中性点经软投切调匝消弧线圈接地的补偿方法及控制系统与流程

1.本发明涉及电力系统配电网技术领域，具体涉及中性点经软投切调匝消弧线圈接地的补偿方法及控制系统。


背景技术：

2.目前调匝式消弧线圈应用场景一般是：中性点经消弧线圈和阻尼电阻串联在一起接地，阻尼电阻与反并联可控硅并接，消弧线圈首先整定在最佳补偿状态，增加阻尼电阻使电网阻尼率增大，达到限制串联谐振过电压小于15％的目的，接地发生后快速去除阻尼电阻，来实现最佳补偿，采用此方式存在着下列几个问题：
3.a.增加阻尼电阻的方式在发生单相接地时增加了电能损耗与外界温升，不利于节能和柜体内散热；
4.b.当电容电流很大时，阻尼电阻的体积和工艺也受到一定限制，成本也相应增加；
5.c.发生单相接地时，因接地时刻不同，残流中可能出现较大的直流分量和高次谐波分量，残流稳定时间大大增加，这势必造成故障点易弧光重燃或灭弧时间延长，绝缘损坏风险增大；并且在残流未达到稳定时若接地解除，故障相电压恢复时间可能被缩短，不利于故障点灭弧。


技术实现要素：

6.针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供中性点经软投切调匝消弧线圈接地的补偿方法及系统。
7.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
8.中性点经软投切调匝消弧线圈接地的补偿方法，将中性点引出并经调匝式的消弧线圈、反并联的可控硅串联后接地；
9.在电网正常运行时，可控硅处于截止状态使中性点不接地，使消弧线圈预设在所需补偿状态；
10.在电网发生单相接地故障时，在中性点电压峰值时刻使可控硅导通，消弧线圈投入中性点上，补偿电容电流。
11.在本发明中，进一步的，所述在中性点电压峰值时刻使可控硅导通包括：监测中性点电压瞬时值，判断中性点电压瞬时值是否超过阈值，当中性点电压达到阈值后，启动过零检测，当检测到过零点后，延时使可控硅导通。
12.在本发明中，进一步的，所述消弧线圈电感电流由暂态的直流分量和稳态的交流分量组成，消弧线圈电感电流振荡角频率与电源的角频率相等，幅值与接地瞬间电源电压的相角有关，φ＝0时其值最大，时，其值最小。表达式为：
13.14.其中i
l
为电感电流、u
φm
为相电压幅值、为接地时刻相角、l为电感、τl为时间常数。
15.在本发明中，优选的，所述反并联的可控硅包括两个结构相同且反并联的支路，每个支路由两个相同规格的单一可控硅串联组成。
16.在本发明中，优选的，所述延时的时间为5ms，为过所述零点后的第一个峰值所用的时间。
17.中性点经软投切调匝消弧线圈接地的控制系统，基于所述补偿方法，包括信号板、核心板以及触发板；
18.所述信号板用于采集中性点的电压瞬时值；
19.所述核心板与所述信号板电连接，用于接收监测中性点的电压瞬时值，并判断中性点电压瞬时值是否超过阈值，当连续超过阈值的点数达到设定值后，进行过零检测，当检测到过零点后，延时5ms引脚输出高电平到触发板；
20.所述触发板的输入端与所述核心板电连接，输出端与所述可控硅连接，触发板接收到核心板的高电平并处理后驱动可控硅导通。
21.在本发明中，进一步的，所述触发板与所述可控硅的支路相对设置，每个所述触发板包括：
22.放大电路，所述放大电路与所述核心板连接，用于对核心板输出信号进行放大；
23.555电路，所述555电路与所述放大电路连接，用于输出控制可控硅导通的驱动信号。
24.驱动电路，所述驱动电路一端与所述555电路连接，另一端经过隔离脉冲变压器与所述可控硅连接，所述驱动电路接收555电路的驱动信号控制可控硅导通。
25.在本发明中，进一步的，所述放大电路包括第一三极管，所述第一三极管的发射极经十六电阻接地，所述十六电阻连接经第八二极管、第六二极管连接至555电路连接。
26.在本发明中，进一步的，所述555电路包括定时器，所述定时器的复位端口与所述第六二极管连接，所述定时器的放电端口经过六电阻连接有第二三极管的集电极，第二三极管的集电极经过十一电阻接地，所述十一电阻与所述驱动电路连接。
27.在本发明中，进一步的，所述驱动电路包括晶体管，所述晶体管的基极与所述第二三极管的发射极连接，所述晶体管的集电极经过限流电阻连接有隔离脉冲变压器的一次侧，所述隔离脉冲变压器的二次侧与所述可控硅连接用于驱动可控硅导通。
28.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
29.本发明的装置在电网正常运行时，可控硅处于截止状态，此时系统为中性点不接地情况，可直接将调匝式消弧线圈预设在最佳补偿状态，无需考虑串联谐振过电压带来的影响。
30.在发生单相接地故障时，检测到过零点后，延时5ms(即在该过零点后第一个峰值)投入消弧线圈，此时为中性点经消弧线圈接地情况，可有效减少或消除残流中产生的直流分量和高次谐波分量，将残流稳定时间限制在了100ms以内，使消弧线圈能更加有效灭弧和抑制弧光产生；在发生间歇性接地或瞬时接地时，采用本发明的补偿原理，可延长故障相电压恢复时间，破坏电弧产生和维持的条件；此外，本发明装置与投切阻尼电阻方式相比，体积更小，触发方式简单，可靠性高，对柜体温升不会有影响。
附图说明
31.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
32.图1是本发明的故障相电压与时间的关系图；
33.图2是本发明的消弧线圈一次接线图；
34.图3是本发明控制系统的结构框图；
35.图4是本发明的中触发板的电路图。
具体实施方式
36.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。
37.需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
38.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
39.本发明一较佳实施方式提供中性点经软投切调匝消弧线圈接地的补偿方法，具体为将中性点引出并经调匝式的消弧线圈、反并联的可控硅串联后接地；
40.在电网正常运行时，可控硅处于截止状态使中性点不接地，使消弧线圈预设在所需补偿状态。电网正常运行时可控硅处于截止状态，此时为中性点不接地情况，可直接将调匝式消弧线圈预设在最佳补偿状态，无需考虑串联谐振过电压带来的影响。
41.在电网发生单相接地故障时，在中性点电压峰值时刻使可控硅导通，消弧线圈投入中性点上，补偿电容电流。
42.具体的，发生单相接地故障瞬间，流过故障点的暂态接地电流(残流)由暂态电容电流和暂态电感电流两部分组成。由于暂态过程中消弧线圈等效感抗非常大，而且暂态电感电流和电容电流频率不同，即二者不能相互补偿。暂态电容电流衰减很快，而暂态电感电流衰减较慢，暂态接地故障电流的幅值和频率主要由电容电流决定，暂态电感电流的直流分量不会影响接地点故障电流的极性，只会改变其幅值的大小。
43.消弧线圈电感电流由暂态的直流分量和稳态的交流分量组成，暂态电感电流振荡角频率与电源的角频率相等，幅值与接地瞬间电源电压的相角有关，φ＝0时其值最大，时，其值最小。表达式为：
[0044][0045]
其中i
l
为电感电流、u
φm
为相电压幅值、为接地时刻相角、l为电感、τl为时间常数。
[0046]
如图1所示，当发生单相接地故障时，中性点电压上升至相电压，依据现有理论支撑，为了降低或消除故障电流中的直流分量，在中性点电压峰值时刻(故障相电压相位相同)投入消弧线圈，此时电感电流从零增加，残流中的直流分量被消除，补偿后的残流能够快速稳定，接地补偿效果最为理想。
[0047]
因此，在本发明中，将中性点引出并经调匝式的消弧线圈、反并联的可控硅串联后接地，通过高压可控硅的关断，投切消弧线圈。具体的，如图2为可投切式消弧线圈一次接线图，通过在电网的输出端连接电压器互感器pt，电压器互感器pt经过电感lf与可控硅、消弧线圈连接，其中电感电压互感器pt作为源信号，其二次侧经过压降和调理电路后进入控制系统，作为采集信号的输入，在装置上电后，核心板不断监测中性点电压瞬时值，判断中性点电压瞬时值是否超过阈值，当中性点电压达到阈值后，启动过零检测，由于在接地开始后短时间内中性点电压处于暂态过程，频率并非50hz，为了更精确在峰值位置投入消弧线圈，可在中性点电压1～2个波后(即2
‑
4个过零点)开启延时5ms并随后输出高电平，控制可控硅导通。
[0048]
同时，发生单相接地故障时，在检测到过零点后，延时5ms(即在该过零点后第一个峰值)投入消弧线圈，可有效减少或消除残流中产生的直流分量和高次谐波分量，将残流稳定时间限制在了100ms以内(dlt 1057行业标准中规定残流稳定时间水平分级1级别残流稳定时间应小于100ms)，使消弧线圈能更加有效灭弧和抑制弧光产生。
[0049]
由于消弧线圈在峰值时刻投入，消弧线圈中电感电流基本只含有基波分量，接地点的电容电流在消弧线圈补偿下暂态过程大大缩短，迅速达到稳定状态，大量试验表明，残流稳定时间均在100ms以内，尤其是在金属接地或小电阻接地时，消弧线圈的补偿效果得到了极大提升。同时，在发生间歇性接地或瞬时接地时，采用上述补偿原理，可延长故障相电压恢复时间，破坏电弧产生和维持的条件。
[0050]
在本发明中，优选的，反并联的可控硅包括两个结构相同且反并联的支路，每个支路由两个相同规格的单一可控硅串联组成，每个支路由两个相同规格的单一可控硅串联组成，目的是增加可控硅耐压等级，为保证各支路的可控硅能同时被触发，触发极连接到同一块触发板上。具体的，其中一条支路由单一可控硅t1、单一可控硅t3串联构成一级可控硅，另一条支路由单一可控硅t2、单一可控硅t4串联构成二级可控硅。
[0051]
基于上述补偿方法，如图3所示，中性点经软投切调匝消弧线圈接地的控制系统，包括信号板、核心板以及触发板；
[0052]
所述信号板用于采集中性点的电压瞬时值，具体对电压互感器pt二次侧的输出电压进行检测。
[0053]
所述核心板与所述信号板电连接，用于接收监测中性点的电压瞬时值，并判断中性点电压瞬时值是否超过阈值，当连续超过阈值的点数达到设定值后，进行过零检测，当检测到过零点后，延时5ms引脚输出高电平到触发板；
[0054]
所述触发板的输入端与所述核心板电连接，输出端与所述可控硅连接，触发板接收到核心板的高电平并处理后驱动可控硅导通。
[0055]
在本发明中，进一步的，触发板与所述可控硅的支路相对设置，因此，在本方案中，触发板设有结构相同的两个，一个用于触发第一级可控硅，另一个用于触发第二级可控硅，两个触发板的触发信号均由核心板进行控制。
[0056]
在本发明中，进一步的，每个所述触发板包括：
[0057]
放大电路1，所述放大电路1与所述核心板连接，用于对核心板输出信号进行放大；
[0058]
555电路2，所述555电路2与所述放大电路1连接，用于输出控制可控硅导通的驱动信号。
[0059]
驱动电路3，所述驱动电路3一端与所述555电路2连接，另一端经过隔离脉冲变压器与所述可控硅连接，所述驱动电路3接收555电路2的驱动信号控制可控硅导通。
[0060]
具体的，本实施方式以其中一个触发板为例进行说明，如图4所示，放大电路1包括第一三极管tv1，所述第一三极管tv1的发射极经十六电阻r16接地，所述十六电阻r16连接经第八二极管d8、第六二极管d6连接至555电路2连接。10kv可控硅的触发板接收到核心板的高电平，经过放大电路1进行放大后输入至555电路2中。
[0061]
555电路2包括定时器u1，所述定时器u1的复位端口r与第六二极管d6连接，经放大后的信号拉高定时器u1的复位端口r，使定时器u1开始工作。定时器u1的放电端口q经过六电阻r6连接有第二三极管tv2的集电极，第二三极管tv2的集电极经过十一电阻r11接地，十一电阻r11与所述驱动电路3连接。具体的，定时器u1启动后，输出恒定频率的脉冲信号，该信号驱动第二三极管tv2导通，以控制驱动电路3开启。
[0062]
在本发明中，进一步的，驱动电路3包括晶体管q1，所述晶体管q1的基极与第二三极管tv2的发射极连接，如此提高定时器u1输出脉冲的驱动能力，所述晶体管q1的集电极经过限流电阻r8连接有隔离脉冲变压器t1的一次侧，所述隔离脉冲变压器t1的二次侧与所述一级可控硅连接用于驱动一级可控硅导通。
[0063]
具体的，晶体管q1导通或者截止时，将在隔离脉冲变压器t1二次侧感应出同频率的脉冲电压，驱动一级可控硅导通。隔离脉冲变压器t1的主要作用是使一次侧与二次侧的电气完全绝缘，也使该回路隔离。另外，利用其铁芯的高频损耗大的特点，从而抑制高频杂波传入控制回路。
[0064]
此外，触发板上还有单独的电源模块，通过连接外部的开关电源以输入dc24v和dc12v的电源，dc24v用于给隔离脉冲变压器t1供电，dc12v用于给放大电路1、555电路2、驱动电路3供电。
[0065]
在本发明中，工作原理：
[0066]
本发明通过信号板采集采集中性点的电压瞬时值并传输至核心板，核心板不停判断中性点电压瞬时值是否超过阈值，当中性点电压达到阈值后，软件启动过零检测，当检测到过零点后，核心板发出输出的高电平信号至触发板。
[0067]
触发板由放大电路1、555电路22、驱动电路3以及隔离脉冲变压器t1等主要元器件组成，接收到核心板输出的高电平后，触发板开始工作，以两路相同的约9k频率的脉冲信号控制反并联的可控硅，由于可控硅本身的特性，处在正向电压下的两个可控硅导通，反向电压下的两个可控硅即使有脉冲，仍处于截至状态，反并联的可控硅保证工频正弦波全波导
通，这样消弧线圈就被投到中性点上了。
[0068]
消弧线圈被投到电网上后，核心板将不停检测中性点电压是否低于阈值(即判断接地是否解除)，若中性点电压一直大于阈值，核心板将一直输出高电平，若在某一时刻低于阈值，说明接地故障已解除，此时高电平延时一段时间后被置低，触发板接收到低电平后定时器u1停止输出脉冲，可控硅截止，消弧线圈脱离中性点，进入中性点不接地情况，在该情况下，调匝式消弧线圈预设在最佳补偿状态，不需考虑串联谐振过电压带来的影响。
[0069]
上述说明是针对本发明较佳可行实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本发明的专利申请范围，凡本发明所提示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本发明所涵盖专利范围。