一种柔性直流配网的接地电路及其保护方法

技术领域

本发明属于电力系统的继电保护领域，特别涉及一种柔性直流配网的接地电路及其保护方法。

背景技术

接地方式的选择对柔性直流配电系统的稳态特性和暂态特性有着重要的影响，一方面接地为整个系统提供了参考电位，另一方面不同的接地方式会使系统产生不同的故障响应，故而影响系统的故障检测和保护。

柔性直流配网处于起步阶段，过电压与绝缘配合是基于柔直的直流配网工程应用中必须解决的关键问题之一。文献《多端柔性直流配电网接地方式设计》(中国电机工程学报)针对多端VSC柔性直流配网系统，通过仿真对比得出直流侧不接地方式在系统故障下的暂态性能最优。论文《±10kV柔性直流配电系统接地方案研究》(广东电力)只通过仿真定性地分析双端交直流混联系统在各种故障情形下的过电压机理和水平；论文《柔性直流配电网接地方式对故障特性的影响分析》(电网技术)分析了直流侧经电容接地的方式对交直流侧故障特性的影响。论文《基于柔性直流的10kV配电网雷电侵入波过电压仿真》(高电压技术)研究了基于架空线路的柔性直流配电网在雷电冲击下的过电压机理以及防护措施，但目前柔性直流配网在城市中以电缆传输居多。

针对图1包含模块化多电平变换器(modular multilevel converter,MMC)的柔性直流配电系统。综合考虑成本、效率、占地面积等因素，目前多采用交流侧联结变压器中性点经高阻接地(不含图1中的并联避雷器)，直流侧不接地的方式，既可以避免稳态运行时的有功、无功损耗以及谐波零序回路，又可以最大化减小不同类型故障对系统的暂态影响，适合柔性直流配网的需求。

城市中直流配电线路常采用电缆结构，其绝缘发生破坏时缆芯会与金属保护壳直接相连接地，因此单极接地均为金属性接地。这样当联结变压器中性点经高阻接地时，中性点电压会发生10kV左右的偏移，但由于近几千欧的高阻接地，接地点故障电流只有几安培，难以被保护装置检测到。论文《±10kV直流配电系统过电压与绝缘配合》(南方电网技术)针对单极接地故障，有提出过两个换流站投切并联小电阻的方式来增大故障电流，但需要检测到故障电压后再投入并联小电阻，系统需要在故障态一段时间，不利于系统的稳定运行，另外两个换流站均装设并联小电阻会增加对系统的影响且需通信。论文《柔性直流配电网系统操作过电压的研究》(电网技术)中采用MMC作为系统的交直流互联接口，研究了系统在各种故障下过电压产生机理，并给出相应的保护措施，但未提及区分各种故障类型的方法。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种柔性直流配网的接地电路及其保护方法，通过将交流侧联结变压器中性点经并联避雷器接地，变压器无中性点时则通过接地变引出中性点，利用避雷器的变电阻特性，在直流侧发生单极接地故障时，避雷器呈现低阻状态并有较大故障电流通过，保护装置检测到的故障电流后进行快速的故障定位和保护措施，从而起到保护变压器的效果。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种柔性直流配网的接地电路，包括避雷器，所述避雷器并联于柔性直流配网系统的交流侧变压器的中性点，或者并联于柔性直流配网系统的经接地变引出的中性点。系统发生接地故障时，并联接地的避雷器可以为直流侧的保护装置提供故障信号从而进行快速的故障定位和保护措施。

上述避雷器的一端连接柔性直流配网系统交流侧联接变压器中性点或经接地变引出的中性点，避雷器的另一端接地。

上述避雷器在系统正常运行时呈高阻状态，在发生接地故障后转换为低阻状态并流过故障电流。所述避雷器在发生接地故障后两端电压保持在残余电压水平，减弱中性点故障电压。

基于如前所述的一种柔性直流配网的接地电路的保护方法，包括如下步骤：

步骤1，采集正极线路首端和末端的电流，以及负极线路首端和末端的电流，采集直流侧正极线路电压和负极线路电压；

步骤2，当正极线路差动电流越限或者负极线路差动电流越限时，判定直流线路出现区内故障，然后进入步骤3；

步骤3，当正极线路电压与负极线路电压的不平衡电压越限时，判定为单极接地故障。

上述步骤2中，正极线路差动电流为正极线路首端电流和末端电流矢量和的绝对值，负极线路差动电流为负极线路首端电流和末端电流矢量和的绝对值。

上述步骤3中，不平衡电压为正极线路电压绝对值与负极线路电压绝对值与差值后的绝对值。

采用上述方案后，本发明的有益效果是：

(1)本发明中利用交流侧中性点并联避雷器接地，在发生单极接地故障时，避雷器承受过电压后呈现低阻状态并有较大故障电流通过，为保护装置提供容易检测到的故障信号，从而进行快速的故障定位和保护措施；

(2)本发明中利用交流侧中性点并联避雷器接地，避雷器响应快，在发生单极接地故障后瞬时动作，有利于保护装置快速切除故障，减少柔性直流配网故障态运行时间；

(3)本发明中利用交流侧中性点并联避雷器接地，发生单极接地故障后限制中性点电压幅值在其残留电压附近，起到保护变压器的效果；

(4)本发明中利用交流侧中性点并联避雷器接地，双极短路故障时因中性点电位不变，避雷器不会导通，对系统及保护无影响。

附图说明

图1是本发明采用的柔性直流配网中性点并联避雷器接地示意图；

图2是直流线路单极接地故障示意图；

图3是直流线路单极接地故障时的直流等效回路；

图4是直流线路单极接地故障判断与保护策略框图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案及有益效果进行详细说明。

本发明提供一种柔性直流配网的接地电路及其保护方法，在柔性直流配网系统中采用在变压器中性点或经接地变引出的中性点并联避雷器接地的新型接地方式，当系统正常运行的时候避雷器为高阻状态，系统发生接地故障时，因避雷器两端电压升高呈低阻状态并有较大故障电流通过，为保护装置提供故障信号从而进行快速的故障定位和保护措施。

如图1所示，交流侧为10kV交流电网，直流侧为±10kV电压等级，两者通过10/10kV的联结变压器和MMC换流站相连，交流侧联结变压器的中性点或变压器无中性点时通过接地变引出的中性点，经高阻并联避雷器接地。交流侧联结变压器的中性点或变压器无中性点时通过接地变引出的中性点，经高阻并联避雷器接地。高阻与避雷器并联上端接交流侧中性点，并联下端接地。

以正极直流线路单极接地为例，设G点发生单极金属性接地故障，如图2所示。R

在正常运行时，可得变压器中性点电压u

直流线路正极与负极电压平衡：

|u

G点发生金属性接地故障，系统参考电位点转移到点G为0。直流线路极间电压稳定，所以由式(3)可知直流侧等效中性点电压发生-10kV的偏移，从而造成直流线路正负极对地电压发生-10kV的偏移：

u

直流线路正极与负极电压不平衡：

|u

直流等效回路回路如图3所示，其中Ig是故障点G的入地电流，R是接地系统的等效阻抗。因此可得变压器中性点电压u

由式(5)可知，变压器中性点电压u

此种接地电路增加了并联避雷器，可以解决这一问题。避雷器的电阻具有高度的非线性特性，即突变性电压-电流特性，其表现为在某一特定的电压之下，电阻很高，仅有极小的漏电电流通过避雷器。在过电压情况下，呈现很低的电阻，可以通过大电流，并将过电压减弱至避雷器的残留电压。过电压消失后，避雷器恢复原状。

在柔性直流配网系统稳态运行和非单极接地故障下，避雷器两端电压接近于0，避雷器呈现很高的电阻，实际上相当于一个绝缘体，接地高阻R

在一个具体实施例中，保护装置实时采样直流线路正负极电压U

|I

图4中，对于正极直流线路，I

|I

||U

双极短路故障期间，直流线路的电压是平衡的，因此第二步通过电压不平衡如式(8)可以区分单极接地故障和非单极接地故障。若符合式(8)则判定结果为单极接地故障，进一步利用电流特性来进行区域内单极接地故障和区域外单极接地故障的区分。区域外单极接地故障时，电流I

考虑正常运行时直流电流和电压的波动以及测量误差总共约5％，因此式(7)、(8)中I

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。