CN105262076B - 一种中性点不接地系统中接地故障时的消弧方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种中性点不接地系统中接地故障时的消弧方法及装置，在中性点不接地系统中的中性线上接有功率电源装置；通过功率电源装置输出补偿电压对系统的故障电流进行补偿，以达到消弧目的；所述的功率电源装置的输出电压为： ω‑基波角频率；i_c，i_R，i_h‑分别为容性、阻性、谐波电流；n‑谐波次数；‑中性点零序电压，L‑功率电源系统等效电感。该中性点不接地系统中接地故障时的消弧方法及装置易于实施，能有效针对单相接地故障实施消弧。

Description

一种中性点不接地系统中接地故障时的消弧方法及装置

技术领域

本发明电力系统过电压防护及保障供电可靠性技术领域，涉及一种中性点不接地系统中接地故障时的消弧方法及装置，用于消除中性点不接地系统中范围广泛的瞬时或永久单相接地故障产生的电弧。

背景技术

我国电力行业标准DL/T620-1997《交流电气装置的过电压和绝缘配合》中规定，3kV～10kV不直接连接发电机的系统和35kV，66kV系统，当单相接地故障电容电流不超过下列数值时，应采用不接地方式；当超过下列数值又需在接地故障条件下运行时，应采用消弧线圈接地方式：

A)3kV～10kV钢筋混凝土或金属杆塔的架空线路构成的系统和所有35kV，66kV系统，10A。

B)3kV～10kV非钢筋混凝土或非金属杆塔的架空线路构成的系统，当电压为3kV和6kV时，30A；10kV时，20A。

C)3kV～10kV电缆线路构成的系统，30A。

目前常用的是采用自动调节的小弧线圈，可分为预调式和随调式。

预调式通常是通过实测系统的电容电流，根据电容电流的大小预先调整好消弧线圈的匝数，以等待事故的发生。但其在正常运行中需要在消弧线圈处串接或并接一个电阻器，以使系统获得一定的阻尼度，确保正常运行时中性点不平衡电压处在一个合理的水平，即电压不能太高，而当事故发生时须及时将该电阻或短接或切除，以最大限度发挥消弧线圈的作用和减少有功电流。

随调式的调节方式与预调式不同，主要差别是随调式的调节是在事故发生时才开始，正常运行中不会调整也无须调整。其调节的具体方法很多，如调容式、调感式、调气隙式等等。

还有一种消弧方法是消弧线圈加有源注入电流方式，即由消弧线圈补偿大部分故障电流，再由有源装置补偿剩余部分电流，因此消弧线圈本身可以工作在谐振点以外，无需考虑不平衡电压的放大问题。

还有一种解决办法是采用电阻接地，目前采用较多的是小电阻接地。即当发生事故时，使接地电流增大到继电保护能够动作切出故障。

经消弧线圈接地本身存在的缺陷是：

1)、预调式消弧线圈电流调节范围有限，不能平滑、无级调节、不能补偿谐波电流和有功电流。接地点处残余电流不能为零、故障选线困难，不便于并联运行。在故障时如系统运行方式再发生变化则不能进行调整，在调控不当时会与系统产生谐振振荡，以至于发生设备损坏，事故扩大。

2)、随调式如系机械开关投退电容器或电感器的调节方式则接地点处残余电流存在级差，不能实现平滑、无级调节；不能补偿谐波电流和有功电流。如系晶闸管调节导通角控制方式调节电容器或电感器的，虽能实现无级调节，但由于自身非线性而产生谐波电流，也不能补偿谐波电流和有功电流、故障选线困难。如系通过偏磁或铁心气隙来调节电感量的，则调节速度慢，有一定的非线性。同样存在故障选线困难。不便于并联运行。在故障时如系统运行方式再发生变化则不能进行调整。

3)、消弧线圈加注入电流式：在使用消弧线圈的同时再附加一套有源装置注入消弧线圈所差电流或补偿谐波、有功电流。其问题是：消弧线圈有的问题它都存在，再就是设备多、控制复杂，故障选线困难。不便于并联运行。在故障时如系统运行方式再发生变化则不能进行调整。

经电阻接地的缺陷是

1)、跳闸率偏高，供电可靠性降低。

2)、增加了断路器动作次数，缩短断路器运行寿命。

3)、频繁跳闸影响对其他用户的供电，尤其是对一条线上带多用户的情况。造成不良社会影响。

4)、接地点故障电流大，易造成地电位、接触电势及跨步电压高，可造成人身伤害等二次伤害事故。

5)、接地点故障电流大易造成对通讯等弱电设备的损坏或干扰。

不接地系统在发生单相接地后，产生的故障电流主要是电容电流和较小的阻性泄漏电流。当该电流达到不能自动熄弧值后，可能形成不稳定接地电弧，使系统产生较高的弧光过电压，从而损坏运行设备，造成电力系统或设备事故。为防止该类事故，常采用系统中性点经消弧线圈的接地方式运行。这样，当系统发生单相接地后，消弧线圈会产生感性电流来补偿掉故障中的容性电流，以使故障电流能小到可以自行熄弧的数值，从而电弧熄灭不能产生弧光过电压，避免事故的发生。从实际运行经验看，确实也部分的达到了此目的。但是，随着供电系统的增大，故障电流中除了基波电容电流很大外，其谐波电流及有功电流分量也在增大，据实测，其能达到数十安培的水平，因此有可能不能自行熄弧。而消弧线圈只能补偿基波成分的电容电流，不能补偿谐波电流及有功电流。同时，因不便于无级调节，在某些运行方式下，会使故障点处的残流过大，也可能不能有效熄弧。据统计，只安装普通的消弧线圈(手动调挡)，故障率大约在40％左右；采用自动消弧线圈之后，故障率约在20％左右。这表明，消弧功能仍有提升的空间。

因此，有必要设计一种中性点不接地系统中接地故障时的消弧方法及装置。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种中性点不接地系统中接地故障时的消弧方法及装置，该中性点不接地系统中接地故障时的消弧方法及装置易于实施，能有效针对单相接地故障实施消弧。

发明的技术解决方案如下：

一种中性点不接地系统中接地故障时的消弧方法，在中性点不接地系统中的中性线上接有功率电源装置；通过功率电源装置输出补偿电压对系统的故障电流进行补偿，以达到消弧目的；

所述的功率电源装置的输出电压为：

ω为基波角频率；分别为系统容性、阻性基波电流；为n次谐波电流；n为谐波次数，n取大于1的整数【如2、3、4、……】；为中性点零序电压，L为功率电源系统等效电感；该等效电感为输出变压器的短路阻抗和接地变压器的零序电抗之和。

n一般取5或7，也可以同时取5和7，若同时取5和7时，谐波电流就是5次谐波电流和7次谐波电流之和。

采用中性点注入三频法计算单相对地电容C：

先通过功率电源装置分别向中性点依次注入3个电容电流i′_0i，3个电容电流幅值相等，频率分别为ω1、ω2和ω3，从而得到3个对应的电压U′_0i其中i＝1，2，3；该3个电压为功率电源装置输出的电压；

即电流按此公式计算。其中：U_N为的峰值。

为与中点电压同频率、同相位的电流向量的峰值，为一常数。该积分值求出的是系数，也是复数。

i_g为故障电流，即为故障接地相的电流；在确定故障相后，由故障相电流互感器测得的电流即为故障电流。

的峰值为i_hm，有：

其中：i_g(ωt)为故障电流；谐波电流的相位由复数值确定，即由复数的实部和虚部的比值确定。

中性点处的零序电压通过电源装置自带的【即电源装置本身配备的】中性点电压互感器进行测量，或通过系统电压互感器的开口三角进行测量。

一种消弧装置，消弧装置为功率电源装置，功率电源装置采用线性受控电流源或逆变电源装置，包括信号发生器、功率放大器及输出变压器；

信号发生器产生单一的频率、幅值可变的正弦信号或由不同频率、幅值的正弦信号组成的合成信号，其信号的产生由控制系统指令控制；

功率放大器由功率晶体管放大电路组成，负责将信号发生器输出的信号放大；功率电源装置接在中性点不接地系统中的中性线上；

按照前述的消弧方法实现接地故障时的消弧。

本方法通过对系统电容电流、零序电流的精密检测，利用智能控制器以及变流器技术使受控电源产生一个与接地故障点处电流幅值大小相等、相位方向相反的电流，并通过接入装置注入系统，从而使故障点处的故障电流之和为零，达到顺利消弧的目的。

本发明的方法为全有源方式进行故障电流补偿的方法，以取代消弧线圈补偿方法，其主要原理是利用系统的故障特征进行数据处理后产生指令电流，由指令电流控制变流器发出相应的注入电流。

有益效果：

本发明的中性点不接地系统中接地故障时的消弧方法及装置，同时是一种新型接地故障电流全补偿、大范围调节及便于并联运行的新方案，该方案构思新颖，流程清楚，其能实现：

1)、实现接地点的故障电流(无论是基波电流还是谐波、有功电流)全补偿，残余电流小。即补偿后使流入故障点的电流几乎为零。

2)、电流输出平滑调节范围大。即可实现零至额定电流范围内的无级调节。适用于电容电流变化大的系统和运行方式以及变电站的出线电缆化改造。

3)、无基波谐振问题，即无论怎样的系统运行方式均不会产生基波谐振。即装置本身无须象消弧线圈那样工作在基波谐振点处。

4)、可以实时跟踪系统运行方式变化，适应于各种运行方式。即使是故障中系统运行方式再次发生变化也能有效地跟踪这种变化并能完全补偿故障电流。

5)、可以实现设备标准化、系列化生产，设备适应性广，便于选择。

6)、能利用设备自身较好实现故障选线、电容电流测量等。且便于并联运行。

另外，本发明的优势还体现在：

1、采用本发明的消谐方法，可以完全补偿故障接地电流，从而保证故障点电弧的可靠熄灭，减少了设备和系统事故。且装置便于并联运行和标准化、系列化生产，装置本身能实现故障选线功能，从而提高了设备的可利用性及可靠性。

2、采用本发明的方法，可以减小故障入地电流，从而极大地减小故障点出现的地电位升高、跨步电压和接触电势增大，有效地避免人身伤亡和其他次生事故的发生，有力地保障人民生命和财产安全。

3、本发明方法可以实现自动控制，对故障的反应时间短，输出电流快，从而极大的减少故障对系统运行的冲击，保证设备的安全和系统的稳定运行，提高系统运行的稳定性和可靠性。

4、本发明方法适应能力强，受电力系统运行方式变化影响小且能适应于多次运行方式的改变，对系统不产生任何副作用，并具有可以阻尼系统振荡的扩展功能。

5、本发明方法可以便捷的接入系统，可以实现与智能变电站的完全融入。

附图说明

图1为中性点不接地系统中接地故障时的消弧装置的接线图；

图2为中性点直注入三频法测量原理图；

图3为中性点注入三频法等效电路图；

图4为系统原理图。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明：

实施例1：

原理接线图如图1所示，图中：Uk为功率电源装置、L为漏电感、UN为中性点电压、Us为系统电源电压。

通过对系统电容电流测量及对系统零序电流测量以及对系统中性点电压测量，经控制器数据处理并自动控制变流电源装置产生相应要求的电流，从而保证故障接地点电流之和为零。并且可利用装置本身进行故障选线，不受小电流的影响。

1。电容电流测量。通过功率电源装置本身发出不同频率的可控电流信号注入系统，计算出系统的电容电流。电源装置本身通过接地变压器中性点接入三相三线电力系统，信号通过电源装置经接地变压器中性点注入系统。一般采用三组不同频率的信号进行测量，频率分别为：32HZ、42HZ、112HZ。即在测量电容电流时，补偿电源装置在控制器的控制下，分别输出上述的三个频率的电流恒定的信号，通过测量三个不同的零序电压信号值，并经过解三个方程算出系统的电容电流。

参见图2-3，中性点注入三频法测量电容电流，当向中性点注入三个等幅不同频率的电流i′_0i时，可以测出相应的U′_0i，其中i＝1，2，3，则U′_0i与i′_0i的对应关系为：

由此即可求出单相对地电容C，为：

式中Z′_i＝3U′_0i/i′_0i。

计算出系统对地电容值后根据式i＝jwCU计算出系统电容电流值。其中ω₁、ω₂、ω₃为三个不同的角频率。

2。有功电流计算：由故障相测量的电流中通过与零序电压同相位的电流即为故障中有功电流。即对其进行FFT计算即可得出有功电流，通常只须考虑基波有功电流即可。即有故障相电流与中性点电压相乘并积分即可求出该电流。即按下式计算即可得到值的大小。

3、谐波电流计算：通过与有功电流分离计算一样，可以得出想要的谐波电流。一般只需考虑5次谐波即可。即按下式计算即可得到值的大小。有：

其中：I_hm-谐波电流峰值；i_g(ωt)-故障电流；n-n次谐波；ω-基波角频率。即通过对电流进行傅里叶级数计算得的出相应的谐波电流幅值和相位。

4、中性点电压测量

可以通过自带的中性点电压互感器进行测量，也可以通过系统电压互感器的开口三角进行测量。

5、补偿变流装置

可以是线性受控电流源或者是逆变电源装置。系较大的功率电源装置。装置由信号发生器、功率放大器及输出变压器构成。信号发生器由程控芯片及外围电路组层。信号发生器产生单一的频率、幅值可变的正弦信号或由不同频率、幅值的正弦信号组成的合成信号，其信号的产生由控制系统指令控制。功率放大器由功率晶体管放大电路组成，负责将信号发生器输出的信号放大至所需的功率。该功率随信号的需要进行调节。如是测量用，则功率较小，仅保证输出电流达到1安左右。如系补偿故障电流，则其输出的电流应与故障电流幅值相等、相位相反，可能幅值达数十或上百安倍。以上电流的控制均由控制器的指令电流控制。经功率放大后的信号由输出变压器经接地变压器中性点注入系统，完成补偿或测量。控制指令参数(通常为信号输出电压)计算如下：其输出电压(稳态时)为：

ω-基波角频率；-分别为系统容性、阻性基波分量、-n次谐波电流；n-谐波次数；-中性点零序电压，L为电源系统等效电感。

其中：是补偿电源装置输出电压；为系统电容电流基波分量；I_R为有功电流基波分量；为n次谐波电流；为中性点测量的零序电压；L为变压器短路阻抗的电感值。即根据得到的指令电流算出功率装置应输出的电压值，从而实现补偿电流的输出。

E、控制装置

由调理电路、数据采集及处理电路及计算机构成，其主要功能是根据实时测量的系统容性电流、零序电流幅值、相位，按上述公式计算产生一个指令信号，控制补偿电源装置产生一个与之(即故障点电流)幅值大小相等、相位相反的电流以补偿故障电流。补偿电源装置可以开环控制也可以闭环控制。

F、故障选线信号。利用装置本身产生一个特别的信号，由现有的各线路电流互感器输出并经检测装置检测，由控制器自动识别故障线路。即当系统发生单相故障时，补偿装置向系统注入特定信号，如70HZ的正弦信号，通过对各条线路特定信号的检测，信号幅值最大者即为故障线路。故障选线计算模式如下：

非故障相线路电流为本线路的电容电流：设为：Icn。故障相电流为系统总的电容电流减去本线路的电容电流及阻性故障电流之和。即故障相电流由两部分组成，一为电容电流：Ic-Icg，另一为故障阻性电流Ir。这两部分电流均大于非故障相线路的电容电流。由此电流幅值和相位可以确定故障相线路和非故障相线路，从而实现故障选线。Icn为编号为n的线路。Ic为系统总的电容电流，Icg为故障相线路电容电流。Ir为故障相阻性电流。

正常工作模式

(1)通过数据采集模块对系统中性点电压、零序电流的进行采集。

(2)控制器对采集的数据进行处理、判断系统处于何种运行状态。

(3)如判断为正常状态，则对系统电容电流进行测量。

(4)如测量的电容电流小于装置本身的补偿范围，则显示正常运行并监视系统运行。

(5)如测量的电容电流大于装置本身的补偿范围，则检测是否有并联运行的同类装置。

(6)如有并联装置，则分配各自的补偿容量。继续监视系统运行。

(7)如无并联装置，则报警提示运行人员应改变系统运行方式，并将自身输出电流进行限幅。继续监视系统运行。

2、单相接地故障发生模式

(1)通过数据采集模块对系统中性点电压、零序电流的进行采集。

(2)控制器对采集的数据进行处理、判断系统处于何种运行状态。

(3)如系单相接地故障，则利用装置本身对系统故障电流进行补偿。

(4)根据采集到的电流电压数据判断系统是否恢复正常。

(5)如不正常则继续进行补偿并利用装置本身进行故障选线。一般变电站同一电压等级侧(如10kV侧)母线带有多条馈电线路，其中某条线路发生故障时，在变电站侧必须知道是哪一条线路发生故障，以便由继电保护装置切除(断开)故障线路，确保非故障线路的正常运行，减少对非故障线路的供电影响。当发生单相接地故障时从多条线路中选出那条线路是故障线路的术语称为故障选线。故障选线或作用于跳闸(即使断路器动作，断开故障点)或发报警信号以告知位于远端的运行监控人员。

(6)如已正常则停止补偿电流注入并监视系统运行。转入正常工作模式。

3、故障中系统运行方式再次发生变化模式

(1)通过数据采集模块对系统中性点电压、零序电流的进行采集。

(2)控制器对采集的数据进行处理、判断系统处于何种运行状态。

(3)如系异常状态，则利用装置本身对系统故障电流进行补偿。

(4)在补偿过程中，系统运行方式再次发生变化，如切除了部分线路或者投入部分线路等，需要补偿装置及时对此做出调整，以便注入相应的补偿电流。因控制器是根据故障电流控制变流器输出电流的，因此装置立即根据控制器指令电流的大小(指令电流即前面测量计算得到的补偿电流)。指令电流由系统电容电流、谐波电流构成，即由前面的测量系统实时测量的电流数据构成，并由上述的计算公式进行计算而得到的。对注入电流进行调整，可以立即适应系统运行方式的变化。

(5)根据采集到的电流电压数据判断系统是否恢复正常。如不正常则继续进行补偿并利用装置本身进行故障选线。故障选线或作用于跳闸或发报警信号以告知运行监控人员。

(6)如已正常则停止补偿并监视系统运行。转入正常工作模式。

图4为系统原理图，系统由电流测量模块、电压测量模块、控制器模块、补偿电流装置及中性点接入设备构成。

数据采集模块采集实时的中性点电压及系统的零序电流。控制器主要用于数据处理及判断系统的运行状态，控制变流器输出制定的电流并根据相应的状况实时发出相应的警报。受控变流装置实现电流输出。系统接入装置形成系统中性点便于变流装置的接入系统。

本系统具有以下优点：

1、能进行全电流补偿。即能实现基波、谐波电流、有功电流的全补偿。

2、能实现完全补偿。即能实现无级、平滑的电流调节，使故障点处的合成电流近似于零。无论是在正常运行情况下还是在故障状况中均是如此。

3、适应能力强。一套装置即能适应小电流情况也能适应大电流情况，涵盖范围宽；同时，既能适应一种故障状态也能适应在故障中多次发生运行状态改变。

4、便于标准化、系列化生产；便于并联运行。

Claims (5)

1.一种中性点不接地系统中接地故障时的消弧方法，其特征在于，在中性点不接地系统中的中性线上接有功率电源装置；通过功率电源装置输出补偿电压对系统的故障电流进行补偿，以达到消弧目的；

所述的功率电源装置的输出电压为：

ω为基波角频率；分别为系统容性、阻性基波电流；为n次谐波电流；n为谐波次数，n取大于1的整数；为中性点零序电压，L为功率电源系统等效电感；

采用中性点注入三频法计算单相对地电容C：

先通过功率电源装置分别向中性点依次注入3个电容电流i′_0i，3个电容电流幅值相等，频率分别为ω1、ω2和ω3，从而得到3个对应的电压U′_0i其中i＝1,2,3；该3个电压为功率电源装置输出的电压；

则有其中，Z′_i＝3U′_0i/i′_0i；i＝1,2,3。

2.根据权利要求1所述的中性点不接地系统中接地故障时的消弧方法，其特征在于，即阻性基波电流按此公式计算；其中：U_N为的峰值，i_g为故障电流。

3.根据权利要求2所述的中性点不接地系统中接地故障时的消弧方法，其特征在于，的峰值为I_hm，有：

其中：i_g(ωt)为故障电流。

4.根据权利要求2所述的中性点不接地系统中接地故障时的消弧方法，其特征在于，中性点处的零序电压通过电源装置自带的中性点电压互感器进行测量，或通过系统电压互感器的开口三角进行测量。

5.一种消弧装置，其特征在于，消弧装置为功率电源装置，功率电源装置采用线性受控电流源或逆变电源装置，包括信号发生器、功率放大器及输出变压器；

信号发生器产生单一的频率、幅值可变的正弦信号或由不同频率、幅值的正弦信号组成的合成信号，其信号的产生由控制系统指令控制；

功率放大器由功率晶体管放大电路组成，负责将信号发生器输出的信号放大；

功率电源装置接在中性点不接地系统中的中性线上；

按照权利要求1-4任一项所述消弧方法实现接地故障时的消弧。