CN112003260B - 一种配电网单相接地故障有源消弧方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种配电网单相接地故障有源消弧方法，对三相电源电压和中性点电压进行采样，判断是否发生单相接地故障；当发生单相接地故障时，闭合消弧装置中故障相对应站用变电源的开关K，单相逆变器和站用变电源同时投入使故障点电压为0，完成配电网单相接地故障有源消弧。本发明方法具有实时性、生产成本低，计算简单、在不同的故障电阻，控制参数和运行条件下均有较高精度的优点。
Description
技术领域
本发明属于电力技术领域，具体涉及一种配电网单相接地故障有源消弧方法。
背景技术
中压配电网往往采用中性点非有效接地方式，随着城市配电线路逐渐电缆化和设备的柔性化，当发生单相接地故障时，接地故障电流剧增，产生难以熄灭的电弧。如果电弧不及时处理的话，可能引起故障处发生过电压，从而造成非故障线路绝缘击穿，形成相间故障，这对电力系统的正常运行造成了巨大的挑战。
配电网单相接地故障的电弧问题研究中具有一些局限性，具体如下：
1、通过中性点消弧线圈接地方式，又称无源消弧法，该方法只能消除故障点的无功电流，对于有功电流和谐波电流无法进行消除；
2、通过基于逆变器的有源消弧方法，该方法使用一单相逆变器并联消弧线圈的方式。但该单相逆变器所需容量往往在50KVA左右，逆变器容量太大，造价成本高；
3、通过三相级联H桥注入电流消弧，该方法在主电路上并联三相级联H桥实现故障点电流全补偿，对于电网参数的测量精度要求较高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种配电网单相接地故障有源消弧方法，适用于不同结构不同参数下的配电网；通过控制故障点电压，实现故障点的熄弧，可以为故障类型的判别，选线等提供理论支撑。
本发明采用以下技术方案：
一种配电网单相接地故障有源消弧方法，包括以下步骤：
S1、对三相电源电压和中性点电压进行采样，判断是否发生单相接地故障；
S2、当发生单相接地故障时，闭合消弧装置中故障相对应站用变电源的开关 K，单相逆变器和站用变电源同时投入使故障点电压为0，完成配电网单相接地故障有源消弧。
具体的，步骤S1中，当中性点电压偏移超过15％判断为单相接地故障，电压最小相判断为故障相。
具体的，步骤S2中，消弧装置包括主变压器、单相逆变器和隔离变压器，站用变电源通过开关K反接在主变压器回路中，单相逆变器通过隔离变压器串联在主变压器回路中。
进一步的，主变压器变比为
隔离变压器变比为
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。
具体的，步骤S2中，完成配电网单相接地故障有源消弧的控制目标是中性点电压等于故障相电源电压的相反数，具体为：
UN＝-EC
其中，UN为中性点电压，EC为故障相电源电压。
具体的，消弧装置的输出电流值为：
I1＝(YA+YB+YC)·UN+YF·(EC+UN)
其中，YA,YB,YC为配电网对地零序导纳，YF为消弧线圈对地零序导纳，EC为故障相电源电压，UN为中性点电压。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种配电网单相接地故障有源消弧方法，通过配电网单相接地故障有源消弧方法，可以在较短时间内完成对故障点电流的全补偿，可以适用于不同结构不同参数下的配电网；本发明在不同的故障电阻，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，实现故障点的熄弧，可以为故障类型的判别，选线等提供理论支撑。
进一步的，为了判断是否判断单相接地故障，采集三相电压和中性点电压，中性点电压偏移超过15％判断为单相接地故障，其中电压最小相判断为故障相。
进一步的，利用逆变器和变压器实现的消弧装置，减小了逆变器的容量，降低了消弧装置的生产成本，得出故障电流大小一般性结论。
进一步的，设置主变压器变比
让站用变电源接入主变压器回路中。设置隔离变压器变比
减小逆变器所承受的电流和电压。
进一步的，控制故障点电压为0，可以等价为控制中性点电压等于故障相电源电压的相反数。
综上所述，本发明方法具有实时性、生产成本低，计算简单、在不同的故障电阻，控制参数和运行条件下均有较高精度的优点。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明实施例所述配电网有源消弧结构图；
图2为本发明实施例所述有源消弧装置的消弧方法流程图；
图3为在串入逆变器后的简化双闭环控制方法的框图；
图4为电流内环闭环传递函数的伯德图；
图5为电压外环闭环传递函数的伯德图；
图6为过渡电阻为0，即金属性故障时经本发明方法补偿后的稳态故障点电流波形仿真图；
图7为过渡电阻为100Ω时经本发明方法补偿后的稳态故障点电流波形仿真图。
具体实施方式
本发明提供了一种配电网单相接地故障有源消弧方法，通过主变压器接入站用变电源、通过隔离变压器在主变压器回路中接入逆变器和中性点电压的控制。
通过主变压器接入站用变电源，将主变压器接入配电网消弧线圈侧，将站用变电源反接入主变压器；在单相接地故障后，闭合站用变故障相电源电压开关；
中性点电压控制具体为：参考电压为故障相电源电压的相反数，给定电压为消弧装置输出电压，使得中性点电压等于故障相电源电压的相反数。
请参阅图2，本发明一种配电网单相接地故障有源消弧方法，包括以下步骤：
S1、对三相电源电压和中性点电压进行采样，判断是否发生单相接地故障；
请参阅图1，EX(X＝A、B、C)为配电网三相电源电压，UN为中性点电压，假设C相发生单相接地故障，故障点过渡电阻为Rf。
S2、如果发生单相接地故障，闭合消弧装置中故障相对应站用变电源的可控硅开关K；采用电压消弧法的原理是使得故障点电压为0，从而使得故障点电流为0，实现消弧功能。
消弧装置包括主变压器、单相逆变器、隔离变压器和站用变电源。
站用变电源通过可控硅开关K接入主变压器回路中，站用变电源反接在主变压器回路中，单相逆变器通过隔离变压器串联在主变压器回路中。
主变压器变比为
隔离变压器变比为
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。
单相逆变器和站用变电源同时投入使得故障点电压为0，完成配电网单相接地故障有源消弧；因此控制目标是中性点电压等于故障相电源电压的相反数，即
UN＝-EC
其中，UN为中性点电压，EC为故障相电源电压。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
当系统检测三相电压和中性点电压，发现发生单相接地故障后，快速进行故障相选相，迅速闭合故障相对应的开关K。例如C相发生单相接地故障，则闭合 C相对应的站用变电源后的开关K。
由于此时站用变电源是反接在主变压器回路中，在先暂时未考虑逆变器接入，理想情况下，此时通过主变压器后，中性点电压已经等于C相电源电压的相反数。
考虑到占用变电源的相位和实际配电网故障相位存在一定的误差，因此在主变压器回路中串联一个单相逆变器进行微调，使得中性点电压严格等于故障相电源电压的相反数。
根据现场实际经验中性点经消弧线圈补偿后，仍然存在2～7A的剩余无功电流、有功电流和谐波电流I1需要补偿；
再经过主变压器的变比，因此主变压器回路中电流可能达到数百安培。考虑到逆变器IGBT承受电流的能力，因此通过一个隔离变压器实现电流的减小；
由于逆变器回路承受的电压也较小，因此整个逆变器的容量只需要数千伏安。
因此本方法大大减小了逆变器本身的容量，降低了生产成本。
整个消弧装置输出电流值为：
I1＝YA·(EA+UN)+YB·(EB+UN)+(YC+Yf)·(EC+UN)
假设三相电源对称，则有：EA+EB+EC＝0，上式可以化简
I1＝(YA+YB+YC)·UN+YF·(EC+UN)
其中，YA,YB,YC为配电网对地零序导纳，YF为消弧线圈对地零序导纳，EC为故障相电源电压，UN为中性点电压。
请参阅图3，为串入逆变器后的简化双闭环控制方法的框图，本发明采用双闭环PI控制，逆变器仅仅只需要微调的功能，精确地实现中性点电压等于故障相电源电压的相反数。
请参阅图4和图5，分别为电流内环闭环传递函数的伯德图和电压外环闭环传递函数的伯德图。有源消弧装置输出电流是电流内环的控制对象，以电压外环的输出为参考值，通过PI调节器来实现输出电流的高精度实时控制。中性点电压UN为双闭环的控制目标，为了将接地故障电压抑制到零，参考电压应满足与故障相电源电压幅值相等、相位相反的关系。可以看到电流内环和电压外环的闭环系统在基频处增益和相位误差都很小，控制效果很好。
为了验证本发明所提方法的正确性和适用性，通过软件仿真得到图6为过渡电阻为0，即金属性故障时的故障点电流波形仿真图。请参阅图7，为过渡电阻为100Ω时故障点电流波形仿真图。在有源消弧装置投入后，稳态后故障点电流都能迅速减小到0，从而实现故障点电弧的熄灭。
综上所述，本发明一种配电网单相接地故障有源消弧方法，给出了一种新型有源电压消弧法的装置，减小了逆变器的容量和生产成本，为单相接地永久性故障的选线和保护提供基础，具有实时性、生产成本低，计算简单、在不同的故障电阻，控制参数和运行条件下均有较高的精度的优点。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种配电网单相接地故障有源消弧方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、对三相电源电压和中性点电压进行采样，判断是否发生单相接地故障；
S2、当发生单相接地故障时，闭合消弧装置中故障相对应站用变电源的开关K，单相逆变器和站用变电源同时投入使故障点电压为0，完成配电网单相接地故障有源消弧，消弧装置包括主变压器、单相逆变器和隔离变压器，站用变电源通过开关K反接在主变压器一次侧回路中，单相逆变器连接在隔离变压器的一次侧回路中，隔离变压器二次侧的一端连接主变压器一次侧的一端，隔离变压器二次侧的另一端经过电源和开关K连接主变压器一次侧的另一端；主变压器变比为
隔离变压器变比为
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。
2.根据权利要求1所述的配电网单相接地故障有源消弧方法，其特征在于，步骤S1中，当中性点电压偏移超过15％判断为单相接地故障，电压最小相判断为故障相。
3.根据权利要求1所述的配电网单相接地故障有源消弧方法，其特征在于，步骤S2中，完成配电网单相接地故障有源消弧的控制目标是中性点电压等于故障相电源电压的相反数，具体为：
UN＝-EC
其中，UN为中性点电压，EC为故障相电源电压。
4.根据权利要求1所述的配电网单相接地故障有源消弧方法，其特征在于，消弧装置的输出电流值为：
I1＝(YA+YB+YC)·UN+YF·(EC+UN)
其中，YA、YB、YC为配电网对地零序导纳，YF为消弧线圈对地零序导纳，EC为故障相电源电压，UN为中性点电压。
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