一种快速开关并联固态开关的快速消弧方法

1.本发明属于电力技术领域，更具体地，涉及一种快速开关并联固态开关的快速消弧方法。


背景技术：

2.配网中固体绝缘的交联聚乙烯电缆用量越来越大，却带来了固体化绝缘是不可恢复单相接地故障处理的难题。系统发生单相接地后，流过接地点的稳态电流就是系统对地电容电流，电缆电网接地电弧中的高频电流幅值和持续时间相对于架空线路大幅增加，因而发生在非故障相的弧光接地过电压可能超过相电压的4倍以上，严重威胁电缆绝缘。因此，快速准确地选出故障线路并尽快熄灭接地电弧，对于防止电缆绝缘破坏和故障扩大具有重要意义。
3.随着系统中线路对地电容电流的大幅度增加，以消弧线圈为代表的传统电流型消弧方式的应用受到限制。13座电站消弧线圈运行状况试验结果表明：间接法测量系统电流值误差极大、补偿后残流较大、接地电流中阻性分量和高频分量无法补偿、消弧线圈饱和引起中性点电流畸变等一系列问题，消弧线圈实际消弧效果很差。而且消弧线圈也会影响选线准确性，试验表明实际选线准确率不足50％。主动干预式消弧方式不受电容电流大小和接地方式的限制、可适用于有电缆线路的配电系统，在实现完全消弧的同时避免了有源电流型消弧方式中对故障电流的复杂追踪和补偿计算过程。主动干预式消弧方式转移短路接地电流的速度至关重要，如何提高开关动作速度是主动干预式消弧方式研究的关键技术问题。
4.固态开关利用电力电子开关的速动性，因而固态开关相对于机械开关切换速度快(微秒级)而且无声响、无弧光，而且由于不存在分断时起弧和触点磨损，寿命较高。但是合闸状态电流经电力电子开关导通，开关上有一定的压降，会造成较大的发热损耗，长时间工作需要安装冷却装置。长时间流过大电流的固态开关成本较高，不适用于配电网，如何兼顾主动式消弧装置的速动性和成本是目前亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

5.本发明通过提供一种快速开关并联固态开关的快速消弧方法，解决现有技术无法同时兼顾主动式消弧的速动性和成本的问题。
6.本发明提供一种快速开关并联固态开关的快速消弧方法，将快速开关与固态开关并联；判断供电系统是否发生单相接地故障；若发生单相接地故障，则根据三相电压选出故障相别，通过微机综合控制器控制母线故障相固态开关合闸；
7.根据零序电流选出故障线路；若故障线路为电缆线路，则通过所述微机综合控制器依次控制母线故障相快速开关合闸、母线故障相固态开关分闸；若故障线路不为电缆线路，则在母线故障相固态开关合闸的第一时间后通过所述微机综合控制器控制母线故障相固态开关分闸，对故障是否消失进行判断；若故障未消失，则通过所述微机综合控制器依次
控制母线故障相固态开关再次合闸、母线故障相快速开关合闸、母线故障相固态开关再次分闸。
8.优选的，所述固态开关的电力电子器件采用多个晶闸管串联，所述固态开关在1ms内完成合闸；所述快速开关在7ms内完成合闸，在3ms内完成分闸。
9.优选的，所述判断供电系统是否发生单相接地故障的具体实现方式为：通过所述微机综合控制器实时在线监测电压互感器二次侧开口三角电压，若所述开口三角电压超过预设的电压阈值，则判定发生单相接地故障。
10.优选的，所述根据三相电压选出故障相别的具体实现方式为：通过所述微机综合控制器监测电压互感器输出的三相电压，若出现一相电压接近0且另外两相电压接近线电压，则判定为金属性接地故障，并判定电压接近0的相别为故障相；若出现一相电压幅值最大且另外两相电压幅值接近，则判定为小电阻接地故障，并判定电压幅值最小的一相为故障相；若三相电压幅值均大于预设的电压幅值，则判定为大电阻接地故障，并判定电压幅值最大一相的后一相为故障相。
11.优选的，通过分析安装在各条馈线首端的电流录波器测量的零序电流选出故障线路，根据所述零序电流选出故障线路的依据为：在母线故障相固态开关合闸前，若其中一线路上的零序电流与其他所有线路零序电流方向相反且幅值大于其他线路，而且在母线故障相固态开关动作前后其中一线路上的零序电流方向发生改变，则可判断该线路为故障线路。
12.本发明中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
13.本发明利用固态开关的速动性能够快速消除弧光接地故障，同时并联快速开关，减少固态开关投入运行时间，避免发热损耗且无需安装冷却系统，对快速熄灭接地电弧、降低消弧装置成本、提高消弧技术的可靠性具有重要意义和实用性。
附图说明
14.图1为本发明实施例提供的一种快速开关并联固态开关的快速消弧方法采用的装置一次系统接线图；
15.图2为本发明实施例提供的一种快速开关并联固态开关的快速消弧方法的流程示意图；
16.图3为故障选相的流程示意图；
17.图4为故障选线的流程示意图；
18.图5为快速开关的结构示意图；
19.图6为快速开关并联固态开关的拓扑图。
20.其中，101-前置断路器、102-电流互感器、103-pt高压熔断器、104-电压互感器、105-一次消谐器、106-快速开关、107-固态开关、108-零序电流互感器、109-微机综合控制器；
21.501-真空灭弧室、502-静导电杆、503-静触头、504-动触头、505-动导电杆、506-绝缘拉杆、507-分闸保持磁铁、508-分闸线圈、509-电磁铁衔铁、510-合闸线圈、511-合闸保持磁铁、512-分闸控制、513-分闸储能电容、514-合闸控制、515-合闸储能电容、516-充电电源。
具体实施方式
22.为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
23.本实施例提供一种快速开关并联固态开关的快速消弧方法，将快速开关与固态开关并联，首先判断供电系统是否发生单相接地故障，若发生单相接地故障，则根据三相电压选出故障相别，通过微机综合控制器控制母线故障相固态开关合闸；然后根据零序电流选出故障线路，若故障线路为电缆线路，则通过所述微机综合控制器依次控制母线故障相快速开关合闸、母线故障相固态开关分闸；若故障线路不为电缆线路，则在母线故障相固态开关合闸的第一时间后通过所述微机综合控制器控制母线故障相固态开关分闸，对故障是否消失进行判断；若故障未消失，则通过所述微机综合控制器依次控制母线故障相固态开关再次合闸、母线故障相快速开关合闸、母线故障相固态开关再次分闸。
24.其中，所述固态开关的电力电子器件采用多个晶闸管串联，所述固态开关在1ms内完成合闸；所述快速开关在7ms内完成合闸，在3ms内完成分闸。
25.上述方法采用的装置一次系统接线图参见图1，具体的方法流程参见图2，包括以下步骤：
26.步骤1、通过微机综合控制器(zk)109实时在线监测电压互感器(pt)104二次侧三角形接口电压波形，若电压正常，保持监测状态。若发现开口电压越限说明发生单相接地故障，进入步骤2。若发现其他故障，发出故障告警信号。
27.即通过所述微机综合控制器109实时在线监测电压互感器二次侧开口三角电压，若所述开口三角电压超过预设的电压阈值，则判定发生单相接地故障。
28.其中，通过监测所述电压互感器104二次侧三角形开口电压判断系统故障状态。系统正常运行时，显示系统运行电压、开口三角电压以及消弧装置运行状态。当开口三角电压δu由低电平变成高电平时，表明系统发生故障，所述微机综合控制器109立即启动中断，进入故障类型判别和线路零序电流的数据采集程序。
29.具体的，所述微机综合控制器109实时在线监测电磁式的所述电压互感器104二次侧三角形接口电压波形，对开口三角电压设定一个阈值，该阈值需要躲过三相不平衡电压，只要其上电压升高超过阈值即判断系统发生故障，即判断系统发生单相接地故障，启动程序来判断故障类型；电压升高不超过阈值就继续监测。
30.步骤2、所述微机综合控制器109开始运行故障选相程序，故障选相程序流程图参见图3，根据三相故障电压选出故障相。
31.其中，所述微机综合控制器109根据所述电压互感器104二次输出信号ua、ub、uc，进行单相接地、断线运行等故障类型和相别的判断。
32.由于不同的故障过渡电阻对应的三相电压大小关系不同，因此根据不同故障情况，需要制定不同的故障选相方案。
33.通过所述微机综合控制器109监测电压互感器输出的三相电压，若出现一相电压接近0且另外两相电压接近线电压，则判定为金属性接地故障，并判定电压接近0的相别为故障相；若出现一相电压幅值最大且另外两相电压幅值接近，则判定为小电阻接地故障，并判定电压幅值最小的一相为故障相；若三相电压幅值均大于预设的电压幅值，则判定为大电阻接地故障，并判定电压幅值最大一相的后一相为故障相。
34.下面对不同的故障选相方案进行具体的说明。
35.a、金属性接地故障。
36.中性点不接地系统发生单相金属性接地故障时，故障相电压接近0，非故障相电压接近线电压，据此可判断电压接近0相为故障相。以10kv配电系统为例，设定三相电压阈值为：某一相电压小于1kv，另外两相电压大于9kv，则认为发生单相金属性接地故障，判断电压小于1kv的一相为故障相。因为金属性故障发生时三相电压变化明显，若需要提高故障选相速度，可以利用暂态过程电压信号进行判断，缩短选相时间。
37.b、小电阻接地故障。
38.将故障相电压升高到与某一非故障相电压幅值相等时定义为小电阻接地故障的临界情况，当发生小电阻接地故障时，故障相电压是三相电压中幅值最小的，可据此可判断三相电压中幅值最小的一相为故障相。对于10kv配电系统，在小电阻接地故障的临界情况，故障相和其后一相电压均为5kv，故障相前一相电压为8.66kv，考虑实际系统存在三相不平衡的情况，可设定三相电压阈值为：某一相电压小于4kv，且其前一相电压大于8kv时，则判断电压小于4kv的一相为故障相。
39.c、大电阻接地故障。
40.当接地过渡电阻较大时，故障相电压将不再是三相电压中幅值最小的，但是故障相前一相在过渡电阻变化过程中一直是三相电压幅值最大的一相，据此，可判别幅值最大相的后一相为故障相。对于10kv配电系统，当三相电压均大于4kv时，首先比较选出电压幅值最大的一相，然后判断其后一相为故障相。
41.步骤3、所述微机综合控制器109根据故障相别执行快速开关(jd)106并联固态开关(ss)107的动作程序，向母线故障相固态开关发出动作信号，母线故障相固态开关在微秒级的时间内完成导通，将故障电流导入大地即将故障相直接接地，熄灭接地电弧，并将弧光接地过电压限制在线电压的水平，控制故障的发展。
42.具体的，所述固态开关107和所述快速开关106并联的混合式开关能够快速导通而且结构简单，所述固态开关107的电力电子器件只在电源切换的短暂过程中导通，稳态工作时所述固态开关107的电力电子器件处于关断状态几乎没有损耗，所以混合式固态开关可以自然冷却，不需要附加笨重的冷却装置。所述固态开关107的电力电子器件采用晶闸管串联，其与所述快速开关106的拓扑结构图如图6所示，图中tn1-tnn以及tp1-tpn分别表示在两个方向上n个串联的晶闸管。
43.步骤4、通过分析安装在各条馈线首端的电流录波器测量的零序电流选出故障线路，根据所述零序电流选出故障线路的依据为：在母线故障相固态开关合闸前，若其中一线路上的零序电流与其他所有线路零序电流方向相反且幅值大于其他线路，而且在母线故障相固态开关动作前后其中一线路上的零序电流方向发生改变，则可判断该线路为故障线路。
44.具体的，启动故障选线程序，故障选线程序流程图见图4，根据零安装在各条馈电线路首端的电流互感器(记为电流录波器)测量的零序电流(即零序电流录波)选出故障线路，判断故障线路是否为电缆线路。若为电缆线路，则通过所述微机综合控制器109依次控制母线故障相快速开关合闸、母线故障相固态开关分闸；即将所述快速开关106合闸，在所述快速开关106合闸后断开所述固态开关107。若故障线路不是电缆线路(即为架空线路)，
则执行步骤5。
45.其中，电缆线路发生接地故障后绝缘不可恢复，需要保持接地状态以将线路故障点电弧电流全部转移到母线的金属性接地相，同时需要合闸所述快速开关106以承担稳态电流，并断开所述固态开关107以避免固态开关过度发热。架空线路发生接地故障后由于空气的绝缘恢复性，需要重合闸以恢复可能的发生的瞬时性故障。
46.具体的，故障选线的依据是配电网在单相接地故障过程中各条馈电线路零序电流的变化特征，结合所述固态开关107合闸前和合闸后故障线路零序电流与非故障线路零序电流方向和幅值的差异进行故障线路的判断。
47.a、快速开关合闸前零序电流特征。
48.故障点所在线路首端零序电流幅值最大，由于分支线路的存在，稳态有效值比其他馈线零序电流之和更大，方向与其他馈线零序电流方向相反；架空线路零序电流相对较小；电缆线路零序电流相对架空线路大，但仍小于故障线路。
49.b、快速开关合闸后零序电流特征。
50.所述固态开关107动作时，发生故障的馈线零序电流有明显的翻相过程，与开关动作前幅值的变化不明显；而非故障线路零序电流方向和大小均未发生变化，仅出现短暂的小幅振荡过程。所述固态开关107动作后，故障线路和非故障线路的零序电流方向不再相反，而是变为由一定的角度差。
51.步骤5、所述微机综合控制器109在发出固态开关导通信号第一时间(例如5s)后向所述固态开关107发送断开信号，所述固态开关107断开。
52.具体的，所述固态开关107合闸动作5s后，瞬时性接地故障的接地体在接地电流作用下烧断，此时将所述固态开关107断开后系统恢复正常状态；永久性接地故障无法通过此种方式恢复正常。
53.步骤6、所述微机综合控制器109再次判断故障信号是否消失。若故障消失，则所述微机综合控制器109转入步骤1进行待机；若仍发现故障，则控制母线故障相固态开关再次合闸，然后控制母线故障相快速开关合闸、母线故障相固态开关再次分闸。
54.具体的，所述固态开关107分闸后，如果所述微机综合控制器109判断故障消失说明接地故障为瞬时性故障，系统恢复正常运行；如果所述微机综合控制器109判断故障没有消失，说明接地故障为永久性故障，需要重新合闸以将电弧电流通过母线接入大地。
55.本发明通过一个快速开关和一个固态开关的配合实现在微秒级时间内转移故障电流，并且可以控制设备成本使其于配电网有经济性，对快速消除单相接地电弧，抑制弧光接地过电压，提高安全运行水平具有重要意义。
56.其中，所述快速开关106为基于电磁斥力机构的改进型快速开关，可实现7ms内合闸，3ms内分闸，开断电流达40ka，能够满足快速分合闸并且能迅速断开短路电流的要求。
57.所述固态开关107和所述快速开关106并联配合的动作逻辑为，在判断出故障相后，所述固态开关107在1ms内完成导通，然后判定故障线路，若判断故障线路为电缆线路，将所述快速开关106合闸，在所述快速开关106合闸后断开所述固态开关107；若判定故障线路不为电缆线路，则所述固态开关107在导通的5s后断开；然后判断故障是否仍然存在，若故障消失，则系统恢复正常运行，并监测故障状态；若故障仍然存在，则导通所述固态开关107、合闸所述快速开关106，并在所述快速开关106合闸后再次断开所述固态开关107。
58.具体的，本发明提供的方法采用的装置一次系统接线图参见图1，包括前置断路器(dl)101、电流互感器(ta)102、pt高压熔断器(rd)103、电压互感器(pt)104、一次消谐器(dr)105、快速开关(jd)106、固态开关(ss)107、零序电流互感器(tz)108、微机综合控制器(zk)109。其中，所述pt高压熔断器103和所述一次消谐器105可以避免可能产生的铁磁谐振。所述零序电流互感器108在装置动作后，读出系统的接地电容电流，在装置动作故障相合闸期间，如果非故障又出现接地故障时，零序ct二次为所述微机综合控制器109采样提供电流突变，所述微机综合控制器109发出跳闸指令，断路器已合闸相分闸。
59.本发明采用的改进型快速开关是一种基于涡流原理的新型快速操动机构，结构原理见图5。所述快速开关包括真空灭弧室501、静导电杆502、静触头503、动触头504、动导电杆505、绝缘拉杆506、分闸保持磁铁507、分闸线圈508、电磁铁衔铁509、合闸线圈510、合闸保持磁铁511、分闸控制512、分闸储能电容513、合闸控制514、合闸储能电容515、充电电源516。
60.所述真空灭弧室501内所述动触头504的操作机构由电磁斥力机构带动。电磁斥力机构的工作原理：当开关收到合闸(或分闸)命令时，所述分闸线圈508(或合闸线圈510)中产生持续几毫秒的脉冲电流，励磁线圈在此脉冲电流作用下产生交变的磁场，同时所述电磁铁衔铁509因感应出涡流而产生电磁力。所述电磁铁衔铁509受到洛仑兹斥力的作用迅速运动，通过所述绝缘拉杆506驱动所述真空灭弧室501的所述动触头504动作，从而实现快速开关支路的快速分合闸。
61.所述快速开关通过所述充电电源516给所述分闸储能电容513和所述合闸储能电容515充电，并通过所述分闸控制512和所述分闸线圈508控制快速开关的分闸，通过所述合闸控制514和所述合闸线圈510控制快速开关的合闸，通过所述分闸保持磁铁507、所述合闸保持磁铁511分别保持分闸状态、合闸状态。
62.本发明实施例提供的一种快速开关并联固态开关的快速消弧方法至少包括如下技术效果：
63.(1)本发明在消弧系统中采用固态开关，由于固态开关的导通时间为微秒级别，可以迅速将故障电流从母线接地，具有良好的速动性，通过快速开关并联固态开关可以使整个消弧系统有优异的速动性能，从而可以以极快的速度消除弧光接地故障，抑制弧光接地过电压。同时，由于固态开关并联快速开关，在固态开关闭合后，合闸快速开关承担稳态电流，固态开关仅在开断动作后的短时间内运行，能够减少固态开关投入运行时间，避免固态开关产生较大的发热损耗，因此无需安装冷却系统，能够大大减小消弧系统的造价和体积，进而降低检修和维护难度。因此本系统具有相对较小的体积、较低的成本、较容易进行检修和维护的有益效果。
64.(2)本发明提供的方法采用主动干预式消弧方法，适用于对于任意电容电流的系统，尤其对于电容电流较大的有大量电缆线路的配电网有较好的有益效果。该方法针对同一电压等级的不同电容电流的配电网均适用，不需要像消弧线圈消弧方式一样根据不同系统设计不同的消弧线圈容量。
65.(3)本发明提供的方法考虑了故障条件下三相电压特征，从而可以准确进行单相接地、断线运行等故障类型和相别的判断。尤其是考虑了不同的接地过渡电阻大小下的三相电压特征，高阻接地情况下配合零序电压选择故障相，从而可以有效提高高阻接地故障
的判断准确率。
66.(4)本发明提供的方法通过配电网在单相接地故障过程中各条馈电线路零序电流的变化特征，结合固态开关合闸前和合闸后故障线路零序电流与非故障线路零序电流方向和幅值的差异进行故障线路的判断，可以有效判断出故障线路，从而可以对电缆和架空线采用不同的动作策略。
67.最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。