CN112510669A - 一种复用接地变压器的配电网单相接地故障消弧系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复用接地变压器的配电网单相接地故障消弧系统及其控制方法。该系统包括：接地变压器、选相开关、单相隔离升压变压器、有源补偿装置、消弧线圈；接地变压器的一次侧相线端子分别与配电网的A相、B相、C相连接；接地变压器的一次侧中性点经消弧线圈接地；接地变压器二次侧与有源补偿装置输入端相连；同时，接地变压器二次侧通过两组选相开关与单相隔离升压变压器一次侧相连；单相隔离升压变压器二次侧的一个端口接地，另一个端口与有源补偿装置输出端的一个端口相连；有源补偿装置输出端的另一个端口和接地变压器的一次侧中性点相连。本发明首先利用接地变压器变压器和单相隔离变压器将故障相电压反相接入中性点，再利用有源补偿装置，补偿单相隔离升压变压器二次侧输出电压与接地变压器一次侧输入电压由于相位偏差所引起的电压偏差，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

一种复用接地变压器的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，特别涉及一种复用接地变压器的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，提供一种复用接地变压器的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)通过接地变压器和单相隔离升压变压器构成反相变换器，将故障相相电压反相接入中性点中，实现接地点故障电压为0。

(2)考虑到单相隔离升压变压器二次侧电压与接地变压器一次侧电压存在相位偏差，进而造成反相变换器输出电压存在偏差，利用有源补偿装置去补偿此电压偏差，将单相隔离升压变压器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，将接地变压器、单相隔离升压变压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；3)本方法可充分利用目前变电站常用的接地变压器，改造成本低，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投入消弧线圈，0.5s投入所述接地故障消弧系统，故障点的电压、电流波形；

图4接地电阻为300Ω，0.125s发生单相接地故障，0.3s投入消弧线圈，0.5s投入所述接地故障消弧系统，故障点的电压、电流波形；

图5接地电阻为1000Ω，0.125s发生单相接地故障，0.3s投入消弧线圈，0.5s投入所述接地故障消弧系统，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接地变压器、选相开关、单相隔离升压变压器、有源补偿装置、消弧线圈四部分组成；接地变压器的一次侧相线端子分别与配电网的A相、B相、C相连接；接地变压器的一次侧中性点经消弧线圈接地；同时，接地变压器的一次侧中性点还与有源补偿装置输出端的一个端口相连；有源补偿装置输出端的另一个端口和单相隔离升压变压器二次侧的一个端口相连；单相隔离升压变压器二次侧的另一个端口接地；接地变压器二次侧与有源补偿装置输入端相连；同时，接地变压器二次侧与两组选相开关输入端相连；第一组选相开关的输出端接地；第二组选相开关的输出端和单相隔离升压变压器一次侧的一个端口相连；单相隔离升压变压器一次侧的另一个端口接地；单相隔离升压变压器一次侧及二次侧的接地端口互为同名端。

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构成有源补偿装置的输入端；单相隔离变压器的二次侧构成有源补偿装置的输出端；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一个端口和接地变压器的一次侧中性点相连；单相隔离变压器二次侧的另一个端口和单相隔离升压变压器二次侧的一个端口相连。

在本实例中，配电网线电压为10kV，接地变压器二次侧额定电压U_N＝380V，k1＝380/(10000)^1/3，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＝10uF，接地变压器短路损耗P_k1＝1800W，接地变压器短路电压百分比U_k1％＝4.5％，单相隔离升压变压器短路损耗P_k2＝500W，单相隔离升压变压器短路电压百分比U_k2％＝4.2％，母线电容大小为2uF，母线电容额定电压U_dc＝530V，滤波电感L＝0.08mH，滤波电容C＝0.4uF，k_p＝0.01，k_r＝6.5，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：设置单相隔离升压变压器的二次侧和一次侧之间的变比k₂，计算接地变压器一次侧额定电流I_ZN1、接地变压器二次侧额定电流I_ZN2、单相隔离升压变压器一次侧额定电流I_SN1、单相隔离升压变压器二次侧额定电流I_SN2：k₂＝1/k₁×(1-U_k2％/1000)，I_ZN1＝(3)^1/2×U_ZN1×jω×C₀，I_ZN2＝I_ZN1/k₁，I_SN1＝I_ZN2，I_SN2＝I_SN1/k₂。

其中U_ZN1为接地变压器额定电压，k₁为接地变压器的二次侧和一次侧之间的变比，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，U_k2％为单相隔离升压变压器短路电压百分比，可通过单相隔离升压变压器铭牌数据获得。

步骤2：计算得到接地变压器的总内阻R_T1、总漏抗X_T1、总阻抗Z_T1；计算得到单相隔离升压变压器的总内阻R_T2、总漏抗X_T2、总阻抗Z_T2，分别为：R_T1＝P_k1/(3×(I_ZN1)²)，R_T2＝P_k2/(3×(I_SN1)²)，X_T1＝(U_k1％/100×U_ZN1)/((3)^1/2×I_ZN1)，X_T2＝(U_k2％/100×U_SN1)/((3)^1/2×I_SN1)，Z_T1＝R_T1+jX_T1，Z_T2＝R_T2+jX_T2。

其中P_k1为接地变压器短路损耗，U_k1％为接地变压器短路电压百分比，可通过接地变压器铭牌数据获得；其中P_k2为单相隔离升压变压器短路损耗，可通过单相隔离升压变压器铭牌数据获得。

步骤3：计算得到接地变压器二次侧电压U_ZN2，单相隔离升压变压器一次侧电压U_SN1，单相隔离升压变压器二次侧电压U_SN2：U_ZN2＝k₁×(U_ZN1-I_ZN1×Z_T1)，U_SN1＝U_ZN2，U_SN2＝k₂×(U_SN1-I_SN2×Z_T2)，即U_SN2＝k₁×k₂×U_ZN1-k₁×k₂×I_ZN1×Z_T1-k₂/k₁×I_ZN1×Z_T2。

步骤4：计算单相隔离升压变压器二次侧电压和接地变压器一次侧电压相位夹角a：a＝tan^-1((3)^1/2×k₁×k₂×ω×C₀×R_T1+(3)^1/2×k₂/k₁×ω×C₀×R_T2)/(k₁×k₂+(3)^1/2×k₁×k₂×ω×C₀×X_T1+(3)^1/2×k₂/k₁×ω×C₀×X_T2)。

步骤5：计算单相隔离升压变压器二次侧电压和接地变压器一次侧电压偏差U_max：U_max＝(2/3×b²×(U_N1)²-2/3×b²×(U_N1)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。

步骤6：计算单相隔离变压器二次侧和一次侧之间的变比k₃：k₃＝U_max/(0.707×U_dc)；其中，U_dc为母线电容额定电压。

步骤7：控制一组选相开关，使故障相接地连接；同时控制另一组选相开关，使故障相的滞后相与单相隔离升压变压器一次侧连通。

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8、步骤9和步骤10。

步骤8：测量得到单相隔离升压变压器二次侧电压值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)/k₃。

步骤9：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投入消弧线圈，0.5s投入所述接地故障消弧系统，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54.16A，故障点电压达到541.6V；0.3s投入消弧线圈后，故障电流降到1.885A，故障点电压达到18.85V；0.5s投入所述接地故障消弧系统后，故障电流降低到0.2527A，故障电压降低到2.527V。

图4为接地电阻为300Ω，0.125s发生单相接地故障，0.3s投入消弧线圈，0.5s投入所述接地故障消弧系统，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18.11A，故障点电压达到5433V；0.3s投入消弧线圈后，故障电流降到1.872A，故障点电压达到561.6V；0.5s投入所述接地故障消弧系统后，故障电流降低到0.02459A，故障电压降低到7.377V。

图5为接地电阻为1000Ω，0.125s发生单相接地故障，0.3s投入消弧线圈，0.5s投入所述接地故障消弧系统，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5.375A，故障点电压达到5375V；0.3s投入消弧线圈后，故障电流降到1.502A，故障点电压达到1502V；0.5s投入所述接地故障消弧系统后，故障电流降低到0.007657A，故障电压降低到7.657V。

Claims (4)

1.一种复用接地变压器的配电网单相接地故障消弧系统及其控制方法，其特征在于所述的配电网单相接地故障消弧系统由接地变压器、选相开关、单相隔离升压变压器、有源补偿装置、消弧线圈四部分组成；

接地变压器的一次侧相线端子分别与配电网的A相、B相、C相连接；接地变压器的一次侧中性点经消弧线圈接地；同时，接地变压器的一次侧中性点还与有源补偿装置输出端的一个端口相连；有源补偿装置输出端的另一个端口和单相隔离升压变压器二次侧的一个端口相连；单相隔离升压变压器二次侧的另一个端口接地；接地变压器二次侧与有源补偿装置输入端相连；同时，接地变压器二次侧与两组选相开关输入端相连；第一组选相开关的输出端接地；第二组选相开关的输出端和单相隔离升压变压器一次侧的一个端口相连；单相隔离升压变压器一次侧的另一个端口接地；单相隔离升压变压器一次侧及二次侧的接地端口互为同名端。

2.如权利要求1所述配电网单相接地故障消弧系统，其特征在于，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构成有源补偿装置的输入端；单相隔离变压器的二次侧构成有源补偿装置的输出端；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一个端口和接地变压器的一次侧中性点相连；单相隔离变压器二次侧的另一个端口和单相隔离升压变压器二次侧的一个端口相连。

3.如权利要求1所述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：设置单相隔离升压变压器的二次侧和一次侧之间的变比k₂，计算接地变压器一次侧额定电流I_ZN1、接地变压器二次侧额定电流I_ZN2、单相隔离升压变压器一次侧额定电流I_SN1、单相隔离升压变压器二次侧额定电流I_SN2：

k₂＝1/k₁×(1-U_k2％/1000)

I_ZN1＝(3)^1/2×U_ZN1×jω×C₀

I_ZN2＝I_ZN1/k₁

I_SN1＝I_ZN2

I_SN2＝I_SN1/k₂

其中U_ZN1为接地变压器额定电压，k₁为接地变压器的二次侧和一次侧之间的变比，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，U_k2％为单相隔离升压变压器短路电压百分比，可通过单相隔离升压变压器铭牌数据获得；

步骤二：计算得到接地变压器的总内阻R_T1、总漏抗X_T1、总阻抗Z_T1；计算得到单相隔离升压变压器的总内阻R_T2、总漏抗X_T2、总阻抗Z_T2，分别为：

R_T1＝P_k1/(3×(I_ZN1)²)，R_T2＝P_k2/(3×(I_SN1)²)

X_T1＝(U_k1％/100×U_ZN1)/((3)^1/2×I_ZN1)，X_T2＝(U_k2％/100×U_SN1)/((3)^1/2×I_SN1)

Z_T1＝R_T1+jX_T1，Z_T2＝R_T2+jX_T2

其中P_k1为接地变压器短路损耗，U_k1％为接地变压器短路电压百分比，可通过接地变压器铭牌数据获得；其中P_k2为单相隔离升压变压器短路损耗，可通过单相隔离升压变压器铭牌数据获得；

步骤三：计算得到接地变压器二次侧电压U_ZN2，单相隔离升压变压器一次侧电压U_SN1，单相隔离升压变压器二次侧电压U_SN2：

U_ZN2＝k₁×(U_ZN1-I_ZN1×Z_T1)

U_SN1＝U_ZN2

U_SN2＝k₂×(U_SN1-I_SN2×Z_T2)

即U_SN2＝k₁×k₂×U_ZN1-k₁×k₂×I_ZN1×Z_T1-k₂/k₁×I_ZN1×Z_T2；

步骤四：计算单相隔离升压变压器二次侧电压和接地变压器一次侧电压相位夹角a：

a＝tan^-1((3)^1/2×k₁×k₂×ω×C₀×R_T1+(3)^1/2×k₂/k₁×ω×C₀×R_T2)/

(k₁×k₂+(3)^1/2×k₁×k₂×ω×C₀×X_T1+(3)^1/2×k₂/k₁×ω×C₀×X_T2)

步骤五：计算单相隔离升压变压器二次侧电压和接地变压器一次侧电压偏差U_max：

U_max＝(2/3×b²×(U_N1)²-2/3×b²×(U_N1)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；

步骤六：计算单相隔离变压器二次侧和一次侧之间的变比k₃：

k₃＝U_max/(0.707×U_dc)

其中，U_dc为母线电容额定电压；

步骤七：控制一组选相开关，使故障相接地连接；同时控制另一组选相开关，使故障相的滞后相与单相隔离升压变压器一次侧连通；

步骤八：测量得到单相隔离升压变压器二次侧电压值U₂，测量得到故障相线电压值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)/k₃

步骤九：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；

步骤十：对u_r进行SPWM调制，得到单相逆变桥控制信号。

4.如权利要求1所述的复用接地变压器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，接地变压器二次侧额定电压U_N＝380V，k₁＝380/(10000)^1/3，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＝530V，滤波电感L＝0.08mH，滤波电容C＝0.4uF，k_p＝0.01，k_r＝6.5，ζ＝0.00001，ω＝100π。

Images