CN114024298B - 一种混合型柔性熄弧系统及使用方法 - Google Patents

一种混合型柔性熄弧系统及使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种混合型柔性熄弧系统及使用方法，涉及配电网非有效接地故障有源熄弧技术领域。为了解决实际中三角形接线配电网的消弧问题，本发明提供一种混合型柔性熄弧系统，包括功率源转换模块、快速投切开关、逆变电源、隔离变压器和注入变压器；通过功率源转换模块将电源电压转换为反相的故障相电源电压，结合快速投切开关再经逆变电源、注入变压器接入系统的中性点，可产生与故障相电源电压等幅值反相位的中性点电压。本发明提供一种混合型柔性熄弧系统，在降低电力电子设备容量和体积的同时，使得消弧补偿能力亦得到大幅提升，在各种过渡电阻情况下均可以实现对单相接地故障的全补偿，兼顾了供电安全性和可靠性。

Description

一种混合型柔性熄弧系统及使用方法
技术领域：
本发明涉及配电网非有效接地故障有源熄弧技术领域，具体地，涉及一种混合型柔性熄弧系统及使用方法。
背景技术：
非有效接地配电网中单相接地故障占所有故障80％以上，随着配电网容量的不断扩大以及线路的电缆化、绝缘化改造，故障点电流逐渐增大，伴随着无功分量、有功分量和少量的谐波分量，使得故障点电弧更加难以自行熄灭，甚至产生弧光过电压。若接地故障不及时处理，易引发火灾、人身触电、用户停电甚至火烧连营等事故，不仅危及人身安全，也给国民经济造成巨大损失。
现有的主要熄弧技术有跳闸熄弧、消弧线圈熄弧、主动转移熄弧、有源全补偿熄弧和自产电源全补偿熄弧。
跳闸熄弧，需要依赖可靠的选线及保护设备，对故障线路进行跳闸处理，切断零序电流通路达到熄弧目的，降低了线路供电可靠性。消弧线圈熄弧是控制消弧线圈产生的电感电流去抵消系统的容性电流，而不能补偿系统中的有功和谐波分量，即使有时已经将流过接地点的工频电流补偿到很小，却仍不能熄灭电弧。主动转移熄弧，需要在变电站母线上配置可分相操作的接地开关，当配电网发生单相接地故障后，将相应故障相的接地开关接地，可将故障点的电流转移至已接地的接地开关处，达到熄弧的目的。但选相错误时有相间故障风险且对系统的冲击较大。
有源全补偿熄弧是基于电力电子设备向系统注入电流，可降低故障点电压电流，根据控制目标的不同，有源全补偿熄弧分为电流熄弧和电压熄弧。电流熄弧是以故障点的电流为控制目标，需要测量系统对地参数以及实际残流的快速准确计算或估算。电压消弧通过调控中性点电压来控制故障点电压，无需测量系统对地参数，控制简单且消弧效果显著，但现有的电压消弧对电力电子设备的容量要求较高，进而增大了装置的体积和成本，也不便于用户安装。
自产电源全补偿熄弧是基于特定连接形式的变压器进行组合，利用配电网电源电压产生反相位等幅值的故障相电源电压，对中性点电压进行钳位，进而可控制故障点电压。但该方法消弧效果受限于变压器的档位精度和因内阻、漏抗导致的相位偏移，其中相位偏移仅通过调档位并不能解决，且变压器变比需要综合计算各变压器的漏抗和系统阻抗，不属于真正意义上的全补偿熄弧。
在专利申请号为“202010845611.1”、名称为“一种配电网单相接地故障有源消弧方法”中，通过变压器转换和电力电子设备相结合的方式，实现故障点的消弧，可大幅度降低电力电子设备的容量需求，但该方法是基于实验室条件(实验室10kV为星型接线)提出的方案，不适用于实际中的三角形接线配电网。
发明内容：
本发明提供一种混合型柔性熄弧系统及使用方法，以克服现有技术不适用于实际中三角形接线配电网的问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种混合型柔性熄弧系统，由功率源转换模块、快速投切开关、逆变电源、隔离变压器和注入变压器组成，所述功率源转换模块的输入端与母线相连，所述功率源转换模块的输出端与两组快速投切开关的输入端相连，所述逆变电源的输入端与功率源转换模块的输出端相连，所述逆变电源的输出端与隔离变压器的输入端相连，所述隔离变压器输出端的一个端口与两组快速投切开关中一组的输出端相连，所述隔离变压器输出端的另一个端口、所述两组快速投切开关中另一组的输出端共同和注入变压器的输入端相连，所述注入变压器的输出端与配电网中性点相连。
上述功率源转换模块可采用接地变压器和配电变压器，所述接地变压器的连接组别为Zny11或Zny1，所述配电变压器的连接组别为Dyn11或Dyn7或Dyn3或Dyn1或Dyn5或Dyn9。
上述快速投切开关采用可控硅开关，所述可控硅开关是随机性可控硅开关或过零点可控硅开关。
上述逆变电源采用三相不控整流输入和单相逆变输出，输出电压0-300V可调，额定容量为10kVA。
上述隔离变压器为单相降压变压器，额定电压变比为600V/120V。
上述注入变压器为单相变压器，额定电压变比为6kV/400V。
上述一种混合型柔性熄弧系统的使用方法，其具体步骤为：
1)检测电网运行状态，判断是否发生单相接地故障并判断故障相；
2)根据故障相投入相对应的快速投切开关；
3)延时时间t投入逆变电源，时间t一般为10ms-30ms；
4)逆变电源实时调控中性点电压等于反相位的故障相电源电压；
5)判断接地故障是否消失；
6)如果接地故障存在，再根据用户的相关设置，若不需要隔离故障馈线，同时柔性熄弧系统投入运行时间没到用户设定的运行时间，则跳转到步骤4，其他情况则跳转到步骤7；
7)柔性熄弧系统恢复，即切除本次故障所投入的快速投切开关和退出逆变电源。
本发明首创性的提出了一种混合型柔性熄弧系统及使用方法，通过功率源转换模块得到与配电网电源电压反相位的线电压，考虑到电源内阻和各变压器的漏抗会导致所述线电压与电源电压在幅值和相位上会有所偏移，进一步的通过小容量逆变电源对偏移的幅值和相位进行修正，可使得中性点电压与故障相电源电压等幅值反相位，达到故障点电流全补偿的目的。同时提出根据现场实际情况，功率源转换模块可选用变电站常用的接地变压器或新增配电变压器。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明通过功率源转换模块将电源电压转换为反相的故障相电源电压，结合快速投切开关再经逆变电源、注入变压器接入系统的中性点，可产生与故障相电源电压等幅值反相位的中性点电压，在各种过渡电阻情况下均可以实现对单相接地故障的全补偿，同时消弧补偿能力亦得到大幅提升，兼顾了供电安全性和可靠性。
2、本发明的设计结构可使逆变电源的容量和体积显著降低，能有效降低电力电子设备的容量和体积，成本进一步降低，更便于用户应用安装，具有不可比拟的技术优势。
3、在变电站原有接地变压器容量足够的情况下，功率源转换模块可采用原有的接地变压器，改造费用低，反之，可采用配电变压器给柔性熄弧系统提供熄弧能量。
附图说明：
图1为本发明实施例提供的采用配电变压器取源的一种混合型柔性熄弧系统结构示意图；
图2为本发明实施例提供的采用接地变压器取源的一种混合型柔性熄弧系统结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种混合型柔性熄弧方法的流程示意图；
图4为本发明提供的建模仿真效果示意图；
图5为本发明提供的建模仿真效果示意放大图。
具体实施方式：
以下结合附图对本发明的内容作进一步的说明和解释。显然，所描述的实施例仅仅只是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本发明的一种混合型柔性熄弧系统由功率源转换模块、快速投切开关、逆变电源、隔离变压器和注入变压器组成。所述功率源转换模块的输入端与母线相连，所述功率源转换模块的输出端与两组快速投切开关的输入端相连，所述逆变电源的输入端与功率源转换模块的输出端相连，所述逆变电源的输出端与隔离变压器的输入端相连，所述隔离变压器输出端的一个端口与两组快速投切开关中一组的输出端相连，所述隔离变压器输出端的另一个端口、所述两组快速投切开关中另一组的输出端共同和注入变压器的输入端相连，所述注入变压器的输出端与配电网中性点相连。
实施例1，如图1所示。所述功率源转换模块是配电变压器PDB，配电变压器PDB的输入端直接与配电网母线的A、B、C三相连接，配电变压器PDB低压侧绕组分别与两组快速投切开关输入端相连，第一组快速投切开关Ka1、Kb1、Kc1输出端共同连接至隔离变压器GLB低压侧的一个端口，隔离变压器GLB低压侧的另一个端口与注入变压器ZRB低压侧一个端口相连，注入变压器ZRB低压侧的另一个端口与第二组快速投切开关Ka2、Kb2、Kc2输出端相连。同时配电变压器PDB低压侧绕组与逆变电源输入端相连，逆变电源输出端与隔离变压器GLB高压侧输入端相连。注入变压器ZRB高压侧与配电网中性点N相连，同时配电网中性点N经消弧线圈接地。
本实施例中，功率源转换模块采用配电变压器PDB，为Dyn11连接的三相变压器，额定电压比为k1＝10kV/400V。隔离变压器为单相变压器，其额定电压比为k＝600V/120V，注入变压器为单相变压器，其额定电压比为k2＝6kV/400V。
所述快速投切开关采用可控硅开关，所述可控硅开关可采用随机型可控硅开关或过零型可控硅开关，随机型可控硅开关动作时间us级，过零型可控硅开关动作时间10ms内。
功率源转换模块将可将配电网电压转换为与配电网电源电压相差30°的线电压，所述功率源转换模块可采用系统原有的接地变压器和新增的配电变压器，所述接地变压器的连接组别为Zny11，所述配电变压器的连接组别为Dyn11，所述功率源转换模块额定电压变比为10kV/400V，所述功率源转换模块容量需足够大，所述功率源转换模块需根据现场实际情况来选取采用接地变压器还是配电变压器。
所述快速投切开关共分为两组，每组有3个开关，两组开关分别与所述功率源转换模块的输出端相连，通过两组快速投切开关可得到与故障相电源电压反相位的线电压。
所述逆变电源采用三相不控整流输入和单相逆变输出，输出电压0-300V可调，额定容量为10kVA，。所述隔离变压器为单相降压变压器，额定电压变比为600V/120V。所述注入变压器为单相变压器，额定电压变比6kV/400V。
本实施例的工作原理如下：UA、UB、UC分别为配电网母线A、B、C三相对地电压，EA、EB、EC分别为配电网A、B、C三相电源电压，rA、rB、rC和CA、CB、Cc分别为三相对地电阻和对地电容，Rf为过渡电阻，Iin为柔性熄弧系统注入电流，同时记母线线电压分别为UAB、UBC、UCA，配电变压器输出线电压为Uab、Ubc、Uca，相电压分别为Ua、Ub、Uc。
基于上述电路连接，配电变压器Dyn11高低压侧线电压存在如下关系：
Figure BDA0003289546140000041
对于电网三相系统，存在如下关系：
Figure BDA0003289546140000051
根据式(1)(2)，可得：
Figure BDA0003289546140000052
根据电路连接关系，当配电网发生单相接地故障时，首先投入Ka1、Kb2或Kb1、Kc2或Kc1、Ka2，则配电网中性点电压分别为：
Figure BDA0003289546140000053
通过设置合适的k1和k2，满足如下关系：
Figure BDA0003289546140000054
则中性点电压和相对应的电源电压就为等幅值反相位关系。
假若系统发生B相接地故障，根据式(4)，首先投入Ka1、Kb2，则B相对地电压为：
Figure BDA0003289546140000055
联立式(4)(5)可得，此时故障点电压被钳制为零，实现故障点全补偿。
类似的，当发生A相接地故障时，首先投入Kc1、Ka2，即可将故障点电压补偿为零；当C相发生接地故障时，首先投入Kb1、Kc2，即可将故障点电压补偿为零。当应用实例中采用Dyn7或Dyn3连接组别的配电变压器，分析过程同上。其对应的快速投切开关动作表如表1所示：
表1快速投切开关动作表
Figure BDA0003289546140000061
其中，两组开关初始状态均为切除状态，表1中“-”表示开关为初始状态。
以上分析是在忽略变压器的漏抗和电源内阻前提下得出的理想状态，实际中经过变压器反相钳位后，中性点电压相较故障相电源电压在幅值和相位上均会有所偏移，其偏移大小与变压器容量和电源内阻均有关，选取合适容量的变压器后，因变压器和内阻带来的幅值和相位偏移均可通过有源的电力电子设备进行补偿修正，电力电子设备即该发明中提出的逆变电源。
假设柔性熄弧系统注入电流Iin为10A，则柔性熄弧系统中配电变二次侧回路中的电流为：
Figure BDA0003289546140000062
逆变电源输出电流为：
Figure BDA0003289546140000063
逆变电源输出补偿电压幅值一般都较小，假设逆变器输出比较大的幅值为220V，此时逆变器的输出容量为30A*220V＝6.6kVA。对于10kVA的逆变器，同样在220V输出条件下，柔性熄弧系统可注入电流能够达到15.2A。相比较现有最大注入电流为8A的50KVA消弧装置，容量体积都大幅降低，同时大幅提升了消弧补偿能力。
能够看出，因为需要逆变电源补偿的电压较低，隔离变压器可将逆变电源的输出电压提高，同时将输出电流降低，即在降低逆变电源容量的同时又使得输出电压工作在适合的范围内。
由于有逆变电源的调节作用，k1和k2的额定电压比可选择标准的电压等级，配电变压器k1＝10kV/400V，注入变压器k2＝6kV/400V，两个变压器均设置五个档位，配电变压器为(10±2×2.5％)/0.4kV，注入变压器为(6±2×2.5％)/0.4kV。将配电变压器高压侧调档至10kV，注入变压器高压侧调档至5850V，则k1＝1.71k2，与式(5)基本相同。
本申请提供的基于实施例1的一种混合型柔性熄弧系统的消弧方法，参见图3所示，其具体步骤为：
1)检测电网运行状态，判断是否发生单相接地故障并判断故障相；
2)根据故障相投入相对应的快速投切开关kx1和ky2，其中x，y为表1中所对应的a、b、c；
3)为防止逆变电源跟功率源转换模块同时投入对逆变电源造成冲击，延时时间t投入逆变电源，时间t一般为10ms-30ms；
4)逆变电源实时调控中性点电压等于反相位的故障相电源电压，实现故障点消弧；
5)判断接地故障是否消失；
6)如果接地故障存在，再根据用户的相关设置，若不需要隔离故障馈线，同时柔性熄弧系统投入运行时间没到用户设定的运行时间，则跳转到步骤4，其他情况则跳转到步骤7；
7)柔性熄弧系统恢复，即切除本次故障所投入的快速投切开关和退出逆变电源。
该方法中，非有效接地配电网的运行状态检测及故障选相技术在目前已非常成熟，本发明不再就故障检测和选相予以赘述。
为了验证本发明所描述的一种混合型柔性熄弧系统及方法的有效性，基于MATLAB/Simulink建立了柔性熄弧仿真模型，其仿真结果如图4和图5所示，模拟系统C相经500Ω过渡电阻接地，系统仿真时间为0.5s，0.05s系统C相发生单相接地故障，0.2s仅投入柔性熄弧系统的功率源转换模块，0.4s柔性熄弧系统的逆变电源投入。0.05s到0.2s故障发生且柔性熄弧系统未投入时，故障点电压峰值为2498V，故障点电流峰值为5A，0.2s至0.4s仅投入功率源转换模块时，故障点电压峰值为342V，故障点电流峰值为0.7A，从图5波形上亦能直观的看出，中性点电压和反相故障相电源电压在幅值和相位上均有些许偏差，没有实现故障点完全熄弧，0.4s投入逆变电源后对系统故障点才实现了完全消弧。
实施例2，参见图2。功率源转换模块采用常见的Zny11接地变压器，其它同实施实例1。
实施中考虑用户接地变压器的容量，若接地变压器容量有限，则功率源转换模块采用实施实例1中的配电变压器，若接地变压器容量充足，则功率源转换模块直接采用接地变压器，可充分利用现有的接地变压器，减少了用户的投入成本。

Claims (4)

1.一种混合型柔性熄弧系统，其特征在于：
由功率源转换模块、快速投切开关、逆变电源、隔离变压器和注入变压器组成；
所述功率源转换模块的输入端与母线相连，所述功率源转换模块的输出端与两组快速投切开关的输入端相连；
所述逆变电源的输入端与功率源转换模块的输出端相连，所述逆变电源的输出端与隔离变压器的输入端相连；
所述隔离变压器输出端的一个端口与两组快速投切开关中一组的输出端相连，隔离变压器输出端的另一个端口、两组快速投切开关中另一组的输出端共同与注入变压器的输入端相连；
配电网为三角形接线方式，注入变压器高压侧与配电网中性点相连，同时配电网中性点经消弧线圈接地；
所述功率源转换模块可采用接地变压器或配电变压器，所述接地变压器的连接组别为Zny11或Zny1，所述配电变压器的连接组别为Dyn11 或Dyn7 或Dyn3 或Dyn1 或Dyn5 或Dyn9；所述快速投切开关采用可控硅开关，所述可控硅开关是随机型可控硅开关或过零型可控硅开关；
所述快速投切开关共分为两组，两组开关分别与所述功率源转换模块的输出
端相连，通过两组快速投切开关得到与故障相电源电压反相位的线电压；
所述的一种混合型柔性熄弧系统的使用方法，其具体步骤为：
1）检测电网运行状态，判断是否发生单相接地故障并判断故障相；
2）根据故障相投入相对应的快速投切开关；
3）延时时间t 投入逆变电源，时间t 一般为10ms-30ms；
4）逆变电源实时调控中性点电压等于反相位的故障相电源电压；
5）判断接地故障是否消失；
6）如果接地故障存在，再根据用户的相关设置，若不需要隔离故障馈线，同时柔性熄弧系统投入运行时间没到用户设定的运行时间，则跳转到步骤4，其他情况则跳转到步骤7；
7）柔性熄弧系统恢复，即切除本次故障所投入的快速投切开关和退出逆变电源。
2. 根据权利要求1 所述的一种混合型柔性熄弧系统，其特征在于：
所述逆变电源采用三相不控整流输入和单相逆变输出，输出电压0-300V 可调，额定容量为10kVA。
3. 根据权利要求2 所述的一种混合型柔性熄弧系统，其特征在于：
所述隔离变压器为单相降压变压器，额定电压变比为600V/120V。
4. 根据权利要求3 所述的一种混合型柔性熄弧系统，其特征在于：
所述注入变压器为单相变压器，额定电压变比为6kV/400V。
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