CN112260249A - 一种配电网单相接地故障柔性消弧方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种配电网单向接地故障柔性消弧方法，具体为：步骤1，向中性点注入两个幅值不同，相位相同的工频电流并得到对应的中性点电压及计算配电网对地参数；步骤2，判断是否发生单相接地故障；若无，则返回步骤1，若是，进行故障选相；步骤3，选相成功后，向中性点注入两个工频电流并得到对应的中性点电压，计算接地电阻；步骤4，将接地电阻和临界电阻进行比较，若接地电阻大于临界电阻，则选用电压消弧法产生逆变电流，反之选用电流消弧法产生逆变电流；步骤5，逆变电流进行滤波后成为指令电流注入配电网中性点，抑制故障相电压为零，达到消弧目的。本发明解决了现有技术中存在的消弧效果不佳的问题。

Description

一种配电网单相接地故障柔性消弧方法

技术领域

本发明属于配电网单相接地故障处理方法技术领域，涉及一种配电网单相接地故障柔性消弧方法。

背景技术

我国配电网中单相接地故障占到70％以上。为降低单相接地故障电流，一般采取中性点非有效接地系统。当发生单相接地故障时，可以补偿对地容性电流，减小故障电流，促进故障消弧。随着配电网的发展、电缆线路的增加以及设备柔性化解决了传统配电网发展的一些难题，但同时也使接地残流中无功分量、有功分量和谐波分量增大，影响故障电弧的熄灭，为电力系统正常运行带来了安全隐患。因此解决单相接地故障对配电网的安全可靠运行有着重要的作用。

目前，国内外学者对消除单相接地故障提出了很多方法，主要包括无源消弧法和有源消弧法。

无源消弧法是基于消弧线圈的传统无源消弧装置，对接地故障电流中容性无功的基波分量进行补偿，现在已不能满足配电网故障消弧的需求。

有源消弧法是利用有源补偿装置向系统注入特定的零序电流，补偿接地残流中无功分量，谐波分量和有功分量，实现接地电流全补偿。根据控制目标不同，有源消弧法又分为电流消弧法和电压消弧法。

电流消弧方法控制目标为接地故障电流，使接地故障电流为零。但其注入的指令电流需要精确的配电网对地参数，实际中配电网对地参数测量困难，当测量结果不精确时，故障残流较大。在低阻接地时，消弧效果优异，在低阻接地时，消弧效果较差。

电压消弧方法控制目标为故障相恢复电压，使故障相恢复电压为零。在高阻接地时，消弧性能卓越。但在低阻接地时，消弧效果不佳。

发明内容

本发明的目的是提供一种配电网单向接地故障柔性消弧方法，解决了现有技术中存在的消弧效果不佳的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种配电网单向接地故障柔性消弧方法，具体按照如下步骤实施：

步骤1，在配电网正常时运行时，利用柔性逆变装置向中性点注入两个幅值不同，相位相同的工频电流

得到对应的两个中性点电压

并计算出配电网对地参数；

步骤2，对三相电压

和中性点对地电压

采样计算，利用零序电压元件判断是否发生单相接地故障；若无，则返回步骤1，若是，进行故障选相；

步骤3，选相成功后，利用柔性逆变装置向中性点注入两个幅值不同的工频电流

得到对应的两个中性点电压

根据步骤1计算的配电网对地参数计算接地电阻；

步骤4，将接地电阻R_d和临界电阻R_set进行比较，若接地电阻R_d大于临界电阻R_set，则选用电压消弧法产生逆变电流，反之选用电流消弧法产生逆变电流；

步骤5，逆变电流进行滤波后成为指令电流，然后通过接地变压器将指令电流注入配电网中性点，抑制故障相电压为零，从而熄灭故障电流，达到消弧目的。

本发明的特征还在于，

步骤1中配电网对地参数表达式为：

C₀为三相对地电容平均值，R₀为三相对地泄露电阻平均值，

为中性点位移电压，L₁为消弧线圈，

为注入的两个幅值不同、相位相同的工频小电流，

对应的中性点偏移电压为

步骤2中利用零序电压元件判断是否发生单相接地故障具体为：

若发生单相接故障，则故障相电压幅值下降，非故障相相电压幅值上升成线电压幅值，且相电压幅值下降相即为故障相。

步骤3中接地电阻R_d的计算方法为：

步骤4具体为：

若R_d>R_set，将指令电流与实际注入电流做差，送入电流控制系统得到调制信号，再与载波比较后得到PWM驱动脉冲，控制开关管的通断产生逆变电流；

若R_d≤R_set，将指令电压设置为故障相电压相反数，利用柔性逆变装置进行电压外环、电流内环的双闭环控制以得到调制信号，再与载波比较后得到PWM驱动脉冲，控制开关管的通断产生逆变电流。

本发明的有益效果是：本发明在综合电流消弧方法和电压消弧方法优缺点的基础上，提出一种配电网柔性优化消弧方法，在故障发生后，通过注入电流并测量母线零序电压，计算接地电阻以接地电阻临界值作为电压消弧方法和电流消弧方法的切换条件，在高阻、低阻的工况下均能有良好的消弧效果，本发明的方法操作简单，准确度高。

附图说明

图1是本发明一种配电网单向接地故障柔性消弧方法的工作流程图；

图2是本发明一种配电网单向接地故障柔性消弧方法中柔性逆变装置接地配电网的结构示意图；

图3是本发明一种配电网单向接地故障柔性消弧方法中配电网柔性消弧零序模型的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种配电网单向接地故障柔性消弧方法，其流程如图1所示，具体按照如下步骤实施：

步骤1，在配电网正常时运行时，如图2所示，柔性逆变装置接地配电网，利用柔性逆变装置向中性点注入两个幅值不同，相位相同的工频电流

得到对应的两个中性点电压

并计算出配电网对地参数；

由基尔霍夫定律可知：

分别为配电网三相电源电势，C_A、C_B、C_C分别为三相对地电容，R_A、R_B、R_C为三相对地泄露电阻，

为中性点位移电压，L₁为消弧线圈，L₂为H桥逆变器串联电感。

设三相电动势对称：

C_A＝C_B＝C_C＝C₀，R_A＝R_B＝R_C＝R₀；将式(1)、式(2)做差可得配电网对地参数表达式为：

其中

为配电网对地参数，通过

即可计算出来。

步骤2，对三相电压

和中性点对地电压

采样计算，利用零序电压元件判断是否发生单相接地故障，具体为：若发生单相接故障，则故障相电压幅值下降，非故障相相电压幅值上升成线电压幅值，且相电压幅值下降相即为故障相，若无，则返回步骤1，若是，进行故障选相；

步骤3，选相成功后，利用柔性逆变装置向中性点注入两个幅值不同，相位相同的工频电流

得到对应的两个中性点电压

根据步骤1计算的配电网对地参数计算接地电阻；

步骤4，将接地电阻R_d和临界电阻R_set进行比较，若接地电阻R_d大于临界电阻R_set，则选用电压消弧法产生逆变电流，反之选用电流消弧法产生逆变电流；为分析柔性消弧法，建立了如图3所示配电网柔性消弧的零序模型。故障点的零序模型可认为是故障前故障点电压

的负值

与接地电阻R_d的串联，非故障线路、消弧线圈和故障线路故障点下游忽略线路零序阻抗，采用了零序导纳模型。

非故障馈线l₁～l_n-1的零序导纳分别为Y₀₁～Y_0n-1，消弧线圈的零序导纳为Y_0L，并设非故障馈线和消弧线圈的零序导纳之和为Y_0m，由于故障线路不能忽略母线到故障点的电压降，因此采用了Γ型模型，母线到故障点的零序阻抗为Z，故障线路故障点上下游的零序导纳相并联，可简化为Y_0n，母线处零序电压为

故障点零序电压为

电流消弧法：

以上模型可以得到故障点零序电压表达式为：

式(4)中

为柔性消弧装置注入的指令电流值，

为故障相电压，R_d为接地电阻。实际接地故障时，接地电阻最低为几欧姆，若控制故障点电压为0，则故障电流可认为是0，当故障点电压为0时：

整理式(4)(5)，得注入电流的理想值为：

故障点故障前电压

不易得到，可近似为电源电压

由此引起的误差很小，Y_0mY_0nZ与Y_0m、Y_0n相比很小，可以忽略。Y_0m+Y_0n为配电网投入消弧线圈后的零序导纳，设其为Y₀，即有

整理式子(4)(5)(6)(7)可得到故障点残压表达式为：

故障点残流表达式为：

由式(9)可知：故障点的残流受接地电阻影响，当接地电阻R_d较小时，残流影响较小。当接地电阻较大时，故障残流有所升高，影响系统消弧效果，且对地参数测量精度制约着电流消弧法的效果。

实际使用时，利用(7)直接注入指令电流即可完成故障消弧。

电压消弧法：

有电压消弧法是一种通过注入电流控制故障相电压为0的方法。由于故障点电压难以测量，因此，电压消弧法一般是控制故障相母线处电压为0或者接近于0。

当通过注入电流控制故障相母线处电压为0时：

由图3可知：

整理式(10)(11)，计算使母线处故障相电压为0时的注入电流：

注入

后，故障点残压

为：

故障点残流

为

由式(14)可知：当接地电阻较大时，可忽略线路阻抗，故障点残流较小，残压较小，熄弧效果良好。当接地电阻较小时，线路阻抗起主导作用，故障点残流较大，影响熄弧性能。

实际使用时，利用柔性消弧装置直接抑制故障相电压为0，即可完成故障消弧。

本算法选择接地电阻作为切换条件，钳位控制故障相为零。当接地接地电阻大于或等于切换条件时，采用电压消弧法；当接地接地电阻小于切换条件时，控制接地故障电流为零，即电流消弧法。通过两种消弧方法的优势互补，提升消弧效果。

由式(14)可知：故障点残流

约等于正常时母线到故障点的电压降

与接地电阻和线路阻抗和的比值，即：

柔性消弧法的控制目标是将故障点残流控制到边界值

以下，正常时线路的压降不会超过故障相电源电压的5％，可以得到以下式：

一般在10kV配电网中，相电压为6kV，正常工况

为300V。若控制故障残流在1A以下，其电阻边界值R_set不小于300Ω，若控制故障残流在5A以下，其边界值R_set不小于60Ω。考虑线路阻的影响，边界值R_set取值可以小一些。以接地电阻边界值R_set作为柔性消弧的切换判据，即当R_d＞R_set时选择电压消弧法，反之选择电流消弧法。

综上可知，为进一步完善消弧方法的有效性，接地电阻的计算是选择消弧方法的必要条件。

当判定系统发生单向接地故障之后，向配网注入两个幅值不同，相位相同的工频电流

得到对应的中性点电压为

由基尔霍夫定律可得：

将式(17)、式(18)做差可得故障时配电网对地参数表达式为：

将式(19)与式(3)做差整理可得：

由式(20)进行接地电阻计算。若接地电阻R_d＞R_set时，选用电压消弧法，反之选用电流消弧法；

具体为：

若R_d>R_set，将指令电流与实际注入电流做差，送入电流控制系统得到调制信号，再与载波比较后得到PWM驱动脉冲，控制开关管的通断产生逆变电流；

若R_d≤R_set，将指令电压设置为故障相电压相反数，利用柔性逆变装置进行电压外环、电流内环的双闭环控制以得到调制信号，再与载波比较后得到PWM驱动脉冲，控制开关管的通断产生逆变电流；

步骤5，逆变电流进行滤波后成为指令电流，然后通过接地变压器将指令电流注入配电网中性点，抑制故障相电压为零，从而熄灭故障电流，达到消弧目的。

本发明在综合电流消弧方法和电压消弧方法优缺点的基础上，提出一种配电网柔性优化消弧方法，在故障发生后，通过注入电流并测量母线零序电压，计算接地电阻以接地电阻临界值作为电压消弧方法和电流消弧方法的切换条件。本发明在高阻、低阻的工况下均能有良好的消弧效果，并针对现有接地电阻测量复杂的问题，提出了一种基于二次注入计算接地电阻的方法，该方法操作简单，准确度高。

Claims (5)

1.一种配电网单向接地故障柔性消弧方法，其特征在于，具体按照如下步骤实施：

步骤1，在配电网正常时运行时，利用柔性逆变装置向中性点注入两个幅值不同，相位相同的工频电流

得到对应的两个中性点电压

并计算出配电网对地参数；

步骤2，对三相电压

和中性点对地电压

采样计算，利用零序电压元件判断是否发生单相接地故障；若无，则返回步骤1，若是，进行故障选相；

步骤3，选相成功后，利用柔性逆变装置向中性点注入两个幅值不同的工频电流

得到对应的两个中性点电压

根据步骤1计算的配电网对地参数计算接地电阻；

步骤4，将接地电阻R_d和临界电阻R_set进行比较，若接地电阻R_d大于临界电阻R_set，则选用电压消弧法产生逆变电流，反之选用电流消弧法产生逆变电流；

步骤5，逆变电流进行滤波后成为指令电流，然后通过接地变压器将指令电流注入配电网中性点，抑制故障相电压为零，从而熄灭故障电流，达到消弧目的。

2.根据权利要求1所述的一种配电网单向接地故障柔性消弧方法，其特征在于，所述步骤1中配电网对地参数表达式为：

C₀为三相对地电容平均值，R₀为三相对地泄露电阻平均值，

为中性点位移电压，L₁为消弧线圈，

为注入的两个幅值不同、相位相同的工频小电流，

对应的中性点偏移电压为

3.根据权利要求1所述的一种配电网单向接地故障柔性消弧方法，其特征在于，所述步骤2中利用零序电压元件判断是否发生单相接地故障具体为：

若发生单相接故障，则故障相电压幅值下降，非故障相相电压幅值上升成线电压幅值，且相电压幅值下降相即为故障相。

4.根据权利要求1所述的一种配电网单向接地故障柔性消弧方法，其特征在于，所述步骤3中接地电阻R_d的计算方法为：

5.根据权利要求1所述的一种配电网单向接地故障柔性消弧方法，其特征在于，所述步骤4具体为：

若R_d>R_set，将指令电流与实际注入电流做差，送入电流控制系统得到调制信号，再与载波比较后得到PWM驱动脉冲，控制开关管的通断产生逆变电流；

若R_d≤R_set，将指令电压设置为故障相电压相反数，利用柔性逆变装置进行电压外环、电流内环的双闭环控制以得到调制信号，再与载波比较后得到PWM驱动脉冲，控制开关管的通断产生逆变电流。

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