小电流接地系统无功补偿及单相接地故障消弧系统及方法与流程

本发明涉及一种小电流接地系统的无功补偿及单相接地故障消弧系统及方法，属于电力系统的继电保护领域。

背景技术：

在3kv-66kv小电流接地系统中，单相接地是较为常见的故障类型。小电流接地系统发生单相接地时，故障相对地电压降低，非故障相对地电压升高，线电压依旧对称，此状态下，因接地电流很小，为了保证供电可靠性，可允许运行1-2h。但是由于非故障相弧光过电压，易引起绝缘薄弱部分击穿、电压互感器铁芯饱和、系统过电压，以及故障相弧光烧毁电缆、易引发人身触电伤亡事故等问题，因此在单相接地后需要及时隔离故障相的单相接地故障，保障系统安全稳定运行及供电可靠性。

中国发明专利201310387131.5公开一种用高压级联式svg实现消弧线圈功能的方法。该方案需要计算系统母线无功需求及谐波，通过控制级联式svg变流器补偿未接地相的对地容性电流来实现消弧功能。但是母线无功需求、谐波及未接地相对地电容电流难以精确测量，且随着线路投切变化较大，所以无法实现准确消弧功能。该方案步骤(3.2)中通过闭环调节到零序电压为零，步骤（3）中通过监测母线电压，判断母线电压中性点偏移、零序电压消失来判断接地是否消失，方案中补偿目标为零序电压为零，又根据零序电压消失判断接地是否消失，两个互相矛盾。根据常识，在进行消弧补偿过程中，零序电压会变大，所以该方案的补偿目标是错误的；另外即使故障消失，svg补偿存在也会导致系统存在零序电压，因此通过零序电压来判断接地是否消失是不成立的。

2016年第17期《电工技术学报》文章《基于三相级联h桥变流器的配电网接地故障分相柔性消弧方法》及华北电力大学的2015年硕士学位论文《多目标控制全补偿消弧装置的研究》利用实时检测的相电压计算注入补偿电流值,分相控制级联h桥变流器注入补偿电流,控制故障点电压为零,实现接地故障消弧。注入电流大小需要根据网络参数计算得到，实际运行中运行方式是随着线路投切实时改变，变流器无法准确取得系统参数变化，因此该方法计算复杂，且不能适应运行方式变化达到完全消弧效果。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种小电流接地系统无功补偿及单相接地故障消弧系统及方法通过直接注入电压的方法，以故障相电压为控制目标，更容易实现且不受系统参数及运行方式影响。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种小电流接地系统的无功补偿及单相接地故障消弧系统，包括消弧控制装置、三相星型连接的多电平变换器；所述消弧控制装置的输入端分别连接母线电压互感器和各支路上的零序电流互感器，从母线电压互感器获得母线三相电压和零序电压，从各支路上的零序电流互感器获得各支路零序电流；所述消弧控制装置的输出端向多电平变换器发出控制信号，多电平变换器接收控制信号；

所述消弧控制装置用于根据各支路零序电流及母线三相电压选出故障线路、故障相，计算出需注入系统各相的电压向量并向多电平变换器发出控制信号；

所述多电平变换器，正常运行时作为静止无功发生器实现快速动态调节无功的功能，发生单相接地时根据接收到的消弧控制装置的控制信号输出特定的电压向量，使故障相对地电压为0。

优选地，所述多电平变换器为多级串联h桥多电平变换器。

优选地，所述消弧控制装置通过有线/无线的方式向多电平变换器发出控制信号。

优选地，所述消弧控制装置检测到故障后，控制所述多电平变换器每间隔一段时间向故障相注入一个短时20hz电压信号，消弧控制装置通过线路零序电流互感器检测各线路是否存在20hz零序电流信号来确定故障是否消失，如故障消失，则控制多电平变换器转到无功发生器状态。

本发明同时提出一种小电流接地系统的无功补偿及单相接地故障消弧的方法，包括如下步骤：

步骤1，小电流接地系统中配置消弧控制装置、三相星型连接的多电平变换器；所述消弧控制装置的输入端分别连接母线电压互感器和各支路上的零序电流互感器，从母线电压互感器获得母线三相电压和零序电压，从各支路上的零序电流互感器获得各支路零序电流；所述消弧控制装置的输出端向多电平变换器发出控制信号，多电平变换器接收控制信号；

步骤2，正常运行时多电平变换器作为静止无功发生器实现快速动态调节无功的目的；消弧控制装置实时采集零序电压，判断是否存在接地故障；

步骤3，若发生故障，消弧控制装置根据各支路零序电流、母线三相电压选出故障相，计算出需注入系统的电压向量通过多电平变换器向非故障相注入电压，将非故障相对地电压抬高至线电压，使得故障相对地电压为0。

优选地，本方法还包括步骤4，消弧控制装置检测到故障后，控制所述多电平变换器每间隔一段时间向故障相注入一个短时20hz电压信号，消弧控制装置通过线路零序电流互感器检测各线路是否存在20hz零序电流信号来确定故障是否消失；如检测到故障消失，则控制多电平变换器转到无功发生器状态。

优选地，本方法中所述多电平变换器为多级串联h桥多电平变换器。

本发明所达到的有益效果：

（1）现有的静止无功发生器（svg）的拓扑结构可实现快速动态调节无功的目的，但是不具备单相接地故障消弧的功能。本发明无需测量系统无功及电容电流，仅以故障相对地电压为补偿目标，在发生单相接地时可将故障相电压对地降为0，快速使接地故障消弧，避免接地处电缆被弧光烧毁以及人身触电伤亡事故，使发生单相接地故障后的系统可以不必立即跳闸并继续安全运行一段时间，大幅提高系统的可靠性和安全性。

（2）本发明通过注入20hz电压，根据线路上是否存在20hz零序电流情况来判断接地故障消失，避免了在补偿后工频零序电压及零序电流受补偿影响而无法识别故障消失的问题。

附图说明

图1为本发明系统的接线示意图；

图2为接地时进行补偿电压的向量示意图；

图3为消弧流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，一种小电流接地系统的无功补偿及单相接地故障消弧系统及方法，包括消弧控制装置、三相星型连接的多电平变换器，本实施例中采用三相星型连接多级串联h桥多电平变换器。

消弧控制装置的输入端通过电缆分别连接母线电压互感器和各支路上的零序电流互感器，母线电压互感器采集母线三相电压和零序电压，零序电流互感器采集所在支路的零序电流，消弧控制装置根据零序电压判断是否存在接地故障，正常运行时，多电平变换器作为静止无功发生器实现快速动态调节无功的功能，发生单相接地故障时，消弧控制装置根据各支路零序电流、母线三相电压选出故障相，根据故障相计算出需注入小电流接地系统中性点的电压向量并通过有线/无线的方式向多电平变换器发出控制信号，发出的控制信号中包括各相需要输出的电压向量，多电平变换器根据接收到的控制信号输出特定的电压向量，使故障相对地电压为0。消弧控制装置检测到故障后，控制所述多电平变换器每间隔一段时间向故障相注入一个短时20hz电压信号，消弧控制装置通过线路零序电流互感器检测各线路是否存在20hz零序电流信号来确定故障是否消失，如故障消失，则控制多电平变换器转到无功发生器状态。

系统中性点可接消弧线圈或无消弧线圈，即消弧线圈与所述消弧系统并联运行，降低对多电平变换器容量的需求。

如图2和3所示，上述无功补偿及单相接地故障消弧的方法，包括以下步骤：

1）小电流接地系统中配置消弧控制装置、三相星型连接的多电平变换器；所述消弧控制装置的输入端分别连接母线电压互感器和各支路上的零序电流互感器，从母线电压互感器获得母线三相电压和零序电压，从各支路上的零序电流互感器获得各支路零序电流；所述消弧控制装置的输出端向多电平变换器发出控制信号，多电平变换器接收控制信号；

2）正常运行时，多电平变换器作为静止无功发生器实现快速动态调节无功的功能，消弧控制装置实时采集零序电压，判断是否存在接地故障。

3）若发生单相接地故障，消弧控制装置根据各支路零序电流及母线三相电压选出故障线路、故障相，计算出需注入系统各相的电压向量并向多电平变换器发出控制信号。

多电平变换器根据控制信号输出特定的电压向量，使故障相对地电压接近0，弧光熄灭。对于a相接地，补偿前三相电压相位为图2中实线，补偿后a相电压为0，b、c相电压为图2中虚线。

4）消弧控制装置检测到故障后，控制所述多电平变换器每间隔一段时间向故障相注入一个短时20hz电压信号，如每10s注入一次100ms的20hz电压，消弧控制装置通过线路零序电流互感器检测在注入时各线路是否存在20hz零序电流信号来确定故障是否消失，如故障消失，则控制多电平变换器转到无功发生器状态。

本发明采用人为在系统注入电压的思路，将故障相对地电压控制到零，可快速使接地故障消弧，避免接地处电缆被弧光烧毁以及人身触电伤亡事故，使发生单相接地故障后的系统可以不必立即跳闸并继续安全运行一段时间，大幅提高系统的可靠性和安全性。

以上所述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形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。