一种配电系统、单相接地故障消弧装置及其消弧方法与流程

本发明涉及一种配电系统、单相接地故障消弧装置及其消弧方法，属于配电网继电保护技术领域。

背景技术：

接地故障是指导线与大地之间的不正常连接，包括单相接地故障和两相接地故障。据统计，单相接地故障占配电网总故障次数的80％以上，而且绝大多数相间故障都是由单相接地故障发展而来的。因此，单相接地故障的处理方法对于电力系统安全运行至关重要。

配电网单相接地故障与中性点接地方式密切相关，中性点采用何种接地方式主要取决于供电可靠性和限制过电压两个因素。目前，常见的中性点接地方式包括中性点谐振(消弧线圈)接地和中性点经电阻接地。其中，传统的中性点谐振(消弧线圈)接地方式在谐振点附近运行时对系统中性点位移电压具有一定的放大作用，加大了系统电压的三相不平衡度。对于中性点经电阻接地系统，单相接地故障发生后由于有数值较大的接地故障电流流过，断路器会迅速动作切除接地线路，导致对用户的供电中断，影响了部分用户的供电可靠性。

在配电网发生单相接地故障后，故障点流过等效电容电流，电流值比较大，易产生电弧，具有严重的安全隐患。消弧柜过电压保护装置通过接地故障相选择控制闭合对应的高压接地开关，将故障相直接接地，该方法需要快速高性能的接地单相断路器，操作瞬间配电网容易产生电磁振荡，还存在选相错误时发展为两相接地短路造成断路器保护动作迅速切除接地线路。

因此，随着各类中性点接地方式的接入，以及配电网形式结构的多样化，需要一种简单可靠的单相接地故障处理方案。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种配电系统、单相接地故障消弧装置及其消弧方法，用于解决当发生单相接地故障时，故障点处易产生电弧，具有严重安全隐患的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种单相接地故障消弧装置，包括接地变压器，所述接地变压器的一次侧用于连接配电母线，所述接地变压器的一次侧的中性点接地，所述接地变压器的二次侧的各相绕组的两端通过对应的控制开关相连接。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种配电系统，包括配电母线以及与配电母线连接的配电线路，还包括单相接地故障消弧装置，所述单相接地故障消弧装置包括接地变压器，所述接地变压器的一次侧连接配电母线，所述接地变压器的一次侧的中性点接地，所述接地变压器的二次侧的各相绕组的两端通过对应的控制开关相连接。

本发明的有益效果是：当配电网出现单相接地故障时，通过将接地变压器二次侧的对应接地故障相短路，使接地变压器的接地相一次绕组通过的对地电流增大，由此旁路掉接地故障点流过的等效电容电流，使故障点电流大幅度减小，从而熄灭电弧。

作为装置和系统的进一步改进，为了提高控制的有效性，所述接地变压器的二次侧星型连接。

作为装置和系统的进一步改进，为了实现对配电网单相接地故障的判断以及对控制开关的控制，还包括控制器，所述控制器的信号输入端连接用于采集所述配电母线电压和电流信息的电气参数采样模块，所述控制器的控制信号输出端控制连接各控制开关。

作为装置和系统的进一步改进，为了实现可靠供电，以保证控制过程的可靠性，还包括辅助电源，所述辅助电源供电连接所述控制器和控制开关驱动电路。

基于上述的单相接地故障消弧装置，本发明还提供了一种单相接地故障消弧方法，当发生单相接地故障时，控制接地故障相对应的控制开关导通，将接地故障相对应的接地变压器二次侧绕组进行短路。

本发明的有益效果是：当配电网出现单相接地故障时，通过将接地变压器二次侧的对应接地故障相短路，使接地变压器的接地相一次绕组通过的对地电流增大，由此旁路掉接地故障点流过的等效电容电流，使故障点电流大幅度减小，从而熄灭电弧。

作为方法的进一步改进，为了实现对配电网出现单相接地故障及故障相的有效判断，还包括当零序电压大于零序电压设定值、某一相电压降低且另外两相电压升高时，则判定电压降低相发生单相接地故障。

附图说明

图1是本发明配电系统的结构原理图；

附图中：1是系统变压器二次侧、2是配电母线、3是控制器、4是大功率半导体开关器件驱动电路、5是接地变压器、6是大功率半导体开关器件、7是配电线路、8是线路等效对地电容、9是辅助电源。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例对本发明进行进一步详细说明。

配电系统实施例：

本实施例提供了一种配电系统，其结构原理图如图1所示，包括配电母线2、与配电母线2连接的配电线路7、以及单相接地故障消弧装置。其中，配电母线2的三相对应连接系统变压器二次侧1的对应相，以及配电线路7中的线路l1、l2、…、ln的对应相，线路l1、l2、…、ln的三相分别通过对应的线路等效对地电容8接地。

单相接地故障消弧装置包括接地变压器5，该接地变压器5一次侧的一端连接配电母线2，另一端并联后与大地连接，也就是接地变压器5的一次侧中性点接地，形成一、二次绕组零序电流通道；接地变压器5的二次侧的各相绕组的两端通过对应的大功率半导体开关器件6相连接。

其中，接地变压器5的零序阻抗很小，且二次侧星型连接。大功率半导体开关器件6的作用是导通和断开接地变压器5的二次侧各相绕组的两端之间的连接。在本实施例中，大功率半导体开关器件6具体为双向晶闸管或可关断双向晶闸管。其中，双向晶闸管具备通断电流大、成本低的优点，适合工作在大电流场合，并具有快速导通的优势，但系统的可靠性和晶闸管的受控性不如可关断双向晶闸管。

在实现导通和断开接地变压器5的二次侧各相绕组的两端之间的连接这一作用的情况下，作为其他的实施方式，该大功率半导体开关器件6可以是其他类型的控制开关，例如可以是igbt、igct等半导体器件，只是控制开关对应的驱动电路或参数选择上需要做出调整。

为了实现对大功率半导体开关器件6的可靠控制，单相接地故障消弧装置还包括控制器3、大功率半导体开关器件驱动电路4、以及辅助电源9。其中，控制器3的信号输入端连接有用于采集配电母线2电压和电流信息的电气参数采样模块，控制器3的控制信号输出端控制连接大功率半导体开关器件驱动电路4，通过大功率半导体开关器件驱动电路4控制连接接地变压器5二次侧的各大功率半导体开关器件6。由于大功率半导体开关器件驱动电路4的具体结构属于现有技术，此处不再赘述。辅助电源9供电连接控制器3和大功率半导体开关器件驱动电路4，用于给控制器3和大功率半导体开关器件驱动电路4提供一定的低压供电电源，可根据需要配置高可靠的交流或直流电源，以保证控制部分供电可靠性。

上述配电系统的工作原理为：控制器3接收电气参数采样模块采集到的配电母线2电压和电流信息，并根据电压信息中的零序电压及母线三相电压判断发生单相接地故障，并判断出接地相；通过大功率半导体开关器件驱动电路4驱动大功率半导体开关器件6导通，使接地变压器5对应接地故障相的二次绕组短路，使接地变压器5对应接地故障相的一次绕组对系统变压器二次侧1的对应母线的接地电流增大，由此旁路掉接地故障点流过的电容电流，使接地故障点电流大幅度减小，从而使故障电弧瞬时熄灭。

需要说明的是，该控制器3可以是专门设置的控制器，也可以是配电系统现有的控制器，并根据需要对软件程序进行设置，以满足应用需求。

单相接地故障消弧方法实施例：

基于上述的配电系统，本实施例提供了一种单相接地故障消弧方法，具体步骤包括：当发生单相接地故障时，控制接地故障相对应的控制开关导通，将接地故障相对应的接地变压器二次侧绕组进行短路。

其中，根据配电系统出现的零序电压及母线三相电压，来判断是否发生了单相接地故障，并判断出接地相。具体的，为了实现单相接地故障的判断过程以及故障相的判断过程，当零序电压大于零序电压设定值、某一相电压降低且另外两相电压升高(但不超过线电压)时，则判定电压降低相发生单相接地故障。在判断出单相接地故障相别后，则控制接地故障相对应的控制开关导通，以使接地故障相对应的接地变压器二次侧绕组两端短路。

下面结合图1中的配电系统，对该单相接地故障消弧方法进行具体介绍，内容如下：

当图1中配电系统的a相发生单相接地故障时，接地故障点流过的对地电容电流iaf为全配电系统b相和c相的对地电容电流之和，即：

其中，i0为零序电流，i0b1、i0b2、…、i0bn分别为线路l1、l2、…、ln的b相电容电流，i0c1、i0c2、…、i0cn分别为线路l1、l2、…、ln的c相电容电流，为相电压幅值，c0∑为线路总对地电容，ω为电网频率。

例如，当图1中配电系统的线路l1上某处a相发生单相接地故障时，控制器3连接的电气参数采样模块采集配电系统电压信号二次值，当零序电压大于零序电压设定值、a相电压降低且b、c相电压升高时，则判定a相发生单相接地故障。在本实施例中，零序电压设定值为30v，a相电压降低是指a相电压ua＜57.7v，b、c相电压升高是指b相电压57.7v<ub≤100v且c相电压57.7v<uc≤100v。控制器3连接的电气参数采样模块中的零序电流传感器将零序电压转换为零序电流，然后送入控制器3进行运算，当零序电流i0＞iset时，iset为零序电流定值，控制器3发出驱动信号至大功率半导体开关器件驱动电路4，大功率半导体开关器件驱动电路4触发脉冲使接地变压器5二次绕组a相的大功率半导体开关器件sa快速导通，使接地变压器5一次绕组短路配电母线2的a相，接地变压器5的一次绕组通过的对地电流增大，旁路掉接地故障点流过的电容电流，使故障点电流大幅度减小。也就是，通过使接地变压器5二次绕组a相的短路，在接地变压器5一次绕组形成接地电流，实现接地故障点电流的旁路，从而实现接地点电弧熄灭即瞬时故障的恢复。

根据电弧理论，一般故障点电流小于5～10a时，可以自然熄弧。再者，还可以通过控制接地变压器5的短路阻抗，控制接地故障点和接地变压器5的电流比，使故障点电流趋向零，即iaf≈0，从而达到接地故障点消弧的目的。

当线路l1上某处a相单相接地故障后消失后，控制器3检测到配电系统电压二次值为：零序电压3u0≈0v，a、b、c三相电压恢复到正常值，例如57.7v，当零序电流i0＜iset时，控制器3通过向大功率半导体开关器件驱动电路4发出指令，使接地变压器5二次侧a相大功率半导体开关器件sa快速关断，即断开接地变压器5二次绕组a相的接地，配电系统恢复到正常工作状态。

当然，上述内容仅是以配电系统的线路l1上某处a相发生单相接地故障为例，对该单相接地故障消弧方法进行介绍，当线路l1上某处b相或c相发生单相接地故障时，单相接地故障消弧的原理和过程同上述a相。同样的，当配电系统其他线路l2、l3、…、ln中的任一线路等发生单相接地故障时，单相接地故障消弧的原理和过程同上述线路l1。

单相接地故障消弧装置实施例：

本实施例提供了一种单相接地故障消弧装置，由于该单相接地故障消弧装置的具体结构以及工作原理已经在上述的配电系统实施例和单相接地故障消弧方法实施例中进行了详细介绍，此处不再赘述。

需要说明的是，上述的单相接地故障消弧装置和单相接地故障消弧方法可以实现快速可靠的单相接地故障处理，避免了高压侧使用高压快速开关，例如高压快速断路器等大型器件，可以应用在小电流接地配电网中。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是，以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其保护范围的限制，尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解，本领域技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在本发明的权利要求保护范围之内。