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CN104662761B - 一种包括可控接地变压器的设备 - Google Patents

一种包括可控接地变压器的设备 Download PDF

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CN104662761B CN201380041345.5A CN201380041345A CN104662761B CN 104662761 B CN104662761 B CN 104662761B CN 201380041345 A CN201380041345 A CN 201380041345A CN 104662761 B CN104662761 B CN 104662761B
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Abstract

本发明涉及一种包括可控接地变压器的设备，该可控接地变压器(1)被设置为对具有电力变压器(3)的交变电流网络的接地中的残余工作电流进行补偿。接地变压器(1)的初级绕组被耦合到电力网络上或者被耦合到与电力网络同步的电源上，并且接地变压器(1)的次级绕组被耦合在电力网络的零点(N)与接地(E)之间，其中，接地变压器(1)包括两个或更多分接开关(10a、10b)，并且设备包括一被配置为控制分接开关(10a、10b)的单元以相对于馈送电力变压器的电压系统对接地变压器(1)的次级电压的幅度和相位角(a)进行控制。本发明还涉及一种通过使用该设备在交变电流网络中产生零点电压的方法。

Description

一种包括可控接地变压器的设备
技术领域
本发明涉及一种包括可控接地变压器的设备，该可控接地变压器被布置用于对具有电力变压器的交变电流网络的接地中的残余工作电流进行补偿。本发明进一步涉及一种借助于电力变压器在交变电流网络中产生零点电压的方法。
背景技术
今天，电力的输送主要借助于三相电压系统来完成。为了满足该系统的基本要求——电力的产生和消耗在每一时刻都必须平衡——而建立了巨大的国家输电网络，其中全部的电力生产者和消耗者相连。随后，就基本要求而言，将国家输电网络连接到跨过输电网络提供了额外优点。一个此类输电网络例如为斯堪的纳维亚北欧电网(NORDELnetwork)。
为了减少输电网络中的传输损耗，能量的运输在高压下进行、较优地在400kV下进行。从输电网络输出到消耗者的能量通过配电变压器来实现，每个配电变压器则为有限的地理区域供电。配电主要在10-30kV电压下进行。大型工业消耗者在此可以被直接耦合到配电网络上，而较小的消耗者和家庭由通过另一到400/230V的变压来供电。
输电网络由于其网格结构而具有很高的可用性。然而，具有星形网络结构的配电网络构成了输电系统中的薄弱环节。发生在个别配电线路中的错误可以导致大量消耗者断开。因而，错误保护技术旨在提高配电网络的可用性。
在此背景下，必须注意到大多数电气故障的发生是由于一个相与接地之间的隔离穿透——所谓的接地错误，此时实际的能量传输被限制于各个相之间的电压系统。从保护的观点来看，期望单独地对接地错误进行处理，并且如果可能的话，对残余工作电流进行限制以避免线路断开。
最为成功的保护概念是以Waldemar Petersén在1917年研发的基本原则为基础的。通过将三相系统的零点经过具有匹配的网络电容的电感——所谓的Petersén线圈——接地，残余工作电流能够减小到原来的十分之一至五十分之一。电流限制通常足以保证单相弧的自淬灭，单相弧代表空中线路网络中的扰动的主要部分。
今天，Petersén的谐振接地在斯堪的纳维亚和其他的欧洲配电网络中占主导地位。这些网络的整体可用性优于其他可比较的具有系统接地的替代性概念的配电网络。
在配电网络从空中线路网络向地下电缆网络的不断转换中，由于电缆的电容更高，所以残余工作电流增大到原来的30至50倍，这双重作用于Petersén的谐振接地：一方面，剩余的空中线路部分中的自淬灭作用随着残余工作电流的增大而减小，直至最终完全停止；并且另一方面，由于火线与接地(屏蔽)之间的距离很短，所以自淬灭作用在电缆网络中完全不工作。因此，问题就是对于残余电流没有进行补偿。
这个问题在90年代初期被发现并得到了解决。在那个时间研发出来的用于残余电流补偿的设备今天被用作Petersén线圈的补充，然而曾经还被应用在配电网络中直到配电网络基于完全不同的接地概念来进行设计。
相比于Petersén线圈仅仅增大接地电路中的源阻抗，残余电流补偿通过迭加一个反电压消除了与接地故障相关的驱动电压。这并不是完全琐碎的任务，这是因为驱动电压最初仅是部分已知的。
根据戴维南定理，故障电流由故障的位置处的驱动电压、故障阻抗和源阻抗来决定。反过来，为了完全消除故障的位置处的驱动电压，在故障阻抗是未知的并且源阻抗仅能够通过Petersén线圈来部分影响的情况下，需要消除故障的位置处的驱动的电压。
故障的位置处的驱动电压由馈送配电变压器在被接地故障破坏的相中的相电压(已知并且可以分别测量)来表示，并且负载电流取决于馈送变压器和故障的实际位置之间的电压降，故障的实际位置可以在很远的(未知)网络中。
通过研发一种新的测量程序可以确定后者，这在90年代初第一次被刊登(见：Winter，K.，“瑞士配电网络——一种用于电缆中的接地故障保护的新方法——以及架空系统”，电力系统保护国际会议第5次会议，IEE会议出版物，No.368，约克，英国，1993，Winter,K.,"Swedish Distribution Networks–A New Method for Earthfault Protection inCable-and Overhead Systems",5th International Conference on Power SystemProtection.IEE conference publication No.368,York/UK 1993)。
剩余的问题由电力电子装置(脉冲宽度调制换流器)来解决，即生成反电压以有可能控制关于配电变压器的相电压的幅度和相位角。今天，存在在电压电平为6kV至110kV之间的电力网络中进行残余电流补偿的参考电站。
残余电流补偿所需的电力取决于电压电平、网络的大小以及衰减关系。世界上的密集居民区中的配电网络达到的电容性接地电流可以超过1000A并且未补偿的残余工作电流大约为100A或更大。补偿此类网络中的残余工作电流所需的电力可能远大于1000kVA。
此量级的换流器相对比较昂贵。本发明提出了一种用于完全补偿残余工作电流的更简单的设备，从而降低了成本并提高了可靠性。
发明内容
本发明的目标是解决以上问题并且提供一种较简单的设备以用于补偿残余工作电流。另一目标是完全消除残余工作电流。再一个目标是提高补偿设备的可靠性并由此提高实际电力传输的可靠性。再一个目标是降低残余工作电流补偿的成本。
这些目标借助于一种包括可控接地变压器的设备来达到，所述可控接地变压器被设置为对具有电力变压器的交变电流网络的接地中的残余工作电流进行补偿，其特征在于，接地变压器的初级绕组被耦合到电力网络上或者与电力网络同步的电源上，并且接地变压器的次级绕组被耦合在电力网络的零点与接地之间，其中，接地变压器包括两个或更多分接开关，并且设备包括一被配置为控制分接开关的单元以相对于馈送电力变压器的电压系统对接地变压器的次级电压的幅度和相位角进行控制。
本发明的优点是减少或者能够完全避免线路断开。因此，借助于新的设备提高了配电网络的可用性。新的设备能够以低成本制造并且相对简单地安装在现有的配电网络中。
根据本发明的一个实施例，接地变压器工作在三相下。
根据本发明的设备被用在具有单相或三相系统的不同电力网络中。
根据本发明的另一实施例，所述单元为控制及测量单元，控制及测量单元被耦合到接地变压器上以对电力网络的所述零点与接地之间次级电压进行控制。
根据本发明的设备借此可以与已知的控制及测量单元共同用于补偿残余工作电流。
根据本发明的又一实施例，控制及测量单元被设置为对将所述次级电压中被耦合到电力网络的零点与接地之间的次级电压加以确定。
根据本发明的一个实施例，控制及测量单元用于对接地变压器的次级电压进行控制，直到完全补偿残余工作电流的条件得以满足。
根据本发明的设备借此可以与已知的控制及测量单元共同用于完全补偿残余工作电流。
根据本发明的另一实施例，该设备被设置为与Petersén线圈同时使用以消除来自Petersén线圈的未补偿的残余工作电流。
根据本发明的设备通过将现有的补偿设备与Petersén线圈设备并联提高了现有的补偿设备的效果。
这些目标借助于一种借助于电力变压器在交变电流网络中产生零点电压的方法来达到，其特征在于，使用包括接地变压器的设备，接地变压器的初级绕组被耦合到电力网络上或与电力网络同步的电源上且次级绕组被耦合在电力网络的零点与接地之间，其中，接地变压器包括两个或更多分接开关，并且设备包括配置为控制分接开关的单元，以及相对于馈送电力变压器的电压系统对接地变压器的次级电压的幅度和相位角进行控制。
根据本发明的方法提高了补偿设备的可靠性。可用性同样得到了提高。
根据一个实施例，所述单元为控制及测量单元，控制及测量单元被耦合到接地变压器上以在电力网络的零点与接地之间控制所述次级电压。
这些目标还借助于通过电力变压器在交变电流电力网络中产生零点电压的方法来达到，其特征在于，包括设备包括接地变压器，接地变压器的初级绕组被耦合到电力网络或与电力网络同步的电源上且次级绕组被耦合在电力网络的零点与接地之间，其中，接地变压器包括两个或更多分接开关以及配置为控制分接开关的单元，所述单元为耦合到所述接地变压器上以对接地变压器在电力网络的零点与接地之间的次级电压进行控制的控制及测量单元，其中
控制及测量单元相对于馈送电力变压器的电压系统来调节接地变压器的次级电压的幅度和相位角，
控制及测量单元对将所述次级电压中被耦合到电力网络的零点与接地之间的次级电压加以确定，以及
控制及测量单元对接地变压器的次级电压进行调节，直到满足完全补偿残余工作电流的条件。
根据本发明的一个实施例，接地变压器工作在三相下。
这些目标还通过使用以上用于补偿残余工作电流的设备来实现。
这些目标同样通过将根据上述的设备或者根据上述的方法与Petersén线圈同时使用以消除来自所述Petersén线圈的未补偿的残余工作电流来实现。
附图说明
图1示出了配电网络的单线路图，该配电网络具有已知的用于补偿残余工作电流的设备；
图2示出了相同的配电网络，该配电网络具有根据本发明的用于补偿残余工作电流的设备；
图3示出了取决于配电网络中的接地错误位置的驱动电压的矢量图；
图4a、b示出了根据本发明的变压器的电路图和矢量图。
具体实施方式
图1和2示出了一种配电网络，该配电网络具有用于检测接地错误以及用于控制补偿设备的控制及测量单元2。进一步示出了馈送变压器3、集电轨道4以及若干在集电轨道4处具有各自的线路开关9的输出配电线路L1、L2至LN。
电力传输通常借助于三相系统来完成，然而也存在单相和两相系统(铁道工作)。共同特性在此为酬载能量(到消耗者)的传输仅仅由各个相之间的电压来驱动。如果这些相之间发生隔离穿透形式的错误，那么所讨论的线路被断开并且经由线路开关9连接到所讨论的线路上的消耗者被断开。
然而，大多数电气故障发生在单相与接地之间(所谓的接地错误)。由此，整个系统相对于接地变化。然而，各个相之间驱动负载能量的电压并不受影响。
故障的实际位置处的错误电流由网络中的其他电流来确定(主要是电容性放电电流，但是也包括电阻性放电电流)。到达接地的这些放电电流的总和——包括故障的位置处的电流——总是为零(基尔霍夫电流定律)。这是因为，如果全部其他电流的总和为零，那么故障的位置处的电流仅能够为零。
图1和2中的补偿设备的用途是通过在电力网络的零点与接地之间产生对应的电流来建立此平衡。
图1因而示出了一种用于补偿残余工作电流的已知设备，该设备由具有附属功率绕组6的零点电抗器5以及耦合到零点电抗器5上对残余工作电流进行补偿的换流器7组成。还示出了用于在补偿设备发生故障的情况下断开线路8的备用装置。
图2示出了一种用于借助根据本发明的可控接地变压器1对整个残余工作电流进行补偿的设备。
控制及测量单元2连续测量输出线路L1-N上和补偿电路的接地连接E中的零序导纳Y0。将最新的测量结果存储在测量单元的存储器中。如果检测到接地错误，则重复测量。其后，针对每条线路对接地错误时刻之前和之后的Y0的数值进行对比。
接地错误存在于与无错误测量结果的偏差为ΔY0的线路上。该偏差被用于控制补偿设备。补偿设备在图1中是具有换流器7的已知设备并且在图2中是根据本发明的可控接地变压器1。在这两种情况下，在电力网络的零点N与接地E之间产生电压UEN。
当电压UEN对应于故障的位置处的驱动电压时，偏差ΔY0减小并且残余工作电流由此减小为零(戴维南定理)。
图3示出了驱动电压如何依赖于故障发生在哪一相UL1、UL2、UL3以及故障A、B或C在配电网络中的位置。驱动电压由电力变压器的相电压(在图3中以相电压UL1为例)以及线路上电力变压器与故障的位置之间的电压降(Ix x Zx)来表示。线路上的电压降则由该线路自身的阻抗Zx和电流载荷Ix来决定，该电压降在全部相中通常具有相同的量级。
如图3中所示，为了消除故障的位置处的驱动电压，补偿设备必须建立一个零点电压，该零点电压的幅度和相位角相对于电力变压器的电压系统可被充分地调节。
图4示出了示出了根据本发明的可控三相接地变压器1，该可控三相接地变压器1能够生成这一零点电压。
变压器1具有两个分接开关10a、10b，借助于这两个分接开关10a、10b能够相对于馈送电力变压器3的电压系统对三个次级电压的幅度和相位角α进行控制。变压器可以具有三个、四个或更多分接开关。当使用控制及测量单元2时，在出现接地故障的情况下，控制及测量单元2对将所述次级电压中被耦合在接地变压器的零点与接地之间的次级电压加以确定。其后，对变压器的次级电压进行控制，直到满足完全补偿残余工作电流的条件(ΔY0＝0)。
图4b示出了图4a中的接地变压器的矢量图。三角耦合初级绕组生成三个电压，该三个电压在九个次级绕组中相互偏移120°。通过串联耦合，三个次级绕组1、2和3中的每一个能够经由两个三相有载分接开关被连接到另一个上，从而建立三个由此产生的电压，这三个由此产生的电压的幅度和相位相对于馈送电力变压器的电压系统可被控制。
该设备能够被用于完全补偿整个残余工作电流。替代性地，该设备有利地还可以仅被用于具有现有Petersén线圈接地的网络中的残余电流补偿。
本发明并不仅限于附图中所述的实施例，还可以在权利要求书的范围内进行修改。

Claims (9)

1.一种包括可控接地变压器(I)的设备，所述可控接地变压器(I)被设置为对具有电力变压器(III)的交变电流网络的接地中的残余工作电流进行补偿，其特征在于，
所述接地变压器(I)的初级绕组被耦合到所述交变电流网络上或者被耦合到与所述交变电流网络同步的电源上，并且所述接地变压器(I)的次级绕组被耦合在所述交变电流网络的零点(N)与接地(E)之间，其中，所述接地变压器(I)包括两个或更多三相型的分接开关(1-2、2-3)，
所述接地变压器(I)的所述初级绕组被三角耦合，以及
所述接地变压器(I)的所述次级绕组包括所述分接开关(1-2、2-3)，所述分接开关(1-2、2-3)被设置为对所述次级绕组上的绕组(1、2、3)进行互连以使得出现三个作为结果的次级电压，所述次级电压的幅度和相位角(α)进而可经由包含在所述设备中的单元(II)相对于馈送电力变压器(III)的电压系统进行控制。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述单元为控制及测量单元(II)，所述控制及测量单元(II)被耦合到所述接地变压器(I)上以对所述交变电流网络的所述零点(N)与所述接地(E)之间所述次级电压进行控制。
3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述控制及测量单元(II)被设置为对所述次级电压中将被耦合在所述交变电流网络的所述零点(N)与所述接地(E)之间的次级电压加以确定。
4.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述控制及测量单元(II)被设置为对所述接地变压器(I)的次级电压进行控制，直到完全补偿所述残余工作电流的条件得以满足。
5.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，所述控制及测量单元(II)被设置为对所述接地变压器(I)的次级电压进行控制，直到完全补偿所述残余工作电流的条件得以满足。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的设备，其特征在于，所述设备被设置为与Petersén线圈同时使用以消除来自所述Petersén线圈的未补偿的残余工作电流。
7.一种借助于电力变压器(III)在交变电流网络中产生零点电压的方法，其特征在于，
将接地变压器(I)的初级绕组耦合到所述交变电流网络上或者耦合到与所述交变电流网络同步的电源上，
将所述接地变压器(I)的次级绕组耦合在所述交变电流网络的零点(N)与接地(N)之间，其中，所述接地变压器(I)包括两个或更多三相型的分接开关(1-2、2-3)，所述接地变压器(I)的所述初级绕组被三角耦合，并且所述接地变压器(I)的次级绕组包括所述分接开关(1-2、2-3)，所述分接开关(1-2、2-3)被设置为将所述次级绕组上的绕组(1、2、3)互连，以及
通过经由所述分接开关(1-2、2-3)将所述接地变压器(I)的所述次级绕组上的所述绕组(1、2、3)互连以出现三个作为结果的电压，相对于馈送电力变压器(III)的电压系统对所述接地变压器(I)的次级电压的幅度和相位角(α)进行控制。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述方法用于补偿残余工作电流。
9.根据权利要求7所述的方法，其中所述方法与Petersén线圈同时使用以消除来自所述Petersén线圈的未补偿的残余工作电流。
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