中性点不接地系统的单相接地故障电压消弧方法及系统与流程

本发明具体涉及一种中性点不接地系统的单相接地故障电压消弧方法及系统。

背景技术：

随着我国经济技术的发展和人们生活水平的提高，电能已经成为了人们生产和生活中必不可少的二次能源，给人们的生产和生活带来了无尽的便利。但是，电力系统故障则给电力系统带来了极大的挑战。中性点不接地与中性点经消弧线圈接地是我国配电网最常用的两种接地方式。随着配电网的发展消弧线圈的容量逐渐跟不上配电网的容量，因此需要研究新的中性点接地方式适应电网的发展。同时单相接地故障带来的人身与设备安全问题，越来越不容忽视。因此解决消弧线圈接地系统的容量问题并快速消除单相接地故障带来的安全问题是电力系统重点研究的内容之一。

对于配电网，限制故障点电流，钳制故障相电压，可实现单相接地故障消弧，其分为电压消弧法和电流消弧法。电流消弧法通过提供与故障电流大小相等方向相反的感性电流，减小故障点电流，实现消弧。最常用的是消弧线圈，传统的消弧线圈能够补偿系统中的对地电容电流，但随着配电网容量的增加，越来越难以通过调节脱谐度将故障点残流控制在合理范围内，且传统的消弧线圈无法补偿有功电流分量及谐波分量。为解决传统消弧线圈存在的问题，有研究学者提出了全电流补偿消弧线圈，结合电力电子技术，同时提供感性基波分量、有功分量以及谐波分量，实现接地点故障电流全补偿。全电流补偿消弧线圈控制复杂，依赖于各故障分量的精确测量，难以大规模应用。电压消弧以控制母线电压为目标，钳制故障相母线电压为零，促使故障点电弧熄灭，其具体可分为有源电压消弧和无源电压消弧。有源电压消弧法通过电力电子器件产生幅值与相角可控的电流，将其注入系统，控制故障相母线电压，实现故障消弧。有源消弧方法在目前的技术条件下制造成本高，在大功率耐压电力电子器件成熟应用前，尚难以大规模应用。无源电压消弧法成功应用于实际工程中的主要是故障转移开关消弧法。通过在变电站内制造人为金属性接地点，钳制故障相电压为零，将故障点电流转移至站内，实现故障电压、电流双重熄弧效果。该消弧方法的缺点是负载电流及过渡电阻影响大，大负载线路低阻接地故障时，故障点电流甚至高达上百安培，严重影响故障熄弧。另外由研究人员提出，不接地系统发生接地故障，在故障相的超前相偏置接入可调感性阻抗元件，强制故障相母线电压为零，实现故障消弧，为配网单相接地故障消弧提供新理论。其需要同时调节电阻与电感，目前还未见可自动连续调整的耐高压大功率电阻元件产品应用。同时，流经可调电阻的电流约为故障电流的二分之一，随着系统容量的增加，流经电阻器的电流急剧增加，电阻器的制造难度、成本也将更高。无论是有源电压消弧或偏置阻抗电压消弧，其都依赖于故障前的系统总对地导纳参数，没有考虑电源侧单相接地断线故障造成对地参数变化的影响，当长线路近端断线接地时，系统参数可能变化较大，无法彻底补偿故障点电流，而正是这种接地故障造成的人身安全隐患最大。

技术实现要素：

本发明的目的之一在于提供一种能够解决消弧线圈容量问题，且能快速实现电压消弧、而且方法简单可靠的中性点不接地系统单相接地故障电压消弧方法。该中性点不接地系统不再局限于电容电流小于10a的限制，可应用于电容电流为几十a甚至几百a的配电网中。

本发明的目的之二在于提供一种实现所述中性点不接地系统单相接地故障电压消弧方法的系统。

本发明提供的这种中性点不接地系统单相接地故障电压消弧方法，包括如下步骤：

s1.在中性点不接地系统中，在电力系统的三相母线的每一相线和地之间串接阻抗可调元件，并将所述可调元件与三相母线断开；

s2.中性点不接地系统运行时，实时测量并保存中性点不接地系统的对地总导纳及三相相线的对地导纳；

s3.当中性点不接地系统发生单相接地故障时，采用如下算式计算导纳补偿电压消弧条件：

式中yap为补偿前非故障相中超前相(advancedphase)的对地导纳，ylp为补偿前非故障相中滞后相(lagphase)的对地导纳，为非故障相中超前相电源电压，为非故障相中滞后相的电源电压，a为复数算子且a＝e^j120°；

s4.根据步骤s3计算的导纳补偿电压消弧条件，调整串接在非故障相线与地之间的阻抗可调元件的阻抗值，从而完成中性点不接地系统的单相接地故障电压消弧。

步骤s1所述的中性点不接地系统，其范围不再局限于电容电流小于10a，电容电流为几十a甚至几百a的配电网皆可采用中性点不接地方式。

步骤s1所述的配电网的三相母线，具体为电力系统变电站内的三相母线。

步骤s1所述的阻抗可调元件包括投切开关、可调电阻器和可调电感，可调电阻器和可调电感并联后通过串接的投切开关连接三相母线。

所述的阻抗可调元件还包括电流互感器，电流互感器与投切开关串接，用于检测流过阻抗可调元件的电流。

步骤s2所述的测量中性点不接地系统的对地总导纳及三相相线的对地导纳，具体为采用如下步骤测量导纳：

a.将a、b和c相通过各自的测量开关连接同一个电阻r并接地，并且在三相各自投切一次电阻r，同时测量投切电阻r时的系统三相对地电压和电流值；

b.采用如下算式计算三相系统的对地导纳：

式中ya、yb和yc表示a、b和c三相对地导纳，和表示a相投切阻抗可调元件的电阻时a、b和c三相对地电压，和表示b相投切阻抗可调元件的电阻时a、b和c三相对地电压，和表示c相投切阻抗可调元件的电阻时a、b和c三相对地电压，和表示a、b和c三相投切阻抗可调元件的电阻时，流经电阻的电流值；

c.采用如下算式计算系统的对地总导纳：

y∑＝ya+yb+yc。

本发明还提供了一种实现所述中性点不接地系统的单相接地故障电压消弧方法的系统，包括电流采集模块、电压采集模块、控制模块、驱动模块、投切开关和阻抗可调元件；电流采集模块采集阻抗可调元件的电流信息并上传控制模块，电压采集模块用于采集中性点不接地系统三相母线电压及系统零序电压并上传控制模块，控制模块根据接收的电压和电流信息计算阻抗可调元件的目标阻抗参数，并输出控制信号驱动驱动模块调节阻抗可调元件的阻抗值，同时控制模块还输出控制信号控制投切开关的开通和关闭，从而控制阻抗可调元件是否接入中性点不接地系统。

所述的控制模块为微机控制模块。

本发明提供的这种中性点不接地系统的单相接地故障电压消弧方法及系统，通过全新的消弧方法对中性点不接地系统的单相接地故障进行电压消弧，确保故障点人身及设备安全；同时，本发明能够解决消弧线圈接地存在的容量问题及无法补偿有功分量的问题，解决快速转移开关消弧装置低阻接地故障无法有效熄弧的问题；最后，本发明能够利用现有的成熟的独立设备综合实现消弧装置的研制，易于控制，因此具有广阔的市场应用前景。

附图说明

图1为本发明方法的方法流程图。

图2为本发明方法在电力系统应用时的示意图。

图3为本发明方法的测量中性点不接地系统的对地总导纳及三相相线的对地导纳时的应用示意图。

图4为本发明方法在电源电压对称时的导纳补偿约束的示意图。

图5为本发明方法在两相阻抗补偿消弧时的两相导纳补偿消弧电流关系示意图。

图6为本发明系统的功能模块图。

具体实施方式

如图1所示为本发明方法的方法流程图：本发明提供的这种中性点不接地系统的单相接地故障电压消弧方法，包括如下步骤：

s1.在中性点不接地系统中，在配电网的三相母线(电力系统站内的三相母线)的每一相线和地之间串接阻抗可调元件(包括投切开关、可调电阻器、可调电感和电流互感器，电流互感器与投切开关串接，用于检测流过阻抗可调元件的电流，可调电阻器和可调电感并联后通过串接的投切开关连接三相母线)；具体结构如图2所示；在串接阻抗可调元件后，将阻抗可调元件与三相母线断开(具体即为将投切开关断开)；

s2.中性点不接地系统运行时，实时测量并保存中性点不接地系统的对地总导纳及三相相线的对地导纳；具体为采用如下步骤测量导纳：

a.将a、b和c相通过各自的测量开关连接同一个电阻r并接地，并且在三相各自投切一次电阻r，同时测量投切电阻r时的系统三相对地电压和电流值；具体结构如图3所示；

b.采用如下算式计算三相系统的对地导纳：

式中ya、yb和yc表示a、b和c三相对地导纳，和表示a相投切阻抗可调元件的电阻时a、b和c三相对地电压，和表示b相投切阻抗可调元件的电阻时a、b和c三相对地电压，和表示c相投切阻抗可调元件的电阻时a、b和c三相对地电压，和表示a、b和c三相投切阻抗可调元件的电阻时，流经电阻的电流值；

c.采用如下算式计算系统的对地总导纳：

y∑＝ya+yb+yc。

s3.当中性点不接地系统发生单相接地故障时，采用如下算式计算导纳补偿电压消弧条件：

式中yap为补偿前非故障相中超前相(advancedphase)的对地导纳，ylp为补偿前非故障相中滞后相(lagphase)的对地导纳，为非故障相中超前相电源电压，为非故障相中滞后相的电源电压，a为复数算子且a＝e^j120°；

以下简述上述导纳补偿电压消弧条件的来源：

设未投入补偿导纳时，系统三相对地导纳分别为ya、yb和yc，假设a相经过渡电阻rf接地，此时故障零序电压为：

上式中gf＝1/rf，令上式中则可将上式展开得到：

由上式可知故障相对地参数不参与故障消弧计算，因此令a相导纳补偿元件ya'为零，将上式展开并整理得到下式：

设系统三相电源正序对称，则有：

即有：

同理在b相或c相发生单相接地故障时也能得出类似的结论。

概括出任一相发生单相接地故障的导纳补偿消弧条件：非故障相中超前相的对地导纳与非故障相中滞后相的对地导纳之比等于非故障相中滞后相电源电压与非故障相中超前相电源电压之比，将其定义为导纳补偿电压消弧条件。若系统电源电压对称，其通用表达式为

在上式中，yap为补偿前的非故障相中超前相(advancedphase)的对地导纳，ylp为补偿前的非故障相中滞后相(lagphase)的对地导纳，为非故障相中超前相电源电压，为非故障相中滞后相的电源电压；导纳补偿电压消弧仅与非故障相对地导纳及电源电压有关，与故障相对地导纳参数无关，因此在断线接地故障中也能实现电压、电流双重熄弧效果。上式可进一步表述为导纳约束条件如下：

上式中bap'为非故障相中超前相经导纳补偿后的电纳，blp'为非故障相中滞后相经导纳补偿后的电纳，为非故障相中超前相经导纳补偿后的导纳角，为非故障相中滞后相经导纳补偿后的导纳角；导纳补偿电压消弧约束如图4所示，非故障相中超前相对地导纳始终与非故障相中滞后相对地导纳大小相等，相角滞后120°。

上述消弧原理中的一种实现方法为两相阻抗补偿消弧方法，其具体原理如下：

同时调整两相阻抗，在非故障相接r-l元件，固定非故障相中电阻r不变，调整非故障相的电感l元件，使超前相对地导纳与滞后相对地导纳满足满足补偿消弧条件。令非故障相中滞后相及超前相电阻元件为rg且其阻值相等，固定其阻值不变，计算需调整的非故障相电感值，则有

将上式求解可得：

通过上式可知：要满足阻抗补偿消弧条件，rg的取值必须满足一定的条件，否则lb将小于零，不符合物理规律。在上式中：

其中clp(min)、glp(min)、glp(min)分别表示最小运行方式下滞后相与超前相的对地电容与对地电导。a、b、c相分别发生单相接地故障，计算满足上式应接在滞后相上的电阻rg(a)、rg(b)、rg(c)。实际应用中，rg可按下式约束条件进行选取：

rg＝k·max{rg(a),rg(b),rg(c)}

式中k为可靠系数，其值大于1，可根据实际情况进行选取，其应当保证两非故障相电感处在合理、经济的区间内。忽略系统泄露电流，假设三相对地参数对称，仍以a相接地故障为例，故障相母线电压钳制为零后，设非故障线路自身对地电容电流为系统对地电容电流为流经故障相滞后相补偿阻抗的电流由两部分构成，分别为流经故障相超前相补偿阻抗的电流由两部分构成，分别为其示意图如图5所示。

s4.根据步骤s3计算的导纳补偿电压消弧条件，调整串接在非故障相线与地之间的阻抗可调元件参数，从而完成中性点不接地系统的单相接地故障电压消弧。

如图6所示为本发明提供的实现所述中性点不接地系统的单相接地故障电压消弧方法的系统，包括电流采集模块、电压采集模块、控制模块、驱动模块、投切开关和阻抗可调元件；电流采集模块采集阻抗可调元件的电流信息并上传控制模块，电压采集模块用于采集中性点不接地系统三相母线及零序电压信息并上传控制模块，控制模块根据接收的电压和电流信息计算阻抗可调元件的目标阻抗参数，并输出控制信号驱动驱动模块调节阻抗可调元件的阻抗值，同时控制模块还输出控制信号控制投切开关的开通和关闭，从而控制阻抗可调元件是否接入中性点不接地系统。