CN107919662A - 一种交直流电网接地装置及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种交直流电网接地装置及其控制方法，包括：接地变压器、消弧线圈、传感器、接地电阻和旁路开关；所述消弧线圈的输入端与所述接地变压器的中性点连接，输出端与所述传感器的一端连接，所述传感器的另一端与所述接地电阻的一端连接，所述接地电阻的另一端接地；所述接地电阻并联所述旁路开关。本发明提出的交直流电网接地装置，充分考虑了各种故障类型比如当发生直流单极接地故障，可避免直流电压偏置造成变压器直流偏磁或消弧线圈饱和，危害设备和电网安全。
Description
技术领域：
本发明涉及交直流电网领域，具体涉及一种交直流电网接地装置及其控制方法。
背景技术：
随着大规模分布式电源、储能系统、多样化负荷等在电网中的渗透率日益提高，输配电网逐步由传统的无源网络演变为有源网络，且网络结构呈现出多样化、复杂化的特征。交直流混合电网在接纳分布式电源、交直流负荷等方面有着巨大的优势，可以极大地减少网络中换流器的数量、提高供电效率、减低电网建设的投资成本。因此，交直流混合电网将会成为未来电网发展的重要方向。
现有电力系统中的35kV、10kV配电网一般采用中性点不接地的运行方式。由于目前城市电网电缆线路剧增，电网的对地电容电流迅速增加。当系统发生单相接地故障时，系统中性点、非故障相以及故障相都会出现弧光接地过电压，严重威胁电网安全及设备的绝缘。一般来说，配电网变电站主变压器都采用Yd接线或者YNynd接线，低压侧无中性点引出。因此，需要通过接地变压器引出中性点。而在接地方式的选择上，通常为中性点经电阻接地或经消弧线圈接地。对于传统电网来说，在接地方式的选择上只需考虑交流单相接地故障的情况，而在未来的交直流混合电网中，交流网络与直流网络通过换流器相连，系统中性点仍然由接地变压器引出。在对接地装置进行设计时，必须考虑直流单极接地故障的影响。因为一旦网络中发生直流单极接地故障，将会有很大的直流电压加在接地变上，造成变压器直流偏磁或消弧线圈饱和，危害电网安全运行。另外，直流电压偏置的存在也会影响接地变压器、消弧线圈等设备的选型。基于以上分析，传统配电网的接地装置并不适用于未来的电网发展。
发明内容：
为了解决现有技术中所存在的上述不足，本发明提供一种交直流电网接地装置及其控制方法。
本发明提供的技术方案是：
一种交直流电网接地装置，包括：接地变压器、消弧线圈、传感器、接地电阻和旁路开关；
所述消弧线圈的输入端与所述接地变压器的中性点连接，输出端与所述电流传感器的一端连接，所述电流传感器的另一端与所述接地电阻的一端连接，所述接地电阻的另一端接地；
所述旁路开关并联所述接地电阻。
优选的，所述接地变压器的一次侧为高压绕组，二次侧为低压绕组；
所述高压绕组采用三角形接线法，所述低压绕组采用星形接线法。
优选的，所述接地变压器的高压绕组与交直流电网母线连接。
优选的，所述接地变压器的低压绕组连接二次负载。
优选的，所述接地变压器采用曲折形、曲折形/星形、星形/三角形或星形/开口三角形的结构形式。
优选的，所述接地变压器采用三角形对星形接法的接地形式。
优选的，所述传感器可为测量直流分量的互感器，如光纤电流互感器或霍尔电流传感器等电子式互感器。
优选的，所述接地电阻由交直流电网的直流偏置电压值和交流侧相电流峰值确定；
所述Udc为直流偏置电压值，所述I0max为交流侧相电流峰值。
优选的，所述旁路开关采用快速机械开关、可控硅、IGBT或断路器。
优选的，所述交直流电网中的交流电网与直流电网通过换流器互联；
所述换流器采用电压源或电流换流器、多电平换流器等电力电子换流器。
优选的，还包括控制器，所述控制器用于接收所述电流传感器的电流信号，然后产生触发信号控制所述旁路开关的开断。
一种交直流电网接地装置的控制方法，包括以下步骤：
当交直流电网正常工作的时候以及直流电网电极接地故障情况下，所述旁路开关处于断开状态；当交直流电网发生交流单相接地故障时，所述接地装置判断电流传感器测量获得接地变压器的中性点电流或电压是否超过预先设定的电压电流动作阀值；
若是，则旁路开关闭合，电流通过消弧线圈和旁路开关接地；否则，所述旁路开关处于断开状态，电流通过消弧线圈和接地电阻接地。
优选的，所述动作阈值由下式计算：
所述IS为交流侧相电流有效值。
优选的，所述当交直流电网发生交流单相接地故障时，所述接地装置判断电流传感器测量获得接地变压器的中性点电流或电压是否超过预先设定的电压电流动作阀值包括：
当交直流电网发生交流单相接地故障时，所述消弧线圈获得接地变压器的中性点电流或电压；
基于所述消弧线圈消弧，所述电流传感器将对所述中性点电流或者电压进行测量，检测是否超过动作阈值，若超过则将获得的信息转化为电信号；
所述控制器获得所述电信号，并产生触发信号；
所述旁路开关，获得所述触发信号后，将把接地电阻短路。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1)本发明提供的交直流电网接地装置充分考虑了交直流电网中可能发生的直流单极故障问题，保证了在各种情况下电网都能安全运行；
2)本发明提供的交直流电网接地装置仅增加了一个的接地电阻，降低了电阻选型的难度及设备成本；而且采用旁路开关的控制策略，只需采集中性点电流或中性点电压，并对其进行判断，在中性点电流或电压的交流分量大于设定阈值后使旁路开关闭合即可，综合来看，交直流电网的接地装置是简单易行的。
3)具有巨大的未来发展前景。
本发明提供的交直流混合配电网接地装置可以极大地减少网络中换流器的数量、提高供电效率、降低电网建设的投资成本，另外本发明还提供了多种旁路开关及控制方式的选择，使得该装置在实际应用中的适用性更强。
附图说明
图1为现有传统配电网接地装置结构示意图；
图2为本发明的交直流电网结构示意图；
图3为本发明的交直流配电装置整体结构示意图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合说明书附图和实例对本发明的内容做进一步地说明。
图1给出了现有传统配电网接地装置结构示意图。其中(a)图是中性点经电阻接地装置，(b)图为中性点经消弧线圈接地装置。
针对图1中的传统配电网接地装置，在接地方式上通常为中性点经过电阻接地或者经消弧线圈接地；这种接地方式只考虑交流单相接地故障的情况。而在未来的交直流混合配电网中，交直流电网与直流电网通过换流器相连，系统中性点仍是由接地变压器引出。
故当发生单相直流故障时，传统接地装置没办法解决，就会造成变压器直流偏磁或消弧线圈饱和，危害电网安全运行。
图2给出了交直流电网的结构示意图。其中，交、直流网络通过换流器互联，换流器可采用电压源换流器(Voltage source converter，VSC)、模块化多电平换流器(Modularmultilevel converter，MMC)以及电力电子变压器(Power electronic transformer，PET)等等。
通过换流器将交流电网中的交流电变换为直流电，或者将直流电网中的直流电变换为交流电，便于交直流电网中电流的输送。
图3给出了交直流电网接地装置的一种实施方案示意图。其中，接地变压器采用了ZNyn11接线形式，Ua、Ub、Uc取自电网交流母线，中性点通过消弧线圈及接地电阻R接地，旁路开关与电阻R并联，SV为用于测量中性点电流的霍尔电流传感器。Z型变压器低压侧可带二次负载，作为所用变压器使用。
系统正常运行情况下，旁路开关处于开断状态，电阻R可作为阻尼电阻，防止消弧线圈与线路对地电容发生谐振。由于采用了Z型变压器，电阻R上不会有功率消耗，对系统运行无影响。
交直流网络中发生直流单极接地故障时，旁路开关仍然保持开断。故障后，Z型变一次侧电压Ua、Ub、Uc将会出现直流偏置(假定为Udc)，同时中性点电压也会由零变为Udc。此时，中性点电流的大小将取决于接地电阻的大小，因此，接地电阻的取值需根据下式进行选取：
上式中，I0max为允许流经中性点的电流最大值。在发生直流单极接地故障时，若交直流电网中的换流器无法闭锁，则需要通过跳开交流侧开关实现故障的隔离。在交流侧电流出现幅值为I0的直流偏置后，必须保证交流侧电流仍然有过零点，确保交流侧断路器可以顺利跳开。因此，I0max与交流侧相电流有效值Is之间的关系如下所示：
根据式(1)和式(2)即可确定接地电阻的阻值。
当交直流电网中发生交流单相或两相接地故障时，检测中性点交流电流达到阈值后立即闭合旁路开关。旁路开关闭合后，接地电阻将被旁路。此时消弧线圈将对线路中的容性电流进行补偿，有效抑制故障后出现的过电压。
图3中所示接地装置中的旁路开关可有多种选择，如可控硅、IGBT、断路器等等。在实际应用中，可综合电压等级、设备造价及体积等多方面因素进行选择。
本发明提出的交直流电网接地装置中，旁路开关在系统正常运行以及直流网络单极接地故障情况下均处于开断状态。当发生交流单相或两相接地故障时，控制器判断中性点电流或中性点电压越限后，旁路开关闭合，将接地电阻旁路。其中中性点电压判别方法需对中性点电压进行检测，一旦电压出现交流分量，控制器将会产生触发信号，令旁路开关闭合；中性点电流判别方法则需要检测中性点电流，在判断电流包含一定的交流分量后，控制器产生触发信号。两种控制方式中，中性点电压判别方法的速度更快一些，在实际应用中可根据需要选择控制方式。同时为了保证装置的可靠性，需设定相应的电压或电流动作值。附图3中示意了中性点电流判别方法。
与图1中的传统配电网接地装置相比，图3中的交直流电网接地装置在设计过程中，充分考虑了网络中的故障类型，尤其是交直流混合配电网中可能出现的直流单极接地故障。另外，在旁路开关的选择以及控制方式上提供了多种实现途径，使得该接地装置更具有应用价值。
本申请进一步提供了一种针对上述交直流电网接地装置的控制方法，该方法包括以下步骤：
当交直流电网正常工作的时候以及直流电网电极接地故障情况下，所述旁路开关处于断开状态；
当交直流电网发生交流单相或两相接地故障时，所述接地装置判断电流或电压传感器测量获得接地变压器的中性点电流或电压是否超过预先设定的电压电流动作阀值；
若是，则旁路开关闭合，电流通过消弧线圈和旁路开关接地；否则，所述旁路开关处于断开状态，电流通过消弧线圈和接地电阻接地。
优选的，所述动作阈值由下式计算：
所述IS为交流侧相电流有效值。
所述当交直流电网发生交流单相或两相接地故障时，所述接地装置判断电流传感器测量获得接地变压器的中性点电流或电压互感器测得电压是否超过预先设定的电压电流动作阀值包括：
当交直流电网发生交流单相或两相接地故障时，所述消弧线圈获得接地变压器的中性点电流或电压；
基于所述消弧线圈消弧，所述电流或电压传感器将对所述中性点电流或者电压进行测量，检测是否超过动作阈值，若超过则将获得的信息转化为电信号；
所述控制器获得所述电信号，并产生触发信号；
所述旁路开关，获得所述触发信号后，将把接地电阻短路。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。
Claims (14)
1.一种交直流电网接地装置，其特征在于，包括：接地变压器、消弧线圈、传感器、接地电阻和旁路开关；
所述消弧线圈的输入端与所述接地变压器的中性点连接，输出端与所述传感器的一端连接，所述传感器的另一端与所述接地电阻的一端连接，所述接地电阻的另一端接地；
所述旁路开关并联所述接地电阻。
2.如权利要求1所述的一种交直流电网接地装置，其特征在于，所述接地变压器的一次侧为高压绕组，二次侧为低压绕组；
所述高压绕组采用三角形接线法，所述低压绕组采用星形接线法。
3.如权利要求2所述的一种交直流电网接地装置，其特征在于，所述接地变压器的高压绕组与交直流电网母线连接。
4.如权利要求2所述的一种交直流电网接地装置，其特征在于，所述接地变压器的低压绕组连接二次负载。
5.如权利要求2所述的一种交直流电网接地装置，其特征在于，所述接地变压器采用曲折形、曲折形/星形、星形/三角形或星形/开口三角形的结构形式。
6.如权利要求2所述的一种交直流电网接地装置，其特征在于，所述接地变压器采用三角形对星形接法的接地形式。
7.如权利要求1所述的一种交直流电网接地装置，其特征在于，所述传感器可为测量直流分量的互感器，如光纤电流互感器或霍尔电流传感器。
8.如权利要求1所述的一种交直流电网接地装置，其特征在于，所述接地电阻由交直流电网的直流偏置电压值和交流侧相电流峰值确定；
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<mo>-</mo>
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</mrow>
</mrow>
所述Udc为直流偏置电压值，所述I0max为交流侧相电流峰值。
9.如权利要求1所述的一种交直流电网接地装置，其特征在于，所述旁路开关采用快速机械开关、可控硅、IGBT或断路器。
10.如权利要求3所述的一种交直流电网接地装置，其特征在于，所述交直流电网中的交流电网与直流电网通过换流器互联；
所述换流器采用电压源或电流换流器、多电平换流器。
11.如权利要求1所述的一种交直流电网接地装置，其特征在于，还包括控制器，所述控制器用于接收电流传感器的电流信号，或用于接收电压传感器的电压信号，进行直流单极接地故障判断，然后产生触发信号控制所述旁路开关的开断。
12.基于如权利要求1-11所述的任一项权利要求中交直流电网接地装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
当交直流电网正常工作的时候以及直流电网电极接地故障情况下，所述旁路开关处于断开状态；
当交直流电网发生交流单相接地故障时，所述接地装置判断电流传感器测量获得接地变压器的中性点电流或电压传感器的电压是否超过预先设定的电压电流动作阀值；
若是，则旁路开关闭合，电流通过消弧线圈和旁路开关接地；否则，所述旁路开关处于断开状态，电流通过消弧线圈和接地电阻接地。
13.如权利要求12所述的交直流电网接地装置的控制方法，其特征在于，所述动作阈值由下式计算：
<mrow>
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所述IS为交流侧相电流有效值。
14.如权利要求12所述的交直流电网接地装置的控制方法，其特征在于，所述当交直流电网发生交流单相接地故障时，所述接地装置判断电流传感器或测量获得接地变压器的中性点电流或电压是否超过预先设定的电压电流动作阀值包括：
当交直流电网发生交流单相接地故障时，所述消弧线圈获得接地变压器的中性点电流或电压；
基于所述消弧线圈消弧，所述电流传感器将对所述中性点电流或者电压进行测量，检测是否超过动作阈值，若超过则将获得的信息转化为电信号；
所述控制器获得所述电信号，并产生触发信号；
所述旁路开关，获得所述触发信号后，将把接地电阻短路。
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