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于2019年5月16日收到，于2019年5月29日接受，发布日期为2019年6月13日，当前版本为2019年7月9日。
数字对象标识符10.1109 / ACCESS.2019.2922361
新型中性点柔性接地方式的单相接地故障仿真研究
摘要 配电网的传统接地方式存在一些问题。为了解决这些问题，本文提出了一种灵活的中性点接地方法。本文分析了在中性点不同接地点发生的单相接地故障的优点和缺点，总结了配电网现有的几种接地消弧技术的特点。根据10 kV变电站的实际数据，使用ATP-EMTP建立一个10 kV配电网模型和一个基于电弧长度控制的电弧模型被用于单相接地故障仿真。根据仿真结果，已知比较了消弧线圈的架空线网络。永久性接地故障发生在纯电缆网络中，该网络通过小电阻接地。当发生间歇性电弧单相接地故障时，柔性接地系统在抑制故障点的浪涌电流方面具有显着优势，柔性接地系统会引起间歇性电弧放电。电压明显受到抑制。灵活的接地方式对于提高配电网供电的可靠性和系统的安全运行具有一定的参考价值。
索引条款 灵活的接地，消弧线圈，无效的接地系统，电弧接地，过电压。
一.引言
配电网是结构复杂，接地故障频繁，接地参数和故障参数变化范围广的电力系统的终端。此外，配电网的运行状态和故障状态难以预测。多年来，配电网的快速处理和过电压仍然没有全面的解决方案，也没有有效的抑制接地故障[1]–[3]。
为了正常运行，必须将电源的中性点接地。调查表明，配电网中约有85％的故障是单相接地故障[4]。 因此，当系统中发生单相接地短路故障时，一般通过故障电流来区分电力系统中性点的连接方式。接地方式有两种：大电流接地系统和无效接地系统。如今，在中国，电压等级低于35kV的配电网络大多是无效的接地系统。
在小电流接地系统中性点接地方式的研究中，有学者认为可以采用中性点接地方式[5]，[6]。 该模式操作简单，中性点位移电压小。但是，当发生单相接地故障时，不能单独熄灭电弧，这将导致更严重的事故，并且不能保证电源的可靠性和安全性。
一些学者还认为，当发生城市配电网中电缆易感性飙升引起的单相接地故障时，流经接地点的电流会显着增加[7]。他们还认为电缆故障主要是永久性故障。因此，建议在配电网中使用小电阻接地模式[8]。 尽管该方法对电弧接地过电压具有良好的抑制效果，并且故障线的选择精度有所提高[9]，但是由于去除故障线的方式以及高电流，电源系统的可靠性大大降低了 在故障点处也可能扩大事故范围并引起新的安全问题。
其他学者认为，小电阻接地方式不是配电网的明智选择。因为如果配电网以架空线为主，且接地故障频繁，则采用小电阻接地方式会大大提高年跳闸率[10]。通过消弧线圈补偿的小电流接地方法可以使故障电流相等[11]，这使接地电弧易于熄灭。在实际应用中，消弧线圈的问题也很突出：传统的消弧线圈无法补偿故障剩余电流中的谐波分量和高频分量，使电弧难以自行熄灭，无法实现灭弧。 抑制单相接地故障。
为了避免传统消弧线圈带来的缺陷，一些学者提出可以采用基于电力电子元器件的新型消弧线圈接地补偿方法。 当发生单相接地故障时，将控制功率电子开关模块打开电路，并使消弧线圈投入运行，从而可以无误差地调节电感电流[12]，[13]。但是，这种接地方式将大大增加配电网的建设成本。
对于用消弧线圈补偿的小电流接地方式，一些学者分析了消弧线圈的补偿原理，总结了自动跟踪全补偿消弧线圈的几种常见原理，分析了它们各自的优缺点和应用情况，并给出了 鉴于存在的问题[14]，[15]，在各种工况下实现完全补偿的原理。 一些学者[16]着重分析了消弧线圈接地星型电力电子变压器的控制策略，但是上述文献并没有解决电弧可靠熄灭的问题。
对于接地故障电弧的处理，一些学者[17]提出了带有消弧线圈的两级饱和磁控管反应器的建模方法和谐波优化策略。 其他一些学者[18]提出了电磁混合柔性接地配电系统的概念，该系统不仅具有灭弧功能，而且可以选择，定位和隔离永久性单相接地故障。 在不平衡的基础上
电压柔性抑制方法[19]，一些学者提出了一种柔性零序电压控制方法[20]，一种基于模块化多电平转换器（MMC）的未来多端口柔性互连设备（FID）[21]。 ，以及基于三相级联H桥（CHB）转换器的柔性消弧装置[22]。 然而，柔性接地配电系统中关键参数的设计尚未得到全面分析或讨论。
在上面的研究中，本文提出了一种全面的灵活接地模式。 它结合了消弧线圈的特性和小电阻接地模式。 通过判断故障检测技术的故障类型，可以设置延迟输入时间来控制其工作模式。 充分发挥了抑制瞬态过电压的小电阻和消弧线圈的补偿电流的优点，因此该接地模式可以在不同的传输网络中更灵活地使用。 可以提高系统中电源的可靠性和安全操作能力。
二.配电网中的柔性接地模型
中性点柔性接地技术是基于传统的接地方式，考虑到一些电阻串联或并联在消弧线圈上，一旦发生故障，经过一定的延时后才能投入使用。 故障。 同时，获得了消弧线圈接地和电阻接地的优点，并且这些缺点被相互弥补。
与传统的中性点消弧线圈并联电阻接地方式相比，该方式所需设备成本较高，需要一定的控制策略。但是，其良好的故障响应能力使其适用于对可靠性和安全性有较高要求的重要配电网络。
其结构示意图如图1所示。
图1.中性复合挠性接地系统的结构
根据示意图，k0〜k3是功率电子控制开关，中性点接地模式由系统检测故障电流和系统参数控制.R1为0〜20小电阻，抑制了瞬态过电压和 避免故障点电流过大。 R0为1500大电阻，可以防止中性点电压虚拟接地[23]。 R2为5〜500的可调选择电阻。
在正常操作中，k0，k1和k2闭合，k3和k4断开，并且系统处于兄弟可控电阻接地状态。
当发生单相接地故障时，k2延迟断开连接，k4在适当的时间闭合，消弧线圈投入运行。应将系统切换至大阻值并并联消弧线圈以应对工作状态。
确定永久接地故障后，将k1断开一定时间，并连接一个电阻以限制故障点的瞬态过电压。一段时间后，k3开关闭合，选定的线路电阻R2投入运行。必要时，断开k0以使中性点进入不接地状态并执行继电保护动作或故障排除。
当发生间歇性电弧接地时，将k1切断，在适当的时间插入k2和k3，并关闭k4开关以选择故障线。等效电路如图2所示。
图2.柔性接地系统等效电路图。
当系统正常运行时，中性点位移电压为
（1）
d是系统阻尼率。
v是消弧线圈失谐。
U00是相接地电压不平衡的结果。
在此接地系统中
（2）
其中d0为d0是基本阻尼比;
dR = 1omega;CR0，omega;为旋转频率；
R0是与消弧线圈并联的电阻；
dL是线圈的阻尼系数，通常可以忽略不计。
在正常操作期间，当与消弧线圈并联的电阻为20时，如何根据系统条件调整R1电阻。这样可以使系统具有较高的阻尼率并避免重影接地。当发生单相接地故障时，中性点通过与消弧线圈并联的小电阻减小线圈接地，这样可以在接地时充分释放能量并降低其瞬态过电压。系统延迟访问大电阻后，R0 = R1 R2 = 1520，这会使d变小。故障恢复电压的初始速度为
（3）
其中Upmh是相电压幅度。
tau;表示故障相恢复电压的恢复时间，
计算公式为：
（4）
较小的阻尼率可以降低故障相电压恢复的初始速度并延长电压恢复时间，从而降低间歇性电弧接地发生的可能性，并且合理地调节阻尼比不会导致过高的中性点位移电压。
三.配电网单相接地故障的仿真
该系统由三个进料器组成。 该布线模式通常在电流分配系统中使用。
主变压器T的变比为110 / 10kV。
高压侧连接有无限的电源。
为了研究故障特征，在不同的线路条件下，系统出线设置了三种不同的线路条件：架空线，电缆线，架空线和电缆混合线。 L1为架空线，L2为电缆线，长度分别为15km。
表1.架空线参数
表2.电缆线路参数
L3是架空线和电缆的关联。电缆长度为5公里，架空线长度为10公里。系统的电容电流约为70A，150A，100A，消弧线圈的补偿度为8％，电阻接地电阻容差在0〜20，本文取15。如表1和表2所示，实际系统负载差异较大，但对于单相接地故障电流影响不大，从而简化了负载，在负载阻抗为ZL = 400-20j的模型中使用星型连接RLC仿真模块。根据电弧间隙理论的能量平衡，本文采用电弧模型，基于参考文献[24]。 考虑到电弧长度参数对主电弧参数的影响，该模型可以灵活地应用于谐振接地系统和小电阻接地系统。 10kV配电系统单相接地故障仿真模型如图3所示。
图3. 10kV配电网络系统的单相接地故障模型
四.仿真结果与讨论
- ARC模型概述
弧模型是控制论模型[23]。它是Mayr模型和Cassie模型的组合。 控制论模型将弧的长度引入了控制论模型，因为Mayr模型和Cassie模型不包含此关键参数。 控制论模型在（5）中定义。
（5）
（6）
其中，i是电弧电流，Gc是稳态时的电弧传导，定义于（7）。
（7）
其中Vc是电弧柱的场强，Lc是电弧的长度，Ic是电弧的最大电流。
在实际的单相接地故障中，电弧的长度是可变的，为了简化模型并忽略电弧的发展进度，最理想的Lc为100 cm。 并且，Vc为恒定。该模型中的Ic值选择本文使用的单相接地故障模型的最大电流值，且Ic = 1.86 kA。
（8）
其中beta;基于的经验值，因此时间是恒定的，tau;c= s。
- 永久金属接地故障模拟
分析表明，单相接地故障和故障选线过程受短路时间，网络结构，线长，接地点位置和电弧电阻等诸多因素的影响。当瞬态电压接近瞬态零序电流的最大值时，或者当相电压接近过零点时，就会发生单相接地故障。设置混合L2混合线路A相的随机位置（设置为5km），在故障相A相的峰值相处获取接地故障，并将Arc时间常数设置为s，弧长100厘米。仿真结果如图4所示，分析了永久性接地的柔性接地系统是一种故障情况。建立了独立的传输网络，并将不同的接地故障位置与架空线进行了比较。
通过消弧线圈接地系统的电网，电缆线网络与小电阻接地系统相比。结果列于表3和表4。
- 间歇弧接地故障模拟
频率灭弧理论基于以下假设：当工频电压达到峰值时，单相频率电压达到峰值。 该开关控制着电弧的重新点火时间，第一次起弧和熄灭时间为tcl = 0.02s，top = 0.03s； 第二次是tcl = 0.04s，top = 0.05s; 第三次是tcl = 0.06s，最高= 0.07s。 系统经历了三个阶段
A相中的电弧放电和零频率电流的零熄灭。每个接地系统的三相过电压的仿真结果如图5所示。
为了分析柔性接地系统中电弧故障随机性的影响，设置不同积分时间的电弧参数保持常数和耗散功率，并将其与未接地系统进行比较。结果示于表5和图6。
- 分析与讨论
接地故障特征的研究主要包括断层电流，瞬态电压和变化。与传统的接地单相接地故障相比，金属单相故障发生在混合电力线网络中时，最大柔性点接地方式为242.02A，运行系统时故障相电流稳定性最大为133.68A，137A 低于平均消弧线圈。柔性接地系统在过压限制方面具有更多优势。系统的最大无故障相过电压为13.487kV，故障相随着线路电压稳定运行。
在配电网中，永久性接地故障在离散输电线路中的位置也将对系统产生很大影响。通过比较架空线，可以对比电缆在5公里和10公里处的故障。
图4.电流和电压的四种接地仿真
表3.不同传输线网络中的柔性接地系统的永久接地故障参数
表4.柔性接地单相接地故障参数下降
图5.电流和电压波形的仿真
表5. 10 kV系统间歇性电弧接地三相过电压数据
图6.在不同电弧长度参数下，接地系统的间歇性电弧过电压值
与架空线网相比，通过电弧抑制线圈接地系统，柔性接地系统在抑制故障点对电流的影响方面具有明显的优势，架空线路的平均故障点影响电流降低了32.8％，电缆线路的平均故障点降低了24.19％。 小电阻开关和消弧线圈补偿系统降低了故障相电压的恢复速度。 故障的过电压抑制水平优于消弧线圈，降低了约4.21％。
根据间歇电弧接地的仿真结果，该系统在不同的中性点接地方式下具有不同的响应能力。发生了两个灭弧故障的工频电弧和三个重新组合的间歇性接地故障，未接地的中性线系统存在最严重的过电压问题，最大过电压为19.909kV，过电压倍数为2.5倍。
由消弧线圈接地的中性点跟随不接地的中立系统。 最大过电压
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