、
、
为三相电源电动势；
为中性点接地导纳；
为零序基波注入电流。摘要 现有配电网不平衡零序电压抑制方法需要多次注入电流，逐步跟踪抑制，存在控制过程复杂、收敛速度慢的缺点。当电网发生单相接地故障后，传统电压消弧法未计及电网三相对地分布参数不对称的影响，未能将故障相电压完全抑制为0，从而导致接地点存在残余电流，不能实现100%消弧。该文在建立注入电流诱发配电网零序电压变化机制的基础上，实现了配电网自然不平衡电流的在线测量，论证了配电网三相对地分布参数不对称对接地点残余电流的影响，提出了仅需调节一次注入电流即可实现不平衡零序电压快速精准抑制和电压消弧全补偿的新方法，并给出接地故障判定、零序电压抑制与消弧的优化控制方案。理论和仿真证实，该方法在电网正常运行时无需多次调参而能将不平衡零序电压精准快速抑制为0，且当发生单相接地故障时具备补偿电网三相对地分布参数不对称产生的残余电流，可将故障相电压完全抑制为0，实现100%电压消弧全补偿。
关键词：电流注入法 不平衡零序电压抑制 电压消弧全补偿单相接地故障 分布参数不对称
我国中压配电网的中性点接地方式主要以非有效接地方式为主，包括不接地、消弧线圈接地、高阻接地、有源柔性接地等，单相接地故障后故障电流相对较小、线电压对称而可持续供电，具有供电可靠性高的优势。随着电网规模的扩大尤其是城市电缆线路的大量应用，单相接地故障的电容电流增大，过大的电容电流极易引发电弧而产生弧光过电压，导致系统绝缘薄弱的线路或设备击穿或发展成相间短路等不可逆故障，扩大了事故影响面[1-4]。根据GB50070—2009《矿山电力设计规范》中要求接地故障电流的有功分量和无功分量均不超过5A；GB/T50064—2014《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范》规定：6～66kV系统单相接地故障电容电流大于10A时应采用中性点谐振接地方式，且接地故障残余电流不应大于10A。文献[5]实测某煤矿电网接地电流中的有功分量达13.05A，仅线路对地泄漏电阻产生的有功电流足以引发电弧。因此，接地电流全补偿与可靠消弧技术依然是研究的热点和难点问题。目前，根据接地电流补偿方式的不同，可分为电流消弧法和电压消弧法。
电流消弧法以减少接地电流为目标，包含消弧线圈补偿法、偏置元件法和有源电流注入法等。最传统的电流消弧法是在配电网中性点接入消弧线圈，零序电压作用在消弧线圈上产生的电感电流补偿电容电流，但对接地电流的有功分量无能为力[6-7]。中国矿业大学唐轶教授课题组提出了同时调节中性点接地阻抗和偏置元件的电容电流及有功电流的补偿方法，需要多参量联合调节、控制方案复杂、应用难度大[8]。华北电力大学杨以涵教授课题组提出基于H-infinity有源滤波注入的主从式消弧线圈全电流补偿方法，但所需设备复杂且故障谐波电流检测和补偿理论尚不完善，未见工业应用[9]。
电压消弧法以零序电压为控制目标，当系统发生单相接地故障时，将故障相电压调控为0，根除起弧的电压条件。根据补偿方式的不同可分为无源调压消弧和有源调压消弧。无源调压消弧是在电网某相线路上对地接入偏置元件，实现电容电流、有功电流和不对称电流的全补偿，但该方法需在正确选择故障相的前提下进行偏置元件的投切，且要求偏置元件的参数可平滑调节，实现难度较大[10-11]。有源调压消弧则是通过PWM有源逆变器、静止无功发生器（Static Var Generator, SVG）、级联H 桥多电平变流器等信号源发生器向电网注入基波电流使得故障相电压为零，降低过渡电阻的压降而不产生接地电流[12-16]。然而，目前有源调压消弧法的注入电流控制策略中均未考虑电网分布参数不对称的影响，在理论上并不能将故障相电压100%钳制为0，不能实现100%消弧。
目前，学者已经注意到电网三相对地分布参数不对称的普遍存在，并将研究的重点放在基于电流注入的不平衡零序电压抑制上，如长沙理工大学曾祥君[17-18]、中国石油大学薛永端[19]、中国矿业大学李晓波[20]等，采用迭代或闭环控制逐步找到将零序电压控制到目标值的最优注入电流的幅值和相位，逐步寻优的控制过程复杂、迭代计算步数多、耗时长。实际上，对于确定拓扑结构的电网，其三相对地分布参数的不对称参量在短时内是固定不变量，若实现该参量的在线精确测量，可直接一次性注入最佳电流，以避免现有方法需要多次注入电流、逐步寻优用时长的不足。
为了实现配电网正常运行时不平衡零序电压的精准快速抑制和实现接地电流的电压消弧全补偿，首先研究了零序基波注入电流在电网中承担的角色和诱发电网零序电压变化的根本机制；然后提出仅需调整一次注入电流即可实现电网不平衡零序电压精准抑制为0的方法；进而剖析了现有电压消弧方法不能实现100%电压消弧的根本原因，并提出可消除配电网对地分布参数不对称对接地电流影响的电压消弧全补偿控制方法，实现故障电流100%补偿和故障相电压可靠钳制为0；最后建立了配电网Matlab/ Simulink仿真模型，并对不平衡零序电压抑制方法和电压消弧全补偿控制方法的有效性进行验证。
长沙理工大学[12]、福州大学[14]、中国石油大学（华东）[15]和重庆大学[16]开展了基于注入的电压消弧相关的研究，通过在中性点注入零序基波电流控制配电网零序电压，以期将接地故障相电压调整为零。现有研究均采用基尔霍夫电流定律构造含电流注入的零序电压数学表达式，但主动注入的基波电流在电网中承担的角色和诱发电网零序电压变化的根本机制尚未定义。下面结合零序电压产生机理[21]，给出基波注入电流调节零序电压的物理内涵。
图1为含零序基波电流注入的配电网等效运算电路，图1中CA、CB、CC为三相电力线路对地分布总电容；GA、GB、GC为三相电力线路对地分布总电导；、、为三相电源电动势；为中性点接地导纳；为零序基波注入电流。
图1 零序基波电流注入的配电网等效运算电路
Fig.1 Equivalent arithmetic circuit of zero sequence fundamental current injection
对于中性点含有源基波注入的配电网（图1中
），若将配电网中性点直接接地，中性线电流（含有源注入的不平衡电流）为
（1）其中
=jωCA+GA 
=jωCB+GB 
=jωCC+GC
式中，
为系统自然不平衡电流，若配电网三相对地分布参数对称，
。现实中，架空线路电网的不对称度ρ通常为0.5%～1.5%，严重时能达到3.5%，电缆线的不对称度相比架空线要小[1]，故而
。
为了表征零序基波注入电流在调节配电网零序电压中的物理含义，令
，则式（1）为
（2）由式（2）可见，注入的零序基波电流对系统的影响可等效为在电网A相对地接入了一个导纳值为
的阻抗（也可同理等效至其他相）。因此，中性点注入的基波电流改变了配电网三相对地分布参数的不对称度，但注入的零序基波电流不改变配电网的总零序导纳，也就是说图1中的等效零序阻抗与零序基波注入电流无关。
文献[21]定义了不含基波电流注入的电网零序电压产生机理：不对称电网将自适应地产生零序电压，该电压作用在零序阻抗上产生的电流与“零序不平衡电流”（即本文的自然不平衡电流）相等。对于含有基波零序电流注入的电网，可将注入的电流等效为改变系统不对称的接地导纳后，再根据零序电压的产生机理直接写出零序电压的数学表达式为
（3）式（3）与文献[12-16]采用基尔霍夫定律求得的解析式相同。由以上分析可知，改变注入电流的幅值和相位就等于改变了式（3）等号右侧分式的分子，但系统零序阻抗（分母）不受注入电流的影响，故而改变注入电流即可实现零序电压的任意控制。因此，系统分布参数不对称、有源基波电流注入均是配电网产生零序电压的条件。
为了使零序电压产生机理更具普适性，丰富其内涵：不对称电网或有基波电流注入的电网自适应产生零序电压，该电压作用在零序阻抗上产生的电流等于“零序不平衡电流”，“零序不平衡电流”包含系统自然不平衡电流和注入的零序基波电流。
在实际工程中，由于配电网电路不换位、与线路电磁耦合设备安装不对称、负载不对称、消弧线圈与电网分布电容的谐振过电压等因素形成了电网不平衡零序电压，造成线路损耗增加，并影响配电设备寿命、威胁设备绝缘等。通过注入电流抑制配电网不平衡零序电压的有效性已经得到证实，抑制配电网不平衡零序电压为0的注入电流最优值也得到了确认[17-20]，具体为
（4）根据式（3）可知，
等于配电网自然不平衡电流。当注入时，式（3）的分子为0，也即零序电压被钳制为0。根据文献[21]中零序电压的产生机理可知，零序电压存在的原因就是该电压在零序阻抗上产生电流“抵消”配电网自然不平衡电流，如果注入的电流替代零序电压实现了抵消配电网自然不平衡电流的任务，零序电压失去了存在的意义，就可以“不用工作”，零序电压为0。
在配电网分布参数未知的情况下，为了寻找这个最佳注入电流提出了不同的方法。文献[17]认为式（4）中的电网零序参数测量困难，建议采用以中性点电压为反馈量的闭环控制找到将零序电压抑制为0的注入电流；文献[18]连续测量中性点电压，先改变注入电流相位，确定相位最优值后再逐步确定注入电流幅值的最优值；文献[19]的方法与文献[18]思路基本相似，也是先找到适宜的注入电流相位，然后再确定最佳注入电流幅值，最终获得式（4）的注入电流；文献[20]利用差分法的思想，同时控制注入电流的大小和相位，最终实现中性点电压的柔性控制。以上方法最终目的都是找到满足式（4）的注入电流，都采用了“试错”和“逐步寻优”的思路，需要初始注入一个电流，然后不断地调节注入电流的相位和幅值，根据零序电压的反馈量，确定最优值。以上方法操作复杂，理论上需要多次注入电流—测量电压—注入电流—测量电压的循环，操作复杂且寻优结果只能无限靠近目标值。传统方法不能把不平衡零序电压“一步到位”精准抑制为0的根本原因是未能实现配电网自然不平衡电流的准确测量。本文提出一种不平衡零序电压精准快速抑制方法，只需要改变一次注入电流即可准确计算出配电网自然不平衡电流值，无需反馈环节，控制方法简单快速。
设当前注入电流为时的配电网零序电压为
，具体见式（3），式中
时为中性点不接地、
为中性点经阻抗接地（包含谐振接地和经电阻接地）。改变注入电流，记改变后的注入电流为
，则零序电压为
（5）式（3）除以式（5）得
（6）整理式（6）得
（7）由式（7）可知，只需改变一次注入电流就可以精准计算出将不平衡零序电压抑制为0的注入电流值。
在实际应用中，无需改变现有的有源注入设备的硬件系统，当不平衡零序电压过高时，调节有源注入设备的注入电流，并记录变流前后的零序电压即可计算出将不平衡零序电压抑制为0的注入电流值；然后，立即把有源注入设备的注入电流调整为，实现不平衡零序电压的有效抑制。当系统运行方式变化时，根据式（7）重新测量即可实现不平衡零序电压的快速精准跟踪抑制。
当配电网正常运行时，仅需要改变一次注入电流量即可根据式（7）求得将零序电压抑制为0的注入电流。若系统有线路的投切操作，再次改变一次注入电流即可实现配电网自然不平衡电流的跟踪测量。若线路无任何投切操作，当注入电流为时发生单相接地故障（A相接地为例），故障后的零序电压为
（8）式中，
为过渡电导。故障后配电网零序电压在之前抑制为0的基础上会再次增加。设判定故障的阈值为相电压的ε%，当监测零序电压又继续增加且超过阈值即可判定接地故障。由式（8）可知，故障后零序电压的变化量与电网的接地方式有关，谐振接地系统补偿度越高，过渡电导的引入反映在零序电压值越大，不接地系统次之，经电阻接地系统最不敏感。由式（4）可知，将零序电压抑制为0的注入电流与系统接地方式无关。因此，对于含注入电流的系统正常运行状态下，可选择不接地的方式运行最为经济（中性点接地装置不起作用），考虑现场传感器测量误差，将故障判定阈值设置为3%较为适宜。
文献[12-16]提出了多种有源电流注入的电压消弧法，电压消弧的理论均忽略了配电网分布参数不对称的影响，以期当发生单相接地故障时故障相电压钳制为0，使其不满足起弧的电压条件，且认为将故障相（A相故障为例）电压钳制为0的注入电流值为
（9）若计及电网分布参数不对称，当系统正常运行时，注入电流
时的电网零序电压为
（10）此时的A相电压
为
（11）由式（11）可知，当计及配电网三相对地分布参数不对称时，注入后的故障相电压并未被钳制为0，存在一个剩余电压
，该相电压等于未注入电流前的配电网零序电压。由此可见，传统电压消弧法实现了零序电压向故障相电压的迁移，但未能将故障相电压钳制为0，不能实现100%消弧。
若配电网三相对地分布参数对称，注入电流时的故障相电压为0，过渡电导的接入并未改变配电网的零序电压。但若计及配电网三相对地分布参数不对称，仅注入电流时，故障相剩余电压作用在过渡电导上，会进一步改变配电网零序电压。
若电网A相发生单相接地故障，当注入的零序基波电流为时，故障后的零序电压
为
（12）则故障后的故障相电压
为
（13）对比式（11）和式（13）可知，由于系统三相对地分布参数不对称的影响，当发生接地故障后，仅注入电流不能将故障相的相电压钳制为0，还存在故障剩余电流
为
（14）由式（14）可知，接地故障电流不能被完全补偿，存在一个剩余电流。由式（14）可知，该剩余电流的大小与过渡电导有关。为了判定剩余电流随过渡电导的变化特征，对式（14）中的求导数得
（15）由式（15）可知，判定求导结果的关键在于判断
的正负性。实际中，10kV配电网的供电半径小于15km，66 kV配电网的供电半径一般小于30km。按照配电网最高电压等级66 kV电缆线供电为例，每公里的分布电容电流约为3.5A。由此，推算总零序导纳
＞1的线路长度最少为10 887 km，这远远超出常规电网的线路长度。因此，剩余电流对过渡电导的导数为正值，也即剩余电流随着过渡电导的增加而增加。当金属性接地故障时（
）该剩余电流达到最大值
，该电流等于电网中性点直接接地的电流。由此可见，传统方法并不能实现接地电流的电压消弧全补偿，若电网规模相对较大，不对称度较高，剩余电流最大值依然可达数安培，严重威胁电网供电可靠性。
计及配电网分布参数不对称时，注入的零序基波电流需要消除式（4）所示的配电网自然不平电流，也即消除配电网不对称电压，同时也要实现零序电压提升至故障相电源电动势的目标值，因此实现电压消弧全补偿的总注入电流为
（16）将式（16）中的İSQ替换式（3）中的，整理得到零序电压为
，彻底将故障相电源电压钳制为0，实现100%的电压消弧。观察式（16）可知，配电网自然不平衡电流
可由式（7）求取。如果实现总零序导纳
的测量，即可精准注入电压消弧全补偿的注入电流。
配电网正常运行状态下，分别注入不同的电流和，其零序电压分别为和
，具体见式（3）和式（5）。将两式相减得
（17）整理式（17）得
（18）根据式（7）、式（16）和式（18）得，电压消弧全补偿的注入电流İSQ为
（19）由式（19）可知，在配电网正常运行状态下只需要改变一次注入电流即可计算出实现电压消弧全补偿的注入电流。当判定系统发生单相接地故障时，立即注入电流İSQ，将故障相电压抑制为0，实现100%可靠消弧，彻底去除起弧的电压条件。
由于基波注入电流在不平衡零序电压抑制和电压消弧全补偿的优势，本文提出计及配电网三相对地分布参数不对称的零序电压抑制与消弧优化控制方法。
3.3.1 参数测量时注入电流的优化选择
在实际应用中，不平衡零序电压抑制与电压消弧全补偿的效果受制于式（7）和式（19）的计算结果。根据式（7）和式（19）可知，注入电流、之间的变化量越大（设
），其引发配电网零序电压、之间的差别就越大，式（7）和式（19）的计算结果越准确。另一方面，配电网零序电压过大不利于电网设备的绝缘安全。参考GB/T50064—2014《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范》的规定：正常运行时，自动跟踪补偿消弧装置应确保中性点的长时间电压位移不超过系统标称相电压的15%。选择引发配电网零序电压变化量为15%相电压的注入电流变化量
最为适宜。
（20）3.3.2 接地方式的优化
由式（4）可知，配电网正常运行状态下，将零序电压抑制为0的注入电流量与系统接地方式无关。因此，在配电网正常运行状态下系统以不接地的方式运行最为经济。由式（16）可知，当发生接地故障后，电压消弧全补偿的注入电流值与中性点接地电导
有关，且采用并联消弧线圈的方式可以最大限度地减少电流的注入。图2为含有源注入的不平衡零序电压抑制与电压消弧优化控制流程。
图2 不平衡零序电压抑制与电压消弧优化控制流程
Fig. 2 Flow chart of unbalanced voltage suppression and voltage arc suppression optimal control
由图2所示，实际运行中，先根据式（7）和式（19）计算配电网正常运行状态下将不平衡零序电压抑制为0的注入电流量，以及配电网接地故障后实现电压消弧全补偿的注入电流量İSQ。然后，通过PWM逆变器注入电流，将零序电压抑制为0，并实时监测电网零序电压。若零序电压增加，先判断是否有线路的投切操作，若是，则重新计算和İSQ；若不是，则判断系统发生接地故障，并立即向系统注入电流İSQ，实现电压消弧全补偿。为了判定故障是否为瞬时性的，可短时将注入电流减少至，观测零序电压是否恢复至0，若零序电压未恢复至0，则立即将注入电流恢复至İSQ，直至故障被排除。
利用Matlab/Simulink仿真验证本文提出的不平衡零序电压精准抑制和电压消弧全补偿方法的有效性。仿真系统为10kV配电网，仿真系统拓扑结构如图3所示，仿真系统的电容电流为72.770A、有功电流为1.316A，系统不对称度为1.750%、阻尼率为1.809%，系统中性点不接地下的自然不平衡电压为101.050∠-106.547°V、系统中性点直接接地的自然不平衡电流为1.274∠162.417°A，具体参数设置见表1。
图3 仿真系统拓扑结构
Fig.3 Topology of simulation system
表1 仿真系统零序参数设置
Tab. 1 Zero sequence parameter setting of simulation system
参数A相B相C相系统 分布电容/μF13.51412.91713.68940.120 分布电阻/kΩ13.19313.17913.1064.386
本文提出了仅调节一次注入电流即可计算出将不平衡零序电压抑制为0的注入电流值。根据式（4）可知，虽然目标注入电流与电网接地方式无关，但考虑方法在多种接地方式下的通用性，仿真系统设置了不接地、谐振接地两种方式（对含有电流注入的电网，中性线接电阻无实际意义），其中消弧线圈运行在过补偿15%处（消弧线圈电感值为0.219 604H）。首先在中性点注入幅值为10A、相位为0°的基波电流；然后调整注入电流的相角至90°，采集电网零序电压，根据式（7）计算将零序电压抑制为0的注入电流；最后将计算的电流注入到系统，观测零序电压的抑制效果。
表2 中性点不接地注入电流İS0计算仿真结果
Tab.2 Simulation results of injection current İS0 of neutral ungrounded system
参数 幅值/A10.0890.10910.0768.7901.273 84 相位/(°)0.0-90.92990.0-6.162-17.583 02
由表2和表3可知，在配电网正常运行状态下，只需要调节一次注入电流即可根据式（7）求得将不平衡零序电压抑制为零的注入电流，操作简便、测量精度高。分别将表2和表3测得的注入至配电网中性点，测得抑制后的零序电压分别为0.001 35∠-107.634°V、0.004 21∠71.640°V，基本将不平衡零序电压抑制为0。
表3 消弧线圈过补偿接地注入电流İS0计算仿真结果
Tab.3 Simulation results of injection current injection current İS0 of arc suppression coil grounding system
参数 幅值/A10.05 893.29910.05 090.0581.273 91 相位/(°)0.081.15790.0165.925-17.583 11
本文提出了可消除配电网分布参数不对称的电压消弧全补偿控制方法。首先，根据式（7）计算电流（已由表3和表4验证准确性）、式（18）计算配电网零序导纳，然后根据式（19）计算电压消弧全补偿的电流注入量İSQ。对于中性点不接地的系统，将表3数据代入式（18）计算零序导纳为0.012 697∠88.963 64°S，这与仿真系统参数设置计算得到的零序导纳0.0126 06∠88.963 76°S的误差很小。
1）传统电压消弧法：文献[11-14]认为将故障相（A相故障为例）电压钳制为0的注入电流值同式（9），经计算该注入电流为72.782 71∠-91.036°A。在配电网正常运行状态下，将该电流注入仿真系统后测量A相的相电压为101.053 3∠-106.567°V，该电压等于配电网自然不平衡电压，验证了本文式（11）的理论推导结果。由此看见，传统方法并未将A相的相电压钳制为0，未实现100%电压消弧。继而，在仿真系统A相设置单相接地故障，将过渡电阻的取值范围设置为10 000～0.1W, 测量在注入电流72.782 71∠-91.036°A时, 剩余故障电流的幅值, 得到传统电压消弧法的接地剩余电流测量结果如图4所示。
图4 传统电压消弧法的接地剩余电流
Fig.4 Grounding residual current of traditional voltage arc suppression method
由图4可知，随着过渡电阻的减小，故障电流剩余值逐渐增加，当故障电阻为0.1Ω时的剩余电流幅值为1.272 90A，其基本等于配电网的自然不平衡电流1.274A。以上验证了本文式（14）对故障剩余电流计算的正确性，也说明传统电压消弧法因未计及配电网分布参数不对称的影响并不能实现接地电流的全补偿。
2）电压消弧全补偿：本文提出计及配电网不对称的电压消弧全补偿控制方法。根据式（19）计算中性点不接地系统电压消弧全补偿的注入电流为72.430 21∠-92.002 30°A。在系统正常工作状态下注入该电流后，A相的相电压测量值为0.085 41V，这与未计及配电网不对称时的101.053 30 V相比明显降低。为了证明本文方法消弧的有效性，同样在仿真系统A相设置单相接地故障，将过渡电阻的取值范围设置为10000～0.1W，测量在注入电流72.430 21∠-92.002 30°A时剩余故障电流的幅值，得到电压消弧全补偿法的接地剩余电流测量结果如图5所示。
图5 电压消弧全补偿法的接地剩余电流
Fig.5 Grounding residual current of voltage arc suppression full compensation method
对比图4和图5可知，采用本文提出的电压消弧法可完全补偿故障电流，当故障电阻为0.1Ω时的剩余电流幅值仅为0.001 162A，消弧效果比传统电压消弧法更优异。
本文在计及配电网三相对地分布参数不对称的基础上，建立了零序基波注入电流在配电网中承担的角色和诱发配电网零序电压变化的机理模型；给出了只需要调节一次注入电流的不平衡零序电压精准抑制方法，避免了传统方法多次注入、反复跟踪效果差、耗时长的缺点。通过建立配电网三相对地分布参数不对称对接地电流的影响模型，证实了配电网分布参数不对称的影响下，传统电压消弧法不能实现100%消弧的原因，并提出可实现电压消弧全补偿的方法。只需在故障前调节一次注入电流即可计算实现全补偿的注入电流，有效消除了配电网分布参数不平衡对补偿效果的影响，彻底将故障相电压钳制为0，彻底消除起弧的条件，操作简单、易实施。
参考文献
[1] 要涣年, 曹梅月. 电力系统谐振接地[M]. 北京: 中国电力出版社, 2000.
[2] 薛永端, 李广, 徐丙垠. 利用熄弧后暂态信息测量谐振接地系统的对地电容[J]. 电工技术学报, 2020, 35(7): 1521-1528.
Xue Yongduan, Li Guang, Xu Bingyin. Measuring method of capacitance to ground in resonant grounding system based on transient information after arc extinguishing[J]. Transactions of China Electrote-chnical Society, 2020, 35(7): 1521-1528.
[3] Zeng Xiangjun, Yu Kun, Wang Yuanyuan, et al. A novel single phase grounding fault protection scheme without threshold setting for neutral ineffectively earthed power systems[J]. CSEE Journal of Power and Energy Systems, 2016, 2(3): 73-81.
[4] 董俊, 李一凡, 束洪春, 等. 配电网馈出线路单相永久性接地故障性质辨识方法[J]. 电工技术学报, 2020, 35(21): 4576-4585.
Dong Jun, Li Yifan, Shu Hongchun, et al. Study on identification method of single phase permanent ground fault in distribution network feedout line[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(21): 4576-4585.
[5] 李晓波, 刘建华, 牟龙华, 等. 6～10 kV配电网微机型电容电流测试仪的研制[J]. 高电压技术, 2007, 33(3): 99-103.
Li Xiaobo, Liu Jianhua, Mu Lunghua, et al. Measurement system of capacitive current for 6～10 kV distribution network based on microcomputer[J]. High Voltage Engineering, 2007, 33(3): 99-103.
[6] 庞清乐, 孙同景, 穆健, 等. 气隙调感式消弧线圈控制系统的设计[J]. 高电压技术, 2006, 32(4): 5-10.
Pang Qingle, Sun Tongding, Mu Jian, et al. Design of air gap inductance regulation arc-suppression coil control system[J]. High Voltage Engineering, 2006, 32(4): 5-10.
[7] 陈忠仁, 吴维宁, 张勤, 等. 调匝式消弧线圈自动调谐新方法[J]. 电力系统自动化, 2005, 29(24): 75-78.
Chen Zhongren, Wu Weining, Zhang Qin, et al. New automatic tuning method for multi-tap arc-suppression coil[J]. Automation of Electric Power Systems, 2005, 29(24): 75-78.
[8] 唐轶, 陈奎, 陈庆, 等. 单相接地故障全电流补偿的研究[J]. 中国矿业大学学报, 2003, 32(5): 558-562.
Tang Yi, Chen Kui, Chen Qing, et al. Research on the full current compensation of one-phase-to-ground fault[J]. Journal of China University of Mining & Technology, 2003, 32(5): 558-562.
[9] 曲轶龙, 董一脉, 谭伟璞, 等. 基于单相有源滤波技术的新型消弧线圈的研究[J]. 继电器, 2007, 35(3): 29-33.
Qu Yilong, Dong Yimai, Tan Weipu, et al. Research on new type arc-suppression coil based on single phase active power filter technology[J]. Relay, 2007, 35(3): 29-33.
[10] 刘宝稳, 马宏忠, 沈培锋, 等. 新型接地故障基波电流全补偿柔性控制系统[J]. 中国电机工程学报, 2016, 36(9): 2322-2330.
Liu Baowen, Ma Hongzhong, Shen Peifeng, et al. New flexible control system of full compensation single-phase ground fault fundamental current[J]. Proceedings of the CSEE, 2016, 36(9): 2322- 2330.
[11] 杨磊, 曾祥君, 喻锟, 等. 新型谐振接地系统接地故障全补偿方法[J]. 电力自动化设备, 2018, 38(11): 57-62.
Yang Lei, Zeng Xiangjun, Yu Kun. Novel method of full compensation for grounding fault of resonant grounding system[J]. Electric Power Automation Equipment, 2018, 38(11): 57-62.
[12] 曾祥君, 王媛媛, 李健, 等. 基于配电网柔性接地控制的故障消弧与线路保护新原理[J]. 中国电机工程学报, 2012, 32(16): 137-143.
Zeng Xiangjun, Wang Yuanyuan, Li Jian, et al. Novel principle of faults arc extinguishing & feeder protection based on flexible grounding control for distribution networks[J]. Proceedings of the CSEE, 2012, 32(16): 137-143.
[13] 陈勇, 曹伟炜, 柏彬, 等. MMC-UPFC 单相接地故障下运行特性分析及整体保护策略设计[J]. 电工技术学报, 2019, 34(3): 599-610.
Chen Yong, Cao Weiwei, Bai Bin, et al. Operation characteristics analysis under single-phase grounding fault and overall protection scheme design of MMC-UPFC device[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(3): 599-610.
[14] 郭谋发, 陈静洁, 张伟骏, 等. 基于单相级联H桥变流器的配电网故障消弧与选线新方法[J]. 电网技术, 2015, 39(9): 2677-2684.
Gou Moufa, Chen Jingjie, Zhang Weijun, et al. A novel approach for fault arc extinguishing and feeder selection in distribution networks based on single- phase cascade H-bridge converter[J]. Power System Technology, 2015, 39(9): 2677-2684.
[15] 刘维功, 薛永端, 徐丙垠, 等. 可适应线路结构动态变化的有源消弧算法[J]. 电网技术, 2014, 38 (7): 2008- 2013.
Liu Weigong, Xue Yongduan, Xu Bingyin, et al. An active arc-suppression algorithm adaptable to dynamic structure variation of transmission line[J]. Power System Technology, 2014, 38 (7): 2008-2013.
[16] 周兴达, 陆帅. 一种基于消弧线圈和静止同步补偿器协同作用的配电网消弧结构与方法[J]. 电工技术学报, 2019, 34(6): 1251-1262.
Zhou Xingda, Lu Shuai. An arc-suppression method based on the coordinated operation of the Petersen coil and the static synchronous compensator in distribution networks[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(6): 1251-1262.
[17] 曾祥君, 胡京莹, 王媛媛, 等. 基于柔性接地技术的配电网三相不平衡过电压抑制方法[J]. 中国电机工程学报, 2014, 34(4): 678-684.
Zeng Xiangjun, Hu Jingying, Wang Yuanyuan, et al. Suppressing method of three-phase unbalanced overvoltage based on distribution networks flexible grounding control[J]. Proceedings of the CSEE, 2014, 34(4): 678-684.
[18] 曾祥君, 黄明玮, 王文, 等. 配电网三相不平衡过电压有源抑制方法研究[J]. 电工技术学报, 2015, 30(9): 61-69.
Zeng Xiangjun, Huang Mingwei, Wang Wen, et al. Research on active suppression method of three- phase unbalanced overvoltage for distribution networks[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2015, 30(9): 61-69.
[19] 谢菁, 薛永端, 徐丙垠. 小电流接地系统不对称电压有源补偿控制方法[J]. 电力系统自动化, 2015, 39(5): 115-121.
Xie Jing, Xue Yongduan, Xu Bingyin. An active compensation and control method of asymmetrical voltage in non-solidly grounded system[J]. Automation of Electric Power Systems, 2015, 39(5): 115-121.
[20] 李晓波, 蒋峰景, 李康, 等. 采用改进有源补偿技术的中性点电压柔性控制方法[J]. 电力系统自动化, 2016, 40(24): 111-117, 124.
Li Xiaobo, Jiang Fengjing, Li Kang, et al. Flexible control method of neutral point voltage using improved active compensation technology[J]. Automation of Electric Power Systems, 2016, 40(24): 111-117, 124.
[21] 刘宝稳, 马宏忠. 零序电压产生机理及过渡电阻测量和选相方法[J]. 电网技术, 2015, 39(5): 1444-1449.
Liu Baowen, Ma Hongzhong. Transition resistance measurement and fault phase selection under single- phase ground fault based on producing mechanism of zero-sequence voltage[J]. Power System Technology, 2015, 39(5): 1444-1449.
Optimal Control Method for Accurate and Fast Suppression of Unbalanced Zero-Sequence Voltage and Voltage Arc Suppression Full Compensation
Abstract The existing methods of unbalanced zero sequence voltage suppression in distribution network need multiple current injection and gradual tracking suppression, which have the disadvantages of complex control process and slow convergence speed. When single-phase grounding fault occurs, the traditional voltage arc suppression method does not take into account the influence of three-phase distribution parameter asymmetry of power grid, and fails to completely suppress the fault phase voltage to zero, resulting in residual current in grounding point, which can not achieve 100% arc suppression. Based on the mechanism of zero sequence voltage variation induced by injection current, this paper realizes the on-line measurement of natural unbalanced current in distribution network, and demonstrates the influence of asymmetric distribution parameters of three phases on residual current in distribution network. Methods of fast and accurate suppression of unbalanced zero sequence voltage and full compensation of voltage arc suppression were proposed by adjusting the injection current only once, and the optimal control scheme of ground fault determination, zero sequence voltage suppression and arc suppression were given. Theoretical and simulation results show that this method can accurately and quickly suppress the unbalanced zero sequence voltage to 0 without multiple parameter adjustments during normal operation of power grid, and can compensate the residual current generated by asymmetric three-phase to ground distribution parameters of power grid in case of single-phase to ground fault, which can completely suppress the voltage of fault phase to 0 and realize 100% voltage arc suppression full compensation.
keywords: Fundamental current injection, unbalanced voltage suppression, voltage arc suppression full compensation, single-phase ground fault, asymmetry
DOI:10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.201597
中图分类号: TM74
国家自然科学基金重点项目（51737002）、江苏省自然科学基金青年基金（BK20190490）、中央高校基本科研业务费项目（B200202173）和国家电网公司科学技术项目（52170217000S）资助。
收稿日期 2020-12-02
改稿日期 2021-04-13
刘宝稳 男，1988年生，博士，硕士生导师，讲师，研究方向为小电流接地系统故障检测、消弧与柔性接地技术，电气设备故障诊断。E-mail：lbw_5566@163.com（通信作者）
曾祥君男，1972年生，教授，博士生导师，研究方向为电力系统微机保护与控制等。E-mail：eexjzeng@qq.com
（编辑 郭丽军）