CN108054764A - 一种多功能配电网柔性接地装置及控制方法 - Google Patents

一种多功能配电网柔性接地装置及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多功能配电网柔性接地装置及控制方法，该装置设置于发电机侧、配电网变压器二次侧或配电网母线侧，该装置包括三相变流器和可控开关，所述三相变流器中性点可通过可控开关接地；所述装置正常情况下工作在无功补偿模式，当配电网发生单相接地故障时，可控开关闭合，装置向配电网三相线路中注入零序/共模电流或零序/共模电压以达到单相接地故障消弧与故障定位的目的，并且无功补偿、单相接地故障消弧和故障定位功能可同时进行。本发明将无功补偿、线路对地参数测量、消弧、故障选线定位等功能集成于同一装置，并且在实现单相接地消弧、单相接地点选线和定位等功能的同时可以保持装置的无功补偿功能的正常运行，真正实现一机复用。

Description

一种多功能配电网柔性接地装置及控制方法
技术领域
本发明属电力行业，尤其涉及三相中性点不接地系统配电网的无功补偿、线路对地参数在线测量、单相接地故障消弧、单相接地点选线定位领域，具体为一种多功能配电网柔性接地装置及控制方法。
背景技术
国内中压配电网大多采用中性点不接地的运行方式，由于城市的发展，城市配电网不断扩大，电力电缆使用量的不断增加，配电线路对地电容日益增大，当配电网发生单相接地故障时，易造成严重对地电流。配电网线路对地电容电流是影响配电网规划设计和运行安全的重要参数。电容电流的大小不仅决定了是否需要装设消弧线圈以及消弧线圈的补偿容量，而且配电网在运行过程中需要对不同的线路进行投切，因此线路对地参数的实时在线测量显得尤为重要。电网对地电容电流的测量主要分为工程计算法、直接法和间接法。工程计算法根据线路的长度等参数对对地电容进行理论计算，一般用于评估新建工程，计算误差较大，只能用于参考。直接法，也成为金属接地法，此方法直接对一次线路进行操作，容易对测量人员带来安全性问题。一般的线路对地参数测量采用间接法，而间接法中的信号注入法由于其操作安全而得到了广泛的应用。但是信号注入法是通过PT或者消弧线圈向配电网注入测量信号，一方面会受到变压器漏阻抗的影响，另一方面通过高变比的变压器会导致配电网中的注入信号衰减过大，难以准确测量。
当中压配电网发生单相接地故障时，由于接地点故障电流较大，电弧难于自行熄灭，若不能得到及时有效抑制，易发展成永久性单相接地故障，且可能引起超过3倍相电压的系统过电压，导致健全相绝缘薄弱环节击穿，造成相间短路。所以配电网单相接地点的故障电流补偿需要准确而快速，这样才能及时抑制弧光的进一步发展。现在配电网的单相接地故障中消弧的方法主要分为电压消弧和电流消弧两种。电压消弧法就是通过控制故障相恢复电压，使故障相恢复电压为零或者不及介质击穿电压，从而实现灭弧。传统的“消弧柜”应用电压消弧原理，采用断路器短路接地故障相，钳制故障相电压的方法，阻止故障电弧重燃。但受高阻接地故障选相精度低的制约，可能出现错误选相、短接非故障相问题，同时受限于开关动作速度，开关短接前数十毫秒的电弧不能有效控制，且短接旁路冲击电流大，可能干扰变电站的电位。电流消弧法采用抑制接地故障残流，减小介质损伤和故障相恢复电压的上升速度的方法，促进故障消弧。消弧线圈因其具有有效补偿故障电容电流，促使电弧快速熄灭的优点，在配电网中得到广泛应用。但是消弧线圈的有功损耗增大了接地故障电流的有功分量，且其调整困难，操作繁琐，脱谐度测量困难，调谐不当易产生谐振过电压。
在中压配电网中单相接地故障发生的频率高，当发生单相接地故障时，不会形成短路回路，仅由系统的分布电容引起很小的接地故障电流，系统可以继续运行。但是单相故障接地时，非故障相对地电压升高，过电压可能导致接地故障转化为相间短路故障，严重危害系统绝缘和装置安全。为了系统安全运行、提高供电可靠性、减少停电损失，需要在单相接地故障后迅速确定故障线路及故障点位置，以便进一步采取故障处理措施。对单相接地故障的故障点的定位方法主要分为两类，主动式定位方法与被动式定位方法。主动式故障定位方法是在线路发生故障后向系统注入特定信号，通过检测所注入信号在系统中的分布确定故障点位置。被动式故障定位方法则是利用故障本身所产生电压及电流信号的特征，设计定位算法，确定故障点位置。主动式故障定位方法又主要分为零序电流突变法、中电阻法、传递函数法、信号注入法。零序电流突变法是通过改变消弧线圈参数产生零序电流突变量实现定位，受不稳定故障影响大，且改变消弧线圈参数不利于系统安全。中电阻法是在故障发生后人为在系统中性点和地之间投入一中值电阻，检测附加的工频故障电流分布，该方法人为地增大了接地电流，增大了系统安全隐患，且中值电阻设计困难。传递函数法是在故障出口处施加方波诊断信号根据传递函数的频谱的一种单端测距方法，由于配电网参数复杂，该方法仅在理论上可行，难以实际应用。一般说来在主动式故障定位方法中信号注入法由于其避开了自身故障信号的易受干扰性而得到了广泛应用。信号注入法一般利用信号注入装置通过母线PT向系统注入特定的电流信号，常用的交流信号注入存在着受PT容量限制且由PT传导到系统中的电流信号比较微弱难以检测等问题。
上述对地参数测量、消弧、选线定位的方法不光本身有难以克服的缺点，而且每一种功能都需要特定的保护装置，造成配电网系统保护装置繁杂，管理不便，保护和检测装置利用率低等问题。另一方面，基于电力电子器件的柔性接地装置一般安装在配电网中性点处，只有在配电网线路发生单相接地故障时才工作，无其他附加功能，设备使用率较低。
发明内容
鉴于此，本发明的目的是提供一种多功能配电网柔性接地装置及控制方法。该装置在日常运行时实现无功补偿，和线路对地参数测量；在单相接地故障时实现消弧、单相接地点选线和定位功能的同时保持无功补偿正常运行。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的，一种多功能配电网柔性接地装置，该装置设置于发电机侧、配电网变压器二次侧或配电网母线侧，该装置包括三相变流器和可控开关，所述三相变流器接入发电机侧、配电网变压器二次侧或配电网母线侧，所述三相变流器中性点通过可控开关接地；
所述装置正常情况下工作在无功补偿模式，并且定时闭合可控开关测量线路的对地参数；
当配电网发生单相接地故障时，所述可控开关闭合，装置向配电网三相线路中注入零序/共模电流或零序/共模电压用于单相接地故障消弧与故障定位，并且无功补偿、单相接地故障消弧和故障定位功能可同时进行。
进一步，所述三相变流器为两电平三相半桥，三电平三相半桥，多电平三相半桥或三相级联式H桥。
进一步，所述三相变流器为高压等级的三相变流器，直接挂在10kV或35kV电压等级的配电网母线上。
进一步，所述三相变流器为低压等级的三相变流器，所述三相变流器通过升压变压器连接到10kV或35kV电压等级的配电网母线上。
一种多功能配电网柔性接地装置的控制方法，该装置有如下工作模式：
无功补偿模式：断开所述可控开关，通过所述装置对配电网进行无功补偿；
线路对地参数测量模式：定时将所述可控开关闭合，使所述装置与配电网线路对地寄生电路之间通过大地形成回路，在线计算出配电网的线路对地参数；
消弧模式：闭合所述可控开关，所述装置向配电网母线中注入零序/共模电流，将非故障两相的分布式电容电流在母线处抵消；
接地点定位模式：保持所述可控开关闭合，通过所述装置的控制向配电网母线注入可调幅值、相位与频率的零序/共模电流作为故障定位特征电流，再通过故障定位电流的检测装置来对故障进行定位；
正常工作模式下，无功补偿模式与线路对地参数测量模式共存且相互独立；
单相接地故障时，无功补偿模式、消弧模式和接地点定位模式共存且相互独立。
进一步，所述线路对地参数测量模式，测得的线路对地参数值为：
其中ω为角频率，Ceq为所述多功能装置内部等效电容，Uc0为所述多功能装置注入的零序/共模电压，I0为所述多功能装置接地点流过的零序/共模电流。
进一步，所述消弧模式中装置向配电网母线中注入零序/共模电流为：
I0ref＝jωCgroundUx
其中，ω为角频率，Ux为接地相的电源相电压。
由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：
一般配电网通常需要配备无功补偿、对地参数测量、消弧、选线定位等一系列装置，造成配电网系统保护装置繁杂，管理不便，保护和检测装置利用率低等问题，针对此问题，本发明提出一种具有无功补偿、对地参数测量、消弧、选线定位等功能一体化的新型多功能电力电子配电网装置，可以在实现线路对地参数测量、单相接地消弧、单相接地点选线和定位等功能的同时实现无功补偿功能。真正实现普通无功补偿装置的一机复用，并且每种附加功能与无功补偿功能互无冲突。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
图1为配电网和多功能装置拓扑图；
图2为以级联H桥为实施例的多功能装置结构示意图；
图3为以两电平逆变器和升压变压器为实施例的多功能装置结构示意图；
图4为本发明的控制算法框图；
图5为测量线路对地电容等效电路；
图6为用于配电网单相接地故障定位的故障指示器布置示意图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。
图1为配电网和多功能装置拓扑图；图2为以级联H桥为实施例的多功能装置结构示意图；图3为以两电平逆变器和升压变压器为实施例的多功能装置结构示意图；图4为本发明的控制算法框图；图5为测量线路对地电容等效电路；图6为用于配电网单相接地故障定位的故障指示器布置示意图。
首先，图1中是典型的配电网线路，配电网线路包含线路对地参数和测量线路对地电压的电压互感器。图中的三相变流器12为图2所示的级联H桥拓扑或者为图3所示的两电平逆变器经升压变压器升压的形式，三相变流器12的中性点可通过可控开关13进行接地。
如图1所示，一种多功能电力电子配电网装置，该装置设置于配电网变压器二次侧(配电网母线侧)，该装置包括三相变流器12，所述三相变流器12的中性点可通过可控开关13接地。
在本实施例中，可控开关13为接触器S1。
本发明具有无功补偿、对地参数测量、线路单线接地消弧、线路单线接地选线定位等功能，可以在实现线路对地参数测量、单相接地消弧、单相接地点选线和定位等功能的同时实现装置的无功补偿功能，真正实现了一机复用，每种附加功能与无功补偿功能互无冲突。
下面来说明每一种功能的工作原理：
无功补偿模式：当装置运行在无功补偿模式时，接触器S1断开，装置的控制方法为基于同步旋转坐标系的dq解耦控制算法，控制算法如图4中的三条相加的计算支路中的最上面一条支路所示。
线路对地参数测量模式：接触器S1接通，通过对dq无功补偿算法增加零序(共模)控制通路，装置可以向配电网系统注入一定幅值和频率的零序(共模)电压，通过对应的零序(共模)电流的测量，即可在线准确计算出此刻配电网线路的对地电容。
弧光消除模式：接通接触器S1，为了消除弧光接地点的接地电流，也可以通过增加零序(共模)控制通路，装置向配电网系统注入一定幅值的工频零序(共模)电流，共模电流可以抵消和拦截两个非故障相容性电流，如图1所示，从而可以补偿掉接地点的故障电流。具体的零序(共模)电流的参考指令可以从线路对地参数的测量来获得。
选线和接地点定位模式：接通接触器S1，通过增加零序(共模)控制通路，装置向配电网系统注入一定幅值和频率的零序(共模)特征电压或电流，通过比较分析三相线路上检测到的该特征信号的幅值大小，判断故障线路，再根据安装在线路上的检测装置检测到的该信号的反馈，继而确定故障点的位置。
综上所述，本发明的核心是以配电网无功补偿装置为基础，在dq算法中加入零序(共模)分量的控制，从而实现无功补偿、对地参数测量、线路单线接地消弧、线路单线接地选线定位等一系列功能的集成。
下面以级联H桥形式的多功能装置为实施例进行详细说明。
1、线路对地参数测量
在测量线路对地参数之前，首先将接触器S1闭合，将图4中的零序(共模)控制通路开关SW2闭合，并设定U0＝Asin(ωnt)，多功能装置将向配电网线路中注入零序(共模)电压U0，U0的频率范围一般设置为20～90Hz，此时配电网线路的零序(共模)等效回路如图5所示，零序(共模)电流I0可以通过电流传感器测量，由于电压互感器的阻抗一般非常大，所以电压互感器支路一般可以忽略不计。根据U0、I0的值可以通过图5计算出配电网线路对地总电容值Cground为：
其中ω为角频率，Uc0为所述多功能装置注入的零序/共模电压，I0为所述多功能装置接地点流过的零序/共模电流。Ceq表示多功能装置的等效零序/共模电容值，(LA+LB+LC)/3表示多功能装置的零序(零序)输出滤波器电感值，由于输出滤波器电感值较小，一般可以忽略不计。
2、线路单相接地弧光抑制(消弧)
当线路发生单相接地故障时，如图1所示：C相线路接地。为了抑制弧光接地现象的发生，需要将接地点流过的电流控制为0，为了实现这个目标，首先将接触器S1闭合，然后将图4中的零序(共模)控制通路开关SW1闭合，然后将图4中的I0ref＝jωCgroundUc。
通过零序(共模)控制通路的闭环控制可以实现将接地点的电流控制为接近0，从而抑制弧光接地的发生。
3、线路单相接地点选线及定位
当线路发生单相接地故障时，如图1所示：C相线路接地。为了尽快实现接地线路的选择和接地点的定位，可以通过多功能装置向系统中注入一定量特征量，配合安装在线路上的故障指示器可以实现线路单相接地点的选线和定位。
在发生单相接地故障后，接触器S1闭合，然后将图4中的零序(共模)控制通路SW1闭合进行消弧，当消弧电流未能消除单相接地故障时，将SW2也闭合，并设定U0＝Asin(ωnt)，U0的频率范围一般设置为100～200Hz，此时，配电网线路中将产生零序(共模)电压和电流，图6中的每一个故障指示器会检测该点的三相电流中的注入的特征分量(角频率为ωn)，通常发生接地相的电流中的特征分量较大，从而可以确定是哪一相线路发生了接地。在确定是哪一相线路发生接地之后，此处假设是C相发生了接地，再比较图6中1至11号故障指示器的C相检测器所检测到的特征分量的值的大小，如图6中所示的C相接地点在5号和6号故障指示器之间，那么5号指示器中C相电流的特征分量较大，而6号指示器中C相电流的特征分量很小，那么即可说明特征电流分量从5号和6号故障指示器之间的某一个接地点分流了，所以可以确定接地点位置位于5号和6号故障指示器之间，然后通过人工巡线5号和6号故障指示器之间的线路即可找到接地点具体位置。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种多功能配电网柔性接地装置，其特征在于：该装置设置于发电机侧、配电网变压器二次侧或配电网母线侧，该装置包括三相变流器和可控开关，所述三相变流器接入发电机侧、配电网变压器二次侧或配电网母线侧，所述三相变流器中性点通过可控开关接地；
所述装置正常情况下工作在无功补偿模式，并且定时闭合可控开关测量线路的对地参数；
当配电网发生单相接地故障时，所述可控开关闭合，装置向配电网三相线路中注入零序/共模电流或零序/共模电压用于单相接地故障消弧与故障定位，并且无功补偿、单相接地故障消弧和故障定位功能可同时进行。
2.根据权利要求1所述的一种多功能配电网柔性接地装置，其特征在于：所述三相变流器为两电平三相半桥，三电平三相半桥，多电平三相半桥或三相级联式H桥。
3.根据权利要求1所述的一种多功能配电网柔性接地装置，其特征在于：所述三相变流器为高压等级的三相变流器，直接挂在10kV或35kV电压等级的配电网母线上。
4.根据权利要求1所述的一种多功能配电网柔性接地装置，其特征在于：所述三相变流器为低压等级的三相变流器，所述三相变流器通过升压变压器连接到10kV或35kV电压等级的配电网母线上。
5.适用于权利要求1-4中任一项所述的一种多功能配电网柔性接地装置的控制方法，其特征在于：该装置有如下工作模式：
无功补偿模式：断开所述可控开关，通过所述装置对配电网进行无功补偿；
线路对地参数测量模式：定时将所述可控开关闭合，使所述装置与配电网线路对地寄生电路之间通过大地形成回路，在线计算出配电网的线路对地参数；
消弧模式：闭合所述可控开关，所述装置向配电网母线中注入零序/共模电流，将非故障两相的分布式电容电流在母线处抵消；
接地点定位模式：保持所述可控开关闭合，通过所述装置的控制向配电网母线注入可调幅值、相位与频率的零序/共模电流作为故障定位特征电流，再通过故障定位电流的检测装置来对故障进行定位；
正常工作模式下，无功补偿模式与线路对地参数测量模式共存且相互独立；
单相接地故障时，无功补偿模式、消弧模式和接地点定位模式共存且相互独立。
6.根据权利要求5所述的一种多功能配电网柔性接地装置的控制方法其特征在于：所述线路对地参数测量模式，测得的线路对地参数值为：
<mrow> <msub> <mi>C</mi> <mrow> <mi>g</mi> <mi>r</mi> <mi>o</mi> <mi>u</mi> <mi>n</mi> <mi>d</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>C</mi> <mrow> <mi>e</mi> <mi>q</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <msub> <mi>U</mi> <mrow> <mi>c</mi> <mn>0</mn> </mrow> </msub> <msub> <mi>I</mi> <mn>0</mn> </msub> </mfrac> <msub> <mi>&amp;omega;C</mi> <mrow> <mi>e</mi> <mi>q</mi> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mfrac> </mrow>
其中，ω为角频率，Ceq为所述多功能装置内部等效电容，Uc0为所述多功能装置注入的零序/共模电压，I0为所述多功能装置接地点流过的零序/共模电流。
7.根据权利要求5所述的一种多功能配电网柔性接地装置的控制方法其特征在于：所述消弧模式中装置向配电网母线中注入零序/共模电流为：
I0ref＝jωCgroundUx
其中，ω为角频率，Ux为接地相的电源相电压。
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