一种中性点接地方式转换装置的制作方法

本发明涉及电力设备，更具体地说是为输配电网提供中性点接地方式转换装置，实现一个电网两种或两种以上中性点接地方式的相互转换。

背景技术：

三相交流电力系统中性点与大地之间的电气连接方式，称为电网中性点接地方式。中性点接地方式涉及电网的安全可靠性和经济性；同时直接影响系统设备绝缘水平的选择、过电压水平及继电保护方式、通讯干扰等。一般来说，电网中性点接地方式也就是变电所中变压器的各级电压中性点接地方式。

中性点有效接地即大电流接地系统：我国110kv及以上电网一般采用大电流接地方式，即中性点有效接地方式，实际运行中，为降低单相接地电流，也会使部分变压器采用不接地的方式，在中性点有效接地方式中，其中性点电位固定为地电位，在发生单相接地故障时，非故障相电压升高不会超过1.4倍运行相电压；暂态过电压水平也较低；故障电流很大，漏电保护能迅速动作于跳闸，切除故障，系统设备承受过电压时间较短。因此，大电流接地系统可使整个系统设备绝缘要求水平降低，从而大幅降低造价；现有技术中的，中性点有效接地方式有两种：一种是直接接地，另一种是经小电阻接地。中性点有效接地方式的优点是在于，其内部过电压低、故障点定位容易、可迅速切除故障线路；其缺点是：因其迅速切除故障线路间断供电，导致跳闸率高，供电可靠性低；并且，接地电流大，地电位上升较高，增大接触电压和跨步电压大；增大对信息系统的干扰；增大低电压网反击。

中性点非有效接地即小电流接地系统：针对6～35kv的配电网，一般是采用小电流接地方式，即中性点非有效接地方式。中性点非有效接地方式主要可分为：不接地、经消弧线圈接地及经中阻或高阻接地。中性点非有效接地的优点是：单相接地故障稳态工频电流小；雷击绝缘闪络瞬间故障可自动清除，无需跳闸；可单相接地运行，改善了电网不间断供电，提高供电可靠性；接地电流小，降低了地电位的升高，减少了跨步电压，减小了对信息系统的干扰，减少了对低电压网的反击等；其缺点是：内部过电压高，对弱绝缘击穿概率大；故障点难以定位，没有任何选线装置可以100％准确选线。

不同的中性点接地方式各有优缺点，且大电流接地方式的优点是小电流接地方式的缺点，大电流接地方式的缺点是小电流接地方式的优点。

另一方面，110kv、220kv以上电压等级的电网系统，由于电压很高,中性点一般采用直接接地方式，但是由于继电保护整定配置及防止通讯干扰等方面的要求，为了限制单相短路电流，其中有部分变压器采用中性点不接地方式。在这种运行方式下，由于雷击、单相接地短路故障等会造成中性点过电压，而且变压器大多是分级绝缘，因此过电压对中性点的绝缘造成很大威胁，目前这种危害的处理措施是在变压器的中性点与地之间加装间隙与避雷器并联，间隙击穿电压离散值很大，且间隙击穿本身就造成中性点电压陡降，这种电压陡降对变压器中性点绝缘同样造成冲击。

技术实现要素：

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种电网中性点接地方式转换装置，以期能够兼顾大电流接地和小电流接地的优点，摒弃不同接地方式的缺点，使得电网内部过电压低，跳闸率低、供电可靠性高。

本发明的另一发明目的是在于克服中性点直接接地系统中性点不接地变压器的中性点绝缘间隙并避雷器保护的缺点，提供过电压水平低电压变化平滑的中性点绝缘保护装置。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明中性点接地方式转换装置的特点是：所述中性点接地方式转换装置是在电网的中性点与地之间设置可控阻抗，所述可控阻抗的阻抗值根据所述电网中电压互感器的开口三角电压和/或三相对地电压进行调整，且不改变所述电网的三相电压的对称性；

通过调整所述可控阻抗，使所述电网在正常运行状态时呈大电流接地方式；所述电网在单相接地故障状态下转换为小电流接地方式或转换为大电流接地方式；实现所述电网在正常和单相接地故障两种状态下的中性点接地方式的相互转换；

所述电网在正常运行状态时呈大电流接地方式是指：所述电网在正常运行状态时，可控阻抗的阻值特性为大电流接地方式下的阻值特性；并且在所述电网发生单相接地故障时，在中性点接地方式向小电流接地方式或大电流接地方式的转换过程中，呈大电流接地方式的可控阻抗在故障点产生的接地电流不大于50安培。

本发明中性点接地方式转换装置的特点也在于：所述可控阻抗的调整使得所述电网的零序阻抗与正序阻抗的比值不小于0。

本发明中性点接地方式转换装置的特点也在于：所述可控阻抗的调整使得所述电网的衰减系数与固有频率的比值不小于0.2。

本发明中性点接地方式转换装置的特点也在于：在所述电网发生单相接地故障时，控制所述可控阻抗的功率使得故障点的接地电流不大于所述电网单相接地时故障点允许流过的最大电流值。

本发明中性点接地方式转换装置的特点也在于：针对没有物理中性点的电网，使用接地变压器建立电网中性点，控制所述接地变压器的功率以限制所述可控阻抗在故障点形成的接地电流。

本发明中性点接地方式转换装置的特点也在于：针对在发生单相接地故障后要求立即切除故障线路的电网，设置所述中性点接地方式转换装置，以使得所述电网在正常运行状态时呈大电流接地方式；在发生单相接地故障时，并且延迟t1毫秒：若故障消失、电网恢复正常运行状态，则所述中性点接地方式转换装置继续为呈大电流接地方式；若故障依然存在，则所述中性点接地方式转换装置转换为中性点经低值电阻器接地的大电流接地方式，从而切除故障线路，在切除故障线路、电网恢复正常运行状态后，所述中性点接地方式转换装置转换为呈大电流接地方式，设置所述大电流接地方式的故障点接地电流为100～1000安培，t1取值为30-10000毫秒。

本发明中性点接地方式转换装置的特点也在于：针对在发生单相接地故障后要求限时t2时间切除故障线路的电网，设置所述中性点接地方式转换装置，以使得所述电网在正常运行状态时呈大电流接地方式；在发生单相接地故障时，并且延迟t2秒：若故障消失、电网恢复正常运行状态，则所述中性点接地方式转换装置继续为呈大电流接地方式；若故障依然存在，则所述中性点接地方式转换装置转换为中性点经中值电阻器接地的小电流接地方式，由小电流选线装置定位故障线路，并切除故障线路，在切除故障线路、电网恢复正常运行状态后，所述中性点接地方式转换装置转换为呈大电流接地方式，设置所述小电流接地方式的故障点接地电流为10～100安培，t2取值为1～8000秒。

本发明中性点接地方式转换装置的特点也在于：针对在发生单相接地故障后要求持续运行不超过2小时的电网，设置所述中性点接地方式转换装置，以使得所述电网在正常运行状态时呈大电流接地方式；在发生单相接地故障时转换为中性点经高值电阻器接地，或中性点经消弧线圈接地，或中性点不接地的小电流接地方式，或在母线上将故障相接地形成人为故障相接地点，故障点接地电流不大于50a；若2个小时内故障消失、电网恢复正常运行状态，则所述中性点接地方式转换装置转换为呈大电流接地方式。

本发明中性点接地方式转换装置的特点也在于：在满足发生单相接地故障后持续运行不超过2小时的条件下，针对故障状态下已转换为小电流接地方式的中性点接地方式转换装置，任意时刻将所述中性点接地方式转换装置转换为中性点经中值电阻器接地的小电流接地方式，并由小电流选线装置定位故障线路，从而切除故障线路，故障点接地电流为10～100安培；在切除故障线路电网恢复正常运行状态后，所述中性点接地方式转换装置转换为呈大电流接地方式。

本发明中性点接地方式转换装置的特点也在于：针对中性点直接接地系统中的中性点不接地变压器，所述可控阻抗设置在所述中性点不接地变压器的中性点与地之间，电网在正常和故障运行状态时均呈中值电阻器或高值电阻器的接地方式，以限制系统波动、雷击和单相接地故障引起的变压器中性点的过电压，所述中性点不接地变压器是指110kv以上的中性点不接地变压器。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明首次提出中性点接地方式的转换，提供一种中性点接地方式转换装置及方法，兼顾大电流接地和小电流接地的优点而摒弃他们各种接地方式的缺点，使得电网内部过电压低，跳闸率低、供电可靠性高，克服了电网只有一个中性点接地方式不可转换的缺点；

2、本发明在正常运行状态时呈大电流接地方式，可控阻抗的阻值特性为大电流接地方式下的阻值特性，为系统波动和雷击的残余电荷提供泄放渠道，因而电网不发生谐振，且开关操作过电压低；

3、本发明可控阻抗的调整使得电网的零序阻抗与正序阻抗的比值不小于0，确保零序阻抗与正序阻抗的比值不落入(-20，-1)区域内，从而确保电网相接地工频过电压小于线电压的1.1倍；

4、本发明可控阻抗的调整使得所述电网的衰减系数与固有频率的比值不小于0.2，系统的谐振过电压及暂态过电压不大于相电压的2.5倍；

5、本发明对于发生单相接地故障后要求立即切除故障线路的电网，保障了电网瞬间故障不跳闸，提高了供电可靠性，克服了大电流接地系统的供电可靠性高的缺点；

6、本发明可根据不同要求的电网，在单相接地故障发生后，选择与其要求适应的故障状态下的中性点接地方式运行，立刻切除故障线路或延时切除故障线路或持续运行2小时后切除故障线路；

7、本发明为直接接地电网中的中性点不接地变压器的中性点绝缘提供一种新的保护方式，过电压水平低且电压变化平滑，性能远优越于现有的间隙放电保护，克服了间隙+避雷器保护电压陡降的缺点。

附图说明

图1中性点呈大电流与消弧线圈、电阻器接地转换原理图；

图2中性点呈大电流与消弧线圈接地转换原理图；

图3中性点呈大电流与电阻器接地转换原理图；

图4直流偏磁控制可控阻抗的功率实现中性点呈大电流与电阻器接地转换原理图；

图5直流偏磁控制接地变压器功率实现中性点呈大电流与电阻器接地转换原理图；

图6直流偏磁控制接地变压器功率实现中性点呈大电流与电阻器接地转换原理图；

图7单相接地时健全相的电压；

图8谐振过电压倍数与电路参数的关系；

图9中性点呈大电流接地与故障相人为接地原理图。

图中标号：1呈大电流接地方式的可控阻抗，11单相变压器，12可调电阻器，2消弧线圈，3电阻器，k1、k2、k3为单相开关，k、kd为三相开关，p为直流偏磁装置，j为接地变压器，三相电为a、b、c，o为电网中性点，m为电网母线，g为单相接地故障点，ka为a相单相开关，kb为b相单相开关，kc为c相单相开关，zb为变电所主变。

具体实施方式

本实施例中中性点接地方式转换装置是在电网的中性点与地之间设置可控阻抗，可控阻抗的阻抗值根据电网中电压互感器的开口三角电压和/或三相对地电压进行调整，且不改变电网三相电压的对称性。

通过调整可控阻抗，使电网在正常运行状态时呈大电流接地方式；电网在单相接地故障状态下转换为小电流接地方式或转换为大电流接地方式；实现电网在正常和单相接地故障两种状态下的中性点接地方式的相互转换。

中性点接地方式涉及电网的安全可靠性、经济性；同时直接影响系统设备绝缘水平的选择、过电压水平及继电保护方式、通讯干扰等。目前一个电网的中性点接地方式只有一种接地方式，不论正常运行还是故障中性点接地方式都是一样的。

不同的中性点接地方式各有优缺点，且大电流接地方式的优点是小电流接地方式的缺点，大电流接地方式的缺点是小电流接地方式的优点。

本发明首次提出中性点接地方式的转换，提供一种中性点接地方式转换装置及方法，兼顾大电流接地和小电流接地的优点而摒弃他们各种接地方式的缺点，使得电网内部过电压低，跳闸率低、供电可靠性高，克服了中性点接地方式不可转换的缺点。

如图1，k1闭合可控阻抗投入电网中性点，当系统正常运行时，开关k2和k3处在打开位置，只有呈大电流接地方式的可控阻抗1，此时可控阻抗为呈大电流接地方式的可控阻抗1，在电网发生单相接地时，若发生单相接地故障，闭合开关k2投入消弧线圈2，并调整可调电阻器12使得单相变压器11不过载，电网转换为小电流接地方式运行，此时可控阻抗为呈大电流接地方式的可控阻抗1与消弧线圈2并联；单相接地故障持续30分钟时，投入中值电阻器3，由小电流选线定位故障线路切除故障线路，此时可控阻抗为可控阻抗为呈大电流接地方式的可控阻抗1、消弧线圈2和中值电阻器3的并联；切除故障线路后电网恢复正常状态，中性点接地方式转换装置打开开关k2和k3，使电网呈大电流接地方式运行。

电网在正常运行状态时呈大电流接地方式是指：电网在正常运行状态时，可控阻抗的阻值特性为大电流接地方式下的阻值特性；并且在电网发生单相接地故障时，在中性点接地方式向小电流接地方式或大电流接地方式的转换过程中，呈大电流接地方式的可控阻抗在故障点产生的接地电流不大于50安培。

如图1中的呈大电流接地方式的可控阻抗1由单相变压器11和可控电阻12组成，变压器11为10000v/400v，设置容量为3kva；可控电阻12在正常运行时控制为0.02ω，在单相接地故障时控制为60ω以上，保证单相变压器11不过载；电网正常运行时可控电阻12等效到系统一次侧中性点电阻为12.5欧姆接地相当于低阻电阻器的值，故呈大电流系统特性；当电网发生单相接地故障时，可控电阻12从0.02ω转换到60ω以上过程中，由于变压器11容量的限制，其在故障点产生的电流5a以下，因此呈大电流接地方式的可控阻抗1在电网正常运行时呈大电流接地阻值特性，而不会提供大电流接地的较大的接地电流。同时呈大电流接地方式的可控阻抗1在中性点接地方式转换过程中，不会造成故障点接地电流过大。

具体实施中，可控阻抗的调整使得电网的零序阻抗与正序阻抗的比值不小于0。如图7为单相接地健全相的电压图，k＝xo/x1(零序阻抗/正序阻抗)如落在(-20，-1)之间，单相接地故障会产生很高的工频过电压，k值越靠近-2工频过电压值就越高，k＝-2时出现工频谐振，线路上各点电压趋于无穷大。当k＞0，则永远不会落入(-20，-1)之间，故不会发生单相接地谐振，从而确保电网相接地工频过电压小于线电压的1.1倍。

具体实施中，可控阻抗的调整使得电网的衰减系数与固有频率的比值不小于0.2。如图8谐振过电压倍数与电路参数的关系，当电网的衰减系数与固有频率即μ/ω0﹥0.2，则电网发生谐振时过电压倍数不超过2.5倍。

本发明在正常运行状态时呈大电流接地方式，可控阻抗的阻值特性为大电流接地方式下的阻值特性，为系统波动和雷击的残余电荷提供泄放渠道，因而电网不发生谐振，且开关操作过电压低。

在电网发生单相接地故障时，控制可控阻抗的功率使得故障点的接地电流不大于电网单相接地时故障点允许流过的最大电流值。如图1～4中呈大电流接地方式的可控阻抗1，通过设备变压器11的功率限制呈大电流接地方式的可控阻抗1在故障点产生的电流；图5、6中是通过控制接地变压器j的功率限制控阻抗1在故障点产生的电流，图5中的接地变压器j为y型接线方式，图6中的接地变压器j为开口三角型接线方式，图5、6中接地变压器j兼顾了单相变压器11的功能。

针对没有物理中性点的电网，使用接地变压器建立电网中性点，控制接地变压器的功率以限制可控阻抗在故障点形成的接地电流。中压电网的中压侧绕组往往为△接线方式，因而没有物理中性点，必须人为的使用接地变压器j建立人为的中性点。图5、6中是通过控制接地变压器j的功率限制控阻抗1在故障点产生的电流。

针对在发生单相接地故障后要求立即切除故障线路的电网，如图3，电阻器3为低值电阻器，设置中性点接地方式转换装置，通过调整呈大电流接地方式的可控阻抗1以使得电网在正常运行状态时呈大电流接地方式。在发生单相接地故障时，并且延迟t1毫秒比如延迟200ms：单相接地故障后延迟200ms的目的是躲过雷击等瞬间接地故障引起的跳闸，只有是永久性故障才切除故障线路，若故障消失电网恢复正常运行状态，则中性点接地方式转换装置继续为呈大电流接地方式；若故障依然存在，故障为永久性故障，则中性点接地方式转换装置闭合开关k3转换为中性点经低值电阻器接地的大电流接地方式，从而切除故障线路，在切除故障线路电网恢复正常运行状态后，中性点接地方式转换装置转换为呈大电流接地方式，设置大电流接地方式的故障点接地电流为100～1000安培，克服了大电流接地系统跳闸率高的缺陷，提高系统供电可靠性安全性，t1取值为30-10000毫秒。

针对在发生单相接地故障后要求限时t2时间切除故障线路的电网，如图3，电阻器3为中值电阻器，设置中性点接地方式转换装置，通过调整呈大电流接地方式的可控阻抗1以使得电网在正常运行状态时呈大电流接地方式。在发生单相接地故障时，并且延迟t2秒：若故障消失电网恢复正常运行状态，则中性点接地方式转换装置继续为呈大电流接地方式；若故障依然存在，比如限时半个小时或者一个小时，如单相接地故障消失则中性点接地方式转换装置自动恢复为中性点呈大电流接地方式，如故障没有消失合开关k3，则中性点接地方式转换装置转换为中性点经中值电阻器接地的小电流接地方式，这样不仅躲过雷击等瞬间接地故障，而且为退出故障线路或倒负荷避免损失留足时间，比如炼钢高炉的供电倒负荷，然后由小电流选线装置定位故障线路，并切除故障线路，在切除故障线路电网恢复正常运行状态后，中性点接地方式转换装置打开k3转换为呈大电流接地方式，设置小电流接地方式的故障点接地电流为10～100安培，足以使小电流选线100％选线，由t2取值为1～8000秒。如图5、6，电网正常运行状态下调整电阻器12为低值电阻器，可控阻抗由可控功率的接地变压器j与可调电阻器12组成；通过直流偏磁装置p控制接地变压器j的功率，使得电网正常运行状态下呈大电流接地方式运行；当发生单相接地故障时，通过控制接地变压器j的功率与可调电阻器12的阻值，可以使电网转换为中值电阻器接地的小电流接地方式，也可以使电网转换为高值电阻器接地的小电流接地方式，可以使电网转换为低值电阻器接地的大电流接地方式。

参照图3，同样通过单相变压器11的功率和可调电阻器12的阻值，实现中性点接地方式转换装置使得电网或呈大电流接地方式运行，或为低值电阻器接地的大电流接地方式运行，或为中值电阻器接地的小电流接地方式运行，或为高值电阻器接地的小电流接地方式运行。

针对在发生单相接地故障后要求持续运行不超过2小时的电网，如图2、5、6，设置中性点接地方式转换装置，通过调整呈大电流接地方式的可控阻抗1以使得电网在正常运行状态时呈大电流接地方式；在发生单相接地故障时转换为中性点经高值电阻器接地，或中性点经消弧线圈接地，或中性点不接地的小电流接地方式，或在母线上将故障相接地形成人为故障相接地点。图2是转换为消弧线圈2接地，图5、6是通过控制接地变压器j的容量和可控电阻12转换为经高值电阻器3接地，转换为中性点不接地的方式运行需要系统电容电流小于国标规定；故障点接地电流不大于50a；若2个小时内故障消失电网恢复正常运行状态后，则中性点接地方式转换装置转换为呈大电流接地方式。

如图9，为中性点呈大电流接地与故障相人为接地原理图，开关kd闭合，单相开关ka、kb、kc打开，正常运行时中性点呈大电流接地方式；某一时刻出线g点c相发生单相接地故障且1秒钟后故障不消失，合c相单相开关kc，在母线m上将母线c相通过c相单相开关kc直接接地形成人为故障相接地点，故障相c相对地电压为0，流经故障点g的电容电流大部分转移到人为故障相接地点上，从而降低了故障点g处的跨步电压和接触电压，故障消失则打开c相单相开关kc，系统恢复中性点呈大电流接地方式；同理电网a、b相发生单相接地故障。

在满足发生单相接地故障后持续运行不超过2小时的条件下，针对故障状态下已转换为小电流接地方式的中性点接地方式转换装置，任意时刻将中性点接地方式转换装置转换为中性点经中值电阻器接地的小电流接地方式，并由小电流选线装置定位故障线路，从而切除故障线路，故障点接地电流为10～100安培；在切除故障线路电网恢复正常运行状态后，中性点接地方式转换装置转换为呈大电流接地方式。

如图4，通过直流偏磁p调控单相变压器11的输出功率，并配合电阻12的调控。单相变压器的变比为10000v/400v，调控直流偏磁p使得单相变压器的输出功率在3kva，调控可控电阻12的阻值为0.02ω，使得电网从呈大电流接地方式；当电网发生单相接地故障时，先调整可控电阻12为0.44ω，半个小时内单相接地故障消失中性点接地方式转换装置继续呈大电流接地方式；若故障依然存在，调控直流偏磁p使得单相变压器的输出功率在120kva，电网转换为中值电阻器接地方式，可控阻抗在故障点产生20a的电流，小电流选线装置准确定位故障线路，并切除故障线路电网恢复正常运行，切除故障线路后中性点接地方式转换装置转换为呈大电流接地方式。当然也可以当电网发生单相接地故障时转换为中性点低值电阻器接地方式，单相接地故障发生后，延迟200ms然后调控直流偏磁p使得单相变压器的输出功率在2500kva，电网转换为低值电阻器大电流接地方式，可控阻抗在故障点产生约500a的电流，微机综保快速切除故障线路。

图5、6中两种不同形式的接地变压器，通过直流偏磁p调控接地变压器j的输出功率，并配合电阻12的调控。接地变压器的电压为10kv，调控直流偏磁p使得接地变压器j的输出功率在3kva，调控可控电阻的阻值12为12ω，使得电网从呈大电流接地方式；当电网发生单相接地故障时，先调整可控电阻12为230ω，半个小时后调控直流偏磁p使得单相变压器的输出功率在120kva，电网转换为中值电阻器接地方式，可控阻抗在故障点产生20a的电流，小电流选线装置准确定位故障线路，并切除故障线路。当然也可以当电网发生单相接地故障时转换为中性点低值电阻器接地方式，单相接地故障发生后，延迟100ms然后首先调整电阻为可控电阻为28欧姆，调控直流偏磁p使得接地变压器j的输出功率在1150kva，电网转换为低值电阻器大电流接地方式，可控阻抗在故障点产生约200a的电流，微机综保快速切除故障线路。

110kv、220kv以上电压等级的电网系统中有部分变压器采用中性点不接地方式。在这种运行方式下，由于雷击、单相接地短路故障等会造成中性点过电压，而且变压器大多是分级绝缘，因此过电压对中性点的绝缘造成很大威胁，必须对其设置保护装置防止事故发生。

针对中性点直接接地系统中的中性点不接地变压器，可控阻抗设置在中性点不接地变压器的中性点与地之间，如图1，将图中呈大电流接地方式的可控阻抗1接在中性点不接地的变压器的中性点与地之间，单相变压器11的功率设置为1kva，且单相变压器11的二次侧电压为230v，可控电阻设置为53欧姆，电网在正常和故障运行状态时均呈中值电阻器或高值电阻器的接地方式，以限制系统波动、雷击和单相接地故障引起的变压器中性点的过电压，中性点不接地变压器是指110kv以上的中性点不接地变压器。也可以将可控阻抗设置在变压器内部与变压器为一体，方便用户使用，提高安全可靠性。克服了在变压器的中性点与地之间加装间隙与避雷器并联保护的缺点：间隙击穿电压离散值很大，且间隙击穿本身就造成中性点电压陡降，电压陡降对变压器中性点绝缘同样造成冲击。