CN217848948U - 配电网单相接地故障的柔性熄弧装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种配电网单相接地故障的柔性熄弧装置，属于配电网接地故障熄弧技术领域。该装置设置于配电网变压器二次侧或配电网母线侧，包括主变压器、隔离变压器、站用变电源、采样装置、DSP单片机、脉冲驱动模块、PWM有源逆变器和开关K。正常运行时对三相电源和中性点电压进行采样，待中性点电压偏移大于15％，归结为单相接地故障，判断故障相后闭合熄弧装置。隔离变压器在主变压器回路中接入PWM有源逆变器和中性点电压控制向配电网注入零序电流，二者同时投入使故障点电压为零，经多重判断故障消失后，退出熄弧装置，完成有源主动熄弧。本实用新型可通过对中性点电压的实时调控，有效解决配电网发生单相接地故障时的熄弧问题。

Description

配电网单相接地故障的柔性熄弧装置

技术领域

本实用新型涉及配电网接地故障熄弧技术领域，具体为一种配电网单相接地故障的柔性熄弧装置。

背景技术

由于城市化进程加快，城市配电网规模进一步扩大，城市配电线路逐渐电缆化，电力设备逐渐柔性化，配电线路对地电容日益增大，如果配电系统发生单相接地故障，接地故障电流就会大幅度的增加，产生难以熄灭的电弧。如果电弧不及时处理，可能引起故障处发生超过3倍相电压的系统过电压，从而造成非故障线路绝缘击穿，形成相间故障，造成故障规模进一步扩大。单相接地故障的故障电流随配电网中性点接地方式的不同产生巨大差异。电源中性点直接接地的配电网发生单相接地故障后，接地相经过大地与电源中性点构成回路，短路电流较大。国内中低压配电网大多采用中性点不接地或者经消弧线圈、经大电阻接地等非有效接地方式，当单相接地故障发生后，由于没有形成回路，接地故障电流为对地容流比较小。配电网线路对地电容电流是影响配电网规划设计和运行安全的重要参数。电容电流的大小决定了是否需要装设消弧线圈以及消弧线圈的补偿容量。接地点的故障电流补偿是否准确而快速，决定了能否及时抑制电弧的进一步发展。

现有的主要熄弧技术主要应用消弧线圈进行熄弧。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。调匝式消弧线圈的有载分接开关改变线圈匝数来控制电感时，电感不能平滑连续地改变，消弧线圈不能在最佳补偿点发挥作用，而且调节速度缓慢；调气隙式消弧线圈机械装置调节过程中产生的噪音和振动大；偏磁式消弧线圈能量消耗很大，成本很高，长时间励磁可能导致铁芯过热；三相五柱式消弧线圈调节范围不大，还会对系统注入谐波。以上消弧技术本身有难以克服的缺点，在电力系统中自动跟踪补偿式消弧线圈因能够有效解决传统消弧线圈的无功补偿问题逐渐成为主流，但其也存在无法补偿故障电流中的有功与谐波分量的问题。

有源全补偿熄弧是应用电力电子设备向系统注入电流，降低故障点电压、电流的方法。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，快速准确计算实际残流。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，且不便于用户安装。

实用新型内容

鉴于此，本实用新型的目的是提供一种配电网单相接地故障的柔性熄弧装置。该装置在正常运行时实现对电网的无功补偿；在单相接地短路故障时，通过电压电流的全补偿实现柔性熄弧，提高配电网接地故障自愈能力及安全稳定运行能力。

为了实现上述目的，本实用新型是通过以下技术方案实现：

一种配电网单相接地故障的柔性熄弧装置，该装置设置于配电网变压器二次侧、配电网母线侧或发电机侧，装置包括主变变压器、隔离变压器、站用变电源、采样模块、DSP单片机、脉冲驱动电路、PWM 有源逆变器和开关K。所述PWM有源逆变器通过隔离变压器串联在所述主变变压器的一次回路中；所述采样模块设置在配电网线路上，所述采样模块、脉冲驱动电路分别与DSP单片机电性连接，所述脉冲驱动电路用于驱动PWM有源逆变器，用于隔离变压器的投切，所述开关K 设置在站用变电源和主变变压器之间。所述装置正常情况下工作在无功补偿模式，当配电网中性点电压偏移大于15％时，归结为单相接地故障。

优选的，所述PWM有源逆变器为单相有源逆变器。

优选的，所述采样模块为电压采集模块，用于对配电网三相电源电压和中性点电压进行采样，用于判别单相接地故障。

优选的，所述DSP单片机用于控制脉冲驱动电路，用于隔离变压器的投切。

优选的，所述PWM有源逆变器与隔离变压器的一次回路串联，所述隔离变压器的二次侧与主变变压器的一次回路中，对站用变电源的相位和实际配电网故障相位之间存在的误差进行调节。

优选的，所述主变变压器的二次回路与配电网线路电性连接，所述隔离变压器用于减小主变变压器回路中的电流，减小对IGBT电流承载能力的要求。

优选的，所述站用变电源通过开关K反接入主变变压器一次回路中，由站用变电源向配电网注入大小和相位随时间变化的变化零序电压，进而控制中性点的电压，达到使故障点电压为零，实现电压消弧的目的。

优选的，所述隔离变压器为单相降压变压器，所述隔离变压器的额定电压变比为600V/220V。

优选的，所述主变变压器为单相升压变压器，所述主变变压器的匝数比为1400/35000。

优选的，所述开关K为三个，所述开关K为双向IGBT大功率模块，所述开关K与DSP单片机电性连接。

所述主变变压器接入站用变电源。所述隔离变压器考虑到PWM逆变器的IGBT承受电流的能力，实现电流的减小。所述站用变电源故障相对应站用变电源的开关反接在变压器回路中。所述PWM有源逆变器通过隔离变压器串联在主变压器回路中，单相有源逆变器和站用变电源同时投入使故障点电压为零，完成配电网单相接地故障有源消弧。通过从PWM有源逆变器向配电网注入零序电流，可以控制零序电压，而这种控制的原理是使注入的电流大小和电流的相位发生变化，进而实现对于零序电压的控制，以此来达到电压消弧的目的。

由于采用了上述技术方案，本实用新型具有如下的优点：

本实用新型采用控制中性点电压的方式来实现故障点完全补偿的基本思想，利用功率源转换和有源逆变相结合的柔性熄弧方法，可以精确测量三相电压和中性点电压，能在较短时间内完成对故障点电流的全补偿，同时适用于不用结构不同参数下的配电网，在不同的故障电阻、控制参数和运行条件下均具有较高的精度，通过控制故障点电压，实现故障点的可靠消弧。本实用新型兼顾了无源补偿的成本低和有源消弧的功能强的优势，在能够实现有源器件的完全补偿的基础上最大程度减小了逆变器的容量，在产品形态上考虑到现有变电站的控制室内空间有限的因素，减小了对用户空间环境的要求，有利于实用新型产品化。

附图说明

为了使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型作进一步的详细描述，

图1为中性点不接地系统单相接地故障等值电路图；

图2中性点电位随故障点过渡电阻变化轨迹图；

图3配电网单相接地故障柔性熄弧系统流程图；

图4基于柔性接地控制的单相接地故障消弧结构示意图；

图5注入电流相位与参考电压相位关系图；

图6配电网单相接地故障有源消弧拓扑图。

图中：1、主变变压器，2、隔离变压器，3、站用变电源，4、采样模块，5、DSP单片机，6、脉冲驱动电路，7、PWM有源逆变器，8、开关K。

具体实施方式

以下将结合附图，对本实用新型的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本实用新型，而不是为了限制本实用新型的保护范围。

如图1～图6所示，本实用新型提供了一种配电网单相接地故障的柔性熄弧装置，包括主变变压器1、隔离变压器2、站用变电源3、采样模块4、DSP单片机5、脉冲驱动电路6、PWM有源逆变器7和开关 K8；所述PWM有源逆变器7通过隔离变压器2串联在所述主变变压器1 的一次回路中；所述采样模块4设置在配电网线路上，所述采样模块4、脉冲驱动电路6分别与DSP单片机5电性连接，所述脉冲驱动电路6 用于驱动PWM有源逆变器7，用于隔离变压器2的投切，所述开关K8 设置在站用变电源3和主变变压器1之间。

所述PWM有源逆变器7为单相有源逆变器。

所述采样模块4为电压采集模块，用于对配电网三相电源电压和中性点电压进行采样，用于判别单相接地故障。

所述DSP单片机5用于控制脉冲驱动电路6，用于隔离变压器的投切。

所述PWM有源逆变器7与隔离变压器2的一次回路串联，所述隔离变压器2的二次侧与主变变压器1的一次回路中，对站用变电源的相位和实际配电网故障相位之间存在的误差进行调节。

所述主变变压器1的二次回路与配电网线路电性连接，所述隔离变压器2用于减小主变变压器1回路中的电流，减小对IGBT电流承载能力的要求。

所述站用变电源3通过开关K8反接入主变变压器1一次回路中，由站用变电源3向配电网注入大小和相位随时间变化的变化零序电压，进而控制中性点的电压，达到使故障点电压为零，实现电压消弧的目的。

所述隔离变压器2为单相降压变压器，所述隔离变压器2的额定电压变比为600V/220V。

所述主变变压器1为单相升压变压器，所述主变变压器1的匝数比为1400/35000。

所述开关K8为三个，所述开关K8为双向IGBT大功率模块，所述开关K8与DSP单片机5电性连接。

图1为中性点不接地系统单相接地故障等值电路图，当A相发生单相接地故障时，存在以下关系：

假设三相参数平衡即：C_ak＝C_bk＝C_ck＝C_0k，则上式可化简为：

所以，故障点过渡电阻R_f与中性点电压

的表达式为：

式中：

当R_f由0→∞时，θ由0→-90°，可知中性点电位N随故障点过渡电阻R_f变化的轨迹如图2所示。

由图2中性点电位随故障点过渡电阻变化轨迹图可知，故障相电压为：

故障相电流为：

图3为配电网单相接地故障柔性熄弧系统流程图，熄弧装置首先检测三相电压和中性点电压的数值大小，然后对三相电压和中性点电压进行比较分析，其中若是中性点电压的幅值超出相电压的15％时，即可判断出配电网出现单相接地故障，快速进行故障相的选相工作，其中电压最小相判断为故障相，然后迅速闭合消弧装置中故障相对应站用变电源3的开关K8，PWM有源逆变器7和站用变电源3同时投入，通过从向配电网注入大小和相位随时间变化的变化零序电控制零序电压，也就是控制了中性点的电压，通过使得故障点电压为零达到电压消弧的目的。

如图4所示，为基于柔性接地控制的单相接地故障消弧结构图，

依次为配电网三相电源电压，

是中性点电压，

是一种可调控的零序电流，这种电流能够使PWM有源逆变器7对其大小、相位进行控制，r₀为配电网但相对地电阻，Z₀为传统配电网中性点接地阻抗，C₀为配电网电箱对地电容，R₀为接地故障过渡电阻。把电源电动势

的方向作为参考方向，如图5为注入电流

与故障相电压

的相位关系。

表示对地电容电流，

表示对地的泄漏电阻电流，注入电流

点相位与参考向量

之间的相位差为-107°。

由基尔霍夫电压电流定律可知：

设三相电源对称，

则有：

由于故障相电压

所以有：

如果注入电流取为：

则

故障相电压

即故障相恢复电压恒为零，使电弧不具备再次重燃条件，达到一开始就满足电压熄弧实现的条件。强制故障相电压为零的注入电流

大小与故障电阻没有联系，只需按照配电网中性点接地阻抗Z₀，故障相电源电动势、配电网单相对地电阻R₀和配电网单相对地电容C₀进行计算。

如图6所示，本实用新型提供了一种配电网单相接地故障有源消弧装置的拓扑图，通过采样模块4对三相电源电压和中性点电压进行采样，如果要想确定其是否存在单相接地故障的话，当中性点电压偏移大于15％时，确定为单相接地故障，且电压最小相判断为故障相。闭合消弧装置包括主变压器1、PWM单相逆变器7、隔离变压器2，主变变压器1接入站用变电源3。

主变压器变比为，N₁:N₂＝35000:1400，隔离变压器变比为 N₃:N₄＝600:220，其中N₁为主变压器高压侧匝数，N₂为主变压器低压侧匝数，N₃为隔离变压器高压侧匝数，N₄为隔离变压器低压侧匝数，逆变器的容量为数千伏安。

和

为配电网三相电源电压，

为中性点电压，如果此时C相出现单相接地故障，而故障点过渡电阻为R_f，则闭合C相对应的站用变电源后的开关K。由基尔霍夫定律可得：

假设三相电源对称则有，

上式可化简为：

式中：Y_A、Y_B和Y_C为配电网对地零序导纳，Y_F为消弧线圈对地零序导纳，

为故障相电源电压，

为中性点电压。控制目标为中性点电压，其等于故障相电源电压的相反数，即：

通过DSP单片机5控制脉冲驱动电路6触发电路，隔离变压器2 在主变变压器1回路中接入逆变器和中性点电压的控制，站用变电源3 故障相对应的站用变电源开关K8反接在主变变压器回路中，单相逆变器通过隔离变压器2串联在主变变压器回路中，柔性熄弧装置的单相逆变器和站用变电源同时投入使故障点电压变为零，当单相接地故障消失后，站用变电源开关K8断开，退出柔性熄弧装置，完成配电网单相接地故障有源熄弧。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并不用于限制本实用新型，显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.配电网单相接地故障的柔性熄弧装置，其特征在于：

包括主变变压器(1)、隔离变压器(2)、站用变电源(3)、采样模块(4)、DSP单片机(5)、脉冲驱动电路(6)、PWM有源逆变器(7)和开关K(8)；所述PWM有源逆变器(7)通过隔离变压器(2)串接在所述主变变压器(1)的一次回路中，所述采样模块(4)设置在配电网线路上，所述采样模块(4)、脉冲驱动电路(6)分别与DSP单片机(5)电性连接，所述脉冲驱动电路(6)用于驱动PWM有源逆变器(7)，控制隔离变压器(2)的投切，所述开关K(8)设置在站用变电源(3)和主变变压器(1)之间。

2.根据权利要求1所述的配电网单相接地故障的柔性熄弧装置，其特征在于：

所述PWM有源逆变器(7)为单相有源逆变器。

3.根据权利要求1所述的配电网单相接地故障的柔性熄弧装置，其特征在于：

所述采样模块(4)为电压采集模块，用于对配电网三相电源电压和中性点电压进行采样，用于判别单相接地故障。

4.根据权利要求1所述的配电网单相接地故障的柔性熄弧装置，其特征在于：

所述DSP单片机(5)控制脉冲驱动电路(6)，用于控制隔离变压器的投切。

5.根据权利要求1所述的配电网单相接地故障的柔性熄弧装置，其特征在于：

所述PWM有源逆变器(7)与隔离变压器(2)的一次回路串联，所述隔离变压器(2)的二次侧与主变变压器(1)的一次回路串接，对站用变电源(3)的相位和实际配电网故障相位之间存在的误差进行调节。

6.根据权利要求1所述的配电网单相接地故障的柔性熄弧装置，其特征在于：

所述主变变压器(1)的二次回路与配电网线路电性连接，所述隔离变压器(2)用于减小主变变压器(1)回路中的电流，减小对IGBT电流承载能力的要求。

7.根据权利要求1所述的配电网单相接地故障的柔性熄弧装置，其特征在于：

所述站用变电源(3)通过开关K(8)反接入主变变压器(1)一次回路中，由站用变电源(3)向配电网注入大小和相位随时间变化的变化零序电压，进而控制中性点的电压，达到使故障点电压为零，实现电压消弧的目的。

8.根据权利要求1所述的配电网单相接地故障的柔性熄弧装置，其特征在于：

所述隔离变压器(2)为单相降压变压器，所述隔离变压器(2)的额定电压变比为600V/220V。

9.根据权利要求1所述的配电网单相接地故障的柔性熄弧装置，其特征在于：

所述主变变压器(1)为单相升压变压器，所述主变变压器(1)的匝数比为1400/35000。

10.根据权利要求1所述的配电网单相接地故障的柔性熄弧装置，其特征在于：

所述开关K(8)为三个，所述开关K(8)为双向IGBT大功率模块，所述开关K(8)与DSP单片机(5)电性连接。

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