CN205178493U - 一种组合式中性点接地综合控制装置 - Google Patents

Abstract

一种组合式中性点接地综合控制装置，属于电力电网自动控制领域；本实用新型要解决的技术问题是提供一种能够大大提高电网电压综合控制水平，提高电网运行可靠性的组合式中性点接地综合控制装置；其技术方案是：在变压器或发电机中性点设置一种组合式接地控制装置，包含保护支路(1)、保护支路(2)、保护支路(3)和综合控制单元(7)。综合控制单元(7)的CPU主控程序控制三个保护支路，根据供电网络过电压持续的时间、波头陡度、能量大小、电压参数实现对电网过电压的梯级控制，采用限压、能量抑制、小电阻接地等分步骤保护方案，各层保护按照电压参数、时间参数、能量参数进行逐级配合，形成对电网电压的梯级控制。

Description

一种组合式中性点接地综合控制装置

技术领域

本实用新型涉及电力电网的一种中性点接地装置，尤其是涉及3～66kV中压供电网络，能够大大提高电网的供电可靠性，保障用电设备安全的一种组合式中性点综合控制装置。

背景技术

我国3～66kV中压电网中以6kV、10kV、35kV三个电压等级应用较为普遍，近年来，随着供电网络的发展，真空断路器的大量使用，采用电缆线路的用户日益增加，电弧炉、变频器、高压可控硅等电力设备的使用也日趋增多，导致电网电压的波动十分频繁，因为供电网络电压波动而引起系统故障的现象越来越频繁，造成输变电设备的损坏、影响企业的生产，给企业带来直接或间接的经济损失。特别是工矿企业大多采用电缆供电，使得系统单相接地电容电流大大增加，系统由于发生单相间歇性弧光接地而造成用电设备损坏的事故多有发生。

为了解决电网发展过程中产生的过电压危害问题，针对不同的电网运行方式，电网过电压的保护控制方案也在随之发展。目前国内较常采用的电网运行方式主要包括三种：1)中性点不接地运行方式，2)中性点经消弧线圈接地运行方式，3)中性点经小电阻接地运行方式。

中性点不接地运行方式：中压电网中性点不接地，国内3～66kV中压供电网络大多数采用这种运行方式，对供电网络的过电压防护是通过安装避雷器、组合式过电压保护器、消弧消谐装置进行系统过电压的保护。但是，传统的避雷器仅仅能够防止雷击产生的相对地过电压，无法解决系统相间过电压的问题；而组合式过电压保护器能够同时限制相对地、相间过电压，但吸收能量十分有限，所以，只能够对瞬时性过电压吸收限制，对于谐振、单相接地等产生的长时间过电压无法承受，甚至导致保护器的爆炸；而消弧消谐装置主要是针对系统发送间歇性弧光接地而设置的，其原理是将发生弧光接地的故障相直接金属接地，这种保护方案虽然简单，但是系统需要较长时间的缺相运行；特别是持续时间不长的过电压，通过单相金属接地虽然消除了系统弧光过电压，但会引起较长时间的单相接地，使供电系统带故障运行，使事故扩大化。

中性点经消弧线圈接地的运行方式：中压电网中性点经过消弧线圈接地，这种运行方式主要是针对系统对地电容电流较大，可能导致间歇性弧光接地过电压的问题，主要原理是利用电感电流与电容电流在相位上差180°的原理对系统的电容电流进行补偿。由于电网运行方式的多样化及弧光接地点的随机性，消弧线圈要对电容电流进行有效补偿是非常困难的；另外消弧线圈只能够对工频过电压进行补偿，对于高频振荡过电压无能为力。因此消弧线圈的补偿式保护方案仅仅能够减少弧光接地发生的几率，无法杜绝间歇性弧光接地的发生。即使消弧线圈的感性电流能完全补偿容性电流，中性点位移电压Uo将很高，过补偿方式能够减小中性点位移电压，但失谐度大，将使线路接地电流太大，电弧不易熄灭，那么仍会出现弧光不能自灭及过电压问题，弧光过电压仍然存在。

中性点经小电阻接地的运行方式：中压电网中性点经过小电阻接地，这种运行方式美国应用较多，近年来国内工矿企业供电系统采用的越来越多，其主要原理是电网中性点经过小电阻接地，利用发生单相接地时人为地增加故障点的接地电流，利用零序过电流保护使断路器瞬间切断故障线路。这种保护方案准确性高，保护可靠，其主要缺点在于：首先，当发生单相接地故障时，无法区分是永久性的还是瞬时性的，也无法区分金属接地还是间歇性弧光接地，均作用于跳闸，使线路的跳闸次数大大增加，严重影响了用户的正常供电，使供电的可靠性下降。其次，由于接地点的电流较大，当零序保护动作不及时或拒动时，将使接地点及附近的绝缘受到更大的危害，导致相间短路故障发生。

专利号ZL2010201575037的实用新型专利公开了一种非线性中性点接地电阻，包括至少一组由高能氧化锌阀片组A和与高能氧化锌阀片组A相串联的熔断器构成的组件。其原理是利用高能氧化锌电阻的非线性特性实现对系统电压突变的抑制，吸收系统电压突变时产生的过电压能量。这种技术减少了中性点经线性电阻接地方式跳闸频率相对较高、供电连续性较差的问题，但同时带来新的问题，小电阻接地采用的线性电阻是利用中性点的接地电流通过零序过电流保护使断路器瞬间切断故障线路，而非线性电阻是利用氧化锌电阻的非线性实现对过电压限制，同时通过高能氧化锌非线性电阻的大能容对电压突变的能量进行吸收。该技术认为高能氧化锌非线性电阻的能容量按照系统能容量的300％进行设计，但是没有讲到系统的能容量到底是多少，众所周知，电力系统的能量和电压、电流、时间成正比，系统过电压持续的时间是不定的，例如间歇性弧光接地，可能是瞬时的，也可能持续几分钟，也可能长期存在，由于过电压持续时间的不确定，过电压的最大能量可以认为是无穷大，而非线性电阻的能量不可能设计为无穷大，那么，所谓的300％就没有意义，一旦过电压的能量超出高能氧化锌非线性电阻设计的承受能量，就会导致氧化锌电阻的击穿，进而热积累，形成热崩溃，虽然专利号ZL2010201575037的专利技术中增加了熔断器来保护高能氧化锌非线性电阻，但是氧化锌非线性电阻的退出，会使得该装置无法正常工作。

综上所述，针对系统过电压的问题，在先的三种运行方式以及已知的解决方案都存在着各种问题，缺乏保护的全面性和对电网系统的统一考虑，无法做到保护的全面性、可靠性和系统安全性的和谐统一。

发明内容

本实用新型的目的就是为了解决上述技术方案的不足之处而提供一种根据供电网络过电压持续时间长短、幅值大小、能量大小分别进行组合式处理的整体保护装置，特别是通过中性点接地的综合性控制实现对供电网络过电压分步骤处理的一种组合式接地综合控制装置，该装置能够大大提高电网电压综合控制水平，提高电网运行的可靠性。中性点接地综合控制装置将电力监控技术、电压变化分析技术、电压控制技术有机地结合起来，实现对电网电压的综合监控与保护，改变在先技术中存在的各种问题，使电网电压的保护控制由分散监控上升为一体化保护，使电网电压控制的概念在广度和深度上得到极大的延伸，进一步拓展了电网电压监控保护的针对性和适用性，全面提升电网电压自动监控保护的综合水平。

本实用新型解决其技术问题所采取的技术方案是：一种组合式中性点接地综合控制装置，能够实现对供电网络各种过电压的限制与保护，包括三个保护支路：由限压单元(4)、电流信号单元(10)组成的保护支路(1)；由能量抑制单元(5)、电流信号单元(8)、限流熔断器(11)组成的保护支路(2)；由接地单元(6)、电流信号单元(9)、投切开关(12)组成的保护支路(3)；和一个综合控制单元(7)。所述限压单元(4)、能量抑制单元(5)、接地单元(6)分别根据过电压持续时间、波头陡度、幅值大小、能量大小实现分步骤、综合性的控制与保护，各保护单元在电压参数、时间参数、能量参数上通过自身的物理特性和综合控制单元(7)的集中控制实现组合式的梯级保护配合，从而实现对供电网络的整体控制。

本实用新型所采用技术方案中的保护支路(1)、保护支路(2)、保护支路(3)并联安装，并联后的进线端通过投切开关(13)与变压器或者发电机的中性点电连接，下端与地电连接。

本实用新型所采用技术方案中的保护支路(1)包括限压单元(4)、电流信号单元(10)，所述的限压单元(4)、电流信号单元(10)串联连接。限压单元(4)由高压氧化锌非线性电阻组成，高压氧化锌非线性电阻的直流1mA电压参数按照用电设备的绝缘耐受能力设置，保护支路(1)设置一个电流信号单元(10)，电流信号单元(10)与综合控制单元(7)通讯连接实现集中控制。保护支路(1)的第一个作用是利用限压单元(4)对系统过电压进行初级限制，并吸收过电压能量，特别是针对幅值大、波头陡的瞬时性过电压，利用高压氧化锌阀片较强的抗冲击能力限制过电压幅值，缓和过电压波头的陡度，是整个保护方案的第一级保护，保证用电设备的安全，保证供电的可靠性；第二个作用是利用电流信号单元(10)实现本单元远程监控，实现系统各级保护的配合，对保护支路(1)的工作状况进行监控，同时为整个系统的梯级配合、整体控制提供参数依据，保障整个保护系统的有效配合。

本实用新型所采用技术方案中的保护支路(2)包括限流熔断器(11)、能量抑制单元(5)、电流检测单元(8)，所述的限流熔断器(11)、能量抑制单元(5)、电流检测单元(8)串联连接。能量抑制单元(5)由高能氧化锌非线性电阻组成，能量抑制单元(5)的直流1mA电压参考电压高于限压单元(4)的直流1mA电压参考电压20％；能量抑制单元(5)的残压比低于限压单元(4)的残压比20％；能量抑制单元(5)的非线性特性曲线与限压单元(4)的非线性特性曲线在100A时实现交叉；能量抑制单元(5)的能量承受能力按照保证供电网络所有用电设备安全运行一个时间段T₀设置，所述时间段T₀根据整个保护系统的配合需要进行设置。保护支路(2)设置一个电流信号单元(8)，电流信号单元(8)通过测控电路与综合控制单元(7)通讯连接，实现集中控制。保护支路(2)还设置一个限流熔断器(11)，当保护支路(2)中的能量抑制单元(5)电流达到I₀时，限流熔断器(11)熔断，保护能量抑制单元(5)，同时提供信号给综合控制单元(7)，通过控制保护支路(3)运行，实现小电阻接地，利用零序电流互感器实现故障线路的跳闸。保护支路(2)的第一个作用是在系统有过电压发生并超出保护支路(1)的设计承受能力时对供电系统产生的过电压能量进行再吸收；第二个作用是通过电流信号单元(8)实现本单元的远程监控，实现系统各级保护的配合，对保护支路(2)的工作状况进行监控，同时为整个系统的梯级配合、整体控制提供参数依据，保障整个保护系统的有效配合。

本实用新型所采用技术方案中的保护支路(3)包括快速开关(12)、接地单元(6)、电流信号单元(9)，所述的快速开关(12)、接地单元(6)、电流信号单元(9)串联连接。接地单元(6)由线性电阻组成，线性电阻的参数按照中性点通过小电阻接地的要求设置。保护支路(3)设置有快速开关(12)，实现对接地单元(6)的投切，快速开关(12)动作时间T₁按照保护支路(2)设计运行时间T₀的50％设置。保护支路(3)设置一个电流信号单元(9)，电流信号单元(9)通过测控电路与综合控制单元(7)通讯连接，实现集中控制。保护支路(3)的第一个作用是在系统发生过电压，持续时间超出保护支路(2)的设计运行时间T₀的50％时，或者保护支路(2)中的限流熔断器(11)熔断时，通过快速开关(12)的投入，通过接地单元(6)实现小电阻接地，利用零序电流互感器实现故障线路的跳闸；第二个作用是通过电流信号单元(9)实现本单元的远程控制，实现系统各级保护的配合，对保护支路(3)的工作状况进行监控，同时为整个系统的梯级配合、整体控制提供参数依据，保障整个保护系统的有效配合。

本实用新型所采用技术方案的工作原理是：设置保护支路(1)、保护支路(2)和保护支路(3)，利用三个保护支路分别根据过电压产生时的幅值、波头陡度、持续时间等参数对供电系统产生的过电压进行梯级保护，过电压发生时，首先保护支路(1)投入运行，通过保护支路(1)的限压单元(4)实现对过电压的限制，保证电网电压不超过用电设备的绝缘承受能力，由于限压单元(4)吸收能量有限，承受过电压的时间设置在20ms以内。限压单元(4)主要针对瞬时性过电压进行保护，可以限制瞬时性过电压如雷电过电压、操作过电压等。同时通过三相电压参数、零序电压参数、保护支路(1)中电流信号单元(10)采集的参数分析判断，判断过电压的类型与能量大小，当过电压能量超出保护支路(1)的设计承受能量时，保护支路(2)投入运行。通过保护支路(2)的能量抑制单元(5)对过电压进行能量的抑制，同时保证系统电压不超过安全值，由于系统能量为被保护的电网输送能量，与时间成比例关系，所以，能量抑制单元(5)的承受时间不是无穷的，根据该供电网络产生过电压的状况以及系统保护的需要进行设置，综合衡量工艺要求、成本等因素，能量抑制单元(5)的设计承受时间T₀不超过10分钟。同时通过电流信号单元(8)采集保护支路(2)的电流参数，对过电压进行再判断。如果过电压能量超出保护支路(2)的设定承受能量，也即过电压的持续时间超过能量抑制单元(5)设计承受时间T₀的50％时，则保护支路(3)投入运行，通过接地单元(6)实现供电系统的中性点小电阻接地，利用零序电流互感器实现故障线路的跳闸，保证电网电压不对系统的用电设备、输变电设备造成危害。

本实用新型的有益效果是：通过保护支路(1)、保护支路(2)、保护支路(3)实现对供电网络过电压的梯级控制，根据系统电压参数和各级保护电流参数的采集、分析、判断，判断过电压的持续时间、波头陡度、幅值大小、能量大小等参数，综合采用组合式的梯级处理的保护方案，各层保护按照参数设置、时间设置、能量配合等进行逐级配合，解决在先技术中中性点不接地运行方式、中性点消弧线圈接地运行方式、中性点小电阻接地运行方式存在的各种问题。相对于中性点不接地和中性点消弧线圈接地的运行方式，保护的可靠性大大提高；相对于中性点小电阻接地的运行方式，克服了小电阻接地跳闸频率高、供电连续性差的问题。

附图说明

图1为本实用新型的电路原理图；

图2为本实用新型的保护支路组合图；

图3为本实用新型主控制程序的流程示意图；

具体实施方式

如图1的电路原理图、图2的保护支路组合图所示，一种组合式中性点接地综合控制装置，包括保护支路(1)、保护支路(2)、保护支路(3)、综合控制单元(7)；保护支路(1)、保护支路(2)、保护支路(3)的进线端电连接后通过投切开关(13)与变压器或发电机的中性点电连接；保护支路(1)、保护支路(2)、保护支路(3)的出线端电连接后与地电连接。形成三个保护支路并联后通过投切开关(13)连接于变压器或发电机的中性点与地之间。

如图2所示的保护支路组合图，保护支路(1)包括限压单元(4)和电流信号单元(10)，限压单元(4)与电流信号单元(10)串联连接，限压单元(4)的进线端通过投切开关(13)与变压器或发电机的中性点电连接，限压单元(4)的出线端与电流信号单元(10)进线端电连接，电流信号单元(10)的出线端与地电连接，电流信号单元(10)的二次侧与综合控制单元(7)通讯连接。

如图2所示的保护支路组合图，保护支路(2)包括限流熔断器(11)、能量抑制单元(5)、电流信号单元(8)，所述的限流熔断器(11)、能量抑制单元(5)、电流信号单元(8)串联连接，限流熔断器(11)的进线端通过投切开关(13)与变压器或发电机的中性点电连接，限流熔断器(11)的出线端与能量抑制单元(5)的进线端电连接，能量抑制单元(5)的出线端与电流信号单元(8)进线端电连接，电流信号单元(8)的出线端与地电连接，电流信号单元(8)的二次侧与综合控制单元(7)通讯连接。

如图2所示的保护支路组合图，保护支路(3)包括快速开关(12)、接地单元(6)、电流信号单元(9)，所述的快速开关(12)、接地单元(6)、电流信号单元(9)串联连接，快速开关(12)的进线端通过投切开关(13)与变压器或发电机的中性点电连接，快速开关(12)出线端与接地单元(6)的进线端电连接，接地单元(6)的出线端与电流信号单元(9)的出线端电连接，电流信号单元(9)的出线端与地电连接，电流信号单元(9)的二次侧与综合控制单元(7)通讯连接。

如图1、图2所示，综合控制单元(7)通过信号传输线路与电流信号单元(8)、电流信号单元(9)、电流信号单元(10)通讯连接。

如图3所示，是综合控制单元(7)的一个主控程序流程示意图。综合控制单元(7)在初始化后进入[电网电压检测]，对供电电网的电压实时监测；然后进入[有无过电压]，判断系统有无过电压产生，如果[有无过电压]判断为N，返回[电网电压检测]，如果[有无过电压]判断为Y，进入[保护支路1运行]，对系统过电压进行限制，同时发出警报并上传检测参数；由[保护支路1运行]进入[支路1电流超时]，通过判断保护支路(1)的电流大小及持续时间，判断系统过电压的大小，如果[支路1电流超时]判断为N，则返回[电网电压检测]，如果[支路1电流超时]判断为Y，进入[保护支路2运行]，保护支路(2)投入运行，同时发出警报并上传检测参数；由[保护支路2运行]进入[支路2电流超时]，通过判断保护支路(2)的电流大小及持续时间，判断系统过电压的大小，如果[支路2电流超时]判断为N，则返回[电网电压检测]，如果[支路2电流超时]判断为Y，进入[保护支路3运行]，同时进入[警报]和[参数上传]；[保护支路3运行]进入[支路3电流超标]，判断保护支路3的电流是否超过设定标准，如果[支路3电流超标]判断为Y，进入[故障线路跳闸]，同时进入[警报]和[参数上传]；如果[支路3电流超标]判断为N，则进入[参数上传/警报]，然后进入[系统复位]后回到[电网电压检测]。

Claims (6)

1.一种组合式中性点接地综合控制装置，其特征在于：包括保护支路(1)、保护支路(2)、保护支路(3)和综合控制单元(7)，所述的保护支路(1)、保护支路(2)、保护支路(3)并联连接，并联后的进线端通过投切开关(13)与变压器或者发电机的中性点电连接，出线端与地电连接，综合控制单元(7)对三个保护支路通讯连接。

2.根据权利要求1所述的一种组合式中性点接地综合控制装置，其特征在于：保护支路(1)包括限压单元(4)和电流信号单元(10)，所述的限压单元(4)和电流信号单元(10)顺序电连接。

3.根据权利要求1所述的一种组合式中性点接地综合控制装置，其特征在于：保护支路(2)包括限流熔断器(11)、能量抑制单元(5)、电流信号单元(8)，所述的限流熔断器(11)、能量抑制单元(5)、电流信号单元(8)顺序电连接。

4.根据权利要求1所述的一种组合式中性点接地综合控制装置，其特征在于：保护支路(3)包括快速开关(12)、接地单元(6)、电流信号单元(9)，所述的快速开关(12)、接地单元(6)、电流信号单元(9)顺序电连接。

5.根据权利要求1所述的一种组合式中性点接地综合控制装置，综合控制单元(7)与三相电压信号和中性点电压信号通讯连接，其特征在于：综合控制单元(7)还同时与保护支路(1)的电流信号单元(10)、保护支路(2)的电流信号单元(8)和保护支路(3)的电流信号单元(9)通讯连接。

6.根据权利要求1所述的一种组合式中性点接地综合控制装置，保护支路(2)包括限流熔断器(11)，其特征在于：限流熔断器(11)熔断时提供信号给综合控制单元(7)，控制保护支路(3)投入运行。