CN104749453A - 降低外网单相接地故障对用户电压暂降影响的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种降低外网单相接地故障对用户电压暂降影响的方法，即本方法构建内部电网中降压变压器和升压变压器的零序阻抗回路，计算在配电母线侧零序阻抗回路的总电流和经降压变压器和升压变压器中性点接地电阻的分电流，并计算由此分电流导致降压变压器和升压变压器中性点的电压偏移，以及由此引发的配电母线线电压暂降值。通过计算不同的变压器中性点接地电阻值对应的配电系统电压暂降值，选取配置合适的接地电阻，达到用户对电压暂降百分数的要求。本方法以较少的投入，采用最简单、可靠和低风险的措施达到最大范围地减少外网单相接地故障对用户内网电压暂降影响的目标。

Description

降低外网单相接地故障对用户电压暂降影响的方法

技术领域

本发明涉及一种降低外网单相接地故障对用户电压暂降影响的方法。

背景技术

供电系统中，受外网短路故障影响，用户电网高压供配电系统的电压暂降会给用户安全生产带来了较大的影响。电压暂降问题越来越引起关注，已经成为重要的电能质量热点问题。

电压暂降是指某一时刻电压的幅值突然偏离正常工作范围，经过很短一段时间后又恢复到正常状态的现象。目前很多技术文献都用电压暂降的幅值和持续时间作为描述电压暂降的特征量，但对幅值大小和持续时间的界定范围还未形成统一标准。例如在IEC标准中，用电压暂降前后的电压差值和正常电压的百分比来描述电压暂降的深度，持续时间限定为0.5个周期到几十秒；IEEE电能质量标准中对电压暂降特征量的界定范围是幅值标幺值在0.1～0.9之间，持续时间为0.5个周期～1分钟。

外部电网短路故障会直接影响用户电网，引起用户电网母线电压暂降的幅度取决于故障点的远近、故障的性质及用户自备发电机组的运行情况等；电压暂降的持续时间则取决于外部电网主保护故障切除的动作时间。

外部电网短路故障约70%是单相接地故障，30%是相间短路故障。其主保护一般在100ms之内将故障点切除，后备保护一般在1250ms之内将故障点切除。据统计常有的220KV单相接地故障引起用户110KV电压暂降的深度在15%-50%之间，一般最严重单相接地引起的电压暂降故障点离用户的电气距离最近。

用户生产设备受电压暂降影响主要分两大类：一是电压暂降造成部分380V接触器开关线圈失压释放，进而引发工艺连锁跳电；二是传动调速装置对电能质量的要求比较高，电网电压暂降直接影响设备的正常工作，造成机组欠电压跳电，调速装置的损坏，严重影响正常生产。

电压暂降的研究涉及电压暂降发生频度与供电系统规划、运行之间关系的研究、缓解设备的研发、终端设备的改进，及对电压暂降特性和指标进行基础性的研究等等。

目前，国内外正在讨论电子设备电源电压暂降抗扰性标准，并在电力系统电压暂降计算、分析和仿真技术、电压暂降对配电系统可靠性影响和评估指标研究方面取得了一定的成就。研究抑制电压暂降引起设备跳电的对策措施主要如下：

(1)采取减少电网故障次数的措施：包括一些常见电网保护的方法，如剪树作业、架设屏蔽导线、架空线入地等。因为大部分严重的电压暂降都是由电网故障引起，因此这些方法可以直接降低电压暂降的发生频度。

(2)快速切除故障：这需要对保护技术加以改进，在配电网中较易获得明显的改善，而在输电网中目前故障切除时间已经很短，需要电气设备断路器和继电器的进一步更新换代，目前速断保护的时间在80～100ms左右。

    (3)电网设计和运行的改进：对电网进行改进，使发生故障时在某一特定地点不发生严重的电压暂降。这种方法在工业电力系统的设计中经常使用，而一般不在公用供电中使用，可行方法有限制同一供电母线上的架空馈线数、关键位置处装设来自非同一系统的备用电源等；快速转换开关的使用也可以看成是一个基于电网的解决方法。

(4)在供电网络与用户设备之间装设缓解设备：应用最普遍的缓解电压暂降的方法就是在系统和敏感负荷之间装设UPS或者恒压调压器。对大负荷来说采用动态电压恢复器是一个可行的解决方法。动态电压恢复器主要用于对供电可靠性和质量要求很高的用户，当电源电压发生突变时(无论是升高、降低或波形畸变)，在几毫秒内将畸变波形补偿正常。但其只能解决局部问题，且容量有限制、价格昂贵。

对终端用户设备进行改进提高设备的抗干扰能力同样可以解决电压暂降问题，但对大多数设备来说这种方法并不可行。目前的研究主要如下：研究提高终端用户传动控制设备的抗干扰能力。通过一些典型的测试，研究适当降低欠电压的保护动作值，确认变频器是否具备一定的抗电压暂降的能力。经对某些变频器产品进行抽样测试，发现仅少量产品控制电源回路中的开关电源工作范围有一些余量，且调节难度较大，不能完全解决电压暂降问题；对大量因电压暂降引起的跳机事件进行对比分析，发现当电压暂降深度小于20%，持续时间短于80ms时，变频器控制电源由中间直流电容供电的装置几乎不发生跳电。因此，目前在一些中小容量的设备选型上，优先考虑采用控制电源回路采用中间直流回路和外部电源同时供电的变频器。对于重要设备，对它的控制电源与主回路电源采用UPS，但由于UPS的容量较小，只能应用在控制电源或小容量的关键设备上；对于重要的低压设备，其接触器电源线圈电源采用UPS供电。

综上应对电压暂降的解决方法，均无法系统地解决电网电压暂降问题，只能局部改善且解决成本一般较高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种降低外网单相接地故障对用户电压暂降影响的方法，本方法根据用户电气设备抗电压暂降性能，系统性降低电压暂降对用户电网的影响，保证用户电气设备的正常可靠运行，避免外网单相接地故障对用户电压暂降造成的安全隐患。

为解决上述技术问题，本发明降低外网单相接地故障对用户电压暂降影响的方法包括如下步骤：

步骤一、外部电网的等效电源经输电线路连接内部电网的进线母线，降压变压器连接内部电网的进线母线与配电母线之间，升压变压器连接内部电网的配电母线与发电机组之间，构建内部电网中降压变压器和升压变压器的零序阻抗回路并计算在配电母线电压下零序阻抗回路的总电流和经降压变压器和升压变压器中性点接地电阻的分电流；

步骤二、降压变压器和升压变压器的零序阻抗回路为降压变压器的一次绕组零序阻抗、降压变压器的二次绕组零序阻抗、降压变压器中性点接地电阻、升压变压器电源电缆的零序阻抗、升压变压器的一次绕组零序阻抗、升压变压器的二次绕组零序阻抗和升压变压器中性点接地电阻依次串联，降压变压器的稳定绕组零序阻抗一端连接降压变压器的一次绕组零序阻抗与二次绕组零序阻抗之间、另一端连接升压变压器中性点接地电阻，降压变压器和升压变压器的零序阻抗回路总电流I_0∑为：

        (1)

式（1）中：U₀为配电母线侧零序电压、X_I3为降压变压器的一次绕组零序阻抗、X_II3为降压变压器的二次绕组零序阻抗、X_△3为降压变压器的稳定绕组零序阻抗、R₅为降压变压器中性点接地电阻、X_I9为升压变压器的一次绕组零序阻抗、X_II9为升压变压器的二次绕组零序阻抗、X_L7(0)为升压变压器电源电缆的零序阻抗、R₁₁为升压变压器中性点接地电阻；

流经降压变压器和升压变压器中性点接地电阻的分电流I₀₂为：

     (2)

步骤三、当连接外部电网的等效电源与内部电网的进线母线之间的输电线路发生单相金属性接地故障时，导致降压变压器和升压变压器中性点偏移，配电母线在故障时相间电压暂降，由于典型配电系统中降压变压器和升压变压器的中性点两个接地电阻R₅和R₁₁相同，所以此时，

降压变压器和升压变压器的中性点对地电位为：

                       （3）

配电母线在故障时受到影响的线电压为和：

  （4）

式（4）中，U_n2为配电母线的线电压，

由式（4）得到，当进线母线发生单相金属性接地故障时，内部电网的降压变压器和升压变压器中性点接地电阻流过电流，引起中性点偏移，接地相的相电压幅值减少，引起两个相关相的线电压暂降，

则配电母线在故障点的电压暂降百分比为：

                   （5）

步骤四、在典型配电系统中，降压变压器和升压变压器的中性点两个接地电阻R₅和R₁₁相同并设为R_x，收集配电系统及设备参数，根据式（5），计算不同降压变压器和升压变压器的中性点接地电阻值R_x对应的电压暂降百分比，选取满足配电系统要求值的接地电阻值R_x配置方案。

由于本发明降低外网单相接地故障对用户电压暂降影响的方法采用了上述技术方案，即本方法构建内部电网中降压变压器和升压变压器的零序阻抗回路，计算在配电母线侧零序阻抗回路的总电流和经降压变压器和升压变压器中性点接地电阻的分电流，并计算由此分电流导致降压变压器和升压变压器中性点的电压偏移，以及由此引发的配电母线线电压暂降值。通过计算不同的变压器中性点接地电阻值对应的配电系统电压暂降值，选取配置合适的接地电阻，达到用户对电压暂降百分数的要求。本方法以较少的投入，采用最简单、可靠和低风险的措施达到最大范围地减少外网单相接地故障对用户内网电压暂降影响的目标。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明：

图1为本方法适用的典型供配电系统；

图2为典型供配电系统零序阻抗模型图；

图3为典型供配电系统正常运行时的配电母线电压向量图；

图4为典型供配电系统进线母线单相金属性接地故障时的配电母线电压向量图。

具体实施方式

本发明降低外网单相接地故障对用户电压暂降影响的方法包括如下步骤：

步骤一、如图1所示，外部电网1的等效电源11经输电线路12连接内部电网2的进线母线21，降压变压器22连接内部电网2的进线母线21与配电母线23之间，升压变压器24连接内部电网2的配电母线23与发电机组25之间，构建内部电网2中降压变压器22和升压变压器24的零序阻抗回路并计算在配电母线23电压下零序阻抗回路的总电流和经降压变压器22和升压变压器24中性点接地电阻26、27的分电流；

步骤二、如图2所示，降压变压器和升压变压器的零序阻抗回路为降压变压器的一次绕组零序阻抗X_I3、降压变压器的二次绕组零序阻抗X_II3、降压变压器中性点接地电阻R₅、升压变压器电源电缆的零序阻抗X_L7(0)、升压变压器的一次绕组零序阻抗X_I9、升压变压器的二次绕组零序阻抗X_II9和升压变压器中性点接地电阻R₁₁依次串联，降压变压器的稳定绕组零序阻抗X_△3一端连接降压变压器的一次绕组零序阻抗X_I3与二次绕组零序阻抗X_II3之间、另一端连接升压变压器中性点接地电阻R₁₁，降压变压器和升压变压器的零序阻抗回路总电流I_0∑为：

        (1)

式（1）中：U₀为配电母线侧零序电压、X_I3为降压变压器的一次绕组零序阻抗、X_II3为降压变压器的二次绕组零序阻抗、X_△3为降压变压器的稳定绕组零序阻抗、R₅为降压变压器中性点接地电阻、X_I9为升压变压器的一次绕组零序阻抗、X_II9为升压变压器的二次绕组零序阻抗、X_L7(0)为升压变压器电源电缆的零序阻抗、R₁₁为升压变压器中性点接地电阻；

流经降压变压器和升压变压器中性点接地电阻R₅和R₁₁的分电流I₀₂为：

     (2)

步骤三、如图3所示，供配电系统正常运行时，配电母线的U_A、U_B、U_C三个相电压相等，N代表系统中性点，线电压是U_n2；如图4所示，当连接外部电网的等效电源与内部电网的进线母线之间的输电线路发生单相金属性接地故障时，导致降压变压器和升压变压器中性点偏移，配电母线在故障时相间电压暂降，系统中性点N偏移至N′点，由于是电阻接地系统，流过接地电阻的电流和U_A方向相反，因此N点对地电位为U_NN′，但U_AN却变小到U_A′_N了，此时U_n2的AC线电压，BA线电压都将变小,所以在接地故障被切除前发生电压暂降；由于典型配电系统中，降压变压器和升压变压器的中性点两个接地电阻R₅和R₁₁相同，所以此时，

降压变压器和升压变压器的中性点对地电位为：

                       （3）

配电母线在故障时受到影响的线电压为和：

  （4）

式（4）中，U_n2为配电母线的线电压，

由式（4）得到，当进线母线发生单相金属性接地故障时，内部电网的降压变压器和升压变压器中性点接地电阻流过电流，引起中性点偏移，接地相的相电压幅值减少，引起两个相关相的线电压暂降，

则配电母线在故障点的电压暂降百分比为：

                   （5）

步骤四、在典型配电系统中，降压变压器和升压变压器的中性点两个接地电阻R₅和R₁₁相同并设为R_x，收集配电系统及设备参数，根据式（5），计算不同降压变压器和升压变压器的中性点接地电阻值R_x对应的电压暂降百分比，选取满足配电系统要求值的接地电阻值R_x配置方案。通过对变压器中性点接地电阻值的选定和不断优化，从而达到降低外网单相接地故障对用户电压暂降影响次数和影响深度的目的，以尽量满足用户对电压暂降百分数的要求。

本方法在现有电网管理制度前提下，现有继电保护快速动作时间已到瓶颈、缓解设备昂贵且只解决局限“点”问题、终端用户设备抗电压暂降能力有限的情况下，从供配电系统的角度，基于对多年电压暂降事件的调查分析和对用户典型高压供配电系统的构架、系统接地方式等与电压暂降相关的稳态分析，提出通过供配电系统用户主受电降压变压器和用户内网自发电升压变压器中性点接地电阻等参数的合理配置，以降低外网单相接地故障对用户电压暂降的影响次数和影响深度。本方法以较少的投入，采用最简单、可靠和低风险的措施达到最大范围地减少外网系统单相接地故障对用户内网电压暂降影响的目标。

本方法最适合在用户供配电系统初步设计时采用，这时变压器、接地电阻等设备参数尚未确定，可以更灵活地根据本方法进行设备参数仿真计算和模拟，以取得较理想的限制外网单相接地故障对用户电压暂降影响的数据；对于已经投入使用的供配电系统，可改变系统中性点接地电阻值，实施方式相同。通过确定和收集用户供配电系统设备参数或参数范围，如电缆、变压器和中性点接地电阻值等；根据用户供配电设备参数，确定系统零序阻抗模型；依据系统零序阻抗模型，在设备参数范围内，模拟外网单相接地故障，确定可以接受的电压暂降百分比，计算对应不同变压器中性点接地电阻值，从而当发生外网系统单相接地故障时，使得用户内网电压暂降在允许的范围内，以降低外网单相接地故障对用户电压暂降的影响次数和影响深度。

Claims (1)

1.一种降低外网单相接地故障对用户电压暂降影响的方法，其特征在于本方法包括如下步骤：

步骤一、外部电网的等效电源经输电线路连接内部电网的进线母线，降压变压器连接内部电网的进线母线与配电母线之间，升压变压器连接内部电网的配电母线与发电机组之间，构建内部电网中降压变压器和升压变压器的零序阻抗回路并计算在配电母线电压下零序阻抗回路的总电流和经降压变压器和升压变压器中性点接地电阻的分电流；

步骤二、降压变压器和升压变压器的零序阻抗回路为降压变压器的一次绕组零序阻抗、降压变压器的二次绕组零序阻抗、降压变压器中性点接地电阻、升压变压器电源电缆的零序阻抗、升压变压器的一次绕组零序阻抗、升压变压器的二次绕组零序阻抗和升压变压器中性点接地电阻依次串联，降压变压器的稳定绕组零序阻抗一端连接降压变压器的一次绕组零序阻抗与二次绕组零序阻抗之间、另一端连接升压变压器中性点接地电阻，降压变压器和升压变压器的零序阻抗回路总电流I_0∑为：

        (1)

式（1）中：U₀为配电母线侧零序电压、X_I3为降压变压器的一次绕组零序阻抗、X_II3为降压变压器的二次绕组零序阻抗、X_△3为降压变压器的稳定绕组零序阻抗、R₅为降压变压器中性点接地电阻、X_I9为升压变压器的一次绕组零序阻抗、X_II9为升压变压器的二次绕组零序阻抗、X_L7(0)为升压变压器电源电缆的零序阻抗、R₁₁为升压变压器中性点接地电阻；

流经降压变压器和升压变压器中性点接地电阻的分电流I₀₂为：

     (2)

步骤三、当连接外部电网的等效电源与内部电网的进线母线之间的输电线路发生单相金属性接地故障时，导致降压变压器和升压变压器中性点偏移，配电母线在故障时相间电压暂降，由于典型配电系统中降压变压器和升压变压器的中性点两个接地电阻R₅和R₁₁相同，所以此时，

降压变压器和升压变压器的中性点对地电位为：

                       （3）

配电母线在故障时受到影响的线电压为和：

  （4）

式（4）中，U_n2为配电母线的线电压

由式（4）得到，当进线母线发生单相金属性接地故障时，内部电网的降压变压器和升压变压器中性点接地电阻流过电流，引起中性点偏移，接地相的相电压幅值减少，引起两个相关相的线电压暂降，

则配电母线在故障点的电压暂降百分比为：

                   （5）

步骤四、在典型配电系统中，降压变压器和升压变压器的中性点两个接地电阻R₅和R₁₁相同并设为R_x，收集配电系统及设备参数，根据式（5），计算不同降压变压器和升压变压器的中性点接地电阻值R_x对应的电压暂降百分比，选取满足配电系统要求值的接地电阻值R_x配置方案。