缘构成严重威胁。

  2）柔性接地系统接地故障相恢复电压暂态特征分析。

  由于故障相恢复电压中的衰减暂态分量特性与电弧熄灭时刻零序电压和消弧线圈电流初值相关，为此，基于图3所示的中性点柔性接地配电网结构，根据柔性接地装置的不同投入时刻，分析了柔性接地装置在故障过零熄弧前注入电流以及在故障过零熄弧瞬间注入电流这两种情况下的恢复电压时域表达式。

图3 中性点柔性接地配电网单相接地故障示意图

  据此得到柔性接地装置在故障过零熄弧前注入电流和故障过零熄弧瞬间注入电流两种情况下，不同注入电流下故障相恢复电压分别如图4-图5所示。

图4 不同注入电流在过零熄弧前注入情况下故障相恢复电压包络线

图5 不同注入电流在过零熄弧瞬间注入情况下故障相恢复电压包络线

  由图4-图5均可以看出，当柔性接地装置注入电流图片的幅值或相位偏离最优值图片、图片时，故障相恢复电压呈现拍频特性，相较于同样故障工况下谐振接地配电网的故障恢复电压达到十余千伏水平，柔性接地配电网可主动将故障电压迅速钳制在较低范围内，可有效抑制故障电弧发生重燃，但其工频稳态分量不为0。当注入电流的幅值与相位达到最优值时(图片)，故障相恢复电压包络线为指数衰减曲线，因此对应恢复电压为衰减的正弦函数，暂态电压峰值单调减小，数周期后达到趋近于0的稳态值，可确保接地故障可靠消弧。

  3）实验测试。

  团队研发了配电网中性点柔性接地成套装置，该成套装置由可控电流源屏、控制屏与注入变压器构成，如图6所示。为验证不同中性点接地方式配电网故障相恢复电压的变化特征，在10kV真型配电网实验场对中性点谐振接地及柔性接地方式进行接地故障真型实验。

图6 中性点柔性接地成套装置

  柔性接地装置投入前后的故障相电压录波如图7所示。可以看出，谐振接地系统故障相恢复电压具有显著的拍频特性，产生明显的过电压，并在600ms时达到暂态电压峰值11.3kV，线路绝缘击穿与电弧重燃风险较大；而在中性点柔性接地系统中，通过向系统中性点注入最优零序电流，故障相电压在100ms内被快速抑制到50V以下，故障恢复暂态期间不产生过电压，可确保故障电弧可靠熄灭。

图7 不同中性点接地方式配电网故障相电压录波

  4 结论  

  1）采用中性点柔性接地方式可实现故障恢复电压暂态时间尺度下的主动抑制，尤其当注入零序电流为最优值时，恢复电压工频稳态分量被抑制为零，同时暂态分量呈指数衰减，与谐振接地方式相比，柔性接地方式从机理上避免了电压恢复过程中过电压的产生。

  2）故障恢复电压暂态特性受系统失谐度、阻尼率、故障过渡电阻及可控零序电流注入时机的影响，在故障过零前注入可控零序电流有利于降低恢复电压初速度，缩短暂态电压恢复时间，实现故障电弧的快速、可靠消除。