CN1898573A - 识别间歇性接地故障的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

一种识别配电网中的间歇性接地故障的方法和设备。上述间歇性接地故障是基于零序电压(U0)与相电流(IR、IS、IT)的和电流(ISUM)的来识别的。对上述零序电压与和电流进行滤波，使得过滤后的零序电压与和电流仅包含出现在间歇性接地故障中的暂态分量。当所述零序电压(U0)与和电流(ISUM)的暂态分量的幅值(A(U0)、A(ISUM))超过相应的设置值(A(U0LIMIT)、A(ISUMLIMIT))，且所述零序电压(U0)与和电流(ISUM)的暂态分量的相角(j(U0)、j(ISUM))之间的相差处于预定值范围内时，可确定间歇性接地故障已在所观察的配电网中出现。

Description

识别间歇性接地故障的方法和设备
发明背景
本发明涉及识别配电网中的间歇性接地故障的方法，在该方法中，基于配电网中的零序电压和配电网中的馈线始端处的相电流的和电流来识别上述间歇性接地故障。
本发明也涉及识别配电网中的间歇性故障的设备，该设备被配置成基于配电网中的零序电压和配电网中的馈线始端处的相电流的和电流来识别上述间歇性接地故障。
配电网中的接地故障是指相导体与地(或与地有关的部分)之间的绝缘故障(即故障)，在该故障中，配电网馈线的至少一个相的导体在一个方向(或在另一个方向上)与地发生接触。在实际中，因树倾覆在架空线上、树枝接触了电线或由于相导体断裂并击落在地上等原因，引发了变压器保护性火花间隙中的绝缘击穿，而这导致了电弧形式的接地故障的产生。接地故障可发生在一个或多个相的导体上。因接地故障导致的扰动将出现在流电连接(galvanicallyconnected)的网络中的各处。流电连接的网络是指来自变电站、在所述工作时又连接到该变电站的相同汇流条***的那些馈线。配电网中约有60％到70％的故障为接地故障，在接地故障中约80％的故障为单相接地故障。多相接地故障通常作为单相接地故障的二次故障而产生，并由未故障相中的电压升高引发的绝缘击穿或接地故障开始阶段的暂态现象造成。大多数接地故障是临时性的，它们或自然消失，或因接地故障保护提供的重合闸而消失。
临时接地故障中的很大一部分是所谓的间歇性接地故障或重燃接地故障，其中，接地故障反复发生，其发生频率如此频繁，使得在相电压的各局部最大值或最小值处发生了绝缘击穿。在相电压和相电流测量中，间歇性接地故障以持续时间非常短的脉冲峰值的形式出现，或是以与相电压瞬时值的平均值对应的零序电压以及相电流之和(即和电流)的形式出现。间歇性接地故障本身消逝得很快，但是由于它反复出现，因而对配电网形成了不必要的压力，削弱了网络在发生故障的那一点处的绝缘能力，且随时间的推移可能导致永久性接地故障，而该故障使得网络的故障部分必须经过修理才能使用。间歇性接地故障也降低了提供给客户的电能质量，并可干扰连接到配电网的装置并使其发生故障。出于配电网的可用性和维护之目的，检测网络中的间歇性接地故障和识别在哪条变电站馈线上发生了故障是十分重要的，以在产生永久性故障之前断开故障位置，并且在不影响其他馈线工作的前提下通过该变电站的保护继电器采取必要的针对故障馈线的网络保护措施。
传统技术中，对于间歇性接地故障和永久性接地故障的识别和保护采用了相同的方法。所述解决方案通过FFT(快速傅立叶变换)计算流电连接的网络中的零序电压的基波分量(即50Hz频率分量)的幅值和相角，以及在所观察馈线始端处和电流的基波分量(即50Hz频率分量)的幅值和相角。当上述零序电压与和电流的50Hz频率分量超过预定的限制值，且所述50Hz频率分量之间的相角差处于给定范围内时，就可确认在所观察的馈线上存在永久性故障。然而，除非在预定时限内出现下一个故障脉冲或故障峰值，否则将恢复(即归零)基于本方案的对间歇性接地故障的检测。该方案的一个优点是，间歇性接地故障是以与检测实际的持续接地故障相同的方法检测的，据此，该方法可采用与基本的接地故障保护相同的保护设定值。从而，通过FFT，遵循该原理的保护将馈线始端处和电流中的故障脉冲或故障峰值转化成计算用的50Hz分量，其中除确定幅值之外还确定相角。对间歇性接地故障中的零序电压中出现的50Hz频率分量执行相同的运算。然而，因为是在零序电压的50Hz基波分量的相角与和电流的50Hz基波分量的非常不明确的相角之间的相角差基础上确定方向的，因而难以确定故障出现的方向，从而难以识别故障馈线。因此，该方法容易导致错误的启动，因为在故障过程中，非故障馈线上的相角差也达到了该解决方案的继电器设定值的启动范围。因为故障电流峰值的持续时间非常短(处于约1ms的数量级)，且因为它在本质上是暂态的，并包括许多不同的频率，因此对基于信号的50Hz基波分量的方案而言，其相角确定非常不明确，并容易产生错误。
另一种已知的识别间歇性接地故障的方式需要满足以下条件：a)馈线始端的和电流的瞬时值超过某参数化的限制值；b)故障馈线上的零序电流的极性与零序电压的极性同相；c)非故障馈线上的零序电流的极性与零序电压的极性不同相；以及d)用计数器来完成以下行为：当b)满足时，递增计数，当c)满足时，递减计数。当计数器达到设定限值时，故障被识别成间歇性接地故障。如果由故障导致的故障脉冲或故障峰值之间的间隔超过设定的限值，则将该计数器设为零。该解决方案主要基于时域中的事件。因为故障馈线和非故障馈线上的和电流脉冲均包含多种频率分量，因而在该方法中，确定故障方向变得很困难。在采样时，出现在和电流脉冲中的高频放电电流分量(即放电电流的暂态量)可导致非故障馈线的和电流瞬时值与零序电压同相。在这种情况下，这些馈线的保护继电器会为应对间歇性接地故障而错误启动。
发明内容
本发明的目的是提供识别配电网中的间歇性接地故障的新颖的和改进的方法和设备。
本发明方法的特征在于，产生配电网的零序电压，产生馈线始端的该馈线的相电流的和电流，对上述零序电压进行滤波以使经滤波的零序电压基本上仅包含出现在间歇性接地故障中的暂态量，对上述和电流进行滤波以使经滤波的和电流基本上仅包含出现在间歇性接地故障中的暂态量，确定上述零序电压的暂态量在至少一个频率处的幅值和相角，确定上述和电流的暂态量在至少一个频率处的幅值和相角，形成上述零序电压与和电流暂态量的相角之间的相角差，将上述述零序电压暂态量的幅值与所述幅值的预定值进行比较，将和电流暂态量的幅值与该幅值的预定值进行比较，将零序电压与和电流暂态量的相角之间的相角差和该相角差的预定值进行比较，如果零序电压与和电流的暂态量的超过了上述幅值的相应设定值，且如果零序电压与和电流的暂态量的相角之间的相角差处于预定的设定值范围内，则确认在所观察的配电网中发生了接地故障。
而且，本发明的设备的特征在于包括了产生配电网的零序电压的装置，产生馈线始端处的该馈线的相电流的和电流的装置，对上述零序电压进行滤波以使经过滤波的零序电压基本上仅包含出现在间歇性接地故障中的暂态量的装置，对上述和电流进行滤波以使经滤波的和电流基本上仅包含出现在间歇性接地故障中的暂态量的装置，确定上述零序电压暂态量在至少一个频率处的幅值和相角的装置，确定上述和电流暂态量在至少一个频率处的幅值和相角的装置，形成上述零序电压与和电流的暂态量的相角之间的相角差的装置，将上述零序电压的暂态量的幅值与该幅值的预定值进行比较的装置，将上述和电流暂态量的幅值与该幅值的预定值进行比较的装置，将零序电压与和电流暂态量的相角之间的相角差和该相角差的预定值进行比较的装置，以及如果零序电压与和电流的暂态量的所述幅值超过了它们相应的设定值，以及零序电压与和电流的所述暂态量的相角之间的相角差处于预先确定的设定值范围内，则确定在所观察的配电网中发生了接地故障的装置。
本发明的基本思想是，通过产生配电网的零序电压和馈线始端处的馈线的相电流的和电流，以及通过对上述零序电压和上述和电流进行滤波以使经过滤波的零序电压与和电流基本上仅包含出现在间歇性接地故障中的暂态量，来识别出现在配电网中的间歇性接地故障。而且，该基本思想还包括确定零序电压与和电流的暂态量的幅值和相角并确定至少一个频率处上述相角之间的相角差，以及将零序电压与和电流的暂态量的经确定的幅值和相角差与对应的预定值进行比较，如果零序电压与和电流的暂态量的幅值超过这些幅值的对应的设定值，且如果零序电压与和电流的暂态量的相角之间的相位差处于预定值范围内，则确定在所观察的配电网内出现了间歇性接地故障。
根据本发明的一个实施例，用上述解决方案来识别馈线上的间歇性接地故障，对于该馈线，确定了其和电流的暂态量的幅值和相角，且所用的零序电压与和电流的暂态量的相角之间的相差的设定值范围为角范围φb±Δφ，其中φb为-90度、Δφ为80度。根据本发明的第二实施例，在所观察的馈线上检测出间歇性接地故障，因此控制所述馈线的断路器到断开位置，以保护配电网免受该间歇性接地故障的影响。根据本发明的第三实施例，用上述解决方案来识别处于所观察馈线的背景中的网络的间歇性接地故障，且所用的零序电压与和电流的暂态量的相角之间的相差的设定值范围为角范围-φb±Δφ，其中φb为-90度、Δφ为80度。
本发明的优点是，至少在一个典型的暂态频率处的和电流脉冲与零序电压中的类暂态变化的幅值和相位的基础上，来对间歇性接地故障的识别进行决策和判断。因此，它可避免与配电网中的基波频率分量的相角的可靠性特别相关的现有技术的暂态问题，因为出现的事件是在典型的频率下观察的。该解决方案允许可靠地确定出现在零序电压与和电流中的暂态量的幅值和相角。在上述暂态量的基础上，可以确定有关的故障确实是由接地故障引起的，且在上述相角的基础上可以确定故障相对于所观察馈线的方向。本发明的解决方案既可用来识别所观察馈线(为其确定和电流)上的间歇性接地故障，还可用来识别上述馈线的背景网络中的间歇性接地故障。还可用该解决方案来实现可靠的、针对间歇性接地故障的接地故障保护。
附图说明
联系附图，将对本发明进行更为详细的说明，其中：
图1的示意图示出了经过补偿的配电网中的单相接地故障；
图2是经过补偿的配电网在接地故障期间的等效电路；
图3是本发明设备的示意图；
图4、6、7、9、12和14以举例方式示出本发明方法的不同步骤中的故障馈线的和电流；
图5、8、11、13和15以举例方式示出本发明方法的不同步骤中的配电网的零序电压；
图16以举例方式示出间歇性接地故障的故障脉冲中的配电网的零序电压与故障馈线的和电流之间的相角差；
图17a、17b、17c、17d和17e以举例方式示出从故障馈线角度观察的本发明方法的运行；
图18、19、20、21以举例方式示出本发明方法的不同步骤中的非故障馈线的和电流；
图22以举例方式示出间歇性接地故障的故障脉冲期间配电网的零序电压与非故障馈线的和电流之间的相角差；
图23a、23b、23c、23d和23e以举例方式示出从非故障馈线角度观察的本发明方法的运行；
为简明起见，在附图中用简化方式给出本发明的图示。在这些附图中，相同的附图标记表示相同的部分。
具体实施方式
图1示意性地示出了配电网以及发生在其中的单相接地故障。图1的配电网具有两组三相馈线：馈线1和馈线2。馈线1和2从以虚线表示的变电站3的汇流条***4引出，且该汇流条***连接到变电站3的主变压器5。用R、S和T分别表示网络中的三个不同相。在图1的配电网中，两组馈线的始端均设有断路器6，通过断开这些断路器，可防止将电功率馈入到有关的馈线中(例如，当该馈线正发生故障时)。断路器6的连接和切除由保护继电器7控制，基于对电网中占主导的电压和馈线电流的测量值，这些继电器对电网的状态进行监视，并在不正常情形出现时，若有必要就发出控制命令来断开断路器6。
在图1的配电网中，电感值为L1的补偿线圈9连接到主变压器5的二次线圈的星型接点(即连到网络的星型接点)，该补偿线圈的作用是在接地故障中补偿网络中产生的基波频率的电容性接地故障电流。从而，图1所示的配电网便成为经过补偿的网络(即谐振接地网)，这意味着除网络的直接接地的电容C0外，在正常情况下，该网络还具有通过主变压器5的星型接点到地的连接。图1也示出了附加的负载电阻10，该电阻的电阻值为R1，并与补偿线圈并联到网络的上述星型接点。该附加的负载电阻10的任务是增加在接地故障过程中产生的接地故障电流的有效分量，以利于接地故障的检测。通常，仅在通过补偿仍未消除故障的情况下才接通该附加的负载电阻10。
在正常工作过程中，网络的直接接地电容C0彼此相等，因此称该网络对地是对称的。该对称网络的星型接点与地之间的电压(即零序电压)总为零。同样的，流过网络的直接接地电容C0的网络充电电流之和为零。当单相接地故障发生时(即相导体直接或通过故障阻抗与地导通时)，故障相电压减少而非故障相电压增加。由于这种电压上的非对称性，因而网络充电电流之和不为零，并形成了接地故障电流(即通过故障点流入地中的故障电流If)。从而，在网络的星型接点与地之间产生了星型接点电压(即零序电压U0)。该电压等于接地故障电流If流过直接接地电容C0时产生的电压。
图1示出了当馈线2的T相通过故障电阻Rf与地导通时，在补偿网络的单相接地故障过程中产生的电容性接地故障电流Ic和零序电压U0。在图1中，箭头B以举例方式示出电容性故障电流Ic在网络中的流动。故障电阻Rf的电阻是故障相导体和导通的地之间的总电阻。电容C0是三相网络中一相的直接接地电容。在接地故障中，通过故障电阻Rf流动到地的电流在地中朝负载和供电网两个方向流动。在地中流动的电流(即接地电流)在故障点处为最大。当接地电流通过直接接地电容C0上升至非故障相时，该接地电流朝馈线的两端减小，结果造成在馈线的末端接地电流为零。非故障相的充电电流通过变压器流动到故障相，并进一步到达故障点。从而整个流电连接的网络均向接地故障电流If注入了一部分电流。在接地故障过程中，零序电压U0在补偿线圈9中产生电感性电流Il，该电流与电容性接地故障电流If相反，且趋向于补偿流过故障点的接地故障电流。在网络的工作频率处，当该线圈的感抗与网络的容抗相当时，上述谐振接地网得到完全补偿。在补偿网络的接地故障中，绝大部分接地故障电流流经补偿线圈9，仅接地故障电流的所谓剩余电流分量流经故障点，该剩余电流分量是由补偿线圈9的不准确调整而产生的感性或容性无功电流、由网络损耗造成的有功电流和由上述线圈的饱和造成的电流谐波组成的。接地故障电流的剩余电流成分是通过直接接地电容到达非故障相的电流 I c、补偿线圈9的感性电流Il和流过上述附加的负载电阻的有功电流 I r之和，即 I f＝ I c+ I l+ I r，其中下划线表示矢量和。图2还示出了补偿网络的接地故障电路的等效电路，其中，根据本领域技术人员所了解的戴维南定理，网络的相电压Uv与电压源11的电压相当。补偿网络也可采用部分补偿技术，其中，仅容性接地故障电流的一部分通过补偿线圈9补偿。
接地故障的基本原理已为本领域技术人员所公知，因此在此处将不对此详细说明。在Lakervi E.和Holmes E.J.的文章“配电网设计”(Electricity distribution network design by Lakervi E.& Holmes E.J.，London United Kingdom，Peter Peregrinus Ltd.，1989，320p)中对接地故障现象进行了详细讨论。
图3示意性地说明识别间歇性接地故障的设备解决方案，该解决方案建立在充电或放电暂态量基础上，该暂态量的特征是在接地故障开始阶段发生变化。接地故障在电网中产生变化，其中，故障相的电压下降，且其直接接地电容C0放电，并产生了放电暂态量。同时，非故障相的电压上升，它们的接地电容C0被充电而产生充电暂态量。在放电暂态过程中，故障相的接地电容C0中的电荷被放电，并在接地故障点和馈线末端之间振荡。该放电暂态量的频率可处于从500Hz至高达数十kHz的范围内。在理论上，放电暂态量的幅值可能非常高，但在实际中，因导体电阻效应和集肤效应以及故障电阻Rf和接地电阻的缘故，该暂态量衰减得很快。在充电暂态过程中，非故障相的接地电容被充电。理论上，充电暂态量的频率可高达6kHz，但在实际中充电暂态量的频率为100至1200Hz，因为大部分充电电流流经电网的主变压器绕组，因而暂态量的频率被衰减。当接地故障在相电压为峰值时发生时，非故障相电压可高达接地故障前的相电压峰值的2.5倍。因此，故障电流暂态量的幅值可以高达基波频率故障电流幅值的10到20倍。
基于在馈线的和电流ISUM与电网的零序电压U0中出现的充电和放电暂态量，得出了上述识别间歇性接地故障的方案。可通过在计算装置14中计算相电压UR、US和UT的瞬时值(以公知方式用电压变送器12或电压传感器12测得)的平均值来提供零序电压U0。此外，也可以用同时测量所有相的电压的变送器或传感器直接测量零序电压U0。通过在计算装置14′中计算相电流IR、IS和IT的瞬时值(以公知方式用电流变送器13或电流传感器13测得)之和，可得到和电流ISUM。另外，也可用同时测量所有相的电流的变送器或传感器直接测量和电流ISUM。
在形成零序电压U0与和电流ISUM后，用带通滤波器15对上述数量和信号进行滤波，该滤波器的通频带配置成从将进行滤波的信号中保留其频率处于滤波器15的所述通频带内的频率分量。根据是用接地故障开始阶段出现的充电暂态量还是用放电暂态量来识别间歇性接地故障，滤波器15的通频带配置在适当的频率范围，以仅保留所关注的暂态分量，而较高或较低的频率则被滤除。在进行带通滤波之前，不能很准确地得知暂态量的频率，因而选择滤波器15的通频带的上限和下限频率，以便在了解该网络的特性的基础上，让暂态频率处于所关注的频率范围内。事先不必非常准确地得知上述暂态频率，粗略的估计已经足够。
在进行带通滤波后，在计算装置16中，可基于未经滤波的和电流的半周期长度来更准确地确定暂态频率和周期时间。如果需要，可在随后的步骤中用该经确定的暂态频率和周期时间，在上述步骤中，通过FFT(快速傅立叶变换)确定零序电压U0的幅值和相角以及和电流ISUM的暂态分量。事实上，充电暂态量和放电暂态量包括多个不同的频率分量，但事实上，大部分情况下暂态量仅具有一个支配性的、只与具体网络有关的频率分量，该分量对暂态量的影响最大，且在本方案中所述暂态分量是指暂态量的频率。
在进行带通滤波后，或是在确定暂态频率和周期时间后，在计算装置17中使用FFT确定零序电压U0与和电流ISUM中出现的暂态量的幅值A(U0)、A(ISUM)和相角φ(U0)、φ(ISUM)。较好的情形是，上述FFT计算使用连续傅立叶变换。可固定该连续傅立叶变换的计算窗长度，但是为得到更准确的计算结果，也可以将使用的窗长度设为前面确定的充电暂态量的周期时间。上述计算窗长度是指计算中每次使用的信号采样点数目。FFT计算中使用的频率是指幅值和相位已确定的暂态频率分量，该分量可以是固定的预设频率，但为进一步提高计算精度，可以将之前确定的准确的暂态频率作为所述频率。如果需要，可以通过在测量信号采样中使用的保护继电器的采样频率和FFT计算中使用的计算点数目来确定计算中使用的固定频率。当基于充电暂态量识别间歇性接地故障时，以使用采样频率至少为4kHz为有利，当使用放电暂态量时，以使用采样频率至少为10kHz为有利。为简明起见，图3未示出测量信号采样装置，因为其操作已公知。
在图1的情形中，在馈线2处，当网络零序电压U0的暂态量幅值A(U0)超过预定值U0LIMIT、馈线2的和电流ISUM的暂态量幅值超过预定值ISUMLIMIT，且和电流ISUM与零序电压U0的暂态量的相角φ(U0)、φ(ISUM)的相角差Δφ(U0)、Δφ(ISUM)处于预定值范围内时，在所观察的馈线处识别间歇性接地故障。举例来说，对故障馈线而言，上述角度范围是φb±Δφ，其中φb为-90度，Δφ为80度。Δφ的值可发生变化，但应当处于70至90度的范围内。必须满足这些条件，以在所观察的馈线上识别间歇性接地故障。可以在一个比较与推导装置18中执行上述比较，也可以在该装置中确定上述和电流与零序电压的暂态量的相角差。通常，总是根据网络的运行情况来设置零序电压U0的暂态量的幅值A(U0)的设定值U0LIMIT以及馈线2的和电流ISUM的暂态量幅值A(ISUM)的设定值ISUMLIMIT，因为网络的容性接地故障电流、主变压器、故障在网络中的位置、发生故障时相电压的瞬时值以及故障电阻的大小均对上述幅值有影响。
在故障脉冲的零序电压U0与和电流ISUM暂态量的幅值和相角满足上述条件时，至少可以在一个故障脉冲和故障峰值的基础上尽早识别所观察的馈线处出现的间歇性接地故障。因为当在网络中发生低阻抗的持续或永久性故障时，上述情形也会发生，因而可在以下事实(即在至少预定数目(如三个)的上述识别中，各次识别之间的时间比识别之间的设定恢复时间短)的基础上最终识别所观察馈线上的间歇性接地故障。例如，可以用跳闸装置19对由馈线上的间歇性接地故障造成的、并得到识别的故障脉冲进行计数。
除了进行识别以外，也可以将该解决方案用于接地故障保护，其中，在保护继电器7给出的控制命令CTL的基础上，控制故障馈线的断路器的断开。因为上述断路器的断开控制通常导致所述网络部分的供电中断，因此，如果在故障馈线断开前能对所关注的馈线上的间歇性接地故障进行多于一次的检测，则较为有利。
实践中，图3的设备作为配电网的保护继电器7来实施，因此，图3中所述部分由表示保护继电器7的虚线包围。实践中，图3中所示部分和操作用保护继电器中的一个或多个微处理器或信号处理器来实施，其中，有利的是所有需要计算的操作均用由处理器执行的软件来实现。
由于有了该解决方案，现在已可对间歇性接地故障进行可靠的识别，因为在间歇性接地故障的典型频率范围内，观察了由该故障产生的现象和其特征变量(幅值和相角)。该解决方案也允许对间歇性接地故障执行快速、可靠的接地故障保护，并允许在确定正确的故障方向的基础上进行更方便的故障跟踪。特别地，基于充电暂态量的解决方案在采样频率非常低(约4kHz)时有用，且其所需的计算量很合理。
基于非故障馈线(如图1中的馈线1)的网络零序电压U0与和电流ISUM，也可以相应地识别不同于所观察馈线的馈线(即在流电连接的背景网络区域内的某处)上的间歇性接地故障。在观察非故障馈线时，当零序电压U0的幅值A(U0)超过预定值U0LIMIT、和电流ISUM的幅值超过预定值ISUMLIMIT，且和电流ISUM与零序电压U0的暂态相角φ(U0)、φ(ISUM)的相角差Δφ(U0)、Δφ(ISUM)处于预定值范围内时，可识别发生在另一馈线上的间歇性接地故障。举例来说，在非故障馈线的场合，上述角度范围为-φb±Δφ，其中φb为-90度，Δφ为80度。Δφ的值可以发生变化，但应当处于70至90度的范围内。
同样，当观察非故障馈线时，在故障脉冲的零序电压U0与和电流ISUM的暂态量的幅值和相角满足以上条件时，至少可以在不超过一个故障脉冲或故障峰值的基础上识别在背景网络中发生的间歇性接地故障。同样，在这种情况下，可以基于以下事实最终识别背景网络中的间歇性接地故障：即在至少预定数目(如三个)的所述识别中，各次识别之间的时间比识别之间的设定恢复时间短。
在非故障馈线上识别间歇性接地故障的优点是，当将电流接地故障保护(基于网络的基波频率，且用于针对持续(即永久性)接地故障)与间歇性接地故障的上述识别配合使用时，可以用在非故障馈线处进行的上述识别来防止因所述馈线中的传统接地故障保护的错误启动而导致的断路器断开。
下面，图4至23示出了一例在配电网的间歇性接地故障期间在故障馈线和非故障馈线上运用上述解决方案的方法的情况。图4至23给出的例建立在该配电网的现场测量的故障和非故障馈线的和电流ISUM以及配电网的零序电压U0的基础上。在该示范例中，基于对零序电压U0与和电流ISUM的充电暂态量的观察来识别间歇性接地故障。
图4示出了约1.2秒期间的故障馈线的和电流ISUM。图5示出了相同时间内的配电网零序电压U0。图4和图5清楚地示出了间歇性接地故障的典型现象，其中，在和电流ISUM的测量值中，存在许多在非常短时间内重复的故障脉冲，而在零序电压U0的测量值中，在故障的开始时刻，该零序电压快速上升，随后，该零序电压缓慢减少，直到下一次故障发生为止，随后零序电压再次上升。图6示出了图4的细节，示出了头四个和电流脉冲。而图7示出了图6的细节，它示出了故障馈线的按序的第二个和电流脉冲。图8则示出了与图7的和电流脉冲对应的零序电压中的变化。在图4至图8的测量中使用的采样频率为50kHz。图9示出了图7的和电流脉冲，而其采样频率为4.16kHz。
图10示出了故障馈线的和电流ISUM，图11示出了经过带通滤波后的配电网零序电压U0。在该例中，滤波器15的通频带下限为300Hz，上限为1200Hz，且设计滤波器15采用Hann窗函数。自然，也可以采用其他通频带频率上下限和窗函数。图12示出了图10的细节，并示出了和电流ISUM的按序的第二个和电流脉冲。图13则示出了图11的细节，并示出了与上述第二个和电流脉冲对应的零序电压中的变化。上述滤波的后果表现为和电流ISUM与零序电压U0的幅值电平的向下变化，因为除暂态分量外，滤除了和电流与零序电压的所有其他频率分量。
图14示出了故障馈线中的和电流ISUM的幅值，图15示出了用连续FFT计算出的配电网零序电压U0的幅值。上述FFT计算中使用的频率是固定的500Hz频率，这意味着计算了500Hz暂态分量的幅值。图16示出了在上述按序的第二个和电流脉冲处的所述500Hz频率的和电流ISUM与零序电压U0的相角之间的相角差。从图16可看出，在故障期间，所述相角差如何保持在故障馈线特性的-90°±80°相角范围内。
图17a、17b、17c、17d和17e示出了从故障馈线角度来看的对头四个和电流脉冲的所述方法的效果。图17a示出了500Hz的和电流分量的幅值，图17b示出了500Hz的零序电压分量的幅值。图17c中，曲线的上升脉冲表示和电流脉冲，且认为这些脉冲由发生在所观察或监视的馈线上的间歇性接地故障造成，而图17d中的平坦曲线表明，非故障馈线未对网络中的故障作出任何反应。在图17e中，曲线从一下降到零表明，在故障馈线上已基于第一个和电流脉冲检测出所述馈线上发生了故障。
图18示出了对应的示范性情形中的非故障馈线的和电流ISUM。图19示出了图18的细节，并示出了该非故障馈线的按序的第二个和电流脉冲。图20示出了经过带通滤波的图19中的故障馈线的和电流脉冲。图21示出了用连续FFT计算出的图20的和电流脉冲的500Hz分量的幅值。图22示出了所述按序的第二个和电流脉冲处的和电流与零序电压的500Hz分量的相角之间的相角差。从图22可看出，所述相角差如何保持在非故障馈线特性的上述+90°±80°相角范围内。
图23a、23b、23c、23d和23e示出了从非故障馈线的角度来看的对头四个和电流脉冲的所述方法的效果。图23a示出了500Hz的和电流分量的幅值，图23b示出了500Hz的零序电压分量的幅值。图23c中的平坦曲线表明，故障馈线未对根据非故障馈线的识别条件的该方案作出任何反应。而图23d的曲线中的脉冲指示和电流脉冲，且认为这些脉冲由所观察馈线的背景网络中发生的间歇性接地故障造成，而不是由所观察馈线中发生的故障造成。在图23e中，曲线从零下降到负一表明，在非故障馈线上，基于第一个和电流脉冲，已检测出在背景网络而不是在所观察的馈线上发生了故障。
这些附图和相关说明仅用来说明本发明的思想。在权利要求范围内，本发明的细节可以发生变化。从而，除经补偿的配电网外，也可将本发明提出的解决方案相应地用于隔离的中性配电网(即仅通过其直接接地电容与地相连的网络)之中，因为在隔离网和补偿网中，暂态现象基本相同。而且，也可以将本发明提出的解决方案应用到用电阻接地的配电网(在该网中，主变压器的二次线圈的星型接点和地之间连有独立的接地电阻)。此外，网络拓扑不影响所述解决方案的性能，可以将所述方案用于放射状网络和环形网络，也可以将其用于具有架空线的网络以及电缆网络。还可以用相应方式将所述解决方案应用于基波频率不同于50Hz的网络以及相数不同于三相的网络。
不同于使用和电流与零序电压，也可以在网络的相变量(即相电压和相电流)的基础上识别配电网中的间歇性接地故障。在该解决方案中，用相应的信号处理方法(如滤波)处理所述相变量，使得经滤波的相电流和经滤波的相电压基本上仅包含出现在间歇性接地故障中的暂态分量(包括充电暂态量和放电暂态量)。与基于和电流与零序电压的解决方案的方式相同，所述基于相变量的解决方案的关键是，保护建立在对间歇性接地故障造成的暂态量的观察的基础上，所述暂态量在至少一个代表充电暂态量或放电暂态量的典型频率上观察。

Claims (26)

1.一种识别配电网中的间歇性接地故障的方法，在该方法中，所述间歇性接地故障基于配电网的零序电压(U0)和配电网的馈线(1、2)始端处的相电流的和电流来识别，其特征在于：
产生所述配电网的零序电压(U0)，
产生馈线始端的所述馈线(1，2)的相电流(IR，IS，IT)的和电流(ISUM)，
对所述零序电压(U0)进行滤波，使得经滤波的零序电压(U0)基本上仅包含出现在间歇性接地故障中的暂态分量，
对所述和电流(ISUM)进行滤波，使得经滤波的和电流(ISUM)基本上仅包含出现在间歇性接地故障中的暂态分量，
确定至少一个频率处的所述零序电压(U0)暂态分量的幅值(A(U0))和相角((U0))，
确定至少一个频率处的所述和电流(ISUM)暂态分量的幅值(A(ISUM))和相角((ISUM))，
形成所述零序电压(U0)暂态分量与和电流(ISUM)暂态分量的相角((U0)、(ISUM))之间的相差；
将零序电压(U0)暂态分量的所述幅值(A(U0))与所述幅值的预定值(A(U0LIMIT))进行比较；
将和电流(ISUM)暂态分量的所述幅值(A(ISUM))与所述幅值的预定值(A(ISUMLIMIT))进行比较；
将零序电压(U0)与和电流(ISUM)的暂态分量的所述相角((U0)、(ISUM))之间的相差与所述相差的预定值范围进行比较，以及
如果零序电压(U0)与和电流(ISUM)的暂态分量的所述幅值(A(U0)、A(ISUM))超过这些幅值的对应设定值(A(U0LIMIT)、A(ISUMLIMIT))，且如果零序电压(U0)与和电流(ISUM)的所述暂态分量的相角((U0)、(ISUM))之间的相差处于预定值范围内，则确认在所观察的配电网上发生间歇性接地故障。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，当零序电压(U0)与和电流(ISUM)的暂态分量的相角((U0)、(ISUM))之间的相差处于设定值范围b±Δ内时，例如其中b为-90度、Δ为80度，确认在馈线(1、2)上发生间歇性接地故障，所述馈线(1、2)的和电流(ISUM)的幅值(A(ISUM))和相角((ISUM))已被确定。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，还设置控制命令(CTL)来断开所述馈线上的断路器(6)，以保护配电网免受间歇性接地故障的影响。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，当零序电压(U0)与和电流(ISUM)的暂态分量的相角((U0)、(ISUM))之间的相差处于设定值范围-b±Δ内时，例如其中b为-90度、Δ为80度，确认在流电连接的配电网的不同于馈线(1、2)的某个其他馈线上发生间歇性接地故障，所述馈线(1、2)的和电流(ISUM)的幅值(A(ISUM))和相角((ISUM))已被确定。
5.如前面任一权利要求所述的方法，其特征在于，通过连续FFT计算，确定零序电压(U0)与和电流(ISUM)的暂态分量的幅值(A(U0)、A(ISUM))和相角((U0)、(ISUM))。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，用预设的固定频率值确定零序电压(U0)与和电流(ISUM)的暂态分量的幅值(A(U0)、A(ISUM))和相角((U0)、(ISUM))。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，为零序电压(U0)与和电流(ISUM)的暂态分量确定至少一个频率，并为所述频率值处的零序电压(U0)与和电流(ISUM)的暂态分量确定幅值(A(U0)、A(ISUM))和相角((U0)、(ISUM))。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，基于和电流(ISUM)的半周期长度来确定零序电压(U0)与和电流(ISUM)的暂态分量的至少一个频率。
9.如前面任一权利要求所述的方法，其特征在于，用带通滤波器对所述零序电压(U0)与和电流(ISUM)进行滤波。
10.如前面任一权利要求所述的方法，其特征在于，通过计算各个相电压(UR、US、UT)的瞬时值的平均值来产生配电网的零序电压(U0)，并通过计算各个相电流(IR、IS、IT)的瞬时值之和来产生相电流(IR、IS、IT)的和电流(ISUM)。
11.如前面任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述暂态分量为充电暂态分量。
12.如权利要求1至10中任一项所述的方法，其特征在于，所述暂态分量为放电暂态分量。
13.如前面任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述配电网是部分或完全补偿网、隔离网或电阻接地网。
14.一种识别配电网中的间歇性接地故障的设备，该设备配置成基于配电网的零序电压(U0)和配电网的馈线(1、2)始端处的相电流(IR、IS、IT)的和电流(ISUM)来识别间歇性接地故障，其特征在于包括：
产生所述配电网中的零序电压(U0)的装置；
产生在馈线始端的所述馈线(1、2)的相电流(IR、IS、IT)的和电流(ISUM)的装置；
对所述零序电压(U0)进行滤波、使得经滤波的零序电压(U0)基本上仅包含出现在间歇性接地故障中的暂态分量的装置；
对所述和电流(ISUM)进行滤波、使得经滤波的和电流(ISUM)基本上仅包含出现在间歇性接地故障中的暂态分量的装置；
确定至少一个频率处的所述零序电压(U0)暂态分量的幅值(A(U0))和相角((U0))的装置；
确定至少一个频率处的所述和电流(ISUM)暂态分量的幅值(A(ISUM))和相角((ISUM))的装置；
形成所述零序电压(U0)暂态分量与和电流(ISUM)暂态分量的相角((U0)、(ISUM))之间的相差的装置；
将所述零序电压(U0)暂态分量的幅值(A(U0))与所述幅值的预定值(A(U0LIMIT))进行比较的装置；
将所述和电流(ISUM)暂态分量的幅值(A(ISUM))与所述幅值的预定值(A(ISUMLIMIT))进行比较的装置；
将零序电压(U0)与和电流(ISUM)的暂态分量的所述相角((U0)、(ISUM))之间的相差与所述相差的预定值范围进行比较的装置，以及
在零序电压(U0)与和电流(ISUM)的暂态分量的所述幅值(A(U0)、A(ISUM))超过这些幅值的对应设定值(A(U0LIMIT)、A(ISUMLIMIT))且零序电压(U0)与和电流(ISUM)的所述暂态分量的相角((U0)、(ISUM))之间的相差处于预定值范围内时确认所观察的配电网上发生间歇性接地故障的装置。
15.如权利要求14所述的设备，其特征在于，当零序电压(U0)与和电流(ISUM)的暂态分量的相角((U0)、(ISUM))之间的相差处于设定值范围b±Δ内时，例如其中b为-90度、Δ为80度，所述设备确认馈线(1，2)上发生间歇性接地故障，所述馈线(1，2)的和电流(ISUM)的幅值(A(ISUM))和相角((ISUM))已被确定。
16.如权利要求15所述的设备，其特征在于，所述设备还包括为保护配电网免受间歇性接地故障的影响而设置控制命令(CTL)来断开所述馈线上的断路器(6)的装置。
17.如权利要求14所述的设备，其特征在于，当零序电压(U0)与和电流(ISUM)的暂态分量的相角((U0)、(ISUM))之间的相差处于设定值范围-b±Δ内时，例如其中b为-90度、Δ为80度，所述设备确认在流电连接的配电网的不同于馈线(1、2)的某个其他馈线上发生间歇性接地故障，所述馈线(1、2)的和电流(ISUM)的幅值(A(ISUM))和相角((ISUM))已被确定。
18.如权利要求14至17中任一项所述的设备，其特征在于，该设备包括通过连续FFT计算来确定零序电压(U0)与和电流(ISUM)的暂态分量的幅值(A(U0)、A(ISUM))和相角((U0)、(ISUM))的装置。
19.如权利要求18所述的设备，其特征在于，该设备配置成用预设的固定频率值来确定零序电压(U0)与和电流(ISUM)的暂态分量的幅值(A(U0)、A(ISUM))和相角((U0)、(ISUM))。
20.如权利要求18所述的设备，其特征在于，该设备包含为零序电压(U0)与和电流(ISUM)的暂态分量确定至少一个频率并为所述频率值处的零序电压(U0)与和电流(ISUM)的暂态分量确定幅值(A(U0)、A(ISUM))和相角((U0)、(ISUM))的装置。
21.如权利要求20所述的设备，其特征在于，该设备包含基于未经滤波的和电流(ISUM)的半周期长度来为零序电压(U0)与和电流(ISUM)的暂态分量确定至少一个频率的装置。
22.如权利要求14至21中任一项所述的设备，其特征在于，该设备包含对所述零序电压(U0)与所述和电流(ISUM)进行滤波的带通滤波器(15)。
23.如权利要求14至22中任一项所述的设备，其特征在于，该设备包含通过计算各个相电压(UR、US、UT)的瞬时值的平均值来产生配电网的零序电压(U0)并通过计算各个相电流(IR、IS、IT)的瞬时值之和来产生相电流(IR、IS、IT)的和电流(ISUM)的装置。
24.如权利要求14至23中任一项所述的设备，其特征在于，所述暂态分量是充电暂态分量。
25.如权利要求14至23中任一项所述的设备，其特征在于，所述暂态分量是放电暂态分量。
26.如权利要求14至25中任一项所述的设备，其特征在于，所述配电网是部分或完全补偿网、隔离网或电阻接地网。
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