CN115800234A - 一种基于h桥变流器与消弧线圈串联分压的配电网故障消弧***与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于H桥变流器与消弧线圈串联分压的配电网故障消弧***与方法，通过单个H桥变流器与消弧线圈串联分压的运行方式，即可实现对接地电流的全补偿，同时降低了有源接地装置的控制和硬件成本。解决了传统的消弧***与方法无法对接地故障电流中的谐波及有功分量实现补偿和电力电子设备耐压不足而造成设备结构冗杂和控制成本较大的问题，同时引入了中性点保护电容，避免了***发生非对称运行、零序过电压等情形时对消弧装置的危害，造价便宜，控制便捷。
Description
技术领域
本发明涉及的是配电网故障消弧保护领域，具体是一种基于H桥变流器与消弧线圈串联分压的配电网故障消弧技术。
背景技术
我国配电网主要以小电流接地的方式运行且单相接地故障占总故障的80％以上。配电网中性点接地方式是涉及电网运行可靠性、经济性、人身安全、过电压和设备绝缘水平选择的综合性技术，也是保护配置、***运行控制的重要组成。消弧线圈或有源接地能够补偿接地电流，实现瞬时性故障自恢复、永久性故障熄弧，降低火灾伤亡事故概率，而可靠故障检测能够为故障排查和故障检修提供指导。因此，故障消弧和检测是减少火灾伤亡事故、保障供配电安全可靠的关键。
建国初期，配电网规模较小，***电容电流较小，单相接地故障危害较轻，多采用中性点不接地方式运行。随着配电网规模不断扩大、电力电缆大量使用，***电容电流急剧增大，故障点形成的电弧不能自熄。21世纪后，我国学者在接地方式创新上做出重要贡献，尤其随着电力电子技术的发展，有源柔性接地方式得到了广泛关注，具有接地电流全补偿和零序电压灵活调控的优势。
经对现有技术领域的检索发现，中国专利申请号为CN202110059545.X，申请公布号为CN112909910A，专利名称为一种配电网接地故障消弧方法及其装置，该专利通过调压器连接Z型接地变压器和升压变压器将故障相电压抑制到熄弧电压以下实现接地故障消弧，但无法实现对接地残流中有功分量和谐波分量的精确补偿。
中国专利申请号为CN201910995236.6，申请公布号为CN110556811A，专利名称为基于单一直流源级联H桥变流器的配电网柔性消弧方法，该专利通过单一直流源级联H桥变流器和准PR控制器完成对故障相电压的控制并抑制电弧的重燃，实现故障消弧，但由此造成了设备冗余性高、造价昂贵、控制复杂，制约了其广泛应用。
发明内容
技术问题：本发明所要解决的技术问题是提供一种实现对接地电流全补偿的配电网故障消弧***与方法，该方法要能够解决传统的消弧技术无法对接地故障电流中的谐波及有功分量实现补偿导致接地点残流难以控制在规定范围内的问题，同时解决电力电子设备耐压不足而造成设备结构冗杂和控制成本较大的问题。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明提出一种基于H桥变流器与消弧线圈串联分压的配电网故障消弧***与方法，通过单个H桥变流器与消弧线圈串联分压的运行方式，实现对接地电流的全补偿同时降低有源接地装置的控制和硬件成本、提高装置运行可靠性。
一种基于H桥变流器与消弧线圈串联分压的配电网故障消弧方法，其特征在于，包括步骤如下：
步骤A：配电网正常运行时记录零序电压，获取配电网分布总电容C∑、配电网分布总电导G∑、配电网三相参数自然不对称矢量和
其中，配电网分布总电容C∑＝CA+CB+CC，CA、CB和CC为三相电力线路对地分布总电容、配电网分布总电导G∑＝GA+GB+GC，GA、GB和GC为三相电力线路对地分布总电导、配电网三相参数自然不对称矢量和
α＝ej120°；
步骤B：监测配电网零序电压，若零序电压大于等于15％相电压同时小于100％相电压，则进入步骤C；若零序电压大于等于100％相电压，则进入步骤D；
步骤C：在配电网中性点投入消弧线圈等效电感L1和H桥变流器输出电压
进行故障消弧，其中消弧线圈和H桥变流器串联，消弧线圈等效电感L1和H桥变流器输出电压
分别为：
式(2)中，
为故障相电源电势；
步骤D：配电网中性点先投入保护电容C0，经时间T延时后，配电网中性点再投入消弧线圈等效电感L2和H桥变流器输出电压
进行故障消弧，其中消弧线圈和H桥变流器串联，其中保护电容C0等于配电网分布总电容C∑，消弧线圈等效电感L2和H桥变流器输出电压
分别为：
进一步的，所述步骤D中时间T延时，T为投入保护电容后的配电网零序电压暂态时间，可以通过观察零序电压波形确定，具体为投入保护电容后零序电压稳定时刻t2与保护电容投入时刻t1的时间差。
一种基于H桥变流器与消弧线圈串联分压的配电网故障消弧***，其特征在于，包括测量模块(1)、控制器模块(2)、显示模块(3)、断路器模块(4)、驱动模块(5)、消弧线圈模块(6)、变流器模块(7)、保护电容模块(8)；
连接关系：测量模块(1)连接电网母线，并送出零序电压信号给控制器模块(2)；站用220V电源与控制器模块(2)相连接，为其提供工作电源；控制器将线路情况输入至显示模块(3)；消弧线圈模块(6)一端可靠接地，另一端与变流器模块(7)相连接；保护电容模块(8)一端可靠接地，另一端与断路器模块(4)中的断路器Kb相连接；断路器模块(4)中的断路器Ka连接电网中性点与变流器模块；断路器模块(4)中的断路器Kb连接电网中性点与保护电容模块；控制器模块(2)发出控制信号至驱动模块(5)，驱动模块(5)根据实际需求控制断路器模块(4)中各个断路器的开断以及调节消弧线圈模块(6)和变流器模块(7)；操作步骤如下：
a.装置开始运行，断路器模块(4)全断开，控制器模块(2)上电并读取测量模块(1)数据，保存测量数据；
b.电网正常运行时，控制器模块(2)向驱动模块(5)发送控制信号，驱动断路器模块(4)和消弧线圈模块(6)做出动作获取自然不对称矢量和、配电网分布总电容和总电导，以上参数均保存在控制器模块(2)中，测量结束后，控制器模块(2)控制驱动模块(5)将断路器模块(4)全断开；
c.当监测到零序电压大于等于15％相电压同时小于100％相电压时，控制器模块(2)立即向驱动模块(5)发送控制信号，驱动断路器模块(4)中的断路器Ka做出动作，同时控制器模块(2)立即控制驱动模块(5)调节消弧线圈模块(6)和变流器模块(7)进行故障消弧，其中消弧线圈等效电感为L1，变流器输出电压为
当监测到零序电压大于等于100％相电压时，控制器模块(2)立即向驱动模块(5)发送控制信号，驱动断路器模块(4)中的断路器Ka和Kb做出动作，同时控制器模块(2)立即控制驱动模块(5)调节消弧线圈模块(6)、变流器模块(7)和保护电容模块(8)进行故障消弧，其中消弧线圈等效电感为L2，变流器输出电压为
有益效果：本发明提出的一种基于H桥变流器与消弧线圈串联分压的配电网故障消弧***与方法，具有如下优点：
1.解决了传统消弧线圈无法对接地故障电流中的谐波及有功分量实现补偿的问题，具有对接地电流实现精准补偿和可靠性高的优点；
2.避免了变流器经升压变压器接入配电网中性点给消弧带来的不利影响和电力电子设备耐压不足而造成设备结构冗杂和控制成本较大的问题；
3.引入中性点保护电容，避免了***发生非对称运行、零序过电压等情形时对消弧装置的危害；
4.造价便宜，控制便捷。
附图说明
图1为基于H桥变流器与消弧线圈串联分压的配电网故障消弧方法流程图；
图2为仿真***拓扑结构图；
图3为故障消弧与变流器分压仿真波形图；
图4为H桥变流器发生短路后消弧过程的故障相电压波形；
图5为中性点增加保护电容后故障相电压波形图；
图6为基于H桥变流器与消弧线圈串联分压的配电网故障消弧方法装置结构图；
图6中：
1-测量模块；
2-控制器模块；
3-显示模块；
4-断路器模块；
5-驱动模块；
6-消弧线圈模块；
7-变流器模块；
8-保护电容模块。
具体实施方法
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
附图1为基于H桥变流器与消弧线圈串联分压的配电网故障消弧方法流程图。
假设某配电网有n条线路，下面以该配电网的第i条线路A相发生单相接地故障为例，具体介绍一种基于H桥变流器与消弧线圈串联分压的配电网故障消弧方法步骤，如下：
步骤1：配电网正常运行时记录零序电压，获取配电网分布总电容C∑、配电网分布总电导G∑、配电网三相参数自然不对称矢量和
其中，配电网分布总电容C∑＝CA+CB+CC，CA、CB和CC为三相电力线路对地分布总电容、配电网分布总电导G∑＝GA+GB+GC，GA、GB和GC为三相电力线路对地分布总电导、配电网三相参数自然不对称矢量和
α＝ej120°；
步骤2：监测配电网零序电压，若零序电压大于等于15％相电压同时小于100％相电压，则进入步骤3；若零序电压大于等于100％相电压，则进入步骤4；
步骤3：在配电网中性点投入消弧线圈等效电感L1和H桥变流器输出电压
进行故障消弧，其中消弧线圈和H桥变流器串联，消弧线圈等效电感L1和H桥变流器输出电压
分别为：
L1＝1/(ω2C∑) 式(1)
式(2)中，
为故障相电源电势；
进一步的，配电网零序电压为
当故障相电压被可靠钳制为0，接地基波电流得到全补偿，以A相故障为例，若
由式(a)解得H桥变流器的输出电压为
式(b)中，τ为H桥变流器的承压系数，当消弧线圈满足L1＝1/(ω2C∑)时，H桥变流器的承压系数为
式(c)中υ为***阻尼率、ρ为***不对称度。实际配网架空线的阻尼率υ通常为1.5％～4％、不对称度ρ通常为0.5％～1.5％，电缆线阻尼率和不对称度比架空线要小。考虑配电网参数不对称度ρ为相角随机的参量，故承压系数τfull处于0～5.5％之间。因此，当消弧线圈满足L1＝1/(ω2C∑)，H桥变流器承受的最大电压仅为相电压的5.5％。
步骤4：配电网中性点先投入保护电容C0，经时间T延时后，配电网中性点再投入消弧线圈等效电感L2和H桥变流器输出电压
进行故障消弧，其中消弧线圈和H桥变流器串联，其中保护电容C0等于配电网分布总电容C∑，消弧线圈等效电感L2和H桥变流器输出电压
分别为：
L2＝1/(ω2C∑+ω2C0) 式(3)
进一步的，所述步骤D中时间T延时，T为投入保护电容后的配电网零序电压暂态时间，可以通过观察零序电压波形确定，具体为投入保护电容后零序电压稳定时刻t2与保护电容投入时刻t1的时间差。
进一步的，增加保护电容后的***零序电压为
当投入保护电容后发生接地故障，令零序电压
将故障相电压抑制为0，则H桥变流器的承压为
对比式(c)和式(e)可知，引入中性点保护电容C0后，H桥变流器的承受电压系数减小，令C0＝C∑，则H桥变流器承压减少至原承压值的1/2倍。
利用MATLAB/Simulink仿真验证本发明提出的一种基于H桥变流器和消弧线圈串联分压的配电网故障消弧方法。图2为仿真***拓扑结构图，仿真***为含三条馈线的10kV配电网，具体参数见表1。
表1仿真***零序参数设置
Tab.1 Zero sequence parameter setting of simulation system
消弧效果与变流器分压仿真验证，在仿真***中设置t＝0s时刻线路1分别发生过渡电阻为50Ω、3000Ω的A相接地故障，于t＝0.162s向中性点投入电压源US串电感La，其中
La＝0.2528H，观察故障相电压、零序电压以及加载在电感上电压的变化，波形见图3。
结果表明，在单个H桥变流器与消弧线圈串联的运行方式下，根据式(1)调控变流器的输出电压，同时调节消弧线圈可以有效实现降压消弧全补偿。
设备安全性仿真验证，在仿真***中设置t＝0s时刻变流器发生短路，观察故障相电压的变化情况，结果如图4所示。
从图4中可以看出，RE＝50Ω时故障相电压幅值经一段时间后稳定保持在178V；RE＝3000Ω时消弧线圈运行在全补偿状态下，***虽然失去了H桥变流器的调控，由于消弧线圈对接地电容电流的补偿作用，故障相电压相较于故障后减小20.9％，因而故障不会继续恶化。
结果表明，本方法能够在变流器装置发生短路故障后，依靠消弧线圈补偿电容电流的特性遏制接地电流，抑制故障相电压，有效增加设备可靠性与安全性，保障供电安全
引入保护电容情况下减压保护仿真验证，在仿真配电网中性点增加保护电容C0＝C∑＝40.12×10-6F，设置t＝0s时刻线路1发生过渡电阻为3000Ω的A相接地故障，并于t＝0.162s向中性点投入电压源US1串联电感Lb，其中US1＝143.649∠-98.647°V，Lb＝0.1264H。图5为中性点增加保护电容后故障相电压波形图。
结果表明，中性点增加保护电容能够在满足消弧全补偿的前提下，有效减小H桥变流器承压以应对非全相运行或短时过压扰动造成变流器承压增大等特殊情形。
一种基于H桥变流器与消弧线圈串联分压的配电网故障消弧***，其特征在于，包括测量模块(1)、控制器模块(2)、显示模块(3)、断路器模块(4)、驱动模块(5)、消弧线圈模块(6)、变流器模块(7)、保护电容模块(8)；
连接关系：测量模块(1)连接电网母线，并送出零序电压信号给控制器模块(2)；站用220V电源与控制器模块(2)相连接，为其提供工作电源；控制器将线路情况输入至显示模块(3)；消弧线圈模块(6)一端可靠接地，另一端与变流器模块(7)相连接；保护电容模块(8)一端可靠接地，另一端与断路器模块(4)中的断路器Kb相连接；断路器模块(4)中的断路器Ka连接电网中性点与变流器模块；断路器模块(4)中的断路器Kb连接电网中性点与保护电容模块；控制器模块(2)发出控制信号至驱动模块(5)，驱动模块(5)根据实际需求控制断路器模块(4)中各个断路器的开断以及调节消弧线圈模块(6)和变流器模块(7)；操作步骤如下：
a.装置开始运行，断路器模块(4)全断开，控制器模块(2)上电并读取测量模块(1)数据，保存测量数据；
b.电网正常运行时，控制器模块(2)向驱动模块(5)发送控制信号，驱动断路器模块(4)和消弧线圈模块(6)做出动作获取自然不对称矢量和、配电网分布总电容和总电导，以上参数均保存在控制器模块(2)中，测量结束后，控制器模块(2)控制驱动模块(5)将断路器模块(4)全断开；
c.当监测到零序电压大于等于15％相电压同时小于100％相电压时，控制器模块(2)立即向驱动模块(5)发送控制信号，驱动断路器模块(4)中的断路器Ka做出动作，同时控制器模块(2)立即控制驱动模块(5)调节消弧线圈模块(6)和变流器模块(7)进行故障消弧，其中消弧线圈等效电感为L1，变流器输出电压为
当监测到零序电压大于等于100％相电压时，控制器模块(2)立即向驱动模块(5)发送控制信号，驱动断路器模块(4)中的断路器Ka和Kb做出动作，同时控制器模块(2)立即控制驱动模块(5)调节消弧线圈模块(6)、变流器模块(7)和保护电容模块(8)进行故障消弧，其中消弧线圈等效电感为L2，变流器输出电压为
Claims (3)
1.一种基于H桥变流器与消弧线圈串联分压的配电网故障消弧方法，其特征在于，包括步骤如下：
步骤A：配电网正常运行时记录零序电压，获取配电网分布总电容C∑、配电网分布总电导G∑、配电网三相参数自然不对称矢量和
其中，配电网分布总电容C∑＝CA+CB+CC，CA、CB和CC为三相电力线路对地分布总电容、配电网分布总电导G∑＝GA+GB+GC，GA、GB和GC为三相电力线路对地分布总电导、配电网三相参数自然不对称矢量和
α＝ej120°；
步骤B：监测配电网零序电压，若零序电压大于等于15％相电压同时小于100％相电压，则进入步骤C；若零序电压大于等于100％相电压，则进入步骤D；
步骤C：在配电网中性点投入消弧线圈等效电感L1和H桥变流器输出电压
进行故障消弧，其中消弧线圈和H桥变流器串联，消弧线圈等效电感L1和H桥变流器输出电压
分别为：
L1＝1/(ω2C∑) 式(1)
式(2)中，
为故障相电源电势；
步骤D：配电网中性点先投入保护电容C0，经时间T延时后，配电网中性点再投入消弧线圈等效电感L2和H桥变流器输出电压
进行故障消弧，其中消弧线圈和H桥变流器串联，其中保护电容C0等于配电网分布总电容CΣ，消弧线圈等效电感L2和H桥变流器输出电压
分别为：
L2＝1/(ω2CΣ+ω2C0) 式(3)
2.根据权利要求1所述的一种基于H桥变流器与消弧线圈串联分压的配电网故障消弧方法，其特征在于，所述步骤D中时间T延时，T为投入保护电容后的配电网零序电压暂态时间，可以通过观察零序电压波形确定，具体为投入保护电容后零序电压稳定时刻t2与保护电容投入时刻t1的时间差。
3.一种基于H桥变流器与消弧线圈串联分压的配电网故障消弧***，其特征在于，包括测量模块(1)、控制器模块(2)、显示模块(3)、断路器模块(4)、驱动模块(5)、消弧线圈模块(6)、变流器模块(7)、保护电容模块(8)；
连接关系：测量模块(1)连接电网母线，并送出零序电压信号给控制器模块(2)；站用220V电源与控制器模块(2)相连接，为其提供工作电源；控制器将线路情况输入至显示模块(3)；消弧线圈模块(6)一端可靠接地，另一端与变流器模块(7)相连接；保护电容模块(8)一端可靠接地，另一端与断路器模块(4)中的断路器Kb相连接；断路器模块(4)中的断路器Ka连接电网中性点与变流器模块；断路器模块(4)中的断路器Kb连接电网中性点与保护电容模块；控制器模块(2)发出控制信号至驱动模块(5)，驱动模块(5)根据实际需求控制断路器模块(4)中各个断路器的开断以及调节消弧线圈模块(6)和变流器模块(7)；操作步骤如下：
a.装置开始运行，断路器模块(4)全断开，控制器模块(2)上电并读取测量模块(1)数据，保存测量数据；
b.电网正常运行时，控制器模块(2)向驱动模块(5)发送控制信号，驱动断路器模块(4)和消弧线圈模块(6)做出动作获取自然不对称矢量和、配电网分布总电容和总电导，以上参数均保存在控制器模块(2)中，测量结束后，控制器模块(2)控制驱动模块(5)将断路器模块(4)全断开；
c.当监测到零序电压大于等于15％相电压同时小于100％相电压时，控制器模块(2)立即向驱动模块(5)发送控制信号，驱动断路器模块(4)中的断路器Ka做出动作，同时控制器模块(2)立即控制驱动模块(5)调节消弧线圈模块(6)和变流器模块(7)进行故障消弧，其中消弧线圈等效电感为L1，变流器输出电压为
当监测到零序电压大于等于100％相电压时，控制器模块(2)立即向驱动模块(5)发送控制信号，驱动断路器模块(4)中的断路器Ka和Kb做出动作，同时控制器模块(2)立即控制驱动模块(5)调节消弧线圈模块(6)、变流器模块(7)和保护电容模块(8)进行故障消弧，其中消弧线圈等效电感为L2，变流器输出电压为
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211571718.7A CN115800234A (zh) | 2022-12-13 | 2022-12-13 | 一种基于h桥变流器与消弧线圈串联分压的配电网故障消弧***与方法 |
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| CN202211571718.7A CN115800234A (zh) | 2022-12-13 | 2022-12-13 | 一种基于h桥变流器与消弧线圈串联分压的配电网故障消弧***与方法 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116073396A (zh) * | 2023-03-28 | 2023-05-05 | 湖南大学 | 面向配电网安全优质供电的异质模块混合拓扑方法及*** |
-
2022
- 2022-12-13 CN CN202211571718.7A patent/CN115800234A/zh active Pending
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116073396A (zh) * | 2023-03-28 | 2023-05-05 | 湖南大学 | 面向配电网安全优质供电的异质模块混合拓扑方法及*** |
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