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 配电系统中性点柔性接地与降压消弧理论技术 长江学者特聘教授、国家杰青 国家重点研发计划项目负责人曾祥君 长沙理工大学 汇报内容 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 背景与意义 树枝挂电线电线掉落起火电缆起火故障点周围存在跨步电压配电网是向用户分配电能，结构复杂，易产生各类故障未及时处理将导致人身触电 触电报道儿童触电受伤电力公司赔偿十八余万 屡见不鲜 T元R：+HERNRTKT：OWTAHEH 据统计，我国每年因触电死 灾发！杭城北一小区泳池漏电有孩子触电滤水亡的人数占各类事故总死亡 1H: 湖浙江楼810H讯（浙江战华市门）人数的10% 因配电网故障导致的年均停 RoD 暑似在家千万小心！一家二口触电身亡孩十不142电损失达上干亿元 背景与意义 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kQ，故障处理复杂、困难： 可能历经数小时、甚至数月的燃弧，直到敌障电阻下降到1kQ以下，才能被检测和处理 存在接地故障检测、选线选相、消弧及定位难题 负载 中性点接地阻抗 大地间歇性弧光故障 过渡电阻故障电流故障电弧检测保护故障后 电网 非有效接地数十k2低至0.1A极不稳定困难带故障运行 研究现状 中性点非有效接地（包括：消弧线圈接地、不接地） 障熄弧； 但对于绝缘性故障，电弧熄灭后，故障点回归正常电压，又重新燃弧： 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“ 火烧连营”事故。 B 增大负载 零序阻抗口 U. R 3ox., 熄弧后，回归正常电压，电弧重 燃； 间歇性弧光过电 零序等效电路故障相恢复电压压可高达3-8倍间歇性弧光故障 研究现状（中性点小电阻接地，消弧线圈井电阻接地） 切：采用小电阻接地，减少零序阻抗，增大故障电流，确保在电缆沟起火等重大事故引发前，保护动作切 除故障，起到最后一道防线效果： 保护灵敏度仅数百欧姆，对高压线掉地（故障电阻达十几干欧）等高阻故障无能为力，人身设备安全 防护能力有限： 会导致跳闸率上升，可高达3倍，降低供电可靠性 低阻故障时，中性点和故障点电流大，跨步电压大（如台区配变接地故障），存在严重安全隐患 A 跳闸 VB 负载 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➓地方式，采用电力电子装置，灵活调控中性点➓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。 中性点中性点中性点 不➓地经消弧线圈➓地经电阻➓地 中性点 戴维南等效有源支路 可控阻抗 传统中性点➓地方式：提出可控阻抗➓地PWN 固定阻抗➓地“堵”故障电流 77777 FACTS➓地装置 可以灵活实现中性点不➓地、消弧线圈➓地：电阻➓地、消弧线圈并电阻➓地等多种➓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”： 中国电机工程学报3篇系列论文 IEEETransactionsonlndustrialElectronics2篇 研发了国内首台FACTS消弧装备，全补偿故障电流，获2016年省科技进步一等奖 配电网 B|C 固定销价 负荷目标：以故障电流为控制目标 注入变压器原理：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 信号处理 控制计算机应用：能有效抑制各种➓地故障 信号处 出路DSP控制器 理出路 ➓地变 UAUBGUaG 驱动板缺点：故障点位置未知，故障电流多变，谐波丰富 故障电流精确测量困难：等效电路中电流 整流桥逆变器 变结构源等效阻抗为无穷大，各次谐波分量需单独补 ➓口电路偿控制，电力电子电流源精确控制异常困难： 设备造价高。 基于电力电子的柔性➓地电流消弧FACT装置原理图 广东电科院与长沙理工大学研发的柔性➓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➓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： 、采用电力电子设备，控制复杂，造价高。 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： 把传统消弧问题转化为故障点电压控制问题：且仅需把故障点电压控制到低于电弧重燃电压！控制范围宽，可采用开环控制，易于实现 U/kVA熄弧峰压Up 熄弧 临界值 绝缘恢复强度 (电弧重燃电压）Uds 故障相 恢复电压Urv 故障相 Uev=Upy恢复电压Urv t/s 背景与意义 国 JKDL-500➓地故障消弧与选线保护装置 为此，长沙理工大学曾祥君长江学 者创新团队研发了JKDL-500➓地 故障消弧与选线保护及定位成套装 置：包括： V20kQ高阻➓地故障检测装置； ➓地故障相主动降压消弧装置： ➓地故障选线跳闸装置： 故障行波准确定位装置 汇报内容 一、背景与意义 主动降压消弧原理 三、➓地故障处理成套技术四、实验测试结果及运行业绩 主动降压消弧原理介绍 ➓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➓地故障消弧。 光 消弧线圈 外加受 弧绝缘击穿电压：当故障相恢复电压大于该值，故障电弧 控电源重燃；当低于该值 电弧熄灭。 主动降压消弧的研究思路一一位移电压调控 非有效➓地系统具有天然优势，即电源、负荷均为三角形➓线，中性点位移电压变化不影响电 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；由于零序回路阻抗大，调控所需电源容量小，实现方便。 U 电源A负载 C 调控Uc 电压源C 或 电流源 UcA UAB 位移电压 LUo UB UBC Uc 零电位点：U。→U相电压：U→U 主动降压消弧的研究思路一故障电流消除 障相点压控制到电弧重燃电压以下，就可以消除故障电流为零，实现主动电压消弧：电压控制的裕度大，可以开环控制，实现方便 堵 （被动电流消弧）消 U. UAR 切 （主动降压消弧）位移电压 Uo UB 鱼载 调控UcUrc 电或压源COR 电流源 电弧重燃电压U 调控零电位点：U:-→U 主动降压消弧的研究思路零电位安全清除故障 调控外加的零序电源，再次降低故障相电压，将故障点电压控制到零，保障带电作业人身安全，实现不停电故障处理。 电源 调控V 电压源 CoOR UAB 电流源 或位移电压 UB 故障相电压：U.=0 非故障相电压：U,=UAU=UBC 位移电压U"=Uc，故障零电位安全清除 U" Uec 研究思路小结 /针对现有➓地故障处理中：被动地“堵”引发的人身设备安全问题、“切”引发的供电可靠性问题； √创新性提出：外加零序电源，主动降低故障相电压，“消”除故障电流和故障电压，力争实现➓地故障的不停电安全运行，消除人身设备安全隐患，确保供电可靠性。 现有及在研技术项目技术 抑制故障次系统➓地方式调控保障二次系统融合处理 堵谐振➓地 柔性➓地 人身 设备消 外加零序电源柔性（连 安全（二值控制）安全续）控制故障相电压 问题不➓地 补偿故障全补偿有功、 无功残流无功残流故障相降压 消除故障电流 切配电 自愈控制提升供电 可靠自动化进一步减少可靠性故障点零电位 性问减少停电停电时长和 题小电阻➓地 ➓地保护 重合闸 时长停电次数 人工安全清除故障 切除故障二次系统配电自动化建设 随电网发展对配电系统可靠性、电能质量要求提升 ➓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 （19）中华人民共和国国家知识产权局（19）中华人民共和国国家知识产权局 （12）发明专利(12)发明专利申请 (I0）授权公告号ENIC2Y49S (45)授权公告月1307.3 (21)申请号2011100667012转开2007101208A2(07.04.19 (22)申请日2011.01.13CN2173908Y,20011.9 发明专利证书 （21）中请号20171054976.8 (10）中清公布号(N107276082 （43）审请公布日2017.30:20 （73）专利权人：长沙座工大学 地址：10111湖南省长步市万家图南路二段 张草荐等，一种中低氏配电网单相装始改商(22)申请日：2017:07.05 选线新力法，（三网技本）2005，第2+卷（第3(71）申清人长沙理工天学 期），前76-80翼地址10004湖南省长沙市南花区万家街 030号南路二段960号 （72发明人粤祥君李健蛋造志王阳(72）发明人兽祥社 王级娘（74）专利代理机构湖南洲和律师事务用43219 (51)1nt)代理人刘兵何剑 MC2H9/06(2C06.01)(51)1mt.01 HC283/26(2C06.01)HO2)3/00(2006.01) OC1R31/09(2006.2:) （56）对比文件 CN101526158A,200113 CN96138754Y.230803.19,CN1E91033.A,2005.03.C9FC2(08/090239A1,200807.3, (54)发明名称 权料要求片1实总书页彩2克 (54)发明名称非有效➓地系统➓培敬障相主动降压安全 一种配电网安脑放率消延和保护方达运行方法 (57)编要(57）拥要 本发明公开了一种配目地战障的消和本发明公开了一种非有效换地系统援地故 降相主动降压安全运行方法，应用于中作点非有 LA效➓地发电机成配电网的➓站故障安全运行：发 深发生时，南配电网注人电流，强放保相电玉为K生单相➓地放陷时，在非有效➓地系线熊的排线 与增，或线路与绝，或中性点与地，或变压器非有 零和择地效障电流为季，延用一度付的，减小注入电流，年果零序电压成正比阅滋，期表用故题 效➓地系统解绕组的分➓抽头与触之间外加可 遇电流源，请控注入电流大小和样位，进一步降 零，铁变配电网 一种配电网➓地故障消弧与保护方法上电压低于➓维电瓶持线 不停电安全起行要求， 率，改变生入电注 （ZL201110006701.2) 低别非零的安全送行值， 度地故障电落，文能限制非 方法以载章相申压为控制甘标遇过淀入审流道敬膜相电压的上开幅值，降低非故相绝缘击穿 制敬陷相电非为零，实我购时载的10%消费，的风验，详赋人身设备安全他惠，有效防止停 永久故师的快速潮两，解决了电流消弧注消报效 ➓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 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 16)中请公市号(107276097-4 (21)中话号201736544978.8 (22)申请日2017.07.05 （71）申请人长沙田工大学 地址84湖南省长沙市重范区万家限 南路R950号 (43)审请公布月2017.10.20 发明专利证书 (72）发明人首样君发，明名移，非在凝➓地系统提越故障椎降玉消派的安全运打方法 [76)专利代理机物润高和审市事务解4218 代理人刘漢兵时刻 (51)int.01. M2/3/12(266:01) 利号，201710644978.8 专利串请日：2012年07月05日 专利区人：长沙理工大学 (54)发明名种： 址：410604蒙南省关名市南花区万家楼南率二段960号 主有效核法系能没地故障相障压消发的安投权公告日：2018年10月09日轻权公告号：C10299978 (57)描菱不发明限以本易低醒中举人民共和用专私备提行审业，法交校予专机我，明发本环书 本发明公开了一种有效换增态筛换随故 原相源后