2024配电系统中性点柔性接地与降压消弧理论技术报告

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 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 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。 研究现状（中性点小电阻接地，消弧线圈井电阻接地） ：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 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，根据戴维南定律，即灵活调控注入中性点的电流或电压。 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 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 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 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：等效电路中电流源等效阻抗为无穷大，各次谐波分量需单独补偿控制，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接地电流消弧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： 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 背景与意义 为此，长沙理工大学曾祥君长江学者创新团队研发了JKDL-500接地故障消弧与选线保护及定位成套装置：包括： V20kQ高阻接地故障检测装置；接地故障相主动降压消弧装置：接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、接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 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。 主动降压消弧的研究思路一一位移电压调控 非有效接地系统具有天然优势，即电源、负荷均为三角形接线，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； 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 零电位安全清除故障主动降压消弧的研究思路 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。 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 研究思路小结 /针对现有接地故障处理中：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，力争实现接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。 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 （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 (10）中清公布号(N107276082（43）审请公布日2017.30:20 （21）中请号20171054976.8(22)申请日：2017:07.05(71）申清人长沙理工天学地址10004湖南省长沙市南花区万家街南路二段960号(72）发明人兽祥社（74）专利代理机构湖南洲和律师事务用43219代理人刘兵何剑(51)1mt.01HO2)3/00(2006.01) 发明专利证书 （56）对比文件 (54)发明名称 非有效接地系统接培敬障相主动降压安全 (54)发明名称 一种配电网安脑放率消延和保护方达 (57）拥要 (57)编要 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，应用于中作点非有效接地发电机成配电网的接站故障安全运行：发生单相接地放陷时，在非有效接地系线熊的排线与增，或线路与绝，或中性点与地，或变压器非有效接地系统解绕组的分接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 本发明公开了一种配目地战障的消和深发生时，南配电网注人电流，强放保相电玉为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 上电压低于接维电瓶持线不停电安全起行要求，低别非零的安全送行值，度地故障电落，文能限制非 一种配电网接地故障消弧与保护方法（ZL201110006701.2) 零，铁变配电网率，改变生入电注 方法以载章相申压为控制甘标遇过淀入审流道制敬陷相电非为零，实我购时载的10%消费，永久故师的快速潮两，解决了电流消弧注消报效 敬膜相电压的上开幅值，降低非故相绝缘击穿的风验，详赋人身设备安全他惠，有效防止停 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 发明专利证书 投权公告日：2018年10月09日轻权公告号：C10299978 本专制的专利权期级为二十平，自中请县故算，专利机人应当然专积法成员实视额利我自总当维的骨期满之日超选上， 专利证卡记载专利税登记时的活律我洗，专程税的禁移，责押，无规，降止，及复和专科机人的社名式名，四路，地的支更等事现记存专利会记等上， 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） 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安全处理理论，该技术已获国家发明专利授权 发明专利证书 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，主动升压，增大故障残流，便于故障隔离 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。 零电位点：U,→U相电压：U.→ 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 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 接地故障处理全过程不停电 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 “瞬时故障安全消弧”（主动降压消弧） 各省（白治区、直转市）电力公司、中国电科院、国网经研院： 为进一步提升配电网供电可靠性，降低大城市配电电缆单相接地故障引发电缆通道火灾和大面积停电事件风险，决定开展大城市配网单相接地故障快速处置能力提升工作。具体事顾通知如下请各单位认真贯彻执行。 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，从根源上阻止电弧重燃，首次实现间隙性弧光故障的不停电消除 “可恢复性绝缘故障不停电消除”（不停电重合闸） 工作思路和日标 延时5S，检测接地故障消失后，退出外加电压源，将故障点电压恢复到正常值，回归正常运行，实现不停电重合闸。 先行先试”的工作原则，全面加强消弧线圈等设备运行维护，稳妥 对地绝缘参数测量及状态在线监测与评估（已获发明专利） 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 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之状态监测，长期运行偏离最优运行状态；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% （现场实测甚）一 解决方案 直接从电压互感器二次侧测量，不影响电网运行。 对地绝缘参数测量及状态在线监测与评估（已获发明专利） 注入谐振频率信号，实时测量配电网对地绝缘参数，包括：介损（阻尼率）、对地电容泄漏电阻等； 放大高阻接地等轻微故障微弱信号的故障特征信息，实现故障的灵敏检测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，不会造成3U.越限，不会误触发故障告警。 国内外首次实现配电网对地电容、阻尼率（介损）、对地泄漏电阻测量从零序电压互感器二次侧或无功补偿电容器中性点测量，实现方便测量误差小于1.5%外加辅助零序电源测试，接地故障监测灵敏度高达40kQ 全补偿技术（电流消弧与电压消弧的统一） 将故障点电压控制至低于电弧重燃电压，控制域大，控制简单。 将故障点电流补偿至零电流源控制复杂。 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，确保故障点100%熄弧 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 正常运行时，采用中性点单相注入变压器二次侧并联电阻，抑制位移电压： 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，将敌障点电压降低到电弧重燃电压以下，强迫弧光故障熄弧;接地故障延时5s，检测故障是否消除；如无消除则发故障线路报警或故障线路跳闸信号；如需与配电自动化FTU、故障指示器的配合，外加零序电压与故障相电源电压同相位，增大故障相电压，即增大故障电流，等效为小电阻接地方式，实现故障区段跳闸隔离：如需带故障较长时间运行，外加零序电压与故障电源电压反相位，将敌障点电压降低到电弧重燃电压以下消除敌障电流具限制敌障过电压 提出了中性点电压安全运行域的概念，发明了基于电力电子单相电压源的消弧技术 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 发明了基于接地变压器反馈电源的消弧技术 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： 降低故障相电压低于电弧重燃电压，实现消弧：采用不受接地故