本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)接地故障抑制技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種非有效接地系統(tǒng)接地故障相主動(dòng)降壓安全運(yùn)行方法。

背景技術(shù)：

國內(nèi)外發(fā)電機(jī)組和配電網(wǎng)普遍采用中性點(diǎn)非有效接地方式，所構(gòu)成的非有效接地系統(tǒng)占我國6kv及以上電壓等級(jí)電網(wǎng)的95％以上。近70％停電事故由該系統(tǒng)故障引發(fā)。造成全國停電損失年均上千億元。非有效接地系統(tǒng)不同于輸電系統(tǒng)，接地故障電阻可高達(dá)數(shù)十千歐姆，感知和保護(hù)困難。帶故障長時(shí)間運(yùn)行，危及人身、設(shè)備安全，造成嚴(yán)重的社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失。接地故障易引發(fā)觸電事故，每年死亡人數(shù)高達(dá)上千人次，僅次于交通事故。接地故障易產(chǎn)生弧光過電壓，造成設(shè)備燒毀，甚至引發(fā)“火燒連營”事故。大型機(jī)組接地故障不能及時(shí)消弧，電弧電流易造成鐵芯和繞組燒損，造成事故擴(kuò)大，甚至機(jī)毀人亡；接地故障跳閘停電將降低供電可靠性，直接關(guān)系工業(yè)生產(chǎn)、人民生活水平。非有效接地系統(tǒng)接地故障安全運(yùn)行對(duì)電網(wǎng)安全乃至國家安全至關(guān)重要。

現(xiàn)有非有效接地系統(tǒng)接地故障處理與運(yùn)行模式主要包括故障抑制和故障切除兩大類。

接地故障抑制主要通過改造或調(diào)控電網(wǎng)一次系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式，調(diào)控中性點(diǎn)接地阻抗，抑制故障點(diǎn)電壓和電流，實(shí)現(xiàn)非有效接地系統(tǒng)的接地故障抑制，但只能短時(shí)間1～2h運(yùn)行，且易產(chǎn)生過電壓，存在安全隱患。

接地故障切除主要是在系統(tǒng)發(fā)生接地后盡快選出故障線路、切除故障點(diǎn)，以保證系統(tǒng)安全運(yùn)行。例如，從傳統(tǒng)的人工逐條線路“試?yán)?，到利用故障選線裝置和故障指示器選線，再到饋線自動(dòng)化技術(shù)快速隔離故障，但故障切除技術(shù)導(dǎo)致停電時(shí)間過長、投資成本高，嚴(yán)重降低了配電系統(tǒng)供電可靠性指標(biāo)。

為此，國內(nèi)外開始研究抑制故障點(diǎn)電流和電壓的有源消弧方法，如2015年瑞典中立公司發(fā)表的《接地故障中和器全補(bǔ)償技術(shù)及應(yīng)用》一文，公開了一種有源電流消弧方法：發(fā)生接地故障時(shí)，以接地殘流為控制目標(biāo)，通過殘流補(bǔ)償器往中性點(diǎn)注入電流，補(bǔ)償接地故障全電流(包括無功分量及有功分量殘流)，同時(shí)將故障點(diǎn)電壓降至為零，由此達(dá)到接地故障電流全補(bǔ)償目的。由于故障殘流無法直接測量且線路零序有功電流分量精確測量困難，該方法難以實(shí)際應(yīng)用。

本發(fā)明人曾于2011年提出了一種配電網(wǎng)接地故障消弧和保護(hù)方法(專利申請(qǐng)?zhí)?01110006701.2),該方法通過向配電網(wǎng)注入一定電流，強(qiáng)制故障相電壓為零和接地故障電流為零，可實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)故障的100％消弧及永久故障的快速隔離，解決了電流消弧方法消弧效果差，傳統(tǒng)保護(hù)方法可靠性低的技術(shù)難題。但該方法會(huì)導(dǎo)致非故障相電壓升高倍，長時(shí)間運(yùn)行對(duì)電氣絕緣造成威脅，易導(dǎo)致非故障相絕緣薄弱位置擊穿，進(jìn)而發(fā)展成為相間短路事故，影響供電可靠性。

總之，現(xiàn)有技術(shù)無法兼顧非有效接地系統(tǒng)的供電可靠性及安全性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，有效解決現(xiàn)有技術(shù)無法同時(shí)兼顧供電可靠性及安全性的難題，本發(fā)明提供了一種非有效接地系統(tǒng)接地故障相主動(dòng)降壓安全運(yùn)行方法，通過該方法將故障相電壓降低，達(dá)到系統(tǒng)能長時(shí)間安全穩(wěn)定運(yùn)行的目標(biāo)。本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種非有效接地系統(tǒng)接地故障相主動(dòng)降壓安全運(yùn)行方法，應(yīng)用于中性點(diǎn)非有效接地發(fā)電機(jī)或配電網(wǎng)的非有效接地系統(tǒng)的接地故障安全運(yùn)行，發(fā)生單相接地故障時(shí)，在非有效接地系統(tǒng)側(cè)的母線與地，或線路與地，或中性點(diǎn)與地，或變壓器非有效接地系統(tǒng)側(cè)繞組的分接抽頭與地之間外加可調(diào)電流源，調(diào)控注入電流的大小和相位，進(jìn)一步降低故障相電壓，使故障相電壓的運(yùn)行范圍為：(0,u2)，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)降壓運(yùn)行，其中u2為外加電流源之前的故障相電壓。

在上述現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，本發(fā)明可采用下述技術(shù)手段，以便更好地或者更有針對(duì)性地解決本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題：

降壓運(yùn)行過程中，測量計(jì)算零序電壓變化量調(diào)控注入電流的大小和相位，使公式成立，即實(shí)現(xiàn)故障點(diǎn)電弧熄滅，其中σy0為非有效接地系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的對(duì)地零序?qū)Ъ{，由公式或計(jì)算，為主動(dòng)降壓后的零序電壓，為正常運(yùn)行條件下的零序電壓，為主動(dòng)降壓后的故障相電壓，為未發(fā)生故障時(shí)該相正常運(yùn)行的電壓。

進(jìn)一步地，降壓運(yùn)行過程中，測量計(jì)算非有效接地系統(tǒng)或接地故障線路的阻尼率如果阻尼率d大于整定值，則調(diào)控注入電流的大小和相位，使故障相電壓進(jìn)一步降低，抑制故障電弧，直到d小于或等于整定值，即判斷為故障熄弧，實(shí)現(xiàn)接地故障相主動(dòng)降壓安全運(yùn)行；其中g(shù)為三相對(duì)地電導(dǎo)，ω為系統(tǒng)角頻率，c為三相對(duì)地電容，u0為零序電壓；i0r為零序有功電流，i0c為零序電容電流；p0為零序有功功率，q0為零序無功功率，α0為零序?qū)Ъ{角。

進(jìn)一步地，配電網(wǎng)降壓運(yùn)行過程中，測量接地故障線路的零序電流，如果大于整定值，則調(diào)控注入電流的大小和相位，使故障相電壓進(jìn)一步降低，抑制故障電流，直到接地故障線路的零序電流小于或等于整定值，實(shí)現(xiàn)接地故障相主動(dòng)降壓安全運(yùn)行。

進(jìn)一步地，所述變壓器為與非有效接地系統(tǒng)連接的z型接地變壓器或y/△接線變壓器或y/y/△接線變壓器。

進(jìn)一步地，阻尼率d的整定值設(shè)定為該系統(tǒng)或該線路正常運(yùn)行狀態(tài)下阻尼率的k3倍；系數(shù)k3取值范圍為(1,5]。

進(jìn)一步地，零序電流整定值按該線路長時(shí)間帶單相接地故障安全運(yùn)行允許的故障電流選取，取值范圍為[1a，30a]，或者按接地故障電流抑制率選取，取值范圍為[0.001i0，i0)，其中i0為外加可調(diào)電流源之前的接地故障線路的零序電流。

另需說明的是，在本發(fā)明的研發(fā)過程中，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)電弧是否重燃，實(shí)際上取決于電流過零后故障相的恢復(fù)電壓與電弧重燃電壓之間的相對(duì)大小。所以，通過注入零序電流，強(qiáng)迫故障相電壓下降，當(dāng)下降到低于故障點(diǎn)電弧重燃電壓時(shí)，電弧無法重燃，故障點(diǎn)電流抑制為零，即故障電流消除；并不要求降低故障相電壓到零，這樣可以減少非故障相電壓的上升幅值，降低非故障相絕緣擊穿的風(fēng)險(xiǎn)，延長系統(tǒng)帶單相接地故障時(shí)相對(duì)安全穩(wěn)定運(yùn)行的時(shí)間。而且，工程上規(guī)定非有效接地系統(tǒng)接地故障發(fā)電機(jī)，或接地故障線路的故障電流，或零序電流，或故障相電壓，或零序電壓只要控制在允許的范圍內(nèi)，就可實(shí)現(xiàn)長時(shí)間安全穩(wěn)定運(yùn)行。

此外，本發(fā)明人首創(chuàng)性地提出了非有效接地系統(tǒng)接地故障相降壓運(yùn)行理論，并在該理論的基礎(chǔ)上，本發(fā)明首次提出在非有效接地系統(tǒng)側(cè)的母線與地，或線路與地，或中性點(diǎn)與地，或變壓器非有效接地系統(tǒng)側(cè)繞組的分接抽頭與地之間外加可調(diào)電流源的技術(shù)方案，該技術(shù)方案大大簡化了故障抑制的控制方法。

本發(fā)明的有益效果在于：(1)首次實(shí)現(xiàn)對(duì)故障相電壓柔性調(diào)控，使故障相電壓主動(dòng)降低；(2)減少非故障相電壓的上升幅值，降低非故障相絕緣擊穿的風(fēng)險(xiǎn)，可有效避免非故障相的絕緣層受到損壞，降低人身設(shè)備安全隱患；(3)本發(fā)明無需停電切除故障，大大提高供電可靠性和安全性，可有效防止停電事故的發(fā)生；(4)可實(shí)現(xiàn)帶接地故障的長時(shí)間安全穩(wěn)定運(yùn)行，供電可靠性高，具有深遠(yuǎn)意義及廣闊應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1為采用z型接地變壓器的配電網(wǎng)接地故障相主動(dòng)降壓安全運(yùn)行原理示意圖。

圖2為發(fā)生接地故障時(shí)，非有效接地系統(tǒng)零序等值電路圖。

圖3為非有效接地系統(tǒng)接地故障相降壓消弧運(yùn)行范圍相量圖。

圖4為非有效接地系統(tǒng)阻尼率或線路阻尼率的測量原理圖。

圖5為采用y/△接線變壓器的配電網(wǎng)接地故障相主動(dòng)降壓安全運(yùn)行原理示意圖。

圖6為非有效接地發(fā)電機(jī)接地故障相主動(dòng)降壓安全運(yùn)行原理示意圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的發(fā)明內(nèi)容作進(jìn)一步說明和解釋。

如圖1所示，在非有效接地配電網(wǎng)中，分別為系統(tǒng)三相電源電動(dòng)勢(shì)，c0為系統(tǒng)對(duì)地電容，r0為系統(tǒng)對(duì)地泄漏電阻，a1、b1、c1、a2、b2、c2為z型接地變壓器非有效接地系統(tǒng)側(cè)繞組，s為開關(guān)，變壓器非有效接地系統(tǒng)側(cè)繞組的一端引出線直接與非有效接地系統(tǒng)a、b、c三相連接，變壓器非有效接地系統(tǒng)側(cè)繞組做z型連接后的另一端引出中性點(diǎn)n再經(jīng)阻抗z接地；a1、b1、c1為接地變壓器低壓側(cè)繞組，低壓側(cè)繞組采用星形接線，引出端用a，b，c，n表示。虛線框部分即為可以提供中性點(diǎn)的z型接地變壓器。如c相發(fā)生單相接地故障，接地電阻用rf表示，為故障相電壓，為零序電壓。在變壓器非有效接地系統(tǒng)側(cè)繞組c1的分接抽頭與地之間，或中性點(diǎn)與地之間，或母線與地之間，或線路與地之間外加可調(diào)電流源，調(diào)控電流源往系統(tǒng)注入電流由基爾霍夫定律可知：

式(1)中ω為系統(tǒng)角頻率。因故障相電壓設(shè)三相電源對(duì)稱，代上式得：

故從式(2)可知，調(diào)控注入電流可以實(shí)現(xiàn)對(duì)故障相電壓的控制。注入電流強(qiáng)迫故障相電壓下降，當(dāng)下降到低于故障點(diǎn)電弧重燃電壓時(shí)，實(shí)現(xiàn)故障點(diǎn)電弧熄滅，即接地故障電流為零。

總之，只要控制非有效接地系統(tǒng)故障點(diǎn)運(yùn)行電壓低于電弧重燃電壓，就可以實(shí)現(xiàn)長時(shí)間安全運(yùn)行；并不要求降低故障相電壓到零，這樣可以減少非故障相電壓的上升幅值，降低非故障相絕緣擊穿的風(fēng)險(xiǎn)，提升系統(tǒng)帶單相接地故障時(shí)相對(duì)安全穩(wěn)定運(yùn)行的時(shí)間。

式(2)可以簡化為：

式(3)中，配電網(wǎng)對(duì)地零序?qū)Ъ{中性點(diǎn)接地導(dǎo)納三相對(duì)地電導(dǎo)三相對(duì)地電容c＝3c0，故障對(duì)地電導(dǎo)

圖1所對(duì)應(yīng)的非有效接地系統(tǒng)中的零序等值電路，即發(fā)生接地故障時(shí)非有效接地系統(tǒng)零序等值電路，如圖2所示?？紤]非有效接地系統(tǒng)正常運(yùn)行條件下的三相對(duì)地參數(shù)不對(duì)稱產(chǎn)生的零序電壓影響，式(3)中的零序電壓u0用零序電壓變化量代替，即為主動(dòng)降壓后的零序電壓，為正常運(yùn)行條件下的零序電壓，為主動(dòng)降壓后的故障相電壓，為未發(fā)生故障時(shí)該相正常運(yùn)行的電壓；并考慮故障消弧后，故障點(diǎn)對(duì)地導(dǎo)納yf＝0，則式(3)簡化為：

以上可知，系統(tǒng)發(fā)生接地故障后，并采取外加可調(diào)電流源注入電流實(shí)現(xiàn)主動(dòng)降壓熄弧，注入電流由故障相降壓的目標(biāo)值唯一確定，且從非有效接地系統(tǒng)側(cè)的母線，或線路，或中性點(diǎn)，或變壓器非有效接地系統(tǒng)側(cè)繞組的分接抽頭注入，均可實(shí)現(xiàn)該目的。

以下進(jìn)一步討論故障電弧熄滅的故障相降壓運(yùn)行范圍，如圖3所示，系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，中性點(diǎn)電壓為零，a相電壓向量為b相電壓向量為c相電壓向量為以c相發(fā)生接地故障為例，設(shè)能確保故障相電弧熄滅的故障相最大運(yùn)行電壓幅值為cc”，則故障相熄弧的條件為：零電位點(diǎn)在以c為圓心cc”為半徑的圓內(nèi)；另外，為防止非故障相電壓過高發(fā)生絕緣擊穿，要求非故障相電壓小于線電壓，即：零電位點(diǎn)應(yīng)在以a點(diǎn)為圓心ac為半徑的圓內(nèi)，和以b點(diǎn)為圓心bc為半徑的圓內(nèi)。因此，為確保非有效接地系統(tǒng)故障相降壓后長時(shí)間安全運(yùn)行，本發(fā)明的故障相降壓后的零電位點(diǎn)的范圍為：上述三個(gè)圓的交集內(nèi)。

以下進(jìn)一步討論通過測量阻尼率判斷故障熄弧的方法，如圖4所示，在通過注入電流對(duì)故障相電壓降壓運(yùn)行過程中，通過測量系統(tǒng)零序電流和零序電壓，計(jì)算系統(tǒng)的阻尼率，或測量故障線路m的零序電流和零序電壓，計(jì)算故障線路m的阻尼率。非有效接地系統(tǒng)的阻尼率或線路的阻尼率的計(jì)算公式為：并設(shè)定阻尼率d的整定值為該系統(tǒng)或該線路正常運(yùn)行狀態(tài)下阻尼率的k3倍；系數(shù)k3取值范圍為(1,5]；如果阻尼率d大于整定值，則調(diào)控注入電流的大小和相位，使故障相電壓進(jìn)一步降低，抑制故障電弧，直到d小于或等于整定值，即判斷為故障熄弧，實(shí)現(xiàn)接地故障相主動(dòng)降壓安全運(yùn)行；其中為三相對(duì)地電導(dǎo)，ω為系統(tǒng)角頻率，c＝3c0為三相對(duì)地電容，u0為零序電壓；i0r為零序有功電流，i0c為零序電容電流；p0為零序有功功率，q0為零序無功功率，α0為零序?qū)Ъ{角。

如圖5所示，本實(shí)施例中的z型接地變壓器可用y/△接線變壓器進(jìn)行替換。同理，本實(shí)施例中的z型接地變壓器也可用y/y/△接線變壓器進(jìn)行替換。

以上詳細(xì)介紹了本發(fā)明應(yīng)用于配電網(wǎng)時(shí)的技術(shù)原理，該技術(shù)原理同樣適用于發(fā)電機(jī)；以下進(jìn)一步介紹本發(fā)明分別應(yīng)用于配電網(wǎng)和發(fā)電機(jī)時(shí)的具體情況：

第一種情況，在10kv配電網(wǎng)中，三相電源分別為線路對(duì)地泄漏電阻r0＝4.7kω、線路對(duì)地電容值c0＝8.36uf，設(shè)定接地故障配電網(wǎng)或接地故障線路零序電流整定值為1a，中性點(diǎn)n接地阻抗z＝j(luò)121ω，在該配電網(wǎng)中c相發(fā)生接地故障，接地故障電阻rf＝1kω，發(fā)生故障后，未加外加電流源之前，測得故障相電壓uc＝2.60kv，設(shè)維持接地電弧持續(xù)燃燒的臨界電壓為1.90kv，此時(shí)，在非有效接地系統(tǒng)側(cè)的母線與地之間外加可調(diào)電流源將故障相電壓降低，根據(jù)式(3)和可得：

調(diào)控外加電流源輸出電流的幅值和相位，使故障相電壓uc降低到低于接地電弧持續(xù)燃燒的電壓，即：uc＜1.90kv，實(shí)現(xiàn)接地故障熄弧。本例中設(shè)要使故障相電壓uc降壓消弧運(yùn)行在1.82kv，則根據(jù)式(5)可知需要注入的電流為：即電流源輸出幅值為2.0a，相位為37.5°時(shí)，可將故障相電壓降低到1.82kv，滿足故障相電壓運(yùn)行范圍(0,2.60kv)，此時(shí)，非故障相電壓為8.51kv，小于線電壓10kv，既實(shí)現(xiàn)了接地故障相消弧，同時(shí)非故障相電壓未升高至線電壓，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)降壓安全運(yùn)行。

降壓運(yùn)行過程中，測量接地故障線路零序電流，如果大于整定值10a，則繼續(xù)調(diào)控注入電流的大小和相位，使故障相電壓進(jìn)一步降低，抑制故障電流，直到接地故障線路的零序電流小于或等于整定值10a，實(shí)現(xiàn)接地故障相降壓消弧安全運(yùn)行。

第二種情況，如圖6所示，在20kv發(fā)電機(jī)中，三相電源分別為線路對(duì)地泄漏電阻r0＝20kω、線路對(duì)地電容值c0＝1.81uf，中性點(diǎn)n接地阻抗z＝j(luò)600ω，在該發(fā)電機(jī)中c相發(fā)生接地故障，接地故障電阻rf＝2kω，發(fā)生故障后，未加外加電流源之前，測得故障相電壓uc0＝2.76kv,設(shè)維持接地電弧持續(xù)燃燒的臨界電壓為2.20kv，此時(shí)，在非有效接地系統(tǒng)側(cè)的母線與地之間外加可調(diào)電流源調(diào)控外加電流源輸出電流的幅值和相位，使故障相電壓uc降低到低于接地電弧持續(xù)燃燒的電壓，即：uc＜2.20kv，實(shí)現(xiàn)接地故障熄弧。本例中設(shè)要使故障相電壓uc降壓消弧運(yùn)行在2.13kv，則根據(jù)式(5)可知需要注入的電流為：即電流源輸出幅值調(diào)控為5.6a，相位調(diào)控為-176.4°時(shí)，可將故障相電壓降低到2.13kv，滿足故障相電壓運(yùn)行范圍(0,2.76kv)，此時(shí)，非故障相電壓為18.27kv，小于線電壓20kv，既實(shí)現(xiàn)了接地故障相消弧，同時(shí)非故障相電壓未升高至線電壓，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)降壓安全運(yùn)行。