CN112769116A - 一种发电厂厂用电系统接地故障有源消弧方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种发电厂厂用电系统接地故障有源消弧方法及其装置，其中，电流源有源消弧模块与消弧辅助模块通过注入变压器并联在厂用电系统的中性点与地之间，消弧辅助模块包括电容器组和消谐电阻，电容器与消谐电阻之间均为并联连接，该方法包括：正常工作下将消谐电阻接入厂用电系统；若发生单相接地故障，识别当前的故障相以及获取最新的对地参数并控制消谐电阻退出厂用电系统，再将电容器组中的电容器接入厂用电系统以及通过基尔霍夫定律计算出消弧注入电流，最后将消弧注入电流注入厂用电系统中性点。该方法可以在实现故障的100％消弧的基础上减少注入电流，进而减少消弧装置容量以及成本，同时还能防止正常运行下系统发生串联谐振以及防止中性点产生谐振过电压。

Description

一种发电厂厂用电系统接地故障有源消弧方法及其装置

技术领域

本发明属于发电厂厂用电系统接地故障技术领域，具体涉及一种发电厂厂用电系统接地故障有源消弧方法及其装置。

背景技术

发电厂厂用电系统结构复杂，决定着发电厂用电的供电可靠性。传统厂用电系统中以接地故障最为频发，大约70％的故障为单相接地故障，发生接地故障时接地点会流过极大的接地电流，不及时切除或对电流进行抑制，可能会发展为弧光接地，导致故障蔓延，带来停电或火灾事故，给发电厂稳定运行带来巨大安全隐患。若故障未自动消失或及时抑制，则将发展为永久性故障，又由于厂用电系统中支路众多，各支路故障分量没有明确的差异，给故障选线带来困难，进一步降低了供电可靠性。其中，影响接地故障的因素有：故障电流、间歇电弧过电压(包括故障相电压的恢复初速度、恢复时间与幅值)。故障电流越小，介质损伤越小，越有利于故障消弧；故障相电压的恢复初速度越慢、恢复时间越长、幅值越小，越难重新击穿绝缘介质，阻止电弧重燃，越有利于故障消弧。

为了解决发电厂厂用电系统接地故障消弧问题，CN201110006701.2提出了一种配电网接地故障消弧和保护方法，通过向配电网系统中性点注入一定电流，强制故障相电压为零和接地故障电流为零，实现瞬时故障的100％消弧及永久故障的快速隔离，但是该方法所需要的注入电流很大，消弧装置所需容量也较大，相应成本也高。

发明内容

本发明提供的一种发电厂厂用电系统接地故障有源消弧方法，在实现故障的100％消弧的基础上还减小了注入电流大小，进而减少消弧装置容量以及降低了成本，同时在正常运行过程，还能防止系统发生串联谐振以及防止中性点产生谐振过电压。

一方面，本发明提供一种发电厂厂用电系统接地故障有源消弧方法，包括如下步骤：

S1：将消弧辅助模块中的消谐电阻接入厂用电系统，再实时监测厂用电系统的中性点电压以及定时向厂用电系统中性点注入预设频率的电流信号并计算出厂用电系统的对地参数；

所述对地参数包括厂用电系统每相的泄漏电阻、对地电容；

电流源有源消弧模块与消弧辅助模块通过注入变压器并联在厂用电系统的中性点与地之间，所述消弧辅助模块包括电容器组和消谐电阻，电容器组中的电容器之间以及电容器与消谐电阻之间均为并联连接，每个电容器的电容相等；

S2：基于实时监测的厂用电系统中性点电压判断是否发生单相接地故障，若发生，识别故障相并捕捉非故障相电压间过零点以及获取最新的对地参数；

其中，厂用电系统中当前相电压最低的一相为故障相；

S3：控制消谐电阻退出厂用电系统，将电容器组中的电容器接入厂用电系统，并基于基尔霍夫定律计算出消弧注入电流；

S4：将计算出的所述消弧注入电流注入厂用电系统中性点。

优选地，所述消弧注入电流的计算公式如下：

式中，

为消弧注入电流，

为故障相的电源电压，Y为厂用电系统线路的单相对地导纳、Z₀为消弧线圈阻抗、Y₀为投入厂用电系统的电容器组等效到系统侧的导纳；

k为注入变压器的变比，ω为角频率，m为投入厂用电系统的电容器数量，C₀为电容器组中单个电容器的电容，L₀为消弧线圈的电感，R为厂用电系统每相的泄漏电阻，C为厂用电系统每相的对地电容，j为虚数单位。

优选地，所述电容器组中每个电容器的电容相等，电容器组中的电容器之间均并联连接，电容器组中投入厂用电系统的电容器数量m的计算公式如下：

式中，

为小于或等于

的最大整数。

按照上述公式计算出当前需要投入的电容器数量使得电容器组补偿的电感电流最大，电流源有源消弧模块所需补偿的电流及容量都最小，是投入的电容器数量的最佳取值；其他可行的方式中，m还可以取值为其他值，只是m的取值也将影响投入的注入电流的大小。

优选地，厂用电系统的对地参数是基于注入的电流信号以及注入电流信号之后返回的电压信号计算出，每相的泄漏电阻相等，每相的对地电容相等。

优选地，厂用电系统的对地参数中的厂用电系统每相的泄漏电阻R、厂用电系统每相的对地电容C的计算公式如下：

式中，

为所述预设频率的电流，

为所述预设频率的电流的返回电压，ω_i为所述预设频率的电流的频率。

本发明通过上述方式计算出对地参数，无需另外再配置系统对地参数测量仪器，有效减少了设备的投资成本。

优选地，步骤1中注入的电流信号的预设频率为基波的偶数倍且小于或等于500HZ，电流幅值小于或等于5A。

为了避免系统可能会存在少量谐波的干扰，取注入电流信号的频率ω_i为基波的偶数倍。且注入的电流信号的频率越高容抗越小，测量对地电容误差越大，因此注入电流信号的频率不宜过大，同时为了降低注入信号对电网稳定性的干扰，注入电流的幅值也不宜过大。

优选地，步骤S2中厂用电系统中当前相电压最低的一相为故障相。

另一方面，本发明还提供一种采用上述消弧方法的消弧装置，包括电流源有源消弧模块、注入变压器以及消弧辅助模块，所述电流源有源消弧模块和消弧辅助模块均通过注入变压器并联在厂用电系统的中性点与地之间；

其中，消弧辅助模块包括电容器组和消谐电阻，电容器组中电容器之间以及电容器与消谐电阻之间均为并联连接，且每个电容器的电容相等，其中，电容器组与消谐电阻支路上设置控制开关；

所述电流源有源消弧模块用于向厂用电系统中性点注入电流。

优选地，每个电容器以及消谐电阻上均设置了一个控制开关。

有益效果

1、本发明提供的发电厂厂用电系统接地故障有源消弧方法及其装置在传统基于在系统中性点添加电流源有源消弧模块注入电流进行消弧的基础上，增加了消弧辅助装置，即增设了电容器组和消谐电阻。且消弧辅助装置中的消谐电阻在正常情况下投入厂用电系统，可防止系统发生谐振过电压；而发生接地故障时投入电容器组补偿消弧线圈过补偿的电感电流，使得消弧装置注入电流大大减小，可大大减少装置容量及成本；同时消谐电阻退出厂用电系统还可防止消谐电阻消耗有功，以及防止在消谐电阻接地点处产生有功电流，增大故障残流。

2、本发明是以故障相电压为控制目标，控制目标简洁明了，相比传统以故障点接地电流为控制目标的电流消弧装置显著提高抑制精度。

3、所述厂用电系统有源消弧装置既能实现对单相接地故障的抑制又能测量系统对地参数，变电站无需另外再配置系统对地参数测量仪器，有效减少设备投资。

附图说明

图1为本发明提供的消弧装置的主电路结构图；

图2为本发明提供的一种发电厂厂用电系统接地故障有源消弧方法实施流程图；

图3为注入预算频率的电流信号零序等值电路；

图4为故障点处故障电流波形示意图；

图5为采用消弧辅助模块时电流源有源消弧模块注入电流波形示意图；

图6为未采用消弧辅助模块时注入电流波形示意图。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明做进一步的说明。

如图1所示，本发明提供的消弧装置包括电流源有源消弧模块、注入变压器以及消弧辅助模块。电流源有源消弧模块和消弧辅助模块均通过注入变压器并联在厂用电系统的中性点与地之间。电流源有源消弧模块包括不可控整流器、逆变器、控制电路和滤波电路，其中，不可控整流器接于接地变压器副边，为逆变器提供稳定的直流电压；逆变器由控制电路提供驱动脉冲，产生特定的工频电流，经滤波电路滤波后通过注入变压器注入厂用电系统中性点。其中电流源有源消弧模块是现有模块，本发明对此不进行过多描述，本发明利用电流源有源消弧模块实现向厂用电系统中性点注入电流。

如图1所示，消弧辅助模块包括电容器组和消谐电阻R₀，电容器组中电容器(C₁、C₂、…、C_n)与消谐电阻R₀之间均为并联连接，且每个电容器的电容相等(C₁＝C₂＝…＝C_n＝C₀)，其中，每个电容器与消谐电阻R₀支路上设置控制开关(K₀、K₁、K₂、…、K_n)。

基于上述结构，本发明提供的一种厂用电系统接地故障有源消弧方法包括如下步骤：

1)厂用电系统正常运行时，实时监控中性点电压以及定时向厂用电系统中性点注入预设频率的电流信号并计算出厂用电系统的对地参数，再保存至寄存器；

其中，厂用电系统正常运行时，将消弧辅助模块中的消谐电阻R₀接入厂用电系统，即将控制开关K₀闭合，电容器组的控制开关均断开，即K₁、K₂、…、K_n均断开。

如图3所示为注入电流信号零序等值电路，厂用电系统正常运行时，有源消弧系统可等效为可控电流源，可以通过注入电流信号的方法来测量系统对地参数，即在系统正常工作情况下可控制有源消弧系统向电网中性点注入一特定频率的电流信号，通过测量特定频率下的电压值，计算出系统对地参数。

设注入电流信号的频率为ω_i，则由图3可得：

式中

为注入的预设频率的电流，

为该预设频率的电流下返回电压，R为单相泄漏电阻，C为单相对地电容。

由式(1)可得：

因此，基于上述公式3与5就可以计算出对地泄漏电阻和对地电容值。本实施例中，每相的对地泄漏电阻相同和每相的对地电容值相同。

其中，为了避免系统可能会存在少量谐波的干扰，取注入的电流信号的频率ω_i为基波的偶数倍。注入信号的频率越高容抗越小，测量对地电容误差越大，因此注入电流信号的频率不宜过大，频率最大取值为500Hz。同时为了降低注入信号对电网稳定性的干扰，注入电流的幅值也不宜过大，最大电流幅值为5A。本文取注入的电流信号的频率为100Hz幅值为1A。

2)基于实时监测的厂用电系统中性点电压判断是否发生单相接地故障，当厂用电系统中性点电压值超过额定相电压的15％时，判定为发生单相接地故障，相电压最低的一相即为故障相，判定故障相后，调用最近一次测量的对地参数并捕捉非故障相电压间过零点。

由于电流的注入需要特定的相位，因此需要设置基准相位，本发明选用不受接地故障影响的非故障相间电压过零为基准，确定注入电流的相位。若A相故障，则捕捉BC两相间电压

过零点；若B相故障，则捕捉CA两相间电压

过零点；若C相故障，则捕捉AB两相间电压

过零点。以C相故障为例，由于

相位超前

90°，则

过零点超前

过零点90°，因此可通过捕捉AB相间电压过零点来确定

相位，即捕捉非故障相电压过零点来得到故障相电压的相位。

3)断开消谐电阻支路，投入相应数量电容器补偿消弧线圈过补偿的电感电流并计算出注入电流，再将计算所得注入电流注入电网，实现消弧。

首先说明消谐电阻的功能：

正常运行状态下，当消弧线圈与线路对地电容处于谐振状态时两者阻抗之和为零，谐振回路除了消谐电阻无其它等效阻抗元件，因此消谐电阻可以大大减小谐振电流，防止系统发生串联谐振，防止中性点产生谐振过电压。在发生单相接地故障的情况下，若消谐电阻未退出，则消谐电阻上电流为

/R₀，则故障点处增加的有功电流即为

/R₀，消谐电阻消耗的有功为

/R₀，其中

为中性点电压。因此为了防止消谐电阻消耗有功，以及防止在消谐电阻接地点处产生有功电流，增大故障残流，则应退出消谐电阻。

其次，本发明从理论分析上解释为什么加入电容器组后可以极大减少消弧注入电流：

如图1中，图中

为注入电流，L₀为滤波电感，R_A、R_B、R_C为电网系统三相对地泄漏电阻，C_A、C_B、C_C为电网系统三相对地电容，设单相接地故障发生在C相，R_f为故障过渡电阻。

A：若不投入电容器组时，由基尔霍夫定律可得：

式中

分别为A、B、C三相对地导纳，

是未投入电容器组时的注入电流，

为中性点电压，

假设系统三相对地参数对称即Y_A＝Y_B＝Y_C＝Y，R_A＝R_B＝R_C＝R，且三相电源对称

当系统发生单相接地故障时故障相电压

式(6)可化简为：

因此，在不使用电容器组的情况下，要可使故障点电压

需要控制有源消弧系统精确快速的向中性点注入电流为

B：本发明投入电容器组：

若投入厂用电系统的电容器并联的个数为m，电容C₁＝C₂＝…＝C_n＝C₀，电容器组的导纳为jωmC₀，电容器组所并联的变压器电容侧与系统侧的变比为k，则电容器组等效到系统侧的导纳为Y₀＝jωmk²C₀。

投入电容器组后，由基尔霍夫定律可得：

三相电源对称

当系统发生单相接地故障时故障相电压

式(8)可化简为：

因此，在使用电容器组的情况下，要使故障点电压

需要控制有源消弧系统精确快速的向中性点注入电流为

由于

则最终故障电流为零，从根本上消除了瞬时性故障，抑制永久性故障。

由式

和式

可知，使用电容器组后，有源消弧系统注入电流将会减少

因此该装置的电容器组可大大减少有源逆变单元的容量，显著降低装置造价。

此外，由注入电流

的公式可知，由于Y、Y₀、Z₀大小相位均已知，

的相位根据非故障相电压过零点可确认，因此可确定注入电流的相位。

关于对于电容器所需投入的个数问题，投入电容器组补偿消弧线圈过补偿的电感电流时，有：

整理得：

由于m只能为整数，则最后投入电容器数量m的取值为不大于

的最大整数，此时电容器组补偿的电感电流最大，电流源有源消弧模块所需补偿的电流及容量都最小，m的取值为最优取值。

本发明提供的发电厂厂用电系统故障有源消弧方法及其装置通过在电流源有源消弧模块的基础上增设消弧辅助装置，即增设了电容器组和消谐电阻，其中，正常使用下消谐电阻接入厂用电系统，电容器组不接入；发生接地故障了，消谐电阻退出，电容器组接入厂用电系统，本发明通过如此巧妙的设置，使得正常情况下消谐电阻起到防止系统发生谐振过电压的事件；接地故障下，消谐电阻的退出可以防止消谐电阻消耗有功以及增大故障残流，同时接入电容器组在保证100％消弧的基础上，可以使得电流源有源消弧模块的注入电流大大减小，可以减少装置容量及成本。

为了验证本发明所述方法的可行性，在PSCAD仿真软件中搭建了如图1所示的仿真模型。图4为故障点处故障电流波形，0.1s时发生接地故障，0.2s退出消谐电阻、投入电容器组，并注入电流，最终故障电流被抑制到零，验证本发明所提方法的可行性。图5为采用消弧辅助模块时电流源有源消弧模块注入电流波形，注入电流有效值为7.07A；图6为未采用消弧辅助模块时注入电流波形如所示，注入电流达到了101A。本发明方法使电流源有源消弧模块注入电流减小了93.93A，由此可见，增加的消弧辅助模块能够大大减小电流源有源消弧模块的注入电流，减小装置的容量及成本，具有非常重要的工程意义。

需要强调的是，本发明所述的实例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明不限于具体实施方式中所述的实例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，不脱离本发明宗旨和范围的，不论是修改还是替换，同样属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种发电厂厂用电系统接地故障有源消弧方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1：将消弧辅助模块中的消谐电阻接入厂用电系统，再实时监测厂用电系统的中性点电压以及定时向厂用电系统中性点注入预设频率的电流信号并计算出厂用电系统的对地参数；

所述对地参数包括厂用电系统每相的泄漏电阻、对地电容；

电流源有源消弧模块与消弧辅助模块通过注入变压器并联在厂用电系统的中性点与地之间，所述消弧辅助模块包括电容器组和消谐电阻，电容器组中电容器与消谐电阻之间均为并联连接；

S2：基于实时监测的厂用电系统中性点电压判断是否发生单相接地故障，若发生，识别故障相以及获取最新的对地参数；

S3：控制消谐电阻退出厂用电系统，将电容器组中的电容器接入厂用电系统，并基于基尔霍夫定律计算出消弧注入电流；

S4：将计算出的所述消弧注入电流注入厂用电系统中性点。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述消弧注入电流的计算公式如下：

Y₀＝jωmk²C₀，Z₀＝jωL₀，

式中，

为消弧注入电流，

为故障相的电源电压，Y为厂用电系统线路的单相对地导纳、Z₀为消弧线圈阻抗、Y₀为投入厂用电系统的电容器组等效到系统侧的导纳；

k为注入变压器的变比，ω为角频率，m为投入厂用电系统的电容器数量，C₀为电容器组中单个电容器的电容，L₀为消弧线圈的电感，R为厂用电系统每相的泄漏电阻，C为厂用电系统每相的对地电容，j为虚数单位。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述电容器组中每个电容器的电容相等，电容器组中的电容器之间均并联连接，电容器组中投入厂用电系统的电容器数量m的计算公式如下：

式中，

为小于或等于

的最大整数。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：厂用电系统的对地参数是基于注入的电流信号以及注入电流信号之后返回的电压信号计算出，每相的泄漏电阻相等，每相的对地电容相等。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：厂用电系统的对地参数中的厂用电系统每相的泄漏电阻R、厂用电系统每相的对地电容C的计算公式如下：

式中，

为所述预设频率的电流，

为所述预设频率的电流的返回电压，ω_i为所述预设频率的电流的频率。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤1中注入的电流信号的预设频率为基波的偶数倍且小于或等于500HZ，电流幅值小于或等于5A。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤S2中厂用电系统中当前相电压最低的一相为故障相。

8.一种采用权利要求1-7任一项所述方法的消弧装置，其特征在于：包括电流源有源消弧模块、注入变压器以及消弧辅助模块，所述电流源有源消弧模块和消弧辅助模块均通过注入变压器并联在厂用电系统的中性点与地之间；

其中，消弧辅助模块包括电容器组和消谐电阻，电容器组中电容器之间以及电容器与消谐电阻之间均为并联连接，且每个电容器的电容相等，其中，电容器组与消谐电阻支路上设置控制开关；

所述电流源有源消弧模块用于向厂用电系统中性点注入电流。

9.根据权利要求8所述的消弧装置，其特征在于：每个电容器以及消谐电阻上均设置了一个控制开关。

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