CN110544929B - 一种自产供电相电源的接地故障电流补偿***及方法 - Google Patents

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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***及方法，包括补偿变压器、组合开关、耦合调压变压器和控制器，所述补偿变压器的输入端与母线连接，所述补偿变压器的输出端与组合开关的输入端连接，所述组合开关的输出端接入中性点，所述耦合调压变压器串接在组合开关与中性点之间。该***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***。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，克服了从母线***取电后采用电力电子器件逆变注入方法补偿不完全的弊端。本发明能完全补偿接地故障产生的过电压、过电流，完全消除了人身触电风险。

Description

一种自产供电相电源的接地故障电流补偿***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***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***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，***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***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***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***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***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***接地故障主动降压安全处理方法，该方法在变压器***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***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***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***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***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***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***线电压，造成该***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***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***及方法，通过补偿变压器将母线上的线电源变为反向的相电源，结合组合开关接入***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***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***中还设有耦合调压变压器，对线电源变相电源后的电压进行调节，在接地故障时以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：
本发明提供一种自产供电相电源的接地故障电流补偿***，包括补偿变压器、组合开关、耦合调压变压器和控制器，所述补偿变压器的输入端与母线连接，所述补偿变压器的输出端与组合开关的输入端连接，所述组合开关的输出端接入中性点。
进一步，所述补偿变压器的联结组别为Dy1、Dy11。所述补偿变压器(1)的原边额定电压为电网***额定电压US，副边额定电压为100V～US；所述耦合调压变压器的原边额定电压与补偿变压器的副边额定电压相等，所述耦合调压变压器的副边额定电压为
Figure BDA0002238610930000031
所述耦合调压变压器的电压调节范围为±5％～±50％。
进一步，所述补偿变压器原边连接电网***母线；所述补偿变压器副边连接组合开关。
进一步，所述组合开关包括A相分相开关，A相接地开关，B相分相开关，B相接地开关，C相分相开关，C相接地开关。所述组合开关的A相分相开关一端与A相接地开关的一端连接，构成组合开关的A相连接点；所述组合开关的B相分相开关一端与B相接地开关的一端连接，构成组合开关的B相连接点；所述组合开关的C相分相开关一端与C相接地开关的一端连接，构成组合开关的C相连接点；所述组合开关的A相分相开关另一端、B相分相开关另一端、C相分相开关另一端连接在一起为组合开关的补偿连接点。所述组合开关的A相接地开关另一端，B相接地开关另一端，C相接地开关另一端接地。
所述组合开关与耦合调压变压器及***中性点的连接方式有两种方式：
第一方式：
所述组合开关的补偿连接点连接耦合调压变压器的原边同名端；所述耦合调压变压器原边另一端接地。所述耦合调压变压器副边同名端连接电网***中性点，另一端接地。
第二方式：
所述组合开关的补偿连接点连接耦合调压变压器的原边同名端；所述耦合调压变压器原边另一端接地。所述耦合调压变压器副边同名端接地，另一端连接电网***中性点。
进一步，所述控制包括故障判断模块和开关控制模块，所述故障判断模块，能够根据***母线三相电压、零序电压、线路零序电流等判断***是否发生单相接地并判断接地相。由于接地故障判断及接地相判别已有较为成熟的技术，本发明中不再赘述。所述开关控制模块，控制组合开关各开关的闭合或断开。
进一步，一种单相接地全补偿***的实施方法，具体按以下步骤执行：
S1:通过控制器判断***是否发生单相接地并判断接地相；
S2:某相发生接地故障，根据接地相和组合开关控制表，控制组合开关相应开关闭合；
S3:通过耦合调压变压器调整电压；
S4:组合开关闭合时间到达设置的时间，控制器控制组合开关断开；
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设置的组合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。
进一步，当所述组合开关与耦合调压变压器及***中性点的连接方式为第一方式时，所述组合开关控制表如表1所示：
表1 组合开关控制表如表1
Figure BDA0002238610930000041
当所述组合开关与耦合调压变压器及***中性点的连接方式为第二方式时，所述组合开关控制表如表2所示：
表2 组合开关控制表2
Figure BDA0002238610930000042
本发明的工作原理为：首先控制器通过电压互感器判断母线的接地相，母线某相发生故障以后，控制器通过组合开关控制相应的开关进行闭合，由于通过补偿变压器输出的反相电压由于内阻的原因具有一定的压降，耦合调压变压器对电压进行调节，然后将反相的电压升压接入中性点，以达到完全补偿过电压的目的。
本发明首创性的提出了将***中单相接地前后不变的线电压通过相供电电源产生器；相供电电源相位补偿器变换为***供电电源的相电源，用于补偿***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，***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***获得了与***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***供电可靠性，避免了人身触电风险。让电网***可连续供电，提高供电安全性。
本发明提出的补偿***能够利用无源元件获得与***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，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、调压器、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***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为本发明的一种单相接地全补偿***第一连接方式示意图；
图2为本发明的一种单相接地全补偿***第二连接方式示意图；
图3为本发明的组合开关结构示意图；
图4为本发明的控制器结构示意图；
图5为本发明的第一种连接方式相供电电源产生、转换过程示意图；
图6为本发明的第二种连接方式相供电电源产生、转换过程示意图；
图7为本发明的方法流程示意图；
其中：补偿变压器1、组合开关2、耦合调压变压器3、控制器4、A相分相开关21、A相接地开关22、B相分相开关23、B相接地开关24、C相分相开关25、C相接地开关26、故障判断模块41、开关控制模块42。
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-图6所示，本发明的一种自产供电相电源的接地故障电流补偿***及方法：
本实施例中，图5给出了第一种连接方式下典型实施例的电压转换过程。补偿变压器(1)联结组别为Dy11，电压比为k。耦合调压变压器的电压比为
Figure BDA0002238610930000061
组合开关(2)与耦合调压变压器(3)及***中性点的连接方式为第一方式：
记母线供电电源线电压分别为UAB、UBC、UCA，母线供电电源相电压分别为UA、UB、UC；记相供电电源产生器(1)输出的线电压分别为Uab1、Ubc1、Uca1，相电压分别为Ua1、Ub1、Uc1。
根据电网三相***基本原理有：
Figure BDA0002238610930000062
经过补偿变压器(1)，其输出线电压应为：
Figure BDA0002238610930000063
设***发生A相接地，查表可得，此时应闭合组合开关的A相接地开关和C相分相开关。因此输入耦合调压变压器一次绕组的电压应为
Figure BDA0002238610930000064
又由于耦合调压变压器的电压比为
Figure BDA0002238610930000065
因此耦合调压器变压器二次绕组输出电压应为
Figure BDA0002238610930000066
又因
Figure BDA0002238610930000071
而根据式41：
Figure BDA0002238610930000072
因此即两者幅值相同，相位相反。
图6给出了第二种连接方式下典型实施例的电压转换过程。补偿变压器(1)联结组别为Dy11，电压比为k。耦合调压变压器的电压比为
Figure BDA0002238610930000073
组合开关(2)与耦合调压变压器(3)及***中性点的连接方式为第二方式：
记母线供电电源线电压分别为UAB、UBC、UCA，母线供电电源相电压分别为UA、UB、UC；记相供电电源产生器(1)输出的线电压分别为Uab1、Ubc1、Uca1，相电压分别为Ua1、Ub1、Uc1。
根据电网三相***基本原理有：
Figure BDA0002238610930000074
经过补偿变压器(1)，其输出线电压应为：
Figure BDA0002238610930000075
设***发生A相接地，查表可得，此时应闭合组合开关的A相分相开关和C相接地开关。因此输入耦合调压变压器一次绕组的电压应为
Figure BDA0002238610930000076
又由于耦合调压变压器的电压比为
Figure BDA0002238610930000077
且根据其连接方式，其一次绕组电压与二次绕组电压反相，因此耦合调压器变压器二次绕组输出电压应为
Figure BDA0002238610930000078
又因
Figure BDA0002238610930000081
Figure BDA0002238610930000082
而根据式51：
Figure BDA0002238610930000083
因此
Figure BDA0002238610930000084
即两者幅值相同，相位相反。
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 (8)

1.一种自产供电相电源的接地故障电流补偿***，其特征在于，包括补偿变压器（1）、组合开关（2）和控制器（4），所述补偿变压器（1）的输入端与母线连接，所述补偿变压器（1）的输出端与组合开关（2）的输入端连接，所述组合开关（2）的输出端接入中性点，所述控制器（4）与母线上的电压互感器连接；
所述补偿变压器（1）用于利用母线的线电压直接产生三个与电力***A相、B相、C相频率相同、幅值相同、相位相反的补偿相电压，所述控制器（4）通过该电压互感器判断母线的接地相，母线某相发生故障以后，所述控制器（4）通过组合开关（2）控制相应的开关进行闭合使得上述补偿相电压接入中性点；
所述组合开关（2）与中性点之间还串接有耦合调压变压器（3），所述耦合调压变压器（3）用于解决上述补偿相电压由于所述补偿变压器（1）内阻出现降压，对上述补偿相电压进行微调，以达到完全补偿过电压的目的。
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***，其特征在于：所述补偿变压器（1）的联结组别为Dy1或Dy11的形式。
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***，其特征在于：所述组合开关（2）包括A相分相开关（21）、A相接地开关（22）、B相分相开关（23）、B相接地开关（24）、C相分相开关（25）和C相接地开关（26），所述A相接地开关（22）、B相接地开关（24）和C相接地开关（26）接地，所述A相分相开关（21）和B相分相开关（23）均与C相分相开关（25）连接。
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***，其特征在于：所述组合开关（2）的补偿连接点连接耦合调压变压器（3）的原边同名端，所述耦合调压变压器（3）原边另一端接地，所述耦合调压变压器（3）的副边同名端连接电网***中性点，另一端接地。
5.根据权利要求4所述的一种自产供电相电源的接地故障电流补偿***，其特征在于：所述组合开关（2）与耦合调压变压器（3）还有另外一种连接方式：所述组合开关（2）的补偿连接点连接耦合调压变压器（3）的原边同名端，所述耦合调压变压器（3）原边另一端接地，所述耦合调压变压器（3）的副边同名端接地，另一端连接电网***中性点。
6.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***，其特征在于：所述控制器（4）包括故障判断模块（41）和开关控制模块（42）。
7.基于权利要求1-6任一所述的一种自产供电相电源的接地故障电流补偿***的补偿方法，其特征在于包括以下步骤：
S1:通过控制器（4）判断***是否发生单相接地并判断接地相；
S2:某相发生接地故障，根据接地相和组合开关控制表，控制组合开关（2）相应开关闭合；
S3:通过耦合调压变压器（3）调整电压；
S4:组合开关闭合时间到达设置的时间，控制器（4）控制组合开关断开；
S5:控制器（4）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。
8.根据权利要求7所述的一种自产供电相电源的接地故障电流补偿***的补偿方法，其特征在于：在步骤S4中组合开关闭合时间的设置根据不同的线路工况进行设置。
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