一种基于线电压串联调制阻尼接地的配电网故障消弧与馈线保护装置与方法

摘要

本发明公开了一种基于线电压串联调制阻尼接地的配电网故障消弧与馈线保护装置与方法，通过单相隔离变压器将线电压引入中性点并与阻感式的阻尼相串联，即可实现配电网绝缘参数精确测量、高阻接地故障超灵敏检测、包括不平衡接地电流在内的基波故障电流全补偿。本发明避免了传统故障消弧方法中在中性点接入电力电子型有源消弧装置从而造成谐波污染的问题，本发明易于实现，成本低廉。

权利要求

1.一种基于线电压串联调制阻尼接地的配电网故障消弧与馈线保护方法，其特征在于，通过单相隔离变压器将线电压引入中性点并与阻感式的阻尼相串联，进行故障消弧和馈线保护，包括步骤如下：步骤a：配电网正常运行时，在中性点接入电压 其中n为变压器变比， 为线电压，调节隔离变压器变比为n1并测量中性线电流，记作 再调节隔离变压器变比为n2并测量中性线电流，记作 计算配电网参数自然不对称矢量和 配电网分布总电容C∑、配电网分布总电导G∑：

120°

以上三式中：其中α＝e ， 为电源A相电压，CΣ＝CA+CB+CC为系统分布总电容，GΣ＝GA+GB+GC为系统分布总电导；

步骤b：电网正常运行时，根据系统分布总电容、系统分布总电导和配电网参数自然不对称矢量和，计算能将故障相电压降低为0，消除故障起弧的电压条件的调制阻尼上式中：步骤c：监视电网零序电压，当电网发生单相接地故障后，若零序电压超过15％的相电压，则进行步骤d；若零序电压未超过15％的相电压，则进入步骤e；

步骤d：直接检测故障相和线路，故障线路流过的电容电流为非故障线路电容电流之和，且故障线路电容电流方向与正常线路相反，基于此选择故障线路；电压最高相的滞后相为接地相，基于此选择故障相；

步骤e：线电压经过隔离变压器接入中性点，检测故障相和线路，若配电网线路i是正常线路，在配电网中性点接入电压 线路i的零序电流 为：上式中：其中Ci∑＝CiA+CiB+CiC为线路i的分布电容，Gi∑＝GiA+GiB+GiC为线路i的分布电导， 为线路i的参数不对称矢量和；

若配电网线路i是故障线路，且以A相故障为例，在配电网中性点接入电压 则线路i的零序电流 为：上式中：其中 为A相电压，为过渡导纳；

综上，采用中性点经电压 接入的配电网，仅故障线路零序电流会发生变化且变化量等于接地电流 基于此选择故障线路；接地电流的相位与故障相电压同相位，基此选择故障相；

步骤f：在中性点接入电压 将式4中的调制阻尼 串接在中性线上，进行故障消弧。

2.根据权利要求1所述的一种基于线电压串联调制阻尼接地的配电网故障消弧与馈线保护方法，其特征在于，所述步骤e中的配电网中性点接入电压 若A相发生高阻接地故障，在配电网中性点应接入 且nUAB＝0.792287EA；若B相发生高阻接地故障，在配电网中性点应接入 且nUBC＝0.792287EB，其中 为电源B相电压；若C相发生高阻接地故障，在配电网中性点应接入 且nUCA＝0.792287EC，其中 为电源C相电压。

3.根据权利要求1所述的一种基于线电压串联调制阻尼接地的配电网故障消弧与馈线保护方法，其特征在于，所述步骤f中的中性点接入电压 对于A相接地故障，最利于故障消弧的中性点接入电压是 对于B和C相接地故障，最利于故障消弧的中性点接入电压分别为 和

4.一种基于线电压串联调制阻尼接地的配电网故障消弧与馈线保护装置，其特征在于，包括测量模块1、控制器模块2、显示模块3、断路器模块4、驱动模块5、变压器模块6、可调阻抗模块7；

连接关系：测量模块1连接电网母线，并送出中性线电流和零序电压信号给控制器模块

2；站用220V电源与控制器模块2相连接，为其提供工作电源；控制器将线路情况输入至显示模块3；可调阻抗模块7一端可靠接地，另一端通过变压器模块6与断路器模块4相连接；断路器模块4中的断路器Kb、Kc引入电网线电压；断路器模块4中的断路器Ka连接电网中性点与变压器模块6；控制器模块2发出控制信号至驱动模块5，驱动模块5根据实际需求控制断路器模块4中各个断路器的开断以及调节变压器模块6和可调阻抗模块7；操作步骤如下：a.装置开始运行，断路器模块4断开，控制器模块2上电并读取测量模块1数据，保存测量数据；

b.电网正常运行时，控制器模块2向驱动模块5发送控制信号，驱动断路器模块4、变压器模块6和可调阻抗模块7做出动作以测量自然不对称矢量和、配电网分布总电容和总电导以及计算用于消弧的调制阻尼的大小，以上参数均保存在控制器模块2中，测量结束后，控制器模块2控制驱动模块5，驱动模块5控制断路器模块4全断开；

c.电网发生单相接地故障后，控制器模块2发出控制信号控制驱动模块5，驱动模块5调节断路器模块4进行故障选线和选相，选线和选相结果通过控制器模块2输入显示模块3，故障定位完成后控制器模块2立即控制驱动模块5投入可调阻抗模块7进行故障消弧，可调阻抗大小等于步骤b中储存在控制器模块2中的调制阻尼导纳的倒数。

说明书

一种基于线电压串联调制阻尼接地的配电网故障消弧与馈线

保护装置与方法

技术领域

[0001] 本发明涉及的是配电网故障消弧与馈线保护领域，具体是一种基于线电压串联调制阻尼接地的配电网故障消弧与馈线保护技术。

背景技术

[0002] 我国配电网主要以小电流接地方式为主，单相接地故障占配电网总故障的80％以上，故障检测和消弧是保障供配电安全可靠、减少接地故障造成人员伤亡和引发电气火灾的关键技术。金属性接地故障引起零序电气信息变化明显，而导线坠地、碰树等高阻接地的故障信息微弱，因此故障检测的灵敏性和准确率低。另外，故障电流越小，介质损伤越小，越有利于电弧自熄，完全补偿接地电流和可靠抑制故障相电压为0 是消除接地燃弧、避免产生间歇性电弧接地过电压、防止恶化为相间短路故障的有效手段。

[0003] 为了提升高阻接地故障检测灵敏度，学者提出中性点经小电阻的接地方式与其适用的高阻接地检测方法，如零序电流投影系数法、分形理论与聚类分析法；为了更好的补偿接地电流，有源接地方式得到深入研究。故障消弧技术是预防接地故障引发电气火灾和人员伤亡的有效手段，当前配电网故障消弧技术根据消弧原理的不同可分为电流消弧法和电压消弧法，目前的消弧技术存在两个方面的问题：一方面，忽视了对不平衡接地电流分量的补偿，使得电流消弧法不能完全补偿接地电流、电压消弧法未能将故障相电压完全抑制为0；另一方面，电力电子型有源消弧装置成本高且存在谐波污染。

[0004] 经对现有技术领域的检索发现，中国专利申请号为202111098517.5，申请公布号为CN113794191A，专利名称为：一种配电网接地故障消弧控制方法及系统，该专利通过中性点外接双闭环控制器进行配电网故障消弧，该控制器为电力电子电流源结构，成本较高且存在谐波污染。

[0005] 中国专利申请号为202110408920.7，申请公布号为CN113097989A，专利名称为：一种柔性接地配电网故障复合消弧方法，该专利通过有源消弧适用性判据进行有源电压和电流消弧方式的选择，提出了以电压消弧方法为主、电流消弧方法为辅的柔性接地系统复合消弧策略，但未考虑配电网分布参数不对称的影响，未重视电网三相分布参数不对称在接地点产生不平衡电流的机理。

发明内容

[0006] 技术问题：本发明所要解决的技术问题是提供一种配电网故障消弧与馈线保护装置与方法，该方法要能够解决传统降压消弧法无法补偿不平衡接地电流以及电力电子型有源接地装置存在谐波污染、成本高、控制复杂的问题。

[0007] 技术方案：为解决上述技术问题，本发明提出一种基于线电压串联调制阻尼接地的配电网故障消弧与馈线保护装置与方法，通过单相隔离变压器将线电压引入中性点并与阻感式的阻尼相串联，进行故障消弧和馈线保护。

[0008] 一种基于线电压串联调制阻尼接地的配电网故障消弧与馈线保护的方法包括步骤如下：

[0009] 步骤a：配电网正常运行时，在中性点接入电压 其中n2为变压器变比， 为线电压，调节隔离变压器变比为n1并测量中性线电流，记作 再调节隔离变压器变比为n2并测量中性线电流，记作 计算配电网参数自然不对称矢量和 配电网分布总电容C∑、配电网分布总电导G∑：

[0010]

[0011]

[0012]120°

[0013] 以上三式中：其中α＝e ， 为电源A相电压，C∑＝CA+CB+CC为系统分布总电容， G∑＝GA+GB+GC为系统分布总电导：

[0014] 步骤b：电网正常运行时，根据系统分布总电容、系统分布总电导和配电网参数自然不对称矢量和，计算能将故障相电压降低为0，消除故障起弧的电压条件的调制阻尼[0015]

[0016] 上式中：

[0017] 步骤c：监视电网零序电压，当电网发生单相接地故障后，若零序电压超过α％的相电压，则进行步骤d；若零序电压未超过α％的相电压，则进入步骤e；

[0018] 步骤d：直接检测故障相和线路；

[0019] 步骤e：线电压经过隔离变压器接入中性点，检测故障相和线路；

[0020] 步骤f：在中性点接入电压 将式4中的调制阻尼 串接在中性线上，进行故障消弧。

[0021] 进一步的，所述步骤c中的α值为15。

[0022] 进一步的，所述步骤d中的故障线路和故障相检测方法是：故障线路流过的电容电流为非故障线路电容电流之和，且故障线路电容电流方向与正常线路相反，基于此选择故障线路；电压最高相的滞后相为接地相，基于此选择故障相。

[0023] 进一步的，所述步骤e中的将线电压经过隔离变压器接入中性点，检测故障相和线路方法是：若配电网线路i是正常线路，在配电网中性点接入电压 线路i的零序电流为：

[0024]

[0025] 上式中：Ci∑＝CiA+CiB+CiC为线路i的分布电容，Gi∑＝GiA+GiB+GiC为线路i的分布电导， 为线路i的参数不对称矢量和；

[0026] 若配电网线路i是故障线路，且以A相故障为例，在配电网中性点接入电压 则线路i的零序电流 为：

[0027]

[0028] 上式中：其中 为A相电压，为过渡导纳；

[0029] 综上，采用中性点经电压 接入的配电网，仅故障线路零序电流会发生变化且变化量等于接地电流 基于此选择故障线路；接地电流的相位与故障相电压基本同相位，基此选择故障相。

[0030] 进一步的，所述步骤e中的在配电网中性点接入的电压 若A相发生高阻接地故障，在配电网中性点应接入 且nUAB＝0.792287EA；若B相发生高阻接地故障，在配电网中性点应接入 且 nUBC＝0.792287EB，其中 为电源B相电压；若C相发生高阻接地故障，在配电网中性点应接入 且nUCA＝0.792287EC，其中 为电源C相电压。

[0031] 进一步的，所述步骤f中的中性点接入电压 对于A相接地故障，最利于故障消弧的中性点接入电压是 对于B和C相接地故障，最佳接入中性点的电压分别为 和[0032] 一种基于线电压串联调制阻尼接地的配电网故障消弧与馈线保护装置包括测量模块1、控制器模块2、显示模块3、断路器模块4、驱动模块5、变压器模块6、可调阻抗模块7。

[0033] 连接关系：测量模块1连接电网母线，并送出中性线电流和零序电压信号给控制器模块2；站用220V 电源与控制器模块2相连接，为其提供工作电源；控制器将线路情况输入至显示模块3；可调阻抗模块7 一端可靠接地，另一端通过变压器模块6与断路器模块4相连接；断路器模块4中的断路器Kb、Kc引入电网线电压；断路器模块4中的断路器Ka连接电网中性点与变压器模块6；控制器模块2发出控制信号至驱动模块5，驱动模块5根据实际需求控制断路器模块4中各个断路器的开断以及调节变压器模块6和可调阻抗模块7。

[0034] 实施步骤：

[0035] a.装置开始运行，断路器模块4断开，控制器模块2上电并读取测量模块1数据，保存测量数据；

[0036] b.电网正常运行时，控制器模块2向驱动模块5发送控制信号，驱动断路器模块4、变压器模块6和可调阻抗模块7做出动作以测量自然不对称矢量和、配电网分布总电容和总电导以及计算用于消弧的调制阻尼的大小，以上参数均保存在控制器模块2中，测量结束后，控制器模块2控制驱动模块5，驱动模块 5控制断路器模块4全断开；

[0037] c.电网发生单相接地故障后，控制器模块2发出控制信号控制驱动模块5，驱动模块5调节断路器模块4进行故障选线和选相，选线和选相结果通过控制器模块2输入显示模块3，故障定位完成后控制器模块2立即控制驱动模块5投入可调阻抗模块7进行故障消弧，可调阻抗大小等于步骤b中储存在控制器模块2中的调制阻尼导纳的倒数。

[0038] 有益效果：本发明提出的一种基于线电压串联调制阻尼接地的配电网故障消弧与馈线保护装置与方法，可实现配电网绝缘参数精确测量、高阻接地故障超灵敏检测、不平衡接地电流在内的基波故障电流全补偿，操作简单，易于实现，不需要在中性点接入电力电子型有源消弧装置从而造成谐波污染，成本低廉。

附图说明

[0039] 图1为基于线电压串联调制阻尼接地的配电网故障消弧与馈线保护方法流程图；

[0040] 图2为线电压串联调制阻尼接地方式结构图；

[0041] 图3为接入线电压与故障相电源电势的矢量关系图；

[0042] 图4为接入线电压与A相电压的矢量关系图；

[0043] 图5为仿真系统拓扑结构图；

[0044] 图6为基于线电压串联调制阻尼接地的配电网故障消弧与馈线保护装置结构图；

[0045] 图6中：

[0046] 1‑测量模块；

[0047] 2‑控制器模块；

[0048] 3‑显示模块：

[0049] 4‑断路器模块；

[0050] 5‑驱动模块；

[0051] 6‑变压器模块；

[0052] 7‑可调阻抗模块。

具体实施方式

[0053] 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。

[0054] 附图1为基于线电压串联调制阻尼接地的配电网故障消弧与馈线保护方法流程图。

[0055] 假设某配电网有n条线路，下面以该配电网的第i条线路A相发生单相接地故障为例，具体介绍一种基于线电压串联调制阻尼接地的配电网故障消弧与馈线保护的方法步骤，如下：

[0056] 步骤1：配电网正常运行时，在中性点接入电压 其中n为变压器变比， 为线电压，调节隔离变压器变比为n1并测量中性线电流，记作 再调节隔离变压器变比为n2并测量中性线电流，记作 计算配电网参数自然不对称矢量和 配电网分布总电容C∑、配电网分布总电导G∑：

[0057]

[0058]

[0059]

[0060] 以上三式中：其中α＝e120°，为电源A相电压，C∑＝CA+CB+CC为系统分布总电容， G∑＝GA+GB+GC为系统分布总电导：

[0061] 步骤2：线电压串联调制阻尼接地方式结构如图2所示。线电压串联调制阻尼后的配电网零序电压 为：

[0062]

[0063] 上式中： 为配电网三相参数自然不对称j120°
矢量和，其中α＝e ，C∑＝CA+CB+CC，G∑＝GA+GB+GC，为调制阻尼导纳值。

[0064] 当计及配电网三相分布参数不对称时，设中性点注入电流为 则根据基尔霍夫定律， 与配电网零序电压 满足：

[0065]

[0066] 整理得：

[0067]

[0068] 上式中：其中 为任意一个注入电流 的等效导纳。

[0069] 以配电网A相发生单相接地故障为例，故障相电压被抑制为0的条件是：

[0070]

[0071] 则中性点接地导纳 为：

[0072]

[0073] 计算线电压 串联调制阻尼 接地方式的配电网中性线电流

[0074]

[0075] 上式中：其中 为式a中计算的线电压串联调制阻尼后的配电网零序电压。

[0076] 则中性线电流 的等效导纳为：

[0077]

[0078] 令式g的 等于式e的 求得将故障相电压钳制为0的调制阻尼 为：

[0079]

[0080] 上式中：

[0081] 步骤3：监视电网零序电压，当电网发生单相接地故障后，若零序电压超过15％的相电压，则进行步骤4；若零序电压未超过15％的相电压，则进入步骤5。

[0082] 步骤4：直接检测故障相和线路。故障线路流过的电容电流为非故障线路电容电流之和，且故障线路电容电流方向与正常线路相反，基于此选择故障线路；电压最高相的滞后相为接地相，基于此选择故障相。

[0083] 步骤5：线电压经过隔离变压器接入中性点，检测故障相和线路。若配电网线路i是正常线路，在配电网中性点接入电压 线路i的零序电流 为：

[0084]

[0085] 上式中：其中n为变压器变比， 为线电压，Ci∑＝CiA+CiB+Cl为线路i的分布电容， Gi∑＝GiA+GiB+GiC为线路i的分布电导， 为线路i的参数不对称矢量和，为三相电源的A相电压；

[0086] 若配电网线路i是故障线路，且以A相故障为例，在配电网中性点接入电压 则线路i的零序电流 为：

[0087]

[0088] 上式中：其中 为A相电压，为过渡导纳；

[0089] 综上，当零序电压小于等于15％相电压时，采用中性点经电压 接入的配电网，仅故障线路零序电流会发生变化且变化量等于接地电流 基于此选择故障线路；接地电流的相位与故障相电压基本同相位，基此选择故障相。

[0090] 进一步的，为了放大故障特征量 中性点接入的电压 有以下特征：若A相发生高阻接地故障，在配电网中性点应接入 且nUAB＝0.792287EA。

[0091] 下面将证明当A相故障时，在配电网中性点接入电压满足nUAB＝0.792287EA可以最大程度地放大故障特征量的合理性：

[0092] 由图3可以看出，对于A相故障，具备将A相抑制为0的线电压包含3种，其中 对A相电压的放大效果最明显。因此，对于A相高阻接地故障，可在配电网中性点接入 以放大A相电压 考虑到配电网设备绝缘按照线电压设计，因此需满足以A相为例，接入的线电压 与A相电压的矢量关系见图4。

[0093] 如图4所示，三角形OMN为直角三角形，三个边长满足勾股定理。若令边MN 为x，则 可得方程：

[0094]

[0095] 式h一元二次方程含有两个实根，解得

[0096]

[0097] 考虑x只能为正数，2x≈0.792287。因此，中性点接入电压 且其幅值约为0.792287倍的电源电势时， A相电压 等于线电压。

[0098] 步骤6：在中性点接入电压 将式4中的调制阻尼 串接在中性线上，进行故障消弧。

[0099] 进一步的，对于A相接地故障，最利于故障消弧的中性点接入电压是 下面将说明其合理性：

[0100] 由图3的矢量关系可知，若线电压 选择 时，不论变比n如何选择，故障相电压均先增大，然后通过调制阻尼 将 抑制为0；若中性点接入线电压 选择时，故障相电压 先减少，当变比n＝1/2时， 最小为 对比以上两种情形可知，若选择线电压 会把故障相电压太高，不利于故障熄弧，甚至会引起事故扩大；然而，线电压 具有A相电压的初步抑制效果，更有利于故障熄弧。

[0101] 利用MATLAB/Simulink仿真验证本发明提出的一种基于线电压串联调制阻尼接地的配电网故障消弧与馈线保护方法，接下来将从参数测量、故障选线和选相、故障消弧三个方面仿真验证上述方法的可行性。图5为仿真系统拓扑结构图，仿真系统为含有3条馈线的10kV配电网，具体参数设置见表1。

[0102] 表1仿真系统零序参数设置

[0103]

[0104] 配电网参数测量仿真计算结果如表2所示。由表2可知，式1、式2、式3能够准确测量配电网参数自然不对称矢量和 配电网分布总电容C∑、配电网分布总电导G∑。

[0105] 表2配电网参数测量仿真计算结果

[0106]

[0107] 故障选线和选相的仿真验证结果如表3所示。在图5的线路1的A相设置了10kΩ过渡电阻的高阻接地故障，为了更好的说明本文方法对故障的放大效果和故障检测的优越性，分别与中性点不接地、小电阻接地(中性点接地电阻设为10Ω)方式做对比。

[0108] 表3正常状态与高阻接地故障各线路零序电流值

[0109]

[0110] 由表3可知，本文提出的线电压接地方式下，仅故障线路受接地故障的影响而变比，非故障线路零序电流保持不变。线路1零序电流的变化量等于接地电流1.000∠13.219°A，其向角与A相电压同相位，因此，可根据相角特征选择故障相。中性点经线电压接地方式下发生10kΩ高阻接地故障的接地电流为1.000 ∠13.219°A，而不接地和小电阻接地方式下的接地电流分别为0.574∠‑0.512°A和0.578∠‑0.045°A。因此可见，中性点经线电压接地方式对故障电流有着明显的放大作用。

[0111] 故障消弧仿真验证结果如下：选择线电压 通过隔离变压器接入中性点，变压器变比设为0.5，并根据式4计算调制阻尼为0.467462H电感与697.155Ω电阻的并联。为了与传统降压消弧法作对比，忽略配电网分布参数不对称，即 根据式4计算调制阻尼为0.466923H电感与642.450Ω电阻的并联，得到两种方式下的A相剩余电压。在配电网正常状态下0.2s投入消弧装置，当计及电网不对称的调制阻尼时，电网A相电压减小至0.067V；当未计及电网分布参数不对称，电网A相剩余电压为210.279V，由此可知，忽略电网分布参数不对称，故障相电压并未有效抑制为0，未实现100％有效消弧。

[0112] 一种基于线电压串联调制阻尼接地的配电网故障消弧与馈线保护装置包括测量模块1、控制器模块2、显示模块3、断路器模块4、驱动模块5、变压器模块6、可调阻抗模块7，见图6。

[0113] 连接关系：测量模块1连接电网母线，并送出中性线电流和零序电压信号给控制器模块2；站用220V 电源与控制器模块2相连接，为其提供工作电源；控制器将线路情况输入至显示模块3；可调阻抗模块7 一端可靠接地，另一端通过变压器模块6与断路器模块4相连接；断路器模块4中的断路器Kb、Kc引入电网线电压；断路器模块4中的断路器Ka连接电网中性点与变压器模块6；控制器模块2发出控制信号至驱动模块5，驱动模块5根据实际需求控制断路器模块4中各个断路器的开断以及调节变压器模块6和可调阻抗模块7；操作步骤如下：

[0114] a.装置开始运行，断路器模块4断开，控制器模块2上电并读取测量模块1数据，保存测量数据；

[0115] b.电网正常运行时，控制器模块2向驱动模块5发送控制信号，驱动断路器模块4、变压器模块6和可调阻抗模块7做出动作以测量自然不对称矢量和、配电网分布总电容和总电导以及计算用于消弧的调制阻尼的大小，以上参数均保存在控制器模块2中，测量结束后，控制器模块2控制驱动模块5，驱动模块 5控制断路器模块4全断开；

[0116] c.电网发生单相接地故障后，控制器模块2发出控制信号控制驱动模块5，驱动模块5调节断路器模块4进行故障选线和选相，选线和选相结果通过控制器模块2输入显示模块3，故障定位完成后控制器模块2立即控制驱动模块5投入可调阻抗模块7进行故障消弧，可调阻抗大小等于步骤b中储存在控制器模块2中的调制阻尼导纳的倒数。