本发明公开了一种消弧接地装置，包括电抗器、换流链、移相变压器、主控制器、电压互感器和电流互感器。其中，主控制器通过电压互感器采集电网中性点的电压，并据此计算换流链待输出的电压，发送相应的动作信号以控制换流链实际输出的电压，从而控制本消弧接地装置注入电网的补偿电流，实现消弧的目的。由于采用换流链，并通过调节换流链输出电压的方式控制补偿电流，相比传统的技术手段，具有补偿速度快和补偿精度高的特点，又由于避免了使用大容量的电抗器和电容器，有效降低了消弧接地装置的运行损耗。
1.一种消弧接地装置，其特征在于，包括电抗器、换流链、移相变压器、主控制器、电压互感器和电流互感器，
所述换流链的第一输出端通过所述电抗器接电网中性点，第二输出端通过所述电流互感器的原边接地，各个输入端分别接所述移相变压器对应的副边绕组，所述移相变压器的原边绕组与380V电源相连，原边绕组及引出线与副边绕组及引出线之间填充绝缘层，所述主控制器分别接所述电压互感器和电流互感器的副边，所述电压互感器的原边一端接电网中性点，一端接地；
所述换流链包括1个或1个以上的功率单元体，各个所述功率单元体的两个输出端依次串联，串联后悬空的两个输出端作为所述换流链的所述第一输出端和所述第二输出端，各个所述功率单元体的输入端分别接所述移相变压器对应的副边绕组；
所述功率单元体包括旁路接触器、逆变电路、直流支撑电容、整流电路和单元控制器，所述旁路接触器的两端作为本功率单元体的两个输出端，并与所述逆变电路的交流侧并联，所述逆变电路的直流侧、所述直流支撑电容和所述整流电路的直流侧并联，所述整流电路的交流侧作为本功率单元体的输入端与所述移相变压器对应的副边绕组相连，所述单元控制器分别接所述逆变电路及所述直流支撑电容的两端，并通过光纤与所述主控制器相连；
所述主控制器用于通过所述电压互感器获取电网中性点的电压，当电网中性点电压超过参考电压时，判定电网发生单相接地故障，根据电网中性点电压计算此时的电网电容电流和所述换流链中每个功率单元体待输出的电压，将待输出的电压及所述单元控制器上传的直流电压转化为所述逆变电路的动作信号，并下发至所述单元控制器，所述单元控制器用于将所述直流支撑电容两端的直流电压上传至所述主控制器，并按照所述主控制器下发的所述动作信号驱动所述逆变电路，控制所述功率单元体的输出电压，所述主控制器还用于通过所述电流互感器获取本消弧接地装置实际输出的补偿电流，根据实际输出的补偿电流调整所述功率单元体输出的电压，使本消弧接地装置实际输出的补偿电流与电网电容电流大小相等、相位相反；
所述主控制器按照下式计算每个所述功率单元体待输出的电压UCello：
上式中，Un表示电网中性点电压，N表示所述功率单元体的个数，具体取值与电网电压等级、所述逆变电路和所述整流电路的耐压水平相适应，f表示电网频率，L表示所述电抗器的电感值，Cs表示电网电容；
每个所述功率单元体待输出的电压的相位与电网中性点电压的相位相等。
2.根据权利要求1所述的消弧接地装置，其特征在于，所述单元控制器还与所述旁路接触器相连，所述单元控制器将所述逆变电路和所述直流支撑电容的运行状态转发至所述主控制器，所述主控制器根据所述运行状态判断所述功率单元体是否出现故障，并向出现故障的功率单元体发送旁路命令，所述单元控制器按照所述旁路命令闭合所述旁路接触器，所述主控制器重新计算剩余每个功率单元体的待输出电压并调整所述逆变电路的动作信号。
3.根据权利要求1或2所述的消弧接地装置，其特征在于，所述移相变压器各组副边绕组的输出电压的相位依次相差60°/N。
4.根据权利要求1或2所述的消弧接地装置，其特征在于，当电网电压等级为10kV时，所述整流电路选用直流耐压为1600V的二极管整流桥，所述逆变电路选用直流耐压为1700V的IGBT构成的H桥，所述功率单元体的个数为10个，所述移相变压器的变比为
5.根据权利要求1或2所述的消弧接地装置，其特征在于，当电网电压等级为10kV时，所述整流电路选用直流耐压为3000V的二极管整流桥，所述逆变电路选用直流耐压为
3300V的IGBT构成的H桥，所述功率单元体的个数为5个，所述移相变压器的变比为0.317，副边输出电压为1200V。
消弧接地装置
技术领域
[0001] 本发明涉及配电网接地技术领域，特别是涉及一种消弧接地装置。
背景技术
[0002] 消弧线圈是配电网（6kV、10kV和35kV电网）广泛使用的一种接地装置，其作用是当电网发生单相接地故障后，提供一个电感电流，补偿电力系统发生单相接地故障时产生的电容电流，减小故障点接地电流，降低接地电弧恢复电压的初速度和上升速度，达到熄灭电弧的目的。
[0003] 目前市场上使用的消弧线圈按照原理及构成方式可以分为调气隙式、调匝式、调容式和调可控硅式，其中调气隙式由于速度慢、精度差等缺点已经逐步退出使用，调匝式和调容式不能连续调节，调可控硅式虽然可以连续调节，但是需要加装滤波装置，并且动态响应速度受到电网频率的限制。另外，上述技术方案均采用大容量的无源型器件，容易导致电网谐振，并且损耗较大。
发明内容
[0004] 基于上述情况，本发明提出了一种消弧接地装置，以提高补偿电流的补偿精度和补偿速度，避免使用大容量的电抗器和电容器，降低消弧接地装置的运行损耗。
[0005] 一种消弧接地装置，包括电抗器、换流链、移相变压器、主控制器、电压互感器和电流互感器，
[0006] 所述换流链的第一输出端通过所述电抗器接电网中性点，第二输出端通过所述电流互感器的原边接地，各个输入端分别接所述移相变压器对应的副边绕组，所述移相变压器的原边绕组与380V电源相连，原边绕组及引出线与副边绕组及引出线之间填充绝缘层，所述主控制器分别接所述电压互感器和电流互感器的副边，所述电压互感器的原边，一端接电网中性点，一端接地；
[0007] 所述换流链包括1个或1个以上的功率单元体，各个所述功率单元体的两个输出端依次串联，串联后悬空的两个输出端作为所述换流链的所述第一输出端和所述第二输出端，各个所述功率单元体的输入端分别接所述移相变压器对应的副边绕组；
[0008] 所述功率单元体包括旁路接触器、逆变电路、直流支撑电容、整流电路和单元控制器，所述旁路接触器的两端作为本功率单元体的两个输出端，并与所述逆变电路的交流侧并联，所述逆变电路的直流侧、所述直流支撑电容和所述整流电路的直流侧并联，所述整流电路的交流侧作为本功率单元体的输入端与所述移相变压器对应的副边绕组相连，所述单元控制器分别接所述逆变电路及所述直流支撑电容的两端，并通过光纤与所述主控制器相连；
[0009] 所述主控制器用于通过所述电压互感器获取电网中性点的电压，当电网中性点电压超过参考电压时，判定电网发生单相接地故障，根据电网中性点电压计算此时的电网电容电流和所述换流链中每个功率单元体待输出的电压，将待输出的电压及所述单元控制器上传的直流电压转化为所述逆变电路的动作信号，并下发至所述单元控制器，所述单元控制器用于将所述直流支撑电容两端的直流电压上传至所述主控制器，并按照所述主控制器下发的所述动作信号驱动所述逆变电路，控制所述功率单元体的输出电压，所述主控制器还用于通过所述电流互感器获取本消弧接地装置实际输出的补偿电流，根据实际输出的补偿电流调整所述功率单元体输出的电压，使本消弧接地装置实际输出的补偿电流与电网电容电流大小相等、相位相反；
[0010] 所述主控制器按照下式计算每个所述功率单元体待输出的电压UCello：
[0011]
[0012] 上式中，Un表示电网中性点电压，N表示所述功率单元体的个数，具体取值与电网电压等级、所述逆变电路和所述整流电路的耐压水平相适应，f表示电网频率，L表示所述电抗器的电感值，Cs表示电网电容；
[0013] 每个所述功率单元体待输出的电压的相位与电网中性点电压的相位相等。
[0014] 本发明提供的消弧接地装置，包括电抗器、换流链、移相变压器、主控制器、电压互感器和电流互感器，其中，主控制器通过电压互感器采集电网中性点的电压，并据此计算换流链待输出的电压，发送相应的动作信号以控制换流链实际输出的电压，从而控制本消弧接地装置注入电网的补偿电流，实现消弧的目的。由于采用换流链，并通过调节换流链输出电压的方式控制补偿电流，相比传统的技术手段，具有补偿速度快和补偿精度高的特点，又由于避免了使用大容量的电抗器和电容器，有效降低了消弧接地装置的运行损耗。
附图说明
[0015] 图1为本发明消弧接地装置的结构示意图；
[0016] 图2为本发明消弧接地装置中功率单元体的结构示意图。
具体实施方式
[0017] 本发明提供的消弧接地装置是一种链式消弧接地装置，其主控制器控制功率单元体的输出电压，从而控制换流链的输出电压，最终实现对补偿电流的控制。下面结合附图与实施例详细解释本发明。
[0018] 如图1所示，本发明消弧接地装置包括：电抗器1、换流链2、移相变压器3、主控制器4、电压互感器12和电流互感器13。
[0019] 所述换流链2有若干个输入端和两个输出端：第一输出端和第二输出端。第一输出端通过所述电抗器1接电网中性点，第二输出端通过所述电流互感器13的原边接地，各个输入端分别接所述移相变压器3对应的副边绕组。所述移相变压器3的原边绕组与380V电源相连，所述主控制器4分别接所述电压互感器12和电流互感器13的副边，所述电压互感器12的原边，一端接电网中性点，一端接地；
[0020] 所述换流链2由N个相同的功率单元体6构成，如Cell3代表换流链内依次串联的第三级功率单元体（习惯上将与电抗器1直接相连的功率单元体称为第一级功率单元体，依次递推，换流链最末一级称为第N级功率单元体)，每个所述功率单元体的两个输出端依次串联，串联后两端的两个功率单元体各有一个输出端悬空，这两个输出端即为换流链的第一输出端和第二输出端。每个所述功率单元体的输入端分别接对应组的所述移相变压器的副边绕组。
[0021] 如图2所示，所述功率单元体3包括旁路接触器7、逆变电路8、直流支撑电容9、整流电路10和单元控制器11，所述旁路接触器7的两端作为本功率单元体的两个输出端，并与所述逆变电路8的交流侧并联，所述逆变电路8的直流侧、所述直流支撑电容9和所述整流电路10的直流侧并联，所述整流电路10的交流侧作为本功率单元体的输入端与所述移相变压器3对应的副边绕组相连，所述单元控制器11分别接所述逆变电路8和所述旁路接触器7的两端，并通过光纤5与所述主控制器4相连。
[0022] 所述主控制器4通过所述电压互感器12获取电网中性点的电压，当电网中性点电压超过参考电压时，判定电网发生单相接地故障，根据电网中性点电压计算此时的电网电容电流和所述换流链2中每个功率单元体待输出的电压，将待输出的电压及所述单元控制器11上传的直流电压转化为所述逆变电路8的动作信号，并下发至所述单元控制器11，所述单元控制器11将所述直流支撑电容9两端的直流电压上传至所述主控制器4，并按照所述主控制器4下发的所述动作信号驱动所述逆变电路8，控制所述功率单元体的输出电压，所述主控制器4通过所述电流互感器13获取本消弧接地装置实际输出的补偿电流，根据实际输出的补偿电流调整所述功率单元体6输出的电压，使本消弧接地装置实际输出的补偿电流与电网电容电流时刻保持大小相等、相位相反。
[0023] 移相变压器3电压变比为K，原边与低压电网三相380V电源相连，副边绕组分为多组，每一组副边绕组输出电压幅值相同，电压相位优选地依次相差60°/N，N为副边绕组的组数，也是串联的功率单元的级数；移相变压器3原边绕组及引出线与副边绕组及引出线之间填充绝缘层。
[0024] 作为一个优选的实施例，所述功率单元体的整流电路10为二极管构成的三相整流桥，逆变电路为IGBT、IGCT等全控型电力电子器件构成的H桥。
[0025] 作为一个优选的实施例，所述单元控制器11还与所述旁路接触器7相连。所述单元控制器11将所述逆变电路8和所述直流支撑电容9的运行状态转发至所述主控制器4，所述主控制器4根据所述运行状态判断所述功率单元体是否出现故障，并向出现故障的功率单元体发送旁路命令，所述单元控制器11按照所述旁路命令闭合所述旁路接触器7，所述主控制器重新计算剩余功率单元体的待输出电压并调整所述动作信号。
[0026] 由于电网电压等级和电力电子器件电压等级不同，换流链2串联功率单元体的个数N和移相变压器3的变比K有不同的选取方式。
[0027] 如果电网电压等级为10kV，功率单元体6整流电路10选用直流耐压1600V的二极管整流桥，逆变电路8选用直流耐压为1700V的IGBT构成的H桥，则换流链2串联功率单元体6的级数N=10，移相变压器3变比K=0.633，原边输入电压380V，副边输出电压600V，每组副边绕组输出电压的相位依次相差6°，功率单元体6的直流电压为820V左右。
[0028] 电网电压等级仍然为10kV，功率单元体6整流电路10选用直流耐压为3000V的二极管整流桥，逆变电路8选用直流耐压为3300V的IGBT构成的H桥，则换流链2串联功率单元体6的级数N=5，移相变压器3变比K=0.317，原边输入电压380V，副边输出电压1200V，每组副边绕组输出电压的相位依次相差12°，功率单元体6的直流电压为1650V左右。
[0029] 本发明消弧接地装置的消弧过程如下：
[0030] 1、主控制器通过电压互感器实时监测电网中性点的电压Un，并将Un与预定的参考电压Uref作比较；
[0031] 2、当Un小于Uref时，说明电网正常，此时主控制器封锁功率单元体，电网中性点处于不接地状态；
[0032] 3、一旦测得的Un大于参考电压Uref，则认为电网发生了单相接地故障，此时主控制器通过计算和锁相，提取出Un的大小和相位 利用式(1)计算待补偿的电网电容电流IC的大小；
[0033] IC＝2πfCsUn (1)
[0034] 式中：π——圆周率
[0035] f——电网频率
[0036] Cs——电网电容
[0037] Un——电网中性点电压
[0038] 4、本消弧接地装置的目的是向电网中性点注入补偿电流IL，使补偿电流IL的大小等于电网电容电流IC，如式(2)所示：
[0039] IL＝IC (2)
[0040] 为了使补偿电流的大小满足式(2)的要求，换流链的输出电压Uo采用式(3)进行计算：
[0041] Uo＝Un-2πfLIL (3)
[0042] 换流链输出电压为串联功率单元输出电压的叠加，如式(4)所示：
[0043]
[0044] 式中：N——换流链串联功率单元的级数
[0045] L——电抗器的电感值
[0046] UCello——一个功率单元的输出电压
[0047] 综合式(1)、式(2)、式(3)、式(4)可计算每一个功率单元的输出电压的大小，如式(5)所示：
[0048]
[0049] 5、补偿电流的相位 和电网电容电流的相位 必须相反，因此换流链输出电压的相位 必须和电网中性点电压的相位 相等，如式(6)所示：
[0050]
[0051] 换流链输出电压为串联功率单元输出电压的叠加，因此每一个功率单元输出电压的相位αCell和电网中性点电压相位 都相等，如式(7)所示：
[0052]
[0053] 6、功率单元体内的单元控制器采集直流支撑电容两端的直流电压Udc，通过光纤发送至主控制器；
[0054] 7、主控制根据式(5)、式(7)和每个功率单元的直流电压，计算换流链内每个功率单元输出电压的大小和相位，根据正弦脉冲宽度调制（SPWM）的原理，转化为功率单元内H桥电路的动作信号，经过光纤下发至单元控制器；
[0055] 8、单元控制器接收主控制器发送的动作信号，驱动对应的IGBT（IGCT），控制功率单元的输出电压；
[0056] 9、在本消弧装置运行过程中，单元控制器还将逆变电路和直流支撑电容的运行状态上传至主控制器，一旦主控制器根据运行状态发现换流链内的某个功率单元体发生故障，则向该功率单元体发送旁路命令，通过单元控制器闭合该单元的旁路接触器，将该功率单元体从换流链中切除，此时功率单元体输出电压的计算应按照式(8)进行：
[0057]
[0058] 按照上述步骤1—9的控制方法，主控制器通过控制功率单元体的输出电压，从而控制了换流链的输出电压，最终实现对补偿电流的控制。
[0059] 以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
