一种电力网中性点柔性接地电流补偿系统的制作方法

本发明涉及电力系统技术领域，具体涉及一种电力网中性点柔性接地电流补偿系统。

背景技术：

三相交流电力系统中性点，即星形连接的变压器和电机的中性点，与大地之间的电气连接方式，称为电网中性点接地方式。中性点接地方式涉及电网的安全可靠性、经济性，直接影响设备绝缘水平的选择、系统过电压水平及继电保护方式、通讯干扰等。

110kV及以上电网一般采用大电流接地方式，即中性点有效接地方式，这样中性点电位固定为地电位，发生单相接地故障时，非故障相电压升高不会超过1.4倍运行相电压；暂态过电压水平也较低；故障电流很大，继电保护能迅速动作于跳闸，切除故障，系统设备承受过电压时间较短。在实际运行中，为降低单相接地电流，部分变压器采用不接地方式。

3～66kV配电网一般采用小电流接地方式，中性点不接地或经过消弧线圈和高阻抗接地的三相系统，当某一相发生接地故障时，由于不能构成短路回路，接地故障电流往往比负荷电流小得多，即中性点非有效接地方式。这种方式电网允许带单相接地故障短时运行，供电质量较好。在我国一般认为系统属于小电流接地系统电力网，美国和西欧一般把的系统归属于小电流接地系统。

中性点小电流接地方式主要可分为以下三种：中性点不接地、中性点经消弧线圈接地及中性点经电阻接地。我国电气设备设计规范中规定：35kV电网如果单相接地电容电流大于10A，3kV～10kV电网如果接地电容电流大于30A，都需要采用中性点经消弧线圈接地方式。随着供电网络的发展，特别是采用电缆线路的用户日益增加，使得电网单相接地电容电流不断增加，导致电网内单相接地故障发展为事故的可能性增加。为了避免单相接地故障扩大，配电网采用中性点经电阻接地方式，配合继电保护快速切除故障线路日渐增多，我国《城市电网规划设计导则》(施行)第59条中规定“35kV、10kV城网，当电缆线路较长、系统电容电流较大时，也可以采用电阻方式”。

中性点经电阻接地是在电网中性点与大地之间串联接入电阻器，当发生单相接地故障时，线路接地点产生较大的零序电流，零序保护作用于跳闸，切除故障线路及故障点，快速恢复系统正常运行状态。中性点电阻接地系统一般采用星形或曲折星形接法的接地变压器接入电网，电阻器接入接地变压器中性点，电阻器需要短时承受接地故障时的相电压和接地电流，应具有相应的容量和散热元件，电阻箱需要专门设计制造。由于电缆瞬时性故障概率较小，以电缆线路为主的电力网一般倾向于采用中性点经电阻接地，以快速切除故障。由于单相接地故障的故障电阻和线路的阻抗随着故障性质和距离不同有较大差异，因此，中性点经电阻接地方式可能出现保护拒动。

中性点经消弧线圈接地系统一般采用星形或曲折星形接法的接地变压器接入电网，消弧线圈(即可变单相电感器)接入接地变压器中性点和接地网之间。其基本原理是：电力网正常运行时，接地变压器中性点对地电压为零，消弧线圈电流为零；当电网出现单相接地故障时，非接地相电压升高，接地变压器中性点对地 电压升高(金属性接地可升高到相电压)，消弧线圈产生感性电流。流经消弧线圈的电感电流与不接地相对地分布电容电流的和为流过接地点的电流，电感电容上电流相位相差180度，相互补偿。架空线路的瞬时性故障比例很高，采用架空线路为主的电力网一般采用中性点不接地或经消弧线圈接地的方式。但是，由于消弧线圈和接地变压器都有有功损耗，实际上不可能完全补偿电容电流。为了避免谐振，通常配电网中采用过补偿。

配电网中性点接地方式一直有较多的争论，配置方法也各有不同。近年来，一些专家提出在消弧线圈上并联电力电子换流装置，提高补偿精度；另一些专家提出并联电阻以实现快速切除故障。以上方法，都需要附加的电力电子器件和电阻器要承受高压相电压，电源提供和设备制均存在很大问题。以上方法，电力网中性点接地方法比较单一，设备制造困难。

配电网中通常需要配置无功补偿设备，以减少电力网损耗，现多采用无源的电容器组/静态无功补偿或有源的静止无功发生器。配电网中的谐波通常采用无源或有源滤波器进行滤除。从理论上，无功补偿、谐波消除、对地电容电流补偿都是一种无功补偿技术，现有电力电子技术可以实现，可以统一按照无功功率进行补偿。

技术实现要素：

本发明的目的是解决小电流接地系统电力网的中性点柔性接地和无功补偿问题，实现一种实现具备多种接地方式并可在线切换的中性点柔性接地方法，同时解决电力电子器件通过变压器低压绕组控制高压电网承受高电压的技术问题，并可实现正常运行时无功补偿和滤除谐波功能。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种电力网中性点柔性接地电流补偿系统，其特征在于，包括：接地变压器、电力电 子装置、控制器以及整流电路；

其中，所述接地变压器一次绕组接入到电力网母线并中性点接地，所述二次绕组相线和中性线接入到所述电力电子装置的输出端，所述控制器连接到所述电力网母线的每一相和所述电力电子装置，用于测量所述电力网母线的电压和电流以及所述电力电子装置的各个回路的电压和电流，并且控制所述电力电子装置向所述接地变压器的二次绕组输入电流；所述整流电路的输入端接入到所述电力网母线中，所述输出端接入到所述电力电子装置，所述整流电路还连接到所述控制器，所述控制器控制所述整流电路为所述电力电子装置提供直流电流。

其中，所述接地变压器的铁芯形成零序磁通闭合回路，采用三相五柱式变压器、壳式变压器或三台单相变压器组中的任一种，所述接地变压器采用YN0/yn接线，一次绕组接入到所述电力网母线并中性点接地，所述接地变压器二次绕组按照三相四线制接线接入到所述电力电子装置的输出端。

其中，所述电力电子装置为四桥臂全控型电路，所述电力电子装置在所述控制器的控制下向所述接地变压器二次绕组分相注入可控电流，所述接地变压器一次绕组将可控电流注入电力网和大地，等效为电力网中性点接地系统。

其中，所述系统还包括整流变压器，所述整流变压器的一次绕组连接到所述电力网母线，二次绕组连接到所述整流电路的输入端，并且所述控制器连接到所述整流变压器，所述控制器控制所述整流变压器的输出电压。

其中，当发生电力网单相接地故障时，所述电力电子装置为控制器采集电力网电压和电流，控制所述电力电子装置产生交流电流输入到所述接地变压器，所述接地变压器一次绕组向非故障相与大地之间注入容性电流，等效补偿电力网非故障相对地电容 电流，使故障点入地电流减小，等效中性点经消弧线圈接地方式。

其中，当发生电力网单相接地故障时，所述控制器采集电力网母线电压和所述变压器支路的电流，控制所述电力电子装置产生交流电流输入到所述接地变压器，通过所述接地变压器一次绕组向故障相线路注入，形成故障点入地电流，产生一定数值的零序电流，启动故障线路零序保护动作，故障线路断路器跳闸，切除故障线路，等效中性点经电阻接地方式。

其中，所述当发生电力网单相接地故障时，所述控制器控制所述电力电子装置不产生交流电流输入到所述接地变压器，不影响配电网运行状态，等效中性点不接地方式。

其中，在电网正常运行时，所述控制器控制所述电力电子装置向所述接地变压器二次绕组注入可控无功电流或谐波电流，通过所述接地变压器注入电力网，实现无功补偿或滤除谐波的功能。

本发明提供的电力网中性点柔性接地电流补偿装置系统，电力电子装置接于所述变压器二次星形绕组的相线及中性点，具有以下优点：

1、使电力电子装置与电力网系统一次设备隔离，避免电力电子器件损坏导致电力网系统短路；

2、所述电力电子装置可以按照所述接地变压器二次绕组参数优化选择电力电子器件，减少器件数量或耐压要求，提高经济性和可靠性、降低成本。

3、所述电力电子装置通过所述接地变压器接入电力网，方便配置装置保护，提高电网可靠性。

4、通过所述接地变压器配置多组二次绕组和电力电子装置，实现多重化，提高功率；

5、通过为电力电子装置设置单独电源，可以明显提高补偿效果，克服变压器、电力电子装置的有功损耗引起的补偿误差；

6、模拟中性点经电阻接地时，注入的零序电流可以在一定范围内恒流，提高保护动作准确率，方便保护配置。

7、模拟中性点经电阻接地时，注入的零序电压仅为线路阻抗和接地故障电阻压降之和，注入功率较小，提高效率。

附图说明

图1是本发明的中性点柔性接地补偿系统的电路结构图；

图2是本发明的中性点柔性接地补偿系统实施例的电流示意图；

图3是本发明的实施例的补偿对地电容电流相量图；

图4是本发明的实施例的提供零序电流相量图；

图5是本发明的外供电源方案实施例的电路示意图；

图6是本发明的中性点柔性接地补偿系统的电流补偿多重化实施例的电路结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

图1是本发明的中性点柔性接地补偿系统的电路结构图；

参照图1，本发明的一个实施例的中性点柔性接地电流补偿系统，具体包括：接地变压器10、电力电子装置20、控制器30以及整流电路40；

其中，接地变压器10的一次绕组分别接入到电力网母线100的每一相，如A相、B相和C相，接地变压器10的二次绕组为星形带中性点结构，二次绕组接入到所述电力电子装置20的输出端，控制器30连接到电力网母线100的每一相和电力电子装置20，用于测量所述电力网母线的电压和电流以及所述电力电子装置的各个回路的电压和电流，并且计算后控制电力电子装置20向所述接地变压器10的二次绕组输入电流。所述整流电路40的输入端接 入到所述电力网母线100中，所述输出端接入到所述电力电子装置20，所述整流电路40还连接到所述控制器30，所述控制器30控制所述整流电路40为所述电力电子装置提供直流电流。

本实施例中，通过使用整流电路40，将电力网母线的交流电转换成直流电为电力电子装置提供直流电，并通过控制器调节整流电路的输入，从而可以减少外部电源的设置，并提高住入电流的质量。

上述实施例中，接地变压器10可以采用具有零序磁通闭合回路，可以选用量的三相五柱式变压器、壳式变压器或三台单相变压器组成变压器组，以下统称接地变压器。接地变压器的一次绕组接入到所述电力网母线、中性点接地，所述二次绕组接入到所述电力电子装置的输出端。设接地变压器的二次绕组变比为k。

在电力网发生单相接地故障时，所述的电力电子装置产生分相可控的交流电流，通过输入到接地变压器注入电力网和大地，模拟或等效电力网中性点经消弧线圈或电阻接地或不接地运行。

本发明将电力电子装置通过所述接地变压器接入电力网，方便配置装置保护，提高电网可靠性。

另外，本实施例的电力电子装置可以按照所述接地变压器二次绕组参数优化选择电力电子器件，减少器件数量或耐压要求，提高经济性和可靠性、降低成本。

本发明的电力网中性点柔性接地电流补偿系统可以向电力网和大地注入可控电流，等效于电力网中性点经消弧线圈、经电阻或不接地方式，并可以任选一种方式运行或在线切换运行。所述电力电子装置为四桥臂全控型电路。所述电力电子装置在所述控制器的控制下向所述接地变压器二次绕组分相注入可控电流，可控电流通过所述接地变压器注入电力网和大地。

在一个实施例中，当发生电力网单相接地故障时，所述电力 电子装置为控制器采集电力网母线电压和所述变压器支路的电流，控制所述电力电子装置产生交流电流输入到所述接地变压器，通过所述接地变压器一次绕组补偿电力网非故障相对地电容电流，使故障点入地电流减小，模拟中性点经消弧线圈接地方式。

在本发明的实施例中，电力网母线的电压使用电压互感器PT测量，变压器支路的电流使用电流互感器CT测量，然后控制器采集电压互感器的电压值和电流互感器的电流值，对电力电子装置以及整流电路进行控制。

在另一个实施例中，当发生电力网单相接地故障时，所述控制器采集电力网母线电压和所述变压器支路的电流，控制所述电力电子装置产生交流电流输入到所述接地变压器，通过所述接地变压器一次绕组注入故障线路，使得故障点入地电流达到一定数值，启动故障线路零序保护动作，故障线路断路器跳闸，切除故障线路，模拟中性点经电阻接地方式。

在又一个实施例中，当发生电力网单相接地故障时，所述控制器控制所述电力电子装置不产生交流电流输入到所述接地变压器，不影响运行状态，模拟中性点不接地方式。

上述三种方式电流补偿方式，可以根据具体的情况进行选择，也可以根据实时状态进行切换。

另外，在电力网正常运行时，所述的电力电子装置产生分相可控的交流电流通过输入到接地变压器注入电力网，与电力网中的无功电流或谐波电流相位相反，从而实现静止无功发生器或有源滤波器功能，并可补偿不对称分量。进行无功补偿和滤除谐波的功能属于现有技术，不再详细阐述。

上述实施例中，如图2所示，当系统A相发生接地故障时，所述电力电子装置20向接地变压器10二次绕组分别注入电流时，则在一次绕组三相感应出的零序电流，通过接地变压器10的中性点接地和故障点形成回路，注入故障点的电流为

模拟电力网中性点经消弧线圈接地方式运行时，如图3所示，电力网A相发生接地故障时，分别向接地变压器的二次绕组的b、c相注入分别超前于b、c相电压90°的电流则与对地电容电流同相位。通过控制器调节注入电流的幅值与两相对地电容电流相等，分流接地故障点的入地电流为0，即可起到补偿电容电流作用。此时，应使I_c0为正常运行时单相对地电容电流。

模拟电力网中性点经电阻接地方式运行时，如图3所示，电力网A相发生接地故障时，如图4所示，向接地变压器的二次绕组均注入与A相电压同相的电流注入到故障点的电流为因此，控制接地变压器的二次绕组注入电流幅值即可控制故障点电流，即可控制通过故障线路的零序电流，从而启动保护跳闸，切除故障线路。与电阻接地不同的是，电力电子装置主动注入电流可以在一定范围内恒流源方式运行，不受接地电阻大小限制，降低零序电流保护误动作率。同时，输出电压约等于故障线路的阻抗和故障点的接地电阻压降之和，输出功率相对也较小。此时，不能抵消对地电容电流。

模拟电力网中性点不接地方式运行时，电力网发生单相接地故障后，不向接地变压器和电网注入电流，不再详述。

在一个优化实施例中，为提高补偿回路的性能，实现补偿支路的有功分量补偿，如图5所示，该系统还包括整流变压器50，整 流变压器50的一次绕组连接到电力网母线100，二次绕组连接到整流电路40的输入端，并且控制器30连接到整流变压器50，用于控制整流变压器40的输出电压。上述实施例中，由于电力电子装置的消耗能量很小，因此只需要较小的容量的设备即可实现。进一步，通过外接电源可以优化补偿电容电流时的角度，实现全补偿，并且注入零序电流时，可以在一定范围控制电流的恒定。

在本发明的另一个多重化的实施例中，如图6所示，接地变压器二次绕组及电力电子装置的可以多套共用一次绕组和直流母线，电流变为原来的多倍，从而通过变压器二次绕组多重化可方便的实现容量扩大。

本发明提供的中性点柔性接地电流补偿装置系统，可以在线调整注入电力网母线的电流的相位和幅值，即在线切换功能，实现柔性接地补偿。同时，采用接地变压器进行电压隔离，具有电力电子器件选择范围大、高压侧保护易于配置等优点，通过变压器二次绕组多重化可方便的实现容量扩大。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。