长沙理工大学：2024配电系统中性点柔性接地与降压消弧理论技术报告

第15届中国电工技术学会年会配配电系统中性点柔性接地与降压消弧理论技术曾祥君曾祥君汇报内容配电网是向用户分配电能，结构复杂，易产生各类故障第断闻中心生分儿童触电受伤电力公司赔偿十八余万儿童触电受伤电力公司赔偿十八余万m*swaww2*:ETiiTNP***r屡见不鲜浙江在线8,310Hm(浙江介发记有华沛条F)J)传察川分，记去一见还确马，T作人只几的什见济界开了证。并似在家千万小心!一家二口触电身亡孩子才14岁背景与意义国内外普遍存在配电网接地故障处理难题：国内外普遍存在配电网接地故障处理难题：●不同于输电网，故障电阻可能高达数十kΩ,故障●可能历经数小时、甚至数月的燃弧，直到故障电阻下降到1kQ以下，才能被检测N接地阻抗检测保护故障后非有效接地电网中性点非有效接地(包括：消弧线圈接地、不接地)●该被动的电流消弧方式，难以抑制间歇性弧光故障，易产生过电压，危及人身设备安全，甚至引发“C负载增大负载RyRy压可高达3-8倍研究现状(中性点小电阻接地，消弧线圈并电阻接地)保护灵敏度仅数百欧姆，对高压线掉地(故障电阻达十几千欧)等高阻故障无能为力，人身设备安全A跳闸NBEc故障小电阻接地配合继电保护动作接地故障选线保护跳闸切除故障提出了主动消弧原理，获2010年湖南省技术发明一等奖统一了中性点接地方式，采用电力电子装置，灵活调控中性点接地阻抗，根据戴维南定统一了中性点接地方式，采用电力电子装置，灵活调控中性点接地阻抗，根据戴维南定律，即灵活调控注入中性点的电流或电压。不接地经消弧线圈接地经电阻接地固定阻抗接地提出可控阻抗接地“堵”故障电流√可以灵活实现中性点不接地、消弧线圈接地、电阻接地、消弧线圈并电阻接地等多种接地方式；√外加电源，抑制故障点恢复电压，首次从根本上消除间隙性弧光故障和过电压；√国内外首次发表有源电压消弧与保护系列论文，入选“电力工业学科高被引论文TOP100”研发了国内首台FACTS目标：以故障电流为控制目标原理：中性点注入与故障点相反的电流，控制故障电流小于熄弧电流应用：能有效抑制各种接地故障●广东电科院与长沙理工大学研发的柔性接地FACT装置，采用电力电子装置，调控注入的零序电流大小和相位，全补偿接地故障残流(包括无功、有功和谐波电流),首次实现全补偿消弧；提出了故障相主动降压消弧的研究思路■根据交流电弧熄灭机理，主动调控故障点电压，使故障恢复电压低于绝缘恢复强度(电弧重燃电压);阻止电弧重燃，实现故障彻底熄弧；背景与意义为此，长沙理工大学曾祥君长江学为此，长沙理工大学曾祥君长江学汇报内容一、背景与意义二、主动降压消弧原理弧光主动降压消弧原理介绍弧光●接地故障等效为一可变击穿电压放电间隙与一可变电阻串联；●当外加零序电压源，调控零序电压；由于故障相电压等于零序电压与故障相电源电压之和，即调控故障相电压；●当故障相电压小于弧光放电电压，则实现接地故障消弧。绝缘击穿电压：当消弧线圈外加受消弧线圈外加受控电源于该值，故障电弧主动降压消弧的研究思路——位移电压调控源和负荷正常运行，可以灵活调控；●外加零序电源，主动调控中性点位移电压，即零电位点与中性点分离，实现相电压控制；主动降压消弧的研究思路——故障电流消除接地故障后，外加零序电源，与故障相电源相位相反，主动调控故障相对地电压，只要将故主动降压消弧的研究思路——零电位安全清除故障故障相电压：U=0项目技术项目技术外加零序电源柔性(连续)控制故障相电压切故障点零电位题二次系统配电自动化建设(二值控制)无功残流接地保护小电阻接地配电时长堵安全问题保障人身设备安全提升供电可靠性不接地重合闸接地故障电流全补偿消弧专利2011年首次提出了故障电流全补偿消弧理论，该技术已获国家发明专利授权F特开2067101208A,2007.04.19,选线新方法。(电网拉术》)2005,第29卷(第3期1。第76-80页，世责员以F8050弓发要名和(一发要名和(一利配业叫发地故穿有重动保护方法利专利中综扫，200年1月2日底2HR利专利中综扫，200年1月2日底2HR/06(2C06,01;HC2M3/26(2C06.01’专利权人：长沙理1大学专利权人：长沙理1大学(57)摘要(57)摘要一种配电网接地故障消弧与保护方法(ZL201110006701.2)接地故障相主动降压消弧专利2017年国内外首次提出了故障相主动降压消弧理论，该技术已获国家发明专利授权非有效接地系统接地故障相降压消弧的安全运行方法(ZL201710544978.8)王书号第31029元号发明名称，李有效接地系纯接地故障相降玉消流的安全运行方法发明人：尊祥君专利申请日：2017年07月15日专利权人：长沙理工大学地址：410004湖南省长沙市刚花区万家幽南率二段960号投权公告日：2018年10月09日控权公告号：CX107278897B局长证书号第2985084号发明名称，书有效接地系税接地放障相主动降压安全处理方法发证书号第2985084号发明名称，书有效接地系税接地放障相主动降压安全处理方法发用人：曾择君专利号：21.2017105E0400.3专料权人：长沙理工大学地址：410094健南省长冷市方家国南路一段960号授权会告日，2018年07月03日授权公告号：CNNI71申长雨第1室孩1页2017年国内外首次提出了故障相主动降压安全处理理论，该技术已获国家发明专利授权(19)中华人民共和国国家知识产权局(21)中请号2I7HHAAS7B.B(22)中请月2317.7,06地址410001湖高省长沙市海花区万家图74)专利代理机构湖南湘和律师学务所43218代理人大器只何匐(51)1nt.C1.m非有效接地系统接地故障相主动降压非有效接地系统接地故障相主动降压安全处理方法(ZL201710550400.3)●高阻接地故障，外加零序电源与故障相电源相位一致，主动升高故障相电压，增大故障残流；●可以任意调控故障残流，便于故障选线装置、配电网自动化终端FTU、故障指示器等检测和隔离故障；●最高可以将故障相对地电压升高到2倍相电压，对启动接地保护作用的效果远大于小电阻接地方式；且对于低阻故障，可以限制故障残流，消除小电阻接地方式的安全隐患。一、背景与意义三、接地故障处理成套技术三、接地故障处理成套技术四、实验测试结果及运行业绩响应国家电网公司最新政策要求国家电网有限公司部门文件设备配电【2019】64号国网设备部关于加强大城市配电电缆网.单相接地故障快速处置工作的通知(一)工作思路“瞬时故障安全消弧”(主动降压消弧)通过中性点外加电压源，将故障点电压降低至电弧重燃电压以下，从根“可恢复性绝缘故障不停电消除”(不停电重合闸)延时5s,检测接地故障消失后，退出外加电压源，将故障点电压恢复对地电容、电阻、介损等对地绝缘参数是决定配电网零序过电压、消弧线圈调谐及消谐器配置的基础，需在线实时测量。技术难点技术难点现有消弧线圈自动调整系统仅测量对地电容，不能测量对地电阻和介损；现有消弧线圈自动调整系统现场运行缺乏状态监测，长期运行偏离最优运行状态；(现场实测甚至高达90%消弧线圈未能准确调谐)消弧线圈调谐测量的对地电容精度一般不超过5%;国内最新研究的专用测量装置从电压互感器二次侧注入信号测量，受互感器内阻、消谐器等因素影响，测量不稳定，误差一般大于5%。发明了注入信号谐振测量理论与技术，首次实现对地电阻和介损的在线测量；直接从电压互感器二次侧测量，不影响电网运行。由于注入信号功率小于2由于注入信号功率小于2w,且频率为非工频信号，因此不会对系统运行造成影响，不√国内外首次实现配电网对地电容、阻尼率(介损)、对地泄漏电阻测量；√测量误差小于1.5%;电流补偿电压补偿接地故障全补偿消弧技术电流补偿电压补偿全补偿技术(电流消弧与电压消弧的统一)有源消弧有源消弧在谐振接地的基础上，利用有源补偿装置调控配电网中性点电压，对故障点电流中的无功、有功和谐波分量进行全电气量补偿，确保故实时测量介损，检测故障是否消除外加零序电压源的主动降压消弧成套技术故障瞬间进行故障行波定位；●接地故障50ms内切除并联电阻，投入并联电容，实现瞬时故障消弧；接地故障250ms内，外加零序电压，将故障点接地故障延时5s,检测故障是否消除；如无消除，如需与配电自动化FTU、故障指示器的配合，外BksdtacⅡ规整流桥变结构接口电路δ夺上夺負荷采用电力电子装置，调控零序电压的大小和相采用电力电子装置，调控零序电压的大小和相位，控制位移电压在中性点电压安全运行域内：即降低故障相电压低于电弧重燃电压，实现消弧。●采用接地变压器380V侧的相间电压经调压器注入(相位固定，仅需调整幅值),控制位移电压在中性点电压安全运行域内；主动降压消弧装置与现有消弧线圈的配合运行主动降压消弧装置主动降压消弧装置针对调匝式消弧线高压开关柜高压电缆刀闸消弧线圈注入变压器电流互感器主动降压消弧装置与现有消弧线圈并联运行配电网接地故障相主动降压消弧的柔性接地技术优势直接控制零序电压，解决三相不平衡电压和铁磁谐振过电压的抑制难题；首次实现间隙性弧光故障的抑制；且针对可恢复性绝缘故障，主动降压抑制后，退出外加零序电压，首次实现不停电恢复，即不停电重合闸，可实现电缆线路30%左右故障的不停电恢复。弧率达100%。弧率达100%。采用消弧线圈和电压消弧装置并联运行模式，造价能满足工程推广要永久性高阻接地故障时，主动向中性点加入零序电源，调控零序及故障相电压，高精度测量残流及介损变化量，进行接地故障高灵敏度选线，研发新型故障选线保护装置。电压抑制电压抑制故障保护不接地差，不能补偿故障残流不能抑制不能抑制不能抑制F日难小电阻无，瞬时故障跳闸，供电可靠性低能抑制能抑制低阻时跳闸低阻易固定容量消弧线圈一般，不能跟踪补偿电容电流，残流可能大放大不平衡电压一定范围抑制不能抑制重合闸可调消弧线圈较好，跟踪补偿电容电流，不能补偿有功和谐波残流随调式不能抑制一定范围抑制不能抑制跳闸言五接地故障点旁路转移消弧一般，靠消弧线圈或故障点旁路消除瞬时故障不能抑制不能抑制能抑制较易柔性接地电流消弧无功、有功和谐波电流),但控制复杂能抑制能抑制能抑制不停电抑制后恢复易最好，补偿故障全电流，控制裕度大，控制简单能抑制能抑制能抑制不停制易(非最好，补偿故障全电流，控能抑制能抑制能抑制不停电抑制后恢复易主动降压消弧技术特点通过单相变压器接入中性点根据控制屏指令迅速调控中性点电压，强迫故障相相电压低于电弧重燃电压；中和接地故障电流(无功电流和有功分量);整个补偿动作250ms内快主动降压消弧技术特点●包含接地故障选线及跳闸装置，对地电容电流及对地泄漏电导测量，消弧线圈自动调谐，阻尼电阻控制装置，零序电压调控装注入变压器：注入变具有一次绕组和●二次绕组连接电压源柜；高灵敏度故障选线技术技术难点弧光高阻故障电流小，不稳定；电压互感器极性接错，电流互感器变比过大，精度差；选线保护装置测量精度低，选线保护原理不足；国网漯河真型配电网重点实验室测试各厂家选线装置的选线精度都小于1kΩ,难以满足安全要求。解决方案根据配电网接地故障残流选择合适变比(建议40:1左右)的零序电流互感器；■■高灵敏度故障选线技术■■提出多种故障信息融合处理技术，发明无整定保护方法：◆对谐振测量参数(故障电阻和阻尼率)、负序电流、零序导纳等多维故障信息进行综合分析、融合处理，提升故障选线的灵敏度和可靠性。◆基于聚类分析确定故障样本聚类中心P₁和非故障样本聚类中心P2,构建多维特征向量空间；◆比较故障时空多维故障特征向量x,与P₁和P₂的距离，离P₁近时，保护动作。多种故障信息的融合处理时空多维故障特征保护决策结果相电流变化量相间差接地保护方法(已获授权发明专利)相电流变化量相间差动保护ZL200510031174.5相电流采样值相间差动保护只需三相电流量，适合在就地测量三相电流1)在线监测配电系统的三相电流；2)实时计算各馈线的三相电流变化量(实时采样值与40ms前的采样值相减),3)如零序电压和相电流变化量相间差越限，则判断保护安装处下游发生单相高灵敏度接地故障选线与保护装置低阻接地故障(如100Q)选线正确率100%;高阻接地故障(如1kQ)选线正确率98%;超高阻接地故障(如5kQ)选线正确率95%;特高阻接地故障(如15kQ)选线正确率90%。配合配电自动化终端进行故障区段定位√接地故障时，中性点柔性接地装置输出电压与故障相电源电压相位一致，主动升高故障相电压，增大故障残流；或发出特殊频率信号，流向故障点；√供配电自动化终端跟踪各信号流向；√配电自动化终端定位故障区段。配电网故障特征量放大原理相量图输电网行波与配电网行波比较>故障分量幅值小：电压等级低的线路，故障行波幅值小；>接地故障电阻大：极端情况下，配电网接地电阻可高达20kQ,约为输电网接地电阻的>分支线路多：行波折射和反射，衰减严重；>容性设备等效电容小：配电网从末端配电变压器接地线提取行波信号(等效电容值约为500-1000pF),输电网从CVT接地线提取行波信号(等效电容值约为5000-10000pF),配电网等效电容值约为输电网等效电容值的1/10。配电网故障电压行波的检测难度是输电网故障行波的十万倍!受配电线路末端电流已将输电网故障行波定位屏缩小为芯片，应用于配电网高性能(高精度、高可靠性),小体积，低功耗，低价故障定位手机应用APP软件基于芯片行波传感器的故障定位系统(已申请发明专利)发明了高灵敏度、小体积、低功耗的暂态电流芯片传感器通讯链路公暂态信号定位模块暂态信号传感器通讯链路暂态信号传感器短信推送短信推送哲态信哲态信号定位模块通讯链路通讯链路通讯链路“互联网+”故障行波定位软件平台研发了“基于互联网+”的配电网故障行波定位平台“互联网+”故障行波定位软件平台独具特色的含10独具特色的含10km电缆的配电网故障行波定位实验平台10台配电网故障行波采集与定位装置10台配电网故障行波采集与定位装置配电网故障行波定位系统行波采集装置输电网故障行波定位装置GPSGPS天线行波传感器水泥杆支柱长沙理工大学台区地网联合研制台区地网>该配电网故障行波选线与定位系统的安装施工难度小、风险低。>开普实验室检测误差小于20米；自2014年装置投运以来，配电网发生多次单相接地故障，均能实现故障准确定位，误差小于60米。汇报内容一、背景与意义二、主动降压消弧原理三、接地故障处理成套技术四、实验测试结果及运行业绩专门建设了1:1真型10kV配电网实验室具有完备的现场一、二次设备：变压器、接地变压器、升压具有完备的现场一、二次设备：变压器、接地变压器、升压变压器、隔离变压器、调压器、消弧线圈、中性点接地电阻等。对地电关柜关柜接地变调压器压器消弧线圈过补偿3%,电缆间隙性弧光接地故障。外加电力电子电压源，主动降低故障相电压，当电压降漯河10kV配电网真型试验场实验验证试验样机和注入变压器并联等效为一个幅值、相位可调的电源，加在接地变压器的中性点，实时跟踪测量系统对地参数，实现故障点电压控制。Iwm现场现场试验过程试验过程现场现场试验过程