CN110943443A - 基于电容补偿的配电网消弧方法 - Google Patents

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    • H02H9/08—Limitation or suppression of earth fault currents, e.g. Petersen coil

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  • Testing Of Short-Circuits, Discontinuities, Leakage, Or Incorrect Line Connections (AREA)

Abstract

本发明公开了一种基于电容补偿的配电网消弧方法，包括测量配电网正常运行时的对地绝缘参数；计算发生单相接地故障时消弧目标下的理论补偿元件值；实时检测配电网的零序电压并判定是否发生单相接地故障；判定故障相；在故障相的滞后相中按照理论补偿元件值接入补偿元件；再次检测配电网的零序电压并与设定值比较；根据比较结果调整补偿元件参数直至检测到的配电网的零序电压值与设定值的差值在设定范围内；故障消除后，退出补偿元件，消弧完成。本发明方法不仅可以精准实现谐振接地系统接地故障全补偿和消弧，而且操作简单可靠，需要投入的补偿元件电容值小，补偿元件体积小、调节方便、成本低。

Description

基于电容补偿的配电网消弧方法
技术领域
本发明属于电气自动化领域，具体涉及一种基于电容补偿的配电网消弧方法。
背景技术
随着经济技术的发展和人们生活水平的提高，电能已经成为了人们生产和生活中必不可少的二次能源，给人们的生产和生活带来了无尽的便利。因此，保证自身的稳定可靠运行，就成为了电力系统最重要的任务之一。
配电网结构复杂，环境多变，且与用户联系紧密，极易引发单相接地故障，如不及时处理，易造成人身触电、设备烧毁，甚至引发大面积停电事故，带来巨大经济损失。
为抑制接地故障，我国配电系统大多数采用中性点经消弧线圈接地方式，通过补偿接地电流中的电容电流来抑制故障电流，实现接地故障消弧。但随着电缆网络的大量增加以及非线性负荷和电力电子设备的大量接入，故障电流中含有大量的有功分量及谐波分量，而传统的消弧线圈只能补偿故障电流中的无功分量，不能补偿其有功分量(约占2％～8％)和谐波分量(约占5％)，部分配电网接地故障电流经消弧线圈补偿电容分量后仍高达几十安培，足以维持电弧燃烧，不符合电网规程运行的要求，且对于绝缘故障引起的间歇性弧光接地故障无能为力，其抑制效果有限，并易产生弧光过电压，最大可达额定电压的7倍，烧毁高压电器设备，甚至引发火烧连营事故，造成大面积停电。为此，有学者提出了注入电流调控系统零序导纳回归正常值的接地故障全补偿方法，其补偿效果取决于零序电流的测量精度与注入电流的控制精度，且成本较高，难以推广应用。
近年来，随着电缆网络的大量增加，由电缆绝缘故障引起的间歇性弧光接地故障越来越多。为抑制间歇性弧光接地故障，通过调控故障相电压，阻止电弧重燃实现消弧是一个新的研究方向。该方法的典型应用就是“消弧柜”，采用断路器直接将接地故障相短路，抑制故障相电压为零，从而实现接地故障消弧。但“消弧柜”存在多方面的缺点，如故障选相正确率低，开关动作慢，短路故障相时会给系统带来巨大冲击等，具有较大的局限性。
随着电力电子技术和计算机控制技术的发展，配电网接地故障电流抑制技术有了更进一步的发展，国内外对零序过电压的控制措施目前已经存在一些，有学者提出了从中性点不接地系统故障相的超前相对地接入阻感性补偿元件补偿接地故障电流，但该方法需投入的电感值较大，补偿元件体积较大，成本较高且不方便调节，仅适用于中性点不接地系统。
发明内容
本发明的目的在于提供一种补偿元件体积小、成本低廉、调节方便、适用范围广且可靠性高的基于电容补偿的配电网消弧方法。
本发明提供的这种基于电容补偿的配电网消弧方法，包括如下步骤：
S1.测量配电网正常运行时的对地绝缘参数；
S2.根据步骤S1获取的对地绝缘参数，计算发生单相接地故障时消弧目标下的理论补偿元件值；
S3.实时检测配电网的零序电压，从而判定是否发生单相接地故障；
S4.根据步骤S3的判定结果，判定故障相；
S5.在步骤S4判定的故障相的滞后相中，按照步骤S2得到的理论补偿元件值，接入补偿元件；
S6.再次检测配电网的零序电压，并与设定值进行比较；
S7.根据步骤S6的比较结果，调整补偿元件参数，直至检测到的配电网的零序电压值与设定值的差值在设定范围内；
S8.故障消除后，退出接入的补偿元件，实现了谐振接地系统接地故障全补偿，配电网消弧完成。
步骤S1所述的测量配电网正常运行时的对地绝缘参数，具体为测量配电网给正常运行时的对地绝缘电容C∑和对地绝缘电导G∑。
步骤S2所述的计算发生单相接地故障时消弧目标下的理论补偿元件值，具体为计算发生单相接地故障时消弧目标下的理论补偿电阻值Rset和理论补偿电容值Cset。
步骤S3所述的实时检测配电网的零序电压，从而判定是否发生单相接地故障，具体为若判定发生了单相接地故障，则执行后续补偿步骤；若判定未发生单相接地故障，则开始进行下一周期检测。
步骤S4所述的根据步骤S3的判定结果，判定故障相，具体为判定为单相接地故障后，计算故障电流的相位，从而判定故障相。
步骤S6所述的设定值，具体为采用如下算式计算设定值
Figure BDA0002287777390000031
Figure BDA0002287777390000032
式中
Figure BDA0002287777390000033
为故障相电势；
Figure BDA0002287777390000034
a＝1∠120°；
Figure BDA0002287777390000035
Figure BDA0002287777390000041
rA、CA分别为A相对地电容和对地电阻；rB、CB分别为B相对地电容和对地电阻；rC、CC分别为C相对地电容和对地电阻；
Figure BDA0002287777390000042
为故障相的滞后相电势；Rset为理论补偿电阻值；j为虚数单位；Cset为理论补偿电容值；ω＝2πf，f＝50Hz；G∑为配电网给正常运行时的对地绝缘电导；C∑为配电网给正常运行时的对地绝缘电容；L为点弧线圈电感值。
步骤S7所述的直至检测到的配电网的零序电压值与设定值的差值在设定范围内，具体为直至检测到的配电网的零序电压值与设定值的差值在2％内。
本发明提供的这种基于电容补偿的配电网消弧方法，通过故障电流的相位选出故障相，在故障相的滞后相投入阻容性补偿元件，将故障相电压抑制到零，实现接地故障电流全补偿；本发明方法弥补了传统消弧线圈不能补偿有功电流和无法抑制间歇性接地故障的不足，且与故障相超前相投入阻感性补偿元件的方法相比，本发明方法不仅可以精准实现谐振接地系统接地故障全补偿和消弧，而且操作简单可靠，需要投入的补偿元件电容值小，补偿元件体积小、调节方便、成本低。
附图说明
图1为本发明方法的方法流程示意图。
图2为本发明方法的原理示意图。
图3为本发明方法的实施例在接地故障电阻为200Ω对应的故障电流波形图。
图4为本发明方法的实施例在接地故障电阻为200Ω对应的零序电压波形图。
图5为本发明方法的实施例在接地故障电阻为200Ω对应的故障相电压波形图。
具体实施方式
如图1所示为本发明方法的方法流程示意图：本发明提供的这种基于电容补偿的配电网消弧方法，包括如下步骤：
S1.测量配电网正常运行时的对地绝缘参数；具体为测量配电网给正常运行时的对地绝缘电容C∑和对地绝缘电导G∑；
S2.根据步骤S1获取的对地绝缘参数，计算发生单相接地故障时消弧目标下的理论补偿元件值；具体为计算发生单相接地故障时消弧目标下的理论补偿电阻值Rset和理论补偿电容值Cset；
S3.实时检测配电网的零序电压，从而判定是否发生单相接地故障；具体为若判定发生了单相接地故障，则执行后续补偿步骤；若判定未发生单相接地故障，则开始进行下一周期检测；
S4.根据步骤S3的判定结果，判定故障相；具体为判定为单相接地故障后，计算故障电流的相位，从而判定故障相；
S5.在步骤S4判定的故障相的滞后相中，按照步骤S2得到的理论补偿元件值，接入补偿元件；
S6.再次检测配电网的零序电压，并与设定值进行比较；具体为采用如下算式计算设定值
Figure BDA0002287777390000051
Figure BDA0002287777390000052
式中
Figure BDA0002287777390000053
为故障相电势；
Figure BDA0002287777390000054
a＝1∠120°；
Figure BDA0002287777390000055
Figure BDA0002287777390000061
rA、CA分别为A相对地电容和对地电阻；rB、CB分别为B相对地电容和对地电阻；rC、CC分别为C相对地电容和对地电阻；
Figure BDA0002287777390000062
为故障相的滞后相电势；Rset为理论补偿电阻值；j为虚数单位；Cset为理论补偿电容值；ω＝2πf，f＝50Hz；G∑为配电网给正常运行时的对地绝缘电导；C∑为配电网给正常运行时的对地绝缘电容；L为点弧线圈电感值。
S7.根据步骤S6的比较结果，调整补偿元件参数，直至检测到的配电网的零序电压值与设定值的差值在设定范围内；具体为直至检测到的配电网的零序电压值与设定值的差值在2％内。
S8.故障消除后，退出接入的补偿元件，实现了谐振接地系统接地故障全补偿，配电网消弧完成。
如图2所示为本发明方法的原理示意图：C∑、G∑为配电网总的对地电容、配电网总的对地电导。当配电网发生三相不平衡时，配电网的中性点总是呈现一定数值的对地电位差，即不平衡电压
Figure BDA0002287777390000063
设A相发生单相接地故障，其故障电阻为Rf,零序电压为
Figure BDA0002287777390000064
在补偿元件投入前可通过对中性点N列写结点电压方程化简得到
Figure BDA0002287777390000065
的表达式，而此时故障相电压为：
Figure BDA0002287777390000066
故可解得故障电流为：
Figure BDA0002287777390000067
由此可知，当电网参数已知时，故障相电流相位与故障相电压相位相同，因此可根据故障电流的相位选出故障相，不受接地故障电阻影响，选相准确率高。
在接地故障发生后，在故障相的滞后相与地之间外加一个补偿元件(由电阻Rset与电容Cset并联组成)，设补偿元件投入后的零序电压为
Figure BDA0002287777390000071
同理，通过对中性点N列写结点电压方程可化简得到
Figure BDA0002287777390000072
的表达式。此时，令
Figure BDA0002287777390000073
即零序电压等于故障相电源电压的相反数，使得故障相电压为零，实现谐振接地系统接地故障全补偿；且电阻Rset与电容Cset均可由对地绝缘参数表示，满足：
Figure BDA0002287777390000074
式中
Figure BDA0002287777390000075
a＝1∠120°，
Figure BDA0002287777390000076
Figure BDA0002287777390000077
因为
Figure BDA0002287777390000078
是一个复数，所以上式中的Rset和Cset计算不便；可令
Figure BDA0002287777390000079
可得：
Figure BDA00022877773900000710
综上分析，基于电容补偿的配电网消弧过程：利用计算出的故障电流的相位选出故障相，再在故障相的滞后相外加一个补偿元件(由电阻与电容并联组成)，令此时零序电压为故障相电源电压相反数，从而使得故障相电压为零，精准实现接地故障全补偿。与以往相比，该方法操作简单可靠，需要投入的补偿元件电容值小、补偿元件体积小、调节方便、成本低，因而该方法实际应用更具可行性。
为了验证本发明的可行性，利用PSCAD搭建如图2所示的10kV配电网，得到的实验数据和实验结果如表1所示。本实施例中，消弧线圈电感值L＝0.25H，各相线路参数为CA＝10.21μF、rA＝10.67kΩ、CB＝9.64μF、rB＝10.65kΩ、CC＝10.81μF、rC＝10.56kΩ，则电网对地总电容CΣ＝30.66μF、对地总电导GΣ＝2.82×10-4S，
Figure BDA0002287777390000081
设配电网A相发生单相接地故障，故障电阻200Ω，通过本专利所提方法进行操作，补偿元件值按式(3)设定，有：Cset＝5.51μF、Rset＝1670.98Ω，设置接地故障发生时刻为0.04s，补偿元件在0.1s投入，图3、图4、图5分别为接地故障电阻为200Ω对应的故障电流波形图、零序电压波形图、故障相电压波形图。
由图3可知，当投入补偿元件后(0.1s)，故障电流被快速补偿；由图4和图5可知，当投入补偿元件后(0.1s)，电网零序电压提升至故障相电源电压，从而将故障相电压抑制为零，精准实现故障电流全补偿。
表1为在10kv等级配电网下，故障电阻分别为8Ω、25Ω、200Ω、500Ω、2000Ω时(A相发生接地故障)所得到的故障接地全补偿实验记录数据及实验结果。
表1试验记录及实验结果示意表
Figure BDA0002287777390000082
故障发生时刻为0.04s，阻容性补偿元件在0.1s投入。具体实验情况分析如下：当故障电阻为8Ω时，补偿元件投入前故障电流的大小为95A，故障电压幅值为760V，采用本发明所提方法在故障相的滞后相投入阻感性补偿元件后，故障电流快速补偿为0.58A，故障电压快速抑制为5.4V，抑制率为99.3％；当故障电阻为25Ω时，补偿元件投入前故障电流的大小为26.3A，故障电压幅值为640V，采用本发明所提方法在故障相的滞后相投入阻感性补偿元件后，故障电流快速补偿为0.12A，故障电压快速抑制为2.8V，抑制率为99.5％；当故障电阻为200Ω时，补偿元件投入前故障电流的大小为21A，故障电压幅值为4150V，采用本发明所提方法在故障相的滞后相投入阻感性补偿元件后，故障电流快速补偿为0.08A，故障电压快速抑制为16V，抑制率为99.6％；当故障电阻为500Ω时，补偿元件投入前故障电流的大小为11.2A，故障电压幅值为5450V，采用本发明所提方法在故障相的滞后相投入阻感性补偿元件后，故障电流快速补偿为0.061A，故障电压快速抑制为31V，抑制率为99.5％；当故障电阻为2000Ω时，补偿元件投入前故障电流的大小为3.96A，故障电压幅值为8080V，采用本发明所提方法在故障相的滞后相投入阻感性补偿元件后，故障电流快速补偿为0.016A，故障电压快速抑制为33V，抑制率为99.6％。由表1的实验数据可知，阻容性补偿元件的补偿效果不受故障过渡电阻的影响，发生接地故障后投入补偿元件可快速实现故障相电压和电流的抑制，实现接地故障电流全补偿，有效抑制间歇性弧光接地故障，抑制率高达99％以上。

Claims (7)

1.一种基于电容补偿的配电网消弧方法，包括如下步骤：
S1.测量配电网正常运行时的对地绝缘参数；
S2.根据步骤S1获取的对地绝缘参数，计算发生单相接地故障时消弧目标下的理论补偿元件值；
S3.实时检测配电网的零序电压，从而判定是否发生单相接地故障；
S4.根据步骤S3的判定结果，判定故障相；
S5.在步骤S4判定的故障相的滞后相中，按照步骤S2得到的理论补偿元件值，接入补偿元件；
S6.再次检测配电网的零序电压，并与设定值进行比较；
S7.根据步骤S6的比较结果，调整补偿元件参数，直至检测到的配电网的零序电压值与设定值的差值在设定范围内；
S8.故障消除后，退出接入的补偿元件，实现了谐振接地系统接地故障全补偿，配电网消弧完成。
2.根据权利要求1所述的基于电容补偿的配电网消弧方法，其特征在于步骤S1所述的测量配电网正常运行时的对地绝缘参数，具体为测量配电网给正常运行时的对地绝缘电容C∑和对地绝缘电导G∑。
3.根据权利要求1所述的基于电容补偿的配电网消弧方法，其特征在于步骤S2所述的计算发生单相接地故障时消弧目标下的理论补偿元件值，具体为计算发生单相接地故障时消弧目标下的理论补偿电阻值Rset和理论补偿电容值Cset。
4.根据权利要求1所述的基于电容补偿的配电网消弧方法，其特征在于步骤S3所述的实时检测配电网的零序电压，从而判定是否发生单相接地故障，具体为若判定发生了单相接地故障，则执行后续补偿步骤；若判定未发生单相接地故障，则开始进行下一周期检测。
5.根据权利要求1所述的基于电容补偿的配电网消弧方法，其特征在于步骤S4所述的根据步骤S3的判定结果，判定故障相，具体为判定为单相接地故障后，计算故障电流的相位，从而判定故障相。
6.根据权利要求1～5之一所述的基于电容补偿的配电网消弧方法，其特征在于步骤S6所述的设定值，具体为采用如下算式计算设定值
Figure FDA0002287777380000021
Figure FDA0002287777380000022
式中
Figure FDA0002287777380000023
为故障相电势；
Figure FDA0002287777380000024
a＝1∠120°；
Figure FDA0002287777380000025
Figure FDA0002287777380000026
rA、CA分别为A相对地电容和对地电阻；rB、CB分别为B相对地电容和对地电阻；rC、CC分别为C相对地电容和对地电阻；
Figure FDA0002287777380000027
为故障相的滞后相电势；Rset为理论补偿电阻值；j为虚数单位；Cset为理论补偿电容值；ω＝2πf，f＝50Hz；G∑为配电网给正常运行时的对地绝缘电导；C∑为配电网给正常运行时的对地绝缘电容；L为点弧线圈电感值。
7.根据权利要求6所述的基于电容补偿的配电网消弧方法，其特征在于步骤S7所述的直至检测到的配电网的零序电压值与设定值的差值在设定范围内，具体为直至检测到的配电网的零序电压值与设定值的差值在2％内。
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