超快速主动干预型消弧技术研究

一、背景概述 配电网接地现状：随着供电容量及电缆化率提高，系统单相接地电流增大，传统消弧线圈因无法补偿接地电容电流的阻性分量和高频分量、不适应电缆线路等问题，逐渐被中性点直接接地、主动干预型转移接地、接地电容电流动态补偿等方案替代。

二、接地故障解决方案

1. 中性点直接接地

   • 特点：保护动作迅速，限制非故障接地故障期间对地电压，降低设备绝缘水平要求。
   • 局限性：线路跳闸率高，供电可靠性低；高阻接地故障保护难以启动。
   • 应用：仅北京、上海等大城市应用。

2. 接地电容电流动态补偿

   • 原理：利用有源补偿装置向电网注入零序电流，控制中性点零序电压，使故障点恢复电压降为零或接近零，破坏电弧重燃条件。
   • 局限性：性价比偏低，需要较大容量的电源供电。
   • 应用：少量示范应用。

3. 主动干预型转移接地

   • 特点：将线路上弧光接地故障转移到电站母线上的金属性接地，结构简单，不受系统电容电流限制，技术经济性好。
   • 应用：批量应用。
   • 存在问题：响应速度慢，易引发相间短路故障、火灾、故障线路跳闸停电、人身触电伤害大。

三、超快速主动干预型消弧关键技术

1. 装置原理拓扑：通过快速开关和断路器实现故障转移。
2. 故障选相技术：采用开口三角电压分层判据、母线电压幅值相位特征及高精度广域同步零序电流/零序电流增量检测，判断单相接地故障。
3. 超快速分相合闸开关技术：短开距分相控制快速开关负责迅速合闸，长开距前置断路器负责开断电容电流，优化电磁力机构动作特性，实现快速开关超快速可靠合闸，前置断路器分闸时间≤3ms，分相合闸开关合闸时间≤3ms。
4. 基于零序电流翻相特征的故障选线技术：利用快速开关动作前后的翻相过程提高判别准确率。
5. 基于广域同步电流检测的故障定位技术：广域数据采样同步，采样频率12.8kHz，同步时间精度6μs，基于高精度广域数据采样同步和大数据分析，提高高阻接地故障检测的准确率和故障定位精度。

四、装置对比

• 超快速主动干预型消弧装置故障转移时间≤6ms，普通装置≤100ms，大幅缩短转移时间可解决人员触电风险、避免相间短路、减少晃电时间、防止森林草原起火等问题。

五、装置性能试验验证

• 试验条件：委托中国电力科学研究院有限公司电力工业电气设备质量检验测试中心进行单相接地故障真型试验，网架结构为单辐射，4回10kV馈线，系统电容电流68A，样品安装位置为主变10kV侧K1开闭所母线接地电阻<0.52。
• 试验方案及检测报告：验证装置在C相金属性接地故障下的性能，试验录波显示装置响应迅速，符合设计要求。

六、装置优势

1. 提出多算法融合的配电网单相接地超快速选相选线方法，选相时间≤3ms。
2. 提出基于广域同步采样技术的配电网单相接地故障点精准定位方法，零序电流最小辨识值小于0.5Arms，测量精度0.5%，同步时间≤6us。
3. 提出适用于配电网单相接地故障超快速转移的主动干预式消弧消谐方法，研制出额定电压12kV的主动干预式消弧消谐装置，转移起效时间≤6ms。

七、总结和建议 引用Hugh Borland的报告：

1. “故障相接地”是当前最合适的配电网接地消弧技术，动态剩余电流补偿和故障相接地在降低故障电流和提高安全性方面表现出色，故障相接地技术成本较低，应用前景更广。
2. “故障相接地”技术中，超快速“故障相接地”技术指标最高。
3. 评价各种接地装置性能必须以实测为准，建议用人工接地试验装置进行实测，用广域同步测试设备进行短期在线监测。