一种配电网单相接地故障无源柔性消弧装置及方法与流程

1.本发明涉及配电网消弧技术领域，更具体地说，它涉及一种配电网单相接地故障无源柔性消弧装置及方法。


背景技术：

2.在我国广袤的山区和丘陵地带遍布配电线路架空线路，其输电走廊难免受到树竹侵扰，尤其在外力（如雷击、大风等）作用下，架空线可能会与较高的树木枝干间发生放电。树木的电阻率高，体积大，树线放电将引发单相高阻接地故障。穿越山林的配电网一般为中性点不接地系统，发生单相高阻接地故障后，系统能够继续运行1-2h。但由于线路分布电容的存在，故障点有容性电流在导线和大地之间连通，长时间运行可能形成电弧，损毁电力设备，严重时可能引发山火。因此，配电网线路发生单相接地故障而系统继续运行时间内，必须采取消弧措施，降低故障点电流，避免因故障电流引发电弧造成次生灾害。
3.目前配电网常用的消弧技术可分为有源消弧技术和无源消弧技术。有源消弧技术可以实现故障电流有功、无功和谐波分量的全补偿，主要通过晶闸管等电力电子装置注入补偿电流来实现。长沙理工大学的曾祥君等人提出了配电网主动降压消弧方法，能够动态感知及抑制半永久性接地故障电流，从而使故障相电压补偿至零。国家电网有限公司应用主动干预型消弧装置，通过抑制弧光过电压减少故障点电流，在故障线路被切除之前对接地故障点进行保护，防止引发山林火灾。瑞典swedish neutral公司研制了接地故障中和器，基于故障残流补偿理论，将消弧线圈和残流补偿器进行组合补偿系统中容性无功电流和有功分量残流。上述有源消弧技术具有良好的消弧效果，但其成本高昂，原理复杂，在山区和偏远地带的大规模推广应用需考虑其经济性和可靠性。
4.相比之下，在线路中安装以消弧线圈为典型代表的无源消弧装置，是目前常用的消弧措施。消弧线圈能补偿故障电流中的无功分量，适用于故障点主要为容性电流的树线放电高故障情形。故障点的容性电流会随故障情形、线路状态、系统运行方式等发生改变，因此消弧线圈需要产生可变的感性电流。分散补偿消弧线圈、快速调匝式消弧线圈等设备均能实现容性电流的跟踪补偿，其调谐过程依赖于实时测量的线路容性电流。但相关方案的控制方法相对复杂，改装成本高，尤其容性电流的实时测量及匹配精度有待提高，在山林配电网中进行大规模推广应用仍面临较多问题。


技术实现要素：

5.本技术一方面提供一种配电网单相接地故障无源柔性消弧装置，通过消弧线圈和电容器组的配合使用进行消弧，控制简单、改装成本低。
6.本技术的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：包括消弧线圈，所述消弧线圈与三相配电线路的中性点连接，将所述三相配电线路接地；电容器组，所述电容器组与所述消弧线圈并联，所述电容器组包括多级并联的电
容器，各级所述电容器均由开关控制开断。
7.采用上述技术方案，在三相配电线路中性点接入消弧线圈能够通过消弧线圈产生的感性电流抵消配电线路对地容性电流, 实现消弧，并联电容器组可以根据所需电容值进行投入，满足多种故障情形下的补偿需求，且目前配电网中大多已经安装了过补偿消弧线圈，与将原有的消弧线圈改装为可调节电感量的新型消弧线圈相比，直接在配网中增设电容器组所需的改装成本更低，改装难度也更小。
8.进一步的，所述电容器组包括n级并联的电容器，所述n为正整数，所述电容器组的总电容为c，各级所述电容器的电容值分别为c/2、c/4、c/8
……
以及c/2n。
9.采用上述技术方案，电容器组的分组方式会显著影响补偿效果。若对各级电容器的电容值进行等分，则当电容器组级数较少时所能投入的电容值连续性不够，将导致过补偿或欠补偿，采用上述二分法对电容器的电容值进行划分，可以以较少的级数实现电容值精细化调节，保证投入电容值的连续性。
10.本技术另一方面，提供一种配电网单相接地故障无源柔性消弧方法，基于上述的消弧装置实现消弧，无需实时测量容性电流即可实现树线放电高阻故障柔消弧。
11.本技术的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：包括s1、在三相配电线中投入上述的配电网单相接地故障无源柔性消弧装置；s2、获取线路首端零序电流和消弧线圈电压，根据所述线路首端零序电流和所述消弧线圈电压计算投入电容值；s3、在电容器组中选择电容值与所述投入电容值最接近的组合逐级投入。
12.采用上述技术方案，仅需测量线路首端零序电流和消弧线圈电压即可计算投入电容值，进而实现容性电流补偿消弧，无需实时测量线路对地容性电流；电容器分组逐级投入补偿，可以减小电容器投入时的暂态冲击电流，避免损坏电力设备，保障系统的正常运行。
13.进一步的，所述步骤s2，包括获取非故障线路零序电流和故障线路零序电流，将所述非故障线路零序电流与所述故障线路零序电流相减获得故障电流，获取消弧线圈电压，根据所述消弧线圈电压和所述故障电流计算投入电容值。
14.进一步的，所述投入电容值为：其中，c0为投入电容值，if为故障电流， u
l
为消弧线圈电压。
15.进一步的，所述步骤s3中，所述电容器组包括n级并联的电容器，所述n为正整数，有2
n-1种组合，计算所述组合的总电容值，以及所述总电容值与所述投入电容值的差值，将所述差值最小的组合投入。
16.进一步的，将所述组合的总电容值导入表格，通过查询表格的方式获得与所述投入电容值最接近的组合。
17.进一步的，所述组合由电容器的电容值从大到小逐级投入。
18.采用上述技术方案，首先通过大电容补偿大部分的感性电流，随后对于残余的感性电流采用小电容进行补偿，由此既可以减少所投入的电容器数量，也能实现精确的电流补偿，从而达到消弧目的。
19.进一步的，所述消弧线圈容量和电容器组的总电容值通过如下步骤获得：通过扫
频法获得三相配电线对地容性电流，根据所述对地容性电流计算消弧线圈容量，通过预设的过补偿容量整定所述消弧线圈容量，获得消弧线圈过补偿容量，所述消弧线圈过补偿容量为电容器组的总容量，根据所述电容器组的总容量计算电容器组的总电容值。
20.进一步的，所述电容器组的总电容值为：其中， c为电容器组总电容值， qc为电容器组的总容量，u
φ
为系统相电压。
21.与现有技术相比，本技术具有以下有益效果：1、本技术一方面提供了一种配电网单相接地故障无源柔性消弧装置，通过消弧线圈和电容器组的配合使用进行补偿消弧，仅需在现有的过补偿消弧线圈上并联电容器组即可，改装成本低、难度小，电容器组的设计可以根据所需电容值进行投入，满足多种故障情形下的补偿消弧需求。
22.2、本技术另一方面提供了一种配电网单相接地故障无源柔性消弧方法，无需实时测量线路对地容性电流，通过线路首端零序电流和消弧线圈电压即可计算投入电容值，进而投入电容器，电容器分组逐级投入补偿，可以减小电容器投入时的暂态冲击电流，避免损坏电力设备，保障系统的正常运行。
附图说明
23.此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本技术的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：图1为本发明一实施例提供的中性点不接地配电线路高阻接地故障示意图；图2为本发明一实施例提供的消弧线圈、电容器投入消弧的结构示意图；图3为本发明一实施例提供的本技术消弧装置的结构示意图；图4为本发明一实施例提供的消弧方法的流程示意图；图5为本发明一实施例提供的10kv配电线路仿真系统结构示意图；图6为本发明一实施例提供的故障点电流波形示意图；图7为本发明一实施例提供的故障线路零序电流波形示意图。
具体实施方式
24.在下文中，可在本技术的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所申请的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本技术的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。
25.在本技术的各种实施例中，表述“或”或“b或/和c中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“b或c”或“b或/和c中的至少一个”可包括b、可包括c或可包括b和c二者。
26.在本技术的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施
例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本技术的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。
27.应注意到：如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成元件或与另一组成元件“相连”，则可将第一组成元件直接连接到第二组成元件，并且可在第一组成元件和第二组成元件之间“连接”第三组成元件。相反地，当将一个组成元件“直接连接”到另一组成元件或与另一组成元件“直接相连”时，可理解为在第一组成元件和第二组成元件之间不存在第三组成元件。
28.在本技术的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本技术的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本技术的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本技术的各种实施例中被清楚地限定。
29.为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本技术作进一步的详细说明，本技术的示意性实施方式及其说明仅用于解释本技术，并不作为对本技术的限定。
30.参见图1所示，图1为中性点不接地配电线路高阻接地故障示意图，其中，u
φa
、u
φb
、u
φc
表示各相相电压，c
line
为线路对地分布电容，i
cline
为线路对地电容电流，if为故障点电流。单相高阻接地故障情形下，过渡电阻较大，流过故障点的阻性电流值较小。但由于c
line
的存在，在系统中没有其他接地点的情况下，i
cline
会通过故障点在导线和大地之间流通，导致if增大，引发电弧。因此，配电线路单相高阻接地故障消弧的关键在于减小故障点的容性电流。
31.在中性点接入消弧线圈能够抵消电网对地容性电流。但考虑到系统负荷增长和电网发展规划，消弧线圈通常运行在过补偿状态，消弧线圈的过补偿使故障点存在感性电流，仍可能引发电弧。相较于对消弧线圈的电感值进行调整，在中性点接入电容器补偿感性电流是一种改装难度更小，成本更低的方案。
32.参见图2所示，图2为消弧线圈、电容器投入消弧的结构示意图，在中性点接入消弧线圈和电容器，通过消弧线圈产生的感性电流抵消电网对地容性电流，通过电容器补偿感性电流。
33.图2中，l为消弧线圈，i
l
为消弧线圈感性电流，c
t
为中性点投入电容器，i
ct
为投入补偿电容器的电容电流。当满足：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（1）则故障点电流if≈0，从而实现消弧目的。
34.但消弧线圈加电容器的消弧装置存在两方面的问题，一方面，树线放电故障的过渡电阻范围为数千欧至数兆欧，随着放电发展，过渡电阻将逐渐降低，可能达到数百欧姆，
过渡电阻的大小会显著影响故障稳态特性，产生不同的if，故障发生在线路的不同位置也会导致if变化，若投入电容值固定，显然无法满足所有故障情形下的补偿需求；另一方面，电容器投入时会产生很大的暂态电流，可达其额定电流的数十或数百倍，可能损坏电力设备，影响系统正常运行，因此需要采取措施限制暂态电流。
35.为解决上述问题，本技术提出一种配电网单相接地故障无源柔性消弧装置，构造电容器组，将电容器组和消弧线圈配合使用，进行消弧。
36.参见图3所示，图3为本技术消弧装置的结构示意图，包括：消弧线圈和电容器组，消弧线圈与三相配电线路的中性点连接，将三相配电线路接地；电容器组与消弧线圈并联，电容器组包括多级并联的电容器，各级电容器均由开关控制开断。
37.在一些可能的实施例中，电容器组包括n级并联的电容器，n为正整数，各级电容器的电容值采用二分法确定，即假设电容器组的总电容为c，那么各级电容器的电容值分别为c/2、c/4、c/8
……
以及c/2n。
38.消弧线圈加电容器组的消弧装置，第一，节省了改装成本、降低了改装难度，目前配电网中大多已经安装了过补偿消弧线圈，直接在配网中增设电容器组即可完成改装；第二，电容器组的设置可以灵活调节投入电容值，以满足满足多种故障情形下的补偿需求；第三，电容器组采用二分法划分各级电容值，以较少的级数实现电容值的精细化调，可以根据需要逐级投入，减小电容器接入时的暂态冲击电流。
39.本技术第二方面，还提供一种配电网单相接地故障无源柔性消弧方法，应用于上述的消弧装置，无需实时测量容性电流即可实现树线放电高阻故障柔消弧。
40.参见图4所示，图4为消弧方法的流程示意图，包括s1、在三相配电线中投入上述的配电网单相接地故障无源柔性消弧装置；s2、获取线路首端零序电流和消弧线圈电压，根据所述线路首端零序电流和所述消弧线圈电压计算投入电容值；s3、在电容器组中选择电容值与所述投入电容值最接近的组合逐级投入。
41.在步骤s1之前，需要先确定消弧线圈容量和电容器组的总电容值，在一些可能的实施例中，电容器组的总电容值通过如下步骤获得：通过扫频法获得三相配电线对地容性电流，根据对地容性电流计算消弧线圈容量，通过预设的过补偿容量整定消弧线圈容量，获得消弧线圈过补偿容量，消弧线圈过补偿容量即为电容器组的总容量，根据电容器组的总容量计算电容器组的总电容值。
42.需要说明的是，执行消弧方法时，无需实时测量容性电流，但在消弧线圈以及电容器组容量整定时需要对容性电流进行估计，从而确定消弧线圈容量以及电容器组总电容值。
43.由于在消弧线圈容量计算中对地容性电流的测量精确度要求并不高，因此采用较为简单的扫频法估计系统对地容性电流即可。具体方法为：在消弧线圈另一端连接受控电流源，在变频信号激励下，受控电流源将产生一个频率随信号变化，幅值1a的电流流入线圈。由于线路存在对地分布电容，根据谐振原理，在特定频率下，线圈将与线路电容发生谐振，其电流和电压将达到最大值，即可确定谐振频率f0。根据电路原理，f0、l和c
line
存在如下关系：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（2）则对地容性电流ic为：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（3）其中，u
φ
为系统相电压，f为工频，x
cline
为线路电容容抗。综上所述，利用扫频法得出系统谐振频率f0，即可求出系统对地容性电流值。
44.需要说明的是，由于线路、负荷、变压器、电源等均存在一定的电感和电容量，扫频法得到的线路对地分布电容仅为估计值。该估计值可以用于整定消弧线圈容量，因为消弧线圈需要按过补偿整定，过补偿容量足以将扫频法测量误差包括在内。
45.根据电力系统规程，消弧线圈容量可通过如下公式进行计算：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（4）其中，q
l
为消弧线圈容量，单位为kva。k为负荷增长系数，一般取1.25-1.35之间。
46.电容器组的总容量qc应与消弧线圈过补偿容量的大小一致，为：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（5）因此，电容器组总电容c为：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（6）在确定消弧线圈容量以及电容器组总电容值后，根据实际电容器组的级数，按照二分法划分各级电容器电容值，假设电容器分为n组，则电容器组各电容大小应分别为：。
47.在步骤s1中，检测到配电网发生单相高阻接地故障时，将上述确定容量的消弧线圈投入配电网线路中。此时故障点存在故障电流，根据故障电流if即可计算电容器组所需投入的电容值c0，详见步骤s2。
48.在步骤s2中，获取非故障线路零序电流i
0nf
和故障线路零序电流i
0f
，将非故障线路零序电流i
0nf
和故障线路零序电流i
0f
相减获得故障电流if；获取消弧线圈电压，根据消弧线圈电压和故障电流计算投入电容值。
49.具体的，消弧线圈投入后，非故障线路零序电流i
0nf
即为中性点经消弧线圈接地电流i
l
，而故障线路零序电流i
0f
除i
l
外还包括故障电流if，即：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（7）
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（8）由此，可以通过i
0nf
和i
0f
的差值估计if。
50.需要说明的是，在实际运行中，需要考虑零序电流测量的精度问题。文献指出，在需要消弧措施避免次生灾害的阶段，即当树线放电发展至产生闪络的阶段，零序电流将远大于测量噪声，能够准确检出。同时，考虑到本发明的目标是将故障电流降至较低的范围内，而无需补偿全部容性电流，因此本发明允许零序电流存在一定的测量误差。
51.投入消弧线圈后可以测得消弧线圈电压u
l
，根据电容器的伏安特性，可以计算出电容器组所需投入的电容值，即投入电容值c0：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（9）为使故障点电流降至最小值，需要选择电容器投入，即组合投入，使组合的电容值c
t
尽可能接近c0。由于各级电容器的电容值已经确定，可直接计算各种组合情况下的总电容值，详见步骤s3。
52.在步骤s3中，假设电容器组包括n级并联的电容器，n为正整数，则共有c1 n c2 n c3 n c4 n
…
cnn=2
n-1种组合，计算所有组合的总电容值c
t1
、c
t2
、
…ct(2n-1)
，以及总电容值c
t
与投入电容值c0的差值|c
t-c0|，选择差值最小的组合投入。
53.在一些可能的实施例中，可以将各种组合计算出的总电容值导入表格，通过查询表格的方式获得与投入电容值最接近的组合。
54.进一步的，组合由电容器的电容值从大到小逐级投入。先通过大电容补偿大部分的感性电流，随后对于残余的感性电流采用小电容进行补偿，由此既可以减少所投入的电容器数量，也能实现精确的电流补偿，从而达到消弧目的。
55.上述的消弧方法，将二分法电容器组和消弧线圈配合使用，实现了不同配电网单相接地故障情形下故障点的有效消弧，且消弧时无需实时测量故障线路的电容电流，为配电网单相接地故障的柔性消弧提供了一种简单而可靠的方法。
56.本技术第三方面，提供仿真实验，以验证本技术的消弧装置以及消弧方法的效果情况。参见图5所示，图5为10kv配电线路仿真系统结构示意图，仿真系统共有7条线路，单相高阻故障发生于线路7的a相。线路长度设置为20km，即l1=l2=l3=l4=l5= l6=l
71
l
72
=20km。基于10kv配电线路仿真系统，研究系统发生单相高阻接地故障时的本技术消弧装置及方法的消弧效果，以及接地电阻、故障位置对消弧效果的影响。
57.在线路中性点接入1.0h的测试电感，通过扫频法测得谐振频率f0为90.38hz。将测得的f0代入式（3），可以算出系统对地容性电流ic为5.6245a。
58.根据式（4），计算出消弧线圈容量q
l
为42.215kva，其中k取1.3。对应的电感l=2.5134h。根据式（5）和式（6），可以得到需要配置的电容值c=9.3029
×
10-7
f。将电容器组分为8级，则各级电容大小为：c1=4.6514
×
10-7
f、c2=2.3257
×
10-7
f、c3=1.1629
×
10-7
f、c4=5.8143
×
10-8
f、c5=2.9071
×
10-8
f、c6=1.4536
×
10-8
f、c7=7.2679
×
10-9
f、c8=3.6339
×
10-9
f。由此可以计算各种电容器投入组合的总电容值。
59.此处设置故障电阻为500ω。虽然研究数据表明树线放电故障的过渡电阻一般为数十至数百千欧，但放电后可能降低至数百欧姆，因此设置故障电阻值为500ω，以模拟较为严重的接地故障情形。故障发生在线路3中点，即l
71
=l
72
=10km。t=0.1s时故障发生，t=
0.5s时消弧线圈投入，由式（9）可得需要投入的电容值c0=6.6907
×
10-7
f，因此投入c1、c3、c4和c5，不投入c2、c6、c7和c8。t=2.5s时，电容器按该方案逐级投入，每一级间隔0.1s（五个周波）。按该方案进行补偿的故障点电流波形如图6所示。结果表明，上述方案能使故障点电流有效值由消弧线圈投入前的5.773a降低至1.271ma，即降低为原来的0.022%，补偿效果显著。
60.为进一步说明本技术消弧装置及方法的消弧效果，设置在t=2.5s时电容器组同时全部投入的对照案例。由于电容器组全投入造成电容过补偿，补偿后故障点电流为0.4967a，比本技术补偿后残余故障电流高2个数量级。电容器按本技术投入和同时全部投入故障线路零序电流波形如图7所示，由于电容在线路中性点投入，投入时的暂态电流表现为各线路零序电流，因此会产生明显的暂态零序电流。由图7可知，按本技术投入时的最大暂态零序电流仅为10a左右，而同时全部投入的最大暂态零序电流为20a左右，可见本技术采用的消弧装置及方法能实现更好的补偿效果，且能够有效抑制电容器投入时的暂态过程。
61.以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。