配电系统接地故障电流电压全补偿混成消弧技术及装备

长沙理工大学配电故障处置技术团队长沙森电精科电力技术有限公司成果转化基地湖南理工学院 汇报内容 背景与意义 电流电压混成消弧原理三、电流电压混成消弧装备四、现场应用 每年国内外配电网接地故障造成人身伤亡上干人、火灾数十起、停电损失上干亿元。 .-数据来源：国际电气安全基金会（ESFI）、国家统计局统计数据3 2016年西安35kV电缆中间头爆炸起火，引发两座变电站烧毁，停电近9万户；造成三星西安半导体工厂损失约10%的生产力、约数百亿韩元的损失， -数据来源：《“6·18”主变烧损事故调查报告》 2020年西昌10kV预留引流线对电杆放电16分钟，金属熔融掉地，引发森林火灾；过火面积3047公顷，直接经济损失9731万元，牲19人。 习近平总书记重要批示：要求坚决遏制事故灾难多发势头，全力保障人民群众生命和财产安全。 配电网长期存在接地敌障引发人身触电、、电气火灾、过电压负荷停电的运行痛点 为消除“四大痛点”，需攻克“瞬时故障安全消弧、永久故障快速保护隔离”的技术瓶颈。《防止电力生产事故的二十五项重点要求》“配置主动干预型消弧装置” 国家电网有限公司 国网设备部关于召开森林草原输配电线路火灾隐患排查治理工作推进会的通知 国网发展部、安盟部：营销部、国网西南分部，国网北京、汽北、莫北、山西、派江、安街、福建、湖北、湖南、江西、白川、辽宁、吉林、吊龙江、原东、扶西、甘素、西蒙电力，中国电利校：排掘公司工作安排，决定在园川西高石开靠林草原输配电线路大灾您惠排查治理工作推速会，具体第况通规如下， 澳大利亚火灾防护标准 国网、南网、国家能源局提出触电火灾防护要求 高阻故障： 《森林草原输配电线路火灾隐患排查治理工作推进会》指出：为实现森林草原火灾防治要求接地故障保护能力道切需要提升到10k2国家能源局《防止电力生产事故的二十五项重点要求》2023版，要求：17.2.163~66kV中性点不接地系统发生单相接地故障时，一次设备应能快速响应，防止电缆着火、事故扩大。变电站3~66kV各段母线，因地制宜配置主动干预型消弧装置。” 要求在故障后1.5s内检测到要求在2s内，抑制故障线路的电压到250V以下。 为减少故障残流实现消弧，100年前发明消弧线圈 消弧线圈本质上是电感线圈，100多年前德国皮特森（Petersen）发现中性点增加电感线圈后，可以降低接地电流，在早期配电网规模小的环境下，可以达到很好的熄弧效果。 ●消弧线圈发展至今，大致可分为以下几类，1：有分接头的调匝式消弧线圈；2：调容式消弧线圈：3：调气隙式消弧装置：4：磁阀式调节的消弧线圈：5：高短路阻抗变压器式消弧线圈。 难题：传统电流消弧线圈消弧能力不足 国家标准规定的消弧线圈运行条件，应控制故障残流小于10A 传统消弧线圈属于“电流消弧”，仅能补偿电容电流，不能补偿有功及谐波电流，瞬时故障消弧率一般仅为60%；应用于传统架空裸导线接地故障消弧，对目前采用的地下电缆和架空绝缘线故障消弧能力差，因为绝缘故障一般是电压击穿，即使小至1A电流也难以消弧数据参考：华东电力《不同类型消弧线圈灭弧性能的试验研究》 汇报内容 背景与意义 电流电压混成消弧原理 三、电流电压混成消弧装备四、现场应用 别列柯夫消弧理论 单相接地电弧的熄灭与重燃和流过故障点的电流电压特性密切相关：在高频振荡电流或工频电流过零时熄弧；故障点恢复电压大于绝缘耐受电压，电弧便重燃。 电流消弧方法抑制故障点电流，减少对绝缘介质的损伤，促进绝缘耐受电压的恢复促使故障点恢复电压小于绝缘耐受电压，强迫故障消弧 调控外加电压源，促使故障点恢复电压持续低于绝缘耐受电压，强迫电弧熄灭。 中性点接地装备协同抑制故障电流与恢复电压，强迫故障电流过零熄弧后故障点动态恢复电压小于绝缘介质恢复的最大耐受电压，实现故障消弧。 电流电压混成消弧的创新研究思路 电流电压混成消弧动作时序 由于消弧线圈80%自熄弧故障的熄弧时间在1S内（参考刘健论文《中性点经消弧线圈接地系统单相接地故障数据分析》），电压源投入时间建议整定为1s；故障10s后，调控电压源，增大故障相电压到故障研判电压，进行瞬时性故障和永久性故障的研判瞬时性故障消除后，中性点停止电压源注入，故障相电压恢复正常；■永久性故障时，持续注入故障相反向电压源，仅需将故障点电压抑制到带故障安全运行电压以下，实现故障消弧，即零电流运行（2h）；或高阻故障注入故障相同向电压源，主动升压，选线保护跳闸，彻底隔离故障；或调控中性点电压，将故障点电压控制到零，不停电作业清除故障 不同接地方式混成下故障点电流与恢复电压的特性时序 不同接地方式的混成原则：“无源预调接地方式（消弧线圈、不接地）与有源随调接地方式（中性点电压源型柔性接地方式、故障相电源馈入中性点接地方式）的混成。 1、瞬时性故障预调式消弧线圈电流消弧然后主动干预电压消弧；2、永久性故障增大故障电流快速保护隔离；3、相间故障电压源快速退出。 混成接地方式接地故障安全高效处理策略原理拓扑图 汇报内容 背景与意义 电流电压混成消弧原理 三、电流电压混成消弧装备 四、现场应用 主动干预型电流电压全补偿混成消弧装备组成 按电压源型式不同，分为电力电子型和非电力电子型（1）电力电子型：采用电力电子的有源逆变器产生一单相幅值和相位可控的电压源，注入中性点；成套装置由接地变压器、消弧线圈、控制柜、可控电源、辅助设备等组成 成套设备组成 （2）非电力电子型：直接将故障相电源电压（如接地变压器二次侧线电压）反相馈入中性点，强迫故障点电压小于故障电弧重燃电压，确保故障消弧。由接地变压器、消弧线圈、控制柜、相电源馈入型可控电源、辅助设备等组成。 发明了电流电压混成消弧线圈 在调容式消弧线圈的基础上增加一个副边绕组，施加接地变的二次电源，调控故障相电压，强迫故障点电压小于电弧重燃电压，实现电压消弧。 电压消弧线圈与传统消弧线圈结构和接线兼容，可以原位替代在设备构造，型式、造价、接线、运维基本不变的条件下，实现电流电压全补偿消弧 中性点不接地方式改造成主动干预型电流电压全补偿混成消弧接地方式 改造后，可以消除间隙性弧光过电压，预防触电、起火、过电压和停电事故有望减少接地故障停电率50%； 特别适用于林区草原电网、高可靠性电网。 只需新增台接地变压器和单相注入变压器注入变二次侧并联有电阻，可抑制谐振过电压，装置投入后无需调谐控制 消弧线圈接地方式改造成主动干预型电流电压全补偿混成消弧接地方式 电压源消弧装置可与调匝式消弧线圈配合使用，接入同一个中性点，与消弧线圈并联运行，消弧线圈补偿系统电容电流，电压源消弧装置仅需补偿流经故障点的残流 主动降压消弧装置补偿消弧线圈过补偿残流，将减小中性点支路电流，从而减小接地变容量；因此，可与消弧线圈共用接地变，采用同一个接地变中性点； 仅需与消弧线圈并联一台单相注入变压器，容量按最大残流的2倍左右选择，无需跟踪调谐，控制简单， 可共用消弧线圈间隔，无需新增站内备用间隔接入成套装置。 消弧线圈并联小电阻接地方式改造成主动干预型电流电压全补偿混成消弧接地方式 投退时间配合：首先是消弧线圈电流消弧，1s后注入零序电压实施电压消弧，彻底消除瞬时性接地故障；若确认为永久性接地故障，在小电阻投入时，需停止注入电源。 分布式接地方式的调控 新能源脱网运行后，可能分裂为多个微电网运行。但此时微网系统仍存在残流，不能自行熄弧。提出：主动干预型电流电压全补偿消弧线圈成套装置： 汇报内容 背景与意义 电流电压混成消弧原理电流电压混成消弧装备 四、现场应用 现场安装情况 已获美国、欧盟、俄罗斯、日本、澳大利亚等国发明专利150余项，实现了专利成果转化，已规模化应用于全国9个省市： 电流电压混成消弧装备已在国内成功运行应用300余套，社会经济效益显著。 用户分别在中央电视台、官方网站上公开报道该发明为消弧利器和触电火灾安全防护盾牌 官方媒体报道 建立了国内外专利池，荣获多项专业重大奖项 前期已获中国发明专利150余项，已获得美国、欧盟、俄罗斯、澳大利亚、巴西等国际专利 专利技术近期获得的重大奖项 构建了配电网接地故障处理的专利池 到自前为止，已在浙江、湖南、广东云南、四川、陕西、甘肃、浙能镇海电厂等企业成功运行300余台套，运行稳定，效果突出。 通过电科院武汉分院、漯河真型配电网实验室、华中科技大学动模实验室 现场运行情况 左下图A相间隙性弧光接地故障，消弧线圈不能熄灭电弧，200ms后，电压源投入，把故障相电压降低到0，抑制故障电弧，非故障相最大过电压为线电压： 右下图电压源输出电压抑制故障5s后，检测到接地故障已消除，退出运行后的电网恢复正常运行的过程 表明中性点电压源成功消除了该故障，如果没有安装该电压源，消弧线圈不能消除该间隙性弧光故障可能引发相间故障，需要线路停电隔离故障。因此，中性点电压源实现了该间隙性弧光接地故障的不停电消除。 某变电站原为中性点经消弧线圈接地方式，消弧线圈容量750kVA，测得对地电容电流值为100A左右，消弧线圈处于过补偿状态，后改造为主动干预型电流电压全补偿消弧线圈接地方式。系统发生B相接地故障，B相故障残压为2810V，可控电源投入后，在故障发生700ms时B相故障残压下降为200V，消弧5s后恢复正常运行，避免了接地故障跳闸 某变电站原为中性点经消弧线圈接地方式，消弧线圈容量315kVA，测得对地电容电流值为28A左右，消弧线圈处于过补偿状态，后改造为主动干预型电流电压全补偿消弧线圈接地方式。系统发生B相接地故障，B相故障残压为4790V。可控电源投入后，在故障发生400ms后B相故障残压下降为360V，消弧5s后恢复正常运行，避免了接地故障跳闸 某变电站现场运行情况如附表所示，2022年底运行该成套装置后，2023年上半年10kV线路断路器动作次数相较于2022年上半年同比，减少了64.2%，大大提高了供电可靠性：且强迫故障点电压小于200V和故障点电流为零，从而消除了弧光过电压，没有触电起火事故发生 某地市局在10kV架空线上安装了6套柱上式电流电压混成消弧装备，目前运行情况良好，未影响线路正常运行。装置投运前（2024年1-5月），6个站发生10千伏永久性接地故障33次，装置投运后（2025年1-5月），6个站发生10千伏永久性接地故障14次，在此期间装置共计动作补偿了131次。 电流电压全补偿混成消弧装备的优势 与传统消弧线圈技术比较 有效避免瞬时性单相接地故障所引起的故障线路跳闸，较消弧线圈降低50%单相接地故障停电概率 可快速钳制非故障相电压至、/3倍相电压，杜绝2~8倍间歇性弧光接地过电压、铁磁谐振和相间故障发生； 设备动作时，敌障点残压小，接地点跨步电压低，可大大降低单相接地故障点人身触电风险 高达20k2单相高阻接地故障检测能力，可将接地故障消灭在萌芽状态。 与有源(残流)全补偿消弧技术比较 国内外有源全补偿消弧技术采用电流消弧，中性点注入电流，全补偿接地故障残流，以电流为控制目标；由于故障点电流难以被精确测量，且需闭环控制，工程实现难度大。 发明了中性点电压源消弧技术，以故障相电压为控制自标由于故障相电压可直接精确测量，开环控制，实现简单，控制精度高；甚至可以采用非电力电子的传统变压器实现造价低、可靠性高，简单经济。 电流电压全补偿消弧装置的优势 与主动干预型转移消弧技术比较 电压安全运行域 电压调控范围不同：故障点转移消弧技术将故障相母线直接接地，故障相母线电压为零，即中性点电压为故障相反相电压（图中C点），强迫故障点电压低于电弧重燃电压以下，实现电压消弧；而中性点电压源消弧的运行域是一个区域，因此转移消弧是电压源消弧的一个特例 安全性不同：转移消弧标准要求耐受异相金属性接地短路敌障（故障电流可能大于2000A），需要专门的大电流安全设计。中性点电压源消弧技术，从二次侧注入零序电压，回路