CN106602540A - 一种适用于中压配电网单相接地故障的有源电压消弧法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于中压配电网单相接地故障的有源电压消弧法，它涉及中压配电网故障自愈技术领域；它的消弧法的流程如下：a、连续测量母线三相电压、零序电压及各出线三相电流，当检测到发生单相接地故障时，进行故障选相；b、给定故障馈线故障相电流幅值的门槛值I_res.g，故障相电压幅值的门槛值U_res.g；c、测量故障相电压和电流，故障馈线故障相电流幅值与I_res.g进行比较；本发明可有效提高低阻接地故障的消弧性能，在有效控制过电压的同时，尽量补偿故障点电流，确保故障点电弧可靠熄灭，本发明对非线性电阻接地情形同样有效，只需在现有有源补偿装置中按照本发明修改程序代码即可实现，具有很高的工程应用价值。

Description

一种适用于中压配电网单相接地故障的有源电压消弧法

技术领域

本发明涉及一种适用于中压配电网单相接地故障的有源电压消弧法，属于中压配电网故障自愈技术领域。

背景技术

为限制单相接地故障点电流，我国中压配电网一般采用小电流接地运行方式(中性点不接地和经消弧线圈接地)。中性点经消弧线圈接地的运行方式又称谐振接地，在系统发生单相接地故障时可以补偿系统对地电容电流，减小故障点电流，促进故障熄弧。但随着配电网规模的不断扩大及电缆线路的大量应用，导致谐振接地系统发生单相接地故障后的故障点电流仍较大(一般大于电弧自然熄灭的临界值5A)，故障点难以自然熄弧。

在谐振接地的基础上，有源消弧法利用有源补偿装置向系统注入一定电流对故障点电流中的无功、有功和谐波分量进行全电气量补偿，确保故障点100％熄弧。有源消弧法根据受控对象可以分为有源电流消弧法(将故障点电流补偿至零)和有源电压消弧法(将故障相母线电压控制至零)。有源电流消弧法，其注入电流值需要精确的系统对地参数来估算，故障后线路结构的动态变化会导致补偿精度受影响且熄弧效果难以直接观测；有源电压消弧通过注入一定电流将故障相电压控制到零，无需精确的系统参数，适应线路结构的动态变化，有较强的实用性，但在低阻接地故障时，尤其负荷电流较大，故障距离较远时，有源电压消弧法反而会导致故障点电流增大，严重影响熄弧效果。

发明内容

针对上述问题，本发明要解决的技术问题是提供一种适用于中压配电网单相接地故障的有源电压消弧法；主要解决小电流接地系统单相接地故障消弧问题，实现故障自愈；依据故障时故障相电压和故障馈线故障相电流的幅值大小，将故障相电压的幅值和相位控制到一定范围内，改善现有的有源电压消弧在低阻接地故障时的消弧性能。

本发明的一种适用于中压配电网单相接地故障的有源电压消弧法，它的消弧法的流程如下：

a、连续测量母线三相电压、零序电压及各出线三相电流，当检测到发生单相接地故障时，进行故障选相；

b、给定故障馈线故障相电流幅值的门槛值I_res.g，故障相电压幅值的门槛值U_res.g；

c、测量故障相电压和电流，故障馈线故障相电流幅值与I_res.g进行比较，小于I_res.g，直接将故障相电压控制到零；大于I_res.g，则将故障相电压幅值与U_res.g进行比较，大于U_res.g，直接将故障相电压控制到零，小于U_res.g，将故障相电压幅值控制至A_set和相位控制至

d、I_res.g是与系统参数相关的故障馈线故障相电流幅值的门槛值，计算公式为：

式中α为安全裕度系数，取0.8-0.9，R_{d min}为系统发生单相接地故障时过渡电阻的最小值，对于架空线系统，R_{d min}取5Ω(金属性接地时的大地阻抗)，对于电缆线路系统，故障零序电流流经电缆线路的金属屏蔽层，R_{d min}取决于电缆线路材质和故障距离，通常可取1Ω，l_max为系统所有出线长度中的最大值，为故障相供电电源电压，Y_Σn为配电系统对地参数导纳和包括各出线对地电容、电导和消弧线圈导纳，实际系统中|EY_Σn|参数未知，可根据配电系统规模和消弧线圈的失谐度取经验值，通常取值为5-15A，Z₁和Z₀为故障馈线本身的正序阻抗和零序阻抗，可根据线路类型、型号取值；

e、U_res.g是与系统参数相关的故障相电压门槛值，计算公式为

式中β为安全裕度系数，取1.1-1.2，为故障馈线故障相负荷电流，Z₁、l_max、Y_Σn的含义及取值同上，R_dk为将故障相电压控制到零时故障点电流不会增大的临界过渡电阻值；

f、A_set和是故障相电压幅值和相位的控制目标，取值范围为

式中A为单相接地故障发生后故障相电压幅值，为故障相电压相位角，其中以故障相供电电源相角为0°基准，如若B相故障，则的相角为零，若C相故障，则的相角为零，为故障馈线自身正序阻抗Z₁的阻抗角，可根据线路类型、型号查询得到。

作为优选，所述的步骤e中的R_dk选取50Ω。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：可有效提高低阻接地故障的消弧性能，在有效控制过电压的同时，尽量补偿故障点电流，确保故障点电弧可靠熄灭，本发明对非线性电阻接地情形同样有效，只需在现有有源补偿装置中按照本发明修改程序代码即可实现，具有很高的工程应用价值。

附图说明

为了易于说明，本发明由下述的具体实施及附图作以详细描述。

图1为本发明中配置有源补偿装置的配电网有源消弧模型示意图；

图2为本发明中系统主供电源单独起作用的配电系统；

图3为本发明中有源补偿装置单独起作用的配电系统；

图4为本发明中配电网各电压电流向量图；

图5为本发明中新型有源电压消弧法工作流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

本具体实施方式采用以下技术方案：它的消弧法的流程如下：

a、连续测量母线三相电压、零序电压及各出线三相电流，当检测到发生单相接地故障时，进行故障选相；

b、给定故障馈线故障相电流幅值的门槛值I_res.g，故障相电压幅值的门槛值U_res.g；

I_res.g是与系统参数相关的故障馈线故障相电流幅值的门槛值，计算公式为：

式中α为安全裕度系数，取0.8-0.9，R_{d min}为系统发生单相接地故障时过渡电阻的最小值，对于架空线系统，R_{d min}取5Ω(金属性接地时的大地阻抗)，对于电缆线路系统，故障零序电流流经电缆线路的金属屏蔽层，R_{d min}取决于电缆线路材质和故障距离，通常可取1Ω，l_max为系统所有出线长度中的最大值，为故障相供电电源电压，Y_Σn为配电系统对地参数导纳和包括各出线对地电容、电导和消弧线圈导纳，实际系统中|EY_Σn|参数未知，可根据配电系统规模和消弧线圈的失谐度取经验值，通常取值为5-15A，Z₁和Z₀为故障馈线本身的正序阻抗和零序阻抗，可根据线路类型、型号取值；

U_res.g是与系统参数相关的故障相电压门槛值，计算公式为

式中β为安全裕度系数，取1.1-1.2，为故障馈线故障相负荷电流，Z₁、l_max、Y_Σn的含义及取值同上，R_dk为将故障相电压控制到零时故障点电流不会增大的临界过渡电阻值；R_dk选取50Ω；

f、A_set和是故障相电压幅值和相位的控制目标，取值范围为：

式中A为单相接地故障发生后故障相电压幅值，为故障相电压相位角，其中以故障相供电电源相角为0°基准，如若B相故障，则的相角为零，若C相故障，则的相角为零，为故障馈线自身正序阻抗Z₁的阻抗角，可根据线路类型、型号查询得到。

如图1所示，I_res.g和U_res.g的计算公式具体推导如下：

配置有源补偿装置的配电网有源消弧模型，配电系统共n条出线，设出线n的A相发生单相接地故障，故障点过渡电阻为R_d，消弧线圈等效阻抗为Z_L，各出线对地导纳为Y₀₁、Y₀₂…Y_0n。

如图2所示，上述模型在主供电电源单独作用时，等价于系统发生单相接地故障后有源补偿装置未投入工作时的状态，系统中性点电压为故障时各出线的对地电流分别为故障时流经消弧线圈的电流为故障相负荷电流为所有出线对地电流和为通常情况下，故障时故障相电压降低，故障馈线故障相对地电流相对于负荷电流可忽略不计，所以故障相电流和故障点电流可表示为：

故障时和可表示为：

式中Y_nΣ为除过渡电阻外所有出线对地导纳和，即

Y_nΣ＝Y₀₁+Y₀₂+…+Y_0n (3)

如图3所示，上述模型在有源补偿装置单独起作用时，有源消弧装置等效的受控电流源注入的电流值为故障相电流和故障点电流可表示为：

式中Y_Σn为除故障过渡电阻外的所有对地导纳和，即

Y_Σn＝Y_nΣ+1/Z_L (5)

令

有源补偿装置将故障相电压控制到零时，系统故障出线故障相电流和故障点电流分别为：

由单相接地故障的边界条件可得：

式中为故障点处A相对地电压，分别为故障点流出的三相短路电流。利用对称分量法表示并整理可得：

式中为故障点处A相对地电压的正序、负序、零序分量， 为故障点处流出的A相短路电流的正序、负序、零序分量。

则配电系统故障相母线电压与故障点正序、负序、零序电压可表示为：

式中分别为母线处A相(故障相)对地电压的正序、负序、零序分量，分别为故障馈线出口处A相电流的正序、负序、零序分量，l为故障点到母线的线路长度，Z₁、Z₂、Z₀分别为故障出线正序、负序、零序阻抗。

一般认为线路中Z₁＝Z₂，则公式(10)可简化为：

故障相母线电压可表示为：

显然故障相电流的零序分量等于故障出线出口处零序电流的1/3。所以进行有源电压消弧前，可表示为：

由式(1)(2)(11)(12)(13)求解故障时中性点电压为：

而有源补偿装置将故障相电压控制到零时故障馈线出口处零序电流等于此时健全出线的对地电流、消弧线圈电流及有源补偿装置注入电流之和，有源电压消弧后可表示：

式中Y_Σn-1为各健全出线对地导纳与消弧线圈导纳和，即：

Y_Σn-1＝Y_Σn-Y_0n (16)

由式(7)(11)(15)得，将故障相电压控制到零时有源补偿装置的注入的电流值为：

上式中的和可由式(2)和(14)求解出。

将式(17)代入式(7)得将故障相电压控制到零后故障点电流为：

所以，故障点电压表达式：

配电系统中发生低阻单相接地故障时，显然G^*、H^*≈1，系统中性点电压为通常情况下，故障相负荷电流远大于故障馈线的对地电流。因此，低阻接地故障时注入电流表达式可等效为：

低阻接地故障时将故障相电压控制到零后故障点电流可等效为：

因此，将故障相电压控制至零时，保证故障点电流不增大的条件为：

由式(23)知，对于确定的配电系统，只要故障馈线故障相负荷电流幅值小于一定门槛值，将故障相电压控制到零便不会导致故障点电流增大，此门槛值可表示为：

故障相电压幅值高于一定门槛值时，表明系统接地故障过渡电阻较大，将故障相电压控制到零不会导致故障点电流增大，此门槛值可表示为：

c、测量故障相电压和电流的幅值，故障馈线故障相电流幅值与I_res.g进行比较，小于I_res.g，直接将故障相电压控制到零。大于I_res.g，则将故障相电压幅值与U_res.g进行比较，大于U_res.g，直接将故障相电压控制到零，小于U_res.g，将故障相电压幅值控制至A_set和相位控制至

A_set和是故障相电压幅值和相位的控制目标，取值范围为

式中A为单相接地故障发生后故障相电压幅值，为故障相电压相位角(以故障相供电电源相角为0°基准，如若B相故障，则的相角为零，若C相故障，则的相角为零)，为故障馈线自身正序阻抗Z₁的阻抗角，可根据线路类型、型号查询得到。

A_set和的具体推导如下：

如图4所示，配电网各电压电流向量图，显然当故障相电压小于门槛值U_res.g时，将故障相电压控制到线路压降可将故障点电流补偿至零，确保故障点电弧百分百熄灭。由于系统参数、故障点位置和过渡电阻置未知，因此无法得到精确值，只能将故障相电压控制到一定范围内，尽量补偿故障点电流，确保故障点电流不增大。在故障馈线故障相电流幅值大于I_res.g门槛值，故障相电压幅值小于U_res.g门槛值时，配电网A相电源电压相位为0°，有源电压消弧前故障点电流包括消弧线圈过补偿的感性电流、有功电流和谐波电流，相对于过补偿的感性电流，有功电流和谐波电流一般较小。因此通常A相故障时故障点电流相且过渡电阻越小，故障点电流相位越接近于-90°，故障点电压相位与故障点电流相位一致。通常故障馈线故障相负荷电流相位根据线路类型、型号查询得正序阻抗Z₁的正序阻抗角若线路参数型号未知，根据经验值取架空线取值为60°，电缆取值为20°，所以线路压降的相位为系统发生单相接地故障后(假设A相故障)，测量故障相电压为则故障相电压与线路压降相位差为故障相电压与故障点电压相位差为利用导数判断函数增减性得，改进的有源电压消弧控制故障相电压幅值A_set和相位范围为：

B相和C相故障时，推导方法同上，若B相故障时，将的相角为基准零度，若C相故障，将的相角为基准零度时，表达形式同上。

如图5所示，新型有源电压消弧法工作流程图。连续测量母线三相电压、零序电压及各出线三相电流，当检测到发生单相接地故障时，进行故障选相，流程图以A相故障为例，故障馈线故障相电流幅值与故障相电流幅值的门槛值进行比较，小于门槛值，直接将故障相电压控制到零，大于门槛值，则将故障相电压幅值与故障相电压幅值的门槛值进行比较，大于门槛值时，直接将故障相电压控制到零，小于门槛值时，将故障相电压幅值、相位控制至A_set和范围内，尽量补偿故障点电流，确保故障点电流不增大，在抑制故障过电压的同时，尽量促进故障点电弧熄灭。过渡电阻的动态性和非线性会直接体现在故障相的母线电压上，因此本方法同样适用于故障点过渡电阻动态变化的情形。

为验证上述新型有源消弧方法的可行性，在MATLAB的SIMULINK中按照附图1搭建配置有源补偿装置的配电网有源消弧模型进行了仿真分析。配电系统为110kV/10kV变电站，变压器采用Y/Y₀接线方式，参数为：变压器的额定容量为40000kVA，原边电压110kV，副边电压10.5kV。中性点经消弧线圈接地，参数为：L_N＝0.1958H，R_N＝2459Ω，系统共11条出线(l₁,l₂…l₁₁)，线路类型为电缆，长度依次为：4km，6km，3km，7km，7km，4km，7km，5km，3km，4km，6km。单相接故障发生在馈线l₁₁上，利用改进的有源电压消弧法对单相接地故障进行灭弧，如表1所示，为故障时故障相电压，是改进的有源电压消弧法后的故障相电压值，为利用改进的有源电压消弧后的故障点电流，为利用传统的有源电压消弧后的故障点电流。本发明相对于现有的有源电压消弧法，只在故障相电流幅值大于故障相电流幅值的门槛值，故障相电压幅值小于故障相电压幅值的门槛值时不同，表1中针对不同故障距离，不同过渡电阻均为符合上述门槛值的情况进行仿真，有源电压消弧前的故障点电流为8.3∠-74.8°。

由上表可知，低阻接地故障时，有源电压消弧后故障点电流幅值较大，严重影响熄弧效果。新型有源电压消弧法将故障相电压稳定地控制至一定值，可以有效消除故障过电压，同时可以有效补偿故障点电流，虽不能将故障点电流完全补偿至零，但极大得改善了低阻接地故障的消弧性能，验证了本发明的正确性。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (2)

1.一种适用于中压配电网单相接地故障的有源电压消弧法，其特征在于：它的消弧法的流程如下：

a、连续测量母线三相电压、零序电压及各出线三相电流，当检测到发生单相接地故障时，进行故障选相；

b、给定故障馈线故障相电流幅值的门槛值I_res.g，故障相电压幅值的门槛值U_res.g；

c、测量故障相电压和电流，故障馈线故障相电流幅值与I_res.g进行比较，小于I_res.g，直接将故障相电压控制到零；大于I_res.g，则将故障相电压幅值与U_res.g进行比较，大于U_res.g，直接将故障相电压控制到零，小于U_res.g，将故障相电压幅值控制至A_set和相位控制至

d、I_res.g是与系统参数相关的故障馈线故障相电流幅值的门槛值，计算公式为：

$I_{res.g}=\mathrm{\α}\left|\stackrel{\·}{E}{Y}_{\mathrm{\Σ}n}\right||\[R_{dmin}+(2Z_1+Z_0)l_{max}/3\]/\left(Z_1{l}_{max}\right)|$

式中α为安全裕度系数，取0.8-0.9，R_dmin为系统发生单相接地故障时过渡电阻的最小值，对于架空线系统，R_dmin取5Ω(金属性接地时的大地阻抗)，对于电缆线路系统，故障零序电流流经电缆线路的金属屏蔽层，R_dmin取决于电缆线路材质和故障距离，通常可取1Ω，l_max为系统所有出线长度中的最大值，为故障相供电电源电压，Y_Σn为配电系统对地参数导纳和包括各出线对地电容、电导和消弧线圈导纳，实际系统中|EY_Σn|参数未知，可根据配电系统规模和消弧线圈的失谐度取经验值，通常取值为5-15A，Z₁和Z₀为故障馈线本身的正序阻抗和零序阻抗，可根据线路类型、型号取值；

e、U_res.g是与系统参数相关的故障相电压门槛值，计算公式为

$U_{res.g}=\mathrm{\β}|{\stackrel{\·}{I}}_L{Z}_1{l}_{max}+\stackrel{\·}{E}{Y}_{\mathrm{\Σ}n}{R}_{dk}|$

式中β为安全裕度系数，取1.1-1.2，为故障馈线故障相负荷电流，Z₁、l_max、Y_Σn的含义及取值同上，R_dk为将故障相电压控制到零时故障点电流不会增大的临界过渡电阻值；

f、A_set和是故障相电压幅值和相位的控制目标，取值范围为

式中A为单相接地故障发生后故障相电压幅值，为故障相电压相位角，其中以故障相供电电源相角为0°基准，如若B相故障，则的相角为零，若C相故障，则的相角为零，为故障馈线自身正序阻抗Z₁的阻抗角，可根据线路类型、型号查询得到。

2.根据权利要求1所述的一种适用于中压配电网单相接地故障的有源电压消弧法，其特征在于：所述的步骤e中的R_dk选取50Ω。