一种配电网主动干预型消弧装置[实用新型专利]

(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)实用新型专利
(10)授权公告号 (45)授权公告日 (21)申请号 202020730820.7
(22)申请日 2020.05.07
(73)专利权人 锦州中瑞电器设备有限公司
地址 121000 辽宁省锦州市凌海市大凌河
工业园区北一路4号
(72)发明人 刘辉　
(51)Int.Cl.
H02H 7/28(2006.01)
H02H 9/08(2006.01)
H02H 1/00(2006.01)
(54)实用新型名称一种配电网主动干预型消弧装置(57)摘要本实用新型公开了一种配电网主动干预型消弧装置,包括前置断路器、电流互感器、带电显示器、过电压保护器、低阻抗限流器、分相接地开关、电压互感器、零序电流互感器和智能控制器，所述智能控制器包括消弧控制器和选线单元，电压互感器一次部分在电流互感器后端母线串联到回路中并直接接入接地网，二次部分与消弧控制器相连，零序电流互感器一次部分通过低阻抗限流器后端，连接单相接地后端母线，经接地电缆穿入后接入地网，二次部分通过接线连接到消弧控制器的电流端子。

本实用新型对人身感电、设备内部接地及接地故障引发的相间短路和过
电压等情况起到保护作用。

权利要求书1页 说明书6页 附图3页CN 212210481 U 2020.12.22
C N 212210481
U
1.一种配电网主动干预型消弧装置，其特征在于：包括前置断路器、电流互感器、带电显示器、过电压保护器、低阻抗限流器、分相接地开关、电压互感器、零序电流互感器和智能控制器，所述智能控制器包括消弧控制器和选线单元，电流互感器一次部分通过前置断路器后串联在母线回路中，二次部分接本装置的过电压保护器，且电流互感器与带电显示器连接，电压互感器一次部分在电流互感器后端母线串联到回路中并直接接入接地网，二次部分与消弧控制器相连，零序电流互感器一次部分通过低阻抗限流器后端，连接单相接地后端母线，经接地电缆穿入后接入地网，二次部分通过接线连接到消弧控制器的电流端子。

2.根据权利要求1所述的配电网主动干预型消弧装置，其特征在于：智能控制器安装于装置控制屏中，消弧控制器主要由微处理器插板、显示板、开关驱动插板、开关储能插板、电压与电流采样插板、电源开出插板构成，采用高速双核微处理器DSP芯片，利用DSP高速、重复的数据处理能力实现傅立叶分析。

3.根据权利要求1所述的配电网主动干预型消弧装置，其特征在于：选线单元主要由母线监测插板、电压及电流采样插板、工业控制插板、电源开出插板构成，采用高速双核微处理器DSP芯片，利用DSP高速、重复的数据处理能力实现傅立叶分析。

4.根据权利要求1所述的配电网主动干预型消弧装置，其特征在于：分相接地开关中的LZA、LZB、LAC开关一端与变电站母线相连，另一端经低阻抗限流器与接地电缆与地网相连接。

权　利　要　求　书1/1页CN 212210481 U
一种配电网主动干预型消弧装置
技术领域
[0001]本实用新型涉及电力系统技术领域，具体涉及一种配电网主动干预型消弧装置。

背景技术
[0002]配电网在电力系统中担负着向用户直接供电的职能，配电网供电的安全性和可靠性对用户有着至关重要的影响。

据统计，电力用户遭受的停电事故绝大部分是由于配电网单相接地故障造成的，而人畜受到的触电伤害绝大部分也是在配电网发生的。

近年来，随着国民经济的发展，用电负荷大幅增加，无论是电网调度人员还是用户对供电的安全性和可靠性要求越来越高。

[0003]目前采用的中性点不接地方式和中性点经消弧线圈接地方式存在一定的缺陷，具体表现在如下几个方面：
[0004]1、如果因人畜触电而发生单相接地故障时，由于线路不会快速停电，人畜将无法得到有效保护，后果就是触电时间延长，造成重大伤害事故。

[0005]2、中性点不接地系统没有任何熄弧措施，中性点经消弧线圈接地系统中消弧线圈只能补偿接地电流中的工频无功分量，无法补偿接地电流中的工频有功分量和高频分量，熄弧效果有限。

一旦电弧产生，将引起弧光过电压，造成电网连锁故障。

同时电弧会引发火灾等事故，给电网和用户造成重大损失。

[0006]3、目前随着架空线路长度的增加和电缆线路的增多，系统电容电流越来越大，当电容电流增加到一定程度的时候，消弧线圈的制造将非常困难，而且成本过高。

为了解决这个问题，我国部分配电网将中性点的接地方式改为经小电阻接地，这样就牺牲了中性点非有效接地方式供电可靠性高的优点。

[0007]4、目前，配电网单相接地故障选线和故障定位问题没有得到很好的解决，很多变电站通过人工拉路的方法进行故障选线，通过人工巡线的方法进行故障定位，延长了停电时间，增加了带故障运行的风险，也降低了供电可靠性。

[0008]综上所述，我国配电网目前采用的中性点非有效接地方式虽然具有优点，但是也存在一定的缺陷。

智能配电网是智能电网的重要组成部分，为了提高配电网供电安全性、可靠性和经济性，需要建立一个全新的接地方式并形成一个集监测、保护、控制于一体的综合成套系统，在不改变中性点非有效接地方式优势的前提下，彻底解决上述所有问题。

发明内容
[0009]本实用新型所要解决的技术问题是提供一种配电网主动干预型消弧装置，以解决上述背景技术中提出的问题。

[0010]本实用新型是通过以下技术方案来实现的：一种配电网主动干预型消弧装置，包括前置断路器、电流互感器、带电显示器、过电压保护器、低阻抗限流器、分相接地开关、电压互感器、零序电流互感器和智能控制器，所述智能控制器包括消弧控制器和选线单元，电流互感器一次部分通过前置断路器后串联在母线回路中，二次部分接本装置的过电压保护
器，且电流互感器与带电显示器连接，电压互感器一次部分在电流互感器后端母线串联到回路中并直接接入接地网，二次部分与消弧控制器相连，零序电流互感器一次部分通过低阻抗限流器后端，连接单相接地后端母线，经接地电缆穿入后接入地网，二次部分通过接线连接到消弧控制器的电流端子。

[0011]作为优选的技术方案，智能控制器安装于装置控制屏中，消弧控制器主要由微处理器插板、显示板、开关驱动插板、开关储能插板、电压与电流采样插板、电源开出插板构成，采用高速双核微处理器DSP芯片，利用DSP高速、重复的数据处理能力实现傅立叶分析。

[0012]作为优选的技术方案，选线单元由主要由母线监测插板、电压及电流采样插板、工业控制插板、电源开出插板构成，采用高速双核微处理器DSP芯片，利用DSP高速、重复的数据处理能力实现傅立叶分析。

[0013]作为优选的技术方案，分相接地开关中的LZA、LZB、LAC开关一端与变电站母线相连，另一端经低阻抗限流器与接地电缆与地网相连接。

[0014]本实用新型的有益效果是：
[0015]1、单相接地故障消弧技术：通过接地转移的灭弧方法，接地转移回路直接与变电所接地网相连，回路电阻很小，装置动作后接地故障相对地电压被强迫对地等电位(残压很低)，不能对接地故障电弧提供足够的能源支持，致使电弧熄灭。

与消弧线圈相比，该装置可以完全熄灭接地故障电弧，又能减少接地故障电弧引发相间故障的几率，提高了供电的可靠性；
[0016]2、选线技术：装置采用多种算法权比策略，尤其以装置动作前后，故障线路的电容电流变化最为明显为依据，准确选择故障线路；
[0017]3、人身感电保护技术：通过高阻选相的判断快速性和开关响应动作迅速性有效的实现对人身感电的保护；
[0018]4、接地过电压保护技术：将系统由频繁接地或间隙弧光等接地现象，转化为故障相的稳态接地，避免接地重复发生带来系统过电压的累积效应；
[0019]5、消除铁磁谐振技术：母线三PT运行方式，装置复归过程中PT中性点存在电流冲击，存在安全运行隐患。

本装置采用四PT运行方式能够有效抑制PT 谐振过程；
[0020]6、两相接地短路电流限制技术：在保护状态下，即分相接地开关合闸后，另两相中的一相突然发生接地，导致两相接地短路。

在发生两相接地短路故障时，本装置单独设计的低阻抗限流器始终串接在故障相的电压回路中，有效的限制了过大的相间短路电流。

能有效将故障电流限制在5kA以下，远远低于两相直接短路电流，通过装置本体过流保护速断发出分闸指令，迅速将前置断路器、分相接地开关断开，保证了变电站系统和设备本体免受大电流冲击。

附图说明
[0021]为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0022]图1为本实用新型的电路原理图；
[0023]图2为本实用新型的第一功能框图；
[0024]图3为本实用新型的第二功能框图。

[0025]前置断路器QF，电流互感器TA，过电压保护器FV，电压互感器TV，低阻抗限流器XD，分相接地开关LZA/LZB/LZC，零序电流互感器LTA，智能控制器KZ。

具体实施方式
[0026]下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。

下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

[0027]在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

[0028]在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定相连、设置，也可以是可拆卸连接、设置，或一体地连接、设置。

对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

[0029]如图1所示，本实用新型的一种配电网主动干预型消弧装置，包括前置断路器、电流互感器、带电显示器、过电压保护器、低阻抗限流器、分相接地开关、电压互感器、零序电流互感器和智能控制器，所述智能控制器包括消弧控制器和选线单元，电流互感器一次部分通过前置断路器后串联在母线回路中，二次部分接本装置的过电压保护器，且电流互感器与带电显示器连接，电压互感器一次部分在电流互感器后端母线串联到回路中并直接接入接地网，二次部分与消弧控制器相连，零序电流互感器一次部分通过低阻抗限流器后端，连接单相接地后端母线，经接地电缆穿入后接入地网，二次部分通过接线连接到消弧控制器的电流端子。

[0030]本实施例中，智能控制器安装于装置控制屏中，消弧控制器主要由微处理器插板、显示板、开关驱动插板、开关储能插板、电压与电流采样插板、电源开出插板构成，采用高速双核微处理器DSP芯片，利用DSP高速、重复的数据处理能力实现傅立叶分析。

[0031]本实施例中，选线单元由主要由母线监测插板、电压及电流采样插板、工业控制插板、电源开出插板构成，采用高速双核微处理器DSP芯片，利用DSP 高速、重复的数据处理能力实现傅立叶分析。

[0032]本实施例中，分相接地开关中的LZA、LZB、LAC开关一端与变电站母线相连，另一端经低阻抗限流器与接地电缆与地网相连接。

[0033]QF表示为前置断路器，用于装置正常投运与停运的断路器，当柜内发生相间短路故障时，与线路保护装置相配合，具备切除故障，避免事故扩大的功能。

[0034]分相接地开关，其中分相接地开关LZA、LZB、LAC一端与变电站母线相连，另一端封星经低阻抗限流器和(零序电流互感器LTA)接地电缆与地网相连接。

系统正常运行时处于
分闸状态，是将故障相通过低阻抗限流器自动接地的执行元件，且相互之间设有电气与程序闭锁，任何情况下只允许一相断路器合闸，当出现两相接地短路时分相接地开关具有速断保护能力；另外该分相开关合闸速度快，对故障相的快速处理起到了关键作用。

[0035]电流互感器TA，它的一次部分通过前置断路器后串联在母线回路中，二次部分接本装置的线路保护装置，主要用于母线过流判断的采样输入。

[0036]低阻抗限流器XD表示为低阻抗限流器，它属于单线圈结构，阻抗在1Ω以内，经分相接地开关封星后串联到接地回路中，在装置单相和异相接地故障时起到抑制接地电流的作用。

[0037]FV表示为过电压保护器，它在电流互感器后端母线串联到回路中并直接接入接地网，TBP型复合式过电压保护器用于限制大气过电压和各种真空开关引起的操作过电压，在对相地之间的过电压提供保护的同时，又对相间过电压提供保护，在系统发生间歇弧光接地过电压及铁磁谐振过电压时，其能量小于 1000A2MS方波冲击能量时，过电压保护器可以起到保护作用。

[0038]KZ为装置的控制部分，包括消弧控制器和选线单元，它们安装到装置控制屏中，消弧控制器主要由微处理器插板、显示板、开关驱动插板、开关储能插板、电压与电流采样插板，电源开出插板构成，采用功能强大的高速双核微处理器DSP芯片，利用DSP高速、重复的数据处理能力实现傅立叶分析，通过对电压互感器TV的二次电压进行实时采集、判断，及时准确地对电网各种接地状态进行分析，并采取相应的动作，DSP信号处理器同时依靠自身串行端口实时保持与触摸屏进行通讯，接受输入指令或更新液晶显示数据。

[0039]选线单元由主要由母线监测插板、电压及电流采样插板、工业控制插板、电源开出插板构成。

它采用功能强大美国TI公司的高速双核微处理器DSP芯片，利用DSP高速、重复的数据处理能力实现傅立叶分析，通过对变电站母线所有零序CT进线和电压互感器PT的二次电压进行实时采集、判断，及时准确地对电网各种接地状态进行分析，通过既定的算法找出故障线路同时依靠自身的录波模块对各通道进行录波，更新液晶显示数据和告警记录，同时通过RS232或 RS485方式把数据传给后台。

[0040]TV表示为电压互感器，它在一次部分在电流互感器TA后端母线串联到回路中并直接接入接地网，它的二次部分与消弧控制器相连，用于系统三相电压和零序开口三角电压的测量。

同时该电压互感器还具有铁磁谐振的抑制功能。

[0041]LTA表示为零序电流互感器，它的一次部分经过低阻抗限流器后端用于进行单相接地后端母线经接地电缆穿入后接入地网，它的二次部分通过接线连接到消弧控制器的电流端子，用于单相接地故障合闸后线路总零序电流的测量，同时它和消弧控制器相配合，当接地电流大于预设的保护定值时，迅速分开已合闸的分相接地开关，保护设备免受大电流的冲击。

[0042]⑴、幅值选线法
[0043]在系统正常运行时各线路零序电流为自身不平衡电流，幅值很小，一般在 0.02A 以下。

发生接地时非接地回路零序为自身回路对地电容电流，接地回路零序电流为其他非接地回路零序电流之和。

一般情况下，接地回路零序电流会远远大于其他非接地回路零序电流，但由于零序电流幅值与接地程度有关，并且各线路对地电容电流受环境、气候、线路长度影响，可能产生较大差异。

在高阻接地以及各线路对地电容电流差异较大时，会影响最
大幅值选线方法的准确度。

[0044]⑵、幅值变化选线法
[0045]幅值变化选线法是对幅值最大选线法的扩展，利用装置在接地保护后接地回路零序电流转变为自身对地电容电流的特性，进行选线。

在接地保护前，接地回路零序电流为其他非接地回路零序电流之和，非接地回路零序电流为自身对地电容电流；接地保护后，接地回路和非接地零序电流均为自身对地电容电流。

利用保护前后零序电流比值进行比较，变化明显的为接地回路。

[0046]⑶、零序电流方向变化选线法
[0047]零序电流方向选线方法是一种常规的选线方法，选线原理是当发生单相接地故障时，非接地回路电流方向是由母线流向线路端，而接地回路电流方向是由线路流向母线，通过判别零序电流方向可识别接地回路。

在单相接地故障发生时，存在一个暂态过程，零序电流含有较多的高频分量，而本装置接地保护动作时间小于50ms，如在50ms内单相接地故障不能进入稳态，将直接影响零序电流方向的判别。

在本装置的应用中，利用装置接地保护后接地回路电流方向恢复为由母线流向线路的特点，增加了一步判断确认的过程。

在接地保护动作前识别出零序电流方向与其他不同的回路，在接地保护动作后如该线路零序电流方向发生改变，则该线路为接地回路。

[0048]⑷、差值选线法
[0049]零序电流差值选线法是依据当发生单相接地时接地回路流过的是零序电流为其他非接地回路零序电流之和，当装置进行接地保护后，全系统的对地电容电流由装置提供的接地点流走，此时接地回路的零序电流为自身对地电容电流。

在接地保护动作前后接地回路的零序电流发生了变化，变化的差值就是接地保护装置流过的电流。

[0050]差值选线方法可以有效消除系统正常运行时不平衡电流所带来的计算误差，同时对于复杂形式的系统接线方式如双回线也可正确选线。

[0051]上述4种选线方法各有优点，具体使用时采用多数法则及两种以上选线方法选择的回路为接地回路。

[0052]随着经济和社会的发展，电缆和架空线混合型配电网越来越多。

由于电缆的存在，接地电容电流较大，消弧线圈不能很好的消弧(补偿后剩余电流大)；由于架空线的存在，高阻接地和瞬时接地比纯电缆网多，采用小电阻接地方式跳闸，又降低了供电可靠性。

[0053]采用传统的消弧线圈或小电阻接地装置不能有效的解决电缆和架空线混合型配电网单相接地故障带来的问题。

[0054]消弧线圈针对电容电流较大的系统不能很好的消弧(电容电流测量精度不是很高，补偿精度也就不能很高)，不能完全抑制间歇过电压，选线困难，人身感电不能保护，故障隔离困难。

[0055]小电阻接地是只适用于瞬时(频繁跳闸)和高阻接地(不动作)故障少的纯电缆网(电容电流较大)，没有解决人身感电问题。

[0056]电缆和架空线混合型配电网的单相接地问题没有办法解决(特征：电容电流较大、瞬时和高阻接地故障较多)。

[0057]人身感电保护和供电可靠性的矛盾问题，人身保护需要灵敏、快速跳闸，而灵敏、快速跳闸会降低供电可靠性。

[0058]解决配电网单相接地故障问题的难点是既要保证供电可靠性、保护人身安全，又要快速消弧、抑制间歇过电压、选线、故障隔离。

存在解决一个问题又带来新问题的现象。

[0059]因此将配电网单相接地故障带来的问题和供电可靠性、人身安全保护问题进行总体考虑，提出一种治理单相接地故障的主动干预型消弧装置，对配电网的安全、可靠、经济运行具有很重要的现实意义。

[0060]该装置采用接地转移的灭弧方法，而且接地转移回路直接与变电所接地网相连，回路电阻很小，装置动作后，接地故障相对地电压强迫对地等电位(残压很低)，与消弧线圈相比，该装置可以完全熄灭接地故障电弧，又能减少接地故障电弧引发相间故障的几率，提高了供电可靠性。

[0061]采用的是接地转移、分流人体电流的保护方法，而且装置动作速度快(40ms 内完成)，大大缩短人体的触电时间，不仅对感电人员起保护作用，而且又不会终止对用户的供电。

[0062]间歇性接地，它是一种瞬时接地连续发生现象。

是一个接地、消失、再接地的变化过程，会产生很高过电压。

本装置可把它变成一种稳态接地，不再产生接地、消失、再接地的变化过程，从而遏制间歇性接地和过电压的发生。

[0063]本装置实现快速保护的关键在于准确选相算法和快速启动，也就是要保证它的灵敏性和准确性。

当系统发生金属性或经接地电阻接地时，零序电压幅值和相位会按照一定轨迹变化，我们采用零序电压与线电压模角比较方法准确判断接地相别；理论计算轨迹与实际采样计算轨迹实现了装置动作的100％准确性。

同时采用电压斜率变化方法，对间歇性接地实现准确判别。

[0064]小电流接地系统故障相选线由于受信号幅值较小，零序电流变化不明显等因素影响，特别是加装消弧线圈以后，选线更加困难。

装置采用独有的零序电流最大变化量选线原理，通过故障时刻装置动作前后各线路零序电流的变化,创新了一种特征方程方法进行选线，准确选择故障接地线路。

[0065]为保证系统和设备的安全运行，装置应具有两相接地短路的限流及保护措施：[0066]在保护状态下，即分相接地开关合闸后，另两相中的一相突然发生接地，导致两相接地短路。

如图可知在发生两相接地短路故障时，低阻抗限流器XD始终串接在故障相的电压回路中，有效的限制了过大的相间短路电流。

即使出口短路、接地电阻为零，综合变压器感抗、接地网阻抗与低阻抗限流器也能有效将故障电流限制在5kA以下，远远低于两相直接短路电流，通过装置本体过流保护速断发出分闸指令，迅速将前置断路器、分相接地开关断开，保证了变电站系统和设备本体免受大电流冲击。

[0067]以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。