CN110544931A - 一种自产供电相电源的接地故障电流补偿系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自产供电相电源的接地故障电流补偿系统及方法，包括相供电电源变换器、投切开关、电压调节器和控制器，所述相供电电源变换器的输入端与母线连接，输出端与投切开关的输入端连接，所述投切开关的公共连接点和系统中性点连接在电压调节器两侧的非同名端，电压调节器的其余连接点接地。所述控制器与母线的电压互感器连接，所述控制器的输出端与投切开关和电压调节器的输入端连接。该系统可无源产生配电网供电相电源及谐波相电源，并将反相供电相电源及谐波相电源按照故障逻辑投入系统，实现配电网接地故障无功电流、谐波电流及有功电流的完全补偿，解决了有源逆变方法金属性接地补偿效果差及传统消弧线圈不能实现全补偿的问题。

Description

一种自产供电相电源的接地故障电流补偿系统及方法

技术领域

本发明涉及配电网技术领域，尤其涉及一种自产供电相电源的接地故障电流补偿系统及方法。

背景技术

国内外配电网单相接地故障占80％以上，严重影响电网及设备的安全运行，安全处理接地故障对社会及经济发展有重要作用。当系统的电容电流大于10A以上时，采用消弧线圈接地方式。消弧线圈能够在一定程度上减少故障电流，系统可带故障运行2小时，但消弧线圈不能实现全补偿，故障点依然存在小于10A的残流，残流的存在可引起人身触电、火灾事故，以及严重威胁电网和设备的安全稳定运行。当系统的电容电流较大时，多采用小电阻接地方式，当发生单相接地故障时，放大故障线路零序电流，继电保护装置快速切除故障线路，但此种接地方式供电可靠性难以保障，且存在高阻接地时，继电保护拒动的风险。

当前，为能够彻底消除单相接地故障危害，同时保证供电可靠性。国内外提出了诸多完全补偿单相接地故障点电流的方法。

瑞典Swedish Neutral发表《接地故障中和器全补偿技术应用》公开了一种通过有源补偿器向系统中性点注入电流补偿接地故障点电流的方法。但该方法中的接地故障残流无法直接获得，采用系统对地分布参数计算残流数值，偏差较大；同时该补偿器采用电力电子装置实现电流相位及幅值的控制，其电流相位、幅值精度无法同时保证，且补偿电流谐波含量大，控制复杂，稳定性差；因此瑞典Swedish Neutral制造的GFN(接地故障中和器)的补偿效果与理想值偏差极大，该装置在浙江某地进行模拟试验的结果显示(基于中性点全补偿技术的故障选线现场试验研究《浙江电力》2018年04期)，对于金属性接地故障，经GFN装置补偿后的接地残流仍在5A以上，与理想值即零电流差距较大，仅与消弧线圈补偿效果相当。

国内来说，专利CN102074950A公开了一种配电网接地故障消弧和保护方法，该方法与瑞典Swedish Neutral的消弧方法类似。通过向配网系统中性点注入电流将故障相电压电压抑制为零，该方法存在金属性接地时，其故障相电压为0，怎么控制故障电压为0的问题，该方法只对高阻接地故障有作用，且控制故障相电压，需要准确控制注入电流的幅值及相位，实现难度大。

申请号为201710550400.3的专利公开了非有效接地系统接地故障主动降压安全处理方法，该方法在变压器系统侧绕组设置分接接头，通过将故障相绕组分接头对地短路或经阻抗短路，降低故障相电压，以达到限制接地故障点电流的目的。本质上该方法是在电网线路发生单相接地时，在系统母线侧制造另一个的接地点，对原单相接地电流进行分流，显然该方法对于金属性单相接地故障的补偿效果较差，甚至无效，且装置误动作将引起相间短路。

申请号为201710544978.8和申请号201710544976.9的专利公开了非有效接地系统接地故障相降压消弧方法，两种方法均为在发生单相接地故障时，在非有效接地系统侧的母线与地、或线路与地、或中性点与地，或中性点非有效接地系统侧绕组的分接抽头与地之间外加电源，以期降低故障电压。两种方法的区别仅在于，外加电源其一为电压源，其二为电流源，无本质区别。同样存在电压源和电流源的控制系统相电压精度问题，及金属性短路时，相对地电压为零，无法控制的问题。两种方法实施中，如外加电源直接施加在母线或线路与地之间时，会改变系统线电压，造成该系统负载(如配电变压器)无法正常运行。

综上，现有技术中尚无控制简便，精准、高效的单相接地故障电流完全补偿的方法，能兼顾配电系统供电可靠性和安全性的技术。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种自产供电相电源的接地故障电流补偿系统及方法，通过线相变换器和电压调节器将母线上的线电源变为反向的相电源，结合投切开关接入系统的中性点接入故障相抑制故障相的过电压，来达到全补偿的目的，有效解决了配电系统单相接地故障中电流控制复杂、金属性接地难以完全补偿等难题，同时系统中设有的电压调节器，除了进行相位调节外，还对线电源变相电源后的电压幅值进行调节，在接地故障时达到电流电压全补偿的目的。本发明完全补偿后无电弧发生，避免了人身触电风险，提高了供电可靠性和供电安全性。

本发明通过以下技术手段解决上述技术问题：

一方面，本发明提供一种自产供电相电源的接地故障电流补偿系统，包括相供电电源变换器、投切开关、电压调节器和控制器。所述相供电电源变换器的输入端与母线连接，输出端与投切开关的输入端连接，所述电压调节器串接在投切开关与系统中性点之间，所述母线的电压互感器与控制器的输入端连接，所述控制器的输出端与投切开关和电压调节器的输入端连接。

供电电源通过本发明的相供电电源变换器变换成与供电相电源幅值相等的三相电源，然后通过投切开关公共连接点和系统中性点连接在电压调节器两侧的非同名端，实现在中性点处得到与供电电源幅值相等，相位相反的相电压，达到无源接地故障电流完全补偿和保障系统供电可靠性和安全性的目的。

进一步，所述相供电电源变换器为Yyn0联结组别的三相三柱式铁心结构的变压器，用于将系统母线的线电压转换为相电压，产生供电相电源。根据变压器原理，相供电电源变换器产生的供电相电源与电网系统供电电源相电压相位相等。

进一步，所述投切开关分别设置A相、B相、C相开关连接点和公共连接点；所述投切开关可为机械开关、电力电子开关等快速投入开关。所述相供电电源变换器一次侧与电网系统母线三相连接，二次侧连接投切开关的A相、B相、C相的连接点，二次侧中性点接地。

进一步，所述控制器用于检测系统是否发生接地故障，判断接地故障相、控制接地相的投切开关以及控制电压调节器输出。

进一步，因输出补偿电流时，相供电电源变换器的内部阻抗产生电压压降，使得其输出端(即中性点)得到的电压幅值将低于电网系统供电电源电压幅值。因此本技术方案设置电压调节器，通过电压调节器将相供电电源变换器输出补偿电流时产生的电压压降进行调节，同时，通过投切开关公共连接点和系统中性点连接在电压调节器两侧的非同名端，实现在中性点处得到与供电电源幅值相等，相位相反的相电压。

所述相供电电源变换器的一次绕组额定电压不低于电网系统额定电压，电压调节器二次绕组即连接电网系统中性点一侧的额定电压不低于电网系统额定电压。

另一方面，本发明的一种自产供电电源的接地故障电流补偿方法，具体按以下步骤执行：

S1:通过控制器判断系统是否发生单相接地并判断接地相；

S2:某相发生接地故障，控制器控制投切开关闭合与故障相对应的相开关；

S3:通过电压调节器进行电压补偿；

S4:投切开关闭合时间到达设置的时间时，控制器控制投切开关断开；

S5:控制器继续判断单相接地故障是否存在；

S6:如果接地故障依然存在，则跳转到步骤2，如果单相接地不存在，则单相接地补偿过程结束。

进一步，所述步骤S4设置的投切开关断开的时间根据线路工况设置，如根据线路树障接地故障多或者其他易造成接地故障多的情况进行断开的时间进行设置。

本发明首创性的提出了将系统中单相接地前后不变的线电压通过相供电电源变换器变换为系统供电电源的相电源，用于补偿系统单相接地时对地阻抗形成的有功功率、无功功率。达到将单相接地故障点电压和电流均抑制为零的完全补偿目的。单相接地故障下，系统可带电运行，单相接地故障点无触电风险和起弧风险；而且本发明提供的方法仅控制开关的开合，极大的简化了单相接地故障全补偿技术的控制方法。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明提出的技术方案，通过无源元件从系统获得了与系统电源相电压相位相反、幅值相等的电源，能够完全补偿单相接地故障点电流，消灭接地电弧，保障电网系统供电可靠性，避免了人身触电风险。让电网系统可连续供电，提高供电安全性。

本发明提出的补偿系统能够利用无源元件获得与系统故障相供电电源相电压相位相反的元件，无需相位调节，仅需调节电压幅值及投切相应开关。与现有的基于电力电子逆变技术的有源全补偿技术相比，即使系统电压波动，也无需进行电压及相位的调节，其补偿精度更高，控制方式更为简单，具有不可比拟的技术优势。

(2)本发明提供的技术方案中，采用现有技术极为成熟的变压器、电压调节器、电容器、开关等能够长期稳定运行的元件，稳定性明显优于容易损坏的电力电子器件；与维护复杂的电力电子逆变电源相比，本技术方案采用的元件均易于维护甚至免于维护的电力系统常用、成熟元件；本技术方案采用的元件技术成熟，成本低廉；因此，与现有电力电子有源全补偿技术相比，本技术方案实施中的硬件成本、研发成本和维护成本均较为低廉，并且稳定性高，维护成本低。

附图说明

图1为本发明的一种自产供电电源型接地故障补偿系统的结构示意图；

图2为双绕组变压器零序值电路图；

图3为三个单相的组式及零序励磁磁通路径示意图；

图4为三相五柱式变压器铁心结构及零序励磁磁通路径示意图；

图5为三相三柱式变压器铁心结构及零序励磁磁通路径示意图；

图6为本发明的一种自产供电电源型接地故障补偿方法的流程图。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明，显然，所描述的实施例仅仅只是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

如图1所示，本发明的一种自产供电相电源的接地故障电流补偿系统，包括相供电电源变换器1、投切开关2、电压调节器3、控制器4。

本实施例中，相供电电源变换器1为一种Yyn0联结组别的变压器，连接在母线上，将母线线电压转换为相电压。

本实施例中，所述相供电电源变换器1的输入端与母线连接，输出端与投切开关2的输入端连接，所述电压调节器3串接在投切开关2与系统中性点之间，所述母线的电压互感器与控制器4的输入端连接，所述控制器4的输出端与投切开关2和电压调节器3的输入端连接。

令系统母线线电压分别为系统母线侧相电压分别为相供电电源变换器1输出的线电压分别为相电压分别为对于Yyn0联结组别的变压器，一、二次侧绕组同名端同侧，线电压无相位差，即：

相供电电源变换器1一、二次侧绕组的电压比为k，k可为任意值，但k＝1对于系统的实现最为简便，故本实施例中取k＝1，因此线电压幅值有如下关系：

可得系统母线侧相电压与经过相供电电源变换器1传递后的相位相同，如式3所示：

本实施例中，母线线电压与经相供电电源变换器1传递后的相位相同，因此系统母线侧相电压与经过相供电电源变换器1传递后的 相位相同。

进一步，所述投切开关2公共连接点和系统中性点连接在电压调节器3两侧的非同名端，电压调节器5的其余连接点接地。电压调节器5的电压比为j，且k×j＝1，其中k为相供电电源变换器1一、二次侧绕组的电压比，故本实施例中取j＝1。因此，投切开关3的某相开关闭合时，在系统中性点得到的电压分别为：

若系统发生A相单相接地，将投切开关2的A相开关闭合，经过电压调节器3注入到中性点的电为压与幅值相同，相位相反。因此，此时系统接地相相电压为零，接地点电流亦为零，达到完全补偿接地电流，保障供电可靠性和安全性的目的。

本实施例中，参阅图2，为不计绕组电阻和铁心损耗时的变压器零序等值电路图。图中Ⅰ为变压器一次侧，Ⅱ为变压器二次侧，X_Ⅰ为一次绕组电抗，X_Ⅱ为二次绕组折算到一次侧的等效电抗，X_m0为零序励磁电抗。当系统母线A相接地时，对于本发明采用的Yyn6联结的变压器，相当于变压器A相绕组发生接地短路。根据变压器原理，铁心的励磁电流受零序励磁电抗控制，该电抗与变压器的铁心结构密切相关。

本实施例中，参阅图3和图4，如相供电电源变换器为三相五柱式和三个单相的组式铁心结构的变压器，其零序励磁磁通路径如图所示。其中为零序电流，为零序励磁磁通。对于由三个单相变压器组成的三相变压器组，每相的零序主磁通与正序主磁通一样，都有独立的铁心磁路，因此，零序励磁电抗与正序励磁电抗相等。对于三相五柱式变压器，零序磁通也能在铁心中形成回路，磁阻很小，因而零序励磁电抗的数值很大。

以上两种结构的相供电电源变换器，当A相接地短路时，其零序励磁电抗X_m0≈∞，即忽略励磁电流，把励磁支路断开，所以相供电电源变换器二次侧无能量输出给补偿系统。因此，不能作为相供电电源变换器。

本实施例中，参阅图5，相供电电源变换器为三相三柱式铁心结构的变压器，其零序励磁磁通路径如图所示。

对于三相三柱式变压器，由于三相零序磁通大小相等、相位相同，因而不能像正序(或负序)主磁通那样，一相主磁通可以经过另外两相的铁心形成回路。它们被迫经过绝缘介质和外壳形成回路，遇到很大的磁阻。因此，三相三柱式变压器的零序励磁电抗比正序励磁电抗小很多，当A相接地短路时，零序励磁电抗为有限值，约为X_m0＝0.3～1.0，此数值可依据设计调整。所以三相三柱式铁心结构的变压器，能作为相供电电源变换器补偿系统接地故障电流。

综上，当相供电电源变换器为Yyn0联结组别的变压器时，其铁心结构只能选择三相三柱式，具有独立磁路的五柱式和由三台单相变压器组成的三相变压器组不适用。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施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宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。

Claims (7)

1.一种自产供电相电源的接地故障电流补偿系统，其特征在于，包括相供电电源变换器(1)、投切开关(2)、电压调节器(3)和控制器(4)，所述相供电电源变换器(1)的输入端与母线连接，输出端与投切开关(2)的输入端连接，所述电压调节器(3)串接在投切开关(2)与系统中性点之间，所述母线的电压互感器与控制器(4)的输入端连接，所述控制器(4)的输出端与投切开关(2)和电压调节器(3)的输入端连接。

2.根据权利要求1所述的一种自产供电相电源的接地故障电流补偿系统，其特征在于：所述相供电电源变换器(1)为Yyn0联结组别的三相三柱式铁心结构的变压器，用于将系统母线的线电压转换为相电压，产生供电相电源。

3.根据权利要求1所述的一种自产供电相电源的接地故障电流补偿系统，其特征在于：所述的投切开关(2)为机械开关或电力电子快速投切开关。

4.根据权利要求1所述的一种自产供电相电源的接地故障电流补偿系统，其特征在于：所述投切开关(3)的公共连接点和系统中性点连接在电压调节器(3)两侧的非同名端，电压调节器(3)的其余连接点接地。

5.根据权利要求1所述的一种自产供电相电源的接地故障电流补偿系统，其特征在于：所述控制器(4)包括故障判断模块、开关控制模块和电压调节器控制模块。

6.一种自产供电相电源的接地故障电流补偿方法，其特征在于包括以下步骤：

S1:控制器判断母线是否发生单相接地并判断接地相；

S2:某相发生接地故障，控制器控制投切开关(2)闭合与故障相对应的相开关；

S3:通过电压调节器(3)进行电压补偿；

S4:投切开关闭合时间到达设置的时间时，控制器控制投切开关断开；

S5:控制器继续判断单相接地故障是否存在；

S6:如果接地故障依然存在，则跳转到步骤2，如果单相接地不存在，则单相接地补偿过程结束。

7.根据权利要求6所述的一种自产供电相电源的接地故障电流补偿方法，其特征在于：所述步骤S4设置的投切开关断开的时间根据线路工况设置。