CN105322528B - 小电流接地故障有源消弧时注入电流两点计算方法 - Google Patents

Abstract

一种小电流接地故障后利用有源逆变器控制故障相电压为0时注入电流的两点计算方法。该算法根据故障相电源电压、两个不同的注入电流及其对应的母线零序电压可计算故障点过渡电阻及使故障相电压为0的注入电流。该算法能自适应线路结构动态改变，且在过渡电阻较大时精度较高，解决了传统有源消弧技术(又称有源补偿技术或柔性接地技术)在计算注入电流时不能实时反映线路结构动态变化的问题。

Description

小电流接地故障有源消弧时注入电流两点计算方法

技术领域

属于电力系统小电流接地故障自愈技术领域，涉及小电流接地故障时基于有源逆变器的消弧技术领域，尤其涉及有源消弧技术计算注入电流的方法。

背景技术

现阶段，我国中压配电网广泛采用小电流接地方式，即中性点不接地方式和中性点经消弧线圈接地方式，发生单相接地故障时故障点电流较小，称为小电流接地系统。单相接地故障是配电网故障的主要形式，占到故障总数的80％左右。发生单相接地故障时，由于三相线电压基本保持不变且故障点电流较小，一般不会影响负荷的正常工作，按规程配电网是允许带故障运行1～2小时的，但必须首先减小故障点电流，以促使故障点熄弧并减轻故障点电流的危害，同时应避免间歇性接地弧光过电压。

配电网接地故障消弧方法按补偿对象可分为电流消弧法和电压消弧法，按有无有源逆变器可分为有源消弧法和无源消弧法。无源电流消弧法利用故障时的中性点电压及中性点感抗产生感性电流，补偿系统中的电容电流，通过降低故障点电流以促使电弧熄灭。各类消弧线圈，如自动调匝式消弧线圈、调容式消弧线圈等均属于无源电流消弧法。无源电压消弧法在变电所母线处将故障相金属性接地，嵌制故障相电压为0，推迟故障相电压的恢复时间，避免电弧复燃。在冶金、炼化企业得到一定应用的“消弧柜(XHG)”属于无源电压消弧法。

无源消弧法均不能将故障点电流补偿到0。近几年，随着电力电子技术的发展，以有源逆变器为代表的有源消弧控制法，在理论上能补偿故障电流中的有功分量、无功分量和谐波分量，将故障点电流补偿到0。但是，现有的有源消弧控制法都是在故障前测量系统的对地导纳，在故障后测量系统中性点的阻抗，以此计算注入电流。在小电流接地故障发生后允许带故障运行的2小时里，配电网线路可能发生切换，此时采用已有的有源消弧控制法计算注入电流并注入，其误差电流为改变线路的对地电容电流，故障点电流仍有可能很大。

为满足现场应用有源消弧技术时计算的注入电流需适应配电网结构的动态变化，在此提出了一种控制故障相电压为0时注入电流的两点计算方法，此算法避免了配电网结构动态变化对计算注入电流引起的影响，且能计算故障点过渡电阻的值。

发明内容

本发明解决的技术问题是：提供一种小电流接地故障后利用有源逆变器控制故障相电压为0且适应线路结构动态变化的注入电流两点计算方法。小电流接地故障时，此注入电流能有效地降低故障点电流并降低故障相电压，从而促使电弧熄灭，并延缓故障后电压恢复速度，避免出现弧光过电压。

本发明解决技术问题采取的技术方案是：小电流接地故障后，通过系统中性点或三相中任意一相先后向系统注入两个不同的工频零序电流，并测量母线零序电压，进而计算控制故障相电压为0的注入电流。过程为：

1.检测到小电流接地故障发生后，利用有源逆变器向系统中性点或者某一相注入一个电流测量并记录注入后母线零序电压的幅值和相位。

注入电流可任意选取。一般地，选取既可以减少一次注入电流对系统的影响，又可以简化将故障相电压控制到0的注入电流的计算公式。

2.再次向系统中性点或者某一相注入一个与不同的电流测量并记录注入后母线零序电压的幅值和相位。

注入电流可任意选取。一般地，选取的幅值比较小(如1A-2A即可)，这样可以避免注入电流过大对系统的影响；的相角根据不同的故障相按照以下原则进行选取(设A相电源电压的相角为0°)：

3.利用下式计算过渡电阻的计算值R_d：

其中为故障相电源电压。

4.利用下式计算控制故障相电压到0的注入电流

当时，计算公式简化为：

与现有技术相比本发明的有益效果是：

以消弧线圈和消弧柜为代表的无源消弧法均不能将故障点电流补偿到0或接近于0。随着配电网容量的增大及电缆线路和电力电子设备的大量应用，接地电流中的无功分量、有功分量和谐波分量日益增大，应用无源消弧法后接地残流仍有可能较大。另外，某些重要用户要求电弧尽最大可能熄灭。此时，在无源消弧法的基础上，应配合使用有源消弧法，使接地电流进一步减小，乃至减小到0，以促使电弧尽最大可能熄灭，并控制故障相电压为0或接近于0，以避免电弧重燃，从而最大可能地防止和消除弧光接地过电压。

近几年，随着电力电子技术的发展，以有源逆变器为代表的有源消弧法，在理论上能补偿故障电流中的有功分量、无功分量和谐波分量，将故障点电流补偿到0。但是，现有的有源消弧控制法都是在故障前测量系统的对地导纳，在故障后测量系统中性点的阻抗，以此计算注入电流。在故障发生时，有些负荷可能比较敏感，会发生跳闸，在小电流接地故障发生后允许带故障运行的2小时里，配电网线路可能发生切换，此时采用已有的有源消弧控制法计算注入电流并注入，其误差电流为改变线路的对地电容电流，故障点电流仍有可能很大。

本发明提出的小电流接地故障有源消弧时注入电流两点计算方法，根据两个不同注入电流及其对应的母线零序电压计算控制故障相电压为0或接近于0的注入电流，可灵活、有效的控制系统故障相电压，从而防止和消除弧光接地过电压。与传统方法相比，该方法不需测量系统对地零序导纳，可自适应线路结构的改变，解决了现有的有源消弧控制法不能反映故障后配电网结构可能发生改变这一难题；能计算故障点过渡电阻的值；且控制方便、精度较高。

附图说明

附图1为小电流接地故障有源消弧系统结构图。

附图2为小电流接地故障有源消弧流程图。

附图3为高阻接地时，利用本发明所述方法，向系统注入电流前后母线处、故障点故障相电压，故障点电流的变化图。

具体实施方式

本发明所述方法的具体实施方式为：

(1)小电流接地故障有源消弧系统结构(如附图1所示)

测量信号传送到控制器中，控制器可以是有源逆变器中控制IGBT及其驱动的DSP微处理器，也可以是一台控制主机。在小电流接地故障发生时，控制器根据测量信号判断小电流接地故障的发生，并向有源逆变器发出控制信号，有源逆变器根据控制信号输出单相工频交流电流。

有源逆变器经单相升压变压器后，可与消弧线圈并联或串联后接入系统中性点，也可从三相中任意一相并联或串联接入。在附图1中，有源逆变器经单相升压变压器与消弧线圈并联后接入系统中性点。有源逆变器输出的单相工频交流电流，经升压变压器后，流入电力系统中，改变配电网零序电压的分布，从而控制故障相电压为0。

(2)有源逆变器

基于有源电力电子器件和脉宽调制技术(pulse width modulation,PWM)的有源逆变器主要由控制、输入、整流、逆变、输出以及其它辅助单元组成。在附图1中所示的有源逆变器中，其直流电压源DC既可以是蓄电池等恒定直流电压源，又可以是将三相交流电经不控整流或可控整流后得到的直流电压源。其逆变单元一般采用两相IGBT桥臂(四个IGBT功率器件)。控制单元根据测量数据和算法控制逆变单元中四个IGBT的导通，使其输出所需的恒定单相工频交流电。有源逆变器的输出容量一般为1MVA(10kV配电网中)或2MVA(35kV配电网中)，当配合固定补偿消弧线圈时容量可进一步降低。

(3)有源消弧系统的测量与输出

有源消弧系统的测量信号有：母线处三相电压及零序电压，其中零序电压既可以通过母线三相电压互感器(TV)得到，也可通过零序电压互感器直接获得；向系统中的注入电流，一般是经单相升压变压器后向系统中注入的电流。

有源消弧系统的输出有：幅值、相角可控的单相工频交流电流。

(4)小电流接地故障有源消弧流程

小电流接地故障有源消弧流程如下(附图2为其流程图)：

a.测量系统三相电压及零序电压当检测到零序电压的幅值大于电源相电压幅值U_P的15％时(U₀≥0.15U_P)，则判定发生单相接地故障；比较三相电压的幅值，一相电压降低、两相电压升高时电压降低相为故障相，两相电压降低、一相电压升高时电压降低且相位超前相为故障相，设故障相为X；

b.向系统中性点或者某一相注入一个电流测量并记录注入后母线零序电压的幅值和相位；再向系统注入一个与不同的电流测量并记录注入后母线零序电压的幅值和相位。

注入电流和可任意选取。一般地，选取选取的幅值比较小(如1A-2A即可)，的相角根据不同的故障相按照以下原则进行选取(设A相电源电压的相角为0°)：

c.利用下式计算过渡电阻的计算值R_d：

d.利用下式计算控制故障相电压到U_m以下的注入电流

故障相电压门槛值U_m的设定：当故障相电压幅值U_X小于U_m时，认为故障相电压被控制到0或接近于0。一般地，选取U_m＝0.05U_P。例如，在10kV配电网中，U_m＝300V。

e.向系统注入电流在注入电流的过程中，如果检测到系统故障相电压的幅值U_X高于U_m，则返回步骤b；

(5)与其它无源、有源消弧控制法的配合

注入电流两点计算法虽不需测量系统的零序导纳，可自适应线路结构的动态改变，测量简单、控制方便，但在实用中，有源逆变器、电压互感器等设备的误差会对电压控制精度造成一定影响。若故障点电流较大，有源逆变器的注入电流较大，增加装置的成本和反应时间，因此，有源消弧技术一般与消弧线圈配合使用，利用消弧线圈过补偿大部分故障点电流的无功分量，以降低装置的成本和反应时间。另外，可将有源消弧时注入电流两点计算法与其它注入电流计算法配合使用，对两点计算法中精度不理想的低阻接地甚至金属性接地进一步处理，使其在任意接地类型下都能有效地降低故障点电流，从而使有源消弧时故障点电流远小于无源消弧时的电流。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (2)

1.一种小电流接地故障后基于有源逆变器控制故障相电压为0的注入电流计算方法，其特征在于：

小电流接地故障发生后，利用有源逆变器通过系统中性点或三相中任意一相，分先后向系统注入两个不同的电流和分别测量并记录注入电流和时系统对应的母线零序电压和的幅值和相位，并据此计算控制故障相电压为0的注入电流为：

其中为故障相电源电压；

故障点过渡电阻值R_d的计算方法为：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

两个不同的注入电流和的选取原则及方法如下：

理论上，和可任意选取，当选取时，既可以减少一次注入电流对系统的影响，又可以简化将故障相电压控制到0的注入电流的计算公式：

的相角根据不同的故障相按照以下原则进行选取，设A相电源电压的相角为0°：