CN101013149A - 不接地配电***中故障区段检测方法及其装置 - Google Patents

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CN101013149A CNA2006101356061A CN200610135606A CN101013149A CN 101013149 A CN101013149 A CN 101013149A CN A2006101356061 A CNA2006101356061 A CN A2006101356061A CN 200610135606 A CN200610135606 A CN 200610135606A CN 101013149 A CN101013149 A CN 101013149A
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崔勉松
林星日
李承宰
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Abstract

本发明提供一种不接地配电***中通过零相电流相位差与大小比较而定位的故障区段检测装置，其包括下列单元：位于不接地配电***线路的各区段，量测线间短路电压与零相电流的相位差与大小后传送到中央，根据中央指令而执行断路器开关的断开或闭合指令的多个线路终端装置；线路发生故障时，检查其电路是否发生故障并把检查结果传送到中央的电路故障检测装置；及收到来自电路故障检测装置的故障信息后，要求相关线路的各终端装置传送相位差与大小信息并判断相关线路的故障区段，闭合联络开关，把故障区段从***隔离出来，把正常区段切换到专线，继续为负载供电的中央控制装置。本发明可以轻易地判断故障区段，并且在不停电的情形下继续为负载供电。

Description

不接地配电***中故障区段检测方法及其装置
技术领域
本发明涉及一种不接地配电***中通过零相电流相位差与大小比较而定位的故障区段检测方法及其装置，本发明在不接地配电***发生单相接地故障时，由电路故障检测装置、可以量测线路线电压与零相电流的终端机及中央装置所组成的整个***，针对线路各终端机量测的零相电流与线电压的相位差与大小进行比较后定位故障区段，并且在不停电的情形下把故障区段从***隔离出来的方法及其装置。
背景技术
一般来说，不接地配电***适用于线路短、电压低的***，这种线路的对地电容小，因此充电电流也不大。不接地***的线路发生单相接地故障时，正常相的对地电容造成的故障电流将流入故障点，但是由于太小而可以继续供电，而且，由于主要变压器使用了△-△结线方式，只要在变压器故障或检查修理时转换成V结线方式，就能送电。
但是，随着不接地***的扩大，容量也跟着增大，发生单相接地故障时，充电电流将引起间歇电弧接地并造成异常电压。单相接地故障时的故障电流在数安培以下，不容易检测出故障，因此无法保证接地保护继电器的动作。而且一旦保护失败，可能使故障范围扩大并造成短路故障。配电***发生故障时，如果没有可以简单地自动定位故障类型与位置的装置，***管理员为了定位故障点而需要在大范围的送配电线路区段进行肉眼观察。这些作业需要大量人力与停电成本。因此，针对故障类型的判断与故障点的检测进行研究非常具有实用性。
在不接地***的保护方式方面，如果是单一电路则使用过电压接地继电方式(OVGR)，如果是多电路则为了判断故障电路而使用基于总线零相电压与各电路零相电流的方向接地继电方式(DGR)。
人们近来陆续发表了相关的研究论文，它们包括：为了通过不接地***保护方法保护网络***而采取方向接地继电方式，可以算出从电压与电流量测点到故障点的距离的算法、利用基本波电压与电流诊断故障方向的算法、可以算出高阻接地***的故障距离的故障信号分析法、把脉冲故障检测器实际应用到工业***保护的方法、及针对故障检测的各种影响因子进行分析的方法等。而且还使用了通过选择性接地继电器探索故障电路的顺送方式。
但是前述研究把重点放在故障电路的定位上，在发生单相接地故障时不容易判断出故障相。最近随着配电自动化***的引进，配电变电所与具有各种功能的自动化断路器被要求具有可以检测故障相的算法。而且随着埋地电缆的普及，对故障相的判断变得益发重要。
图1是现有不接地配电***发生接地事故时，通过顺送方式隔离故障区段并加以抢修的说明图。表1是前述配电***发生故障时对故障处理过程的Time Chart。
【表1】
状况 时间 断路器的动作情形
CB  SW1  SW2  SW3  SW4  SW5
-区段(4)发生事故 故障监视CB跳闸
无电压断开时间(0.7秒)
-再闭路 再闭路时限(1分)
-SW1顺送闭合 闭合时限T1(7秒)
-SW2顺送闭合 闭合时限T1(7秒)
-SW3顺送闭合 闭合时限T1(7秒)
-重新检测事故 检测到永久性故障，CB再跳闸
无电压断开时间(0.7秒)
-再再闭路 再再闭路时限(3分)
-SW1顺送闭合 闭合时限T1(7秒)
-SW1顺送闭合 闭合时限T1(7秒)
-逆送远控指令 根据远距控制指令而闭合
前述配电线路发生故障时，将通过方向接地继电器(DGR)判断故障电路，然后使电路断电器(Circuit Braker，以下简称“CB”)启动，故障电路的线路将停电。在日本，由于大多数不使用重合闸，因此必须使线路的全部区段都停电。CB启动并造成无电压状态后，相关配电线路的所有顺送式自动化断路器将自动断开。经过一定时间后，CB将再闭路并对配电线路施加电压，按照第一个、第二个、第三个的方式依次使自动化断路器闭合。当最接近故障区段的自动化断路器闭合后，因为持续着永久性故障状态，变电所的CB将重新启动。此时，最接近故障点并最后闭合的断路器在闭合后，由于在指定的时间内重新停电，因此判断自己的保护区段发生了永久性故障并进入Lock状态。电源被加压后，由于加压状态没有维持一特定时间的情形下电源消失了，因此紧邻故障区段之后的断路器将判断自己前面的电源侧发生了故障而进入Lock状态。以后的动作和开始时一样，电路断电器在经过一定时间后再闭合，第一个与第二个之类的自动化断路器按着一定时间间隔进行再闭合，然后对电源侧的正常区段供电。
前述的故障处理方式允许配电***连接其它线路，包括不使用Loop状配电方式而采取树枝状配电方式的韩国大部分的配电***在内，前述故障处理方式可以适用于所有的配电线路。日本使用的保护方式虽然可以判断故障电路并通过顺送方式定位故障区段，然而，由于采取了顺送方式，在定位故障区段的过程中无法避免停止对负载的供电，随着断路器的开闭次数增加，也提高了断路器切换失败的可能性。
为了克服前述限制，本申请人开发了“不接地配电***的故障电路及故障相判断方法”(专利申请第2003-060175号)，前述技术使用选择性接地继电器(SGR)并根据总线的零相电压与各电路的零相电流检测故障电路，同时根据检测到的前述故障电路的线电压与故障电路的零相电流判断故障相。当不接地***引入配电自动化***时，通过位于线路上的自动化断路器取得电压与电流信息即可实现前述方法，前述方法的有效性业已通过电磁暂态解析工具EMTP(Electro Magnetic Transient Program)仿真程序的检验证明。
发明内容
本发明针对本申请人开发并申请专利的“不接地配电***的故障电路及故障相判断方法”(大韩民国专利申请第2003-060175号)做了改善，本发明的目的是提供一种不接地配电***中通过零相电流相位差与大小比较而定位的故障区段检测方法及其装置，本发明包括电路故障检测装置；可以量测线路线电压与零相电流的线路终端装置；及收到来自前述各装置的信息后定位故障区段，然后以无停电方式隔离故障区段并进行抢修过程的中央控制装置。当不接地配电***发生接地故障时，本发明可以在不停电的情形下把故障区段从***隔离出来，继续对负载供电。
为了实现前述目的，本发明提供一种不接地配电***中通过零相电流相位差与大小比较而定位的故障区段检测装置，本发明包括下列单元：位于线路的各区段，量测线间短路电压与零相电流并算出其相位差与大小，然后传送到中央控制装置，根据中央控制装置的指令而执行断路器开关的断开或闭合指令的多个线路终端装置；线路发生故障时，检查其电路是否发生故障并将检查结果传送到中央控制装置的电路故障检测装置；及控制***的整体动作，收到来自前述电路故障检测装置的故障信息后，要求相关线路的各线路终端装置传送相位差信息并判断相关线路的故障区段，闭合联络开关，把故障区段从***隔离出来，把正常区段切换到专线，继续为负载供电的中央控制装置。
本发明提供一种不接地配电***中通过零相电流相位差与大小比较而定位的故障区段检测方法，包括：位于线路的各区段，量测线间短路电压与零相电流的相位差与大小，根据中央的指令而开/闭开关的多个线路终端装置；检查线路是否发生故障，然后把检查结果传送到中央的电路故障检测装置；及收到来自前述电路故障检测装置的故障检测报告后，控制前述线路终端装置的动作的中央控制装置，其特征在于包括下列步骤：前述电路故障检测装置利用总线的零相电压与线路的零相电流来检查故障电路，然后向中央控制装置传送故障信息的第一步骤；前述中央控制装置向前述故障电路的各线路终端装置要求传送线间短路电压与零相电流的相位差与大小信息的第二步骤；前述线路终端装置根据前述中央控制装置的要求而算出线间短路电压及零相电流的相位差与大小，然后分别传送给中央控制装置的第三步骤；前述中央控制装置针对来自前述各线路终端装置的相位差与大小信息进行比较并判断故障区段，如果故障区段负载侧包含正常区段，则把故障区段从***隔离出来，然后把正常区段切换到专线的第四步骤。
由本发明的前述各线路终端装置所执行的第三步骤包括下列步骤：量测线路的线间短路电压与零相电流并算出其相位差的步骤；收到来自前述中央控制装置的要求后，把计算出来的前述相位差信息传送到中央控制装置的步骤；及收到来自前述中央控制装置的指令后，按照前述指令断开或闭合断路器开关的步骤。
在本发明的前述中央控制装置所执行的第四步骤中，针对来自前述相关线路的各终端装置的各零相电流的相位差与大小信息进行比较，如果相邻的前/后侧两个终端装置的零相电流的相位差在90~180°范围内，而零相电流大小差距超出了容许误差范围时，就把相关线路终端装置的安装区段判断为故障区段。
当不接地配电***发生接地故障时，本发明可以利用位于线路的终端装置的相位差与大小信息轻易地判断故障区段，在不停电的情形下继续为负载供电。
不接地***引进自动化***后，本发明可以凭借位于变电所各线路引出端的电路故障检测装置的信息与位于线路的终端装置所量测的电压与电流信息而简单地获得实现。
本发明的故障区段判别方法的有效性业已通过电磁暂态解析工具EMTP(Electro Magnetic Transient Program)仿真程序的检验证明，其可行性是非常高的。
附图说明
图1是现有不接地配电***发生接地事故时，通过顺送方式隔离出故障区段并加以抢修的说明图。
图2是本发明故障区段检测装置的结构图及各动作的说明图。
图3是本发明不接地配电***发生接地故障时的零相电流分布图。
图4是本发明不接地配电***发生接地故障时以故障点为中心的故障电路的零相电流方向图。
图5是本发明在不接地配电***发生接地故障时判断故障区域的说明图。
图6是本发明一实施例的模拟***及***组成图。
图7是发生接地故障后，各电路上的零相电流与总线的零相电压向量图。
图8是发生接地故障后，在故障电路的各终端机量测的线间短路电压与零相电流的向量图。
<图形主要符号的说明>
10：电路故障检测装置                21、22：线路终端装置
30：中央控制装置
具体实施方式
下面结合附图进行详细说明，将更易了解前述本发明的目的、特征及优点。
下面结合附图和实施例对本发明的不接地配电***中基于零相电流相位比较的故障区段检测方法及其装置作进一步说明。
图2是本发明一实施例的不接地配电***中基于零相电流相位比较的故障区段检测装置的简略结构图及故障区段检测动作方块图。前述配电***包括位于线路的多个线路终端装置(21、22)；电路故障检测装置(10)；及中央控制装置(30)。本实施例针对零相电流相位差与大小进行比较，定位故障区段并使其从***中隔离出来，把故障区段负载侧的正常区段切换到专线，在不停电的情形下继续为所有的负载供电。
前述各线路终端装置(21、22)量测线路的线电压与零相电流的相位差与大小，当中央控制装置要求时，就将其相位差信息分别传送到中央控制装置(30)，收到中央控制装置的指令后执行断路器开关的断开或闭合指令。
线路发生故障时，前述电路故障检测装置(10)将检查其电路是否发生了故障，发生故障时，则把故障信息传送到中央控制装置(30)。
前述中央控制装置(30)负责***的整体动作，收到来自前述电路故障检测装置(10)的故障信息时，将检查相关线路拓扑(topology)并向相关线路终端装置要求传送相位差信息，然后对来自前述相关线路的各终端装置的各相位差信息进行比较，相邻的前/后侧两个终端装置之间的相位差在90~180°范围内，而零相电流大小差距超出了容许误差范围时，就把相关线路终端装置安装区段判断为故障区段，如果前述故障区段内包含正常区段，则闭合联络开关并断开故障区段的终端机后，把故障区段从配电***中隔离出来，在不停电的情形下继续为正常区段的负载供电。
下面对不接地配电***的动作步骤进一步说明。其包括下列步骤：首先，前述电路故障检测装置利用总线的零相电压与线路的零相电流来检查故障电路，然后向中央控制装置传送故障信息(附图的①过程或⑥过程)；接着，前述中央控制装置检索配电***的拓扑，并根据其结果向前述故障电路的各线路终端装置要求传送线间短路电压与零相电流的相位差与大小信息(附图的②过程与⑧过程)；然后，前述线路终端装置根据前述中央控制装置的要求而算出线间短路电压及零相电流的相位差与大小，然后分别传送给中央控制装置；最后，前述中央控制装置针对来自前述各线路终端装置的相位差与大小信息进行比较并判断故障区段，如果故障区段负载侧包含正常区段，则把故障区段从***隔离出来，然后把正常区段切换到专线(附图的④过程
Figure A20061013560600101
⑤过程与⑦过程)。
图3是本发明不接地配电***发生接地故障时的零相电流分布图。为了说明前述电路故障检测装置(10)判断故障电路的动作，图3假设线路C发生故障并显示了故障电流的分布状态。
如图3所示，正常电路A与B的充电电流(Ic3，Ic2)通过总线流入故障地点，故障电路C的总线侧与负载侧的充电电流则流向故障点。这些电流都是充电电流而且同相，其合成电流流向故障点，进而形成流经接地型变压器(GPT：ground potential transformer)的中性点的电流(In)。此时，充电电流Ic1，Ic2，Ic3比故障时生成的零相电压(V0)越前90°，流向接地型变压器(GPT)的电流(In)则与零相电压(V0)同相，因此总线中流向事故电路的故障点的整体接地故障电流的相位比接地型变压器(GPT)量测的零相电压(V0)越前30～80°左右。
然而，正常电路上的零相电流方向与故障电路上的零相电流方向是相反的，当发生接地故障时，以总线的零相电压相位为基准，如果零相电流的相位具有越前特性，就把该电路判断为故障电路。
因此，考虑到测量总线零相电压的接地型变压器(GPT)的误差、位于各电路的零相电流互感器的误差及幅度，当线路的零相电流相位与总线零相电压相位相比，位于-60°～+120°范围时，前述电路故障检测装置(10)就判断该电路为故障电路。
电路故障检测装置(10)根据总线的零相电压与各线路的零相电流而定位故障电路后，将其结果传送到中央控制装置(30)，前述中央控制装置(30)再根据前述故障电路的各线路终端装置(21、22)所量测的线路线电压与零相电流而判断故障区段。
图4是本发明不接地配电***发生接地故障时以故障点为中心的故障电路的零相电流方向图。下面说明前述中央控制装置(30)根据各线路终端装置(21、22)的相位差与大小信息而检测故障区段的过程。
首先，为了根据变电所的接地型变压器(GPT)所量测的零相电压与各终端机所量测的零相电流判断故障区段起见，接地型变压器(GPT)与各终端装置等整个***需要维持同步，因此所有终端机都需要安装同步化装置。
本发明的中央控制装置的故障区段检测方法，只要有了位于线路的多个线路终端装置(21、22)所量测的电压信息与电流信息即可判断故障区段，进而解决了前述问题。
如图4所示，位于故障电路的各终端装置所量测的零相电流在故障点的前/后区段具有不同方向，不接地***在故障前后的线电压向量是不变的，因此以三相中任一相的线电压为基准比较零相电流的相位时，就能发现故障点前端的线路终端装置与后端的线路终端装置之间的相位差为180°。因此，前述中央控制装置(30)收到来自故障电路的各线路终端装置各自传送的零相电流相位差与大小信息后，比较两个相邻线路终端装置的零相电流的相位差信息，也就是说，以前端线路终端装置的相位为基准，比较其后端线路终端装置的相位差信息，只要其相位差是180°，即可把该区段判断为故障区段。
图5是本发明在不接地配电***发生接地故障时判断故障区域的说明图。图5中，X轴是第k-1个线路终端装置的相位差与第k个线路终端装置的相位差之间的差值(ΘDω k：计算式1)，第k个线路终端装置的相位差指的是线路终端装置的任一线电压与零相电流的相位差(Θk：计算式2)。
【计算式1】
&Theta; D&omega; k = &Theta; k - 1 - &Theta; k
(此时，Θk-1是第k-1个线路终端装置的相位差，Θk是第k个线路终端装置的相位差。)
【计算式2】
&Theta; k = V LL k - I o k
(此时，VLL k是线路终端装置的任一线电压，Io k是零相电流。)
因此，考虑到线路各终端装置量测的线电压与零相电流的误差及其幅度，如果两个线路终端装置的相位差在180°～90°范围内，中央控制装置(30)就把两个线路终端装置之间的区段判断为故障区段。
<实施例>
图6是本发明一实施例的模拟***及***组成图。为了验证本发明所提出的算法，我们设计了下列***模型：***电压是154[kV]/22.9[kV](y-△结线)，配电线路使用ACSR 58[mm](Z1＝0.6959+j0.5144，Z0＝1.1028+j1.4437[Ω])线，各馈电线的长度为#l Feeder-15[km]、#2 Feeder-10[km]、#3 Feeder-15[km]，***负载为每电路约2[MVA]，作为判断故障时最关键因素的线路充电电流为18[mA/km]左右。然后使用EMTP程序模拟出接地故障并验证了所提出的算法。
在电压与电流的瞬间数据里取出其大小与相位时采用了DFT算法，使用Matlab程序实现了所提出的算法，并显示了验证结果。
在前述图6所示的***发生接地故障时，根据总线的零相电压与各电路的零相电流大小及相位而判断了故障电路。图7是发生接地故障后，在各电路上量测的零相电流与总线的零相电压向量图。由于#1 feeder的零相电流比总线的零相电压越前88°，#2 feeder的零相电流比总线的零相电压滞后87°，#3 feeder的零相电流比总线的零相电压越前89°，因此最后判断#3 feeder是故障电路，然后把该信息传送到中央控制装置。
在前述图6所示的***发生接地故障时，根据各终端机量测的线电压与零相电流的相位差与大小判断故障区段，图8是发生接地故障并判断出故障电路后，位于故障电路的各终端机量测的线间短路电压与零相电流的向量图。各线路终端装置中线电压向量的相位之所以不同是因为线路上的电压下降引起的，在判断故障电路时不会造成多大的影响。可以看出，零相电流的相位以故障点为中心出现了180°的差异。
【表2】
    断路器相位 SW1 SW2 SW3 SW4
    Vab     -126.3°     -126.9°     -127.7°     -128.4°
    Io     -67.3°     67.3°     112.5°     112.5°
    |Vab-Io|     58.9°     59.5°     240.3°     240.9°
ΘDω k - 0.6° 180.8° 0.6°
前述表2列出了故障电路的各线路终端装置所量测的线电压与零相电流的相位，还有各终端机为了定位故障区段而根据电压/电流的相位差以计算式1计算出来的结果。最后，通过故障区段检测方法进行判断后，判断SW2与SW3之间的区段Section #2发生了故障。

Claims (5)

1.一种不接地配电***中通过零相电流相位差与大小比较而定位的故障区段检测装置，包括：
位于线路的各区段，量测线间短路电压与零相电流并算出其相位差与大小，然后传送到中央控制装置，根据中央控制装置的指令而执行断路器开关的断开或闭合指令的多个线路终端装置；
线路发生故障时，检查其电路是否发生故障并将检查结果传送到中央控制装置的电路故障检测装置；及
控制***的整体动作，收到来自前述电路故障检测装置的故障信息后，要求相关线路的各线路终端装置传送相位差信息并判断相关线路的故障区段，闭合联络开关，把故障区段从***隔离出来，把正常区段切换到专线，继续为负载供电的中央控制装置。
2.根据权利要求1所述的不接地配电***中通过零相电流相位差与大小比较而定位的故障区段检测装置，其特征在于：
前述中央控制装置的判断基准为：
针对来自前述相关线路的各终端装置的各零相电流的相位差与大小信息进行比较，如果相邻的前/后侧两个终端装置的零相电流的相位差在90～180°范围内，而零相电流大小差距超出了容许误差范围时，就把相关线路终端装置的安装区段判断为故障区段。
3.一种不接地配电***中通过零相电流相位差与大小比较而定位的故障区段检测方法，包括：位于线路的各区段，量测线间短路电压与零相电流的相位差与大小，根据中央的指令而开/闭开关的多个线路终端装置；检查线路是否发生故障，然后把检查结果传送到中央的电路故障检测装置；及收到来自前述电路故障检测装置的故障检测报告后，控制前述线路终端装置的动作的中央控制装置，其特征在于包括下列步骤：
前述电路故障检测装置利用总线的零相电压与线路的零相电流来检查故障电路，然后向中央控制装置传送故障信息的第一步骤
前述中央控制装置向前述故障电路的各线路终端装置要求传送线间短路电压与零相电流的相位差与大小信息的第二步骤；
前述线路终端装置根据前述中央控制装置的要求而算出线间短路电压及零相电流的相位差与零相电流大小，然后分别传送给中央控制装置的第三步骤；及
前述中央控制装置针对来自前述各线路终端装置的相位差与大小信息进行比较后判断故障区段的第四步骤。
4.根据权利要求3所述的不接地配电***中通过零相电流相位差与大小比较而定位的故障区段检测方法，其特征在于：
在前述线路终端装置所执行的第三步骤包括：
量测线路的线间短路电压与零相电流并算出其相位差与零相电流大小的步骤；
收到来自前述中央控制装置的要求后，把计算出来的前述相位差与零相电流大小信息传送到中央控制装置的步骤；及
收到来自前述中央控制装置的指令后，按照前述指令断开或闭合断路器开关的步骤。
5.根据权利要求3所述的不接地配电***中通过零相电流相位差与大小比较而定位的故障区段检测方法，其特征在于：
在前述中央控制装置所执行的第四步骤中，
针对来自前述相关线路的各终端装置的各零相电流的相位差与大小信息进行比较，如果相邻的前/后侧两个终端装置之间的相位差在90～180°范围内，而零相电流大小超出了容许误差范围时，就把相关线路终端装置的安装区段判断为故障区段。
CNA2006101356061A 2005-10-21 2006-10-17 不接地配电***中故障区段检测方法及其装置 Pending CN101013149A (zh)

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