CN112054530B - 一种基于故障相残压的全补偿系统直阻设计方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供了一种基于故障相残压的全补偿系统直阻设计方法及系统，用于全补偿系统直流电阻理论计算。本发明方法包括：确定允许最大接地残压限值，获取单相对地分布电容，计算单相接地故障最大接地电阻，确定需要补偿的最大电流及所需补偿电流为容性或感性，计算调压变压器最优分接电压，计算线相变换器及调压变压器折算到系统中性点的直流电阻最大值。本发明通过故障相残压限制、电网系统对地分布电容、接地故障最大接地电阻，得到了全补偿系统直流电阻设计的基础理论，该设计理论及方法，可有效减少全补偿系统生产制造成本，避免工程应用中出现设计不合格问题，是补偿变压器直流电阻的优化设计能极大提高补偿精度。

Description

一种基于故障相残压的全补偿系统直阻设计方法及系统
技术领域
本发明涉及电子领域，具体涉及一种基于故障相残压的全补偿系统直阻设计方法及系统。
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。
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。例如：瑞典SwedishNeutral制造的GFN(接地故障中和器)为代表的利用电力电子有源电源实现接地故障全补偿，以及一种配电网接地故障消弧和保护方法(CN102074950A)技术原理上亦属于有源全补偿。另一方面，还有一种自产供电相电源的接地故障电流补偿系统及方法的专利(CN201910992110.3和CN201910992109.0等)，由于利用相供电电源变换器，并且不存在电力电子电源，其在成本、稳定性方面均有一定优势。
现有专利一种全补偿系统电压跌落的分析方法(CN202010081976.1、CN202010081977.6)、专利一种自产供电电源接地故障补偿系统补偿调节方法(申请号CN202010081967.2)等给出了额定变比计算方法，但设计时并未考虑残压的影响，且未给出全补偿系统的直流电阻设计基础理论。不能实现配电系统单相接地故障残压的精准控制。
本申请的发明人持续进行全补偿系统设计技术探索，为解决全补偿系统各部件缺乏设计理论的难题，本发明通过故障相残压限制、电网系统对地分布电容、接地故障最大接地电阻，得到了全补偿系统直流电阻设计的基础理论，该设计理论及方法，可有效减少全补偿系统生产制造成本，避免工程应用中出现设计不合格问题，是全补偿系统设计的重要理论依据，补偿变压器直流电阻的优化设计能极大提高补偿精度。
发明内容
本发明提供了一种基于故障相残压的全补偿系统直阻设计方法，用于全补偿系统直流电阻理论计算。
本发明第一方面提供了一种基于故障相残压的全补偿系统直阻设计方法，包括：
确定允许最大接地残压限值；
获取Yy型接地故障全补偿系统所接入电网系统的单相对地分布电容；
计算所述Yy型接地故障全补偿系统所接入电网系统的单相接地故障最大接地电阻；
确定需要补偿的最大电流及所需补偿电流为容性或感性；
计算在最大补偿电流下的调压变压器最优分接电压；
计算线相变换器及调压变压器折算到系统中性点的直流电阻最大值。
可选地，所述最大接地残压限值在10V～200V范围内。
可选地，所述系统最大接地电阻计算公式为：
Rmax为系统最大接地电阻，ω为系统角频率，C0为系统单相对地分布电容；
可选地，所述系统最大接地电阻根据不同接地故障的阻抗特征设置为0.5kΩ～50kΩ之间。
可选地，当所述最大补偿电流为感性电流时，所述调压变压器最优分接电压计算公式为：
Ue22为调压变压器最优分接电压；Ue1为Yy型线相变换器的一次侧额定电压；Ue2为调压变压器一次侧额定电压；m为线相变换器的额定电压比；为系统额定相电压；Imax为所述最大补偿电流；ω为系统角频率；S1为线相变换器的额定容量；S2为调压变压器的额定容量；D1为线相变换器的短路阻抗百分比；D2为调压变压器的短路阻抗百分比。
可选地，当所述最大补偿电流为容性电流时，所述调压变压器最优分接电压计算公式为：
Ue22为调压变压器最优分接电压；Ue1为Yy型线相变换器的一次侧额定电压；Ue2为调压变压器一次侧额定电压；m为线相变换器的额定电压比；为系统额定相电压；Imax为所述最大补偿电流；ω为系统角频率；S1为线相变换器的额定容量；S2为调压变压器的额定容量；D1为线相变换器的短路阻抗百分比；D2为调压变压器的短路阻抗百分比。
可选地，所述直流电阻包括线相变换器和调压变压器的直流电阻，所述直流电阻限值计算公式为：
其中Ucy为允许最大接地残压限值；Ue22为调压变压器最优分接电压；Ue1为Yy型线相变换器的一次侧额定电压；Ue2为为调压变压器一次侧额定电压；m为线相变换器的额定电压比；为系统额定相电压；ω为系统角频率；S1为线相变换器的额定容量；S2为调压变压器的额定容量；D1为线相变换器的短路阻抗百分比；D2为调压变压器的短路阻抗百分比；Rmax系统最大接地电阻；rT为线相变换器及调压变压器折算到系统中性点一侧的直流电阻最大值；Imax为所述最大补偿电流。
本发明实施例第二方面提供了一种基于故障相残压的全补偿系统直阻设计系统，包括：
确定单元，用于确定允许最大接地残压限值；
获取单元，用于获取Yy型接地故障全补偿系统所接入电网系统的单相对地分布电容；
计算单元，用于计算所述Yy型接地故障全补偿系统所接入电网系统的单相接地故障最大接地电阻；
所述确定单元，还用于确定需要补偿的最大电流及所需补偿电流为容性或感性；
所述计算单元，还用于计算在最大补偿电流下的调压变压器最优分接电压；
所述计算单元，还用于计算线相变换器及调压变压器折算到系统中性点的直流电阻最大值。
以上技术方案可以看出，本申请实施例具有以下优点：确定允许最大接地残压限值，获取Yy型接地故障全补偿系统的单相对地分布电容，计算所述Yy型接地故障全补偿系统单相故障的最大接地电阻，确定需要补偿的最大电流及所需补偿电流为容性或感性，计算在最大补偿电流下的调压变压器最优分接电压，计算线相变换器及调压变压器折算到系统中性点的直流电阻最大值。通过限制最大接地残压的值并确定进行补偿的电流，降低了接地故障相残压，为自产供电电源补偿系统的变压器设计提供了设计约束和设计目标，为自产供电电源补偿系统的工程应用提供重要的设计依据。
附图说明
图1为本发明实施例基于故障相残压的全补偿系统直阻设计方法示意图；
图2为本发明实施例Yy型接地故障全补偿系统示意图；
图3为本发明实施例基于故障相残压的全补偿系统直阻设计系统示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种基于故障相残压的全补偿系统直阻设计方法，用于降低接地故障相残压。
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，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，都应当属于本申请保护的范围。
为了便于理解，下面对本申请实施例中的具体流程进行描述，请参阅图1，本申请实施例中基于故障相残压的全补偿系统直阻设计方法的一个实施例包括：
101、确定允许最大接地残压限值；
具体地，最大接地残压的限值可以由Yy型接地故障全补偿系统的设计者进行指定，其中，限值越低则系统的安全性越高，一般地最大接地残压限值在10V～200V范围内，通常选择人体安全电压36V。
102、获取Yy型接地故障全补偿系统所接入电网系统的单相对地分布电容；
计算所述Yy型接地故障全补偿系统单相故障的最大接地电阻；具体地，分布电容是指由非电容形态形成的一种分布参数，这种电容的容量很小，但可能对电路形成一定的影响。获取单向对地分布电容则可以采用间接法，通过计算三相系统的电容电流总和，再计算单相对地分布电容。
103、计算所述Yy型接地故障全补偿系统所接入电网系统的单相接地故障最大接地电阻；
具体地，接地电阻是电流由接地装置流入大地再经大地流向另一接地体或向远处扩散所遇到的电阻，它包括接地线和接地体本身的电阻、接地体与大地的电阻之间的接触电阻以及两接地体之间大地的电阻或接地体到无限远处的大地电阻，对残压存在影响，所以需要计算所述Yy型接地故障全补偿系统单相故障的最大接地电阻。
进一步地，确定Yy型线相变换器的额定容量、短路阻抗百分比、额定电压比、获取调压变压器额定容量、一次侧额定电压、短路阻抗百分比，，上述参数大多在设备设计时获得，并在铭牌上体现。
具体地，所述系统最大接地电阻计算公式为：
其中，Rmax为系统最大接地电阻，ω为系统角频率，C0为系统单相对地分布电容。
104、确定需要补偿的最大电流及所需补偿电流为容性或感性；
具体地，电网系统在单相接地时通过电流补偿可以降低故障点的电压和电流，所需补偿电流是变化值，一般还要考虑一定裕量。
示例性地，某电网系统电容电流10A，考虑一定裕量，补偿系统的最大所需接地补偿电流为电容电流的1.1～1.5倍，此时接地残流为容性电流。
示例性地，某系统电容电流10A，配置30A消弧线圈，通过控制消弧线圈(消弧线圈是有调节能力的)可将接地残流控制在10A以下，则电网系统需要补偿的最大电流为10A，此时接地残流为感性电流。
105、计算在最大补偿电流下的调压变压器最优分接电压；
具体地，当所述最大补偿电流为感性电流时，所述调压变压器最优分接电压计算公式为：
具体地，当所述最大补偿电流为容性电流时，所述调压变压器最优分接电压计算公式为：
其中Ue22为调压变压器最优分接电压；Ue1为Yy型线相变换器的一次侧额定电压；Ue2为调压变压器一次侧额定电压；m为线相变换器的额定电压比；为系统额定相电压；Imax为所述最大补偿电流；ω为系统角频率；S1为线相变换器的额定容量；S2为调压变压器的额定容量；D1为线相变换器的短路阻抗百分比；D2为调压变压器的短路阻抗百分比。
106、计算线相变换器及调压变压器折算到系统中性点的直流电阻最大值。
具体地，所述直流电阻包括线相变换器和调压变压器的直流电阻，所述直流电阻限值计算公式为：
其中Ucy为允许最大接地残压限值；Ue32为调压变压器最优分接电压；Ue1为相供电电源产生器的一次侧额定电压；Ue2为相供电电源相位变换器的一次侧额定电压；Ue3为调压变压器的一次侧额定电压；为系统额定相电压；m为相供电电源产生器的额定电压比；n为相供电电源相位变换器的额定电压比；S1为相供电电源产生器的额定容量；S2为相供电电源相位变换器的额定容量；S3为调压变压器的额定容量；D1为相供电电源产生器的短路阻抗百分比；D2为相供电电源相位变换器的短路阻抗百分比；D3为调压变压器的短路阻抗百分比；Rmax系统最大接地电阻；rT为线相变换器及调压变压器折算到系统中性点一侧的直流电阻最大值；Imax为所述最大补偿电流。
基于图1，对Yy型接地故障全补偿系统进行进一步的介绍，具体请参见图2，本发明实施例中一种Yy型接地故障全补偿系统示意图包括：
其中，Yy型线相变换器201、用于提供接地全补偿所需的补偿电源。分相补偿开关202、用于将故障相对应的全补偿电源接入系统进行补偿。调压变压器203，用于控制调压器调节电压等，控制器204，用于根据系统参数判断接地情况，投入分相开关某相开关闭合进行补偿。控制调压器调节电压等。
下面结合图1与图2，以系统不含有消弧线圈的情况为例，本发明实施例进行考虑残压的自产供电电源补偿变压器直流电阻设计方法过程如下：
设计师可以确定目标限值为100V，计算得到所述系统单相对地分布电容为1.5uF，根据所述系统最大接地电阻计算公式计算引起单相接地故障的最大接地电阻为4662V，并从设备铭牌上获取相供电电源产生器额定容量为200kVA，短路阻抗为4％、额定电压比为10kV/10kV、相供电电源相位变换器额定容量为200kVA、短路阻抗为4％、额定电压比为10kV/10kV、调压变压器额定容量60kVA，一次侧额定电压为103kV，短路阻抗百分比为4％，确定系统最大接地残流为10A容性电流，计算调压器变压器中性点一侧最优分接电压5.324kV，计算相供电电源产生器、相供电电源相位补偿器及调压变压器折算到系统中性点一侧的直流电阻最大值为8.6Ω。
上述计算最大接地电阻的计算公式与实施例103相同，计算容性电流的公式与实施例105内的容性电流计算公式相同，计算调压变压器最优分接电压计算公式与实施例106相同，在此则不做赘述。
上面对本申请实施例中的方法部分进行了介绍，下面从虚拟系统的角度对本申请实施例进行说明。
请参阅图3，本申请实施例中基于故障相残压的全补偿系统直阻设计系统的一个实施例包括：
确定单元301，用于确定允许最大接地残压限值；
获取单元302，用于获取Yy型接地故障全补偿系统所接入电网系统的单相对地分布电容；
计算单元303，用于计算所述Yy型接地故障全补偿系统所接入电网系统的单相接地故障最大接地电阻；
所述确定单元301，还用于确定需要补偿的最大电流及所需补偿电流为容性或感性；
所述计算单元303，还用于计算在所述最大补偿电流下的调压变压器最优分接电压；
所述计算单元303，还用于计算所述线相变换器及调压变压器折算到系统中性点的直流电阻最大值。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种基于故障相残压的全补偿系统直阻设计方法，应用于Yy型接地故障全补偿系统，其特征在于，所述方法包括：
确定允许最大接地残压限值；
获取Yy型接地故障全补偿系统所接入电网系统的单相对地分布电容；
计算所述Yy型接地故障全补偿系统所接入电网系统的单相接地故障最大接地电阻；所述最大接地电阻计算公式为：
Rmax为最大接地电阻，为系统角频率，C0为系统单相对地分布电容；确定需要补偿的最大电流及所需补偿电流为容性或感性；计算在最大补偿电流下的调压变压器最优分接电压；计算线相变换器及调压变压器折算到系统中性点的直流电阻最大值；所述直流电阻包括线相变换器和调压变压器的直流电阻，所述直流电阻限值计算公式为：
；
其中为允许最大接地残压限值；/>为调压变压器最优分接电压；/>为Yy型线相变换器的一次侧额定电压；/>为为调压变压器一次侧额定电压；/>为线相变换器的额定电压比；为系统额定相电压；/>为系统角频率；/>为线相变换器的额定容量；/>为调压变压器的额定容量；/>为线相变换器的短路阻抗百分比；/>为调压变压器的短路阻抗百分比；/>系统最大接地电阻；/>为线相变换器及调压变压器折算到系统中性点一侧的直流电阻最大值；为所述最大补偿电流。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述最大接地残压限值在10V~200V范围内。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，系统最大接地电阻根据不同接地故障的阻抗特征设置为0.5kΩ~50kΩ之间。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述最大补偿电流为感性电流时，所述调压变压器最优分接电压计算公式为：
；
为调压变压器最优分接电压；/>为Yy型线相变换器的一次侧额定电压；/>为调压变压器一次侧额定电压；m为线相变换器的额定电压比；/>为系统额定相电压；/>为所述最大补偿电流；/>为系统角频率；/>为线相变换器的额定容量；/>为调压变压器的额定容量；/>为线相变换器的短路阻抗百分比；/>为调压变压器的短路阻抗百分比。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述最大补偿电流为容性电流时，所述调压变压器最优分接电压计算公式为：
；
为调压变压器最优分接电压；/>为Yy型线相变换器的一次侧额定电压；/>为调压变压器一次侧额定电压；m为线相变换器的额定电压比；/>为系统额定相电压；/>为所述最大补偿电流；/>为系统角频率；/>为线相变换器的额定容量；/>为调压变压器的额定容量；/>为线相变换器的短路阻抗百分比；/>为调压变压器的短路阻抗百分比。
6.一种基于故障相残压的全补偿系统直阻设计系统，其特征在于，包括：
确定单元，用于确定允许最大接地残压限值；
获取单元，用于获取Yy型接地故障全补偿系统所接入电网系统的单相对地分布电容；
计算单元，用于计算所述Yy型接地故障全补偿系统所接入电网系统的单相接地故障最大接地电阻；所述最大接地电阻计算公式为：
Rmax为最大接地电阻，为系统角频率，C0为系统单相对地分布电容；
所述确定单元，还用于确定需要补偿的最大电流及所需补偿电流为容性或感性；
所述计算单元，还用于计算在所述最大补偿电流下的调压变压器最优分接电压；
所述计算单元，还用于计算线相变换器及调压变压器折算到系统中性点的直流电阻最大值；
所述直流电阻包括线相变换器和调压变压器的直流电阻，所述直流电阻限值计算公式为：
；
其中为允许最大接地残压限值；/>为调压变压器最优分接电压；/>为Yy型线相变换器的一次侧额定电压；/>为为调压变压器一次侧额定电压；/>为线相变换器的额定电压比；为系统额定相电压；/>为系统角频率；/>为线相变换器的额定容量；/>为调压变压器的额定容量；/>为线相变换器的短路阻抗百分比；/>为调压变压器的短路阻抗百分比；/>系统最大接地电阻；/>为线相变换器及调压变压器折算到系统中性点一侧的直流电阻最大值；为所述最大补偿电流。
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