一种配电网树线放电故障电流转移消弧实验平台及方法与流程

1.本发明涉及配电网树线放电故障电流转移消弧技术领域，更具体地说，它涉及一种配电网树线放电故障电流转移消弧实验平台及方法。


背景技术：

2.10kv配电线路架空线有时需要跨过山林区域，受外部因素(如雷击、大风等)的影响，架空线可能会与较高的树枝枝干间发生放电。由于树枝的电阻率高，体积大，因此会构成线路的单相高阻接地故障。穿越山林的配电网一般为中性点不接地系统，发生单相高阻接地故障后，为了保证供电可靠性单相接地故障发生后允许系统继续运行一段时间。但由于线路分布电容的存在，故障点有容性电流在到导线和大地之间连通，长时间运行可能形成电弧，损毁设备，造成山火。因此，在配电网线路发生树线放电故障时，必须采取有效的消弧措施以避免诱发山火事故。
3.目前最具代表性的消弧措施为消弧线圈和故障电流转移消弧装置。消弧线圈是目前在配电网中广泛应用的一种消弧设备，可以通过产生感性电流补偿线路中的容性电流实现故障点消弧。当发生单相接地短路故障时，此时在消弧线圈上加上了故障相电压，产生感性电流并且注入系统。相位恰好与对地电容电流的相位相反，因此会在接地处相互抵消，选用合适的消弧线圈可以让接地电流降低到很小甚至为零，从而加快电弧熄灭。然而，考虑到系统负荷增长和电网发展规划，消弧线圈通常运行在过补偿状态，消弧线圈的过补偿使故障点存在感性电流，仍可能引发电弧。此外，消弧线圈补偿残流与中性点位移电压、谐振过电压问题等之间的矛盾也难以解决，因此，传统的消弧线圈补偿方式仍存在较多问题。针对配电网消弧问题，科研人员研发了多种新型消弧线圈，能够实现良好的消弧效果。然而上述装置大多成本高昂，控制策略复杂，难以在山林地区进行大规模推广应用。
4.近年来，通过消弧柜实现故障电流转移消弧的技术思路得到了充分关注。消弧柜是利用母线处人为制造的一条金属性接地支路对故障点进行旁路，将弧光接地转化为金属性接地，使故障点的容性电流经人为构造的金属性接地回路入地，从而实现故障点消弧。该方案原理简单、响应速度快、可操作性强、所需设备少，适合大范围推广应用。此外，该方案需要保证人为构造的金属性接地回路阻抗远小于故障阻抗，恰好适用于过渡电阻较高的树线放电故障情形，因此，通过消弧柜实现故障电流转移消弧能够有效解决配电网树线放电故障消弧问题。
5.然而，现有关于消弧柜的研究大多采用仿真手段在理论层面进行分析，实验研究较少；目前也尚未有将消弧柜直接应用于树线放电故障消弧情形的实验研究；此外，在实际应用中，为避免树线放电故障电弧引发山火，消弧的响应速度也是需要着重研究的问题之一，现有的模型仿真难以研究消弧的响应速度。


技术实现要素：

6.本技术的目的是提供一种配电网树线放电故障电流转移消弧实验平台及方法，通
过搭建配电网树线放电故障电流转移消弧实验平台提供故障电流转移消弧的实验平台，基于实验平台的实验方法，可以研究消弧的相应速度及效果。
7.本技术的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：包括依次连接的升压变压器、三相配电线路和电压互感器，所述三相配电线路还与可调电容器连接，所述三相配电线路的下方设置升降平台，所述升降平台包括具有一端开口的金属外壳，所述金属外壳底部连接升降机，所述金属外壳内部设置故障模拟件，所述金属外壳通过采样电阻导地，所述三相配电线路的故障相通过开关柜接地。
8.采用上述技术方案，升压变压器对整个线路供电，可调电容器调整线路对地容性电流，模拟实际长距离三相配电线路，电压互感器便于测量线路电压，三相配电线路下方的升降平台模拟故障情形，三相配电线路的故障相通过开关柜接地，模拟故障电流转移情形，实验时可以通过调整可调电容器和故障模拟件，完成多种故障情形的实验测试。
9.进一步的，所述采样电阻的高压侧接入示波器，测量故障点电流波形；所述电压互感器的二次侧接入示波器，测量线路电压波形；所述开关柜内置开关柜互感器，所述开关柜互感器的二次侧通过开关柜采样电阻接入示波器，测量转移回路电流波形。
10.进一步的，所述故障模拟件包括土壤和插于所述土壤的树枝。
11.进一步的，所述三相配电线路的电压为10kv。
12.进一步的，所述电压互感器的变比为10:0.1。
13.本技术另一方面还提供一种配电网树线放电故障电流转移消弧实验方法，基于上述的配电网树线放电故障电流转移消弧实验平台，具体包括以下步骤：
14.s1、获取故障模拟件接地前的阻抗；
15.s2、将升降平台升高至所述故障模拟件搭接在三相配电线路的故障相，接通三相配电线路，调节可调电容器组，模拟故障；故障稳定后，发出脉冲信号控制开关柜合闸，模拟故障电流转移；通过示波器记录线路电压、故障点电流和转移回路电流的波形；
16.s3、待故障电流转移完成后，切断三相配电线路，实验结束。
17.采用上述技术方案，通过示波器记录的线路电压、故障点电流以及转移回路电流的波形来确定消弧相应速度及效果，脉冲信号发出后开关柜合闸，进行故障电流转移消弧，消弧完成时，故障点电流、故障相电压明显减小，可以通过示波器观察从脉冲信号发出时刻至故障点电流/故障相电压明显减小所用时间，从而确定故障电流转移消弧的响应速度，观察故障电流转移完成后的示波器的波形也可以确定故障电流转移消弧的效果。
18.进一步的，所述s2还包括：通过摄像机拍摄故障电流转移前后的故障点放电情形。
19.进一步的，所述摄像机包括高速摄像机和红外摄像机。
20.采用上述技术方案，高速摄像机可以捕捉故障发生的瞬间以及故障电流转移消弧的消弧瞬间，红外摄像机可以捕捉故障发生时的热量以及故障电流转移消弧后的热量，便于更为直观的确定消弧效果。
21.进一步的，所述示波器记录的波形均以脉冲信号发出时刻为起始时刻。
22.采用上述技术方案，可以直接从t＝0s时刻开始观察故障点电流明显减小所用的时间，即为故障电流转移消弧的响应时间。
23.进一步的，还包括：s4、改变故障模拟件的阻抗或可调电容器注入的电容电流，重复步骤s1-s3，进行单一变量控制实验，控制获得多组所述线路电压、故障点电流和转移回
路电流的波形。
24.采用上述技术方案，将故障模拟件的阻抗和可调电容器作为变量，进行单一变量控制实验，可以研究故障模拟件不同阻抗时，消弧的响应速度及效果，线路对地容性电流不同时，消弧的响应速度及效果。
25.与现有技术相比，本技术具有以下有益效果：本技术一方面提供了一种配电网树线放电故障电流转移消弧实验平台，相较于现有的模拟仿真而言，可以更为真实的研究故障电流转移消弧的效果；本技术另一方面还提供了一种配电网树线放电故障电流转移消弧实验方法，通过示波器测量线路电压、故障点电流和转移回路电流的波形，可以确定故障电流转移消弧的响应时间及效果。
附图说明
26.此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本技术的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
27.图1为本发明一实施例提供的配电网树线放电故障的示意图；
28.图2为本发明一实施例提供的故障电流转移消弧的消弧原理示意图；
29.图3为本发明一实施例提供的配电网树线放电故障电流转移消弧实验平台示意图；
30.图4为本发明一实施例提供的配电网树线放电故障电流转移消弧实验流程；
31.图5为本发明一实施例提供的线路电压波形示意图；
32.图6为本发明一实施例提供的故障点电流波形示意图；
33.图7为本发明一实施例提供的转移回路电流波形示意图；
34.图8为本发明一实施例提供的低通滤波后的转移回路电流波形示意图；
35.图9为本发明一实施例提供的另一故障点电流波形示意图；
36.图10为本发明一实施例提供的另一故障点电流波形示意图。
具体实施方式
37.在下文中，可在本技术的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所申请的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本技术的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。
38.在本技术的各种实施例中，表述“或”或“b或/和c中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“b或c”或“b或/和c中的至少一个”可包括b、可包括c或可包括b和c二者。
39.在本技术的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本技术的各
种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。
40.应注意到：如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成元件或与另一组成元件“相连”，则可将第一组成元件直接连接到第二组成元件，并且可在第一组成元件和第二组成元件之间“连接”第三组成元件。相反地，当将一个组成元件“直接连接”到另一组成元件或与另一组成元件“直接相连”时，可理解为在第一组成元件和第二组成元件之间不存在第三组成元件。
41.在本技术的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本技术的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本技术的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本技术的各种实施例中被清楚地限定。
42.为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本技术作进一步的详细说明，本技术的示意性实施方式及其说明仅用于解释本技术，并不作为对本技术的限定。
43.配电网树线放电故障的示意图，如图1所示，设三相配电线路的c相为故障相，其中，u表示线路的母线电压，c
line
为线路对地总电容，i
cline
为线路对地电容电流，if为故障点电流，r
fault
为故障点过渡阻抗。故障发生时，过渡电阻r
fault
两端存在电压，产生阻性电流，此外，线路电容c
line
会在线路中产生对地容性电流i
cline
，由于中性点不接地，线路中也没有其他接地点，i
cline
会通过故障点在故障相和大地之间流通。因此，故障点流过的电流包含阻性分量和容性分量，即：
[0044][0045]
配电网树线放电单相高阻接地故障情形下，r
fault
一般为数千欧至数兆欧，因此流过故障点的阻性电流较小。由于故障点阻性电流几乎为0，因此|if|≈|i
cline
|，即配电网树线放电故障消弧的关键在于减小故障点的容性电流。
[0046]
基于故障电流转移消弧的消弧原理，如图2所示，其中，i
trans
和r
trans
分别为容性电流转移回路的转移电流和回路阻抗。该方案的原理为：在故障相首端构造一个容性电流转移回路，当检测到故障发生时，该回路的断路器闭合，由于r
trans
《《r
fault
，根据阻抗反比定律，i
cline
将主要经容性电流转移回路入地，而故障点电流if将主要为阻性电流。此时，由于故障相线路首端经容性电流转移回路接地，故障相电压被钳位为0，根据式(1)，if的两个分量均接近于0，即if≈0，由此即可实现故障点消弧。
[0047]
基于上述故障电流转移消弧的消弧原理，本技术提供了一种配电网树线放电故障电流转移消弧实验平台，模拟实际使用情形，为故障电流转移消弧提供实验平台。
[0048]
配电网树线放电故障电流转移消弧实验平台，如图3所示，包括：依次连接的升压变压器、三相配电线路和电压互感器。
[0049]
具体的，升压变压器的三个输入接线柱与380v电源连接，三个输出接线柱与三相
配电线路的首端连接，为线路提供升压电源，三相配电线路的尾端与电压互感器连接便于检测线路电压；升压变压器的接线方式为ynyn0型，中性点悬空，三相配电线路采用型号为lgj－120的钢芯铝绞线。需要说明的是，本技术中的首端和尾端均以电流方向划分，电流从首端流至尾端。
[0050]
进一步的，三相配电线路的故障相通过开关柜接地，具体的，从升压变压器与三相配电线路故障相连接的接线柱处引一根导线连接开关柜后接地，构造故障电流转移回路。
[0051]
进一步的，三相配电线路的下方设置升降平台，升降平台包括具有一端开口的金属外壳，金属外壳底部连接升降机，金属外壳内设置故障模拟件，金属外壳通过采样电阻导地，构造故障情形；具体的，升降平台的金属外壳上部开口，金属外壳底部连接升降机沿竖直方向运动，金属外壳的内部放置故障模拟件。
[0052]
进一步的，三相配电线路首端连接可调电容器，通过控制可调电容器的投切，即可控制三相配电线路对地的容性电流；具体的，容性电流可在1-60a进行调节，最小级差可达1a；通过设置可调电容器，可以在线长有限的情况下模拟实际长距离三相配电线路对地容性电流，使得测试更接近真实。
[0053]
在一些可能的实施例中，将采样电阻的高压侧接入示波器，测量故障点电压波形，即可根据欧姆定律得到故障点电流波形，将电压互感器的二次侧接入示波器，测量线路电压波形，开关柜内置开关柜互感器，将开关柜互感器的二次侧通过开关柜采样电阻接入示波器，测量转移回路电流波形。
[0054]
在一些可能的实施例中，故障模拟件包括：土壤和插入土壤的树枝。
[0055]
使用时，升降平台通过升降机升高，树枝搭在三相配电线路的某一相上，模拟树线放电故障，该相称为故障相，该相与树枝的接触点为故障点，开关柜闭合时，故障点电流经采样电阻入地，模拟故障电流转移。
[0056]
在一些可能的实施例中，三相配电线路的电压为10kv，电压互感器的变比为10:0.1，可以真实的模拟10kv三相配电线路的实际使用情况。
[0057]
基于上述配电网树线放电故障电流转移消弧实验平台，本技术还提供了一种实验方法，其流程如图4所示，实验方法包括以下步骤：
[0058]
s1、获取故障模拟件接地前的阻抗；
[0059]
s2、将升降平台升高至故障模拟件搭接在三相配电线路的故障相，接通三相配电线路，并调节可调电容器组，模拟故障；故障稳定后，发出脉冲信号控制开关柜合闸，模拟故障电流转移；通过示波器记录三相配电线路的线路电压、故障点电流和转移回路电流的波形；
[0060]
s3、待故障电流转移完成后，切断三相配电线路，实验结束。
[0061]
具体的，在s1中，故障模拟件包括土壤和插入土壤的树枝，用万用表测量树枝接地前阻抗；在步骤s2中，将升降平台升高直至树枝搭接在配电线路的故障相，开启电源，接通三相配电线路，然后调节可调电容器，控制线路对地容性电流，模拟实际情况下的树线放电故障，故障稳定后，通过计算机发出脉冲信号控制开关柜合闸，模拟故障电流转移，记录整个过程中三相配电线路的线路电压、故障点电流和转移回路电流的波形；在步骤s3中，等待故障电流转移完成，即可关闭电源，切断三相配电线路，完成实验。消弧完成时，故障点电流、故障相电压将明显减小，可以通过示波器观察从脉冲信号发出时刻至故障点电流/故障
相电压明显减小所用时间，从而确定故障电流转移消弧的响应速度，观察故障电流转移完成后的示波器的波形也可以确定故障电流转移消弧的效果。
[0062]
在一些可能的实施例中，在步骤s2中，还包括：通过摄像机拍摄树线放电故障时的故障点放电情形和故障电流转移时的故障点放电情形，便于更为直观的观察故障电流转移的消弧作用效果。具体地，摄像机可以是高速摄像机或红外摄像机，高速摄像机可以捕捉故障发生的瞬间以及故障电流转移消弧的消弧瞬间，红外摄像机可以捕捉故障发生时的热量以及故障电流转移消弧后的热量，便于更为直观的确定消弧效果。
[0063]
在一些可能的实施例中，为保证时间测量的精确性，示波器记录的波形均以脉冲信号发出为起始时刻；脉冲信号发出即控制开关柜合闸，模拟故障电流转移，理想情况下，可以直接从t＝0s时刻开始观察故障点电流明显减小所用的时间，即为故障电流转移消弧的响应时间。
[0064]
在一些可能的实施例中，实验方法还包括：步骤s4、改变故障模拟件的阻抗或可调电容器注入的电容电流，重复步骤s1-s3，进行单一变量控制实验，控制获得多组所述线路电压、故障点电流和转移回路电流的波形。
[0065]
具体的，控制树枝阻抗不变，控制调节电容器注入不同的容性电流，进行第一组实验；在同一棵树上裁剪不同阻抗的树枝作为故障模拟件，控制调节电容器不变，进行第二组实验，比较各组实验测得的线路电压、故障点电流和转移回路电流的波形，研究不同故障情形下，消弧的响应速度及效果。
[0066]
在一种具体实施场景中，以树枝长度1.3m，接地前阻抗450mω，线路容性电流3a的故障情形为例，阐明故障电流转移消弧的作用效果。经过步骤s2记录的三相配电线路的线路电压波形如图5所示，故障点电流波形如图6所示，转移回路电流波形如图7-8所示。
[0067]
如图5-6所示，t＝0s时为控制开关柜合闸的脉冲信号的发出时刻，从图中可以看出，故障发生时，故障相和非故障相电压几乎没有差异，主要是由于故障相过渡电阻较高，导致故障相电压变化不明显。在t＝50.94ms时，图6中故障点电流明显减小，图5中，故障相电压降低至0，因此可得，从故障发生至转移消弧完成共用时t＝50.94ms，与开关柜的固有动作时延50ms接近，此处的开关柜固有动作时延是指从脉冲信号发出的瞬间至开关柜合闸的瞬间。转移消弧完成后，故障点电流(含噪声)约为20ma，可以观察到电弧熄灭，因此故障点电流达到安全水平，即故障点电流转移消弧能够实现良好的消弧效果。
[0068]
如图7-8所示，图7为转移回路电流波形，由于开关柜互感器精度较低和实验现场的电磁干扰，转移回路电流波形噪声较多，为便于理解，运用matlab中的lowpass函数进行了低通滤波，如图8所示，截止频率为100hz。从图中可以看出，转移回路在脉冲发出后5ms左右电流增大，可能由于开关发生了预击穿，随后t＝50.94ms时开开关柜导通，电流明显增大，峰值约为3a，和容性电流值接近，可见转移回路起到了良好的转移消弧效果。
[0069]
在一种具体的实施场景中，在步骤s4中，先控制树枝阻抗不变，改变可调节电容，具体地，为保持湿度、粗细一致，采用同一棵树枝，调节容性电流大小为ic＝1a、3a和7a，分别测量故障点电流波形，观察容性电流大小对消弧效果的影响。树枝长度为1.3m，接地前电阻为450mω。
[0070]
故障点电流波形，如图9所示，t＝0s时为控制开关柜合闸的脉冲信号的发出时刻，在t＝50.94ms时，转移消弧完成，可以观察到，不同容性电流的故障情形下，转移后故障点
电流均会发生明显降低。
[0071]
为便于比较，将不同容性电流故障情形下转移前故障点电流峰值、转移后故障点电流峰值和转移时间列在表1中。可以看出，转移前故障点电流峰值与容性电流大小成正比，但转移后故障点电流峰值均为19.685ma，可能是由于转移后故障点电流较小，低于测量精度，示波器仅能记录部分噪声电流峰值。此外，可以看出转移时间与容性电流并无明显关系，但都与开关柜固有动作时延接近。
[0072]
表1不同容性电流情形下转移消弧效果
[0073][0074]
接着控制可调节电容不变，树枝阻抗改变，具体的，当容性电流固定为1a时，采用同一棵树上不同长度、不同电阻值的数值进行实验，观察树木电阻对故障电流转移消弧效果的影响。实验共采用3棵树枝，分别编号为树枝1、树枝2和树枝3，各树枝长度/接地前过渡电阻分别为0.98m/200mω、1m/240mω和1.3m/450mω。
[0075]
故障点电流波形，如图10所示，t＝0s时为控制开关柜合闸的脉冲信号的发出时刻，在t＝50.94ms时，转移消弧完成，可以观察到，转移前故障点电流峰值与树枝电阻大小成反比，转移发生时的暂态电流峰值也与转移前故障点电流峰值正相关。转移发生后，不同树枝故障情形下故障点电流均发生明显下降，表明该方案具有良好的消弧效果。
[0076]
将不同树木电阻下转移前故障点电流峰值、转移后故障点电流峰值和转移时间列在表2中进行比较。可以看出，转移前故障点电流峰值与树木电阻大小成反比，转移后故障点电流峰值仍均为19.685ma，体现了良好的消弧效果。转移时间与树木电阻大小也无明显关系。
[0077]
表2不同树木电阻情形下转移消弧效果
[0078][0079]
综上，通过上述的实验步骤即实验结果可以表明，使用故障点电流转移消弧能够实现良好的消弧效果，故障点电流转移消弧的响应时间与开关柜的固有动作时延接近，对于不同的容性电流、树枝阻抗，故障点电流转移消弧均能实现良好的消弧效果，消弧响应速度与树枝阻抗和容性电流均无明显关系，表明故障点电流转移消弧具有宽参数范围的适用性。
[0080]
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步
详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。