CN104917169A - 用于中性点经消弧线圈接地系统的对地电容检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于中性点经消弧线圈接地系统的对地电容检测方法，“预调式”消弧线圈在电网正常工作时串联或并联阻尼电阻以限制中性点位移过电压，而电力电子开关因其动作的迅速性而逐渐被用来在故障状态下快速退出阻尼电阻，本发明针对上述具有电力电子开关的“预调式”消弧线圈，提出了一种新型对地电容检测方法，即通过瞬时控制用来投切阻尼电阻的电力电子开关的工作状态，以产生含有丰富频率成分的扰动电压、电流脉冲，利用该扰动电压、电流信号并结合基于电力电子扰动技术的谐波阻抗测量方法计算系统对地电容以用于消弧线圈的自调谐。

Description

用于中性点经消弧线圈接地系统的对地电容检测方法

技术领域

本发明涉及一种用于中性点经消弧线圈接地系统的对地电容检测方法。

背景技术

我国中压配电网多采用中性点非有效接地方式。随着电网规模扩大，电网出线数量增多，线路对地电容电流日益增大，单相接地故障电弧难以自熄，且产生较高的过电压，可能危害健全相造成两相短路。因此，需采用自动调谐的消弧线圈装置进行补偿来保证配电网运行可靠性。

消弧线圈自动跟踪补偿的关键是准确测量系统对地电容以确定消弧线圈的投入容量。中性点位移电压法根据串联谐振原理，通过调节消弧线圈档位使中性点位移电压达到最大值以确定谐振点。该方法需要频繁调节消弧线圈，对于级差调节的消弧线圈，谐振点难以准确找到，导致测量误差较大。两点法与三点法通过测量消弧线圈档位调节前后中性点位移电压来计算系统对地电容值。前者忽略了电网阻尼率及消弧线圈的有功损耗电导，因此会导致较大的计算误差；后者虽考虑了电网阻尼率，但同样忽略了消弧线圈的有功损耗电导，影响计算精度。阻抗三角形法利用串联谐振中电阻电抗之间的三角形关系计算系统对地电容。该方法要求较高的电网不平衡度，电网不平衡度较低时无法得到准确的测量结果。注入变频信号法利用电压互感器向消弧线圈注入变频信号，通过系统反映到电压互感器二次侧的信息来确定系统谐振频率，从而计算系统的电容电流。该方法具备较高的测量精度，但实时性较差。注入恒频信号法从电压互感器开口三角侧注入多个频率恒定的电流信号，通过测量PT二次侧电压计算出配电网对地电容值和电容电流值。该方法在恰当的选频下可准确测量出系统对地电容值。

因此，为了提高供电的可靠性与经济性，对中性点经消弧线圈接地系统的系统对地电容值的测量研究显得尤为重要。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种用于中性点经消弧线圈接地系统的对地电容检测方法，本方法通过瞬时控制用来投切阻尼电阻的电力电子开关的工作状态，以产生含有丰富频率成分的扰动电压、电流脉冲，利用该扰动电压、电流信号并结合基于电力电子扰动技术的谐波阻抗测量方法计算对地电容，以用于消弧线圈的自调谐。“预调式”消弧线圈在电网正常工作时串联或并联阻尼电阻以限制中性点位移过电压，而电力电子开关因其动作的迅速性而逐渐被用来在故障状态下快速退出阻尼电阻。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

中性点经消弧线圈接地系统，包括阻尼电阻、反并联的电力电子开关和消弧线圈，其中，反并联的电力电子开关和阻尼电阻并联后与消弧线圈串联，或反并联的电力电子开关与阻尼电阻串联后和消弧线圈并联。

一种用于中性点经消弧线圈接地系统的对地电容检测方法，包括以下步骤：

(1)瞬时控制反并联的电力电子开关的通、断；

(2)使阻尼电阻暂时退出工作，电力电子开关侧产生扰动电压、电流信号；

(3)检测电力电子开关侧的电压、电流信号；

(4)对扰动信号进行FFT分析，得到不同频次的谐波分量；

(5)根据谐波阻抗测量方法，计算对地电容。

所述步骤(1)中，当消弧线圈串联阻尼电阻时，控制电力电子开关短时间导通；当消弧线圈并联阻尼电阻情况下，控制电力电子开关短时间关断。

所述步骤(4)中，当电力电子开关导通状态受控瞬时改变时，根据故障分析理论，相当于在无源系统短时叠加上一个等效电源以产生扰动电压、电流，利用该电压、电流信号进行谐波阻抗测量。

所述步骤(4)的具体方法为：设dU(jnω)和dI(jnω)分别为电力电子开关受控下产生的扰动电压、电流脉冲信号经傅立叶变换后频率为nω的分量，其中ω为基频，则线性二端口网络在各个频率下的谐波阻抗为：

                    $Z\left(jn\mathrm{\ω}\right)=\frac{dU\left(jn\mathrm{\ω}\right)}{dI\left(jn\mathrm{\ω}\right)}---\left(1\right).$

所述步骤(5)中，当消弧线圈并联阻尼电阻时，在t＝0时刻控制电力电子开关短时导通，根据电路理论并结合求得的谐波阻抗，可得：

                       $\frac{{\stackrel{\·}{U}}_1\left(jn\mathrm{\ω}\right)}{{\stackrel{\·}{I}}_1\left(jn\mathrm{\ω}\right)}=-\frac{R({\mathrm{jn\ωL}}_x+\frac{1}{jn\mathrm{\ω}C})}{R+{\mathrm{jn\ωL}}_x+\frac{1}{jn\mathrm{\ω}C})}---\left(2\right),$

其中u₀₀(t)为中性点位移电压，L_x为消弧线圈电感，R是与消弧线圈串联的阻尼电阻，i₁(t)是电力电子开关短时导通后流过其的扰动电流，u₁(t)是电力电子开关两端的扰动电压；

由(2)可求出不同频次下系统理论对地电容:

                           $C=1/(n^2{\mathrm{\ω}}^2{L}_x-\frac{n\mathrm{\ω}MR}{\sqrt{R^2-M^2}})---\left(3\right)$

其中 $M=-|{\stackrel{\·}{U}}_1\left(jn\mathrm{\ω}\right)/{\stackrel{\·}{I}}_1\left(jn\mathrm{\ω}\right)|.$

所述步骤(5)中，当消弧线圈并联阻尼电阻时，消弧线圈并联阻尼电阻时，在t＝0换流时刻控制电力电子开关短时关断，根据电路理论并结合求得的谐波阻抗，可得：

                         $\frac{{\stackrel{\·}{U}}_2\left(jn\mathrm{\ω}\right)}{{\stackrel{\·}{I}}_2\left(jn\mathrm{\ω}\right)*}=-(R+\frac{{\mathrm{jn\ωL}}_x}{1-n^2{\mathrm{\ω}}^2{L}_{x}C})---\left(4\right)$

其中u₂(t)为电力电子开关两端扰动电压，i₂(t)为扰动电流，由式(4)可求出不同频次下系统理论对地电容：

                            $C=\left(\frac{{\mathrm{n\ωL}}_x+\sqrt{N^2-R^2}}{n^2{\mathrm{\ω}}^2\sqrt{N^2-R^2}}\right)---\left(5\right)$

其中 $N=-|{\stackrel{\·}{U}}_2\left(jn\mathrm{\ω}\right)/{\stackrel{\·}{I}}_2\left(jn\mathrm{\ω}\right)|.$

本发明的有益效果为：

(1)本方案基于“预调式”消弧线圈自身结构，无需外部电路控制；

(2)通过控制电力电子开关的触发角，使得电力电子开关两端扰动信号的大小及持续时长可控，该信号既可以在电力电子开关两端被检测到，同时又不影响系统的正常工作。

(3)电力电子开关两端产生的电压电流脉冲信号含有大量的频率成分，因此，在不同频率下均可计算出系统对地电容值，各个频率下求得的系统对地电容值可以相互参考以增加计算结果的精确性。

附图说明

图1为中性点经消弧线圈接地系统的连接示意图；

图2为本发明的流程示意图；

图3为本发明消弧线圈串联阻尼电阻等效电路；

图4为本发明消弧线圈并联在电阻等效电路。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

“预调式”消弧线圈在电网正常工作时串联或并联阻尼电阻以限制中性点位移过电压，而电力电子开关因其动作的迅速性而逐渐被用来在故障状态下快速退出阻尼电阻。本文针对上述具有电力电子开关的“预调式”消弧线圈，提出了一种新型对地电容检测方法，即通过瞬时改变用来投切阻尼电阻的电力电子开关的工作状态，以产生含有丰富频率成分的扰动电压、电流脉冲，利用该扰动电压、电流信号并结合基于电力电子扰动技术的谐波阻抗测量方法计算系统对地电容以用于消弧线圈的自调谐，具体实施方案如图1，图中电力电子开关用晶闸管替代。

当然，作为本领域技术人员，应该明确知道，电力电子开关并不限于晶闸管一种，还包括但不限于二极管、三极管、整流器、闸流管、晶体管等多种电力电子器件。

1.2谐波阻抗测量

如图1所示，当晶闸管导通状态受控瞬时改变时，根据故障分析理论，相当于在无源系统短时叠加上一个等效电源以产生扰动电压、电流，利用该电压、电流信号进行谐波阻抗测量的方法如图2所示。

设dU(jnω)和dI(jnω)分别为晶闸管受控下产生的扰动电压、电流脉冲信号经傅立叶变换后频率为nω的分量，其中ω为基频，则线性二端口网络在各个频率下的谐波阻抗为：

                            $Z\left(jn\mathrm{\ω}\right)=\frac{dU\left(jn\mathrm{\ω}\right)}{dI\left(jn\mathrm{\ω}\right)}---\left(1\right)$

1.3系统对地电容计算

根据电力系统故障分析理论，系统的故障状态可以等效为系统的稳定状态以及额外的故障状态,其中，系统的稳定状态是指晶闸管原有工作状态，而控制晶闸管产生的扰动电压、电流由系统额外的故障状态产生。

(1)消弧线圈串联阻尼

如图1所示，当消弧线圈串联阻尼电阻时，在t＝0时刻控制晶闸管短时导通，等效电路如图3所示。

其中u₀₀(t)为中性点位移电压，L_x为消弧线圈电感，R是与消弧线圈串联的阻尼电阻，i₁(t)是晶闸管短时导通后流过其的扰动电流，u₁(t)是晶闸管两端的扰动电压。根据电路理论并结合公式(1)可得：

                       $\frac{{\stackrel{\·}{U}}_1\left(jn\mathrm{\ω}\right)}{{\stackrel{\·}{I}}_1\left(jn\mathrm{\ω}\right)}=-\frac{R({\mathrm{jn\ωL}}_x+\frac{1}{jn\mathrm{\ω}C})}{R+{\mathrm{jn\ωL}}_x+\frac{1}{jn\mathrm{\ω}C})}---\left(2\right)$

由(2)可求出不同频次下系统理论对地电容:

                         $C=1/(n^2{\mathrm{\ω}}^2{L}_x-\frac{n\mathrm{\ω}MR}{\sqrt{R^2-M^2}})---\left(3\right)$

其中 $M=-|{\stackrel{\·}{U}}_1\left(jn\mathrm{\ω}\right)/{\stackrel{\·}{I}}_1\left(jn\mathrm{\ω}\right)|.$

(2)消弧线圈并联阻尼

消弧线圈并联阻尼电阻时，在t＝0换流时刻控制晶闸管短时关断，等效电路如图4所示：

其中u₂(t)为晶闸管两端扰动电压，i₂(t)为扰动电流。同理可得：

                          $\frac{{\stackrel{\·}{U}}_2\left(jn\mathrm{\ω}\right)}{{\stackrel{\·}{I}}_2\left(jn\mathrm{\ω}\right)*}=-(R+\frac{{\mathrm{jn\ωL}}_x}{1-n^2{\mathrm{\ω}}^2{L}_{x}C})---\left(4\right)$

由式(4)可求出不同频次下系统理论对地电容：

                          $C=\left(\frac{{\mathrm{n\ωL}}_x+\sqrt{N^2-R^2}}{n^2{\mathrm{\ω}}^2\sqrt{N^2-R^2}}\right)---\left(5\right)$

其中 $N=-|{\stackrel{\·}{U}}_2\left(jn\mathrm{\ω}\right)/{\stackrel{\·}{I}}_2\left(jn\mathrm{\ω}\right)|.$

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (7)

1.中性点经消弧线圈接地系统，其特征是：包括阻尼电阻、反并联的电力电子开关和消弧线圈，其中，反并联的电力电子开关和阻尼电阻并联后与消弧线圈串联，或反并联的电力电子开关与阻尼电阻串联后和消弧线圈并联。

2.一种用于中性点经消弧线圈接地系统的对地电容检测方法，其特征是：包括以下步骤：

(1)瞬时控制反并联的电力电子开关的通、断；

(2)使阻尼电阻暂时退出工作，电力电子开关侧产生扰动电压、电流信号；

(3)检测电力电子开关侧的电压、电流信号；

(4)对扰动信号进行FFT分析，得到不同频次的谐波分量；

(5)根据谐波阻抗测量方法，计算对地电容。

3.如权利要求2所述的一种用于中性点经消弧线圈接地系统的对地电容检测方法，其特征是：所述步骤(1)中，当消弧线圈串联阻尼电阻时，控制电力电子开关短时间导通；当消弧线圈并联阻尼电阻情况下，控制电力电子开关短时间关断。

4.如权利要求2所述的一种用于中性点经消弧线圈接地系统的对地电容检测方法，其特征是：所述步骤(4)中，当电力电子开关导通状态受控瞬时改变时，根据故障分析理论，相当于在无源系统短时叠加上一个等效电源以产生扰动电压、电流，利用该电压、电流信号进行谐波阻抗测量。

5.如权利要求2所述的一种用于中性点经消弧线圈接地系统的对地电容检测方法，其特征是：所述步骤(4)的具体方法为：设dU(jnω)和dI(jnω)分别为电力电子开关受控下产生的扰动电压、电流脉冲信号经傅立叶变换后频率为nω的分量，其中ω为基频，则线性二端口网络在各个频率下的谐波阻抗为：

$Z\left(jn\mathrm{\ω}\right)=\frac{dU\left(jn\mathrm{\ω}\right)}{dI\left(jn\mathrm{\ω}\right)}---\left(1\right).$

6.如权利要求2所述的一种用于中性点经消弧线圈接地系统的对地电容检测方法，其特征是：所述步骤(5)中，当消弧线圈并联阻尼电阻时，在t＝0时刻控制电力电子开关短时导通，根据电路理论并结合求得的谐波阻抗，可得：

$\frac{{\stackrel{\·}{U}}_1\left(jn\mathrm{\ω}\right)}{{\stackrel{\·}{I}}_1\left(jn\mathrm{\ω}\right)}=-\frac{R({\mathrm{jn\ωL}}_x+\frac{1}{jn\mathrm{\ω}C})}{R+{\mathrm{jn\ωL}}_x+\frac{1}{jn\mathrm{\ω}C})}---\left(2\right),$

其中u₀₀(t)为中性点位移电压，L_x为消弧线圈电感，R是与消弧线圈串联的阻尼电阻，i₁(t)是电力电子开关短时导通后流过其的扰动电流，u₁(t)是电力电子开关两端的扰动电压；

由(2)可求出不同频次下系统理论对地电容:

$C=1/(n^2{\mathrm{\ω}}^2{L}_x-\frac{n\mathrm{\ω}MR}{\sqrt{R^2-M^2}})---\left(3\right)$

其中 $M=-|{\stackrel{\·}{U}}_1\left(jn\mathrm{\ω}\right)/{\stackrel{\·}{I}}_1\left(jn\mathrm{\ω}\right)|.$

7.如权利要求2所述的一种用于中性点经消弧线圈接地系统的对地电容检测方法，其特征是：所述步骤(5)中，当消弧线圈并联阻尼电阻时，消弧线圈并联阻尼电阻时，在t＝0换流时刻控制电力电子开关短时关断，根据电路理论并结合求得的谐波阻抗，可得：

$\frac{{\stackrel{\·}{U}}_2\left(jn\mathrm{\ω}\right)}{{\stackrel{\·}{I}}_2\left(jn\mathrm{\ω}\right)*}=-(R+\frac{{\mathrm{jn\ωL}}_x}{1-n^2{\mathrm{\ω}}^2{L}_{x}C})---\left(4\right)$

其中u₂(t)为电力电子开关两端扰动电压，i₂(t)为扰动电流，由式(4)可求出不同频次下系统理论对地电容：

$C=\left(\frac{{\mathrm{n\ωL}}_x+\sqrt{N^2-R^2}}{n^2{\mathrm{\ω}}^2\sqrt{N^2-R^2}}\right)---\left(5\right)$

其中 $N=-|{\stackrel{\·}{U}}_2\left(jn\mathrm{\ω}\right)/{\stackrel{\·}{I}}_2\left(jn\mathrm{\ω}\right)|.$