CN1786726B - 定位电力配电***中的接地故障的***和方法 - Google Patents
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Abstract
定位电力配电***中的接地故障的***和方法,一种用于定位电力配电***(12)中的接地故障的方法(144),包括在电力配电***(12)中的多个位置处提供多个电流传感器(14,16,17,18,20,22)。该方法(144)还包括检测电力配电***(12)中的接地故障。通过电流传感器(14,16,17,18,20,22)监控电力配电***(12)中的多个位置处的电流,并且通过测试信号发生装置(44)将测试信号引入电力配电***(12)中。监控多个位置来定位在检测到测试信号的位置和没有检测到测试信号的下游位置之间的接地故障。
Description
技术领域
本发明通常涉及电力配电***中的接地故障的检测和定位,更具体的是涉及用于检测和定位高阻抗接地电力***中的相对地故障的技术。
背景技术
接地故障是电力***中不期望的状态,其中电流流向大地。当配电或者传输网中的电流泄漏到它的预期流动通路外面时,发生接地故障。配电或者传输网一般可以以这样的方式受到保护而免受故障,即借助于相关的电路断路器自动断开故障部分或者传输线。
用于低压电力***的一种接地策略是高阻抗接地。在高阻抗接地电力***中,在电源电力变压器的中性点和地之间设置阻抗。这种高阻抗接地允许电力***的连续操作,即使在单相对地故障的情况中也是如此。然而,依靠***设计,为了允许这种连续操作,应当检测和定位接地故障,以缓解电力***中多余的电压应力,以及去除初始故障来消除一系列来自相间的故障的发生。
已经使用手持式传感器跟踪电力***中的故障。通常,或者在接地阻抗注入信号或者通过接触器周期性地部分短路一部分接地阻抗。在可能使用手持式传感器跟踪的电力***中这会产生零序电流。在电力***中的所选择测量点,围绕所有的接触器,通常必须放置手持式传感器,来指示测量点是否在接地阻抗和接地故障的位置之间。在电力***中将手持式传感器从一个点移动到另一点,直到以这种方式定位出故障。然而,该过程耗时耗力。
因此,需要相对直接的和自动的过程来检测和定位电力配电***中的接地故障。
发明内容
简要地,根据该技术的一个方面,提供了一种用于定位电力配电***中的接地故障的方法。该方法包括在电力配电***中的多个位置处提供多个电流传感器。该方法还包括检测电力配电***中的接地故障。通过电流传感器监控电力配电***中的多个位置处的电流,并通过测试信号发生装置将测试信号引入电力配电***中。监控多个位置以定位在检测出测试信号的位置和没有检测出测试信号的下游位置之间的接地故障。
根据该技术的另一方面,提供了一种用于定位电力配电***中的接地故障的***。该***包括多个电流传感器,其适于监控配电***中的多个位置处的电流。配置测试信号发生装置以将测试信号引入配电***中。配置处理器以从电流传感器接收信号,来识别在检测出测试信号的位置和没有检测出测试信号的下游位置之间的接地故障的位置。
附图说明
当参考附图阅读下述的具体描述时,本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更容易理解,其中在所有的附图中相同的标记表示相同的部件,其中:
图1是用于定位三相高阻抗接地电力配电***中的接地故障的***的示意图;
图2是高阻抗接地***的示意图;
图3是描述通过图1所示的类型的***,涉及故障检测和相位识别的典型步骤的流程图;
图4是在基波频率处,等价于故障的高阻抗接地电力***的序列分量的示意图;
图5是描述涉及计算脉冲剩余电流的平均相量值的典型步骤的流程图;
图6是在注入频率处,序列分量网的示意图;和
图7是描述涉及定位电力配电***中的接地故障的典型步骤的流程图。
具体实施方式
现在参考图1,描述用于三相高阻抗接地电力配电***12的接地故障定位***10。***10包括多个电流传感器14、16、17、18、20、22和多个耦接到三相配电***12的电压传感器24、26,分别用于测量瞬时电流和瞬时电压的值。在一个典型实施例中,电流传感器14、16、17、18、20、22是电流互感器,设置电流互感器来产生表示通过每一相的瞬时电流的反馈信号。类似地,电压传感器26是电压互感器,其适于测量从相到中性点的瞬时电压。当然,可以使用其它类型的电流和电压传感器。
在所述的实施例中,***12包括具有输入侧3O和输出侧32的电力变压器28。电力变压器28包括三相,也就是,第一相34、第二相36和第三相38,在这个例子中,在输入侧30是三角形结构,在输出侧32是Y形结构。电力变压器28的输出侧32的中性点40通过接地电阻器42接地。设置接地电阻器42,以减少接地故障电流,使得当定位出故障时,***12仍可以保持运行。在所述的实施例中,电压传感器24耦接在中性点接地电阻器42两端,并设置该电压传感器来测量中性点接地电阻器42两端的中性点接地电压。在另一实施例中,传感器24是电流传感器并设置该电流传感器来测量流过中性点接地电阻器42的电流。
测试信号发生装置44耦接在接地电阻器42两端,并设置该测试信号发生装置以将测试信号引入***12中。在一个实例中,测试信号是以所需的间隔产生的脉冲信号。在另一实例中,测试信号是频率不同于***12所分配的电流的频率的音调信号。在所述的实施例中,测试信号发生装置44是被设置用以在***12中产生脉冲信号的开关。通过闭合开关44,接地电阻器42周期性地部分被短路,以产生所需间隔的脉冲信号。在另一实施例中,测试信号发生装置44是电流源,设置该电流源以在与电流的基波频率不同的频率处将零序电流注入***12中。
如所述的,电力变压器28的三相34、36、38耦接到多个三相配电网46、48、50、52、54。在所述的实施例中,电流传感器14、18、20、22分别耦接到配电网46、50、52和54。电流传感器16、17耦接到配电网48。在其它的实施例中,可以设想任何数量的电流传感器,以精确地定位***12中的接地故障。如本领域技术人员所理解的,在任何适当的地方,每个配电网配备有电路断路器56,以及其它的保护装置。还描述的是耦接到电力变压器28的另一个配电网58。通过一组熔断器将电压传感器26耦接到配电网58。如本领域技术人员所理解的,熔断器60限制流到电压传感器26的电流。配置电压传感器26以测量***12中的相对中性点电压。
来自电流传感器14、16、17、18、20、22和电压传感器24、26的模拟信号被转换成数字信号并提供给处理器62。如本领域技术人员所知的,可以使用模拟数字转换器将模拟信号转换成可以被处理器62读取的数字值。如下所述的,通过相量分析处理监控的电流值,以除去与通过电力变压器28的中性点接地电阻器42的电流不同相的电容性电流。当存在时,接地故障位于***12中检测出测试信号的位置和没有检测出测试信号的下游位置之间。处理器62将典型地包括硬件电路和用于执行表示出如下所述的接地故障条件的计算的软件。由此,处理器62可以包括一系列装置,例如基于微处理器的模块、专用的或者通用的计算机、可编程逻辑控制器或者逻辑模块,以及在这些装置中的适当的程序代码。
处理器62耦接到控制单元64,设置该控制单元以从处理器62接收数据并基于来自处理器62的数据启动保护动作。控制单元64通信地耦接到设置到配电网46、48、50、52和54的多个接触器、电路断流器或者电力断路器56。当检测到具体电路中的接地故障时,控制单元64断开对应于故障的电路,以切断通过故障的电源,或者启动报警。
图2表示单端高阻抗接地***66的实施例。在所述的实施例中,高阻抗接地***66包括配电变压器68、主断路器70和多个馈电线断路器72、74、76、78。通过接地电阻器82将配电变压器68的中性线80接地。如上所述,当在***66中存在接地故障时,接地电阻器82限制故障电流,导致故障相中的相对地电压的崩溃。
图3是描述涉及通过图1所示的类型的***,进行故障检测和相位识别的典型步骤的流程图,并通常用附图标记94表示。在所述的实施例中,通常的故障检测和相位识别开始于检验配电***,以判断***是否在如步骤96所示的那样通电。如果***没有通电,如框98所示断开高阻抗接地故障检测逻辑。在步骤100,通过将相对中性点电压和中性点对地电压简单的相加,从相对中性点电压和中性点对地电压计算相对地电压。参考前面所述的图1,在一个实施例中,通过电压传感器26测量相对中性点电压,并且通过电压传感器24测量中性点接地电阻器42上的中性点对地电压。在另一个实施例中,通过电流传感器测量通过中性点接地电阻器42的电流,并基于通过接地电阻器42的电流和电阻器42的电阻值计算中性点对地电压。
在步骤102,通过检测相对中性点电压,检验***的各个相的失相。基于下述关系式确定相损失:
|Vphase-neutral|<PL×Vbasis
其中PL=相损失检测设置值(0<PL<1);以及Vbasis是额定相对中性点电压的相量值。在步骤104,检测具有最小相对地电压大小的非闭锁(unblocked)相的接地故障条件。基于下述的关系式检测接地故障条件:
|Vphase-gnd|<G×Vbasis
其中G是接地故障检测设置值(0<G<1)。
还可以使用接地故障检测算法来检测在非故障相两端产生高电压的反相接地故障条件。基于下述的关系式检测反相接地故障:
|Vphase-gnd|>INV×Vbasis;
其中INV是反相接地故障检测设置值;以及
虽然接地故障检测算法可以应用于单端***,但是该算法还可以用于多端***。多端***的每一个源变压器分别通过电阻器接地,多个接地点经由适当的开关装置由接地总线耦合在一起。如果多端***的多个相导体耦合在一起,那么流过两个接地电阻器的电流对接地故障有贡献。
图4是在基波频率处的序列分量等效电路的示意图,可以使用其理解高阻抗接地定位网106。如本领域技术人员可以理解的,网106包括正序网108、负序网110和零序网112。零序网112包括接地电阻器114和多个充电电容116。短路接触器118设置跨接在接地电阻器114上。在所述的网106中,因为减量的故障电流流过网106,所以网部件上的电压降可以忽略。所以,所有的电压都产生在接地电阻器114和充电电容116上。零序网112产生故障定位信息,因为除了充电电容116和接地电阻器114之外不存在并联连接。
在零序网112中,故障电流包括两个互相垂直的相量分量,也就是,通过接地电阻器114的电流和通过充电电容116的电流。通过电阻器114的零序电流从故障位置流回到接地电阻器114。通过接触器118的一部分接地电阻器114的周期短路将导致故障位置和电阻器114之间的零序电流以触发。流过充电电容116的零序电流遍及分布在网106中,并因此被配电电容116吸收。当一部分接地电阻器被周期性地部分短路时,通过跟踪流动的脉冲电流定位接地故障。脉冲零序电流将在接地电阻器114和故障位置之间流动。零序电流互感器能检测脉冲剩余电流。可以使用该技术检测包括变电站、主断路器、馈电线断路器等的各种设备、***、装置和设施中的接地故障。通常,对于在电路中的断路器中或者其附近设置传感器的装置,在检测出脉冲电流的断路器的下游位置定位接地故障。
通过将当接触器118断开时的零序电流的相量值从当接触器118闭合时零序电流的相量值中减去,减少了例如充电电流和不平衡的误差效果。当相量值的数量差超过了阈值时,将脉冲电流定位在特殊的位置。设置阈值充分高以拒绝噪声,但是充分低以检测脉冲电流的幅值。在所述的实施例中,零序电流等于相对中性点电压除以三倍的接地电阻。剩余电流是三相电流的总和,其是零序电流的三倍。因此,剩余电流等于相对中性点电压除以中性点接地电阻的值。
图5是描述涉及计算脉冲剩余电流的平均相量值的典型步骤的流程图。在所述的实施例中,计算120开始于计算***中的每一个测量点处的剩余电流,如步骤122所示通过增加三相电流的三个相量值。在步骤124,计算通过中性点接地电阻器的电流或其两端的电压的相量值。通过将相量的复共轭除以它的大小将电流的相量值转化成旋转补偿相量。结果,产生具有单位大小的反向旋转相量。在步骤126,每个剩余电流相量乘以计算的补偿相量。在步骤128,在所需的平均窗口(例如60个周期)上计算补偿的剩余电流相量的平均值。通过在所需的时间窗口上计算平均相量值改善有效的分辨率。在所述的实施例中,因量化误差导致的信噪比的改善与时间窗口的平方根成比例。
图6是用于在注入频率处通过使用音频信号定位接地故障的序列分量网130的示意图。注入频率的使用是使用如上所述的接触器的脉冲方法的替代。网130包括正序网132、负序网134和零序网136。零序网136包括接地电阻器138、注入电流源140和多个充电电容142。如所述的,提供注入电流源140以在接地电阻器138上注入电流。电流的注入频率是不同于***配电电流的频率的频率。在一个实施例中,注入频率处于***配电电流的频率的谐波频率。在另一个实施例中,谐波频率是非整数谐波频率。在另一个实施例中,注入频率处于***的配电电流的频率的两倍谐波频率。在另一个实施例中,注入频率是双注入频率,例如用在电话按键拔号中。
在操作中,减少了注入频率处零序网136上的电压。因此,减少的电流流过接地电阻器138,或者减少了充电电容和干扰效应。零序网136中的注入电流从注入点流到故障的位置。注入电流的该流动提供了零序网136中的跟踪信号。无源滤波器,例如并联LC滤波器可以用于阻断基本高压,当检测到接地故障时在接地电阻器上可以产生该基本高压。
图7是描述涉及定位电力配电***中的接地故障的典型步骤的流程图。通常用附图标记144表示的过程开始于步骤146,其中,通过将***的最低相对地电压与作为额定的相对中性点电压的基础电压相比较,检测电力配电***中的接地故障。从相对中性点电压和中性点对地电压计算相对地电压。如果相对地电压小于基础电压,检测到所考虑的相中的接地故障。在步骤148,将测试信号引入配电***中。在一个实施例中,当检测到接地故障时,触发报警并周期性地部分短路源变压器的中性点接地电阻器。例如,中性点接地电阻的一半每10秒就短路1秒。这在配电***中产生跟踪信号。在另一个实施例中,将在不同于***的配电电流的基波频率的频率处的零序电流注入到中性点接地电阻器上,以在配电***中产生跟踪信号。在一个实例中,注入的频率是300Hz,因此,很容易将跟踪信号与基波频率电流分开。只需要降低的电压产生注入电流。
在步骤150,通过电流传感器监控配电***中多个位置处的电流。电流传感器将检测到的电流信号传输到处理器。在步骤152,通过处理器监控多个位置。处理器接收检测到的电流信号并将该电流信号转化成相量值。处理监控的电流值以除去由于配电***中的寄生电容产生的电流。通过识别与接地电阻器上的电压同相或者与通过接地电阻器的电流不同相的零序电流来定位接地故障。就更广泛的意义来说,在检测到测试信号的位置和没有检测到测试信号的下游位置之间定位接地故障。在步骤154,当定位接地故障时,控制单元从处理器接收控制信号并通过触发电路断流器、接触器或者断路器来启动保护动作,以中断故障相的电源或者启动报警。
尽管这里仅仅已经举例和描述了本发明的某些特征,但是本领域的那些技术人员可以想到很多修改和改变。由此可以理解的是,所附的权利要求旨在覆盖落在本发明的实际精神内的所有这些修改和改变。
部件列表:
10接地故障定位***
12高阻抗接地电力配电***
14电流传感器
16电流传感器
17电流传感器
18电流传感器
20电流传感器
22电流传感器
24电压传感器
26电压传感器
28电力变压器
30输入侧
32输出侧
34第一相
36第二相
38第三相
40中性线
42接地电阻器
44测试信号发生装置
46配电网
48配电网
50配电网
52配电网
54配电网
56电路断路器
58配电网
60熔断器
62处理器
64控制单元
66高阻抗接地***
68配电变压器
70主断路器
72馈电线断路器
74馈电线断路器
76馈电线断路器
78馈电线断路器
80中性线
82接地电阻器
106高阻抗接地定位网
108正序网
110负序网
112零序网
114接地电阻器
116充电电容
118短路接触器
130在注入频率处的序列分量网
132正序网
134负序网
136零序网
138接地电阻器
140电流源
142充电电容
Claims (3)
1.一种用于定位电力配电***(12)中的接地故障的方法(144),包括:
在电力配电***(12)中的多个位置处提供多个电流传感器(14,16,17,18,20,22);
检测电力配电***(12)中的接地故障;
通过耦接在接地电阻器两端的电流源将在不同于电力配电***所分配的电流的基波频率的频率处的零序电流注入到接地电阻器上,以便在电力配电***中产生跟踪信号;
通过电流传感器(14,16,17,18,20,22)监控电力配电***(12)中的多个位置处的电流;以及
监控多个位置,将所监控的电流值转化成相量值,并且处理所监控的电流值以除去由于电力配电***中的寄生电容产生的电流,以便通过识别与通过接地电阻器的电流不同相的零序电流值来定位接地故障。
2.一种用于定位电力配电***(12)中的接地故障的***(10),包括:
多个电流传感器(14,16,17,18,20,22),其适于监控配电***(12)中的多个位置处的电流;
耦接在接地电阻器两端的电流源,其被配置成将在不同于电力配电***所分配的电流的基波频率的频率处的零序电流注入到接地电阻器上,以便在电力配电***中产生跟踪信号;和
处理器(62),其被配置成监控多个位置,从电流传感器(14,16,17,18,20,22)接收所监控的电流值,将所监控的电流值转化成相量值,并且处理所监控的电流值以除去由于电力配电***中的寄生电容产生的电流,以便通过识别与通过接地电阻器的电流不同相的零序电流值来定位接地故障。
3.如权利要求2所述的***(10),其中电流传感器(14,16,17,18,20,22)包括用于检测接地故障电流中的变化的零序电流互感器。
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