CN102222889A - 线路不对称接地故障电流的控制器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种线路不对称接地故障电流的控制器及其控制方法，该控制器由并联变压器、串联变压器、可调电感和有载调节开关构成，该控制器等效于电压源与电感的串联，在此基础上提出了基于该控制器的不对称接地故障电流的控制方法，通过协调控制可调电感以及与并联变压器原边绕组相连开关的位置，就等效地控制了等效电压源的电压和串联电感，从而控制故障状态下线路两端的电流，并使其等于接地前的运行电流，在不过压的情况下保持了故障线路的继续运行。本发明不仅对单相接地故障有效，对两相短路接地故障也有效；同时它对故障线路的非故障相和非故障线路的运行没有影响。

Description

线路不对称接地故障电流的控制器及其控制方法

技术领域

本发明涉及电力系统的运行状态控制装置，具体涉及线路不对称接地故障电流的控制器及其方法。

背景技术

电力线路发生故障后，传统方法就是切除故障线路以保证系统中非故障线路的正常运行；然而如果切除的线路为重载关键线路，则必将引起潮流大转移，并可能使多条线路过载而被切除，造成大面积停电。而电力系统的主要故障类型又为不对称接地故障，仅单相接地就约占故障的70％，在国外发生的一些大停电事故就是由于一些关键的重载线路发生单相接地故障后被切除，引起潮流大转移，从而使多条线路过载而被切除。线路发生不对称接地故障后，如果能控制其接地故障电流为0，熄灭故障电弧，保持故障线路的继续运行，并使故障线路上的电流等于故障前的电流，无疑将会减小因故障引起的系统潮流转移，减小故障对电力系统运行的影响，提高电力系统运行的安全性和供电的可靠性。

中性点不接地系统或消弧线圈接地系统能熄灭单相接地电弧，保持故障线路的继续运行，因而具有更高的可靠性。因此我国的6kV～35kV系统普遍采用这种运行方式，而在国外的132kV系统上也有采用这种运行方式的。但是，消弧线圈系统(或中性点不接地系统)仅对单相接地故障有效，在故障接地运行期间，系统中线路的非故障相将承受线电压，因此在高电压等级系统中采用这种方式将极大地增加系统的成本。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种新型的不对称接地故障电流控制器及其与之对应的控制方法，与消弧线圈(或中性点不接地)系统相同，在故障接地期间，它能控制接地故障电流为0，熄灭接地电弧，同时使故障线路上传输的电流等于接地前线路的电流；它不仅能控制单相接地故障电流，还能控制两相短路接地故障电流；同时它不会引起系统过电压。

为实现本发明的目的，特采用如下技术手段：一种线路不对称接地故障电流控制器，其特征在于，由并联变压器T₁、串联变压器T₂，两个可调电感L_B、L_C以及五个开关K_A、K_B、K_C、K_G和K_S构成；并联变压器T₁的原边绕组经第一开关K_A、第二开关K_B和第三开关K_C与系统备用的A相电源

B相电源

和C相电源相连，T₁的原边绕组经第四开关K_G与地相连；A相电源等于A相母线电压

B相电源

等于B相母线电压

C相电源

等于C相母线电压

并联变压器T₁的副边绕组与串联变压器T₂的副边绕组和第一可调电感L_B构成第一串联电路；串联变压器T₂的原边绕组和第二可调电感L_C串联构成第二串联电路，该第二串联电路与第五开关K_S并联后嵌入在线路中；

其中，

的调节范围在1.0～2.0之间，M为串联变压器T₂的原边绕组和副边绕组之间的互感，m为变压器T₁的变比，L₂为串联变压器T₂的副边绕组的漏感；L_B为可调电感L_B的值。

进一步，采用所述线路不对称接地故障电流控制器的控制方法为，所述线路不对称接地故障电流控制器安装在线路每相的两端；线路有功功率的输出端为线路的发送端；线路有功功率的输入端为线路的接收端；

正常运行期间，第四开关K_G和第五开关K_S闭合，第一开关K_A、第二开关K_B和第三开关K_C断开；

线路发生不对称接地故障后，断开接地相线路两端故障电流控制器的第五开关K_S，断开第四开关K_G；

如果故障电流控制器位于线路的发送端，导通第一开关K_A、第二开关K_B和第三开关K_C中的一个，其余两个关断，使故障电流控制器中的并联变压器T₁的原边电压与超前于故障相的电源电压同相；

如果故障电流控制器位于线路的接受端，导通第一开关K_A、第二开关K_B和第三开关K_C中的一个，其余两个关断，使故障电流控制器中的并联变压器T₁的原边电压与滞后于故障相的电源电压同相。

进一步，控制第二可调电感L_C以控制线路故障状态下电流的幅值，使电流的幅值达到希望值(该值为故障前线路电流的幅值，下同)；

当线路电流的幅值大于希望电流值时，则增加L_C电感的值；当线路电流的幅值小于希望电流值时，则减小L_C电感的值；控制电感L_B以控制线路电流的相位，使线路故障状态电流的相位达到希望值(该值为故障前线路电流的相位，下同)，线路电流相量的参考方向为母线指向线路；

故障电流控制器位于线路的发送端时，如果线路电流滞后于希望电流时，则减小L_B电感的值；如果线路电流超前于希望电流时，则增加L_B电感的值；

故障电流控制器位于线路的接受端时，如果线路电流滞后于希望电流时，则增加L_B电感的值；如果线路电流超前于希望电流时，则减小L_B电感的值；

故障线路两端的电流均等于正常运行电流，则该状态下，线路的故障电流为0，同时线路上传输的电流也等于故障前线路的电流。

相比现有技术，本发明具有如下优点：

1、本发明提出了基于故障电流控制器的不对称接地故障电流的控制策略和控制方法，发生不对称接地后，启动接地相线路两端的故障电流控制器，控制线路发送端故障电流控制器中与并联变压器原边相连开关的状态，使其并联变压器的原边电压与超前于故障相的电源电压同相，在此基础上协调控制故障电流控制器中的两个等效电感以控制线路发送端的故障相电流，使其等于接地前的电流；控制线路接受端故障电流控制器中与并联变压器原边相连开关的状态，使其并联变压器的原边电压与滞后于故障相的电源电压同相，在此基础上协调控制故障电流控制器中的两个等效电感以控制线路接受端的故障相电流，使其等于接地前的电流。线路两端的故障电流均等于故障前的电流时，则故障电流为零，同时线路上传输的电流也等于故障前的电流。因此，该方法能使故障接地电流为零，熄灭故障接地电弧，保持故障线路的继续运行且其传输的电流等于故障前的线路电流，这将提高系统运行的可靠性；由于故障状态下仅需启动故障相的故障电流控制器，因此它对非故障相的运行没有影响，不会引起系统的过电压。

2、本发明方法不仅对单相接地故障有效，对两相短路接地故障也有效；同时它对故障线路的非故障相和非故障线路的运行没有影响，不会引起系统过电压。

3、本发明所采用的并联变压器、串联变压器、可调电感及有载调节开关等元件，均已在电力系统中运行多年，这为故障电流控制器在电力系统中的可靠运行提供了基础，这为该装置的推广应用，特别是在高电压等级系统中的应用提供了有利条件。该控制器的输出等效于电压源和电感的串联，控制器的等效电压源电压可以与超前或滞后于故障相的电源电压同相，并可以独立控制其等效电压源电压的幅值和等效串联电感的值。

本发明为重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室的重点科技项目，获得国家自然科学基金项目(50777066)资助。

附图说明

图1是简单电力系统模型；

图2是故障电流控制器的结构原理；

图3故障电流控制器等效电路图；

图4电压电流相量图；

图5控制系统框图；

图6实验系统原理图；

图7实验中采用的控制系统原理图；

图8控制器投入后控制电流滞后电源电压(π/6电流幅值25A)；

图9电流从滞后电源电压π/6到滞后(π/36，幅值25A不变)；

图10电流从滞后电源电压π/36调整到滞后(5π/6，幅值保持25A)；

图11电流滞后电源电压从5π/6调整到35π/36，幅值25A不变；

图12电流滞后电源电压35π/36，幅值从25A调整到15A；

图13故障接地电流；

图14接受端的线路电流和串联电压；

图15发送端的线路电流和串联电压。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

如图2所示，一种线路不对称接地故障电流控制器，由并联变压器T₁、串联变压器T₂，两个可调电感L_B、L_C以及五个开关K_A、K_B、K_C、K_G和K_S构成；并联变压器T₁的原边绕组经第一开关K_A、第二开关K_B和第三开关K_C与系统备用的A相电源

B相电源

和C相电源

相连，T₁的原边绕组经第四开关K_G与地相连；A相电源等于A相母线电压

B相电源

等于B相母线电压

C相电源

等于C相母线电压并联变压器T₁的副边绕组与串联变压器T₂的副边绕组和第一可调电感L_B构成第一串联电路；串联变压器T₂的原边绕组和第二可调电感L_C串联构成第二串联电路，

第二串联电路与第五开关K_S并联后嵌入在线路中；

其中，的调节范围在1.0～2.0之间，M为串联变压器T₂的原边绕组和副边绕组之间的互感，m为变压器T₁的变比，L₂为串联变压器T₂的副边绕组的漏感；L_B为可调电感L_B的值。

1、不对称接地故障电流的特点及控制原理：

不对称接地故障包括单相接地故障和两相短路接地故障。图1为简单电力系统模型，由于电力线路本身的感抗远大于电阻，同时故障状态下故障电流控制器(其原理和结构将在2中介绍)串联的附加等效电感将进一步减小线路电阻的作用，因此图1中的线路模型采用的是最简单的电感模型，每相线路F点两侧的电感分别为kL和(1-k)L(其中k为0～1之间的常数，它表征了F点在线路中的位置)，L为每相线路的电感；开关K_FM(M表示A、B、C，下同)的不同状态表征了线路在F点的各种不对称接地故障；

和分别为线路的发送端(超前端)电压和接受端(滞后端)电压，它们分别是线路有功功率输出端和输入端的电源电压。线路两端的每相均装有故障电流控制器，故障接地期间，故障电流控制器处于工作状态，它等效于电压源

(或

)和电感L_KSM(或L_KSM1)的串联；系统正常运行时，故障电流控制器处于备用状态，此时其等效电压源电压和输出电感均为0，故障电流控制器对线路的正常运行没有影响。

正常运行期间，如果线路S端的电压超前于S₁端电压δ，以

为参考电压时，则

其中U_A和U_A1分别为

和

的幅值。根据图1，该状态下线路

两端的A相电流分别为：

${\stackrel{\·}{I}}_A=\frac{U_A-U_{A1}\cos \mathrm{\δ}+j{U}_{A1}\sin \mathrm{\δ}}{\mathrm{j\ωL}}$

$\left(1\right)$

${\stackrel{\·}{I}}_{A1}=\frac{-U_A+U_{A1}\cos \mathrm{\δ}-j{U}_{A1}\sin \mathrm{\δ}}{\mathrm{j\ωL}}$

线路A相在F点发生接地故障而故障电流控制器投入前，即图1中的K_FA闭合，K_FB、K_FC断开，

L_KSM和L_KSM1均为0，线路两端的电流

分别为：

${\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{AF}0}={\stackrel{\·}{U}}_A/\mathrm{j\ωkL}$

${\stackrel{\·}{I}}_{A1F0}={\stackrel{\·}{U}}_{A1}/\mathrm{j\ω}(1-k)L$

$\left(2\right)$

${\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{BF}0}=-{\stackrel{\·}{I}}_{B1F0}=({\stackrel{\·}{U}}_B-{\stackrel{\·}{U}}_{B1})/\mathrm{j\ωL}$

${\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{CF}0}=-{\stackrel{\·}{I}}_{C1F0}=({\stackrel{\·}{U}}_C-{\stackrel{\·}{U}}_{C1})/\mathrm{j\ωL}$

根据式(2)，A相线路的接地故障对B、C相线路的电流没有影响，它们均等于接地前的线路电流；A相线路的拓扑结构等效于电压源(

或

)和电抗(ωkL或ω(1-k)L)的串联。

启动线路两端A相的故障电流控制器，控制S端(超前端)故障电流控制器的等效电源电压，使它超前于S端的A相电源电压2π/3，与S端的C相电源电压同相，即

其中k_SA为一个实数；故障电流控制器的等效串联电抗为X_L，则在该状态下线路S端的A相电流

为：

${\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{AF}1}=\frac{{\stackrel{\·}{U}}_A+{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{KSA}}}{\mathrm{j\ωkL}+j{X}_L}=\frac{U_A+k_{\mathrm{SA}}{U}_A{e}^{j2\mathrm{\π}/3}}{\mathrm{j\ωkL}+j{X}_L}$

$\left(3\right)$

$=\frac{U_A+k_{\mathrm{SA}}{U}_A\cos 2\mathrm{\π}/3+j{k}_{\mathrm{SA}}{U}_A\sin 2\mathrm{\π}/3}{\mathrm{j\ωkL}+j{X}_L}$

当k_SA为：

$k_{\mathrm{SA}}=\frac{U_{A1}\sin \mathrm{\δ}}{U_A\sin \frac{2\mathrm{\π}}{3}-U_{A1}\sin (\frac{2\mathrm{\π}}{3}+\mathrm{\δ})}---\left(4\right)$

时，则：

$\frac{U_A+k_{\mathrm{SA}}{U}_A\cos 2\mathrm{\π}/3}{U_A-U_{A1}\cos \mathrm{\δ}}=\frac{k_{\mathrm{SA}}{U}_A\sin 2\mathrm{\π}/3}{U_{A1}\sin \mathrm{\δ}}=m_A---\left(5\right)$

其中m_A为它们的比值，同时式(3)可以改写为：

${\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{AF}1}=\frac{m_A(U_A-U_{A1}\cos \mathrm{\δ}+j{U}_{A1}\sin \mathrm{\δ})}{\mathrm{j\ωkL}+j{X}_L}---\left(6\right)$

同时调整X_L为：

X_L＝ω(m_A-k)L                 (7)

根据式(6)、式(7)和式(1)，在该状态下线路S端的故障电流

等于接地前的线路电流

控制S₁端(滞后端)故障电流控制器的等效电源电压，使它滞后于S₁端A相电源电压2π/3，与S₁端的B相电源电压同相，即

其中k_S1A为一个实数；

故障电流控制器的等效串联电抗为X_L1，在该状态下线路S₁端的A相电流

${\stackrel{\·}{I}}_{A1F1}=\frac{{\stackrel{\·}{U}}_{A1}+{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{KSA}1}}{\mathrm{j\ω}(1-k)L+j{X}_{L1}}$

$=(U_{A1}(\cos \mathrm{\δ}+k_{S1A}\cos (\frac{2\mathrm{\π}}{3}+\mathrm{\δ}))-j{U}_{A1}---\left(8\right)$

$\×(\sin \mathrm{\δ}+k_{S1A}\sin (\frac{2\mathrm{\π}}{3}+\mathrm{\δ})))/(\mathrm{j\ω}(1-k)L+j{X}_{L1})$

当k_S1A为：

$k_{S1A}=\frac{U_A\sin \mathrm{\δ}}{U_{A1}\sin \frac{2\mathrm{\π}}{3}-U_A\sin (\frac{2\mathrm{\π}}{3}+\mathrm{\δ})}---\left(9\right)$

则：

$\frac{U_{A1}(\cos \mathrm{\δ}+k_{S1A}\cos (\frac{2\mathrm{\π}}{3}+\mathrm{\δ}))}{-U_A+U_{A1}\cos \mathrm{\δ}}$

$\left(10\right)$

$=\frac{-U_{A1}(\sin \mathrm{\δ}+k_{S1A}\sin (\frac{2\mathrm{\π}}{3}+\mathrm{\δ}))}{-U_{A1}\sin \mathrm{\δ}}=m_{A1}$

其中m_A1为它们的比值，同时式(8)可改写为：

${\stackrel{\·}{I}}_{A1F1}=\frac{m_{A1}(-U_A+U_{A1}\cos \mathrm{\δ}-j{U}_{A1}\sin \mathrm{\δ})}{\mathrm{j\ω}(1-k)L+j{X}_{L1}}---\left(11\right)$

再调节电抗X_L1，使

X_L1＝ωL(m_A1-1+k)                  (12)

根据式(11)、式(12)和式(1)，该状态下线路S₁端的A相电流

也等于接地前的线路电流

根据图1，A相接地后，线路两端故障相电流均等于接地前的线路电流时，则故障接地电流为0，同时A相线路电流也等于接地前的线路电流。

线路的B相、C相发生短路接地故障则等价于线路的B相发生接地故障同时线路的C相也发生接地故障，即图1中开关K_FA断开、K_FB和K_FC同时闭合，在故障电流控制器投入前，线路两端的电流分别为：

${\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{AF}0}=-{\stackrel{\·}{I}}_{A1F0}=({\stackrel{\·}{U}}_A-{\stackrel{\·}{U}}_{A1})/\mathrm{j\ωL}$

${\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{BF}0}={\stackrel{\·}{U}}_B/\mathrm{j\ωkL}$

${\stackrel{\·}{I}}_{B1F0}={\stackrel{\·}{U}}_{B1}/\mathrm{j\ω}(1-k)L---\left(13\right)$

${\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{CF}0}={\stackrel{\·}{U}}_C/\mathrm{j\ωkL}$

${\stackrel{\·}{I}}_{C1F0}={\stackrel{\·}{U}}_{C1}/\mathrm{j\ω}(1-k)L$

根据式(13)，B、C相的接地故障对线路的A相电流没有影响，它等于接地前的线路电流；B、C相线路的拓扑则等效于电压源和电感的串联。比较式(13)和式(2)可知，式(13)中B相(和C相)故障接地电流与式(2)中的A相故障电流具有相同的特征。因此与A相接地的情况相同，当线路的B、C相发生接地故障后，启动线路B相(和C相)两端的故障电流控制器，控制线路发送端(超前端)的串联电压，使其与超前于故障相的电源电压同相，即与发送端的A相(和B相)电源电压同相，控制串联电压的幅值和等效串联电感以控制线路发送端的故障电流，使其等于正常运行时的电流；控制线路接受端(滞后端)的串联电压，使其与滞后于故障相的电源电压同相，即与接受端的C相(和A相)电源电压同相，控制串联电压的幅值和等效串联电感以控制线路接受端的故障电流，使其等于正常运行时的电流。则在该状态下，线路的接地故障电流为0，线路上传输的电流也等于正常运行时的电流。

由此可知，线路的接地故障对非故障相电流没有影响，线路非接地相的电流等于接地前的线路电流；接地故障相电路的拓扑结构等效于电压源与电感的串联。故障接地后，启动故障相两端的故障电流控制器，控制发送端(超前端)故障电流控制器的串联等效电压源电压，使其与超前于故障相的电源电压同相，再控制串联电压的幅值及串联等效电感，就可以控制发送端的故障电流，使其等于接地前的线路电流；控制接受端(滞后端)故障电流控制器的串联等效电压源电压，使其与滞后于故障相的电源电压同相，同时再控制串联电压的幅值及串联等效电感，就可以控制接受端的故障电流，使其等于接地前的线路电流。则该状态下，线路的接地电流为0，线路上传输的电流也等于线路正常运行时的电流。

在故障状态下，由于仅启动了故障相两端的故障电流控制器以控制故障电流，因此它对非故障相线路和非故障线路的运行没有影响，它们承受的电压仍然为正常运行时的电压，系统不会过电压。

2、故障电流控制器的工作原理

根据式(2)和式(13)，不对称接地后线路故障相一端的电路拓扑结构为故障相电源电压和电感的串联。图2中的电压源

和电感L_L表征了接地期间线路一端故障相的拓扑，其中

为故障相电源电压，L_L为故障点至电源间的线路电感，其间串联了故障电流控制器。故障电流控制器由变压器T₁、T₂，可调电感L_B、L_C以及由晶闸管构成的固态开关K_A、K_B、K_C、K_G和K_S构成，这些元件均已在电力系统中运行多年，其中经过多年的研究，人们已经提出了多种高性能的可调电感并成功应用于电力系统中，这些都为该装置的推广应用提供了有利条件。

为了确保接地状态下故障电流控制器能控制故障电流，图2中的

为系统的备用电源，它与正常运行时系统对应相的电源电压相等。线路正常运行期间，故障电流控制器处于备用状态，此时K_G和K_S导通，K_A、K_B和K_C断开，故障电流控制器对线路的正常运行没有影响；故障电流控制器处于工作状态时，K_S和K_G在断开状态，根据控制需要，K_A、K_B或K_C中的一个开关导通，其余2个开关关断，使变压器T₁的原边电压

等于

的其中之一。变压器T₁的原、副边电压

和

之间存在如下关系：

${\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{CS}}=m{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{SS}}---\left(14\right)$

其中m为变压器T₁的变比。根据变压器的工作原理和图2所示的故障电流控制器的结构：

${\stackrel{\·}{U}}_1=\mathrm{j\ω}{L}_1\stackrel{\·}{I}+\mathrm{j\ωM}{\stackrel{\·}{I}}_C$

${\stackrel{\·}{U}}_2=\mathrm{j\ω}{L}_2{\stackrel{\·}{I}}_C+\mathrm{j\ωM}\stackrel{\·}{I}---\left(15\right)$

${\stackrel{\·}{U}}_2={\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{CS}}-\mathrm{j\ω}{L}_B{\stackrel{\·}{I}}_C$

其中L₁、L₂、M为变压器T₂的原、副边绕组电感以及它们之间的互感，

和

分别为变压器T₂的原、副边绕组电流，为变压器T₂的原、副边电压。根据式(14)和式(15)，变压器T₂的原边绕组电压为：

${\stackrel{\·}{U}}_1=\frac{M{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{CS}}}{L_2+L_B}+\mathrm{j\ω}(L_1-\frac{M^2}{L_2+L_B})\stackrel{\·}{I}=\frac{\mathrm{Mm}{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{SS}}}{L_2+L_B}+\mathrm{j\ω}(L_1-\frac{M^2}{L_2+L_B})\stackrel{\·}{I}={\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{ec}}+\mathrm{j\ω}{L}_e{\stackrel{\·}{I}}_L---\left(16\right)$

其中 ${\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{ec}}=\frac{\mathrm{Mm}{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{SS}}}{L_2+L_B},L_e=L_1-\frac{M^2}{L_2+L_B}$

根据式(16)，变压器T₂的原边电压等效于电压源电压

和电感L_e上的电压降之和，其中

与变压器T₁的原边电压

同相。因此，根据图2和式(16)可知，故障电流控制器等效于电压源

和电感L_eq的串联，其中L_eq为L_e与L_C之和，图3为故障电流控制器的等效电路。

L_eq＝L_e+L_C                    (17)

当故障电流控制器提供的串联电压源电压与超前或滞后于故障相的电源电压同相时，通过协调控制电压源电压的幅值和等效电感，就可以控制故障相电流使其等于正常运行时的电流。

根据图2，开关K_B导通(或K_C导通)，其它开关均断开时，变压器T₁的原边电压

为

(或

)，它与滞后(或超前)于故障相

的电源电压同相，此时故障电流控制器的等效电压源电压

也与滞后(或超前)于故障相的电源电压同相；在此基础上控制L_B，使等于k_SA(或k_S1A)；控制L_C，使L_eq对应的电抗等于X_L(或X_L1)，则故障相线路的电流就等于接地前的线路电流，其中k_SA、X_L、k_S1A、X_L1分别由式(4)、式(7)、式(9)和式(12)决定。由此可见，图2所示的故障电流控制器能控制故障状态下的线路电流，使其等于接地前的线路电流。如果忽略正常运行期间U_A和U_A1的细小差异，而δ的变化范围又为0～π/3，则式(4)和式(9)中k_SA和k_S1A的变化范围为1.0～2.0。因此在设计故障电流控制器时应适当选择T₁的变比m和L_B的调节范围，使

的变化范围覆盖1.0～2.0，故障电流控制器才可能控制故障电流使其等于接地前的线路电流。

3、接地故障电流的控制策略

只有确定了故障点的位置，才能根据式(4)、式(7)、式(9)和式(12)计算故障状态下系统需要的等效串联电压源的电压和串联电感，但是准确地确定故障点位置非常困难，因此控制系统几乎不可能根据式(4)、式(7)、式(9)和式(12)的计算结果控制故障电流。

根据图3，故障电流控制器投入后线路一端的电流为：

$\stackrel{\·}{I}=\frac{{\stackrel{\·}{U}}_A+{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{ec}}}{\mathrm{j\ω}{L}_e+\mathrm{j\ω}{L}_C+\mathrm{j\ω}{L}_L}=\frac{{\stackrel{\·}{U}}_{S1}}{\mathrm{j\ω}{L}_e+\mathrm{j\ω}{L}_C+\mathrm{j\ω}{L}_L}=\frac{{\stackrel{\·}{U}}_{S1}}{\mathrm{j\ωL}}---\left(18\right)$

其中

为

与

之和。根据式(16)、式(17)和式(18)，调节L_C对L_e和没有影响，因此它不会影响

的相位，但会改变L_eq从而改变电流的幅值；调整L_B不会改变

的相位，但它会改变L_e从而改变L_eq，同时还会改变

的幅值从而改变的幅值和相位，因此调节L_B会同时改变电流

的幅值和相位。设L_B调整前，电感L_C的值为L_C1，故障电流控制器等效电压源的电压为

它与

之和为

其等效电感L_eq1为L_e1+L_C1，该状态下的电流为

它滞后

调整L_B后，故障电流控制器等效电压源的电压为

它与之和为

在调整L_B的同时也调整L_C，使其值等于L_C2，则故障电流控制器的等效电感L_eq2为L_e2+L_C2，该状态下的电流为

它也滞后图4为L_B、L_C调整前后电流、电压变化的相量图，其中θ为故障电流控制器等效电压源电压与电源电压的夹角。

根据图4和式(18)，L_B、L_C调整前电流的幅值I₁₁为：

$I_{11}=\frac{\sqrt{U_A^2+U_{\mathrm{ec}1}^2+2U_A{U}_{\mathrm{ec}1}\cos \mathrm{\θ}}}{\mathrm{\ω}(L_{e1}+L_{C1}+L_L)}---\left(19\right)$

L_B、L_C调整后电流的幅值I₁₂为：

$I_{12}=\frac{\sqrt{U_A^2+U_{\mathrm{ec}2}^2+2U_A{U}_{\mathrm{ec}2}\cos \mathrm{\θ}}}{\mathrm{\ω}(L_{e2}+L_{C2}+L_L)}---\left(20\right)$

当L_C2为：

$I_{C2}=\frac{(L_{e1}+L_{C1}+L_L)\sqrt{U_A^2+U_{\mathrm{ec}2}^2+2U_A{U}_{\mathrm{ec}2}\cos \mathrm{\θ}}}{\sqrt{U_A^2+U_{\mathrm{ec}1}^2+2U_A{U}_{\mathrm{ec}1}\cos \mathrm{\θ}}}-L_{e2}-L_L---\left(21\right)$

则I₁₁＝I₁₂。在该状态下，由于

和

的相位不同，因而

和

的相位不同。由此可知，通过协调控制电感L_B和L_C，可以在不改变电流幅值的情况下调节电流的相位。

因此，调整电感L_C将改变电流的幅值，但它不会改变电流的相位，电流幅值背离希望值时，在有效调节范围内，调节L_C总可以使电流幅值达到希望值，这与引起电流幅值偏移的原因无关，即使偏移是由于电感L_B的调节引起的；调节电感L_B能调节电流的相位，这个调节也会引起电流幅值的变化，但这可以认为是电流幅值控制系统的扰动，应该通过L_C的调节来补偿电流幅值的变化。因此故障电流控制器的控制策略为：根据线路正常运行时的状态(发送端还是接受端)，控制与并联变压器原边绕组相连的开关的状态，使该变压器的原边电压与超前或滞后于故障相的电源电压同相；在此基础上，调节电感L_B以控制电流的相位；调节电感L_C以控制电流的幅值。

图5为控制系统的原理框图，开关控制信号G由线路电流及正常运行期间线路有功潮流的状态决定，线路电流正常时，G信号控制K_G和K_S闭合，K_A、K_B、K_C断开，故障电流控制器处于备用状态。当线路过流时，G信号控制K_S和K_G断开，并根据正常运行期间线路有功潮流的状态控制K_A、K_B、K_C的其中之一导通，如果控制器位于线路的发送端(超前端)，则G控制K_A、K_B、K_C的状态使并联变压器的原边电压与超前于故障相的电源电压同相；如果控制器位于线路的接受端(滞后端)，则G控制K_A、K_B、K_C的状态使并联变压器的原边电压与滞后于故障相的电源电压同相。

测量故障接地状态下线路的三相电流，经过FFT分析，计算与之对应电流的幅值和相位。正常运行时由于线路的三相电流对称，同时接地故障对非接地相的电流没有影响，因此在控制系统中选择非接地故障相基波电流的幅值作为故障电流控制的幅值给定值；根据选择的非故障相基波电流的相位以及正常运行期间它与控制的接地相基波电流相位的关系确定故障电流控制器的相位给定值。例如，当线路A相发生接地故障后，可以选择非接地相B相(或C相)的基波电流幅值作为A相故障电流控制器电流幅值的给定值；正常运行期间，由于B相(或C相)电流滞后(或超前)A相电流2π/3，因此B相(或C相)电流的相位与2π/3(或-2π/3)之和作为A相故障电流控制器电流相位的给定值。图5中的“相位校正”为2π/3(或-2π/3)；“FFT”模块就是对输入电流进行快速傅里叶分析，计算与之对应基波分量的幅值和相位；“选择”模块就是选择其中的非接地相电流，其幅值和相位作为故障电流幅值和相位控制给定值的基础。

根据故障电流控制器的控制策略：控制L_B以控制电流的相位，控制L_C以控制电流的幅值，因此在图5中将电流相位的给定值与故障相电流相位差作为一个PI控制器的输入信号，该控制器的输出信号作为L_B的控制信号；将电流幅值的给定值与故障相电流幅值的差作为另一个PI控制器的输入信号，该控制器的输出信号作为L_C的控制信号。图5中“L_B控制信号”和“L_C控制信号”为对应电感控制器的给定值。

4实验与仿真

4.1实验分析

根据图1，故障相线路两端的电流均等于接地前的线路电流时，则故障线路上传输的电流就等于接地前的线路电流，同时故障接地电流也为0，因此故障电流控制器的目标就是使线路两端故障相的电流等于接地前的线路电流。根据图1，正常运行期间线路两侧的电流

分别为：

${\stackrel{\·}{I}}_M=\frac{{\stackrel{\·}{U}}_M-{\stackrel{\·}{U}}_{M1}}{\mathrm{j\ωL}}$

$\left(22\right)$

${\stackrel{\·}{I}}_{M1}=\frac{{\stackrel{\·}{U}}_{M1}-{\stackrel{\·}{U}}_M}{\mathrm{j\ωL}}$

当超前

且忽略线路两端电压的幅值差，则：

${\stackrel{\·}{U}}_M={\stackrel{\·}{U}}_{M1}{e}^{\mathrm{j\δ}}---\left(23\right)$

因此正常运行期间电流

和

分别为：

${\stackrel{\·}{I}}_M=\frac{2\sin \frac{\mathrm{\δ}}{2}\×{\stackrel{\·}{U}}_M}{\mathrm{\ωL}}\×e^{-j\frac{\mathrm{\δ}}{2}}$

$\left(24\right)$

${\stackrel{\·}{I}}_{M1}=\frac{2\sin \frac{\mathrm{\δ}}{2}\×{\stackrel{\·}{U}}_{M1}}{\mathrm{\ωL}}\×e^{-j(\mathrm{\π}-\frac{\mathrm{\δ}}{2})}$

根据式(24)，正常运行时线路发送端(超前端)的电流滞后其母线电压δ/2，接受端(滞后端)的电流滞后其母线电压π-δ/2，由于受系统运行稳定性的约束，正常运行期间重载线路的功率角不大于π/3，而轻载时线路的功率角也在π/18左右，因此正常运行期间，线路发送端(超前端)电流滞后其母线电压的角度范围为π/36～π/6，而接受端(滞后端)电流滞后母线电压的角度范围为5π/6～35π/36。

图6为实验系统示意图，开关K、K_B、K_C、K_G为由晶闸管构成的固态开关，

模拟故障相电源电压，其有效值为250V，60Hz；电阻R和电感L模拟故障点至电源间线路的电阻和电感，其中R为1Ω、L为20mH。故障电流控制器由变压器1、变压器2、可控电感L_B、L_C和固态开关K、K_B、K_C、K_G构成，变压器1是变比为1∶2.5的升压变压器，其原边绕组经开关K_B、K_C与电源

相连，

为对称正序电源。变压器2的变比为1∶1，L_B、L_C为负载可调节的可调电抗器，它们的调节范围分别为1mH～10mH和10mH～90mH。由于实验系统中模拟的线路为单相线路，也不存在故障前线路的潮流状态，因此其控制方案与图5所示的方案不完全相同，但控制原理完全相同。控制系统如图7所示。

在图7中，“测量电流”和“测量电压”为图6中

和

的测量值，经FFT计算得到与之对应的幅值和相位；“电流幅值给定”为控制电流幅值的希望值，“电流相位给定”为控制电流滞后电源电压的希望值。故障电流控制器处于备用状态时，“启动信号”无效，则“判断”模块输出的G将控制K和K_G导通，K_B和K_C关断。故障电流控制器处于工作状态时，“启动信号”有效，根据前面的分析，正常运行期间，线路发送端(超前端)的电流滞后其电源电压π/36～π/6，因此当“电流相位给定”在上述范围内时，表明故障电流控制器处于线路发送端，G信号将控制开关K、K_G、K_B关断，K_C导通，则变压器1的原边电压为

它超前于故障相电源电压

当“电流相位给定”在5π/6～35π/36区间时，表明故障电流控制器位于线路的接收端(滞后端)，G将控制开关K、K_G、K_C关断，K_B导通，使变压器1的原边电压等于

它滞后于故障相电源电压

在图7中，“电流幅值给定”与实际电流幅值的误差控制电感L_C；由于“电流相位给定”为控制电流滞后电源电压的希望值，因此在图7中，首先将电源电压相位减去“电流相位给定”，其差与实际电流相位的误差作为控制电感L_B的依据。L_B、L_C的控制器为负载可调节的可调电感控制器。

图8为控制器投入前、后的实验波形，根据图8，故障电流控制器投入前，线路电流的幅值I接近50A，电流滞后电源电压约为4π/9；投入电流控制器将电流相位控制为滞后电源电压π/6，幅值控制为25A，其实验结果如图8所示。保持电流幅值为25A，将电流相位从滞后电源电压π/6调节为滞后电源电压π/36的实验结果如图9所示；将电流从滞后电源电压π/36调节为滞后电源电压5π/6，电流幅值保持25A不变的实验结果如图10所示；将电流相位从滞后电源电压5π/6调节为滞后电源电压35π/36，电流幅值保持25A不变的实验结果如图11所示；保持电流相位滞后电源电压35π/36，电流幅值从25A调整到15A的实验结果如图12所示。根据图8到图12的实验结果可知，在保持电流幅值不变的情况下，电流控制器能控制故障电流的相位，使其等于正常运行时电流的相位；同时能在保持电流相位不变的情况下，控制电流的幅值。因此故障电流控制器能控制故障相电流使其等于正常运行时的电流。

4.2仿真分析

为了分析故障电流控制器对接地故障电流的控制能力，在SABER仿真软件上建立图1所示的简单电力系统模型，线路两端电源

和

为对称三相电源，频率为50Hz，幅值为179.6kV，

超前该系统模拟了220kV电压等级的线路；k参数的值为0.3。与图1不同的是，仿真中的线路模型为电阻、电感的串联模型，其中每相线路的总电阻和电感分别为10.14Ω和0.252H。故障电流控制器为图2所示模型，其中并联变压器T₁是变比为2.2的升压变压器，串联变压器T₂的变比为1，可调电感采用闸流式可调电感，其调节范围均为0.1H～1.5H；控制系统为图5所示模型。线路A相在F点发生接地后的故障电流如图13所示，线路两端A相故障电流控制器的等效串联电压(包括了等效电压源的电压和电感的电压降)及线路两端的电流如图14、图15所示。在大约1s前，系统处于正常运行状态，故障电流为0，线路两端的三相电流对称，故障电流控制器的等效串联电压均0；在接近1s时，线路的A相发生接地故障，此时线路电流严重不对称，A相电流增大；故障电流控制器投入后，大约在1.26s线路的故障电流接近0，而线路的三相电流再次对称，并且等于故障前的电流。线路的B、C相在F点发生接地故障后，启动故障电流控制器也能控制故障电流为0，故障线路上的电流等于故障前的电流，仿真结果省略。

Claims (3)

1.线路不对称接地故障电流控制器，其特征在于，由并联变压器T₁、串联变压器T₂，两个可调电感L_B、L_C以及五个开关K_A、K_B、K_C、K_G和K_S构成；并联变压器T₁的原边绕组经第一开关K_A、第二开关K_B和第三开关K_C与系统备用的A相电源

B相电源

和C相电源

相连，T₁的原边绕组经第四开关K_G与地相连；A相电源

等于控制器安装点的A相母线电压

B相电源

等于控制器安装点的B相母线电压

C相电源

等于控制器安装点的C相母线电压

并联变压器T₁的副边绕组与串联变压器T₂的副边绕组和第一可调电感L_B构成第一串联电路；串联变压器T₂的原边绕组和第二可调电感L_C串联构成第二串联电路，第二串联电路与第五开关K_S并联后嵌入在线路中；

其中，

的调节范围在1.0～2.0之间，M为串联变压器T₂的原边绕组和副边绕组之间的互感，m为变压器T₁的变比，L₂为串联变压器T₂的副边绕组的漏感；L_B为可调电感L_B的值。

2.如权利要求1所述线路不对称接地故障电流控制器的控制方法，其特征在于，所述线路不对称接地故障电流控制器安装在控制线路每相的两端；利用计算机实现对故障电流控制器中的可调开关和可调电感控制，以实现对线路不对称短路接地故障电流的控制；正常运行期间，线路有功功率的输出端为线路的发送端；线路有功功率的输入端为线路的接收端；

正常运行期间，第四开关K_G和第五开关K_S闭合，第一开关K_A、第二开关K_B和第三开关K_C断开；

线路发生不对称接地故障后，断开接地相线路两端故障电流控制器的第五开关K_S，断开第四开关K_G；

如果故障电流控制器位于线路的发送端，导通第一开关K_A、第二开关K_B和第三开关K_C中的一个，其余两个关断，使故障电流控制器中的并联变压器T₁的原边电压与超前于故障相的电源电压同相；

如果故障电流控制器位于线路的接受端，导通第一开关K_A、第二开关K_B和第三开关K_C中的一个，其余两个关断，使故障电流控制器中的并联变压器T₁的原边电压与滞后于故障相的电源电压同相。

3.根据权利要求2所述线路不对称接地故障电流控制器的控制方法，其特征在于，控制第二可调电感L_C以控制线路故障状态下电流的幅值，使电流的幅值达到希望值；控制第一电感L_B以控制故障状态下线路电流的相位，使电流的相位达到希望值，线路电流相量的参考方向为母线指向线路；

当线路电流的幅值大于希望电流值时，则增加L_C电感的值；当线路电流的幅值小于希望电流值时，则减小L_C电感的值；故障电流控制器位于线路的发送端时，如果线路电流滞后于希望电流时，则减小L_B电感的值；如果线路电流超前于希望电流时，则增加L_B电感的值；

故障电流控制器位于线路的接受端时，如果线路电流滞后于希望电流时，则增加L_B电感的值；如果线路电流超前于希望电流时，则减小L_B电感的值；

故障线路两端的电流均等于故障前的电流，则该状态下，线路的故障电流为0，同时线路上传输的电流也等于故障前线路的电流。

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