谐振接地系统对弧光接地过电压的抑制建模及仿真分析

王玮

摘要：从理论层面研究了谐振接地类型的单相接地故障，同时采用RTDS建立中性点经消弧线圈接地的供电系统模型，分析了消弧线圈响应时间所起到的接地电弧抑制作用。仿真结果表明：接地电弧都没有发生重燃的现象，当接地电流变小后可以使电弧更容易熄灭，而消弧线圈能够抑制高幅值过电压，使弧隙恢复电压需更长时间恢复，从而减小了电弧重燃概率，由此实现熄灭电弧的效果。谐振接地系统发生接地电弧首次燃烧过程中形成的暂态电压与电流跟中性点未接地系统一致，都表现为消弧线圈没有对首次燃弧的瞬间实施补偿。

关键词：接地系统;电压抑制;建模;仿真分析

中图分类号：TP391

文献标志码：A

ModelingandSimulationofArcGroundingOvervoltageSuppressionbyResonantGroundingSystem

WANGWei

（ResearchInstitute，StateGridJiangsuElectricPowerCo.Ltd.，Yinchuan750000，China）

Abstract：Thesinglephasegroundingfaultofresonantgroundingwasstudiedtheoretically.Atthesametime，RTDSwasusedtoestablishthepowersupplysystemmodelofneutralpointgroundedbyarcsuppressioncoil，andthesuppressioneffectofarcsuppressioncoilresponsetimewasanalyzed.Thesimulationresultsshowthatthegroundarcdoesnotreignite，andwhenthegroundingcurrentdecreases，thearccanbemoreeasilyextinguished，andthearcsuppressioncoilcansuppressthehighamplitudeovervoltage，sothattherecoveryvoltageofthearcgaptakeslongertorecover.Thus，reducingtheprobabilityofarcreignitioncanrealizetheeffectofarcextinction.Thetransientvoltageandcurrentformedduringthefirstgroundingarccombustioninresonantgroundingsystemareconsistentwiththeungroundedneutralsystem，whichshowsthatthearcsuppressioncoildoesnotcompensatethemomentofthefirstarccombustion.

Keywords：groundingsystem;voltagesuppression;modeling;simulationanalysis

0引言

弧光接地過电压具有极大的危害性，会引起设备绝缘结构的破坏，导致相间短路的问题[14]。从总体上分析，因为电弧具有复杂的物理特性，并且受到多种干扰因素的共同影响，到目前为止大部分电弧模型都存在一定的不足之处[57]。为了构建一个可以精确反映实际电弧变化特征且具备良好通用性的数学模型，还需对这方面继续开展深入研究。例如，文献[8]以ATPEMTP建立了Schwarz和“控制论”模型，之后根据电弧特性测试电路对上述模型进行仿真测试，对比了不同弧长下的电弧稳定性及其暂态变化过程。文献[9]采用数值逼近方法处理Cassie电弧模型，之后将其转换为离散数值递推模型，同时以RTDS的CBuilder功能构建得到可控电弧模型，之后和MATLAB中的电路相比表明此模型符合实际运行情况。文献[10]利用弧隙能量平衡理论，同时认为电弧温度和电流之间存在对应关系，由此构建得到动态电弧的分析模型，同时利用PSCAD建立10kV电网再对电弧模型有效性进行了测试。文献[11]构建了一种通过小波变换方法实现的接地电弧建模方法，同时以PSCAD/EMTDC的各控制模块，实现了对接地电弧动态特征的准确表达，同时完成了电弧模型的实时控制目标。

本文从理论层面研究了谐振接地类型的单相接地故障，同时采用RTDS建立中性点经消弧线圈接地的供电系统模型，分析了消弧线圈响应时间所起到的接地电弧抑制作用，可以将本文研究结果作为消弧线圈型号和保护配置选择的参考依据。

1接地故障分析

出现单相接地故障时，故障相电压将减小到零，系统各相电压恢复情况受到零序回路储能的显著影响[1213]。当故障点发生熄弧时，谐振接地系统将会恢复为正常电压向量如图1所示。

这时将在零序回路内形成如下的储存总能：

W=12Csin2ωt+cos2ωt1ω2LCU20=

12 C（1-υcos2ωt）U20

ω0=1LC=ωK=ω1-υ≈ω1-υ2

可以将阻尼系数表示为

δ=12ωd

对上式进行分析可知，阻尼系数和系统阻尼率之间表现为正相关的变化趋势。出现故障的情况下，单相接地零序等值回路的开关K保持闭合，这时开关两端的电压等于零，如图2所示。

弧隙恢复电压为：

ur=uA-u0=

UΦmej（ωt+φ）[1-e-δtej（ω0-ω）]=

UΦmej（ωt+φ）[1-e-（d+jυ）2ωt]

式中UΦm表示相电压的变化幅度，φ是在熄弧过程中电流和电压的初始相角。

因为电弧重燃受到弧隙恢复电压初速度的明显影响，该初速度可以通过对弧隙恢复电压包络线的起点进行切线计算得到[1417]。各个υ/d值情况下的包络线，如图3所示。

结果可以发现，当υ/d不断增大后，在原点切线处的斜率对应的就是弧隙恢复电压初速度，该值表现为不断上升的变化趋势。

根据以上分析可以发现，因为受到消弧线圈的影响，弧隙恢复电压发生了恢复初速度显著减小的现象，导致弧隙电压需要更长的恢复时间，显著减小了接地电弧的重燃概率，最终引起过电压值减小，这是引起消弧线圈发生熄弧的一个重要因素。

2模型建立

本文选择国网温州供电公司作为研究对象并构建了相应的分析模型，根据之前的设置要求，中性点不与接地供电系统模型的变压器、电源、电缆相连，之后构建得到接地变压器和消弧线圈的仿真模型，该模型的简化结构如图4所示。

通常情况下，将谐振接地系统的主变压器设置为Y/△的连接方式，考虑到二次侧不存在中性点。为主绕组设置曲折连接方式，属于一种Zn连接形式，将各相绕组的一侧连接后得到公共点，将此公共端作为中性点。把各相绕组分成二个部分，并将其套在对应的铁心上，虽然铁心绕组各部分存在不同的感应电压相位，考虑到所有绕组形成的零序电流具有一致的相位与大小，由此形成的磁动势将被抵消。RSCAD内不包含接地变压器模块，本实验通过三个单相双绕组变压器进行构建得到结果，如图5所示。

串联电阻是由消弧线圈产生的损耗电阻引起。先计算系统对地总电容再计算得到故障点的接地电流，当系统选择x%过补偿方式时，可以利用以下式子计算出消弧线圈的电感值：

L=UN（1+0.01×x）ωIC

式中的UN表示相电压的有效值;IC表示接地电容电流。

设定6kV电缆线路发生电弧接地故障，并在C相电压增大到幅值的情况下出现故障，当电弧接地时迅速利用消弧线圈实施补偿，不考虑电网不对称度产生的影响，相间电容都等于10μF，其它各参数和中性点不接地系统相同。

3结果分析

为了分析消弧线圈在抑制间歇性弧光接地过电压方面的作用，如图6、图7所示。

分别显示了上述两种条件三相电压和故障点的接地电流。每种熄弧状态下都出现了4次燃弧熄弧过程，其中电弧初次燃烧产生的最大三相暂态电压都是10.972kV，对应的暂态电流都等于327.533A，接着各自进入了不同的变化阶段。

将中性点与消弧线圈连接后，设定补偿度等于105%，同时将消弧线圈的等值电阻设定在3Ω，在电弧接地的时候立刻利用消弧线圈实施补偿，由此得到图6与图7所示的故障点接地情况下的电流模拟结果。从图6（a）与图6（b）中可以发现，处于工频熄弧的状态下，当消弧线圈被接通后，故障期间第一次发生燃烧时形成最大过电压，等于10.87kV，同时最大暂态电流也在电弧初次燃烧过程出现，等于327.53A，后续三相电压重新恢复到正常状态，接地电流减小到零;根据图7（a）与图7（b）可以发现，在高频熄弧情况下将消弧线圈接入后，暂态电压和电流的最大值也发生于首次燃弧的过程中，之后再复到正常状态，同时接地电流不断减小到0。同时还可发现，接地电弧在上述二种熄弧情况下，都没有发生重燃的现象。通过仿真测试可知，当接地电流变小后可以使电弧更容易熄灭，而消弧线圈能够抑制高幅值过电压，使弧隙恢复电压需更长时间恢复，从而减小了电弧重燃概率，由此实现熄灭电弧的效果。

根据以上分析可知，谐振接地系统发生接地电弧首次燃烧过程中形成的暂态电压与电流跟中性点未接地系统一致，都表现为消弧线圈没有对首次燃弧的瞬间实施补偿。由于当前消弧线圈跟踪设备都工作在小于50Hz的条件下，由消弧线圈形成的感性电流只可以对接地电容电流分量进行补偿，并且在初始故障阶段，并不能使消弧线圈电感電流和接地电容电流之间形成相互补偿。

4总结

1）接地电弧都没有发生重燃的现象，当接地电流变小后可以使电弧更容易熄灭，而消弧线圈能够抑制高幅值过电压，使弧隙恢复电压需更长时间恢复，从而减小了电弧重燃概率，由此实现熄灭电弧的效果。

2）谐振接地系统发生接地电弧首次燃烧过程中形成的暂态电压与电流跟中性点未接地系统一致，都表现为消弧线圈没有对首次燃弧的瞬间实施补偿。

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（收稿日期：2019.11.20）