配電網(wǎng)故障隔離裝置設(shè)計(jì)

荊棟，張秀華，孫紅亮

(1.山東理工大學(xué) 交通與車(chē)輛工程學(xué)院，山東 淄博　255049;2.山東工業(yè)職業(yè)學(xué)院 電氣工程系，山東 淄博　256414)

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配電網(wǎng)故障隔離裝置設(shè)計(jì)

荊棟1，張秀華2，孫紅亮2

(1.山東理工大學(xué) 交通與車(chē)輛工程學(xué)院，山東 淄博255049;2.山東工業(yè)職業(yè)學(xué)院 電氣工程系，山東 淄博256414)

針對(duì)傳統(tǒng)漏電保護(hù)裝置在配電網(wǎng)故障情況下可能存在拒動(dòng)或延時(shí)動(dòng)作的缺點(diǎn),設(shè)計(jì)了一種配電網(wǎng)故障隔離裝置。該裝置采用電感和可調(diào)電容并聯(lián)的方式設(shè)計(jì)阻抗器，故障情況下利用阻抗器附加繞組產(chǎn)生的耦合電壓驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，迅速準(zhǔn)確投切可調(diào)電容，實(shí)現(xiàn)對(duì)隔離參數(shù)的在線調(diào)節(jié)。仿真及試驗(yàn)研究結(jié)果表明,在配電網(wǎng)單相故障情況下，該隔離裝置可準(zhǔn)確提供高阻抗，有效隔離故障點(diǎn)，保證配電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行。

配電網(wǎng)；單相接地故障；隔離裝置；阻抗器

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160930.1006.009.html

0　引言

配電網(wǎng)故障情況下一般利用保護(hù)器快速動(dòng)作切斷電源，實(shí)現(xiàn)故障隔離[1-2]。由于傳統(tǒng)漏電保護(hù)器在配電網(wǎng)故障情況下可能存在拒動(dòng)或延時(shí)動(dòng)作的缺點(diǎn)，參考文獻(xiàn)[3]從減小漏電流的層面，提出一種剩余電流保護(hù)理論。研究發(fā)現(xiàn),只要保護(hù)器隔離電路參數(shù)設(shè)計(jì)恰當(dāng)，便可實(shí)現(xiàn)良好的故障隔離[4-6]。但是在實(shí)際工程環(huán)境中，故障點(diǎn)的不確定性使得保護(hù)器很可能偏離諧振點(diǎn)工作，從而造成漏電流比較大，超出安全電流的范圍[7-8]。針對(duì)上述研究的不足，本文設(shè)計(jì)了一種配電網(wǎng)故障隔離裝置，在配電網(wǎng)故障情況下，利用該隔離裝置的耦合電壓驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，迅速準(zhǔn)確投切隔離參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)故障點(diǎn)的有效隔離。

1　隔離裝置結(jié)構(gòu)

配電網(wǎng)故障隔離裝置基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，阻抗器電感線圈設(shè)計(jì)滿足基本耦合要求，當(dāng)配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，隔離裝置各相電感線圈的正序電流、負(fù)序電流在阻抗器線圈兩端不產(chǎn)生電壓降，只有零序電流產(chǎn)生電壓降。通過(guò)在阻抗器上附加繞組可獲取零序電流的耦合電壓，在配電網(wǎng)故障情況下，該電磁耦合電壓可作為控制系統(tǒng)的電源，通過(guò)對(duì)隔離裝置端電壓與電源電壓的比較，由控制系統(tǒng)合理投切諧振參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)故障點(diǎn)的安全隔離。

圖1　配電網(wǎng)故障隔離裝置結(jié)構(gòu)

2　故障隔離原理

2.1正常運(yùn)行分析

在配電網(wǎng)正常運(yùn)行過(guò)程中，流過(guò)隔離裝置的三相電流矢量和為零，鐵芯內(nèi)合成磁勢(shì)為零，隔離裝置兩端電壓降為零，三相電源全部加在負(fù)載上[9-10]；耦合電壓為零，控制系統(tǒng)無(wú)電源不動(dòng)作，因此，隔離裝置的串入不影響電網(wǎng)正常運(yùn)行。

2.2故障分析

單相故障情況下，配電網(wǎng)出線串聯(lián)隔離裝置，其作用等效為中性點(diǎn)經(jīng)諧振接地系統(tǒng)[11-12]。取N為配電網(wǎng)的線制，電感L、電容C為隔離裝置的諧振參數(shù)，分析配電網(wǎng)串聯(lián)隔離裝置后單相故障的特點(diǎn)。

2.2.1故障電流

(1)

通過(guò)對(duì)不同線制低壓配電網(wǎng)運(yùn)行暫態(tài)分析可知，單相暫態(tài)故障電流iR(t)的表達(dá)式為

(2)

式中：K為常系數(shù)；R為阻抗器直流電阻；t為時(shí)間。

由式(2)可知，不同線制下單相故障電流均為衰減振蕩函數(shù)。隨著時(shí)間增長(zhǎng)，故障電流iR(t)最終趨于0。一般經(jīng)過(guò)5倍的時(shí)間常數(shù)之后，故障電流衰減振蕩結(jié)束，因此，只要諧振參數(shù)L、C選擇恰當(dāng)，便可以有效降低故障電流。

2.2.2負(fù)載運(yùn)行

通過(guò)對(duì)低壓供電系統(tǒng)故障情況下負(fù)載運(yùn)行進(jìn)行分析[13]，可得

(3)

式(3)表明，故障情況下三相負(fù)載線電壓平衡。

由上述分析可見(jiàn)，配電網(wǎng)串入隔離裝置，只要諧振參數(shù)L、C設(shè)計(jì)恰當(dāng)，便可實(shí)現(xiàn)良好的故障隔離，且故障情況下負(fù)載運(yùn)行不受影響，如此便可以保證重要負(fù)荷的短時(shí)可靠運(yùn)行。

3　隔離裝置仿真研究

3.1仿真電路及參數(shù)

仿真利用PSPICE軟件實(shí)現(xiàn)，隔離裝置仿真電路如圖2所示，阻抗器電感為10.1 H，直流電阻為2 Ω，電容投切量在0～0.94 μF之間取值，測(cè)試電阻取1 kΩ，負(fù)載三相平衡，ZA=ZB=ZC=100 H。

圖2　隔離裝置仿真電路

3.2仿真結(jié)果分析

斷開(kāi)開(kāi)關(guān)S，在配電網(wǎng)正常運(yùn)行情況下，通過(guò)對(duì)隔離裝置兩端電壓降及耦合電壓的仿真，測(cè)試隔離裝置在配電網(wǎng)正常運(yùn)行情況下的作用，仿真結(jié)果如圖3所示。

(a) 兩端電壓波形

(b) 耦合電壓波形

由圖3可知，配電網(wǎng)正常運(yùn)行情況下，隔離裝置入端電壓V1(L1)與出端電壓V2(L1)波形重合，隔離裝置兩端的電壓降為0，串入隔離裝置對(duì)配電網(wǎng)的正常運(yùn)行無(wú)影響。耦合電壓V(8)不足1 nV，該電壓不能為控制系統(tǒng)提供有效電源，控制系統(tǒng)失電不工作。

閉合開(kāi)關(guān)S，選擇可調(diào)電容至合適參數(shù)，在配電網(wǎng)單相故障情況下，通過(guò)對(duì)隔離裝置兩端電壓降及耦合電壓的仿真，測(cè)試隔離裝置在配電網(wǎng)單相故障情況下的作用，仿真結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，配電網(wǎng)單相故障情況下，隔離裝置的耦合電壓為10 V，此耦合電壓可作為控制系統(tǒng)的電源，合理投切可調(diào)電容值，可提供高阻抗降低漏電壓。仿真結(jié)果表明，隔離裝置兩端電壓可由220 V降至5 V左右，能夠有效隔離故障點(diǎn)。

(a) 兩端電壓波形

(b) 耦合電壓波形

4　試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

按照仿真參數(shù)設(shè)計(jì)阻抗器，可調(diào)電容選取普通工業(yè)用電容器，耐壓值為交流630 V，在0～0.94 μF之間取值，試驗(yàn)設(shè)計(jì)主要針對(duì)耦合電源的獲取和可調(diào)電容的投切控制。

(1) 耦合電源獲取。在阻抗器上附加線圈，故障情況下附加線圈會(huì)感應(yīng)出交流電壓，即零序電壓，該交流電壓經(jīng)過(guò)整流穩(wěn)壓后可作為控制系統(tǒng)的電源，設(shè)計(jì)電路如圖5所示。

圖5　耦合電源電路

(2) 可調(diào)電容投切控制?？烧{(diào)電容投切量獲取電路如圖6所示，針對(duì)任一相的電源電壓與隔離裝置端電壓，獲取兩者電壓差值，依據(jù)此電壓差值投切可調(diào)電容量，直至漏電流在安全范圍之內(nèi)，可調(diào)電容投切結(jié)束，其控制電路如圖7所示。

圖6　可調(diào)電容投切量獲取電路

4.2試驗(yàn)結(jié)果分析

圖2中，電源電壓UA=247 V，UB=244 V，UC=247 V，負(fù)載為10 kW電動(dòng)機(jī)。開(kāi)關(guān)S閉合，投切可調(diào)電容值，測(cè)試配電網(wǎng)單相故障情況下隔離裝置的運(yùn)行情況，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1可知，配電網(wǎng)單相故障情況下，合理投切可調(diào)電容值，使隔離裝置在諧振點(diǎn)附近工作，漏電流可以控制在安全范圍內(nèi)。

由于配電網(wǎng)接地故障的隨機(jī)性導(dǎo)致接地電阻可在幾歐姆至上千歐姆范圍內(nèi)變化，接下來(lái)測(cè)試不同接地電阻情況下隔離裝置的作用。在4.2測(cè)試條件下，取測(cè)試電阻R為1,4，500 Ω，測(cè)試隔離裝置運(yùn)行

情況，漏電流隨測(cè)試電阻變化結(jié)果見(jiàn)表2。

(a) 可調(diào)電容投切控制電路

(b) 可調(diào)電容輸出控制電路

表1　隔離裝置運(yùn)行結(jié)果

表2　漏電流隨測(cè)試電阻的變化結(jié)果

由表2可知，當(dāng)接地電阻在幾歐姆至上千歐姆范圍內(nèi)變化時(shí)，合理投切可調(diào)電容值，漏電流均能控制在安全范圍之內(nèi)，此測(cè)試結(jié)果說(shuō)明，該隔離裝置在配電網(wǎng)發(fā)生任意點(diǎn)單相故障時(shí)均能夠有效隔離故障點(diǎn)。

5　結(jié)語(yǔ)

測(cè)試結(jié)果表明，在配電網(wǎng)任意點(diǎn)發(fā)生單相故障情況下，設(shè)計(jì)的故障隔離裝置能夠準(zhǔn)確提供高阻抗，有效隔離故障點(diǎn)。該裝置不必外加控制電源，操作簡(jiǎn)便，且針對(duì)不同線制配電網(wǎng)，其隔離效果不受故障點(diǎn)隨機(jī)性的影響，運(yùn)行安全可靠，可在低壓配電網(wǎng)中廣泛應(yīng)用。

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Design of fault isolation device of distribution network

JING Dong1,ZHANG Xiuhua2,SUN Hongliang2

(1.School of Transportation and Vehicle Engineering,Shandong University of Technology,Zibo 255049,China; 2.Department of Electrical Engineering,Shandong Vocational College of Industry,Zibo 256414,China)

In view of shortages of refuse action or delay of traditional leakage protection device under fault of power distribution network,a fault isolation device of distribution network was designed.Inductance and adjustable capacitor in parallel are used to design impeder of the device,and coupling voltage generated by additional winding of the impeder to drive control system to switch adjustable capacitance rapidly,so as to realize on-line adjustment of isolation parameters accurately in fault condition.The simulation and experimental results show that the isolation device can offer high impedance,isolate fault point effectively,and guarantee safe and reliable operation of the distribution network when single-phase fault occurs in power distribution network.

power distribution network; single-phase ground fault; isolation device; impeder

1671-251X(2016)10-0056-05DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.10.013

荊棟，張秀華，孫紅亮.配電網(wǎng)故障隔離裝置設(shè)計(jì)[J].工礦自動(dòng)化，2016,42(10)：56-60.

2016-04-01；

2016-05-30；責(zé)任編輯：張強(qiáng)。

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51275280)；山東省高等學(xué)?？萍加?jì)劃項(xiàng)目(J14LB58)。

荊棟(1976-)，男，山東淄博人，講師，博士，主要研究方向?yàn)闄C(jī)電系統(tǒng)建模與仿真、振動(dòng)控制與數(shù)字信號(hào)處理等，E-mail：jingrenzhi@163.com。

TD611

A網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-09-30 10:06