1 引言
中国配电网的中性点主要采用不接地和谐振接地两种运行方式，规程规定其可以带单相接地故障运行2h。但是随着配电网中越来越多的使用固体绝缘的电缆线路，线路绝缘不具有自恢复性，在发生单相电弧接地故障时，长时间带故障运行会造成绝缘损伤积累，在间歇性弧光接地过电压的作用下容易发生绝缘击穿，引发更为严重的相间短路事故，所以必须采取措施消除弧光接地故障。而电缆线路单位长度对地电容较架空线路大很多，故障电容电流很大，当其值达到或超过150A时，采用谐振接地方式的配电网中消弧线圈将难以补偿接地电容电流，不能完全消除电弧。在以电缆线路为主的配电网中，消弧线圈不仅不能消弧，反而会带来选线灵敏度降低等问题，必须选择更为有效的消弧措施以适应电网发展要求。
按照熄弧原理，目前配电系统消弧方式大致可分为电流型消弧和电压型消弧。传统的中性点经消弧线圈接地方式属于电流型消弧，由于消弧线圈不能达到全补偿的目的，国内外学者尝试利用附加的电力电子器件组成补偿装置，对接地残流进行补偿[3-8]，称为有源电流型消弧方式，现阶段技术较为成熟的有瑞典RCC残流补偿装置[9]、哈佛ERC+补偿装置[3]、华北电力大学主从式消弧线圈[10-13]等。有源电流型消弧方式仍然存在补偿电流有限，响应时间慢，依赖电流精确测量装置等诸多缺点，难以广泛应用。电压型消弧方式则是通过对故障相恢复电压的控制，抑制电弧重燃，从而达到消除电弧的目的[14，15]，国内现有的电压型消弧方式有将故障相弧光接地转换为金属性接地、小电抗接地和氧化锌电阻接地三种。电压型消弧与故障电流大小无关[16，17]，故障电流很大时也可以达到完全消弧，相比于电流型消弧方式有较大优势，已有装置投入使用[18，19]，但是在装置的动作策略以及相配套的故障判别和故障选相策略方面还有进步的空间，需要进一步研究。
针对将故障相弧光接地转换为金属性接地的电压型消弧方式，本文研究了一种配电网快速开关型消弧技术，介绍了该技术相对于传统消弧线圈的优点，对其消弧原理及相应的故障判别、故障选相、故障选线等环节的流程进行研究，并通过仿真验证了快速开关型消弧消谐技术原理的可行性和动作流程的合理性。结果说明快速开关型消弧技术在理论上可以达到快速消除电弧接地故障的目的，有助于提高配电系统的供电可靠性。
2 快速开关型消弧技术概述
2.1 电压型消弧方式概述
快速开关型消弧技术以弧隙恢复抗电强度理论为基础[14]，是一种典型的电压型消弧方式。采用快速开关将单相弧光接地转换成母线处故障相稳定的金属性接地，实现接地故障的转移并钳制故障相恢复电压，使得故障相弧隙电压始终小于弧道介质的恢复强度，电弧将不会重燃。电容电流分布图如图1所示。
由式（1）可知故障电流与线路对地电容直接相关，配电网中大量使用电缆线路时，线路对地电容大幅度增加，电流型消弧方式的应用将受到限制。
利用快速开关将线路弧光接地故障转换为母线金属性接地，见图1中虚线，线路故障点电弧电流全部转移到母线的金属性接地相，流过故障点的电弧电流迅速降为0，电弧很快熄灭，而且故障相电压被钳制在较低水平，电弧不发生重燃，从而消除弧光接地故障。
电压型消弧方式不受接地电容电流大小的影响，在实现完全消弧的同时避免了有源电流型消弧方式中对故障电流的复杂追踪和补偿计算过程，消弧过程相对简单，响应时间短。
2.2 快速开关开断技术
在发生单相接地故障时，要求开关在尽可能短的时间内将弧光接地故障转换为稳定的金属性接地。传统的机械开关虽然带负载能力强、导通稳定，但响应速度慢，一般在50ms左右，不能满足开关快速动作要求；电力电子开关响应速度快，但其通态损耗过大、耐压力低。因此，快速开关型消弧装置一般采用基于电磁斥力机构的改进型快速开关，可实现7ms内合闸，3ms内分闸，开断电流达40kA，能够满足快速分合闸并且在两相接地故障时迅速断开短路电流的要求。
改进型快速开关是一种基于涡流原理的新型快速操动机构，结构原理如图2所示。主要由真空灭弧室、动导电杆、分合闸线圈、金属盘等组成[20-21]。灭弧室内动触头的操作机构由电磁斥力机构带动。电磁斥力机构的工作原理：当开关收到合闸（或分闸）命令时，分闸（或合闸）线圈中产生持续几毫秒的脉冲电流，励磁线圈在此脉冲电流作用下产生交变的磁场，同时金属盘因感应出涡流而产生电磁力。金属盘受到洛仑兹斥力的作用迅速运动，通过连杆驱动真空灭弧室的动触头动作，从而实现快速真空开关支路的快速分合闸。
3 快速开关型消弧装置
3.1 快速开关型消弧装置结构
基于电压型消弧方式的快速开关型消弧装置结构如图3所示。装置通过电压互感PT的辅助二次开口三角电压来判断系统是否发生故障，控制器ZK判断是否为单相接地故障并判断故障相。若系统发生单相弧光接地故障，则控制分相真空接触器JZ合闸将故障相直接接地，消除电弧。JZ第一次闭合数秒后，控制器ZK自动令接触器打开，此时若故障消失，系统自动恢复正常运行，控制器退回初始状态。
3.2 快速开关型消弧装置动作流程
快速开关型消弧消谐装置可完成故障判别、快速选相、快速开关动作及故障选线等一系列动作流程，从而实现快速消除单相接地故障和PT铁磁谐振故障，并保证后续故障处理过程的安全可靠。装置整体动作流程如图4所示。
3.2.1 单相接地故障判别流程
配电网中需要与单相接地故障区分的故障类型有PT铁磁谐振故障和PT一次侧断线故障，均可引起PT二次侧开口三角电压升高。
通过监测PT二次侧开口三角是否出现零序电压来判断系统是否发生故障。当发生故障时，根据自限流抑制器动作与否判断系统是否发生PT铁磁谐振。自限流抑制器是一种热敏电阻，正常运行时阻抗几乎为零，而PT中性点流过较大电流时阻抗迅速增大，破坏零序谐振回路[22]，消除PT铁磁谐振。若未发生PT铁磁谐振，再读取三相电压数据，若其中一相或两相为正常电压，其他相电压为零，则判断发生了PT一次侧断线故障，系统发出告警信号；否则判断为系统发生单相接地故障。
3.2.2 单相接地故障选相流程
单相接地故障选相依据为故障后母线三相电压，若有一相电压接近0，另外两相电压升高接近线电压，则说明故障接地电阻较小，可直接判定电压最小相为故障相，而且由于故障相暂态电压变化明显且持续时间短，可实现很短时间内通过三相电压的最大值判断出故障相。若三相电压均较大，则判断为大电阻接地故障，此时故障相电压不一定是三相最低的[23]，需要通过故障相前一相电压最高这一特征综合判断。
3.2.3 快速开关动作流程
首先，故障相快速开关收到合闸信号后会迅速闭合，将故障点处接地电流转移到母线处，使故障电弧熄灭并抑制电弧重燃。然后，根据选线结果识别发生故障的线路是否为电缆线路，由于电缆线路故障后绝缘不能恢复，必须排除线路故障才能重新恢复正常运行，因此快速开关合闸后不再分闸，电弧不会再次发展，同时保证故障点电压在安全电压以下，保护工作人员安全；若发生故障的线路为架空线，暂时性的弧光接地故障在开关闭合后数秒内就能够彻底消除，且绝缘也恢复到初始状态，断开快速开关后系统随即恢复正常运行，不会有接地故障信号；若架空线路上发生的是永久性接地故障，快速开关断开后，接地故障仍然存在，此时母线故障相快速开关需要再次动作合闸，以转移故障点电流并保证工作人员的安全。
考虑到故障相金属性接地后，非故障相电压会上升至线电压，可能使线路上绝缘薄弱点发生接地故障，或者装置选相错误，均会导致系统发生两相短路故障。此时，快速开关可实现短时快速分闸，避免更严重的后果发生。
3.2.4 单相接地故障选线流程
快速开关消弧装置会根据发生故障的线路为电缆线路还是架空线路来选择不同的处理方案，因此需要准确的选线流程。
配电网发生单相接地故障时，故障线路零序电流与非故障线路零序电流方向相反，且幅值为非故障线路的零序电流幅值之和。在母线快速开关动作时故障相零序电流会改变方向，而非故障线路零序电流的方向不变。可根据以上两个特征判断出故障线路。
4 单相接地故障及故障消除过程仿真分析
为验证快速开关型消弧装置原理的可行性和动作流程的合理性，现以某10kV配电网为例，仿真分析系统发生单相接地故障以及故障消除的过程。系统简图如图5所示。图5中共5条出线L1-L5，其中L1和L2为架空线；L3和L4为电缆线路；L5为一段架空线与两段电缆混联的线路。
利用EMTP/ATP建立配电网系统模型，仿真分析单相接地故障过程、快速开关动作过程以及故障选线过程。
4.1 单相接地故障过程
设置混联线路的电缆段L52中部在t=0.02s时，A相电压为正峰值时发生单相接地故障。在A相设置一个开关与电阻串联接地，开关闭合模拟接地故障，开关断开模拟故障消除。
系统PT二次侧开口三角判断故障发生的电压阈值为30V，而且要求系统发生单相金属性接地故障，即中性点电压为相电压时，PT二次侧开口三角电压为100V，因此系统中性点电压有效值达到1.73kV时，装置判断系统发生故障。
故障电阻为10Ω时，根据仿真结果测得中性点电压有效值为5.37kV，母线电压波形如图6所示。故障电阻较小时，母线故障相电压在很短时间内下降到较低值，而非故障相电压会出现一个较高的暂态电压峰值，然后稳定到线电压附近，如图6所示，可根据故障后3ms内的电压数据，利用三相电压的最大值即可判断出故障相，达到快速选相的目的。
故障接地电阻为400Ω时，中性点电压有效值为1.80kV，母线电压波形如图7所示。故障电阻较大时，母线三相电压均较大，此时若仅根据电压最低相判断很容易造成误判现象，可以结合故障相前一相电压最高这一特征来综合判别，提高高阻接地时故障选相的正确率。
4.2 快速开关合闸过程
消弧装置的控制器最快可在3ms内判断出故障相，分相快速开关在收到合闸信号后7ms内完成合闸。在模型中设置母线A相快速开关在t=0.03s时合闸，故障相母线金属性接地。
快速开关合闸后故障接地电流和经快速开关入地的电流波形如图8所示。故障相母线金属性接地后，故障点电流迅速减小，绝大部分故障电流转移到母线金属性接地相，故障点接地电弧电流不足以维持电弧燃烧，电弧迅速熄灭，而且母线金属性接地会将故障相电压限制在很低值，电弧很难重燃，即达到熄灭电弧的目的。
4.3 故障选线过程
故障过程及快速开关合闸过程中故障线路L5与非故障线路L3和L4为例）零序电流波形如图9所示。单相接地故障时，故障线路零序电流与非故障线路零序电流方向相反，且比非故障线路零序电流幅值大很多。在t=0.03s故障相母线快速开关合闸时，故障相零序电流有明显的改变方向过程，而非故障线路零序电流方向不变，根据这一特点可大大提高选线的准确性。
线路 的两个分支线路零序电流特点与上述类似，可同理判断出故障分支。
4.4 快速开关分闸过程
对于架空线路上发生的暂时性单相接地故障，母线故障相快速开关合闸一段时间，确保故障电弧完全熄灭，线路绝缘恢复到原始状态后会再次动作分闸，以恢复配电系统正常运行状态。设置架空线L1中部在t=0.02s时发生单相接地故障，母线故障相快速接地开关在故障后10ms时合闸，单相接地故障在开关合闸0.02s后，t=0.05s熄灭，而开关在t=3.05s时分闸，线路恢复正常。
快速开关分闸后母线三相电压波形如图10所示。三相电压在快速开关分闸后迅速恢复到正常值，配电网恢复正常运行。
对于架空线路永久性单相接地故障，快速开关分闸后仍有故障信号，就会迅速再次合闸，设置再次合闸时间为t=3.06s。永久性接地故障过程故障点电压波形如图11所示。故障消除前故障点电压为672V，母线故障相金属性接地后故障点电压为30V，保证了工作人员和故障点附近人畜的安全。
5 结论
本文提出在中性点不接地的配电系统中采用快速开关型消弧技术代替传统消弧线圈，对装置的消弧原理及动作策略进行了分析和仿真验证，得出以下结论：
（1）快速开关型消弧技术基于电压型消弧原理，可实现100%消弧，且与故障电流大小无关，相对于传统电流型消弧方式优势明显。
（2）快速开关型消弧技术与故障判别、故障选相和故障选线等模块相互配合可以实现配电网暂时性单相接地故障和铁磁谐振故障迅速消除，并且使永久性单相接地故障后续处理过程更加快速安全。
（3）经过仿真分析，快速开关型消弧技术原理有效且流程合理。
配电网快速开关型消弧装置可解决传统电流型消弧方式消弧效果有限、可靠性低等难题。下一步将开发快速开关型消弧消谐装置的样机并完成装置测试。