CN208158121U - 一种基于单相接地故障的电流全补偿*** - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种基于单相接地故障的电流全补偿***，该***包括控制装置、故障相转移装置、消弧线圈装置以及有偿补偿装置。当发生单相接地故障的接地类型为瞬时性接地时，通过对高阻接地识别具有高灵敏性的消弧线圈装置补偿接地电容电流。当发生单相接地故障的接地类型为非瞬时性接地时，将与故障相相连接的故障相转移接地装置闭合，实现故障电流转为接地电流，进而通过有偿补偿装置输出全补偿的故障残流。将故障电流转为接地电流还能够将接地电流作为有偿补偿装置进行跟踪补偿的信号，为有偿补偿装置的补偿效果提供判断依据。接地电流能够通过测量确定，且测量简便，无需复杂计算，从而能够保证补偿快速、准确，提高补偿精度，屏蔽故障点。

Description

一种基于单相接地故障的电流全补偿***

技术领域

本实用新型涉及电力***技术领域，尤其涉及一种基于单相接地故障的电流全补偿***。

背景技术

电网中性点接地是指三相交流电力***中中性点与大地之间的电气连接，即中性点电位固定为地电位。电力***根据中性点是否有效接地划分为大电流接地***，即中性点有效接地***，以及小电流接地***，即中性点非有效接地***。在小电流接地***中，当发生单相接地故障时，由于中性点非有效接地，故障点不会产生大的短路电流，因此能够允许电力***在短时间内带故障运行，进而电力***能够减少用户停电时间，提高供电可靠性。

小电流接地***包括中性点经小电阻接地和中性点经消弧线圈接地。中性点经小电阻接地能够利用很大的故障电流启动线路保护装置，同时还能够利用继电保护的灵敏性、速动性快速切除故障线路，进而显著降低人身触电概率。但中性点经小电阻接地对配电网的供电可靠性有较大影响，特别是架空网络和混合网络。中性点经消弧线圈接地能够有效补偿电力***的对地电容电流，降低弧隙电压恢复速度，提高弧隙绝缘强度，防止电弧重燃造间歇性接电压，避免电弧造成的事故扩大，因而，中性点经消弧线圈接地为目前应用较为广泛的一种接地方式。但随着电力电缆的广泛应用，配电网的对地电容电流显著增加，中性点经消弧线圈接地方式不能补偿有功电流分量以及谐波电流分量。

针对上述问题，提出两种解决方案，即故障相转移接地装置和全补偿故障消弧装置。对于故障相转移接地装置，通过故障相投入人为的金属性接地点能够避免由故障点不稳定的弧光接地所引起的过电压问题，进而能够降低人身触电伤亡事故。故障相转移接地装置存在故障电流的分流效果受过渡电阻影响的问题，且故障电流的转移效果较差。另外，故障相转移接地装置还存在故障点电压受负荷电流影响的问题。当发生单相接地故障时，故障点会产生几百伏的电压，不能保证人身安全。对于全补偿故障消弧装置，在监测电力***网络参数、故障线路零序电流等过程中，通过有源补偿装置补偿故障电流中的谐波分量、有功分量以及剩余的无功分量。但全补偿故障消弧装置不能消除接地残流中的有功分量和高频谐波分量，进而不能实现对电力***零序电容电流的准确补偿。另外，全补偿故障消弧装置无法直接测量故障电流，只能通过很复杂的算法进行间接性计算得到，因此，全补偿故障消弧装置无法直接检测和作为判断依据。

实用新型内容

本实用新型提供一种基于单相接地故障的电流全补偿***，以解决现有全补偿故障消弧装置无法直接测量故障电流的问题。

本实用新型提供一种基于单相接地故障的电流全补偿***，包括控制装置、故障相转移装置、消弧线圈装置以及有偿补偿装置，其中，

所述控制装置分别电连接所述故障相转移装置、所述有偿补偿装置以及三相输电线；

所述故障相转移装置、所述消弧线圈装置以及所述有偿补偿装置并联连接；

所述故障相转移装置、所述消弧线圈装置以及所述有偿补偿装置均分别连接至所述三相输电线的每一相；

所述故障相转移装置、所述消弧线圈装置以及所述有偿补偿装置均接地。

优选地，所述故障相转移装置包括接地电阻以及三个并联的断路器，所述控制装置分别电连接每个所述断路器；三个所述断路器的两端均分别连接所述三相输电线的每一相以及所述接地电阻，所述接地电阻接地。

优选地，所述***还包括接地变压器，所述接地变压器串接于所述消弧线圈装置和所述三相输电线之间，所述接地变压器还串接于所述有偿补偿装置和所述三相输电线之间。

优选地，所述消弧线圈装置为消弧线圈。

优选地，所述有偿补偿装置为有偿补偿器。

本实用新型的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

本实用新型提供一种基于单相接地故障的电流全补偿***，该***包括控制装置、故障相转移装置、消弧线圈装置以及有偿补偿装置，其中，所述控制装置分别电连接所述故障相转移装置、所述有偿补偿装置以及三相输电线；所述故障相转移装置、所述消弧线圈装置以及所述有偿补偿装置并联连接；所述故障相转移装置、所述消弧线圈装置以及所述有偿补偿装置均分别连接至所述三相输电线的每一相；所述故障相转移装置、所述消弧线圈装置以及所述有偿补偿装置均接地。当发生单相接地故障的接地类型为瞬时性接地时，通过对高阻接地识别具有高灵敏性的消弧线圈装置补偿接地电容电流。当发生单相接地故障的接地类型为非瞬时性接地时，将与故障相相连接的故障相转移接地装置闭合，实现故障电流转为接地电流，进而通过有偿补偿装置输出全补偿的故障残流。将故障电流转为接地电流还能够将接地电流作为有偿补偿装置进行跟踪补偿的信号，为有偿补偿装置的补偿效果提供判断依据。另外，接地电流能够通过测量确定，且测量简便，无需复杂计算，从而能够保证补偿快速、准确，提高补偿精度，屏蔽故障点。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本实用新型。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的基于单相接地故障的电流全补偿***的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的基于单相接地故障的电流全补偿***的应用场景图；

图3为本实用新型实施例提供的基于单相接地故障的电流全补偿方法的流程示意图；

图4为本实用新型实施例提供的消弧线圈装置补偿接地电容电流的流程示意图；

符号表示：

1-控制装置，2-故障相转移装置，3-消弧线圈装置，4-有偿补偿装置，5-接地变压器，21-接地电阻，22-断路器。

具体实施方式

请参考附图1，附图1示出了本申请实施例提供的基于单相接地故障的电流全补偿***的结构示意图。由附图1可知，本申请实施例提供的基于单相接地故障的电流全补偿***包括控制装置1、故障相转移装置2、消弧线圈装置3以及有偿补偿装置4。

具体地，控制装置1分别电连接故障相转移装置2、有偿补偿装置4以及三相输电线。其中，控制装置1与三相输电线的每一相均相连接，因此，控制装置1能够采集三相输电线的每一相的母线电压、零序电流和零序电压。

另外，控制装置1还能够实现判断零序电压是否位于预设电压值范围内，记录零序电压位于预设电压值范围内的时间，确定故障相输电线，判断接地类型以及发出故障相转移指令。

故障相转移装置2、消弧线圈装置3以及有偿补偿装置4并联连接，因此，故障相转移装置2、消弧线圈装置3以及有偿补偿装置4之间不相互干扰。故障相转移装置2、消弧线圈装置3以及有偿补偿装置4均分别连接至三相输电线的每一相，且故障相转移装置2、消弧线圈装置3以及有偿补偿装置4均接地设置，因此，故障相转移装置2、消弧线圈装置3以及有偿补偿装置4所处的电压均相同。

故障相转移装置2用于在接收到控制装置1发出故障相转移指令时，闭合故障相转移装置2中的断路器22，进而实现故障相转移装置2在三相输电线与大地之间的连接，进而便于将***中的故障电流部分转移至故障相转移接地装置2中，进而转移至大地。

进一步，故障相转移装置2包括接地电阻21以及三个并联的断路器22，三个断路器22的两端均分别连接三相输电线的每一相以及接地电阻21，接地电阻21接地。由于三个断路器22并联连接，且三个断路器22的两端均分别连接三相输电线的每一相以及接地电阻21，因此，三个断路器22互不相关，且通过每个断路器22能够分别实现输电线与大地之间的连接。

在本申请实施例中，消弧线圈装置3优选为消弧线圈，有偿补偿装置4优选为有偿补偿器。

更进一步，本申请实施例提供的单相接地故障的电流全补偿***还包括接地变压器5，接地变压器5串接于消弧线圈装置3和三相输电线之间，接地变压器5还串接于有偿补偿装置4和三相输电线之间。接地变压器5的设置能够减小配电网***发生单相接地故障时的对地电容电流的大小，进而提高配电***的供电可靠性。

当发生单相接地故障的接地类型为瞬时性接地时，通过消弧线圈装置3补偿接地电容电流的方式便能够实现发生单相接地故障处的补偿熄弧，进而实现对电力***的电流全补偿。

当发生单相接地故障的接地类型为非瞬时性接地时，控制装置1向故障相转移接地装置2发出故障相转移指令，该故障相转移指令用于指示将发生单相接地故障处产生的故障电流进行转移。当故障相转移接地装置2接收到故障相转移指令后，通过将与故障相输电线相连接的断路器22闭合，实现将故障电流部分转移至故障相转移接地装置2，此时***的故障残流包括剩余的故障电流以及转移至故障相转移接地装置2的接地电流。当故障电流部分转移至故障相转移接地装置2时，通过有偿补偿装置4根据转移至故障相转移接地装置2的故障电流输出全补偿的故障残流。

相应于本申请实施例提供的单相接地故障的电流全补偿***，本申请实施例还提供单相接地故障的电流全补偿方法，具体请参考附图3。

由附图3可知，本申请实施例提供的基于单相接地故障的电流全补偿方法具体包括：

S01：实时获取三相输电线的母线电压、零序电流和零序电压。

目前的输电线路通常为三相输电线，即A相输电线、B相输电线和C相输电线。在本申请实施例中，基于单相接地故障的电流全补偿***(下述简称电流全补偿***)中的控制装置采集三相输电线中每相输电线的母线电压、零序电流和零序电压，以便于在输电线路发生单相接地故障时，电流全补偿***根据采集到的母线电压、零序电流和零序电压对电力***进行电流全补偿。

由于电力线路发生单相接地的时间不确定，因此，为便于及时发现发生单相接地故障的输电线路，需要监控每条输电线路的电压、电流变化。在本申请实施例中，通过控制装置实时采集三相输电线中每相输电线的母线电压、零序电流和零序电压的方式监控每条输电线路的电压、电流变化。

S02：判断所述零序电压是否位于预设电压值范围内。

控制装置内设置有零序电压的预设电压值范围。当控制装置实时采集到三相输电线中每相输电线的零序电压时，控制装置判断采集到的零序电压是否位于预设电压值范围内，以便于电流全补偿***采用不同的方式实现对电力***的电流全补偿。这本申请实施例中，预设电压值范围为10-60v。

S03：若不位于，则消弧线圈装置补偿接地电容电流。

若控制装置实时采集到的零序电压不位于预设电压值范围内，则采集到的零序电压的电压值较小。此时，发生单相接地故障的接地类型为瞬时性接地。通过消弧线圈装置补偿接地电容电流的方式便能够实现发生单相接地故障处的补偿熄弧，进而实现对电力***的电流全补偿。因此，在本申请实施例中，当控制装置实时采集到的零序电压不位于预设电压值范围内时，通过消弧线圈装置补偿接地电容电流实现对电力***的电流全补偿。

具体地，如附图4所示，本申请实施例中，消弧线圈装置补偿接地电容电流的具体过程包括：

S031：根据所述零序电流和消弧线圈装置的电抗确定***的接地电容电流。

本申请实施例中的消弧线圈装置具有多个调节电抗大小的档位，且每个档位对应的电抗的数值以及输出电感电流的数值是已知的。因此，通过读取消弧线圈装置的档位便能够得知消弧线圈装置的电抗。

根据控制装置实时采集到的零序电流以及读取的消弧线圈装置的电抗确定***接地容抗。***接地容抗的计算公式为：其中，X_C为***接地容抗；I₀₁、I₀₂分别为消弧线圈装置的两个档位对应的零序电流值；X₀₁、X₀₂分别为消弧线圈装置的两个档位对应的电抗值。

根据确定的***接地容抗以及三相输电线中每相输电线的零序电压确定***的接地电容电流。接地电容电流的计算公式为：I_C＝U_i/X_C，其中，I_C为接地电容电流；U_i为发生故障相的零序电压；X_C为***接地容抗。

S032：判断所述消弧线圈装置输出的电感电流与所述电容电流的差值是否小于或等于预设差值，所述电感电流大于所述电容电流。

通常，消弧线圈装置输出的电感电流略大于***的接地电容电流，即电感电流的数值大于电容电流的数值，此时，消弧线圈装置能够实现对***的电流全补偿。由于弧线圈装置输出的电感电流略大于***的接地电容电流，因此，电感电流与接地电容电流之间存在一定的差值。在本申请实施例中，电感电流与接地电容电流之间的差值为预设差值，且该预设差值可以根据实际应用情况具体设定。

当发生单相接地故障时，为判断是否需要调节消弧线圈装置的档位，需要判断消弧线圈装置输出的电感电流是否略大于***的接地电容电流，即判断消弧线圈装置输出的电感电流与电容电流的差值是否小于或等于预设差值。

S033：若所述电感电流与所述电容电流的差值大于所述预设差值，则调整所述消弧线圈装置输出的电感电流，以使所述电感电流与所述电容电流的差值小于或等于所述预设差值，且所述电感电流大于所述电容电流。

若电感电流与电容电流的差值大于预设差值，则调整消弧线圈装置输出的电感电流以使电感电流与电容电流的差值小于或等于预设差值，且电感电流大于电容电流。通常，通过调整消弧线圈装置的档位调整消弧线圈装置输出的电感电流，即通过调整消弧线圈装置的电抗调整消弧线圈装置输出的电感电流。

如若电感电流与电容电流的差值大于预设差值，且电感电流的数值远大于电容电流的数值，则提高消弧线圈装置的电抗，以使得消弧线圈装置输出的电感电流降低，电感电流与电容电流的差值小于或等于预设差值且电感电流大于电容电流。若电感电流与电容电流的差值大于预设差值，且电感电流的数值小于电容电流的数值，则降低消弧线圈装置的电抗，以使得消弧线圈装置输出的电感电流提高，电感电流与电容电流的差值小于或等于预设差值且电感电流大于电容电流。

当电感电流与电容电流的差值小于等于预设差值，且电感电流大于电容电流时，则不调整消弧线圈装置输出的电感电流。

S04：若位于，则记录所述零序电压位于所述预设电压值范围内的时间。

若控制装置实时采集到的零序电压位于预设电压值范围内，则记录零序电压位于预设电压值范围内的时间，即记录发生单相接地故障的持续时间。

S05：根据所述母线电压确定发生单相接地故障的三相输电线为故障相输电线。

当控制装置实时采集到的零序电压位于预设电压值范围内时，根据采集到的母线电压确定哪相三相输电线发生单相接地故障，进而将发生单相接地故障的三相输电线为故障相输电线。具体地，比较三相输电线对应的母线电压的大小，选取电压值最小的母线电压对应的三相输电线为故障相输电线。如A相输电线的母线电压值为15kv，B相输电线的母线电压值为20kv以及C相输电线的母线电压值为22kv。A相输电线的母线电压值最小，因此，确定A相输电线为发生单相接地故障的故障相输电线。

S06：根据记录的所述时间判断接地类型，所述接地类型包括瞬时性接地和非瞬时性接地。

当发生单相接地故障时，接地的时间不同，因此，根据接地时间的不同将接地类型划分为瞬时性接地和非瞬时性接地。由此，这本申请实施例中，根据记录的时间判断接地类型。具体地，控制装置中设定接地的预设时间。判断记录的时间是否小于预设时间。当记录的时间小于预设时间时，确定此次发生单相接地故障的接地类型为瞬时性接地。当记录的时间大于或等于时，确定此次发生单相接地故障的接地类型为非瞬时性接地。

在本申请实施例中，预设时间通常为3-10s，具体时间根据实际应用场景确定。

S07：若所述接地类型为所述非瞬时性接地，则控制装置发出故障相转移指令，以使故障相转移接地装置控制所述故障相输电线接地，有偿补偿装置输出全补偿的故障残流。

若发生单相接地故障的接地类型为非瞬时性接地，则控制装置发出故障相转移指令，故障相转移接地装置和有偿补偿装置根据故障相转移指令做出相应的动作。

具体地，当发生单相接地故障的接地类型为非瞬时性接地时，控制装置向故障相转移接地装置发出故障相转移指令，该故障相转移指令用于指示将发生单相接地故障处产生的故障电流进行转移。当故障相转移接地装置接收到故障相转移指令后，通过将与故障相输电线相连接的断路器闭合，实现将故障电流部分转移至故障相转移接地装置，此时***的故障残流包括剩余的故障电流以及转移至故障相转移接地装置的接地电流。

如附图2中，当A相输电线发生单相接地故障时，即故障点G经过过渡电阻R_g发生单相接地故障时，产生的故障电流I_g流经过渡电阻R_g后通过H点接入大地。若故障点G的接地类型为非瞬时性接地，则控制装置向故障相转移接地装置发出故障相转移指令。故障相转移接地装置接收到该故障相转移指令后，与A相输电线相连接的断路器Ka闭合。此时，故障相转移接地装置中的接地电阻R_z与过渡电阻R_g并联连接，且接地电阻R_z与过渡电阻R_g均接地。由于接地电阻R_z与过渡电阻R_g并联连接，因此，通过接地电阻R_z与过渡电阻R_g的电流分别为接地电流I_z和故障电流I_g，且接地电流I_z和故障电流I_g之和为故障残流I_cc。

由于接地电阻R_z与过渡电阻R_g并联连接，为使故障电流I_g绝大部分转移为接地电流I_z，根据电路原理，接地电阻R_z的电阻值远远小于的过渡电阻R_g电阻值，且接地电阻R_z的电阻值与过渡电阻R_g电阻值至少相差一个数量级。如接地电阻R_z的电阻值为1Ω，则过渡电阻R_g电阻值至少为10Ω。此时，故障点G处产生的故障电流I_g基本转移为接地电流I_z。在本申请实施例中，接地电阻R_z的电阻值为变压站接地网的接地电阻值，即0.5Ω。

故障电流I_g和接地电流I_z的关系为：

其中，I_g为故障电流；I_z为接地电流，R_g为过渡电阻，R_z为接地电阻。

由公式(1)可知，接地电流I_z与故障电流I_g成正比关系。在理想情况下，接地电流I_z为零，此时，故障电流I_g得到全补偿。根据电路原理，故障电流I_g也为零。由于接地电流I_z与故障电流I_g均为零，因此，在一个电路回路中两点之间没有电流流过，由此，过渡电阻R_g与接地电阻R_z之间的电位差为零。由于接地电阻R_z接地，因此，接地电阻R_z的接地点为地电位。同样的，故障点G也为地电位。由于故障点G为地电位，因此，有人员经过或触及故障点G也不会引起安全问题。

但绝大多数情况下接地电流I_z不为零，因此，需要有偿补偿装置提供反相电流便能够实现故障电流I_g的全补偿，即有偿补偿装置根据转移至故障相转移接地装置的故障电流输出全补偿的故障残流。

如根据电路定律对附图2所示的***进行计算，能够得知***位移电压与过渡电阻的关系式为：

其中，U_n为***位移电压(接地后转移前实时测量得知)；E_A为A相输电线的母线电压(接地前实时测量得知)；R₀为零序电阻(接地前实时测量得知)；C₀为相对地电容(接地前实时测量得知)；L为消弧线圈装置中消弧线圈的电感；R_g为过渡电阻；j为；ω为。

将公式(2)变换可得：

由于故障残流I_cc为接地电流I_z和故障电流I_g之和，因此，根据公式(1)和公式(3)能够得到有偿补偿装置实现全补偿的输出量-I_cc的计算公式为：

在通过将与故障相输电线相连接的断路器闭合，实现将故障电流部分转移至故障相转移接地装置后，有偿补偿装置通过输出故障残流I_cc的相反值实现对***的电流全补偿。

若发生单相接地故障的接地类型为瞬时性接地，则控制装置不会做出任何指示，故障相转移装置、消弧线圈装置以及有偿补偿装置也不会做出任何动作。

在本申请实施例提供的基于单相接地故障的电流全补偿***适用于6-35kV电力***的单相接地故障的电流全补偿。在本申请实施例中，当零序电压不位于预设电压值范围内时，即发生单相接地故障的接地类型为瞬时性接地时，通过对高阻接地识别具有高灵敏性的消弧线圈装置补偿接地电容电流。当零序电压位于预设电压值范围内时，即发生单相接地故障的接地类型为非瞬时性接地时，将与故障相相连接的故障相转移接地装置中的断路器闭合，实现故障电流转为接地电流，进而通过有偿补偿装置输出全补偿的故障残流。将故障电流转为接地电流还能够将接地电流作为有偿补偿装置进行跟踪补偿的信号，为有偿补偿装置的补偿效果提供判断依据。另外，接地电流能够通过测量确定，且测量简便，无需复杂计算，从而能够保证补偿快速、准确，提高补偿精度，屏蔽故障点。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里实用新型的公开后，将容易想到本实用新型的其它实施方案。本申请旨在涵盖本实用新型的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本实用新型的一般性原理并包括本实用新型未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本实用新型的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。本实用新型并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本实用新型的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (5)

1.一种基于单相接地故障的电流全补偿***，其特征在于，包括控制装置(1)、故障相转移装置(2)、消弧线圈装置(3)以及有偿补偿装置(4)，其中，

所述控制装置(1)分别电连接所述故障相转移装置(2)、所述有偿补偿装置(4)以及三相输电线；

所述故障相转移装置(2)、所述消弧线圈装置(3)以及所述有偿补偿装置(4)并联连接；

所述故障相转移装置(2)、所述消弧线圈装置(3)以及所述有偿补偿装置(4)均分别连接至所述三相输电线的每一相；

所述故障相转移装置(2)、所述消弧线圈装置(3)以及所述有偿补偿装置(4)均接地。

2.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述故障相转移装置包括接地电阻(21)以及三个并联的断路器(22)，所述控制装置(1)分别电连接每个所述断路器(22)；三个所述断路器(22)的两端均分别连接所述三相输电线的每一相以及所述接地电阻(21)，所述接地电阻(21)接地。

3.根据权利要求1或2所述的***，其特征在于，所述***还包括接地变压器(5)，所述接地变压器(5)串接于所述消弧线圈装置(3)和所述三相输电线之间，所述接地变压器(5)还串接于所述有偿补偿装置(4)和所述三相输电线之间。

4.根据权利要求1或2所述的***，其特征在于，所述消弧线圈装置(3)为消弧线圈。

5.根据权利要求1或2所述的***，其特征在于，所述有偿补偿装置(4)为有偿补偿器。