CN113169549A - 单相电源、消弧系统及消弧方法 - Google Patents

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Abstract

一种单相电源、消弧系统及消弧方法。该单相电源包括：通过联轴器连接的三相异步电动机(M)、单相同步发电机(G)和三相励磁发电机(EX)，其中，该三相励磁发电机(EX)跟随该三相异步电动机(M)旋转并产生三相交流电，其中该三相交流电经整流提供至该单相同步发电机(G)的直流励磁绕组，该单相同步发电机(G)跟随该三相异步电动机(M)旋转并提供单相电源输出。通过单相电源给接地变压器(1)提供合适相位和幅值的补偿电压，可以降低接地故障点电压，消除接地故障点电弧。

Description

单相电源、消弧系统及消弧方法
技术领域
本发明涉及电力领域，具体涉及一种单相电源、消弧系统及消弧方法。
背景技术
国内6KV至35KV配电网多为中性点不接地系统。据统计，该配电网系统70％以上的故障都是单相接地故障。在发生单相接地故障的情况下，电弧难以熄灭，并且容易产生高倍的高频过电压和工频过电压，危害系统正常运行。如果电弧长时间难以熄灭，那么还将可能发生相间短路事故，导致更严重的后果。
相关技术中，通常在配电网中性点接入消弧线圈，以补偿接地故障点的电流，消除接地故障点的电弧。但是近年来，随着电缆化率的提高，配电网系统的对地电容电流在不断增大，阻性电流、高频电流和谐波电流的绝对值也在增大。由于上述消弧线圈只能对流过接地故障点的工频容性电流进行补偿，因此难以有效地消弧。
相关技术中还采用转移消弧技术，即，在配电网系统母线侧通过选择开关将接地故障点直接金属接地，以转移接地故障点的电流，消除接地故障点的电弧。但是，在上述消弧过程中，由于接地故障相判断不准确，可能造成异名相接地，从而导致相间短路，引发更严重的短路事故。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种单相电源、消弧系统及消弧方法。
根据本发明的一个方面，提供了一种单相电源。该单相电源包括：通过联轴器连接的三相异步电动机M、单相同步发电机G和三相励磁发电机EX，其中，所述三相励磁发电机EX跟随所述三相异步电动机M旋转并产生三相交流电，其中所述三相交流电经整流提供至所述单相同步发电机G的直流励磁绕组，所述单相同步发电机G跟随所述三相异步电动机M旋转并提供单相电源输出。
优选地，所述单相同步发电机G包括转子组件和定子组件，其中，所述转子组件包括：转子铁心、所述直流励磁绕组以及设在所述转子铁心的槽口位置的笼型结构绕组；所述定子组件包括：定子铁心以及用于提供所述单相电源输出的单相电源输出绕组。
优选地，所述笼型结构绕组由若干导条组成，所述导条的数目与所述转子铁心的槽数相同。
优选地，所述导条的横截面积与所述单相电源输出绕组的绕线横截面积相同。
优选地，所述单相同步发电机G的气隙是其额定气隙的1.2倍至1.8倍。
所述单相同步发电机G与所述三相异步电动机M一体装配成型。
根据本发明的另一个方面，提供了一种消弧系统。该消弧系统包括：接地变压器，其第一端与配电网连接，第二端通过发电机单元接地；电压传感器，与所述配电网连接；以及测控单元，分别与所述电压传感器和所述发电机单元连接，所述测控单元根据所述电压传感器反馈的所述配电网的电压，判断所述配电网是否发生接地故障，并且，在发生接地故障的情况下，所述测控单元控制所述发电机单元相应地调节补偿电压的幅值和角度，其中，所述发电机单元为上述任一种单相电源。
优选地，上述消弧系统还包括：电流传感器，与所述单相电源串联，用于检测所述单相电源的电流；以及所述测控单元根据所述电流传感器反馈的所述单相电源的电流，判断所述配电网的接地故障是瞬时性接地故障还是永久性接地故障。
根据本发明的又一个方面，提供了一种消弧方法，应用于上述任一种的消弧系统。该消弧方法包括：单相电源接收来自测控单元控制指令，其中所述控制指令用于在配电网发生接地故障的情况下指示补偿电压的目标幅值和目标角度；以及所述单相电源将其单相电源输出调节至所述目标幅值和所述目标角度。
优选地，所述单相电源将其单相电源输出调节至所述目标幅值和所述目标角度包括：根据所述目标幅值，所述单相电源将三相励磁发电机EX的励磁电流增强至额定励磁电流的若干倍数；根据所述目标角度，所述单相电源将所增强的励磁电流保持特定时间；以及当所述单相电源输出调节至所述目标幅值和所述目标角度时，所述单相电源将所述励磁电流恢复至所述额定励磁电流。
本发明实施例通过单相电源给接地变压器提供合适相位和幅值的补偿电压，可以降低接地故障点电压，消除接地故障点电弧。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中:
图1为根据本发明实施例的消弧系统的示意图之一；
图2为根据本发明实施例的消弧系统的示意图之二；
图3为根据本发明实施例的消弧系统的示意图之三；
图4为根据本发明实施例的单相电源的示意图；
图5为根据本发明实施例的单相同步发电机的示意图；
图6为根据本发明实施例的定子绕组接线的示意图；
图7为根据本发明实施例的转子绕组接线的示意图；
图8为根据本发明实施例的消弧方法的流程图；
图9为根据本发明实施例的消弧方法的详细流程图；以及
图10为根据本发明具体实例的消弧方法的流程图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
本发明实施例提供了一种消弧系统。图1为根据本发明实施例的消弧系统的示意图之一，如图1所示，该消弧系统包括：接地变压器1，其第一端与配电网连接，第二端通过发电机单元3接地。该消弧系统还包括：电压传感器4，与该配电网连接；以及测控单元5，分别与该电压传感器4和该发电机单元3连接，该测控单元5根据该电压传感器4反馈的该配电网的电压，判断该配电网是否发生接地故障，并且，在发生接地故障的情况下，该测控单元5控制该发电机单元3相应地调节补偿电压的幅值和角度。
在本发明实施例中，通过发电机单元3给接地变压器1提供合适相位和幅值的补偿电压，可以降低接地故障点电压，消除接地故障点电弧。其中，该发电机单元3可以是一种单相电源(单相同步发电机)，其具体结构将于下文进行详细描述。其中，电压传感器4可以采用相关技术中能够检测电压信号的任何传感器。本领域技术人员知晓，电压传感器4的增加，有利于更精确地判断该配电网是否发生接地故障并在发生接地故障的情况下通过发电机单元3给接地变压器1提供合适相位和幅值的补偿电压。
根据本发明的实施例，该消弧系统还包括：电流传感器6，与该发电机单元3串联，用于检测该发电机单元3的电流；以及该测控单元5还根据该电流传感器6反馈的该发电机单元3的电流，判断该配电网的接地故障是瞬时性接地故障还是永久性接地故障。本领域技术人员知晓，电流传感器6的增加有利于进一步判断该配电网的接地故障是瞬时性接地故障还是永久性接地故障，以根据接地故障进一步触发其他电子元器件(例如图中没有示出的接地故障选择开关)相应地开启或闭合。
根据本发明的实施例，该发电机单元3可以与该电流传感器6串联(参见图1)。根据本发明的实施例，该发电机单元3还可以通过隔离线圈7与接地变压器1连接(参见图2)。其中，该隔离线圈7包括第一线圈以及与该第一线圈互感的第二线圈，其中，该发电机单元3的第一端与该第二线圈的第一端连接，该发电机单元3的第二端与该第二线圈的第二端连接。
图3为根据本发明实施例的消弧系统的示意图之三，如图3所示，该消弧系统还包括与该发电机单元3串联的补偿线圈2。在本实施例中进一步通过补偿线圈2给接地变压器1提供合适相位和幅值的补偿电压，可以进一步降低接地故障点电压，消除接地故障点电弧。
本发明实施例还提供了一种单相电源。图4为根据本发明实施例的单相电源的示意图，如图4所示，该单相电源包括：通过联轴器连接的三相异步电动机M、单相同步发电机G和三相励磁发电机EX，其中，该三相励磁发电机EX跟随该三相异步电动机M旋转并产生三相交流电，其中该三相交流电经整流提供至该单相同步发电机G的直流励磁绕组，该单相同步发电机G跟随该三相异步电动机M旋转并提供单相电源输出。
本发明实施例中，单相同步发电机G所提供的单相电源输出是一种相位和幅值可调的补偿电压，其可以应用于上述任一种的消弧系统。下面结合该单相同步发电机的结构来详细介绍如何提供相位和幅值可调的补偿电压。
需要说明的是，虽然图4中所描述的是三相异步电动机M和单相同步发电机G分体成型并通过联轴器连接，但是这仅仅是本发明的一种实施方式，实际应用中，任何能够将三相异步电动机M和单相同步发电机G连接的实施方式，例如单相同步发电机与所述三相异步电动机一体装配成型，均应当纳入本发明的保护范围。
图5为根据本发明实施例的单相同步发电机的示意图，如图5所示，该单相同步发电机G包括转子组件和定子组件。该转子组件通过上述联轴器与三相异步电动机M连接并跟随其保持旋转。该转子组件包括：转子铁心、直流励磁绕组以及设在该转子铁心的槽口位置的笼型结构绕组；该定子组件包括：定子铁心以及用于提供该单相电源输出的单相电源输出绕组。
在本发明实施例中，由于转子铁心跟随上述三相异步电动机M保持旋转，同时由于直流励磁绕组通有相位和幅值可调的励磁电流，因此电源输出绕组能够感应得到相应的相位和幅值可调的单相电源输出。
进而，考虑到单相同步发电机的一个不足是存在负序磁场，该负序磁场将引起该单相同步发电机的振动，因此本发明实施例还在转子铁心的槽口位置设置了如下的笼型结构绕组，以便尽可能消除该负序磁场。
(1)该笼型结构绕组采取全阻尼结构，即，组成该笼型结构绕组的导条数与转子铁心的槽数相同。
(2)组成该笼型结构绕组的导条具有足够的横截面积，例如，其横截面积与单相电源输出绕组的绕线横截面积相同。
(3)组成该笼型结构绕组的导条采用低电阻材料，例如，金、银或紫铜。
根据本发明的实施例，将单相同步发电机G的气隙增大至其额定气隙的1.2倍至1.8倍也可能消除该负序磁场。其原因是，增大气隙将显著降低负序气隙旋转磁场与正序气隙旋转磁场相互作用，从而显著降低负序磁场。
需要说明的是，参考图5，无论直流励磁绕组和笼型结构绕组的绕组数目还是单相电源输出绕组的绕组数目都仅仅是本发明的一种实施方式，实际应用中，任何能够实现单相电源输出的其他绕组数目，均应当纳入本发明的保护范围。
另外，参见图4，本领域技术人员还应当理解，该单相电源还包括斩波器，用于在控制器的控制下，对经整流得到直流电进行斩波，以便将其调节至适合该单相同步发电机G的电压。其中，该整流器和该斩波器可以安装在三相励磁发电机上并随其旋转。需要说明的是，上述三相励磁发电机、整流器与斩波器的组合仅仅是本发明的一种实施方式，实际应用中，任何能够给单相同步发电机的直流励磁绕组提供适合励磁电流的实施方式，均应当纳入本发明的保护范围。
同时，参见图4，本领域技术人员还应当理解，该单相电源还包括变频器，用于在控制器的控制下，调节三相异步电动机M的输入频率，从而调节其转速。需要说明的是，上述变频调节仅仅是本发明的一种实施方式，实际应用中，任何能够调节三相异步电动机M转速的实施方式，均应当纳入本发明的保护范围。
为了更清楚说明上述单相电源的实现方式，本发明还提供了一个具体实例。
(1)三相异步电动机M
该电动机可以选择380V/200KW的变频电机。它可以在变频器的调节下按照相应转速保持旋转。并且，无论三相励磁发电机EX是否产生励磁电流，该变频电机始终保持旋转。
(2)三相励磁发电机EX
该励磁机可以选择220V/4KW的三相交流发电机。例如，以Y132电机为参考，采用定子为直流励磁、转子为三相电枢绕组的发电机。同时，该励磁机的直流励磁电压的额定值可以为75V，励磁电流可以为4A，由外部电源供电，配合电容器稳压平波。
(3)单相同步发电机G
该发电机能够以Y355电机为参考，采用转子为直流励磁、定子为单相电源输出的发电机。其提供的电源输出可以实现电压0-1000V、电流0-150A，过渡过程不大于150ms。
进一步，该发电机G的定子可以是72槽(参照图6方式进行接线)，采取4级结构，每个线圈用7-φ1.6mm漆包线绕5匝(双层)Y＝15。
进一步，该发电机G的转子可以是64槽(参照图7方式进行接线)，采取4级结构，每个线圈用3-φ1.6mm漆包线绕14匝(双层)Y＝14。
本发明实施例又提供了一种消弧方法。该消弧方法可以应用于上述任一种的消弧系统。图8为根据本发明实施例的消弧方法的流程图。如图8所示，该方法包括如下的步骤S802至步骤S804。
步骤S802，单相电源接收来自测控单元的控制指令，其中该控制指令用于在配电网发生接地故障的情况下指示补偿电压的目标幅值和目标角度。
步骤S804，单相电源将其单相电源输出调节至该目标幅值和该目标角度。
本发明实施例通过单相电源给接地变压器提供合适相位和幅值的补偿电压，可以降低接地故障点电压，消除接地故障点电弧。
图9为根据本发明实施例的消弧方法的详细流程图。如图9所示，步骤S804包括如下的步骤S8042至步骤S8046。
步骤S8042，根据目标幅值，单相电源将三相励磁发电机EX的励磁电流增强至额定励磁电流的若干倍数。
步骤S8044，根据目标角度，单相电源将所增强的励磁电流持续特定时间。
步骤S8046，当单相电源输出调节至该目标幅值和该目标角度时，该单相电源将励磁电流恢复至额定励磁电流。
本发明实施例通过采用高于额定励磁数倍的强励磁，能够提高单相电源的响应速度，使其更快输出目标幅值和目标角度的补偿电流，更快降低接地故障点电压，消除接地故障点电弧。
为了更清楚说明上述消弧方法的实现方式，本发明还提供了一个具体实例。
图10为根据本发明具体实例的消弧方法的流程图。如图10所示，该方法包括如下的步骤S1002至步骤S1010。
步骤S1002，系统正常空载运行。
步骤S1004，判断系统是否发生单相接地，如果是，则继续步骤S1006，否则返回步骤S1002。
步骤S1006，采用高倍强励磁调节励磁电流。
步骤S1008，判断是否满足额定励磁，如果是，则继续步骤S1010，否则返回步骤S1006。
综上所述，本发明提供了一种单相电源、消弧系统及消弧方法。该单相电源包括：通过联轴器连接的三相异步电动机、单相同步发电机和三相励磁发电机，其中，该三相励磁发电机跟随该三相异步电动机旋转并产生三相交流电，其中该三相交流电经整流提供至该单相同步发电机的直流励磁绕组，该单相同步发电机跟随该三相异步电动机旋转并提供单相电源输出。本发明通过单相电源给接地变压器提供合适相位和幅值的补偿电压，可以降低接地故障点电压，消除接地故障点电弧。
显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种单相电源，其特征在于，包括：通过联轴器连接的三相异步电动机(M)、单相同步发电机(G)和三相励磁发电机(EX)，其中，
所述三相励磁发电机(EX)跟随所述三相异步电动机(M)旋转并产生三相交流电，其中所述三相交流电经整流提供至所述单相同步发电机(G)的直流励磁绕组，
所述单相同步发电机(G)跟随所述三相异步电动机(M)旋转并提供单相电源输出。
2.根据权利要求1所述的单相电源，其特征在于，所述单相同步发电机(G)包括转子组件和定子组件，其中，
所述转子组件包括：转子铁心、所述直流励磁绕组以及设在所述转子铁心的槽口位置的笼型结构绕组；
所述定子组件包括：定子铁心以及用于提供所述单相电源输出的单相电源输出绕组。
3.根据权利要求2所述的单相电源，其特征在于，所述笼型结构绕组由若干导条组成，所述导条的数目与所述转子铁心的槽数相同。
4.根据权利要求3所述的单相电源，其特征在于，所述导条的横截面积与所述单相电源输出绕组的绕线横截面积相同。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的单相电源，其特征在于，所述单相同步发电机(G)的气隙是其额定气隙的1.2倍至1.8倍。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的单相电源，其特征在于，所述单相同步发电机(G)与所述三相异步电动机(M)一体装配成型。
7.一种消弧系统，其特征在于，包括：
接地变压器，其第一端与配电网连接，第二端通过发电机单元接地；
电压传感器，与所述配电网连接；以及
测控单元，分别与所述电压传感器和所述发电机单元连接，所述测控单元根据所述电压传感器反馈的所述配电网的电压，判断所述配电网是否发生接地故障，并且，在发生接地故障的情况下，所述测控单元控制所述发电机单元相应地调节补偿电压的幅值和角度，
其中，所述发电机单元为根据权利要求1至5中任一项所述的单相电源。
8.根据权利要求7所述的消弧系统，其特征在于，还包括：
电流传感器，与所述单相电源串联，用于检测所述单相电源的电流；以及
所述测控单元根据所述电流传感器反馈的所述单相电源的电流，判断所述配电网的接地故障是瞬时性接地故障还是永久性接地故障。
9.一种消弧方法，应用于根据权利要求7或8所述的消弧系统，其特征在于，包括：
单相电源接收来自测控单元控制指令，其中所述控制指令用于在配电网发生接地故障的情况下指示补偿电压的目标幅值和目标角度；以及
所述单相电源将其单相电源输出调节至所述目标幅值和所述目标角度。
10.根据权利要求9所述的消弧方法，其特征在于，所述单相电源将其单相电源输出调节至所述目标幅值和所述目标角度包括：
根据所述目标幅值，所述单相电源将三相励磁发电机(EX)的励磁电流增强至额定励磁电流的若干倍数；
根据所述目标角度，所述单相电源将所增强的励磁电流保持特定时间；以及
当所述单相电源输出调节至所述目标幅值和所述目标角度时，所述单相电源将所述励磁电流恢复至所述额定励磁电流。
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