CN105119251B - 一种适用柔性直流配电系统接地电阻方案的确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用柔性直流配电系统接地电阻方案的确定方法，通过分析系统单极接地故障下故障电流的通路，确定直流配电系统单极接地故障下，接地电阻对故障入地电流的影响；分别从保证单极接地故障下系统持续运行安全性和直流差动保护正确动作的角度，确定入地电流的要求，从而分别确定对接地电阻的要求；综合各方面对接地电阻的要求，提出中性点经并联电阻接地的接地方案。本发明提出的接地方案能够提高柔性直流配电系统的供电可靠性，同时确保系统保护动作的灵敏性。

Description

一种适用柔性直流配电系统接地电阻方案的确定方法

技术领域

本发明涉及基于柔性直流的智能配电网领域，具体涉及一种适用柔性直流配电系统接地电阻方案的确定方法。

背景技术

随着分布式能源和负荷的迅速发展，基于柔性直流的智能配电网成为城市配电网的发展趋势。目前，国内外针对直流配电网的研究主要集中在系统架构、控制和保护技术方面，对系统接地方式及接地电阻选取的研究还比较少。柔性直流配电系统的接地为整个系统提供参考电位，接地方案的设计需要综合考虑供电可靠性要求、电网和线路结构、过电压与绝缘配合、继电保护技术要求、人身和设备安全、对通讯及电子设备的电磁干扰等因素，接地方案的设计是系统设计中的关键环节。

基于柔性直流的智能配电系统在其直流线路上接入了交/直流敏感负荷、含分布式电源的交流和直流微电网及储能装置，使得其运行方式不同于柔性直流输电，且敏感负荷对供电可靠性的要求更高。柔性直流输电系统单极接地故障发生后，由于非故障极电压会上升到正常运行时的两倍，对线路绝缘造成威胁，同时会产生较大的故障电流，需要迅速闭锁换流站，同时跳开交流断路器，实现故障电流的清除和过电压的恢复。对于柔性直流配电系统，由于电压等级较低，绝缘配合的成本不高，可以考虑提高线路的绝缘水平，并采用高阻接地方式，使得系统在单极接地故障下，仍能持续运行一段时间，以提高供电的可靠性。

单极故障下持续运行，需要考虑持续入地电流对周围环境的影响，也需要考虑保护系统对故障的识别和正确动作，对系统的接地方案提出了新的要求，因此需要对柔性直流配电系统的接地电阻方案进行研究。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺点，本发明提供一种适用柔性直流配电系统接地电阻方案的确定方法。

本发明通过分析单极接地故障下，系统持续入地电流对城市地下管网及周围通信系统的影响，同时考虑系统保护动作的灵敏性。

本发明采用如下技术方案：

一种适用柔性直流配电系统接地电阻方案的确定方法，包括如下步骤：

S1根据柔性直流配电系统的拓扑结构，分析系统交流侧接地方式下，发生直流单极接地故障时的故障电流通路；

S2根据S1中单极接地故障的电流通路，确定接地电阻与故障入地电流之间的关系；

S3为保障单极接地故障下系统持续运行的安全性，确保入地电流不对周围的地下管道和通讯系统造成影响，由此可确定故障入地电流限值，再根据S2中确定的入地电流与接地电阻的关系，可确定接地电阻值应不小于R₁；

S4从保证直流差动保护准确定位和正确动作隔离故障的角度，确定对故障入地电流的要求，再根据S2可确定在继电保护正确动作的条件下，接地电阻值应不大于R₂；

S5综合S3和S4中对接地电阻的要求，当R₁＜R₂时，接地电阻R取值满足R₁<R<R₂；当R₁＝R₂时，接地电阻值R＝R₁＝R₂；当R₁＞R₂时,接地电阻采用电阻R₁和R₃并联的方案，通过真空开关控制电阻的投切；

S6在PSCAD中建立系统的仿真模型，验证接地方案的可行性，即验证接地电阻值是否满足S3和S4中入地电流的要求，若满足则接地方案可以，不满足则调整接地电阻的值，直至同时满足S3和S4中电阻值要求。

所述柔性直流配电网系统采用具有两个独立交流电源的“手拉手”主回路结构，采用单极对称的主接线形式，两端换流器采用MMC结构，交流侧通过联接变压器与10kV交流系统相连，直流线路通过DC/AC变换器和直流变压器DC/DC分别与交、直流负荷或交、直流微网联接，实现直流配电。

S1中所述系统交流侧接地方式是通过联结变压器中性点经电阻接地实现的，具体联接变压器交流系统侧采用三角形连接、阀侧采用星形连接，中性点经电阻接地。

正常运行时，投入电阻R₁，保证单极接地故障下入地电流不会太大，提高直流配电系统单极接地故障下的供电可靠性；单极接地故障发生后，投入电阻R₃，使接地电阻值不大于R₂，并保持1～2s，保证差动保护能够定位故障位置，从而隔离故障，系统转入新的运行方式，确保系统的安全稳定运行；系统再次稳定运行后，切除电阻R2，使得系统接地电阻恢复R1。

所述电阻R1及电阻R2通过系统等级电压及故障时电流大小要求确定。

本发明的有益效果：

(1)提供一种适用于柔性直流配电系统的接地电阻方案确定的方法，在这种方法下确定的接地电阻方案能够保证系统在直流单极接地故障下，持续入地电流和继电保护灵敏性均满足要求，从而保证单极接地故障下持续运行一段时间，提高了系统的供电可靠性；

(2)根据这种方法确定的接地电阻方案实现了柔性直流配电系统的接地，为系统的过电压与绝缘配合提供了基础。

附图说明

图1是本发明中柔性直流配电系统的主回路拓扑结构图；

图2是本发明交流侧接地方式示意图；

图3是本发明中单极接地故障电流通路示意图；

图4是本发明的接地电阻方案示意图；

图5(a)、图5(b)分别是单极接地故障下流过故障点的电流及流过联接变压器中性点的电流波形；

图6(a)、图6(b)及图6(c)分别是单极接地故障下联接变压器中性点对地、直流线路单极对地及直流电抗器两端的电压波形。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

一种适用柔性直流配电系统接地电阻方案的确定方法，包括如下步骤

S1根据柔性直流配电系统的拓扑结构，分析系统交流侧接地方式下，发生直流单极接地故障时的故障电流通路；

如图1为10kV柔性直流配电网的拓扑结构示意图，系统采用具有两个独立交流电源的“手拉手”主回路结构，系统采用单极对称的主接线形式，两端换流器采用MMC结构，交流侧通过10/10kV联接变压器与10kV交流系统相连，直流线路采用电缆。直流线路通过DC/AC变换器和直流变压器DC/DC分别与交、直流负荷或交、直流微电网联接，实现直流配电。本实施例中，交流负荷/微网、直流负荷/微电网分别用6MW和5MW的负荷代替。柔性直流配电系统采用交流侧接地方式，通过联接变压器中性点经电阻接地，联接变压器交流系统侧采用三角形连接，阀侧采用星形连接，中性点经电阻接地，如图2所示。在上述系统拓扑和接地方式下，系统发生直流单极接地故障时，故障电流通路如图3中的1和2所示；

S2根据S1中单极接地故障的电流通路，确定接地电阻与故障入地电流之间的关系；

根据图3所示的故障电流通路可知，单极接地故障时，故障点分别与两端的中性点接地点形成回路，因此，故障电流由流过两侧中性点的电流共同提供，受两侧接地电阻的影响。正极发生接地故障时，中性点电位跳变为正极电压的负值，对于10kV柔性直流配电系统，中性点电位跳变为-10kV，则流过两端中性点接地电阻R的电流均为10/R，流过故障点的电流为20/R。

S3保障单极接地故障下系统持续运行的安全性，即单极接地故障下，系统可以持续运行而不对系统中的设备和周围的环境造成影响，则故障入地电流值不能过大，再根据S2中确定的入地电流与接地电阻的关系，可确定接地电阻值应不小于R₁；

对于10kV柔性直流配电系统，考虑直流入地电流对城市地下管网的影响，以及变压器直流偏磁的影响，并结合10kV交流配电网入地电流的相关要求，将单极接地故障下的入地电流限制在10A以下，则根据S2对应的接地电阻值应不小于2000Ω，考虑一定的误差和裕度，将此时接地电阻值取为2500Ω。

S4为保证直流差动保护正确动作隔离故障，要求故障入地电流值不能太小，根据S2可确定在继电保护正确动作的条件下，接地电阻值应不大于R₂；

当直流线路差动保护精度小于5％时，保护将无法配置，因而不能保证继电保护正确动作。针对本文研究的10kV直流配电系统，在额定功率下考虑装置的精度误差等问题，故障入地电流至少要在50～60A的水平下，才能正确配置差动保护。因此，接地电阻的值要求不大于400Ω。

S5综合S3和S4中对接地电阻的要求，当R₁＜R₂时，接地电阻R取值满足R₁<R<R₂；当R₁＝R₂时，接地电阻值R＝R₁＝R₂；当R₁＞R₂时,接地电阻采用电阻R₁和R₃并联的方案，通过真空开关控制电阻的投切；

本实施例中R₁为2500，R₂为400，

本实施例中系统交流侧联接变压器中性点经接地电阻可用2500Ω和500Ω并联的方案，通过真空开关控制电阻的投切，如图4所示。在正常运行的情况下，投入单个阻值较大的电阻(2500Ω)，保证系统在单极故障持续入地电流在10A以下；发生直流单极接地故障后，延时1-2s时间，后并入阻值较小的电阻(500Ω)，使得故障电流为50A，然后由差动保护判别出故障，隔离故障区域；故障隔离、系统进入新的稳态运行后，退出中性点并联电阻。

新的稳态运行方式应根据系统结构和发生故障的位置的不同而定，即切除故障区域后的系统的运行方式。

S6在PSCAD中建立系统的仿真模型，验证接地方案的可行性。

针对本发明中10kV柔性直流配电系统接地方案，采用PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真分析软件，建立了系统仿真模型，仿真分析单极接地故障下，接地电阻投切时对对系统电压、电流特性的影响。设定1.0s时刻MMC1出口发生正极金属性接地故障，1.01s闭合真空开关，投入500Ω的并联电阻，系统继续运行0.1s后，切除并联电阻，故障持续时间为0.3s。这一过程中，流过故障点的电流及流过联接变压器中性点的电流分别如图5(a)、图5(b)所示，联接变压器中性点对地、直流线路单极对地及直流电抗器两端的电压波形分别如图6(a)、图6(b)、图6(c)所示，在本发明提出的接地方案下，单极接地故障时，流过故障点的电流能够满足持续入地电流的要求，投入500Ω的电阻后，能够满足继电保护正确动作的要求，且接地电阻的切换不会在系统关键位置产生过电压，因此接地方案可行。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种适用柔性直流配电系统接地电阻方案的确定方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1根据柔性直流配电系统的拓扑结构，分析系统交流侧接地方式下，发生直流单极接地故障时的故障电流通路；

S2根据S1中单极接地故障的电流通路，确定接地电阻与故障入地电流之间的关系；

S3为保障单极接地故障下系统持续运行的安全性，确保入地电流不对周围的地下管道和通讯系统造成影响，由此可确定故障入地电流限值，再根据S2中确定的入地电流与接地电阻的关系，可确定接地电阻值应不小于R₁；

S4从保证直流差动保护准确定位和正确动作隔离故障的角度，确定对故障入地电流的要求，再根据S2可确定在继电保护正确动作的条件下，接地电阻值应不大于R₂；

S5综合S3和S4中对接地电阻的要求，当R₁＜R₂时，接地电阻R取值满足R₁<R<R₂；当R₁＝R₂时，接地电阻值R＝R₁＝R₂；当R₁＞R₂时,接地电阻采用电阻R₁和R₃并联的方案，通过真空开关控制电阻的投切；

S6在PSCAD中建立系统的仿真模型，验证接地方案的可行性，即验证接地电阻值是否满足S3和S4中入地电流的要求，若满足则接地方案可以，不满足则调整接地电阻的值，直至同时满足S3和S4中电阻值要求。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述柔性直流配电网系统采用具有两个独立交流电源的“手拉手”主回路结构，采用单极对称的主接线形式，两端换流器采用MMC结构，交流侧通过联接变压器与10kV交流系统相连，直流线路通过DC/AC变换器和直流变压器DC/DC分别与交、直流负荷或交、直流微网联接，实现直流配电。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，S1中所述系统交流侧接地方式是通过联结变压器中性点经电阻接地实现的，具体联接变压器交流系统侧采用三角形连接、阀侧采用星形连接，中性点经电阻接地。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，正常运行时，投入电阻R₁，保证单极接地故障下入地电流不会太大，提高直流配电系统单极接地故障下的供电可靠性；单极接地故障发生后，投入电阻R₃，使接地电阻值不大于R₂，并保持1～2s，保证差动保护能够定位故障位置，从而隔离故障，系统转入新的运行方式，确保系统的安全稳定运行；系统再次稳定运行后，切除电阻R₃，使得系统接地电阻恢复R₁。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电阻R₁及电阻R₂通过系统等级电压及故障时电流大小要求确定。