CN111082409A - 一种配电网单相接地故障主从式消弧系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种配电网单相接地故障主从式消弧系统，包括与配电网相接的消弧线圈与柔性从消弧装置；所述柔性从消弧装置由级联H桥变流器串联滤波电感组成；当配电网发生单相接地故障时，消弧线圈工作于过补偿状态，补偿接地故障电流中的大部分无功分量，控制柔性从消弧装置注入补偿电流，补偿接地故障残流中的无功分量、有功分量及谐波分量。本发明采用消弧线圈与柔性从消弧装置共同实现对接地故障电流的全补偿，降低接地故障残流，并可解决工程中存在的因配电网规模扩大导致的消弧线圈补偿容量不足的问题。

Description

一种配电网单相接地故障主从式消弧系统

技术领域

本发明涉及配电网安全设计技术领域，特别是一种配电网单相接地故障主从式消弧系统。

背景技术

随着配电网的规模扩大、电力电子设备以及非线性负载的用量增加，单相接地故障电流中的有功和谐波分量增多。传统的消弧线圈只能补偿单相接地故障电流中的容性无功基波分量，经传统消弧线圈补偿后的故障残流中仍存在有功及谐波分量，足以维持电弧的燃烧，故传统消弧线圈逐渐不能满足配电网安全稳定运行的要求。故障点电弧无法有效熄灭可能会引发更大的事故，威胁设备和人员安全。

已有的主从式消弧系统虽然可以补偿单相接地故障电流中的无功、有功和谐波分量，但是其从消弧装置采用单个H桥经过升压变压器后接入配电网中性点，其输出谐波含量较高，单个H桥单元的开关元件流过的电流大，动作频率高，发热量严重，且可能出现功率倒灌现象。

综上，现有主从式消弧系统存在的几个问题：一、从消弧装置输出的谐波分量较大。二、单个H桥单元的开关元件流过的电流大，动作频率高，发热严重。三、从消弧装置的单个H桥单元经固定变比的升压变压器接入配电网，消弧过程中中性点电压将抬升，可能出现功率倒灌，造成H桥变流器损坏。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提出一种配电网单相接地故障主从式消弧系统，采用消弧线圈与柔性从消弧装置共同实现对接地故障电流的全补偿，降低接地故障残流，并可解决工程中存在的因配电网规模扩大导致的消弧线圈补偿容量不足的问题。

本发明采用以下方案实现：一种配电网单相接地故障主从式消弧系统，包括与配电网相接的消弧线圈与柔性从消弧装置；

所述柔性从消弧装置由级联H桥变流器串联滤波电感组成；

当配电网发生单相接地故障时，消弧线圈工作于过补偿状态，补偿接地故障电流中的大部分无功分量，控制柔性从消弧装置注入补偿电流，补偿接地故障残流中的无功分量、有功分量及谐波分量。

进一步地，所述消弧线圈为带铁芯的电感器。

进一步地，本发明的主从式消弧系统与配电网的连接关系为：所述柔性从消弧装置与所述消弧线圈并联后经Z型变压器接入配电网中性点。当配电网发生单相接地故障时，控制柔性从消弧装置注入补偿电流

为：

式中，

为母线零序电压，

L为消弧线圈电感值，C_k为线路单相对地电容值，r_k为线路单相对地电阻值，k为馈线编号，N为馈线数量，ω为基波角频率，ω＝2πf₀。

进一步地，本发明的主从式消弧系统与配电网的连接关系还可以为：所述消弧线圈接入配电网中性点，所述柔性从消弧装置挂接于配电网母线。此时，所述柔性从消弧装置采用单相、两相或三相的方式接入配电网；当柔性从消弧装置采用级联H桥变流器时，既能够经Z型变压器挂接于配电网中性点，又能够挂接于配电网的任意相；当柔性从消弧装置采用两相级联H桥变流器时，能够挂接于配电网的任意两相；当柔性从消弧装置采用三相级联H桥变流器时，挂接于配电网的三相。

当配电网发生单相接地故障时，若柔性从消弧装置经Z型变压器挂接于配电网中性点，控制柔性从消弧装置注入补偿电流

为：

式中，

为母线零序电压，

L为消弧线圈电感值，C_k为线路单相对地电容值，r_k为线路单相对地电阻值，k为馈线编号，N为馈线数量，ω为基波角频率，ω＝2πf₀。

当配电网发生单相接地故障时，若柔性从消弧装置挂接于配电网的任意两相，控制柔性从消弧装置分别向配电网的任意两相注入补偿电流

式中，

为母线A相电动势，

L为消弧线圈电感值，C_k为线路单相对地电容值，r_k为线路单相对地电阻值，k为馈线编号，N为馈线数量，ω为基波角频率，ω＝2πf₀，

为B相电压，

为C相电压。

当配电网发生单相接地故障时，若柔性从消弧装置挂接于配电网的三相，控制柔性从消弧装置分别向三相注入补偿电流

式中，

为母线A相电动势，

L为消弧线圈电感值，C_k为线路单相对地电容值，r_k为线路单相对地电阻值，k为馈线编号，N为馈线数量，ω为基波角频率，ω＝2πf₀，

为B相电压，

为C相电压。

本发明采用消弧线圈与柔性从消弧装置共同实现对接地故障电流的全补偿，降低接地故障残流，并可解决工程中存在的因配电网规模扩大导致的消弧线圈补偿容量不足的问题。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：

1、本发明使用级联H桥变流器作为主从式消弧系统的有源部分。H桥单元具有模块化、耐压要求低、互为备用等优点。

2、本发明中的不同相级联H桥变流器均互为备用，柔性从消弧装置可于系统中性点注入、故障相注入，也可于非故障相注入，灵活性强。

3、本发明使用基于零序电压的电流消弧方法时，无需进行故障选相，避免了选相错误时造成的故障电流增大问题，提高了消弧的可靠性。

附图说明

图1为本发明实施例的级联H桥变流器与消弧线圈并联接入配电网中性点时的主从式消弧系统的拓扑结构。

图2为本发明实施例的级联H桥变流器的主电路拓扑图。

图3为本发明实施例的H桥单元保护原理图。

图4为本发明实施例的级联H桥变流器的主模块和子模块之间的通信方式原理图。图5为本发明实施例的级联H桥变流器与消弧线圈并联接入配电网中性点时的配电网单相接地故障等效电路图。

图6为本发明实施例的发生单相接地故障后的零序等效电路图。

图7为本发明实施例的消弧流程图。

图8为本发明实施例的消弧线圈接入配电网中性点，柔性从消弧装置挂接于配电网母线时的配电网单相接地故障等效电路图。

图9为本发明实施例的仿真实例中的10kV配电网模型。

图10为本发明实施例的仿真实例中的故障相接地电阻为10Ω的电流电压波形图。其中，(a)为R＝10Ω故障电流示意图，(b)为R＝10Ω故障相电压示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本实施例提供了一种配电网单相接地故障主从式消弧系统，包括与配电网相接的消弧线圈与柔性从消弧装置；

所述柔性从消弧装置由级联H桥变流器串联滤波电感组成；

当配电网发生单相接地故障时，消弧线圈工作于过补偿状态，补偿接地故障电流中的大部分无功分量，控制柔性从消弧装置注入补偿电流，补偿接地故障残流中的无功分量、有功分量及谐波分量。

在本实施例中，所述消弧线圈为带铁芯的电感器。

在本实施例中，主从式消弧系统与配电网的连接关系为：所述柔性从消弧装置与所述消弧线圈并联后经Z型变压器接入配电网中性点。当配电网发生单相接地故障时，控制柔性从消弧装置注入补偿电流

为：

式中，

为母线零序电压，

L为消弧线圈电感值，C_k为线路单相对地电容值，r_k为线路单相对地电阻值，k为馈线编号，N为馈线数量，ω为基波角频率，ω＝2πf₀。

较佳的，如图1所示，以单相级联H桥变流器与消弧线圈并联后经Z型变压器接入配电网中性点为例。L表示消弧线圈，L_Z表示单相级联H桥变流器连接的滤波电感。S1、S2表示断路器，分别控制消弧线圈L的投切和控制单相级联H桥变流器的投切。LA表示避雷器。GS表示接地开关。柔性从消弧装置中级联H桥变流器的主电路拓扑图如图2所示。其中H桥单元直流侧储能电容由直流电源供能，该直流电源由交流电源经整流器提供。限流电阻旁路开关由主模块控制。图3所示为H桥单元保护原理图。P1～P4为单个H桥单元控制板中的四个保护。P1表示H桥单元的直流侧过压保护。P2表示H桥单元中两个半桥模块的过温保护。P3表示H桥单元的交流侧过流保护。P4表示H桥单元的交流侧过压保护。u_dc表示H桥单元的直流侧电压。u_ac表示H桥单元的交流侧电压。i_ac表示H桥单元的交流侧电流。T1表示H桥单元中左半桥模块的温度，T2表示H桥单元中右半桥模块的温度。若三相整流后的电压出现过压或者欠压则P1作用，通过动作三相联动接触器跳开与厂用电的连接。P2通过监测安装于H桥单元中两个半桥模块散热片上的温度传感器上的温度，一旦发现温度异常，H桥单元控制板控制跳开与电源的连接。H桥单元之间采用光纤通信方式，如图4所示。MCU-M表示主H桥单元的单片机控制单元，控制主模块收发光纤信号，MUC-S表示子H桥单元的单片机控制单元，控制子模块收发光纤信号。

对应的消弧原理如下：

如图5所示，故障发生后，柔性从消弧装置的注入电流为：

式(1)中，

为柔性从消弧装置注入电流，

为母线零序电压，

为母线三相电压，L为消弧线圈电感值，C_k为线路单相对地电容值，r_k为线路单相对地电阻值，R_f为故障接地电阻值，k为馈线编号，N为馈线数量。其中，

ω＝2πf₀，为基波角频率。考虑三相电源电动势平衡，即

式(1)可整理为：

故障点接地电流为：

令

可得配电网发生单相接地后的零序等效电路为图6。

由消弧控制的目标

可得：

可见，通过控制级联H桥变流器注入电流跟踪

即可抑制故障点接地电流为零，实现零残流消弧。

特别的，在本实施例的实际应用中，采用如下步骤来实现消弧目的，如图7所示：

步骤S1:在配电网正常运行时，实时测量配电网母线三相电压和零序电压，监测是否发生单相接地故障。

步骤S2:若没有发生单相接地故障，定时注入电流测量配电网对地参数，实时更新对地参数并保存。

步骤S3:检测到单相接地故障发生后，控制级联H桥注入补偿电流，实现故障消弧。

步骤S4:消弧一段时间后判断故障是否消失，若消失则配电网恢复正常运行，否则通过选线装置隔离故障。

在本实施例中，主从式消弧系统与配电网的连接关系还可以为：所述消弧线圈接入配电网中性点，所述柔性从消弧装置挂接于配电网母线。此时，所述柔性从消弧装置采用单相、两相或三相的方式接入配电网；当柔性从消弧装置采用单相级联H桥变流器时，既能够经Z型变压器挂接于配电网中性点，又能够挂接于配电网的任意相；当柔性从消弧装置采用两相级联H桥变流器时，能够挂接于配电网的任意两相；当柔性从消弧装置采用三相级联H桥变流器时，挂接于配电网的三相。图8为消弧线圈接入配电网中性点，柔性从消弧装置挂接于配电网母线时的配电网单相接地故障等效电路图。通过控制开关K₁、K₂、K₃的通断配合，可以做到令柔性从消弧装置单相、两相或三相挂接于配电网母线上。图5、图8为主从式消弧系统的两种不同的拓扑结构图，两种拓扑结构均可做到在配电网发生单相接地故障时，消弧线圈工作于过补偿状态，补偿接地故障电流中的大部分无功分量，控制柔性从消弧装置注入补偿电流，补偿接地故障残流中的无功分量、有功分量及谐波分量。消弧线圈与柔性从消弧装置共同实现对接地故障电流的全补偿，降低接地故障残流。

当配电网发生单相接地故障时，若柔性从消弧装置经Z型变压器挂接于配电网中性点，控制柔性从消弧装置注入补偿电流

为：

式中，

为母线零序电压，

L为消弧线圈电感值，C_k为线路单相对地电容值，r_k为线路单相对地电阻值，k为馈线编号，N为馈线数量，ω为基波角频率，ω＝2πf₀。

对应的消弧原理为：

如图5所示，故障发生后，柔性从消弧装置的注入电流为：

式中，

为柔性从消弧装置注入电流，

为母线零序电压，

为母线三相电压，L为消弧线圈电感值，C_k为线路单相对地电容值，r_k为线路单相对地电阻值，R_f为故障接地电阻值，k为馈线编号，N为馈线数量。其中，

ω＝2πf₀，为基波角频率。考虑三相电源电动势平衡，即

式(6)可整理为：

故障点接地电流为：

令

可得配电网发生单相接地后的零序等效电路为图6。

由消弧控制的目标

可得：

可见，通过控制级联H桥变流器注入电流跟踪

即可抑制故障点接地电流为零，实现零残流消弧。

当配电网发生单相接地故障时，若柔性从消弧装置挂接于配电网的任意两相，控制柔性从消弧装置分别向配电网的任意两相注入补偿电流

对应的消弧原理为：

故障发生后，柔性从消弧装置的注入电流为：

由消弧目标

可得：

可得：

令

以非故障相注入补偿电流为例，任意两相级联H桥变流器注入电流为：

可见，通过控制两相级联H桥变流器注入电流跟踪

即可抑制故障点接地电流为零，实现零残流消弧。

当配电网发生单相接地故障时，若柔性从消弧装置挂接于配电网的三相，控制柔性从消弧装置注入补偿电流

为：

对应的消弧原理为：

故障发生后，柔性从消弧装置的注入电流为：

由消弧目标

可得：

可得：

令

三相级联H桥变流器注入电流为：

可见，通过控制三相级联H桥变流器注入电流跟踪

即可抑制故障点接地电流为零，实现零残流消弧。

较佳的，本实施例采用MATLAB/Simulink仿真软件搭建10kV仿真模型。为了分析主从运行方式下配电网发生单相接地故障时的消弧效果，采集故障电流及故障相电压等电气量。以消弧线圈和柔性从消弧装置并联后经Z型变压器接入配电网中性点为例，仿真模型如图9所示。仿真模型中包括两部分：一是辐射型10kV配电网，其6条出线包括架空线路，电缆线路以及架空-电缆混合线路；二是主从式消弧系统，包含消弧线圈及由级联H桥变流器构成的柔性从消弧装置。图9中，OL-5km表示5公里的架空线路，CL-5km表示5公里的电缆线路。其中配电网线路参数如表1所示。以架空线路总长度50km，电缆线路总长度71km为例，则流过故障点的电容电流公式如下：

I_C＝3U_NωC_Σ；(5)

式中：C_Σ为系统中所有线路的单相对地零序电容之和，参照表1每公里电缆和架空线路电容值，C_Σ取值为(71×0.28+50×0.008)×10^-6F；U_N为相电压，取值为

ω为基波角频率，取值为2π×50rad/s。将以上数值代入公式(5)，可得I_C＝110.35A＞20A，根据规程规定，若10kV配电网的I_C＞20A，应装设消弧线圈。

表1

取消弧线圈的过补偿度为5％，则流过故障点的电感电流为：

I_L＝U_N/ωL＝1.05×I_C；(6)

由式(6)可推出

消弧线圈的有功损耗大约为感性损耗的2.5％～5％，取3％，则消弧线圈的电阻为：

级联H桥变流器参数如表2所示。

表2

将接地电阻设置为R_f＝10Ω，其故障电流波形及电压波形如图10所示。由于接地电阻较小，接地故障电流暂态存在明显的倒相过程，这是由于在相电压过零点附近发生小电阻接地，暂态电容电流很小，暂态电流主要为电感电流。经过两个周波后，t＝0.06s接地故障电流进入稳态，此时级联H桥尚未投入，电流幅值为13.8A。t＝0.069s时，装置投入，但并未开始补偿电流。t＝0.089s时，检测到参考电流的过零点，开始输出电流补偿接地故障电流，而后接地故障电流被补偿至零点附近，最大幅值仅为3.5A，可靠消弧。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.一种配电网单相接地故障主从式消弧系统，其特征在于，包括与配电网相接的消弧线圈与柔性从消弧装置；

所述柔性从消弧装置由级联H桥变流器串联滤波电感组成；

当配电网发生单相接地故障时，消弧线圈工作于过补偿状态，补偿接地故障电流中的大部分无功分量，控制柔性从消弧装置注入补偿电流，补偿接地故障残流中的无功分量、有功分量及谐波分量。

2.根据权利要求1所述的一种配电网单相接地故障主从式消弧系统，其特征在于，所述消弧线圈为带铁芯的电感器。

3.根据权利要求1或2所述的一种配电网单相接地故障主从式消弧系统，其特征在于，所述柔性从消弧装置与所述消弧线圈并联后经Z型变压器接入配电网中性点。

4.根据权利要求3所述的一种配电网单相接地故障主从式消弧系统，其特征在于，当配电网发生单相接地故障时，控制柔性从消弧装置注入补偿电流

为：

式中，

为母线零序电压，

L为消弧线圈电感值，C_k为线路单相对地电容值，r_k为线路单相对地电阻值，k为馈线编号，N为馈线数量，ω为基波角频率，ω＝2πf₀。

5.根据权利要求1或2所述的一种配电网单相接地故障主从式消弧系统，其特征在于，所述消弧线圈接入配电网中性点，所述柔性从消弧装置挂接于配电网母线。

6.根据权利要求4所述的一种配电网单相接地故障主从式消弧系统，其特征在于，所述柔性从消弧装置采用单相、两相或三相的方式接入配电网；当柔性从消弧装置采用单相级联H桥变流器时，既能够经Z型变压器挂接于配电网中性点，又能够挂接于配电网的任意相；当柔性从消弧装置采用两相级联H桥变流器时，能够挂接于配电网的任意两相；当柔性从消弧装置采用三相级联H桥变流器时，挂接于配电网的三相。

7.根据权利要求6所述的一种配电网单相接地故障主从式消弧系统，其特征在于，当配电网发生单相接地故障时，若柔性从消弧装置经Z型变压器挂接于配电网中性点，控制柔性从消弧装置注入补偿电流

为：

式中，

为母线零序电压，

L为消弧线圈电感值，C_k为线路单相对地电容值，r_k为线路单相对地电阻值，k为馈线编号，N为馈线数量，ω为基波角频率，ω＝2πf₀。

8.根据权利要求6所述的一种配电网单相接地故障主从式消弧系统，其特征在于，当配电网发生单相接地故障时，若柔性从消弧装置挂接于配电网的任意两相，控制柔性从消弧装置分别向配电网的任意两相注入补偿电流

式中，

为母线A相电动势，

L为消弧线圈电感值，C_k为线路单相对地电容值，r_k为线路单相对地电阻值，k为馈线编号，N为馈线数量，ω为基波角频率，ω＝2πf₀，

为B相电压，

为C相电压。

9.根据权利要求6所述的一种配电网单相接地故障主从式消弧系统，其特征在于，当配电网发生单相接地故障时，若柔性从消弧装置挂接于配电网的三相，控制柔性从消弧装置分别向三相注入补偿电流

式中，

为母线A相电动势，

L为消弧线圈电感值，C_k为线路单相对地电容值，r_k为线路单相对地电阻值，k为馈线编号，N为馈线数量，ω为基波角频率，ω＝2πf₀，

为B相电压，

为C相电压。

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