CN101826723B - 一种电网电压综合控制系统 - Google Patents

Abstract

一种电网电压综合控制系统，属于电力电网自动控制领域；本发明要解决的技术问题是提供一种能够大大提高电网电压综合控制水平，提高电网运行可靠性的电网电压综合控制系统；其主要技术方案是：设置限压单元1、吸收单元2、补偿单元3、泄放单元4和综合控制单元5。综合控制单元5的CPU主控程序控制各保护单元实现对设备、母线、电网进行三级保护设置，综合采用补偿、限压、吸收、泄放等多重保护方案，各层保护按照电压参数设置、时间参数设置、能量参数配合等进行逐级配合，形成对电网电压的梯级控制与保护，最大限度地保障电网安全运行，同时尽量不将事故扩大化。

Description

一种电网电压综合控制系统

技术领域

本发明涉及电力电网的电压控制系统，尤其是涉及一种中性点不接地或经消弧线圈接地的中压电网，能够大大提高电网电压综合控制水平，提高电网运行可靠性的电网电压综合控制系统。

背景技术

我国3～66kV中压电网中以6kV、10kV、35kV三个电压等级应用较为普遍，其中中性点不接地或经消弧线圈接地的小电流系统占绝大多数，小部分采用了中性点经小电阻接地或直接接地的大电流系统。近年来，随着供电网络的发展，真空断路器的大量使用，采用电缆线路的用户日益增加，电弧炉、变频器、高压可控硅等电力设备的使用也日趋增多，导致电网电压的波动十分频繁，因为供电网络电压波动而引起系统故障的现象越来越频繁，造成输变电设备的损坏、影响企业的生产，给企业带来直接或间接的经济损失，特别是工矿企业大多采用电缆供电，使得系统单相接地电容电流大大增加，系统由于发生单相间歇性弧光接地而造成用电设备损坏的事故多有发生。

为了解决电网发展过程中产生的过电压危害问题，针对电网过电压的保护控制设备也在随之发展。1)传统的避雷器仅仅能够防止雷击产生的相对地过电压，无法解决系统相间过电压的问题；2)近年来国内开发生产的组合式过电压保护器能够同时限制相对地、相间过电压，但吸收能量十分有限，过电压承受能力只有几个毫秒，所以，只能够对瞬时性过电压吸收限制，对于谐振、单相接地等产生的长时间过电压无法承受，甚至导致保护器的爆炸；3)中性点经消弧线圈接地的保护方式主要是针对系统对地电容电流较大，可能导致间歇性弧光接地过电压的问题，主要原理是利用电感电流与电容电流在相位上差180°的原理对系统的电容电流进行补偿，由于电网运行方式的多样化及弧光接地点的随机性，消弧线圈要对电容电流进行有效补偿是非常困难的，因此消弧线圈的补偿式保护方案仅仅能够减少弧光接地发生的几率，无法杜绝间歇性弧光接地的发生。另外，即使消弧线圈的感性电流能完全补偿容性电流，中性点位移电压Uo将很高。过补偿方式能够减小中性点位移电压，但失谐度大，将使线路接地电流太大，电弧不易熄灭，那么仍会出现弧光不能自灭及过电压问题，弧光过电压仍然存在；4)采用中性点经小电阻接地方式，这种原理欧洲、美国应用较多，国内厂家很少采用，其主要原理是利用发生单相接地时人为地增加故障点的接地电流，利用零序过电流保护使断路器瞬间切断故障线路。中性点经小电阻接地方式中，一般选择电阻的值较小。在系统单相接地时，控制流过接地点的电流在500A左右，也有的控制在100A左右。其主要缺点在于：首先，由于接地点的电流较大，当零序保护动作不及时或拒动时，将使接地点及附近的绝缘受到更大的危害，导致相间短路故障发生。其次，当发生单相接地故障时，无法区分是永久性的还是瞬时的，也无法区分金属接地还是间歇性弧光接地，均作用于跳闸，使线路的跳闸次数大大增加，严重影响了用户的正常供电，使其供电的可靠性下降。5)近年来，为了提高对电网电压保护的可靠性，特别是为了解决系统单相接地产生弧光过电压的问题，国内开发了消弧及过电压保护柜，其原理是将发生弧光接地的故障相直接金属接地，这种保护方案虽然简单，但是系统需要较长时间的缺相运行；特别是持续时间不长的过电压，通过单相金属接地虽然消除了系统弧光，但会引起较长时间的单相接地，使供电系统带故障运行，使事故扩大化。

综上所述，针对系统过电压的问题，在先的解决方案都是针对单一过电压或部分过电压而制定的，缺乏保护的全面性和对电网系统的统一考虑，无法做到保护的全面性、可靠性和系统安全性的和谐统一。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述技术方案的不足之处而提供一种分别针对电网、母线、设备实现多级综合控制，集限压、吸收、补偿、泄放于一体的整体保护方案，特别是针对中压非直接接地供电网络的一种能够大大提高电网电压综合控制水平，提高电网运行可靠性的电网电压整体控制系统。电网电压综合控制系统将电力监控技术、电压变化分析技术、电压控制技术有机地结合起来，实现对电网电压的综合监控与保护，改变过去电网电压的分散监控与保护方案，实现一体化保护。使电网电压控制的概念在广度和深度上得到极大的延伸，进一步拓展了电网电压监控保护的针对性和适用性，全面提升电网电压自动监控保护的综合水平。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种电网电压综合控制系统，能够实现对供电网络各种过电压的限制与保护，其特征在于：它包括四个保护单元：限压单元1、吸收单元2、补偿单元3、泄放单元4，和一个综合控制单元5，所述各保护单元分别针对供电网络的用电设备、母线、电网实现三级保护，各保护单元在电压参数、时间参数、能量参数上通过自身的物理特性和综合控制单元5的集中控制实现梯级保护配合。

本发明所采用技术方案中的限压单元1包括高压氧化锌非线性电阻、电流信号单元和一个测控电路，限压单元1安装在电网的用电设备前端、控制开关的出线端。高压氧化锌非线性电阻的直流1mA电压参数按照被保护设备的绝缘耐受能力设置，其特征在于：高压氧化锌非线性电阻的能量参数按照用电设备从电网脱离后可能产生的最大过电压能量设置；每个氧化锌非线性电阻的放电回路安装一个电流信号单元，电流信号单元通过测控电路与控制系统的综合控制单元通讯连接实现集中控制。限压单元1的第一个作用是对系统过电压进行初级限制，并吸收过电压能量，特别是控制开关开断后用电设备端的过电压能量，是整个保护方案的第一级保护，保证用电设备的安全，保证供电的可靠性；第二个作用是实现本单元远程控制，实现系统各级保护的配合，对本设备的工作状况进行监控，同时为其他环节的保护动作提供参数依据，保障整个保护系统的有机配合。

本发明所采用技术方案中的吸收单元2包括高能氧化锌非线性电阻、电流信号单元和一个测控电路，吸收单元2安装在补偿单元3和泄放单元4中，组成一个组合装置，通过投切开关与母线连接。其特征在于：高能氧化锌非线性电阻的直流1mA电压参考电压按照被保护母线段所有用电设备的最差绝缘耐受能力设置，能量参数按照保证该母线段所有用电设备安全运行一个时间段设置，所述时间段根据整个保护系统的配合需要进行设置。每个氧化锌非线性电阻的放电回路设置一个电流信号单元，电流信号单元通过测控电路与控制系统的综合控制单元5通讯连接实现集中控制。吸收单元2的主要作用是在系统有过电压发生并超出限压单元1的设计承受能力时对供电母线上产生的过电压能量进行再吸收；第二个作用是实现本单元远程控制，实现系统各级保护的配合，对本设备的工作状况进行监控，同时为其他环节的保护动作提供参数依据，保障整个保护系统的有机配合。

本发明所采用技术方案中的补偿单元3包括电容电流补偿线圈、消谐装置、电流信号单元、电压信号单元、测控电路、投切开关，另外，它还包括一个吸收单元2，共同集合成一个组合装置，组合装置通过投切开关安装在供电母线上。电容电流补偿线圈进线端连接投切开关，出线端连接消谐装置，消谐装置通过一个电流信号单元与大地连接，补偿线圈、消谐装置、电流信号单元组成一个补偿和消谐电路，电压信号单元、吸收单元2连接投切开关的出线端，与补偿和消谐电路并联安装。电容电流补偿线圈对三相非直接接地系统的对地杂散电容电流进行补偿，以消除由于系统杂散电容而导致的弧光接地，由于系统运行的多样性以及接地点的随机性等，电容电流补偿线圈只能够减少系统发生弧光接地的几率，不能从根本上杜绝弧光接地；消谐装置主要保证在供电系统发生谐振时，及时消除系统谐振，避免谐振过电压的危害；在补偿线圈、消谐装置运行情况下发生过电压故障，则通过吸收单元2对过电压能量进行吸收；测控电路与电压信号单元、电流信号单元、补偿装置、消谐装置通讯连接，采集电压、电流信号，控制补偿线圈、消谐装置，测控电路与控制系统的综合控制单元5通讯连接，实现整个控制系统的集中控制，保障系统各级保护的配合，同时对本设备的工作状况进行监控，为其他环节的保护动作提供参数依据，保障整个保护系统的有机配合。

本发明所采用技术方案中的泄放单元4包括泄放开关、电压信号单元、电流信号单元、测控电路、投切开关，高压限流熔断器、旁路开关，另外它还包含一个限压单元1和一个吸收单元2，共同组成一个组合装置，安装在系统母线上；泄放开关进线端通过投切开关与母线连接，出线端连接一个能量吸收单元2，能量吸收单元2与一个旁路开关并联，其出线端与大地连接，由高压限流熔断器、泄放开关、吸收单元、旁路开关连接大地，组成一个泄放电路，泄放电路与一个限压单元并联设置；系统电压发生波动时，首先由限压单元1将过电压限制在一个安全范围，如果过电压能量超过限压单元设计承受能力，泄放开关动作闭合，将吸收单元2投入，对过电压能量进行再吸收，吸收单元2的设计承受能量与承受时间保证可以消除98％的过电压故障，如果过电压能量超出吸收单元2的设计承受能力，则旁路开关动作闭合，将过电压能量直接对地泄放；测控电路与电压信号单元、电流信号单元、泄放开关、旁路开关通讯连接，同时与控制系统的综合控制单元5通讯连接，接收综合控制单元5的控制信息，同时对本设备的工作状况进行监控、传输，为其他环节的保护动作提供参数依据，实现整个控制系统的集中控制，保障整个控制系统各级保护的相互配合。

本发明所采用技术方案中的综合控制单元5包括采样环节、通讯环节、统计分析计算环节、控制环节组成，用来实现对电网各种设备电压状态的测量、控制、保护、警报等功能，实现对整个电网的一体化监控。

本发明所采用技术方案的保护原理是：通过补偿单元3对系统存在的对地杂散电容进行补偿，减少系统发生间歇性弧光接地的几率，避免系统产生长时间的弧光过电压；通过补偿单元3中的消谐装置消除系统可能产生的谐振过电压，在此基础上，对于系统产生的过电压分别采用限压、吸收、泄放三级保护，利用限压单元1对系统产生的过电压进行限制，保证电网电压不超过用电设备的绝缘承受能力，由于其吸收能量有限，在系统中承受过电压的时间设置在20ms以内，限压单元1主要针对用电设备进行保护，可以限制吸收瞬时性过电压如雷电过电压、操作过电压等。当系统过电压能量超出限压单元1的设计承受能力时，吸收单元2起动对过电压能量进行再吸收，同时保证系统电压不超过安全值。由于系统能量为被保护的电网输送能量，与时间成比例关系，所以，能量吸收单元2的承受时间不是无穷的，可以根据该电网产生过电压的状况以及系统保护需要进行设置，综合衡量工艺要求、成本等因素，能量吸收单元2的设计承受时间不宜超过10分钟。通过限压单元1、吸收单元2的两级限制与吸收，能够保证电网电压在规定的范围以内，同时可以消除98％的过电压故障。为了实现对电网电压的极端保护，本发明还设置有能量泄放单元，当电网在补偿工况下，还是发生了长时间过电压，通过限压单元1、吸收单元2的作用，过电压仍然存在，则通过本发明技术方案中的泄放单元4将过电压的能量直接对地泄放，保证电网电压不对系统的用电设备、输变电设备造成危害。

本发明的有益效果是：综合考虑过电压产生的原因，采用综合性的保护方案，保护方案的设置是以供电系统在一定安全范围内安全、稳定运行为目的，不改变系统的运行方式，对设备、母线、电网进行三级保护设置，综合采用补偿、限压、吸收、泄放等多重保护方案，各层保护按照参数设置、时间设置、能量配合等进行逐级配合，最大限度地保障电网安全运行，同时尽量不将事故扩大化。

附图说明

图1为本发明的第一个实施例，两级单段母线设置的电路原理图；

图2为本发明的第二个实施例，两级双段母线设置的电路原理图；

图3为本发明的第三个实施例，一级双段母线设置的电路原理图；

图4为本发明主控制程序的流程示意图；

图5为本发明补偿单元的电路原理图；

图6为本发明泄放单元的电路原理图；

图7为本发明限压单元一个实施例的电路原理图；

图8为本发明吸收单元一个实施例的电路原理图。

具体实施方式

如图1的实施例一、图2的实施例二和图3的实施例三所示，一种电网电压综合控制系统，它包括限压单元1、吸收单元2、补偿单元3、泄放单元4、综合控制单元5；补偿单元3或3′是包含补偿单元、信号单元、消谐单元、投切开关和吸收单元2或2′的组合装置；泄放单元4或4′是包含泄放单元、信号单元、吸收单元2和2′、投切开关的组合装置。

在如图1所示的实施例一中，限压单元1的进线端与被保护用电设备的进线端相连接，通过连接开关与供电母线连接，限压单元1的出线端与大地连接；吸收单元2和2′分别与补偿单元3和泄放单元4组合成一个组合装置，其进线端通过投切开关与母线连接，出线端与大地连接；补偿单元3的进线端与一级电站的母线连接，出线端与大地连接；泄放单元4的进线端与二级电站的母线连接，出线端与大地连接。

在如图2所示的实施例二中，限压单元1的进线端与被保护用电设备的进线端相连接，通过连接开关与供电母线连接，限压单元1的出线端与大地连接；吸收单元2和2′分别与补偿单元3和3′组合成一个组合装置，其进线端通过投切开关与母线连接，出线端与大地连接；补偿单元3的进线端与一级电站的I段主母线连接，出线端与大地连接，补偿单元3′的进线端与一级电站的II段主母线连接，出线端与大地连接；泄放单元4的进线端与二级电站的I段主母线连接，出线端与大地连接，泄放单元4′的进线端与二级电站的II段主母线连接，出线端与大地连接。

在如图3所示的实施例三中，供电网络没有上下级母线设置，限压单元1的进线端与被保护用电设备的进线端相连接，通过连接开关与供电母线连接，限压单元1的出线端与大地连接；吸收单元2和2′分别与补偿单元3和泄放单元4组合成一个组合装置，补偿单元3通过投切开关与供电系统的I段母线连接，出线端与大地连接；泄放单元4通过投切开关与供电系统的II段母线连接，出线端与大地连接。

如图1、图2、图3所示，综合控制单元5通过信号传输线路与限压单元1、吸收单元2、补偿单元3、泄放单元4实现通讯连接。

如图4所示，是综合控制单元5的一个主控程序流程示意图。综合控制单元5在初始化后进入[补偿单元控制]，对系统电容电流进行补偿；然后进入[过电压判断1]，判断系统有无过电压产生，如果否，返回[补偿单元控制]，如果是，进入[限压单元启动]，对系统过电压进行限制；由[限压单元启动]进入[是否谐振]，判断系统过电压是否由于谐振引起的，如果是，进入[消谐装置启动]，启动消谐装置消除系统谐振，然后返回[补偿单元控制]，如果否，进入[过电压判断2]；[过电压判断2]经过再次判断，如果否，返回[补偿单元控制]，如果是，进入[吸收单元启动]，由吸收单元对过电压进行再吸收；由[吸收单元启动]进入[过电压判断3]，对有否过电压进行再次判断，如果否，返回[补偿单元控制]，如果是，进入[泄放单元启动]，启动泄放单元将过电压能量对地泄放，最后返回[补偿单元控制]。

如图5所示，所述的补偿单元3包括补偿线圈6、消谐装置7、电流信号单元8和8′、电压信号单元9、测控电路10、过电压吸收单元2，投切开关11；补偿线圈6的进线端通过投切开关11与母线连接，出线端与消谐单元7的进线端连接，消谐单元7的出线端通过电流信号单元8与大地连接；电压信号单元连接于投切开关11的出线端；吸收单元2的进线端通过电流信号单元8′连接于投切开关11的出线端。测控单元10通过信号传输线路与补偿线圈6、消谐装置7、电流信号单元8和8′、电压信号单元9实现信号传输连接。同时测控单元10通过信号传输线路与综合控制单元5实现信号传输连接。

如图6所示，所述的泄放单元4包括高压泄放开关13、旁路开关14、电压信号单元15、电流信号单元16和16′，测控电路17、投切开关18，它还包含一个限压单元1和一个吸收单元2，共同组成一个组合装置，通过投切开关18与系统母线连接；高压泄放开关13的进线端通过起短路保护作用的高压限流熔断器连接于投切开关18的出线端，高压泄放开关13的出线端与吸收单元2的进线端连接，吸收单元2的出线端通过电流信号单元16与大地连接，旁路开关14与吸收单元2并联安装；由高压限流熔断器、泄放开关13、吸收单元2、旁路开关14组成一个泄放电路，该泄放电路与一个限压单元1并联，所述限压单元1设置有电流信号单元16′，电流信号单元16′安装在限压单元1的进线端；电压信号单元15通过起短路保护作用的高压熔断器连接于投切开关18的出线端；测控单元17通过信号传输线路与泄放开关13、旁路开关14、电压信号单元15、电流信号单元16和16′实现信号传输连接。同时测控单元17通过信号传输线路与综合控制单元5实现信号传输连接。

如图7所示，是限压单元1的一个实施例，所述的限压单元1包括高压氧化锌非线性电阻19、电流信号单元20、测控电路21；高压氧化锌非线性电阻19按照三相四柱式设置，a、b、c、d四柱的一端连接为一个中性点M，a、b、c三柱的另一端通过电流信号单元20分别与A、B、C三相电源连接，d柱的另一端与大地连接。测控单元21与电流信号单元20实现信号传输连接。同时测控单元21通过信号传输线路与综合控制单元5实现信号传输连接。

如图8所示，是吸收单元2的一个实施例，所述的吸收单元2包括高能氧化锌电阻22、电流信号单元23、测控电路24；高能氧化锌电阻22的一端通过电流信号单元23形成出线端，另一端与大地连接；测控单元24与电流信号单元23实现信号传输连接。同时测控单元24通过信号传输线路与综合控制单元5实现信号传输连接。吸收单元2分别安装在补偿单元3、泄放单元4内组成一个组合装置与母线系统连接。

Claims (6)

1.一种电网电压综合控制系统，其特征在于：包括四级保护单元和综合控制单元，四级保护单元包括安装在用电设备进线端与地之间的第一级保护单元限压单元(1)，安装在供电母线与地之间的第二级保护单元吸收单元(2)，安装在主母线或分支母线与地之间的第三级保护单元补偿单元(3)，安装在分支母线与地之间的第四级保护单元泄放单元(4)，综合控制单元(5)对四级保护单元实现通讯连接，四级保护单元在电压参数，能量参数和时间参数上通过综合控制单元(5)实现梯级设置。

2.根据权利要求1所述的一种电网电压综合控制系统，其特征在于：补偿单元(3)中包含吸收单元(2)，补偿线圈(6)，消谐装置(7)，第一电流信号单元(8)，第二电流信号单元(8′)，电压信号单元(9)，测控电路(10)，投切开关(11)，设计成一个组合装置连接于电网上，上述各单元之间的连接关系为补偿线圈(6)的进线端通过投切开关(11)与母线连接，出线端与消谐单元(7)的进线端连接，消谐单元(7)的出线端通过第一电流信号单元(8)与大地连接，电压信号单元(9)连接于投切开关(11)的出线端，吸收单元(2)通过第二电流信号单元(8′)连接于投切开关(11)的出线端，测控电路(10)通过信号传输线路与补偿线圈(6)，消谐装置(7)，第一电流信号单元(8)，第二电流信号单元(8′)，电压信号单元(9)实现信号传输连接。

3.根据权利要求1所述的一种电网电压综合控制系统，其特征在于：泄放单元(4)包含限压单元(1)，吸收单元(2)，泄放开关(13)，旁路开关(14)，电压信号单元(15)，第三电流信号单元(16)，第四电流信号单元(16′)，测控电路(17)，投切开关(18)，设计成一个组合装置连接于电网上，上述各单元之间的连接关系为泄放开关(13)的进线端通过一个高压限流熔断器连接于投切开关(18)的出线端，泄放开关(13)的出线端与吸收单元(2)的进线端连接，吸收单元(2)的出线端通过第三电流信号单元(16)与大地连接，旁路开关(14)与吸收单元(2)并联安装，限压单元(1)的进线端通过第四电流信号单元(16′)连接于投切开关(18)的出线端，限压单元(1)的出线端与吸收单元(2)的出线端连接，电压信号单元(15)通过高压熔断器连接于投切开关(18)的出线端，测控电路(17)通过信号传输线路与泄放开关(13)，旁路开关(14)，电压信号单元(15)，第三电流信号单元(16)，第四电流信号单元(16′)实现信号传输连接。

4.根据权利要求1所述的一种电网电压综合控制系统，限压单元(1)采用高压氧化锌非线性电阻，电压参数与被保护设备的绝缘承受能力配合，其特征在于：限压单元(1)的电压参数同时与吸收单元(2)的高能氧化锌非线性电阻电压参数形成梯级配合，能量参数决定的过电压承受时间与吸收单元(2)的动作时间形成梯级配合。

5.根据权利要求1所述的一种电网电压综合控制系统，其特征在于：吸收单元(2)采用高能氧化锌非线性电阻，电压参数与限压单元(1)的高压氧化锌非线性电阻电压参数形成梯级配合，能量参数决定的过电压承受时间与泄放单元(4)的动作时间形成梯级配合。

6.根据权利要求1所述的一种电网电压综合控制系统，其特征在于：限压单元(1)包含测控电路(21)，吸收单元(2)包含测控电路(24)，补偿单元(3)包含的测控电路(10)，泄放单元(4)包含的测控电路(17)，每个测控电路通过设定的通讯协议与综合控制单元(5)信号连接，对系统电压进行综合控制。

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