游建章，郭謀發(fā)，蔡文強(qiáng)，高 偉

（福州大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福建 福州 350108）

0 引言

配電線路單相接地電弧易誘發(fā)山火，甚至引起過(guò)電壓，導(dǎo)致系統(tǒng)絕緣薄弱環(huán)節(jié)被擊穿和電網(wǎng)設(shè)備損壞［1-4］。根據(jù)抑制目標(biāo)不同，有電流消弧法和電壓消弧法2 種消弧方法，而根據(jù)消弧裝置是否外加電源分為無(wú)源消弧裝置和有源（柔性）消弧裝置［5-6］。無(wú)源電流消弧裝置中應(yīng)用最為廣泛的是消弧線圈，但其只能補(bǔ)償基波分量［7］；無(wú)源電壓消弧裝置以消弧柜為代表，但其投入和退出瞬間對(duì)電網(wǎng)沖擊大，甚至可能引發(fā)鐵磁諧振過(guò)電壓［8-9］。文獻(xiàn)［10］采用在消弧線圈兩端并聯(lián)單相逆變器的結(jié)構(gòu)，單相逆變器可對(duì)有功和諧波分量進(jìn)行補(bǔ)充抑制。文獻(xiàn)［11］提出以逆變器替代消弧線圈作為消弧裝置，向配電網(wǎng)注入單相接地故障電流負(fù)值，達(dá)到完全抵消單相接地故障電流的效果。上述已有的柔性電流消弧方法可實(shí)現(xiàn)故障電流有功、無(wú)功和諧波分量的全補(bǔ)償，但對(duì)零序電流的測(cè)量精度、注入電流的控制精度和對(duì)地參數(shù)測(cè)量精度等要求較高，且單相接地故障諧波電流補(bǔ)償?shù)膶?shí)現(xiàn)較為復(fù)雜［12-13］。

文獻(xiàn)［14］提出基于母線接地開關(guān)的電壓消弧方法，單相接地故障發(fā)生后將母線處的故障相經(jīng)開關(guān)人工接地，從而將故障相電壓抑制為0。該方法較柔性電流消弧法省去了對(duì)地參數(shù)測(cè)量環(huán)節(jié)，且可自適應(yīng)線路參數(shù)變化。但其忽略了線路阻抗壓降的影響，在重載線路末端發(fā)生低阻單相接地故障時(shí)，母線至故障點(diǎn)的線路壓降大，若仍控制母線處電壓為0，則不僅無(wú)法抑制故障點(diǎn)電壓，甚至可能增大故障點(diǎn)電壓和故障點(diǎn)電流。針對(duì)該問(wèn)題，文獻(xiàn)［15］提出以零序電壓門檻值作為電壓消弧法和電流消弧法的切換條件，低于門檻值時(shí)采用電壓消弧法，高于門檻值時(shí)采用電流消弧法，但門檻值計(jì)算復(fù)雜。文獻(xiàn)［16］提出通過(guò)判斷故障相負(fù)荷電流是否超門檻值確定是否抑制母線處故障相電壓為0，但負(fù)荷電流一直波動(dòng)，可能導(dǎo)致判斷條件失效。文獻(xiàn)［17］提出同時(shí)投入電壓消弧法和電流消弧法，在檢測(cè)到故障點(diǎn)電流增大后退出電壓消弧法，由電流消弧法單獨(dú)消弧，但增大故障電流的不利影響已經(jīng)產(chǎn)生。上述解決方案中，電壓消弧法仍以故障相母線處電壓為抑制目標(biāo)，忽略了線路阻抗壓降，為規(guī)避增大故障點(diǎn)電流的不利影響，在低阻單相接地故障時(shí)切換至電流消弧法，但此時(shí)無(wú)法發(fā)揮電壓消弧法的優(yōu)勢(shì)，且會(huì)引入電流消弧法所存在的接地諧波電流補(bǔ)償復(fù)雜和受對(duì)地參數(shù)測(cè)量誤差影響大等問(wèn)題，未從根本上解決電壓消弧法存在的問(wèn)題，電壓消弧法仍無(wú)法適應(yīng)重載線路末端發(fā)生低阻單相接地故障的場(chǎng)景，且已有電壓消弧法投入的前提是必須準(zhǔn)確識(shí)別故障相。

針對(duì)電壓消弧法存在的問(wèn)題，本文以故障點(diǎn)處電壓為抑制目標(biāo)，提出計(jì)及線路阻抗壓降影響的柔性電壓消弧方法（下文簡(jiǎn)稱柔性電壓消弧新方法），在單相接地故障發(fā)生后，利用級(jí)聯(lián)H 橋變流器進(jìn)行2次電流注入或2次調(diào)控零序電壓，推導(dǎo)得到中性點(diǎn)至故障點(diǎn)壓降的表達(dá)式，通過(guò)柔性控制零序電壓為中性點(diǎn)至故障點(diǎn)壓降，達(dá)到將故障點(diǎn)電壓抑制為0的效果，可實(shí)現(xiàn)單相接地故障點(diǎn)的零電位帶電消缺，保證供電可靠性的同時(shí)確保人身安全。理論上2 次注入電流或調(diào)控零序電壓可任意取值，但任意取值可能反而增大故障電流，給故障點(diǎn)電弧抑制帶來(lái)不利影響，為避免此情況且能在單相接地故障發(fā)生后進(jìn)行快速響應(yīng)，及時(shí)抑制電弧產(chǎn)生，2 次注入電流應(yīng)能對(duì)單相接地故障電流進(jìn)行補(bǔ)償。在不改變消弧裝置結(jié)構(gòu)的情況下，可選用已有的柔性電壓消弧法或電流消弧法作為柔性電壓消弧新方法投入前的過(guò)渡，而已有的柔性電流消弧法受線路阻抗壓降影響小［12，15］，故本文選用已有的柔性電流消弧法。但已有的柔性電流消弧法投入前大多需進(jìn)行故障選相。為解決故障選相問(wèn)題，本文提出故障選相新方法，利用單相接地故障后零序電壓幅值和相位以及電源相電壓幅值計(jì)算故障相電源電壓相位，再經(jīng)相位比對(duì)選出故障相。

1 計(jì)及線路阻抗壓降的柔性消弧方法

本文以配電網(wǎng)A 相接地故障為例進(jìn)行分析。圖1為配電網(wǎng)的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖，圖2為其等效電路圖。以三相級(jí)聯(lián)H 橋多電平變流器為柔性消弧裝置，其采用三相星形連接，中性點(diǎn)直接接地，三相掛接于母線處。圖中：EA、EB、EC分別為A、B、C 相的電源電壓；UA、UB、UC為分別為A、B、C 相的母線電壓；U0為中性點(diǎn)電壓（或零序電壓）；ZZ為母線與故障點(diǎn)間的線路阻抗；Uf為故障點(diǎn)電壓；Rf為接地過(guò)渡電阻；If為故障點(diǎn)電流；rAi、rBi、rCi（i=1，2，…，n）分別為饋線i的A、B、C 相對(duì)地泄漏電阻；CAi、CBi、CCi分別為饋線i的A、B、C 相對(duì)地電容，r0AΣ、r0BΣ、r0CΣ與C0AΣ、C0BΣ、C0CΣ分別為A、B、C 相所有饋線的對(duì)地泄漏電阻之和與對(duì)地電容之和；Pi+jQi為饋線i的負(fù)荷功率；IZ為級(jí)聯(lián)H 橋變流器總注入電流；L為連接電感；IA∑、IB∑、IC∑分別為A、B、C 相所有饋線的對(duì)地電流之和；IAz、IBz、ICz分別為級(jí)聯(lián)H橋變流器A相、B相和C相的注入電流；IAi、IBi、ICi分別為饋線i的A 相、B相和C相對(duì)地電流；Um為故障相母線處電壓；Umf為故障相母線至故障點(diǎn)的線路壓降；Uf0為故障點(diǎn)至中性點(diǎn)壓降。

圖2 配電網(wǎng)等效電路圖Fig.2 Equivalent circuit diagram of distribution network

根據(jù)基爾霍夫電流定律，由圖2易知：

若注入電流值取為：

則將式（6）代入式（7）可得故障點(diǎn)電壓為0。若將零序電壓控制為故障點(diǎn)至中性點(diǎn)壓降的負(fù)值，即U0=-Uf0，或?qū)⒐收舷嗄妇€處電壓控制為故障相母線至故障點(diǎn)壓降，即UA=Umf，則由式（7）可知，故障點(diǎn)電壓也將被箝制為0。因此式（5）所示的電流為計(jì)及線路阻抗壓降時(shí)，柔性電流消弧法向配電網(wǎng)注入的補(bǔ)償電流；式（6）所示的電壓為計(jì)及線路阻抗壓降時(shí)，柔性電壓消弧法調(diào)控零序電壓的目標(biāo)值。

未計(jì)及線路阻抗壓降的柔性電流和電壓消弧方法以故障相電源電壓近似故障點(diǎn)至中性點(diǎn)壓降，忽略故障線路阻抗壓降影響，即Umf=0，則式（3）可近似為：

則式（9）的等號(hào)右邊為0，等號(hào)左邊的故障相電壓UA被限制為0，此時(shí)為柔性電流消弧新方法。若控制零序電壓為故障相電源電壓負(fù)值，則故障相電壓也將被抑制為0，此時(shí)為柔性電壓消弧新方法。

2 中性點(diǎn)至故障點(diǎn)壓降的求取方法

計(jì)及線路阻抗壓降的柔性電流和電壓消弧新方法的關(guān)鍵技術(shù)均在于零序電壓控制目標(biāo)-Uf0或故障相母線處電壓控制目標(biāo)Umf的求取方法。對(duì)于Umf，可結(jié)合單相接地故障定位技術(shù)，在單相接地故障發(fā)生后先進(jìn)行故障定位，并將故障點(diǎn)附近的電壓波形傳輸至柔性消弧裝置，此時(shí)的故障相母線處電壓與故障點(diǎn)附近電壓的差值即為Umf，但該方法對(duì)故障定位和通信等技術(shù)的要求較高，其可行性和具體實(shí)現(xiàn)方法有待進(jìn)一步研究。本文僅給出-Uf0的求取方法如下。

由圖2可知故障電流If為：

式中：YΣ為系統(tǒng)對(duì)地零序?qū)Ъ{。

正常運(yùn)行時(shí)，通過(guò)注入法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)YΣ；發(fā)生單相接地故障時(shí)，利用消弧裝置注入補(bǔ)償電流調(diào)控零序電壓，并保存U0和IZ的取值，期間調(diào)整1次補(bǔ)償電流值，得到零序電壓和注入電流關(guān)系如式（14）和式（15）所示。

式（14）和式（15）中U01、U02、IZ1、IZ2、YΣ均為已知量，Uf0和Rf為未知量，因?qū)Φ貐?shù)檢測(cè)的時(shí)間間隔較短，假設(shè)系統(tǒng)運(yùn)行方式未發(fā)生變化，將YΣ近似為定值。流過(guò)線路阻抗的電流為負(fù)荷電流、單相接地故障電流、補(bǔ)償電流和相間感應(yīng)電流四者的疊加，又因?yàn)椋孩儇?fù)荷電流一般大于單相接地故障電流，因此流過(guò)線路阻抗的電流大部分為負(fù)荷電流，受單相接地故障電流和注入電流變化影響較小；②注入補(bǔ)償電流后，單相接地故障點(diǎn)電流已經(jīng)被補(bǔ)償至較小值，且2 次的注入電流差值較小，因此流過(guò)線路阻抗的電流可近似為負(fù)荷電流和相間感應(yīng)電流之和，與單相接地故障前流過(guò)線路阻抗的電流相同；故障饋線的線路阻抗近似為定值，其兩端電壓由流過(guò)其的電流決定。故此時(shí)的母線至故障點(diǎn)壓降可近似與單相接地故障前相同，同理此時(shí)的故障點(diǎn)至中性點(diǎn)壓降也可近似與單相接地故障前相同，而單相接地故障前的故障點(diǎn)至中性點(diǎn)壓降即為單相接地故障前的故障點(diǎn)電壓。單相接地故障發(fā)生后，若控制故障點(diǎn)電壓為單相接地故障前的故障點(diǎn)電壓負(fù)值，則故障點(diǎn)電流可認(rèn)為是0［18］。故本文將-Uf0近似為定值。

聯(lián)立式（14）和式（15），解方程組可得：

至此，本文推導(dǎo)了柔性電壓消弧新方法的零序電壓控制目標(biāo)-Uf0的表達(dá)式，控制零序電壓U0為-Uf0，則可將故障點(diǎn)處電壓Uf抑制為0。-Uf0表達(dá)式中的已知量均為測(cè)量計(jì)算得到，可迭代保存，根據(jù)保存的數(shù)據(jù)構(gòu)造零序電壓控制目標(biāo)-Uf0。

3 柔性自適應(yīng)消弧方法

3.1 柔性自適應(yīng)消弧方法的原理

考慮線路阻抗壓降影響后的柔性電流消弧新方法和電壓消弧新方法均需要先獲得故障點(diǎn)至中性點(diǎn)壓降的負(fù)值方能計(jì)算目標(biāo)參考值，且理論上均能抑制故障點(diǎn)處電壓為0，但柔性電壓消弧法具有自適應(yīng)線路參數(shù)變化的優(yōu)勢(shì)［18］，故本文選用柔性電壓消弧新方法。

在計(jì)算零序電壓控制目標(biāo)值-Uf0時(shí)，需向配電網(wǎng)注入2 次電流值或進(jìn)行2 次零序電壓控制，得到IZ1、IZ2和U01、U02，理論上可任意選取注入電流值或零序電壓值，但存在增大單相接地故障電流的風(fēng)險(xiǎn)，如：任意注入電流為IZ=EZ(3/r0+j3ωC0)，EZ與故障相電源電壓EA大小相等、相位相差90°，注入該電流后單相接地故障電流將增大至未注入時(shí)的 2 倍。

因此，本文提出以柔性電壓消弧新方法為主，將已有的柔性電流消弧方法作為短時(shí)過(guò)渡的柔性自適應(yīng)消弧方法。柔性電壓消弧新方法計(jì)算中性點(diǎn)至故障點(diǎn)壓降時(shí)的2次注入電流為：第1次注入電流為故障相電源電壓負(fù)值與對(duì)地導(dǎo)納的乘積（即參照已有未計(jì)及線路阻抗壓降時(shí)的電流消弧法），對(duì)應(yīng)式（10）；第2 次注入電流為第1 次注入電流的90%。已有的柔性電流消弧法未考慮故障線路阻抗壓降影響，存在誤差，但其作為投入電壓消弧新方法前的過(guò)渡，運(yùn)行時(shí)間短，且即使存在誤差，也不至于增大單相接地故障電流；另外，其注入電流僅在對(duì)地支路形成流通回路，受負(fù)荷電流影響小，重載線路末端發(fā)生低阻單相接地故障時(shí)也不會(huì)增大故障電流。然而，已有的柔性電流消弧法大多需要進(jìn)行故障選相，因此本文提出一種故障選相新方法。

3.2 故障選相新方法

已有柔性電流消弧方法在計(jì)算IZ前需要先進(jìn)行故障選相，以確定故障相電源電壓EA的相位。本文通過(guò)推導(dǎo)故障后零序電壓U0和EA的關(guān)系得出故障相電源電壓負(fù)值的相位∠(-EA)，推導(dǎo)過(guò)程如下。

在發(fā)生單相接地故障后，未注入補(bǔ)償電流時(shí)，式（8）中的IZ=0，整理式（8）可得：

因此在發(fā)生超高阻單相接地故障時(shí)，零序電壓的相位近似滯后于故障相電源電壓90°。

式（26）中，∠U0、|-EΦ|和|U0|均可通過(guò)測(cè)量計(jì)算得到，可視為已知量，因此通過(guò)測(cè)量正常運(yùn)行時(shí)相電源電壓幅值、故障發(fā)生后零序電壓幅值和相位，利用式（26）可計(jì)算得到故障相電源電壓負(fù)值的相位。

理論上通過(guò)對(duì)比測(cè)量所得三相電源電壓負(fù)值相位和式（26）計(jì)算所得故障相電源電壓負(fù)值的相位，相位相等的相可確定為故障相。實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)考慮測(cè)量與計(jì)算誤差，并保留一定裕度，故以相鄰兩相電源電壓相位差120°的1/4，即30°為邊界，確定選相判據(jù)為：

|∠(-Ecal)-∠(-Ei)|≤30° （27）

式中：i為相別，i=A，B，C；∠(-Ei)為測(cè)量所得的各相電源電壓負(fù)值相位；∠(-Ecal)為由式（26）計(jì)算所得故障相電源電壓負(fù)值的相位。

由式（27）選出故障相，再將選相結(jié)果的故障相電源電壓負(fù)值相位和測(cè)量所得相電源電壓幅值代入式（10）計(jì)算已有柔性電流消弧法的補(bǔ)償電流參考值。

為避免配電網(wǎng)三相對(duì)地參數(shù)不對(duì)稱影響單相接地故障選相的準(zhǔn)確性，將故障前、后測(cè)得的零序電壓的差值作為其實(shí)際測(cè)量值，單相接地故障前的零序電壓僅由三相對(duì)地參數(shù)不對(duì)稱作用產(chǎn)生，單相接地故障后的零序電壓由三相對(duì)地參數(shù)不對(duì)稱和單相接地故障共同作用產(chǎn)生，故障前、后零序電壓的差值即為僅由單相接地故障作用而產(chǎn)生的零序電壓，消除了三相對(duì)地參數(shù)不對(duì)稱的影響。

3.3 柔性自適應(yīng)消弧方法的實(shí)現(xiàn)

在故障發(fā)生的初始時(shí)刻，應(yīng)用式（10）綜合運(yùn)算生成需要注入的補(bǔ)償電流參考值IZ1，并向配電網(wǎng)注入該補(bǔ)償電流，維持時(shí)間為40 ms，即采用已有的柔性電流消弧方法進(jìn)行消弧，隨后調(diào)整補(bǔ)償電流為IZ2=0.9IZ1，維持時(shí)間也為40 ms，同時(shí)提取測(cè)量數(shù)據(jù)IZ1、IZ2和U01、U02，根據(jù)式（16）計(jì)算零序電壓目標(biāo)值-Uf0，并切換至柔性電壓消弧新方法。

在利用柔性電壓消弧新方法進(jìn)行設(shè)定時(shí)間的消弧后，逐漸減小零序電壓控制目標(biāo)值，并測(cè)量保存對(duì)應(yīng)的注入電流值，分析零序電壓與注入電流的關(guān)系，若故障電弧已經(jīng)熄滅，根據(jù)齊性定理，隨著零序電壓的變化，零序電流將出現(xiàn)線性變化，則判斷為瞬時(shí)性單相接地故障，退出消弧裝置；若零序電流出現(xiàn)非線性變化［9，15］，則判斷為永久性單相接地故障，將啟動(dòng)選線設(shè)備切除故障線路，流程如圖3所示。

圖3 配電網(wǎng)單相接地故障柔性自適應(yīng)消弧流程圖Fig.3 Flowchart of flexible and adaptive arc suppression of single-phase grounding fault in distribution system

相較于文獻(xiàn)［15-17］的方法，本文所提柔性自適應(yīng)消弧方法無(wú)需復(fù)雜的切換條件，且可自適應(yīng)重載線路末端發(fā)生低阻單相接地故障以及單相接地故障期間配電系統(tǒng)的線路參數(shù)變化等場(chǎng)景。

3.4 控制方法

級(jí)聯(lián)H橋變流器的控制系統(tǒng)由調(diào)制方式和控制策略兩部分構(gòu)成。本文的調(diào)制方式選擇載波移相正弦脈沖寬度調(diào)制（CPS-SPWM）法，柔性電流消弧新方法采用電流比例-積分（PI）控制策略控制變流器注入由式（10）計(jì)算得到的參考電流值；柔性電壓消弧新方法選擇電壓電流雙PI 閉環(huán)控制策略，以實(shí)測(cè)零序電壓作為電壓PI 控制器的反饋量，將故障點(diǎn)至中性點(diǎn)壓降負(fù)值與實(shí)測(cè)零序電壓值的偏差作為電壓PI 控制器的輸入，則電壓PI 控制器的輸出即為需注入的電流參考值。再經(jīng)電流PI 控制器控制變流器注入電流，使得零序電壓為式（16）計(jì)算得到的故障點(diǎn)至中性點(diǎn)壓降的負(fù)值［19-20］。

4 仿真驗(yàn)證

4.1 仿真建模

通過(guò)PSCAD／EMTDC 軟件進(jìn)行仿真分析，配電網(wǎng)模型圖見(jiàn)附錄A 圖A1。配電線路參數(shù)采用貝杰龍模型參數(shù)，如附錄A 表A1 所示。根據(jù)電力規(guī)程，線路長(zhǎng)度應(yīng)控制在15 km 以內(nèi)，因此線路最末端的單相接地故障點(diǎn)設(shè)置在距離母線15 km 處，對(duì)應(yīng)圖A1中的配電網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)②。

4.2 故障選相新方法的仿真驗(yàn)證

發(fā)生高阻單相接地故障（Rf=3 kΩ）和金屬性單相接地故障時(shí)，由式（26）計(jì)算所得故障相電源電壓負(fù)值的相位∠(-Ecal)與測(cè)量所得故障相電源電壓負(fù)值的相位∠(-EA)、非故障相電源電壓負(fù)值的相位∠(-EB)、∠(-EC)分別如附錄A 圖A2 和圖A3 所示。由圖可見(jiàn)，發(fā)生高阻單相接地故障時(shí)，故障相電源電壓負(fù)值的相位的計(jì)算結(jié)果與測(cè)量結(jié)果的基本一致，驗(yàn)證了式（26）的正確性。在金屬性接地情況下，式（26）計(jì)算所得與測(cè)量所得故障相電源電壓負(fù)值的相位存在誤差，原因是發(fā)生金屬性單相接地故障時(shí)，零序電壓與相電源電壓幅值相等或相近，正切函數(shù)在零點(diǎn)附近，計(jì)算誤差受擾動(dòng)影響大，但誤差在較小范圍內(nèi)，且計(jì)算值與故障相測(cè)量值接近，與非故障相測(cè)量值有明顯距離，不影響故障選相的準(zhǔn)確性。

為驗(yàn)證所提故障選相方法在配電網(wǎng)三相對(duì)地參數(shù)不對(duì)稱時(shí)的有效性，在圖A1中的母線處增設(shè)一條對(duì)地參數(shù)不對(duì)稱的配電線路，使系統(tǒng)電壓的不對(duì)稱度約為2.6%［21］，所提故障選相方法的故障選相結(jié)果如表1 所示。表中，A、B、C 相電源電壓相位分別為60°、-60°、180°。由表可知，所提故障選相方法在不同接地過(guò)渡電阻和三相對(duì)地參數(shù)不對(duì)稱情況下均能正確選出故障相。

表1 不對(duì)稱配電網(wǎng)不同接地過(guò)渡電阻下的故障選相結(jié)果Table 1 Phase selection results of asymmetrical distribution network with different grounding resistances

4.3 計(jì)及線路阻抗壓降的柔性電流和電壓消弧法的仿真驗(yàn)證

設(shè)置A 相接地故障，故障點(diǎn)至中性點(diǎn)壓降負(fù)值-Ef（-Ef=-EA+Umf）的測(cè)量值、故障相電源電壓負(fù)值-EA的測(cè)量值和由式（16）計(jì)算所得的故障點(diǎn)至中性點(diǎn)壓降負(fù)值-Uf0的波形見(jiàn)圖4。由圖可知：由式（16）計(jì)算得到的-Uf0與-Ef的波形基本重合，驗(yàn)證了公式推導(dǎo)的正確性；-EA測(cè)量值與-Ef的幅值和相位均未重合，偏差值為母線至故障點(diǎn)處的線路阻抗壓降。

在圖A1 中的節(jié)點(diǎn)⑤設(shè)置Rf=10 Ω 的低阻單相接地故障，饋線6 的負(fù)荷電流為300 A，為便于展示線路阻抗壓降對(duì)已有的柔性電流消弧法和電壓消弧法的影響，在單相接地故障發(fā)生5 個(gè)周期后再投入消弧裝置，即在0.1 s 時(shí)刻發(fā)生故障，在0.2 s 時(shí)刻投入消弧裝置，線路阻抗壓降對(duì)柔性電流和電壓消弧法補(bǔ)償效果的影響分別如附錄A 圖A4 和圖A5 所示。由圖A4可知，計(jì)及線路阻抗壓降后的柔性電流消弧法的殘流（幅值為1.5 A）明顯小于未計(jì)及線路阻抗壓降的柔性電流消弧法（幅值為12.3 A）。由圖A5 可知，重載線路末端發(fā)生低阻單相接地故障時(shí)，若控制故障相母線處電壓為0，將增大單相接地故障點(diǎn)電流（幅值由51.7 A 增大至67.1 A），但若采用計(jì)及線路阻抗壓降后的柔性電壓消弧法，單相接地故障點(diǎn)電流將被抑制到較小值（幅值為1.6 A）。

為分析故障點(diǎn)位置和接地過(guò)渡電阻對(duì)柔性電流消弧法和電壓消弧法消弧效果的影響，在圖A1中的節(jié)點(diǎn)①、②、④分別設(shè)置不同Rf的單相接地故障，單相接地故障點(diǎn)殘流如表2 所示。其中，節(jié)點(diǎn)①、②、④分別位于電纜線路、架空線路和電纜-架空混合線路，與母線的距離分別為1、15、7 km。由表2 可知，未計(jì)及線路阻抗壓降的電流消弧法和電壓消弧法受故障點(diǎn)位置、接地過(guò)渡電阻和線路類型影響大，其中電纜長(zhǎng)線路末端發(fā)生低阻單相接地故障時(shí)，故障點(diǎn)殘流均較大，電壓消弧法甚至可能增大故障點(diǎn)電流。但若計(jì)及線路阻抗壓降，電流消弧法和電壓消弧法在不同故障點(diǎn)、接地過(guò)渡電阻和線路類型下均有較好的補(bǔ)償效果。

表2 故障點(diǎn)位置和接地過(guò)渡電阻對(duì)消弧效果的影響Table 2 Influence of fault location and grounding resistance on arc suppression effect

4.4 柔性自適應(yīng)消弧方法

在0.1 s 時(shí)刻設(shè)置單相接地故障，在0.14 s 投入消弧裝置并第1 次注入電流，在0.18 s 第2 次注入電流，在0.22 s 切換至計(jì)及線路阻抗壓降的電壓消弧法，在0.4 s將圖A1中的饋線1和饋線2退出運(yùn)行，改變配電網(wǎng)線路參數(shù)。圖5（a）為未將已有柔性電流消弧法作為短時(shí)先導(dǎo)，且計(jì)及線路阻抗壓降的柔性電流消弧法的故障電流補(bǔ)償效果。由圖可知：若未采用柔性電流消弧法為短時(shí)先導(dǎo)，2 次注入任意電流可能增大故障點(diǎn)電流；另外，單相接地故障消弧期間若配電網(wǎng)線路參數(shù)改變，則柔性電流消弧法的補(bǔ)償效果將減弱。圖5（b）為本文柔性自適應(yīng)消弧方法的補(bǔ)償效果。由圖可知，若采用柔性自適應(yīng)消弧法，上述2個(gè)缺陷已得到解決。

圖5 柔性自適應(yīng)消弧法的故障電流補(bǔ)償效果Fig.5 Fault current compensation effect of flexible and adaptive arc suppression method

表3 為不同柔性消弧方法的適應(yīng)性比較結(jié)果。由表可知，柔性自適應(yīng)消弧方法相較于單一的柔性電流消弧法或柔性電壓消弧法具有更廣泛的適應(yīng)性。

表3 不同柔性消弧方法的適應(yīng)性比較Table 3 Comparison of adaptability among different flexible arc suppression methods

5 結(jié)論

本文針對(duì)配電網(wǎng)單相接地故障消弧問(wèn)題，提出基于故障點(diǎn)電壓抑制的配電網(wǎng)單相接地故障柔性自適應(yīng)消弧新方法；揭示了電壓和電流消弧新方法的工作機(jī)理，并利用PSCAD／EMTDC 搭建配電網(wǎng)模型驗(yàn)證了所提方法的可行性。本文所得結(jié)論如下：

1）提出一種故障點(diǎn)電壓抑制的柔性電壓消弧新方法，分析了忽略線路阻抗壓降影響的弊端，推導(dǎo)了故障點(diǎn)至中性點(diǎn)壓降負(fù)值的表達(dá)式，突破了已有電壓消弧方法無(wú)法適用于重載線路末端低阻單相接地故障的瓶頸；

2）提出一種故障選相新方法，利用故障后零序電壓與相電源電壓的幅值關(guān)系推導(dǎo)出二者的相位關(guān)系，并計(jì)算得到故障相電源電壓負(fù)值的相位，再經(jīng)相位比對(duì)選出故障相，成功解決了單相接地故障選相難題；

3）提出一種柔性自適應(yīng)消弧方法，以柔性電壓消弧新方法為主，已有電流消弧法為電壓消弧法投入前短時(shí)過(guò)渡，使所提消弧方法自適應(yīng)配電系統(tǒng)線路參數(shù)變化且不存在增大單相接地故障電流的風(fēng)險(xiǎn)。

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