CN210404755U - 一种自产供电相电源的接地故障电流补偿系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种自产供电相电源的接地故障电流补偿系统，包括相供电电源产生器、相供电电源相位补偿器、投切开关、控制器和变压装置，供电电源的相位补偿器的输出端通过投切开关接入系统中性点。该系统可无源产生配电网供电相电源及谐波相电源，并将反相供电相电源及谐波相电源按照故障逻辑投入系统。实现配电网接地故障无功电流、谐波电流及有功电流的完全补偿，克服了从母线系统取电后采用电力电子器件逆变注入方法补偿不完全的弊端，解决了有源逆变方法金属性接地补偿效果差及传统消弧线圈不能实现全补偿的问题。本实用新型高效、精准，能完全补偿接地故障产生的过电压、过电流，保证了电网及设备安全，完全避免了人身触电风险。

Description

一种自产供电相电源的接地故障电流补偿系统

技术领域

本实用新型涉及配电网技术领域，尤其涉及一种自产供电相电源的接地故障电流补偿系统。

背景技术

国内外配电网单相接地故障占80％以上，严重影响电网及设备的安全运行，安全处理接地故障对社会及经济发展有重要作用。当系统的电容电流大于10A以上时，采用消弧线圈接地方式。消弧线圈能够在一定程度上减少故障电流，系统可带故障运行2小时，但消弧线圈不能实现全补偿，故障点依然存在小于10A的残流，残流的存在可引起人身触电、火灾事故，以及严重威胁电网和设备的安全稳定运行。当系统的电容电流较大时，多采用小电阻接地方式，当发生单相接地故障时，放大故障线路零序电流，继电保护装置快速切除故障线路，但此种接地方式供电可靠性难以保障，且存在高阻接地时，继电保护拒动的风险。

当前，为能够彻底消除单相接地故障危害，同时保证供电可靠性。国内外提出了诸多完全补偿单相接地故障点电流的方法。

瑞典Swedish Neutral发表《接地故障中和器全补偿技术应用》公开了一种通过有源补偿器向系统中性点注入电流补偿接地故障点电流的方式。但该方式中的接地故障残流无法直接获得，采用系统对地分布参数计算残流数值，偏差较大；同时该补偿器采用电力电子装置实现电流相位及幅值的控制，其电流相位、幅值精度无法同时保证，且补偿电流谐波含量大，控制复杂，稳定性差；因此瑞典Swedish Neutral制造的GFN(接地故障中和器)的补偿效果与理想值偏差极大，该装置在浙江某地进行模拟试验的结果显示，对于金属性接地故障，经GFN装置补偿后的接地残流仍在5A以上，与理想值即零电流差距较大，仅与消弧线圈补偿效果相当。

国内来说，专利CN102074950A公开了一种配电网接地故障消弧和保护方式，该方式与瑞典Swedish Neutral的消弧方式类似。通过向配网系统中性点注入电流将故障相电压电压抑制为零，该方式存在金属性接地时，其故障相电压为0，怎么控制故障电压为0的问题，该方式只对高阻接地故障有作用，且控制故障相电压，需要准确控制注入电流的幅值及相位，实现难度大。

申请号为201710550400.3的专利公开了非有效接地系统接地故障主动降压安全处理方式，该方式在变压器系统侧绕组设置分接接头，通过将故障相绕组分接头对地短路或经阻抗短路，降低故障相电压，以达到限制接地故障点电流的目的。本质上该方式是在电网线路发生单相接地时，在系统母线侧制造另一个的接地点，对原单相接地电流进行分流，显然该方式对于金属性单相接地故障的补偿效果较差，甚至无效，且装置误动作将引起相间短路。

申请号为201710544978.8和申请号201710544976.9的专利公开了非有效接地系统接地故障相降压消弧方式，两种方式均为在发生单相接地故障时，在非有效接地系统侧的母线与地、或线路与地、或中性点与地，或中性点非有效接地系统侧绕组的分接抽头与地之间外加电源，以期降低故障电压。两种方式的区别仅在于，外加电源其一为电压源，其二为电流源，无本质区别。同样存在电压源和电流源的控制系统相电压精度问题，及金属性短路时，相对地电压为零，无法控制的问题。两种方法实施中，如外加电源直接施加在母线或线路与地之间时，会改变系统线电压，造成该系统负载(如配电变压器)无法正常运行。

综上，现有技术中尚无控制简便，精准、高效的单相接地故障电流完全补偿的方式，能兼顾配电系统供电可靠性和安全性的技术。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的是提供一种自产供电相电源的接地故障电流补偿系统，通过线相变换器将母线上的线电源变为反向的相电源，结合投切开关接入系统的中性点接入故障相抑制故障相的过电压，来达到全补偿的目的，有效解决了配电系统单相接地故障中电流控制复杂、金属性接地难以完全补偿等难题，同时系统中还设有变压装置，对线电源变相电源后的电压进行调节，在接地故障时以达到电流电压全补偿的目的，本实用新型完全补偿后无电弧发生，避免了人身触电风险，提高了供电可靠性和供电安全性。

本实用新型通过以下技术手段解决上述技术问题：

本实用新型提供一种自产供电相电源的接地故障电流补偿系统，包括相供电电源产生器、相供电电源相位补偿器、投切开关、控制器和变压装置，所述变压装置为补偿电容器组(电抗器组)或串联电容器组(串联电抗器组)或电压调节器。所述相供电电源产生器与母线连接后输出端与供电电源补偿器的输入端连接，所述相供电电源相位补偿器的输出端通过投切开关接入系统中性点。相供电电源相位补偿器的输出端将得到与电网系统供电电源电压相位相反，幅值相同的电压，该电压即能够完全补偿接地故障点电流。

进一步，所述相供电电源产生器一次绕组引出点与电网系统母线连接；所述相供电电源产生器的二次绕组引出点分别与相供电电源相位补偿器一次绕组对应相连接点连接。

所述相供电电源相位补偿器的二次绕组分别设置有A相补偿连接点、B相补偿连接点、C相补偿连接点和中性点引出点n；相供电电源相位补偿器的中性点引出点n应接地。

进一步，所述投切开关设置有A相开关连接点、B相开关连接点、C相开关连接点和公共连接点。

进一步，所述相供电电源相位补偿器二次绕组的A相补偿连接点、B相补偿连接点、C相补偿连接点分别连接投切开关的A相开关连接点、B相开关连接点、C相开关连接点。

进一步，通过相供电电源产生器将系统线电压转换为相电压，产生供电相电源，相供电电源产生器联结形式可以是Dy或Zy或Yd或Yy等，但当相供电电源产生器二次绕组中性点引出时，不得接地。根据变压器原理，相供电电源产生器产生的供电相电源与电网系统供电电源相电压存在相位差

且

其中

为相供电电源产生器线电压与电网系统对应的线电压之间的相位差，n为[0,11]范围内的整数。

进一步，相供电电源产生器的额定电压对本实用新型的实现没有原理上的冲突或影响，但考虑现有成熟技术和更方便的实现本技术，推荐的相供电电源产生器二次绕组的额定线电压为0.4kV或以上，且在电网系统额定电压内。但相供电电源产生器一次绕组和二次绕组的电压比为k。

相供电电源相位补偿器补偿相供电电源产生器产生的相电压相位差；其连接形式可以是Dyn或Zyn或Yyn，其y中性点引出端且必须接地。其输出线电压与输入线电压存在相位差

相供电电源相位补偿器的一次绕组额定电压为相供电电源产生二次绕组额定电压，相供电电源相位补偿器二次绕组额定线电压为电网系统额定电压，其一次绕组和二次绕组的电压比为1/k。

进一步，为更方便的实施本技术，表1给出了部分相供电电源产生器可采用的联结组别以及相应的相供电电源相位补偿器应采用的联结组别。

表1部分相供电电源产生器可采用和相供电电源相位补偿器采用的联结组别

进一步，投切开关为机械开关、电力电子开关等快速投入开关。

进一步，相供电电源产生器和相供电电源相位补偿器输出补偿电流时，在相供电电源产生器和相供电电源相位补偿器的内部阻抗产生电压降，使得相供电电源相位补偿器输出端(即中性点)得到的电压幅值将低于电网系统供电电源电压幅值，因此本技术方案设置变压装置，通过变压装置将相供电电源相位补偿器输出补偿电流时产生的电压降进行适当调节，使得相位补偿器输出端(即中性点)得到的电压幅值与系统供电电源相电压相等。

进一步，本技术为方案为实现变压提供了3种不同的实现方式，具体实施中可任意选择。所述电压变压装置为补偿电容器组(电抗器组)、串联电容器组(串联电抗器组)或电压调节器。

进一步，当所述变压装置为补偿电容器组(电抗器组)时，

补偿电容器组或电抗器组为一组三角形连接的电容器组或电抗器组，连接在向相供电电源相位补偿器的二次绕组三相输出端，所述补偿电容器组为三角连接，其引出端分别连接所述相供电电源相位补偿器副侧A相补偿连接点、B相补偿连接点、C相补偿连接点。

并联调压电容器组每相的电容器容量可按下式计算：

C为串联调节电容器，ω为电网系统角频率，Z_L为相供电电源产生器和相供电电源相位调节器的等效漏抗。

进一步，变压装置为串联电容器组(串联电抗器组)时：

串联调节电容器组或串联在投切开关公共连接点和电网系统中性点之间，所述投切开关的公共连接点连接至串联电容器组或串联电抗器组的一次绕组一端，串联电容器组一次绕组另一端接地。串联电容器组的副二次绕组一端与系统中性点连接，副边另一端接地。

其电容量可按下式计算：

其中，C为串联调节电容器，ω为电网系统角频率，Z_L为相供电电源产生器和相供电电源相位调节器的等效漏抗。

进一步，变压装置为电压调节器时，所述投切开关的公共连接点连接至电压调节器的一次绕组一端，电压调节器一次绕组另一端接地，电压调节器的副二次绕组一端与系统中性点连接，副边另一端接地。电压调节器串接在投切开关公共连接点和电网系统中性点之间，使用电压调节器补偿输入系统中性点的电压，使中性点电压与系统供电电源相电压幅值相等。所述变压装置可为补偿电容器组、串联电容器组和电压调节器的任意组合。所述的变压装置可为补偿电容器组、串联电容器组和电压调节器的任意组合。

进一步，控制器主要包括故障判断模块、开关控制模块。

故障判断模块根据系统零序电压、三相电压、线路零序电流等判断系统是否发生单相接地以及判断接地相。开关控制模块根据故障发生判断模块判定的接地相，控制投切开关相应开关闭合。

本实用新型首创性的提出了将系统中单相接地前后不变的线电压通过相供电电源产生器；相供电电源相位补偿器变换为系统供电电源的相电源，用于补偿系统单相接地时对地阻抗形成的有功功率、无功功率。达到将单相接地故障点电压和电流均抑制为零的完全补偿目的。单相接地故障下，系统可带电运行，单相接地故障点无触电风险和起弧风险；

本实用新型的有益效果在于：

(1)本实用新型提出的技术方案，通过无源元件从系统获得了与系统电源相电压相位相反、幅值相等的电源，能够完全补偿单相接地故障点电流，消灭接地电弧，保障电网系统供电可靠性，避免了人身触电风险。让电网系统可连续供电，提高供电安全性。

本实用新型提出的补偿系统能够利用无源元件获得与系统故障相供电电源相电压相位相反的元件，无需相位调节，仅需调节电压幅值及投切相应开关。与现有的基于电力电子逆变技术的有源全补偿技术相比，即使系统电压波动，也无需进行电压及相位的调节，其补偿精度更高，控制方式更为简单，具有不可比拟的技术优势。

(2)本实用新型提供的技术方案中，采用现有技术极为成熟的变压器、电压调节器、电容器、开关等能够长期稳定运行的元件，稳定性明显优于容易损坏的电力电子器件；与维护复杂的电力电子逆变电源相比，本技术方案采用的元件均易于维护甚至免于维护的电力系统常用、成熟元件；本技术方案采用的元件技术成熟，成本低廉；因此，与现有电力电子有源全补偿技术相比，本技术方案实施中的硬件成本、研发成本和维护成本均较为低廉，并且稳定性高，维护成本低。

附图说明

图1为本实用新型的一种自产供电电源的接地故障电流补偿系统示意图；

图2为本实用新型的一种自产供电电源的接地故障电流补偿系统的串联电容器组补偿电压结构示意图；

图3为本实用新型的一种自产供电电源的接地故障电流补偿系统的补偿电容器组补偿电压结构示意图；

图4为本实用新型的一种自产供电电源的接地故障电流补偿系统的电压调节器补偿电压结构示意图；

图5为本实用新型的相供电电源产生、转换过程示意图；

其中：相供电电源产生器1、相供电电源相位补偿器2、投切开关3、控制器4、变压装置5、补偿电容器组(补偿电抗器)51、串联电容器组(串联电抗器组)52、电压调节器53和线相变换器6。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明，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。

如图1所示，本实用新型的一种自产供电相电源的接地故障电流补偿系统参见图1：

本实施例中，参见图2-4，给出了一种典型实施例；包括相供电电源产生器1、相供电电源相位补偿器2、投切开关3、控制器4、变压装置5。

相供电电源产生器1为一种Dy11联结的变压器，连接在母线上，将母线线电压转换为相电压；相供电电源相位补偿器2为一种Dyn7联结的变压器，联结在相供电电源产生器1上，用于补偿相位；投切开关3连接在相供电电源相位补偿器2上，通过控制器4控制投切。

本实施例中，控制器4用于控制投切开关3投切和判断故障相；

本实施例中，变压装置5一端连接在投切开关3，另一端连接母线中性点。

本实施例中，记母线供电电源线电压分别为U_AB、U_BC、U_CA，母线供电电源相电压分别为U_A、U_B、U_C；记相供电电源产生器1输出的线电压分别为U_ab1、U_bc1、U_ca1，相电压分别为U_a1、U_b1、U_c1，根据变压器原理,Dy11联结组别的变压器，二次侧线电压超前于一次侧电压30°，即母线线电压经相供电电源产生器1传递后，将母线线电压U_AB、U_BC、U_CA转换为相电压U_a1、U_b1、U_c1，并且U_ab1、U_bc1、U_ca1相角分别超前U_AB、U_BC、U_CA角度30°如式1：

相供电电源产生器1一次绕组与二次绕组的电压比为k；因此，有式2：

记相供电电源相位补偿器2输出的线电压为U_ab2、U_bc2、U_ca2，相电压分别为U_a2、U_b2、U_c2，根据变压器原理,Dyn7联结组别的变压器，二次侧线电压滞后于一次侧线电压210°，即U_ab2、U_bc2、U_ca2相角分别滞后于U_ab1、U_bc1、U_ca1210°，可用公式表示为式3：

相供电电源相位补偿器2一次绕组与二次绕组的电压比为1/k,因此如式4：

根据式1和式3，可得式5：

根据式2和式4，可得式6：

进一步的，由公式7可知:

本实施例中，母线线电压U_AB、U_BC、U_CA经过相供电电源产生器1、相供电电源相位补偿器2传递后的U_ab2、U_bc2、U_ca2相位相反，因此系统母线侧相供电电源电压U_A、U_B、U_C与经过相供电电源产生器1、相供电电源相位补偿器2传递后的U_a2、U_b2、U_c2相位相反,幅值相等。若系统发生A相单相接地，将投切开关3的A相开关闭合，U_a2经过变压装置5为中性点电压U₀，U₀与U_A相位相反，幅值相等，且自然输出需要补偿的有功及无功功率。因此接地相对地电压为零，系统接地相电压为零，接地点电流亦为零，达到完全补偿接地电流，保障供电可靠性和安全性的目的。

本实施例中，参见图5为本实用新型的相供电电源产生、转换过程中的电压相位变化示意图。母线线电压经相供电电源产生器1传递后，将母线线电压U_AB、U_BC、U_CA转换为相电压U_a1、U_b1、U_c1，并且U_ab1、U_bc1、U_ca1相角分别超前U_AB、U_BC、U_CA角度30°。进一步经过相供电电源相位补偿器2后，U_a2、U_b2、U_c2与系统母线侧相供电电源电压U_A、U_B、U_C相位相反。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。本实用新型未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。

Claims (8)

1.一种自产供电相电源的接地故障电流补偿系统，其特征在于，包括线相变换器(6)、投切开关(3)、控制器(4)，所述线相变换器(6)与母线连接后通过投切开关(3)接入系统的中性点，所述控制器(4)的输入端与母线的电压互感器连接，所述控制器(4)的输出端与投切开关(3)的输入端连接。

2.根据权利要求1所述的一种自产供电相电源的接地故障电流补偿系统，其特征在于：所述一种自产供电相电源的接地故障电流补偿系统还包括变压装置(5)。

3.根据权利要求1所述的一种自产供电相电源的接地故障电流补偿系统，其特征在于：所述线相变换器(6)包括相供电电源产生器(1)和相供电电源相位补偿器(2)，所述相供电电源产生器(1)的输入端与电网系统母线连接，所述相供电电源产生器(1)的输出端与相供电电源相位补偿器(2)的输入端连接，所述相供电电源相位补偿器(2)的输出端与投切开关(3)的输入端连接。

4.根据权利要求3所述的一种自产供电相电源的接地故障电流补偿系统，其特征在于：所述相供电电源产生器(1)的联结形式为Dy或Zy或Yd或Yy的形式，所述相供电电源相位补偿器(2)联结形式为Dyn或Zyn或Yyn。

5.根据权利要求2所述的一种自产供电相电源的接地故障电流补偿系统，其特征在于：所述变压装置(5)为补偿电容器组电抗器组(51)，所述补偿电容器组或电抗器组(51)与相供电电源相位补偿器(2)为三角或星形连接。

6.根据权利要求2所述的一种自产供电相电源的接地故障电流补偿系统，其特征在于：所述变压装置(5)为串联电容器组或串联电抗器组(52)，所述串联电容器组或串联电抗器组(52)串接在投切开关(3)与系统中性点之间。

7.根据权利要求2所述的一种自产供电相电源的接地故障电流补偿系统，其特征在于：所述变压装置(5)为电压调节器(53)，所述电压调节器(53)串接在投切开关(3)与系统中性点之间。

8.根据权利要求1所述的一种自产供电相电源的接地故障电流补偿系统，其特征在于：所述的投切开关(3)可为机械开关或电力电子快速投切开关。

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