CN110718921A - 一种接地故障电压补偿系统的调压器设置系统及补偿方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种接地故障电压补偿系统的调压器设置系统及补偿方法，包括相供电电源反相产生器、投切开关、控制器和电压调节器，所述相供电电源反相产生器与母线连接，所述投切开关的输入端与相供电电源反相产生器的输出端连接，所述电压调节器串接于投切开关与中性点之间。该系统无源产生配电网供电相电源及谐波相电源，并将反相供电相电源及谐波相电源按照故障逻辑投入系统，实现配电网接地故障无功电流、谐波电流及有功电流的完全补偿。克服了从母线系统取电后采用电力电子器件逆变注入方法补偿不完全及系统电压发生变化补偿电压将发生变化的弊端，解决了传统消弧线圈不能实现全补偿的问题，保证设备安全，完全避免人身触电风险。

Description

一种接地故障电压补偿系统的调压器设置系统及补偿方法
技术领域
本发明涉及中性点不接地系统单相接地补偿技术领域，尤其涉及一种接地故障电压补偿系统的调压器设置系统及补偿方法。
背景技术
国内外配电网单相接地故障占80％以上，严重影响电网及设备的安全运行，安全处理接地故障对社会及经济发展有重要作用。当系统的电容电流大于10A以上时，采用消弧线圈接地方式。消弧线圈能够在一定程度上减少故障电流，系统可带故障运行2小时，但消弧线圈不能实现全补偿，故障点依然存在小于10A的残流，残流的存在可引起人身触电、火灾事故，以及严重威胁电网和设备的安全稳定运行。当系统的电容电流较大时，多采用小电阻接地方式，当发生单相接地故障时，放大故障线路零序电流，继电保护装置快速切除故障线路，但此种接地方式供电可靠性难以保障，且存在高阻接地时，继电保护拒动的风险。
当前，为能够彻底消除单相接地故障危害，同时保证供电可靠性。国内外提出了诸多完全补偿单相接地故障点电流的方法。
瑞典Swedish Neutral发表《接地故障中和器全补偿技术应用》公开了一种通过有源补偿器向系统中性点注入电流补偿接地故障点电流的方法。但该方法中的接地故障残流无法直接获得，采用系统对地分布参数计算残流数值，偏差较大；同时该补偿器采用电力电子装置实现电流相位及幅值的控制，其电流相位、幅值精度无法同时保证，且补偿电流谐波含量大，控制复杂，稳定性差；因此瑞典Swedish Neutral制造的GFN(接地故障中和器)的补偿效果与理想值偏差极大，该装置在浙江某地进行模拟试验的结果显示，对于金属性接地故障，经GFN装置补偿后的接地残流仍在5A以上，与理想值即零电流差距较大，仅与消弧线圈补偿效果相当。
国内来说，专利CN102074950A公开了一种配电网接地故障消弧和保护方法，该方法与瑞典Swedish Neutral的消弧方法类似。通过向配网系统中性点注入电流将故障相电压电压抑制为零，该方法存在金属性接地时，其故障相电压为0，怎么控制故障电压为0的问题，该方法只对高阻接地故障有作用，且控制故障相电压，需要准确控制注入电流的幅值及相位，实现难度大。
申请号为201710550400.3的专利公开了非有效接地系统接地故障主动降压安全处理方法，该方法在变压器系统侧绕组设置分接接头，通过将故障相绕组分接头对地短路或经阻抗短路，降低故障相电压，以达到限制接地故障点电流的目的。本质上该方法是在电网线路发生单相接地时，在系统母线侧制造另一个的接地点，对原单相接地电流进行分流，显然该方法对于金属性单相接地故障的补偿效果较差，甚至无效，且装置误动作将引起相间短路。
申请号为201710544978.8和申请号201710544976.9的专利公开了非有效接地系统接地故障相降压消弧方法，两种方法均为在发生单相接地故障时，在非有效接地系统侧的母线与地、或线路与地、或中性点与地，或中性点非有效接地系统侧绕组的分接抽头与地之间外加电源，以期降低故障电压。两种方法的区别仅在于，外加电源其一为电压源，其二为电流源，无本质区别。同样存在电压源和电流源的控制系统相电压精度问题，及金属性短路时，相对地电压为零，无法控制的问题。两种方法实施中，如外加电源直接施加在母线或线路与地之间时，会改变系统线电压，造成该系统负载(如配电变压器)无法正常运行。
综上，现有技术中尚无控制简便，精准、高效的单相接地故障电流完全补偿的方法，能兼顾配电系统供电可靠性和安全性的技术。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种接地故障电压补偿系统的调压器设置系统及补偿方法，方法基于单相接地故障时，系统的线电压不会改变的条件下实现。首先确定系统的正常运行时的相电压，通过将系统线电压转换位相电压，并使转换后的相电压与原来的相电压相位相反。在发生单相接地故障时，将相位相反的相电压连接到系统中性点，对故障电流进行补偿，由于补偿的电压，幅值与正常运行时的幅值相同，相位相反，从而实现故障电压全补偿。该方法原理简单，操作容易，能够有效解决原有技术不能准确达到全补偿的问题，保障系统供电可靠性和安全性的目的。
本发明通过以下技术手段解决上述技术问题：
本发明提供一种接地故障电压补偿系统的调压器设置系统包括相供电电源反相产生器、投切开关、控制器、电压调节器，其中，控制器包括故障判别和选相单元、电压获取单元和动作单元。由于相供电电源反相产生器自身的阻抗和安装环境的不同会产生不同的压降，所以本单相接地故障电压全补偿系统的调压器设置系统针对不同环境和自身阻抗进行档位调节值的初设定，当发生接地故障以后，直接将电压调压器调到全补偿的调节值，有效的解决传统补偿方式不能准确达到全补偿的问题，保障系统供电可靠性和安全性的目的。
进一步，所述相供电电源反相产生器首侧设置三相连接点，分别与系统母线三相连接；相供电电源反相产生器副侧设置三个电压输出连接点，并于投切开关的3个开关连接点相连；系统母线电压经过所述相供电电源反相产生器转换后，获得与系统电压幅值相等、相位相反的三相电压。
进一步，所述投切开关设有3个开关连接点，分别为A相开关连接点、B相开关连接点、C相开关连接点，三个开关连接点的另一端连接在一起成为公共点com。每个开关连接点分别于对应所述相供电电源反相产生器副侧的三相电压连接点连接，通过投切开关将相供电电源反相产生器的获得反相电压，经电压调压器接入系统中性点，实现无源接地故障电流完全补偿，达到保障系统供电可靠性和安全性的目的。
进一步，所述投切开关可为机械开关、电力电子开关等快速投切开关。
进一步，当所述控制器的故障判别和选相单元判断某相发生接地故障时，所述投切开关的对应相别连接点动作投切。
所述故障判别和选相单元，用于判断非有效接地系统是否发生单相接地故障和接地相别判断，并控制所述投切开关动作。需要说明的是，如何判断非有效接地系统是否发生单相接地和接地相别判断，是业内已较为成熟的技术，本发明中对此不再赘述。所述电压获取单元用于获取母线相电压。所述动作单元用于控制所述投切开关动作和控制所述电压调节器调节电压。所述电压调节器用于进一步准确调节电压，使注入中性点的电压更准确，所述电压调节器设有A档、B档和C档，实现分别对A相、B相和C相在补偿到电压为0时对各相需要的不同的补偿电压调节值进行记录。
进一步，所述电压调节器原边的一端与所述投切开关公共点com连接，原边另一端接地；电压调节器副边一端与系统中性点连接，另一端接地。
进一步，一种单相接地故障电压补偿系统的调压器设置方法，其设置步骤如下：
S1：在系统正常运行时，控制器的电压获取单元获取母线的相电压Ump；
S2：控制器控制投切开关的A相开关连接点闭合动作；
S3：控制器控制电压调节器调整输出的补偿电压UA，使UA等于Ump，使A相电压为0。
S4：记录此时电压调节器的档位为A相接地故障时的电压全补偿档位A档的调节值；
S5：断开投切开关的A相开关连接点；
S6：分别在B相、C相上重复步骤S2-S5，获得B相、C相接地故障时的电压全补偿档位B档、C档的调节值；
进一步，当发生单相接地故障时，根据上述的一种单相接地故障电压补偿系统的调压器设置方法，系统电压补偿的步骤如下：
S201：故障判别和选相单元实时判断系统是否发生接地故障，当发生接地故障时，进一步判断接地故障相；
S202：确定接地故障相后，控制器的动作单元控制投切开关对应的接地故障相对应的开关闭合，同时控制电压调节器已确定的对应相的档位闭合，电压调节器将电压调节到对应相档位的调节值开始对故障相电流进行补偿；
S203：控制器的故障判断和选相单元实时判断系统单相接地故障是否消失，若未消失，继续保持投切开关状态和控制电压调节器的档位不变；若消失，动作单元控制投切开关断开对应相。
本发明首创性的提出了一种电压补偿的调压器设置方法，利用不接地系统在单相接地故障时，线电压不变的条件，将母线线电压转换为相电压，并且转换后的相电压与系统正常运行时的相电压幅值相等，方向相反，经过调压器进一步调整得到准确的电压后，记下每相的档位，当系统发生单相接地故障时，将对应故障相的档位闭合并连接至系统中性点，实现电压全补偿。该方法能够快速、准确地完成全补偿的目标，且本发明提供的方法仅控制开关的开合，极大的简化了单相接地故障全补偿技术的控制方法。
本发明的有益效果：本发明首创性的提出了将系统中单相接地前后不变的线电压通过相供电电源产生器；相供电电源相位补偿器变换为系统供电电源的相电源，用于补偿系统单相接地时对地阻抗形成的有功功率、无功功率。达到将单相接地故障点电压和电流均抑制为零的完全补偿目的。单相接地故障下，系统可带电运行，单相接地故障点无触电风险和起弧风险；而且本发明提供的方法仅控制开关的开合，极大的简化了单相接地故障全补偿技术的控制方法。
附图说明
图1为本发明的一种单相接地故障电压补偿系统的调压器设置系统的结构示意图；
图2为本发明的一种单相接地故障电压补偿系统的调压器设置方法流程图；
图3为本发明的一种单相接地故障电压补偿流程图；
图4为控制器的结构示意图；
其中：相供电电源反相产生器1，投切开关2，控制器3，电压调节器4，故障判断和选相单元31、电压获取单元32和动作单元33。
具体实施方式
以下将结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明，显然，所描述的实施例仅仅只是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
如图1所示，本发明的一种接地故障电压补偿系统的调压器设置系统参见图1,包括相供电电源反相产生器1，投切开关2，控制器3，电压调节器4，其中控制器3包括故障判断和选相单元31、电压获取单元32和动作单元33。
本实施例中，相供电电源反相产生器1原侧的三个连接点分别连接在系统母线三相上，经过相供电电源反相产生器1后，将母线线电压转化为相电压，并且使输出的相电压的相位与母线相电压的相位相反。投切开关3一端有3个开关连接点，分别为A相开关连接点、B相开关连接点、C相开关连接点，三个开关连接点的另一端连接在一起成为公共点com。每个开关连接点分别对应所述相供电电源反相产生器1副侧的三相电压连接点；通过投切开关2控制开关连接点的闭合，使相供电电源反相产生器1的输出端，经过电压调压器4连接系统中性点。每个开关连接点的断开和闭合相互独立，控制器能够单独控制其中一个开关连接点断开和闭合，三个开关连接点的断开和闭合动作相互独立。
本实施例中，相供电电源反相产生器包括相供电电源产生器和供电电源相位补偿器,所述相供电电源产生器的联结形式为Dy或Zy或Yd或Yy的形式，所述相供电电源相位补偿器联结形式为Dyn或Zyn或Yyn。
根据变压器原理，相供电电源产生器产生的供电相电源与电网系统供电电源相电压存在相位差且
Figure BDA0002238667940000052
其中
Figure BDA0002238667940000053
为相供电电源产生器线电压与电网系统对应的线电压之间的相位差，n为[0,11]范围内的整数。
相供电电源产生器的额定电压对本发明的实现没有原理上的冲突或影响，但考虑现有成熟技术和更方便的实现本技术，推荐的相供电电源产生器二次绕组的额定线电压为0.4kV或以上，且在电网系统额定电压内。但相供电电源产生器一次绕组和二次绕组的电压比为k。
相供电电源相位补偿器补偿相供电电源产生器产生的相电压相位差；其输出线电压与输入线电压存在相位差
Figure BDA0002238667940000054
相供电电源相位补偿器的一次绕组额定电压为相供电电源产生二次次绕组额定电压，相供电电源相位补偿器二次绕组额定线电压为电网系统额定电压，其一次绕组和二次绕组的电压比为1/k。
为更方便的实施本技术，表1给出了部分相供电电源产生器可采用的联结组别以及相应的相供电电源相位补偿器应采用的联结组别。
表1部分相供电电源产生器可采用和相供电电源相位补偿器采用的联结组别
Figure BDA0002238667940000061
记母线供电电源线电压分别为UAB、UBC、UCA，母线供电电源相电压分别为UA、UB、UC；记相供电电源产生器输出的线电压分别为Uab1、Ubc1、Uca1，相电压分别为Ua1、Ub1、Uc1，根据变压器原理,Dy11联结组别的变压器，二次侧线电压超前于一次侧电压30°，即母线线电压经相供电电源产生器1传递后，将母线线电压UAB、UBC、UCA转换为相电压Ua1、Ub1、Uc1，并且Uab1、Ubc1、Uca1相角分别超前UAB、UBC、UCA角度30°如式1：
Figure BDA0002238667940000062
相供电电源产生器一次绕组与二次绕组的电压比为k；因此，有式2：
Figure BDA0002238667940000063
记相供电电源相位补偿器输出的线电压为Uab2、Ubc2、Uca2，相电压分别为Ua2、Ub2、Uc2，根据变压器原理,Dyn7联结组别的变压器，二次侧线电压滞后于一次侧线电压210°，即Uab2、Ubc2、Uca2相角分别滞后于Uab1、Ubc1、Uca1 210°，可用公式表示为式3：
Figure BDA0002238667940000064
相供电电源相位补偿器一次绕组与二次绕组的电压比为1/k,因此如式4：
根据式1和式3，可得式5：
Figure BDA0002238667940000072
根据式2和式4，可得式6：
Figure BDA0002238667940000073
进一步的，由公式7可知:
Figure BDA0002238667940000074
本实施例中，母线线电压UAB、UBC、UCA经过相供电电源产生器、相供电电源相位补偿器传递后的Uab2、Ubc2、Uca2相位相反，因此系统母线侧相供电电源电压UA、UB、UC、与经过相供电电源产生器、相供电电源相位补偿器传递后的Ua2、Ub2、Uc2相位相反,幅值相等。
本实施例中，当系统正常运行时，通过控制器3的电压获取单元32获得A相母线的相电压；同时，母线线电压经过相供电电源反相产生器1作用后，输出一个与母线A相电压幅值相等，相位相反的相电压，并通过控制器3控制各相开关连接点投切，由于电压在传输过程中，因为设备自身产生压降等原因，经过电压调压器4再次准确调整，确定并记录A相全补偿时对应的电压调压器4的调节值后，记录此时电压调节器4的档位为A相接地故障时的电压全补偿调节值；在B相、C相上重复以上步骤，得到B相和C相电压全补偿时的电压调压器4的调节值。
本实施例中，控制器3的故障判断与选相单元31实时监测系统是否发生故障，未检测到单相接地故障时，保持投切开关2打开状态；
当控制器3的故障判断和选相单元31实时检测到系统发生了单相接地故障时，进一步检测发生接地故障的具体相别，确定接地的相别后，控制器3的动作单元33控制的投切开关2对应相别的开关连接点投入，同时控制电压调压器4对应相别的档位闭合，电压调节器将电压调节到对应相档位的调节值开始对故障相电流进行补偿。
实时检测系统的接地故障状态，当单相接地故障状态未消失之前，保持投切开关2和电压调压器4档位的闭合状态；当判断到单相接地故障状态消失时，断开投切开关2和电压调压器4档位。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。

Claims (6)

1.一种接地故障电压补偿系统的调压器设置系统，其特征在于，包括相供电电源反相产生器(1)、投切开关(2)、控制器(3)和电压调节器(4)，所述相供电电源反相产生器(1)与母线连接，所述投切开关(2)的输入端与相供电电源反相产生器(1)的输出端连接，所述电压调节器(4)的串接于投切开关(2)与中性点之间。
2.根据权利要求1所述的一种接地故障电压补偿系统的调压器设置系统，其特征在于：所述控制器(3)包括故障判别和选相单元(31)、电压获取单元(32)和动作单元(33)。
3.根据权利要求1所述的一种接地故障电压补偿系统的调压器设置系统，其特征在于：所述投切开关(2)为机械开关或电力电子开关等快速投切开关。
4.根据权利要求1所述的一种接地故障电压补偿系统的调压器设置系统，其特征在于：所述电压调节器(4)设有A档、B档和C档，实现分别对A相、B相和C相在补偿到电压为0时对各相需要的不同的补偿电压调节值进行记录。
5.根据权利要求4所述的一种接地故障电压补偿系统的调压器设置系统，其特征在于：所述电压调节器(4)原边的一端与所述投切开关(2)公共点com连接，原边另一端接地；电压调节器(4)副边一端与系统中性点连接，另一端接地。
6.一种单相接地故障电压补偿系统的补偿方法，包括以下步骤：
S1：在系统正常运行时，控制器(3)的电压获取单元(32)通过电压互感器获取母线的相电压Ump；
S2：控制器(3)控制投切开关(2)的A相开关连接点闭合动作；
S3：控制器(3)控制电压调节器(4)调整输出的补偿电压UA，使UA等于Ump,使A相电压为0；
S4：记录此时电压调节器(4)的档位为A相接地故障时的电压全补偿档位A档的调节值；
S5：断开投切开关(2)的A相开关连接点；
S6：分别在B相、C相上重复步骤S2-S5，获得B相、C相接地故障时的电压全补偿档位B档、C档的调节值；
S7:系统发生接地故障，控制器(3)确定接地故障相后，控制器(3)的动作单元(33)控制投切开关(2)对应的接地故障相对应的开关闭合，同时控制电压调节器(4)已确定的对应相的档位闭合，电压调节器(4)将电压调节到对应相档位的调节值开始对故障相电流进行补偿；
S8:控制器(3)的故障判断和选相单元(31)实时判断系统单相接地故障是否消失，若未消失，继续保持投切开关(2)状态和控制电压调节器(4)的档位不变；若消失，动作单元(33)控制投切开关2断开对应相。
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