CN110912102A - 基于零相转移的低压供电网漏电故障保护方法 - Google Patents

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CN110912102A CN201911181926.4A CN201911181926A CN110912102A CN 110912102 A CN110912102 A CN 110912102A CN 201911181926 A CN201911181926 A CN 201911181926A CN 110912102 A CN110912102 A CN 110912102A
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曾祥君
喻锟
赵子墨
邹豪
刘战磊
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Abstract

本发明公开了一种基于零相转移的低压供电网漏电故障保护方法，应用于在低压供电网出现故障时保障安全：线路发生接地故障时，在零线与大地之间外加一个电源，或加入一个调压器或变压器，以利用其在零线与大地之间施加一个电压，将故障相电压钳制到安全电压以下，消除发生接地故障处的安全隐患，满足低压供电网长时间不停电安全运行要求。本发明利用电源或调压器或变压器将故障相电压直接降低到安全电压以下，既能快速处理线路故障处的安全问题，降低人身设备的安全风险，又能不影响线路供电，确保供电网各负载的正常运行，大大提高供电可靠性和安全性，同时设计与施工安装成本低，具有广阔的市场前景。

Description

基于零相转移的低压供电网漏电故障保护方法
技术领域
本发明涉及电力系统接地故障抑制技术领域，特别涉及一种基于零相转移的低压供电网漏电故障保护方法。
背景技术
我国电网分为输电网和配电网两个部分，其中配电网又分为高压配电网，中压配电网和低压供电网，其中低压供电网是与日常生活关系最密切的一个供电网电压等级。近年来，我国每年触电身亡人数占事故总死亡人数的10％，据统计，2017年全国触电死亡人数达到8000人，其中85％都发生在低压供电网，可见低压供电网的安全现状仍十分严峻。如今，低压供电网在发生接地故障后，最广泛使用的人身安全保护装置主要是剩余电流动作保护器，即漏电保护器。其工作原理是通过检测穿过保护器的所有线路的电流之和(即漏电流)是否为零，而判定有没有发生漏电事故，一旦泄漏电流超过整定值，则会自动跳开线路，停电，以防止人身触电、电气火灾及电气设备损坏等事故进一步的恶化。但是，保护器一旦动作，那么在保护器后所接线路上负载都处于停电状态，在对于能力质量要求高的地方，如医院、化工厂、国防单位等会有很大的影响。同时，现有的各类型剩余电流动作保护器存在很多的不足。例如在用户设备接入、线路三相对地电容不平衡、雷击等非故障发生情况下依然会进行动作，导致大量误跳闸事故，严重影响工业和农业生产、国防建设以及人民正常工作与生活用电，而且也加重了电力运维人员的工作成本。据了解，很多地方因剩余电流动作保护器过度频繁误动，导致用户将已经安装在线路中的保护器直接拆除，这反而加大了生产生活用电隐患，无法保证供电线路上各用户的人身与财产安全。
发明内容
为了克服现有技术的不足，有效解决当发生接地故障时，能维持电力系统安全运行并保障用电负载正常供电的困难，本发明提供了一种基于零相转移的低压供电网漏电故障保护方法，通过该方法可以将故障相电压降低至安全电压以下，保障故障处人身财产安全，同时能实现系统上的负载持续稳定运行的目标。本发明的目的是通过下述技术方案实现的：
一种基于零相转移的低压供电网漏电故障保护方法，在低压供电网的零线与大地之间设置一个用于输出受控电压的电压输出装置，当发生单相接地故障时，接入电压输出装置以在零线与大地之间施加一个电压，以使故障相相对地电压下降到安全电压以下，同时保持各相与零线之间电压和三相线电压不变。
所述的一种基于零相转移的低压供电网漏电故障保护方法，所述的电压输出装置向零线与大地之间施加的电压为
Figure BDA0002291491930000021
其中
Figure BDA0002291491930000023
使
Figure BDA0002291491930000022
满足
Figure BDA0002291491930000024
Figure BDA0002291491930000025
Usafe为预设的安全电压值，
Figure BDA0002291491930000026
为故障相对地电压，
Figure BDA0002291491930000027
为故障相电源电压。
所述的一种基于零相转移的低压供电网漏电故障保护方法，所述的电压输出装置为可控电压源，所述的可控电压源通过常开开关K2连接于大地和零线之间，零线和大地之间通过常闭开关K1连接，当发生单相接地故障时，闭合常开开关K2，断开常闭开关K1，以通过可控电压源向零线与大地之间施加受控电压。
所述的一种基于零相转移的低压供电网漏电故障保护方法，所述的电压输出装置为调压器，所述的调压器一端通过常开开关K2串联于零线与大地之间，另一端通过常开开关Ka、Kb、Kc分别串联至三相相线与零线之间，零线和大地之间通过常闭开关K1连接，当发生单相接地故障时，断开常闭开关K1，闭合常开开关K2以及对应故障相线的常开开关，以通过调压器向零线与大地之间施加受控电压。
所述的一种基于零相转移的低压供电网漏电故障保护方法，所述的电压输出装置为变压器，所述的变压器一端通过常开开关K2串联于零线与大地之间，另一端通过三个分相常开开关Ka、Kb、Kc分别串联至三相相线与零线之间，零线和大地之间通过常闭开关K1连接，当发生单相接地故障时，断开常闭开关K1，闭合常开开关K2以及对应故障相线的常开开关，以通过变压器向零线与大地之间施加受控电压。
所述的一种基于零相转移的低压供电网漏电故障保护方法，所述调压器为单相双绕组调压器，变比为1比K，K的取值范围为
Figure BDA0002291491930000031
其中Usafe为预设的安全电压值，
Figure BDA0002291491930000032
为故障相电源电压。
所述的一种基于零相转移的低压供电网漏电故障保护方法，串联的调压器其中一边绕组所接零线侧与另一边绕组所接常开开关K2侧为一对同名端，绕组所接相线侧与另一边绕组所接大地侧为一对同名端。
所述的一种基于零相转移的低压供电网漏电故障保护方法，所述变压器为单相双绕组变压器，变比为1比1。
所述的基于零相转移的低压供电网漏电故障保护方法，串联的变压器其中一边绕组所接零线侧与另一边绕组所接常开开关K2侧为一对同名端，绕组所接相线侧与另一边绕组所接大地侧为一对同名端。
本发明的有益效果在于：(1)首次在低压供电网中实现零相转移以对故障相电压灵活调控，使故障相电压降低至安全电压以下，保障故障处人身财产安全；(2)提出利用电源或调压器或变压器来实现零相转移原理，能有效迅速地将故障相电压钳制到安全电压以下，设计简单高效，大大减少设计与生产成本；(3)本发明无需停电切除故障，大大提高供电可靠性和安全性，可有效防止停电事故的发生；(4)本发明可实现故障相带故障长时间安全稳定运行，同时不影响线路上各用电负载的正常供电，可靠性高，具有深远意义及广阔应用前景。
附图说明
图1为低压供电网利用电压源实现漏电故障保护方法原理示意图。
图2为低压供电网漏电故障保护方法运行相量图。
图3为低压供电网利用单相调压器实现漏电故障保护方法原理示意图。
图4为低压供电网利用单相变压器实现漏电故障保护方法原理示意图。
图5为低压供电网利用单相变压器实现漏电故障保护方法运行相量图。
图6为利用可控电压源实现漏电故障保护方法仿真电路图。
图7为利用可控电压源实现漏电故障保护方法仿真结果波形图；其中(a)为C相对地电压波形图，(b)为故障电流波形图，(c)为三相对零线电压波形图，(d)为三相线电压波形图。
图8为利用单相变压器实现漏电故障保护方法系统正常运行时仿真电路图。
图9为利用单相变压器实现漏电故障保护方法投入单相变压器后仿真电路图。
图10为利用单相变压器实现漏电故障保护方法仿真结果波形图；其中(a)为三相对地电压波形图，(b)为故障电流波形图，(c)为三相对零线电压波形图，(d)为三相线电压波形图。
图11为利用单相变压器实现漏电故障保护方法实验线路图。
图12为利用单相变压器实现漏电故障保护方法实验测量结果图；其中(a)为隔离变压器两端电压幅值图，(b)为隔离变压器两端电压波形图，(c)为隔离变压器两端电压相位图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的发明内容作进一步说明和解释。
本发明应用于中性点直接接地或非有效接地的低压供电网的接地故障安全运行，在低压供电网的零线与大地之间外加一个电压源或在相线与零线之间外加一个调压器或变压器。正常运行时电压源或调压器或变压器处于悬空状态。发生单相接地故障时，投入电压源或调压器或变压器，在零线与大地之间施加一个电压，将故障相相对地电压下降到安全电压以下，同时保持各相与零线之间电压不变。其中施加的这个电压相位与故障相电压相反、幅值与故障相电压幅值之差的绝对值小于安全电压。
针对于利用电压源实现漏电故障保护方法原理：
如图1所示，在零线与大地之间并联接入一台电压源。正常运行时中性线处常闭开关K1保持闭合，常开开关K2保持断开，电压源处于悬空状态。发生故障时，断开常闭开关K1，闭合常开开关K2，利用电压源以在零线与大地之间施加一个电压，将故障相电压降至安全电压以下。理论分析如下：
假设C相发生单相接地故障。
Figure BDA0002291491930000051
分别为低压供电网的三相电源电压，
Figure BDA0002291491930000052
为中性点位移电压，
Figure BDA0002291491930000053
为外加电源电压，
Figure BDA0002291491930000054
分别为用户负载电压，
Figure BDA0002291491930000055
为接地故障点电压。
取电源电动势
Figure BDA0002291491930000056
的方向为参考方向，则外加电源
Figure BDA0002291491930000057
与故障相
Figure BDA0002291491930000058
的相位关系如图2所示。
三相电源对称：
Figure BDA0002291491930000059
发生单相接地故障时，由基尔霍夫定律可知：
Figure BDA00022914919300000510
因为
Figure BDA00022914919300000511
故当
Figure BDA00022914919300000512
(安全电压)时会有：
Figure BDA0002291491930000061
即故障相电压被钳制为安全电压以下，则保证故障点处的人身及财产安全，安全电压可设为36V以下，即低于不会对人体造成不良影响的电压，也可根据具体情况进行调整。同时，对于故障相用电负载电压
Figure BDA0002291491930000062
仍然为：
Figure BDA0002291491930000063
非接地故障相用电负载电压
Figure BDA0002291491930000064
分别为：
Figure BDA0002291491930000065
Figure BDA0002291491930000066
其中
Figure BDA0002291491930000067
则用电负荷均不受到影响。
针对于利用单相双绕组调压器实现漏电故障保护方法原理：
如图3所示，在零线与大地之间串联接入1台调压器的一端，在大地与零线之间通过常开开关K2串联接入调压器的另一端，其中串联的调压器一边绕组所接零线侧与另一边绕组所接常开开关K2侧为一对同名端，绕组所接相线侧与另一边绕组所接大地侧为一对同名端，调压器变比为1比K，K的取值范围为
Figure BDA0002291491930000068
(Usafe为预设的安全电压，
Figure BDA0002291491930000069
为故障相电源电压)。正常运行时中性线处常闭开关K1保持闭合，常开开关K2保持断开，调压器处于悬空状态。发生故障时，断开常闭开关K1，闭合常开开关K2，利用调压器以在零线与大地之间施加一个电压，将故障相电压降至安全电压以下。理论分析与上述利用电压源实现漏电故障保护方法原理相同，不再赘述。
针对于利用单相双绕组变压器实现漏电故障保护方法原理：
如图4所示，在零线与大地之间串联接入1台变压器的一端，在大地与零线之间通过常开开关K2串联接入变压器的另一端，其中串联的变压器一边绕组所接零线侧与另一边绕组所接常开开关K2侧为一对同名端，绕组所接相线侧与另一边绕组所接大地侧为一对同名端，变比为1比1。发生故障时，断开常闭开关K1，闭合常开开关K2，利用变压器以在零线与大地之间施加一个电压，将故障相电压降至安全电压以下。理论分析如下：
假设C相发生单相接地故障。
Figure BDA0002291491930000071
分别为低压供电网的三相电源电压，
Figure BDA0002291491930000072
为中性点位移电压，
Figure BDA0002291491930000073
为外加电源电压，
Figure BDA0002291491930000074
分别为用户负载电压，
Figure BDA0002291491930000075
为接地故障点电压。
取电源电动势
Figure BDA0002291491930000076
的方向为参考方向，则各系统参数相位关系如图5所示。
三相电源对称：
Figure BDA0002291491930000077
发生单相接地故障时，由基尔霍夫可知：
Figure BDA0002291491930000078
因为
Figure BDA0002291491930000079
故当
Figure BDA00022914919300000710
时，
Figure BDA00022914919300000711
即故障相电压被钳制为0，则故障点故障电流得到抑制，从根本上解决人身设备安全隐患。同时，对于接地故障相用电负载电压
Figure BDA00022914919300000712
仍然为
Figure BDA00022914919300000713
非接地故障相用电负载电压
Figure BDA00022914919300000714
分别为
Figure BDA00022914919300000715
Figure BDA00022914919300000716
其中
Figure BDA00022914919300000717
则用电负荷均不受到影响。
为了验证本发明所提出的一种基于零相转移的低压供电网漏电故障保护方法的可行性，按图1、图3、图4所示电路，分别设计了仿真电路并进行了仿真验证，针对于图4搭建了一条380V电压等级的低压供电线路，开展了实验验证。
一、仿真验证如下：
在仿真软件PSCADX5中进行仿真，仿真系统参数如下表1所示：
表1仿真参数
Figure BDA0002291491930000081
1.1可控电压源
利用可控电压源实现低压供电网漏电故障保护方法如下，仿真时间0.15s，在0.05s时发生单相接地事故(C相)，0.1s时投入电压源，可控电压源参数如下表2所示：
表2可控电压源参数
Figure BDA0002291491930000082
仿真电路拓扑图如图6所示，仿真结果如图7所示。
从图7(a)和图7(b)可以看出，在0.05s接入可控电压源后，故障相(C相)对地电压从310V下降至27.5V，低于安全电压幅值36V，故障电流从155mA下降至13.7mA，低于人体安全电流，实现了对故障点故障电压和电流的有效抑制。同时，从图7(c)和图7(d)可以看出，仿真全过程单相负载和三相负载供电均保持不变，不影响其正常运行。
1.2单相变压器
利用单相变压器实现低压供电网漏电故障保护方法如下，仿真时间0.15s，在0.05s时发生单相接地事故(A相)，0.1s时投入单相变压器，单相变压器参数如下表3所示：
表3单相变压器参数
Figure BDA0002291491930000091
正常运行时系统如图8所示，当发生接地故障投入单相变压器后系统如图9所示。所得的仿真结果如图10所示。各项数据如下表4-7：
表4单相变压器投入前后A、B、C三相对零线电压
Figure BDA0002291491930000092
表5单相变压器投入前后A、B、C三相对地电压
Figure BDA0002291491930000093
表6单相变压器投入前后零线对地电压
Figure BDA0002291491930000094
表7单相变压器投入前后故障点电流
Figure BDA0002291491930000101
由波形图及数据可知，单相变压器投入前后A、B、C三相对零线电压均保持不变，系统对各负载供电不受任何影响；针对于A、B、C三相对地电压，投入设备后，A相电压被钳制仅为4.29V，B相和C相电压升至
Figure BDA0002291491930000102
倍；故障点电流由故障时的43.8mA降至设备投入后的2.43mA。此结果验证了一种基于零相转移的低压供电网漏电故障保护方法的理论可行性。
二、实验验证如下：
实验设备包括：1台三项调压器1台，三相干式实验变压器1台，空气开关1个，220v单相隔离变压器1台，万用表1台，电能质量分析仪1台。实验接线图如图11所示。本次实验均模拟A相为接地故障相，实验结果如图12以及表所示8：
表8实验数据
Figure BDA0002291491930000103
Figure BDA0002291491930000111
从表8可以看出，投入220v单相隔离变压器后，A相对地电压瞬间降至11v(由于220v单相变压器两端有3°左右相位差，故无法做到完全补偿)，B相和C相对地电压升至
Figure BDA0002291491930000112
倍，零线对地电压升为相电压。与此同时，A相、B相、C相对零线电压均保持不变。可知，发生单相接地故障时，故障相电压降至安全电压以下，负载电压不受任何影响，其结果完全满足其实验设计效果，可以在低压供电网发生单相接地故障时，保障故障处人身财产安全，同时能实现供电线路上负载的正常用电，验证了本发明一种基于零相转移的低压供电网漏电故障保护方法的实际可行性。

Claims (9)

1.一种基于零相转移的低压供电网漏电故障保护方法，其特征在于：在低压供电网的零线与大地之间设置一个用于输出受控电压的电压输出装置，当发生单相接地故障时，接入电压输出装置，在零线与大地之间施加一个电压，使故障相相对地电压下降到安全电压以下，同时保持各相与零线之间电压和三相线电压不变。
2.根据权利要求1所述的一种基于零相转移的低压供电网漏电故障保护方法，其特征在于：所述的电压输出装置向零线与大地之间施加的电压为
Figure FDA0002291491920000011
其中
Figure FDA0002291491920000012
使
Figure FDA0002291491920000013
满足
Figure FDA0002291491920000014
Usafe为预设的安全电压值，
Figure FDA0002291491920000015
为故障相对地电压，
Figure FDA0002291491920000016
为故障相电源电压。
3.根据权利要求1所述的一种基于零相转移的低压供电网漏电故障保护方法，其特征在于：所述的电压输出装置为可控电压源，所述的可控电压源通过常开开关连接于零线和大地之间，零线和大地之间通过常闭开关连接，当发生单相接地故障时，闭合常开开关，断开常闭开关，以通过可控电压源向零线和大地之间施加受控电压。
4.根据权利要求1所述的一种基于零相转移的低压供电网漏电故障保护方法，其特征在于：所述的电压输出装置为调压器，所述的调压器一端通过常开开关串联于零线与大地之间，另一端通过三个分相常开开关分别串联至三相相线与零线之间，零线和大地之间通过常闭开关连接，当发生单相接地故障时，断开常闭开关，闭合常开开关以及对应故障相线的常开开关，以通过调压器向零线和大地之间施加受控电压。
5.根据权利要求1所述的一种基于零相转移的低压供电网漏电故障保护方法，其特征在于：所述的电压输出装置为变压器，所述的变压器一端通过常开开关串联于零线与大地之间，另一端通过三个分相常开开关分别串联至三相相线与零线之间，零线和大地之间通过常闭开关连接，当发生单相接地故障时，断开常闭开关，闭合常开开关以及对应故障相线的常开开关，以通过变压器向零线和大地之间施加受控电压。
6.根据权利要求4所述的一种基于零相转移的低压供电网漏电故障保护方法，其特征在于：所述调压器为单相双绕组调压器，变比为1比K，K的取值范围为
Figure FDA0002291491920000021
其中Usafe为预设的安全电压值，
Figure FDA0002291491920000022
为故障相电源电压。
7.根据权利要求4所述的一种基于零相转移的低压供电网漏电故障保护方法，其特征在于：串联的调压器其中一边绕组所接零线侧与另一边绕组所接常开开关侧为一对同名端，绕组所接相线侧与另一边绕组所接大地侧为一对同名端。
8.根据权利要求5所述的一种基于零相转移的低压供电网漏电故障保护方法，其特征在于：所述变压器为单相双绕组变压器，变比为1比1。
9.根据权利要求5所述的一种基于零相转移的低压供电网漏电故障保护方法，其特征在于：串联的变压器其中一边绕组所接零线侧与另一边绕组所接常开开关侧为一对同名端，绕组所接相线侧与另一边绕组所接大地侧为一对同名端。
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