CN108879646B - 一种基于相控消弧线圈解决单相接地故障的方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供的一种基于相控消弧线圈解决单相接地故障的方法，涉及6kV～35kV电力系统单相接故障保护技术领域。本方法中所使用的消弧线圈在传统消弧线圈的滤波绕组上设置了晶闸管SCR2，当发生永久性接地故障时，启用晶闸管SCR2，通过控制晶闸管的导通角实现消弧；当为非永久性故障时，通过调节控制绕组上的晶闸管SCR1的导通角，实现消弧。使用该改进的相控消弧线圈解决永久性接地故障，除了可以实现消弧线圈电感连续可调节功能外，增加了消弧线圈电感电流扰动突变功能。既实现了取代中电阻扰动零序电流选线功能，又实现了保证零序电感电流过补偿系统容性电流的功能。解决了小电阻接地系统可按零序电流增量排序带方向判线的问题，提升了选线的准确性和可靠性。

Description

一种基于相控消弧线圈解决单相接地故障的方法

技术领域

本申请涉及6kV～35kV电力系统单相接故障保护技术领域，尤其涉及一种基于相控消弧线圈解决单相接地故障的方法。

背景技术

近年来，6kV～35kV配电网快速发展，长距离线路、电缆线路的构架使得发生单相接地使的容性故障电流越来越大，目前多采用电网系统上加装消弧线圈的方法。消弧线圈连接在电网中性点和地网之间，用于电力系统发生单相故障，补偿系统容性电流，消除故障点电弧，避免故障范围扩大，提高系统运行可靠性。该方式在系统发生单相接地故障时，利用消弧线圈中的电感电流对接地电容电流进行补偿，使得流过接地点的电流减小，也使得故障相接地电弧两端的恢复电压迅速降低，从而使电弧自行熄灭。随着电力电缆的广泛应用，配网对地电容电流显著增加，消弧线圈补偿方式残流控制难度增大，选线准确性和可靠性低。

目前，许多电网采用消弧线圈并联小电阻的方式解决单相接地故障。该方式，在接地故障发生后一定时间内具有谐振接地系统的性质，接地电弧可由消弧装置熄灭，当故障持续一定时间判定为永久性接地故障时，通过投切装置投入小电阻，以启动线路零序保护切断故障。相比于单独的小电阻接地方式和消弧线圈接地方式，消弧线圈并联小电阻接地方式的可靠性高，能快速隔离永久性接地故障，是系统迅速恢复稳定运行，缩短电气设备带故障运行的时间，保障电网设备的安全运行。

但是，采用消弧线圈并联小电阻的方式，同样存在一些问题，比如有功功率过大，只能短时工作，易发生小电阻接地变过热甚至烧毁问题。

发明内容

本申请提供了一种基于相控消弧线圈解决单相接地故障的方法，以解决采用消弧线圈并联小电阻解决单相接地故障过程中，容易发生的有功功率过大，工作时间短，接地变过热等问题。

一种基于相控消弧线圈解决单相接地故障的方法，所述方法包括：

S1实时采集电网系统母线预设信息，分析所述电网系统的运行状态，识别是否发生接地故障；

S2如果发生所述接地故障，判断所述接地故障是否为永久性故障，若是，执行步骤S3，若否，执行步骤S4；

S3启动消弧线圈滤波绕组中晶闸管SCR2控制回路工作，直至所述接地故障处理完成；

S4启动消弧线圈控制绕组中晶闸管SCR1控制回路工作，直至所述接地故障处理完成；

S5迅速恢复所述消弧线圈使其处于正常励磁状态，补偿所述电网系统电容电流，直至接地消弧；

S6所述电网系统启动自启动电阻箱，所述消弧线圈自动退出补偿运行状态进入监视状态；

其中，所述消弧线圈包括主绕组、所述控制绕组、所述滤波绕组，其中所述滤波绕组内设有所述晶闸管SCR2控制回路，所述晶闸管SCR2控制回路与滤波支路并联设置在所述滤波绕组上，并靠近所述主绕组一侧；所述主绕组与电网主回路连接，所述控制绕组上设置晶闸管SCR1控制回路。

可选的，所述S1之后，S2之前，还包括：

S11接地过程是否处理完成；若否，判断为发生谐振过电压，执行步骤S5；若是，判断为发生接地故障，执行步骤S12；

S12采集接地数据。

可选的，所述S3，包括：

S31分析消弧谐波含量；

S32控制所述滤波支路电流，控制谐波输出频率和幅值；

S33等待并记录输出后的所述电网系统模拟量数据；

S34启动接地故障判相程序；

S35启动接地选线程序；

S36复归消弧功能进入消弧预调补偿状态。

可选的，所述分析所述电网系统的运行状态，还包括：步骤T1～T3，

T1计算所述电网系统电容电流；

T2调节消弧感抗值大小；

T3重新计算所述电网系统电容电流是否满足电网系统运行要求，如果满足，执行步骤S6；如果不满足，返回步骤T2，直至满足要求。

可选的，所述晶闸管SCR2控制回路为连接在所述滤波绕组上的两个反向并联连接的可控硅回路，所述两个反向并联连接的可控硅回路与所述滤波支路再次并联连接。

本申请提供的技术方案包括以下有益技术效果：

与现有技术相比，本申请提供的一种基于相控消弧线圈解决单相接地故障的方法，包括：实时采集电网系统母线预设信息，分析电网系统的运行状态，识别是否发生接地故障；如果发生接地故障，判断接地故障是否为永久性故障，启动消弧线圈滤波绕组中晶闸管SCR2控制回路工作，直至接地故障处理完成；如果不是永久性故障，则启动消弧线圈控制绕组中晶闸管SCR1控制回路工作，直至接地故障处理完成；接地故障处理完成后，迅速恢复消弧线圈使其处于正常励磁状态，补偿电网系统电容电流，直至接地消弧；电网系统启动自启动电阻箱，消弧线圈自动退出补偿运行状态进入监视状态。该方法中所使用的消弧线圈包括主绕组、控制绕组、滤波绕组，滤波绕组内设有晶闸管SCR2控制回路，晶闸管SCR2控制回路与滤波支路并联设置在滤波绕组上，主绕组与电网主回路连接，控制绕组上设置晶闸管SCR1控制回路。本申请提供的方法，基于改进的消弧线圈，除了可以实现消弧线圈电感连续可调节功能外，增加了消弧线圈电感电流突变功能。通过控制装置改变消弧线圈铁芯中的磁通量，从而使消弧线圈电感电流发生扰动性突变，既实现了取代中电阻扰动零序电流选线功能，又实现了保证零序电感电流过补系统容性电流功能。解决了小电流接地系统可按零序电流增量排序带方向判线的问题，提升了选线的准确性和可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的消弧线圈原理图。

图2为本申请实施例提供的一种基于相控消弧线圈解决单相接地故障的方法流程图。

图3为本申请实施例提供的解决单相接地故障控制流程图。

附图标记说明：1、主绕组；2、控制绕组；3、滤波绕组；4、晶闸管SCR2控制回路；5、滤波支路；6、晶闸管SCR1控制回路。

具体实施方式

请参考附图1，为本申请实施例提供的消弧线圈原理图。本申请实施例提及的消弧线圈是指相控式消弧线圈，以下简称为消弧线圈。

本申请实施例提供了一种基于相控消弧线圈解决单相接地故障的方法，该方法需要一种特殊设计的消弧线圈，该消弧线圈包括主绕组1、控制绕组2、滤波绕组3，其中滤波绕组3内设有晶闸管SCR2控制回路4，晶闸管SCR2控制回路4与滤波支路5并联设置在滤波绕组3上并靠近主绕组1一侧；主绕组1与电网主回路连接，控制绕组2上设置晶闸管SCR1控制回路6。

其中，滤波支路5包括并联连接的3次谐波滤波支路和5次谐波滤波支路，3次谐波滤波支路和5次谐波滤波支路分为串联连接的电容和电感支路，分别用于过滤3次、5次谐波。

本申请实施例提供的一种基于相控消弧线圈解决单相接地故障的方法，其步骤如图2所示。包括：

S1实时采集电网系统母线预设信息，分析电网系统的运行状态，识别是否发生接地故障。

电网系统的预设信息，包括母线电压、零序电流、电感电流、零序电压等信息，通过采集这些预设信息，对数据进行分析，判断电网系统是否发生接地故障。

电网系统正常运行时，消弧线圈无电流，晶闸管SCR1控制回路6、晶闸管SCR2控制回路4均为开路状态，滤波绕组3对电网系统中的3次谐波、5次谐波电流进行过滤。

S2如果发生接地故障，判断接地故障是否为永久性故障，若是，执行步骤S3，若否，执行步骤S4。

当发生接地故障时，接地点与消弧线圈的接地点形成短路电流，中性点电压升高为相电压，电网系统中会产生电容电流。此时，零序电流、零序电压等预设信息会发生变化，通过分析预设信息的变化，判断接地故障是否为永久性故障。

S3启动消弧线圈滤波绕组3中晶闸管SCR2控制回路4工作，直至接地故障处理完成。

针对接地故障为永久性故障，即接地故障持续时间超过整定时间，采用步骤S3进行处理。此时，电网系统需要输出突变补偿电流，计算机系统控制晶闸管SCR2控制回路4导通，消弧线圈在短时间内，将控制绕组2调整为短路工作状态，主绕组1短路阻抗的转移变小，从而形成电感电流的扰动补偿。

根据监测的消弧线圈电感电流谐波的大小，控制晶闸管SCR2导通角的大小，改变突变扰动电抗的高低，可实现控制消弧线圈输出谐波的大小。并且，通过谐波电流的流向可以识别故障线路和接地相，提升了选线的可靠性和准确性，解决了小电流接地系统可按零序电流增量排序带方向判线的问题。

S4启动消弧线圈控制绕组2中晶闸管SCR1控制回路6工作，直至接地故障处理完成。

针对接地故障为非永久性故障，即接地故障在整定时间范围之内，该类接地故障发生时间段，采用步骤S4进行处理。此时，消弧线圈与常规消弧线圈的运行和补偿完全相同，晶闸管SCR2控制回路4为断开状态，晶闸管SCR1控制回路6为连通状态，消弧线圈立即输出电感电流I_L，补偿电网系统中的接地电容电流I_C，使接地电容电流I_C减少，从而故障接地电弧两端电压降低，达到熄灭电弧的目的。

S5迅速恢复消弧线圈使其处于正常励磁状态，补偿电网系统电容电流，直至接地消弧。

消弧线圈处于正常励磁状态，即进行自动跟踪补偿，降低恢复电压的初速度，避免电弧重燃，使接地电弧彻底熄灭。接地消弧后，消弧线圈停止补偿。

S6电网系统启动自启动电阻箱，消弧线圈自动退出补偿运行状态进入监视状态；

消弧线圈在电网系统正常运行时，处于监视状态。接地消弧后，消弧线圈自动退出补偿运行状态，调整为监视状态。

以10kV电力系统，采用630kVA消弧线圈设计为例，已知：(1)电网系统额定工作电流为100A，消弧线圈铁心直径选取225mm，有效导磁面积353cm²，磁通密度选取1.5T，线圈排列结构电抗高度75cm，等值漏磁面积744cm²，线圈结构洛氏系数0.83；(2)主绕组1：绕组匝电势为11.61V，绕组匝数522匝，额定工作电流100A；(3)控制绕组2：绕组端电压取1000V，绕组匝数86匝，额定工作电流630A；(4)滤波绕组3：绕组端电压取500kV，绕组匝数43匝，额定电流245A。

根据消弧线圈工作控制理论中，主绕组1的短路电抗计算公式为：

其中，N—主绕组匝数；S—等值漏磁面积，cm²；ρ—洛氏系数；H_k—电抗高度，cm。

将相关数据带入公式可得，非永久性接地故障时，主绕组1的短路电抗：

该短路电抗值为设计值，且该设计值占额定电抗值的92％，留有一定控制裕度。

当滤波绕组3中的晶闸管SCR2延迟角为0度时，滤波绕组3输出其额定电流，此时等值漏磁面积缩减为385cm²，永久性接地故障时，主绕组1的短路电抗：

显然X′_δ＜X_δ，主绕组1可在短时输出扰动的电感电流，并且由于采用晶闸管调节，响应速度快，可实现由0至额定电流的无级连续调节，实现快速启动保护装置隔离故障线路。在实际工程中，可通过控制晶闸管SCR2导通角的大小，来控制扰动幅度的大小，以满足要求。

本申请实施例提供的一种基于相控消弧线圈解决单相接地故障的方法，包括：实时采集电网系统母线预设信息，分析电网系统的运行状态，识别是否发生接地故障；如果发生接地故障，判断接地故障是否为永久性故障，启动消弧线圈滤波绕组3中晶闸管SCR2控制回路4工作，直至接地故障处理完成；如果不是永久性故障，则启动消弧线圈控制绕组2中晶闸管SCR1控制回路6工作，直至接地故障处理完成；接地故障处理完成后，迅速恢复消弧线圈使其处于正常励磁状态，补偿电网系统电容电流，直至接地消弧；电网系统自启动电阻箱，消弧线圈自动退出补偿运行状态进入监视状态。

本申请提供的方法，基于改进的消弧线圈，除了可以实现消弧线圈电感连续可调节功能外，增加了消弧线圈电感电流突变功能。通过控制装置改变消弧线圈铁芯中的磁通量，从而使消弧线圈电感电流发生扰动性突变，既实现了取代中电阻扰动零序电流选线功能，又实现了保证零序电感电流过补系统容性电流功能。解决了小电流接地系统可按零序电流增量排序带方向判线的问题，提升了选线的准确性和可靠性。

可选的，步骤S1之后，S2之前，还包括：S11判断接地过程是否处理完成；若否，判断为发生谐振过电压，执行步骤S5；若是，判断为发生接地故障，执行步骤S12。

因为中性点电压升高，即零序电压升高，通常包括三个原因，分别为：(1)电网系统中性点发生谐振过电压；(2)发生瞬时接地故障；(3)发生永久性接地故障。

因此，为避免计算机控制系统误将中性点发生谐振过电压，判断成接地故障，在判断接地故障是否为永久性接地故障之前，还需要判断接地过程是否完成，即执行步骤S11，如果接地过程未完成，则判断为中性点谐振过电压，那么通过控制晶闸管SCR1的导通角，改变消弧线圈主绕组1的等效电抗，降低中性点的过电压，即执行步骤S5。

如果接地过程完成，则判断为发生接地故障，需执行步骤S12。

S12采集接地数据。

如果是接地故障，则需要进一步采集接地数据，比如系统相电压、中性点电压、系统容抗等数据，进一步判断接地故障的类型，针对不同类型的接地故障，采用不同的处理方式。

可选的，步骤S3还包括以下步骤：S31分析消弧谐波含量；S32控制滤波支路5电流，控制谐波输出频率和幅值；S33等待并记录输出后的电网系统模拟量数据；S34启动接地故障判相程序；S35启动接地选线程序；S36复归消弧线圈功能进入消弧预调补偿状态。

步骤S3主要针对接地故障类型为永久性故障时所进行的处理。针对永久性故障，需要判断出补偿量的大小，因而需要分析消弧谐波的含量，并通过控制滤波支路5上的电流，控制谐波输出频率和幅值进行模拟计算。等到模拟计算完成后，记录电网系统模拟量数据，并根据模拟量数据依次启动接地故障判相程序和选线程序，待故障消除后，复归消弧线圈进入消弧预调的补偿状态。

在处理永久性接地故障时，由于采用的晶闸管SCR2控制回路4，使得消弧线圈的电感电流具有突变功能，可取代中电阻扰动零序电流选线功能，并可保证零序电感电流过补系统容性电流功能。

可选的，分析电网系统的运行状态，还包括：步骤T1～T3，其中，T1计算电网系统电容电流；T2调节消弧感抗值，输出电感电流；T3重新计算电网系统电容电流是否满足电网系统运行要求，如果满足，执行步骤S6；如果不满足，返回步骤T2，直至满足要求。

即使电网系统未发生接地故障，计算机系统也需要时刻对电网系统进行监测，该监测包括实时计算电网系统中电容电流，根据电容电流调节消弧感抗值大小，感抗值发生变化后，重新采集电网系统中的电容电流，判断其是否满足电网系统正常运行要求，如果满足要求，则电网系统会自启动电阻箱，消弧线圈自动退出补偿运行状态，进入监视状态；如果不满足要求，则继续调节消弧感抗值大小，使输出的电感电流能够补偿电网系统的电容电流，保证电网系统正常运行。

可选的，晶闸管SCR2控制回路4为连接在滤波绕组3上的两个反向并联连接的可控硅回路，两个反向并联连接的可控硅回路与滤波支路5再次并联连接。

常规的晶闸管控制回路是由两个反向并联的可控硅组成的，通过控制晶闸管SCR2控制回路4设置在滤波绕组3内，可实现消弧线圈的过补偿，从而辅助判断故障相和故障线路，通过控制晶闸管SCR2的导通角，来控制突变补偿电流的大小。

如图3所示，为适用于本申请实施例解决单相接地故障的控制流程图。

首先，需要对电网系统的运行数据进行采集，主要包括母线电压、零序电流、零序电压、电感电流、容性电流等，电网系统在正常运行过程中，无零序电流和零序电压。一旦检测到电网系统中出现零序电压，则判定电网系统有可能出现故障，此时，需要对零序电压的大小进行进一步判定，即判断零序电压是否越限。

如果零序电压的值较小，在电网运行的接受范围之内，则通过常规故障处理办法进行处理，即通过常规消弧线圈补偿电感电流进行消弧。此时，需要计算电网系统中的容性电流，调节消弧感抗值，使其产生一定的电感电流，补偿电网系统中的容性电流，补偿后需要重新计算电网系统的容性电流，若在可接受范围之内，则可认定电网系统处于正常运行状态。

如果零序电压的值较大，超出电网系统正常运行范围，则需要判断是否发生接地故障，对应步骤S11-S12。如果没有发生接地过程，则可判定为谐振过电压，采用常规消弧线圈补偿电感电流进行消弧，对应步骤S5；如果接地过程完成，则判定为发生接地故障，需要对接地故障的类型做出判断，此时，还需要采集相关的接地数据，辅助判断接地故障是否为永久性接地故障。

当接地故障不是永久性故障时，采用常规消弧线圈补偿电感电流进行消弧，对应步骤S5。

当接地故障是永久性故障时，则需要进一步判断需要补偿的电感电流、判断故障相、故障线路等，对应步骤S31-S36。在处理永久性故障时，采用本申请实施例提供的消弧线圈，即控制晶闸管SCR2的导通角，控制主绕组1输出突变补偿电流，并进一步识别故障线路和故障相。

本申请实施例提供的解决单相接地故障方法，可以实现消弧线圈电感联系可调节，增加了消弧线圈电感电流扰动性突变功能，该扰动性突变功能可取代小电阻扰动零序电流选线功能，保证电感电流过补偿电网系统容性电流，从而解决了小电流接地系统可按零序电流增量排序带方向判线的问题，提升选线的准确性和可靠性。

需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述的内容，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (5)

1.一种基于相控消弧线圈解决单相接地故障的方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤S1实时采集电网系统母线预设信息，分析所述电网系统的运行状态，识别是否发生接地故障；

步骤S2如果发生所述接地故障，判断所述接地故障是否为永久性故障，若是，执行步骤S3，若否，执行步骤S4；

步骤S3启动消弧线圈滤波绕组(3)中晶闸管SCR2控制回路(4)工作，直至所述接地故障处理完成；

步骤S4启动消弧线圈控制绕组(2)中晶闸管SCR1控制回路(6)工作，直至所述接地故障处理完成；

步骤S5迅速恢复所述消弧线圈使其处于正常励磁状态，补偿所述电网系统电容电流，直至接地消弧；

步骤S6所述电网系统启动自启动电阻箱，所述消弧线圈自动退出补偿运行状态进入监视状态；

其中，所述消弧线圈包括主绕组(1)、所述控制绕组(2)、所述滤波绕组(3)，其中所述滤波绕组(3)内设有所述晶闸管SCR2控制回路(4)，所述晶闸管SCR2控制回路(4)与滤波支路(5)并联设置在所述滤波绕组(3)上，并靠近所述主绕组(1)一侧；所述主绕组(1)与电网主回路连接，所述控制绕组(2)上设置晶闸管SCR1控制回路(6)。

2.根据权利要求1所述的一种基于相控消弧线圈解决单相接地故障的方法，其特征在于，所述步骤S1之后，步骤S2之前，还包括：

步骤S11判断接地过程是否处理完成；若否，判断为发生谐振过电压，执行步骤S5；若是，判断为发生接地故障，执行步骤S12；

步骤S12采集接地数据。

3.根据权利要求1所述的一种基于相控消弧线圈解决单相接地故障的方法，其特征在于，所述步骤S3，包括：

步骤S31分析消弧谐波含量；

步骤S32控制所述滤波支路(5)电流，控制谐波输出频率和幅值；

步骤S33等待并记录输出后的所述电网系统的模拟量数据；

步骤S34启动接地故障判相程序；

步骤S35启动接地选线程序；

步骤S36复归消弧功能进入消弧预调补偿状态。

4.根据权利要求1所述的一种基于相控消弧线圈解决单相接地故障的方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述分析所述电网系统的运行状态，还包括：步骤T1～T3，

步骤T1计算所述电网系统电容电流；

步骤T2调节消弧感抗值，输出电感电流；

步骤T3重新计算所述电网系统电容电流是否满足电网系统运行要求，如果满足，执行步骤S6；如果不满足，返回步骤T2，直至满足要求。

5.根据权利要求1所述的一种基于相控消弧线圈解决单相接地故障的方法，其特征在于，所述晶闸管SCR2控制回路(4)为连接在所述滤波绕组(3)上的两个反向并联连接的可控硅回路，所述两个反向并联连接的可控硅回路与所述滤波支路(5)再次并联连接。

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