CN112652502A - 一种三相交流电力系统的中性点接地方式 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三相交流电力系统的中性点接地方式，包括中性点，中性点与大地之间连接有通断装置，当所述三相交流电力系统正常运行时，通断装置处于断开状态，当三相交流电力系统发生单相接地后，通断装置由断开状态变为导通状态并在持续预设时段后又变为断开状态，并且通断装置在预设时段内通过的电流在通断装置和三相交流电力系统上蓄积的电能分别不超过通断装置和三相交流电力系统的承受限度。在该接地方式下，发生单相接地时能够产生特征明显的瞬间大电流，或使系统直接跳闸切除故障，或者能顺利检测单相接地故障点。

Description

一种三相交流电力系统的中性点接地方式

技术领域

本发明涉及三相交流电力系统，具体涉及一种三相交流电力系统的中性点接地方式。

背景技术

三相交流电力系统中性点与大地之间的电气连接方式，称为电网中性点接地方式。对于35kV以下的配电网，常用消弧线圈接地或小电阻接地。中性点经消弧线圈接地的优点是单相接地后可带电运行，缺点是接地电流小，与线路正常运行时的负荷电流区别不明显，故障点难以查找；小电阻接地的优点是产生较大零序电流导致直接跳闸，由备用电源继续供电，缺点是小电阻要具备大功率，否则容易被烧毁，因此制造困难，成本高。发明专利申请CN 109347074 A公开了一种中性点接地方式切换方法，在电网正常运行时，设置为中性点不接地的运行方式，当发生单相接地故障时，将中性点不接地切换为中值电阻接地，使故障电流在10~200安培，通过故障电流来查找单相接地故障点。但是在实践中，因为接地故障的随机出现，这样短路回路电阻的阻值不可预测，因此中值电阻的阻值难以确定，并且10~200安培的电流区间大，特征不够明显，在许多时候与线路正常运行的负荷电流难以区分，所以该方法查找故障点的成功率并不高。目前没有理想的接地方式来解决上述问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种三相交流电力系统的中性点接地方式，在该接地方式下，发生单相接地时能够产生特征明显的瞬间大电流，该大电流或者在有备用电源情况下使系统直接跳闸切除故障，或者在单相接地故障不停电带电运行方式时能顺利检测单相接地故障点，兼具消弧线圈接地和小电阻接地方式的优点并弥补了二者的不足。

为了实现上述目的，本发明采取如下技术方案：

一种三相交流电力系统的中性点接地方式，包括中性点，所述中性点与大地之间连接有通断装置，当所述三相交流电力系统正常运行时，所述通断装置处于断开状态，当所述三相交流电力系统发生单相接地后，所述通断装置由断开状态变为导通状态并在持续预设时段后又变为断开状态，并且所述通断装置在所述预设时段内通过的电流在所述通断装置或所述三相交流电力系统上蓄积的电能分别不超过通断装置和三相交流电力系统的承受限度。

优选的，所述预设时段按如下方式设定：假设所述三相交流电力系统在电源出口处发生金属性单相接地，则所述通断装置在所述预设时段内通过的电流所蓄积的电能不超过所述通断装置和所述三相交流电力系统的承受限度。

优选的，还包括选相合闸装置，所述选相合闸装置ABC三相独立断路器上口接母线ABC三相，下口接大地，当某一相发生单相接地后，所述通断装置动作，等通断装置断开后，控制选相合闸装置的接地相断路器闭合，等到隔离本次单相接地故障后，再控制选相合闸装置的接地相断路器跳开。

优选的，所述预设时段小于电流的一个周期。

优选的，所述预设时段小于电流的半个周期。

优选的，所述通断装置导通时的电压合闸相角位于60-90度内。

优选的，在发生单相接地后，通过电压互感器获取所述三相交流电力系统中两相对地电压升高和一相对地电压降低的信号来指令所述通断装置由断开变为导通。

优选的，所述通断装置包括灭弧室，在灭弧室内设有静触头和动触头，所述静触头接所述中性点/大地，所述动触头接大地/中性点，动触头可在动触头驱动机构的驱动下接近静触头，并可在动触头复位机构的驱动下远离静触头。

优选的，所述动触头驱动机构的动力源为第一电磁线圈或第一弹簧，所述动触头复位机构的动力源为第二弹簧或第二电磁线圈，通过调整所述动触头与静触头之间的距离或调整所述动触头驱动机构和动触头复位机构对动触头的驱动力来使所述通断装置导通所述预设时段。

优选的，所述中性点是所述三相交流电力系统中电源星型接法的中性点或三角形接法并通过Z型变压器产生的中性点。

本发明有益效果在于，在发生单相接地故障时，通过通断装置在足够短时间内将中性点与大地相连，可以制作一个瞬时大电流，该瞬时大电流可以直接引起系统的保护动作导致跳闸，从而把故障切除，此时与小电阻接地方式相比，不需要制造大功率的小电阻，具有制造容易，成本低、便于维护等优点；与消弧线圈或不接地方式比，该瞬时大电流在接地故障回路内运动，其特征非常明显，更容易被检测，从而快速精准做出反应以指示故障回路并定位接地故障点。通断装置断开后通过选相合闸装置将故障相在母线处接地使得在故障隔离前可以带电运行，既具有消弧线圈接地的优点，又克服了消弧线圈接地时故障电流小、不易查找故障点的弊端。

附图说明

图1是本发明接线示意图；

图2是本发明所用通断装置的外部结构示意图；

图3是本发明所用通断装置的剖视结构示意图；

图4本发明方法在10KV下仿真模拟时各电参数录波曲线图。

图5是图4试验中相关电路示意图。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例对本发明做进一步说明：

实施例1 中性点接地方式

本发明针对三相交流电力系统，电源端为变压器或发电机，其中ABC三相线圈采用星形接法形成中性点，或者采用三角形接法并经Z变压器得到中性点。电源与母线相连，母线与出线相连，出线上还可以分出下一级出线，以此类推，出线上设置开关、带动负载等。在出线上可设有多个故障指示器，用于捕捉故障电流并指示故障回路，还在母线上设有三相对地电压感应器2，用于判断发生单相接地时三相线路中两相对地电压升高，一相对地电压降低，降低相即为接地相，在母线上设置选相合闸装置3，用于使接地相接地，消除弧光接地电流，增加单相接地时带电运行的安全性。

本发明的中性点接地方式中，中性点与通断装置KZ相连，通断装置与大地相连。在三相交流电力系统正常运行时，通断装置KZ断开；当发生单相接地故障时，通断装置接收动作指令后闭合，使中性点与大地之间导通，并且持续很短时间后断开，该持续时间可以人为设置，定义为预设时段，预设时段具有的特点和应满足的要求为：1、该时段以通断装置开始导通中性点与大地电流的时刻起算，以通断装置切断中性点与大地的电流时刻截止；2、在该时段内电流会通过包括系统中性点、大地、单相接地故障点和相应故障相导线组成的接地故障回路，此电流即故障电流，通过调整预设时段（和电压合闸相位的控制），可以使电流出现峰值并且在该时段内累积的能量不超出电源和通断装置的设计参数中关于冲击电能的耐受指标，避免烧毁；在一个求算预设时段的优选方式中，假设在电源出口处发生金属性单相接地，此时在所述预设时段内累积的能量不超过通断装置和电源的承受限度，这样在其他位置发生单相接地也不会烧毁电源和通断装置。3、预设时段的长短调整通过对通断装置的闭合、断开过程进行有效的控制来实现。

在一个实施例中，通断装置采用如下结构：如图2、图3所示，包括灭弧室50，灭弧室50内设有静触头51和动触头52，静触头51一端伸出灭弧室50而与中性点相连，动触头52伸出灭弧室50与动触头驱动机构、动触头复位机构相连，并同时通过接地导线与大地相连。动触头驱动机构能够驱动动触头朝向静触头运动，动触头复位机构能够驱动动触头远离静触头。在一个具体实施例中，动触头驱动机构包括一端与动触头相连的连杆53，连杆53的另一端与铰接在底座上的金属角板54一侧面板541相连，金属角板54的另一侧面板542基本与面板541垂直，并可以受到电磁线圈55的吸引，面板541和面板542的连接处两端有销轴543，并通过该销轴铰接在底座59上。当电磁线圈55吸引面板542，金属角板54发生转动，面板541即向上推动连杆53并进而推动动触头52向静触头靠近。在连杆53上还套有弹簧56，连杆53推动动触头52朝向静触头51运动时，同时压缩弹簧56，当电磁线圈55失电后，电磁线圈磁力消失，则弹簧56将面板541向下顶压，使连杆53向下运动，并使动触头52脱离静触头51。动触头驱动机构的动力源可以是电磁线圈，也可也是弹簧，动触头复位机构的动力源可以是弹簧，也可以设置成电磁线圈。

在上述通断装置导通、切断中性点与大地的过程中，动触头首先接近静触头并导通线路，然后又离开静触头并切断线路，具体包括如下五个阶段：1、动触头开始运动，即动触头在动触头驱动机构驱动下，由初速度为零的状态获得加速度并向静触头方向运动，此时动触头只做机械运动，并未导通线路；2、当动触头接近静触头达到一定程度，线路导通，此时动触头可能刚刚物理接触上静触头，也可能与静触头之间还存在一定距离，只是该距离足够小，在此时的电压条件下已不再是绝缘距离；3、动触头驱动机构的电磁线圈失电，即失去向静触头接近的加速度，但此时还保留接近静触头的初速度（如果在失电时已经接触到了静触头，则不再具有初速度），同时弹簧的回复力开始单独作用，产生了远离静触头的加速度，因为此时动触头还在靠近静触头或已接触尚未分开，所以线路仍然导通；4、动触头向远离静触头的方向运动，直到达到与静触头的绝缘距离，此时线路被切断；5、动触头在达到与静触头的绝缘距离时进一步远离直至回复到最初始位置。

上述过程关键在第2至第4阶段，因为此阶段才是线路导通至切断的整个过程，也即短路电流存在的过程，这个过程的时间也就是短路电流的时间，是需要根据预期进行调整的时段，即前述预设时段。本发明首先要保证在预设时段内通过的电流累积的电能不对通断装置和电力系统造成破坏，在此前提下，短路电流如果达到或超过电力系统保护装置的动作阈值，则系统跳闸，以此将故障隔离（一般有备用电源并启用），此时本接地方式跟小电阻接地方式的作用相同，但是小电阻要经受住大电流的冲击需要具有足够大的功率，制造成本高，有时因电流过大容易被烧毁，本专利的接地方式只要控制合适的预设时段即能保证跳闸，并对通断装置不产生损害。对于现有的消弧线圈接地系统方式，采用本发明的接地方式产生的瞬时大电流可以作为特征电流供故障指示器识别检测，这种电流要远大于通过消弧线圈接地产生的故障电流，是一个短时大脉冲，与线路正常的负荷电流相比区别明显，极易被故障指示器识别，这不仅有助于简化故障指示器的逻辑判断过程，而且可以增强被准确检出的概率。在具体调控预设时段时，因为接地故障地随机出现，则通断装置闭合后形成的故障回路的电阻也就不可预测，如前所述，本发明可以假设在电源出口处发生金属性单相接地，并以此计算短路电流，然后控制短路电流的时长使其累积的能量不烧毁电源、导线、通断装置等设备，这样在其他地方产生单相接地时，就更不会烧毁电源、导线、通断装置等设备。通过参考电源、通断装置、导线等各参与元件设计的电能承载量为依据，可以将预设时段内的电流控制在不超过一个周期（我国电力系统交流电周期为20ms），更优选不超过半个周期（10ms），甚至可以考虑控制在几个毫秒内。比如，可以控制通断装置在导通时的电压合闸相位在60~90度范围内，这可以使电流出现峰值，更便于检测。只要调整交流通断装置的动触头驱动机构的电磁线圈的功率和动触头复位机构弹簧弹性力（比如调整弹簧的弹性系数）的搭配以及二者的各自作用时间，即可实现控制动触头接近静触头的速度和远离静触头的速度，从而控制线路通断时间。通过调整动触头驱动机构的电磁线圈的功率和动触头复位机构的回复力的搭配，可以使短路电流不超过半个周期。如果给定了电磁线圈的功率和弹簧的回复力，通过调整动触头与静触头的初始距离也能够调整电流的时长。例如，通过测试调整，在动触头向上运动至导通线路前即令动触头驱动机构停止作用而令动触头复位机构单独作用，动触头可依靠此时的初速度继续前进至导通的临界位置，此时速度变为零，然后反向运动又切断电路，则整个导通线路的过程会短于半个周波。也可以采用大功率高压IGBT实现上述功能。

本发明中性点接地方式的一个重要应用是解决单相接地问题，包括提供大而短的特征电流使线路上的故障指示器翻牌从而指示故障线路和接地故障点；或者通过提供大而短的故障电流使差动设备准确判断并隔离故障。

如图1所示，当发生单相接地故障时，通断装置快速通断，在保证电力系统承受限度（设计预量内）的条件下，仍会产生巨大（可能为数百安培）、短促的电流通过故障回路，故障回路上的故障指示器即可顺利精准检测到此电流从而做出反应，其他线路上的故障指示器则无反应，如图1所述，单相接地故障点F一侧的故障指示器1在故障回路内，因此动作，而另一侧的故障指示器4未在故障回路，因此无反应，这样故障功能指示器1和故障指示器4的不同反应即可判定单相接地点区间。判断出故障点后可以进行隔离故障检修。

在由上述巨大、短促的故障电流的前提下，线路上的差动设备也会根据故障电流自动分析出故障点位置，从而控制故障线路上端受控开关动作以自动隔离故障线路。

实施例2 对通断装置进行控制的模拟实例

利用通断装置控制中性点接地可按如下方法进行：当发生单相接地故障时，由电压互感器检测到故障相电压降低，非故障相电压升高，并把信号传递给控制单元，控制单元通过继电器控制通断装置的动触头驱动电磁线圈动作，开始驱动动触头向静触头靠近，在靠近直到导通电路时，此刻通断装置两端的交变电压即电压合闸相角。电压合闸相角的大小决定了导通时电流的大小，在电压合闸相角为60~90度时，正值电压上升为较高的电压值阶段，会使电流较大，更容易检测。下面以控制电压合闸相角为零为例，来说明如何控制电压合闸相角的大小：需要使动触头的运动与交变电压的变化相协调，一般可以根据如下原理进行设计，即当发生接地故障并被控制单元检测到时，控制单元先获取中性点和大地之间的交变电压未来过零点的时刻（可以通过过零和电压周期检测电路获取，为现有技术），并且还可以通过预先试验来确定通断装置从开始驱动动触头运动直至导通线路所需要的时间△t_a，这样控制单元在电压过零点前△t_a的时刻发出命令使通断装置的电磁线圈开始动作，就能实现动触头与静触头相互接近至导通线路时，高压开关两端的交变电压恰好过零点，即电压合闸相角为零。

控制电压合闸相角为60度、90度等的方法与此类似，并结合通断装置的具体机械、电学性质确定。

上述说明了如何设置动触头驱动机构开始动作的时间，而动触头驱动机构何时停止作用也同样重要，从此时起弹簧开始单独起作用并使动触头最终离开静触头以切断电路。从动触头驱动机构驱动动触头导通线路后停止对动触头作用，然后动触头复位机构单独作用并使动触头离开静触头以切断线路所经历的时间决定着短路电流的持续时间。可以在控制单元中设置从发出合闸命令时起经△t_b时间后使动触头驱动机构的电磁线圈失电，则弹簧立即单独作用。该△t_b时间可通过线下试验确定，以控制出半个周期或少于半个周期的交流电流。

图4示出了在小电流和10KV电压条件下通断装置KZ导通、切断线路时录波器记录多个电参数的录波曲线，此试验已经调整好使电压合闸相角为零，并且通过的电流不超过一个周期。其中，曲线a为通断装置两端的电压变化曲线，曲线c为通断装置电压过零检测信号，在曲线c上每个波峰的顶点即为电压过零点，可见通断装置闭合前呈周期性变化。当通断装置闭合使线路刚开始导通时，通断装置两端电压为零（曲线a），并且由虚线L位置可见，此时与电压周期性过零点的时间点重合（由曲线a和c对比可得此结论），说明电压合闸相角为零，并且通断装置电压此后一段时间一直为零，说明此过程是通断装置从导通线路开始持续导通有电流的过程，曲线e为通断装置流过的电流曲线。虚线M对应的曲线e的横坐标的时间为电流为零的时间，此时线路被切断，通断装置两端的电压又开始呈波形变化（曲线a）。曲线e位于虚线L和虚线M之间的部分即不超过一个周期的交变电流，具体是半个周期的交变电流加上该半个周期的交流电流过零点后的衰减电流。如果弹簧回复力增大，使动触头在导通的半个周期时间恰好离开静触头切断电路，则电流可为恰好半个周期，甚至短于半个周期。半个周期或短于半个周期的交流电时间短促，电流值却可以很大，特征非常明显，容易被检测。图4中的曲线b为通断装置的动触头驱动机构的电磁线圈的电压曲线，曲线d为控制动触头驱动机构的电磁线圈的直流固体继电器的电压曲线。图5示出该试验的相关电路。其中，录波器81的采集卡的5个通道与导线811、导线812、导线813、导线814、导线815相连，用于采集上述abcde五条曲线对应的电学量，电路还包括动触头驱动机构的电磁线圈87，电流互感器88，电压互感器1，二次PT83，过零检测电路86，直流固定继电器84用于控制电磁线圈87，直流霍尔元件82，控制装置85。其中，二次PT83采集通断装置电压，对应曲线a；动触头驱动机构的电磁线圈87对应曲线b，过零检测对应曲线c；直流固体继电器对应曲线d；电流互感器88用于获取负载电流，即曲线e。按类似方法可以对通断装置进行灵活控制，用于实现本发明的三相交流电力系统中性点接地方式，并进而解决单相接地故障点的查找，或者利用差动技术隔离故障线路等。

上述实施例只是对本发明构思和实现的若干说明，并非对其进行限制，在本发明构思下，未经实质变换的技术方案仍然在保护范围内。

Claims (10)

1.一种三相交流电力系统的中性点接地方式，包括中性点，其特征在于，所述中性点与大地之间连接有通断装置，当所述三相交流电力系统正常运行时，所述通断装置处于断开状态，当所述三相交流电力系统发生单相接地后，所述通断装置由断开状态变为导通状态并在持续预设时段后又变为断开状态，并且所述通断装置在所述预设时段内通过的电流在所述通断装置和所述三相交流电力系统上蓄积的电能分别不超过通断装置和三相交流电力系统的承受限度。

2.如权利要求1所述的三相交流电力系统的中性点接地方式，其特征在于，所述预设时段按如下方式设定：假设所述三相交流电力系统在电源出口处发生金属性单相接地，则所述通断装置在所述预设时段内通过的电流所蓄积的电能不超过所述通断装置和所述三相交流电力系统的承受限度。

3.如权利要求1所述的三相交流电力系统的中性点接地方式，其特征在于，还包括选相合闸装置，所述选相合闸装置ABC三相独立断路器上口接母线ABC三相，下口接大地，当某一相发生单相接地后，所述通断装置动作，等通断装置断开后，控制选相合闸装置的接地相断路器闭合，等到隔离本次单相接地故障后，再控制选相合闸装置的接地相断路器跳开。

4.如权利要求3所述的三相交流电力系统的中性点接地方式，其特征在于，所述预设时段小于电流的一个周期。

5.如权利要求4所述的三相交流电力系统的中性点接地方式，其特征在于，所述预设时段小于电流的半个周期。

6.如权利要求1所述的三相交流电力系统的中性点接地方式，其特征在于，所述通断装置导通时的电压合闸相角位于60-90度内。

7.如权利要求1、2或3所述的三相交流电力系统的中性点接地方式，其特征在于，在发生单相接地后，通过电压感应器获取所述三相交流电力系统中两相对地电压升高和一相对地电压降低的信号来指令所述通断装置由断开变为导通。

8.如权利要求1、2或3所述的三相交流电力系统的中性点接地方式，其特征在于，所述通断装置包括灭弧室，在灭弧室内设有静触头和动触头，所述静触头接所述中性点/大地，所述动触头接大地/中性点，动触头可在动触头驱动机构的驱动下接近静触头，并可在动触头复位机构的驱动下远离静触头。

9.如权利要求8所述的三相交流电力系统的中性点接地方式，其特征在于，所述动触头驱动机构的动力源为第一电磁线圈或第一弹簧，所述动触头复位机构的动力源为第二弹簧或第二电磁线圈，通过调整所述动触头与静触头之间的距离或调整所述动触头驱动机构和动触头复位机构对动触头的驱动力来使所述通断装置导通所述预设时段。

10.如权利要求1、2或3所述的三相交流电力系统的中性点接地方式，其特征在于，所述中性点是所述三相交流电力系统中电源星型接法的中性点或三角形接法并通过Z型变压器产生的中性点。

Images