CN112152194A

CN112152194A - 一种配电网单相接地故障消弧系统及其控制方法

Info

Publication number: CN112152194A
Application number: CN202011030074.1A
Authority: CN
Inventors: 荣飞; 刘成; 黄晓辉; 徐爽; 朱语博; 孙宗卿; 潘烙; 陈志忠
Original assignee: Hunan University
Current assignee: Hunan University
Priority date: 2020-09-24
Filing date: 2020-09-24
Publication date: 2020-12-29

Abstract

本发明公开了一种配电网单相接地故障消弧系统及其控制方法。该配电网单相接地故障消弧系统包括：反相变换器、选相开关、有源补偿装置；反相变换器采用连接组别为Yyn6的三相变压器，有源补偿装置由三相不可控整流桥、母线电容、单相逆变桥、滤波电感L、滤波电容C、单相隔离变压器依次连接构成；反相变换器的一次侧接10kV配电网，二次侧通过选相开关连接到有源补偿装置中的单相隔离变压器的二次侧的一个端口，单相隔离变压器二次侧的第二个端口连接到电力系统配电室接地变压器一次侧中性点上；本发明首先利用Yyn6变压器将故障相电压反相接入中性点，考虑反相变换器二次侧输出电压与一次侧输入电压存在由于相位偏差所引起的电压偏差，利用有源补偿装置补偿反相变换器的二次侧输出电压与一次侧输入电压的电压偏差，从而实现完全消弧；该方法的消弧效果不受接地电阻的影响，并且能够在实现完全消弧的同时大大降低有源补偿装置的容量，成本低，经济性好。

Description

一种配电网单相接地故障消弧系统及其控制方法

技术领域

本发明专利属于配电网接地故障抑制领域，特别涉及一种配电网单相接地故障消弧系统及其控制方法。

背景技术

配电网是电力网络的终端部分，配电网系统的安全性、可靠性在很大程度上影响用户所获得电能的质量，配电网具有电压等级多、设备类型多、网络结构复杂等特点，容易发生故障，其中85％以上的故障为单相接地故障。

随着配电网规模的扩大以及电缆线路的大量使用，配电网线路对地电容值日益增大，发生单相接地故障后，故障点会流过较大的电流，如不及时抑制，容易引发山火和人身触电等事故，除此之外，也容易发生单相弧光接地，产生弧光过电压，严重威胁设备绝缘。因此安全、有效处理单相接地故障对社会及经济发展意义重大。

无源消弧法分为消弧线圈消弧和消弧柜消弧，消弧线圈消弧原理是利用消弧线圈产生的感性电流去抵消容性电流，消弧线圈可能无法实现故障电流的完全消除还有可能产生谐振过电压。消弧柜消弧是在配电线路母线处安装一个接地装置，使故障电流都经过消弧柜流经大地，钳位故障点电压为零，但是没有从根本上抑制故障电流，同时存在装置动作延时长等问题。

有源消弧法是根据系统参数计算出中性点需要注入电流的理论值，控制有源补偿装置输出电流跟随参考值注入到中性点，将故障电流抑制为0。但是这种方法存在有源补偿装置容量大，成本高的问题。

因此研究一种配电网单相接地故障消弧系统及其控制方法对配电网单相接地故障消弧有重大意义。

鉴于传统的无源消弧方法存在不能完全消除故障电流的问题，有源消弧方法能实现完全消弧，但存在装置容量大的问题。因此有必要研究一种既能实现故障电流完全消除、又能降低有源补偿装置容量的配电网单相接地故障消弧系统及其控制方法。

发明内容

本发明的目的在于，针对现有技术的不足，提供一种配电网单相接地故障消弧系统及其控制方法，实现在不同接地电阻情况下均能实现完全消弧，并且有效的降低有源补偿装置的容量。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

(1)通过设置反相变换器的变比k₁，将故障相相电压通过连接组别为Yyn6的三相变压器反相接入中性点中，实现接地点故障电压为0。

(2)考虑到反相变换器的二次侧电压与一次侧电压存在相位偏差，进而造成二次侧电压与一次侧电压存在偏差，利用有源补偿装置去补偿此电压偏差，将选线开关输出电压值与有源补偿装置输出电压叠加后接入中性点，实现接地故障全补偿。

本发明的有益效果是：1)与传统的无源消弧法相比，本方法能够实现故障电流完全补偿；2)与传统的有源消弧法相比，将反相变换器与有源补偿装置串联使用，反相变换器能够消除绝大部分故障电流，有源补偿装置对故障点的残流进行消除即可，能够有效降低有源补偿装置容量，成本低，经济性好。

附图说明

图1一种配电网单相接地故障消弧系统结构示意图；

图2有源补偿装置中单相逆变桥的控制系统框图；

图3接地电阻为10Ω，0.125s发生单相接地故障，0.3s仅投入反相变换器，0.7s投入反相变换器和有源补偿装置，故障点的电压、电流波形；

图4接地电阻为100Ω，0.125s发生单相接地故障，0.3s仅投入反相变换器，0.7s投入反相变换器和有源补偿装置，故障点的电压、电流波形；

图5接地电阻为700Ω，0.125s发生单相接地故障，0.3s仅投入反相变换器，0.7s投入反相变换器和有源补偿装置，故障点的电压、电流波形。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1为配电网单相接地故障消弧系统结构示意图，本发明中配电网单相接地故障消弧系统由反相变换器、选相开关、有源补偿装置组成；反相变换器为三相变压器，三相变压器的连接组别为Yyn6，反相变换器的一次侧接10kV配电网，二次侧接选相开关输入端；有源补偿装置包括三相不可控整流桥、母线电容、单相逆变桥、滤波电感L、滤波电容C、单相隔离变压器；三相不可控整流桥的交流侧接入电力系统配电室接地变压器二次侧；三相不可控整流桥输出端的正、负极分别接母线电容的正、负极；母线电容的正、负极分别接单相逆变桥直流侧正、负极；单相逆变桥输出端的第一个端口接滤波电感L的第一个端口，滤波电感L的第二个端口同时接滤波电容C的第一个端口和单相隔离变压器一次侧的第一个端口；单相隔离变压器一次侧的第二个端口同时接滤波电容C的第二个端口和单相逆变桥输出端的第二个端口；单相隔离变压器二次侧的第一个端口接电力系统配电室接地变压器一次侧中性点，第二个端口接选相开关的输出端。

在本实例中，配电网线电压为10kV，反相变换器额定电压U_N＝10kV，配电网允许电压偏差b＝7％，配电网输电线路单相对地电容C₀＝8.42uF，短路损耗P_k＝2850W，短路电压百分比U_k％＝3.7％，母线电容大小为2uF，母线电容额定电压U_dc＝537V，滤波电感L＝0.15mH，滤波电容C＝0.4uF，k_p＝0.12，k_r＝170，ζ＝0.00001，ω＝100π。

针对配电网单相接地故障消弧系统的控制方法，包含以下几个步骤：

步骤1：设置反相变换器的二次侧和一次侧之间的变比k₁，变比k₁满足如下关系：k₁＝1-U_k％/100。

其中U_k％为短路电压百分比，可通过反相变换器铭牌数据获得。

步骤2：设置单相隔离变压器二次侧和一次侧之间的变比k₂，变比k₂满足如下关系：1)计算反相变换器一次侧额定电流I_N：I_N＝(3)^1/2×k₁×U_N×ω×C₀；其中U_N为反相变换器额定电压，ω为电网角频率，C₀为配电网输电线路单相对地电容，通过电力建设施工单位获得；2)计算得到反相变换器的总内阻R_T、总漏抗X_T、总阻抗Z_T分别为：R_T＝P_k/(3×(I_N)²)、X_T＝(U_k％/100×U_N)/((3)^1/2×I_N)和Z_T＝R_T+jX_T；其中P_k为短路损耗，可通过反相变换器铭牌数据获得；3)计算反相变换器二次侧电压与一次侧电压相位夹角的a：a＝cos^-1((12×((k₁)²+1)×(U_N)²-25×(k₁)²×(I_N)²×(Z_T)²)/(24×k₁×(U_N)²))；4)根据电力公司提供的配电网允许电压偏差b，计算反相变换器一次侧电压和二次侧电压偏差U_max：U_max＝(2/3×b²×(U_N)²-2/3×b²×(U_N)²×cosa)^1/2；5)计算得到单相隔离变压器二次侧和一次侧之间的变比k₂：k₂＝U_max/(0.707×U_dc)，其中，U_dc为母线电容额定电压。

步骤3：选相开关自动将反相变换器二次侧与故障相对应的相线与单相隔离变压器联通。

图2为有源补偿装置中单相逆变桥的控制系统框图，对应步骤4、步骤5和步骤6。

步骤4：测量得到选线开关输出电压值U₂，测量得到故障相电压值U_l，计算得到有源补偿装置需要补偿的电压参考值U_invref：U_invref＝(-U_l-U₂)/k₂。

步骤5：测量得到滤波电容C两端电压值U_invl，将U_invl与U_invref进行比较，通过准PR控制器，得到单相逆变桥调制电压u_r：u_r＝(U_invref-U_inv1)×(k_p+(k_r×s)/(s²+2×ζ×ω×s+ω²))。

其中k_p为准PR控制器比例系数，k_r为准PR控制器谐振系数，ζ为准PR控制器阻尼系数。

步骤6：对u_r进行SPWM调制，得到单相逆变桥控制信号。

图3为接地电阻为10Ω，0.125s发生单相接地故障，0.3s仅投入反相变换器，0.7s投入反相变换器和有源补偿装置，故障点的电压、电流波形，0.125s发生单相接地故障后，故障电流达到45.67A，故障点电压达到456.7V；0.3s投入相线变换器后，故障电流降低到1.603A，故障电压降低到16.03V；0.7s投入有源补偿装置后，故障电流能够降低到0.012A，故障点电压降低到0.12V。

图4为接地电阻为100Ω，0.125s发生单相接地故障，0.3s仅投入反相变换器，0.7s投入反相变换器和有源补偿装置，故障点的电压、电流波形，0.125s发生单相接地故障后，故障电流达到35.89A，故障点电压达到3589V；0.3s投入相线变换器后，故障电流降低到0.177A，故障电压降低到17.7V；0.7s投入有源补偿装置后，故障电流能够降低到0.001A，故障点电压降低到0.1V。

图5为接地电阻为700Ω，0.125s发生单相接地故障，0.3s仅投入反相变换器，0.7s投入反相变换器和有源补偿装置，故障点的电压、电流波形，0.125s发生单相接地故障后，故障电流达到8.117A，故障点电压达到5682V；0.3s投入相线变换器后，故障电流降低到0.0254A，故障电压降低到17.78V；0.7s投入有源补偿装置后，故障电流能够降低到0.0001788A，故障点电压降低到0.125V。

Claims

1.一种配电网单相接地故障消弧系统及其控制方法，其特征在于所述的配电网单相接地故障消弧系统由反相变换器、选相开关、有源补偿装置三部分组成；

所述的反相变换器为三相变压器，三相变压器的连接组别为Yyn6，反相变换器的一次侧接10kV配电网，二次侧接选相开关输入端；

所述的有源补偿装置包括三相不可控整流桥、母线电容、单相逆变桥、滤波电感L、滤波电容C、单相隔离变压器；

三相不可控整流桥的交流侧接入电力系统配电室接地变压器二次侧；三相不可控整流桥输出端的正、负极分别接母线电容的正、负极；母线电容的正、负极分别接单相逆变桥直流侧正、负极；单相逆变桥输出端的第一个端口接滤波电感L的第一个端口，滤波电感L的第二个端口同时接滤波电容C的第一个端口和单相隔离变压器一次侧的第一个端口；单相隔离变压器一次侧的第二个端口同时接滤波电容C的第二个端口和单相逆变桥输出端的第二个端口；单相隔离变压器二次侧的第一个端口接电力系统配电室接地变压器一次侧中性点，第二个端口接选相开关的输出端；

所述的配电网单相接地故障消弧系统的控制方法，其特征在于由如下步骤组成：

步骤一：设置反相变换器的二次侧和一次侧之间的变比k₁，变比k₁满足如下关系：

k₁＝1-U_k％/100

其中U_k％为短路电压百分比，可通过反相变换器铭牌数据获得；

步骤二：设置单相隔离变压器二次侧和一次侧之间的变比k₂，变比k₂满足如下关系：

计算反相变换器一次侧额定电流I_N：

I_N＝(3)^1/2×k₁×U_N×ω×C₀

其中U_N为反相变换器额定电压，ω为电网角频率，C₀为配电网输电线路单相对地电容，通过电力建设施工单位获得；

计算得到反相变换器的总内阻R_T、总漏抗X_T、总阻抗Z_T分别为：

R_T＝P_k/(3×(I_N)²)

X_T＝(U_k％/100×U_N)/((3)^1/2×I_N)

Z_T＝R_T+jX_T

其中P_k为短路损耗，可通过反相变换器铭牌数据获得；

计算反相变换器二次侧电压与一次侧电压相位夹角a：

a＝cos^-1((12×((k₁)²+1)×(U_N)²-25×(k₁)²×(I_N)²×(Z_T)²)/(24×k₁×(U_N)²))

计算反相变换器二次侧电压和一次侧电压偏差U_max：

U_max＝(2/3×b²×(U_N)²-2/3×b²×(U_N)²×cosa)^1/2

其中，变量b表示配电网允许电压偏差，由电力公司提供；

计算得到单相隔离变压器二次侧和一次侧之间的变比k₂为：

k₂＝U_max/(0.707×U_dc)

其中，U_dc为母线电容额定电压；

步骤三：选相开关自动将反相变换器二次侧与故障相对应的相线与单相隔离变压器联通；

步骤四：测量得到选线开关输出电压值U₂，测量得到故障相电压值U_l，计算得到有源补偿装置需要补偿的电压参考值U_invref：

U_invref＝(-U_l-U₂)/k₂

步骤五：测量得到滤波电容C两端电压值U_invl，将U_invl与U_invref进行比较，通过准PR控制器，得到单相逆变桥调制电压u_r：

u_r＝(U_invref-U_inv1)×(k_p+(k_r×s)/(s²+2×ζ×ω×s+ω²))

其中k_p为准PR控制器比例系数，k_r为准PR控制器谐振系数，ζ为准PR控制器阻尼系数；

步骤六：对u_r进行SPWM调制，得到单相逆变桥控制信号。

2.根据权利要求1所述的配电网单相接地故障消弧系统及其控制方法，其特征在于，配电网线电压为10kV，反相变换器额定电压U_N＝10kV，配电网允许电压偏差b＝7％，母线电容大小为2uF，母线电容额定电压U_dc＝537V，滤波电感L＝0.15mH，滤波电容C＝0.4uF，k_p＝0.12，k_r＝170，ζ＝0.00001，ω＝100π。