CN1988302A - 配电网接地故障的保护方法及其装置 - Google Patents

Abstract

一种配电网接地故障的保护方法，包括以下步骤：(1)在线检测电网的三相是否存在弧光接地故障；(2)如果有一相存在弧光接地故障则暂时将该相电路直接接地；(3)过一段时间后，将该电路恢复，在线检测该相是否存在弧光接地故障，如果依然存在弧光接地故障，则再将该相电路直接接地，否则返回步骤1；(4)对该相电路进行修复，然后将该相电路恢复，返回步骤1。上述配电网接地故障的保护方法所采用的装置，包括单片机控制模块、三个电压互感器和三个单相接地电路，三个电压互感器分别对应电网的一相输电线路。

Description

配电网接地故障的保护方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种配电网接地故障的保护方法及其装置。

背景技术

长期以来，我国3～35KV(含66KV)的电网大多采用中性点不接地的运行方式。此类电网在发生单相接地时，非故障相的对地电压将升高到线电压(UL)，但***的线电压保持不变，所以我国国家标准规定，3～35KV(66KV)的电网在发生单相接地故障后允许短时间带故障运行，因而这类电网的各类电气设备，如变压器、电压/电流互感器、断路器、线路等一次设备的对地绝缘水平，都应满足长期承受线电压而不损坏的要求。

传统观念认为，3～35KV(含66KV)电网属于中低压的变压配电网，此类电网中的内部过电压的绝对值不高，所以危及电网绝缘安全水平的主要因素不是内部过电压，而是大气过电压(即雷电过电压)，因而长期以来采取的过电压保护措施仅是以防止大气过电压对设备的侵害。主要技术措施仅限于装设各类避雷器，避雷器的放电电压为相电压的4倍以上，按躲过内部过电压设计，因而仅对保护雷电侵害有效，对于内部过电压不起任何保护作用。

然而，运行经验证明，当这类电网发展到一定规模时，内部过电压，特别是电网发生单相间歇性弧光接地时产生的弧光接地过电压及特殊条件下产生的铁磁谐振过电压已成为这类电网设备安全运行的一大威胁，其中以单相弧光接地过电压最为严重。

随着我国对城市及农村电网的大规模技术改造，城市、农村的配电网必定向电缆化发展，***对地电容电流在逐渐增大，弧光接地过电压问题也日益严重起来。为了解决上述问题，不少电网采用了谐振接地方式，即在电网中性点装设消弧线圈，当***发生单相弧光接地时，利用消弧线圈产生的感性电流对故障点电容电流进行补偿，使流经故障点残流减小，从而达到自然熄弧。运行经验表明，虽然消弧线圈对抑制间歇性弧光接地过电压有一定作用，但在使用中也发现消弧线圈存在的一些问题。

(1)由于电网运行方式的多样化及弧光接地点的随机性，消弧线圈要对电容电流进行有效补偿确有难度，且消弧线圈仅仅补偿了工频电容电流，而实际通过接地点的电流不仅有工频电容电流，而且包含大量的高频电流及阻性电流，严重时仅高频电流及阻性电流就可以维持电弧的持续燃烧。

(2)当电网发生断线、非全相、同杆线路的电容耦合等非接地故障，使电网的不对称电压升高，可能导致消弧线圈的自动调节控制器误判电网发生接地而动作，这时将会在电网中产生很高的中性点位移电压，造成***中一相或两相电压升高很多，以致损坏电网中的其它设备。

(3)消弧线圈体积大，组件多，成本高，安装所占场地较大，运行维护复杂。

(4)随着电网的扩大，消弧线圈也要随之更换，不利于电网的远景规划。

目前国外对3～35KV电网采取中性点直接接地的方式，国内也有少数地区采取了经小电阻接地的方式，虽然抑制了弧光接地过电压，克服了消弧线圈存在的问题，但却牺牲了对用户供电的可靠性。这种***发生单相接地时，人为增加短路电流使断路器动作，不论负荷性质及重要性，一律切除故障线路而且也不能分辨出金属性或弧光接地。使并不存在弧光接地过电压危害的金属性接地故障线路也被切除，扩大了停电范围和时间。由于加大了故障电流，对于弧光接地则加剧了故障点的烧损。

发明内容

本发明的目的是对现有技术进行改进，提供一种配电网接地故障的保护方法及其装置，可以分辨接地故障，并能起到较好的保护效果，采用的技术方案如下：

本发明的配电网接地故障的保护方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)在线检测电网的三相是否存在弧光接地故障；

2)如果有一相存在弧光接地故障则暂时将该相电路直接接地；

3)过一段时间后，将该电路恢复，在线检测该相是否存在弧光接地故障，如果依然存在弧光接地故障，则再将该相电路直接接地，否则返回步骤1；

4)对该相电路进行修复，然后将该相电路恢复，返回步骤1。

所述步骤一的在线检测是通过检测零序电压和相电压，如果零序电压和相电压均处于变化状态，则弧光接地故障。

由于判断零序电压和相电压是否是弧光接地故障属于现有技术，所以不多加描述。

所述步骤3时间的范围是1秒-100秒，根据接地性质的不同，动作时间也不同。步骤3的目的是消除那些暂时性的接地故障，只将无法消除的间歇性弧光接地故障和连续性弧光接地故障用直接接地的方法转换成金属性接地状态。

上述配电网接地故障的保护方法所采用的配电网接地故障的保护装置，包括单片机控制模块、三个电压互感器和三个单相接地电路，三个电压互感器分别对应电网的一相输电线路，其特征在于：三个电压互感器的信号输出端分别连接单片机控制模块对应的信号输入端，单片机控制模块的三个控制信号输出端分别连接对应的单相接地电路的控制信号输入端，并且三个单相接地电路的一端分别电连接一相输电线路，另一端接地。

所述单相接地电路包括真空接触器，真空接触器的一端电连接一相输电线路，另一端接地。

为了防止因单片机控制模块误判断而引起的相间短路，所述真空接触器和输电线路之间还串联有高压熔断器，作为装置后备保护器件。

为了限制各类过电压，所述真空接触器和高压熔断器的串联线路的两端并联过电压吸收器。

为了便于维修和装置的投切，所述高压熔断器和输电线路之间还串联有设有隔离开关。

为了检测接地电流，所述各真空接触器和接地端之间还设有电流互感器。

本发明对照现有技术的有益效果如下：

1.能将***的大气过电压和操作过电压限制到较低的电压水平，保证了电网及电气设备的绝缘安全。

2.装置动作速度快，可在30ms～40ms之内动作，能快速消除间歇性弧光及稳定性弧光接地故障，抑制弧光接地过电压，防止事故进一步扩大，降低线路的事故跳闸率。

3.能够快速、有效地消除***的谐振过电压，防止长时间谐振过电压对***绝缘破坏，防止谐振过电压对电网中装设的避雷器及小感性负载的损伤。

4.装置动作后，允许200A的电容电流连续通过至少2小时以上，用户可以在完成转移负荷的倒闸操作之后再处理故障线路。

5.能够准确查找单相接地故障线路，对防止事故的进一步扩大，对减轻运行和维护人员的工作量有重要意义。

6.由装置的工作原理可知，其限制过电压的机理与电网对地电容电流的大小无关，因而其保护性能不随电网运行方式的改变而改变，大小电网均可使用，电网扩容也没有影响。

7.本装置中的电压互感器可以向计量仪表和继电保护等装置提供***的电压信号，能够替代常规的PT柜。

8.能够测量***的单相接地电容电流。

9.装置设备简单，体积小，安装、调试方便，既适用于变电站，也适用于发电厂的高压厂用电***；既适用于新建站，也适用于老电站的改造。

10.性价比高，相对于消弧线圈***而言，性能价格比很高。

附图说明

图1是本发明优选实施例配电网接地故障的保护装置的电路原理方框图；

图2是图1所示优选实施例的电气原理示意图；

图3是图1所示优选实施例单相接地电路的电路原理图(不包括单片机控制模块)；

图4是图1所示优选实施例的电压互感电路的电路原理图；

图5是图1所示优选实施例的接地电路的电路原理图；

图6是图1所示优选实施例的单片机控制模块的电路原理图。

具体实施方式

本优选实施例中的配电网接地故障的保护方法，包括以下步骤：

1)在线检测电网的三相是否存在弧光接地故障。在线检测是通过检测零序电压和相电压，如果零序电压和相电压均处于变化状态，则弧光接地故障。由于判断零序电压和相电压是否是弧光接地故障属于现有技术，所以不多加描述。

2)如果有一相存在弧光接地故障则暂时将该相电路直接接地；

3)过一段时间后，将该电路恢复，在线检测该相是否存在弧光接地故障，如果依然存在弧光接地故障，则再将该相电路直接接地，否则返回步骤1。时间的范围是1秒-100秒，根据接地性质的不同，动作时间也不同。本步骤的目的是消除那些暂时性接地故障，只将无法消除的间歇性弧光接地故障和连续性弧光接地故障用直接接地的方法转换成金属性接地状态。

4)对该相电路进行修复，然后将该相电路恢复，返回步骤1。

如图1-6所示，上述配电网接地故障的保护方法所采用的保护装置，包括单片机控制模块、三个电压互感器PT(也就是图1中的电压检测电路)和三个单相接地电路，三个电压互感器分别对应电网的一相输电线路，三个电压互感器的信号输出端分别连接单片机控制模块对应的信号输入端，单片机控制模块的三个控制信号输出端分别连接对应的单相接地电路的控制信号输入端，并且各单相接地电路的一端分别电连接一相输电线路，另一端接地。

单相接地电路包括真空接触器、真空接触器和输电线路之间的高压熔断器、真空接触器和高压熔断器的串联线路的两端并联的过电压吸收器、高压熔断器和输电线路之间的隔离开关和真空接触器和接地端之间的电流互感器。

下面介绍一下该装置的工作原理：1)三个电压互感器将配电网的信号传送给单片机控制模块，单片机控制模块进行分析，判断是否存在弧光接地故障；2)如果有一相存在弧光接地故障则发出信号给该相电路对应的单相接地电路，接通对应的真空接触器，暂时将该相电路直接接地；3)过一段时间(10秒)后，断开该真空接触器，将该电路恢复，三个电压互感器将配电网的信号传送给单片机控制模块，单片机控制模块进行分析，判断该相电路是否依然存在弧光接地故障，如果依然存在弧光接地故障，则再接通对应的真空接触器，将该相电路直接接地，如果没有，就返回步骤1；4)对该相电路进行修复，然后将该相电路恢复，返回步骤1。

图2中，FU1、FU2为高压熔断器，QS为隔离开关，TV为电压互感器。

图3是电网一相电路的单相接地电路，KA是真空接触器。

图4中，WVa、WVb、WVc分别为配电网一相电路的信号输出端，wvn和wvL是零序电压的信号输出端。

图5中，KA、KB、KC是真空接触器。

图6中，WVa、WVb、WVc分别为单片机控制模块的信号输入端，WVn和WVL是零序电压的信号输入端，KA、KB、KC是控制信号输出端，分别与真空接触器KA、KB、KC对应。

本实施例中，过电压吸收器采用的是大容量ZnO非线性元件组成的组合式过电压保护器TBP，一种特殊的高能容的氧化锌过电压保护器，与一般的氧化锌避雷器(MOA)相比，具有以下优点：

(1)TBP组合式过电压保护器采用的是大能容的ZnO非线性电阻和放电间隙相组合的结构，由于间隙元件与ZnO阀片的配合，解决了保护器的荷电率及工频老化问题。

(2)TBP组合式过电压保护器的冲击系数为1，各种电压波形下的放电电压值相等，不受过电压波形影响，过电压保护值准确，保护性能优良。

(3)TBP组合式过电压保护器采用四星型接法，可将相间过电压大大降低，与常规避雷器相比，相间过电压降低了60-70％，保护可靠性大大提高。

TBP组合式过电压保护器是本装置中限制各类过电压的第一器件，主要用来限制大气过电压和操作过电压。

真空交流接触器采用的是可分相控制的高压真空接触器(KA-KC)，这是一种特殊的高压真空交流接触器，其三相分体，各相一端分别接至母线，另一端接地。正常运行时真空开关处于断开状态，受单片机控制模块控制而动作，各相之间闭锁，当其中任一相闭合使该相母线接地后，其他两相中的任何一相绝对不会动作闭合。

KA-KC的作用是，当***发生弧光接地时，使其由不稳定的弧光接地故障转变成稳定的金属性接地，从而保护了***中的设备。

单片机控制模块，以高抗干扰能力的PIC单片机为核心处理器，核心处理器由两块单片机组成，故障处理速度极快，两块单片机均为intel公司的十六位单片机芯片80C196，主要具有以下功能和特点：

(1)自动化程度高。单片机控制模块的所有功能均为自动执行，无需人工操作，维护和操作简便。

(2)抗干扰性能好，可靠性高。单片机控制模块采用二次电源技术，可抵御各种电磁干扰，所有接口均采用光/电隔离，可消除电源及一次***对控制器的干扰，控制器还设置了Watchdog自复位电路，可实现装置的自动复位，完全避免了外界的各种电磁干扰。

(3)完善的保护功能。由于单片机控制模块采用双处理器作为处理单元，所以能同时完成对消弧、消谐的综合控制，而且速度很快。并且装置能够完成电压互感器高压保险熔断报警及电压互感器二次电压信号回路故障报警功能。

(4)电压测量功能。单片机控制模块能对***的电压进行测量，并以数字形式显示出来。

(5)数据远传功能。单片机控制模块设有RS485/232通讯接口，能将***的实时故障信息及装置的工作情况上报控制中心。

(6)故障记录查询功能。单片机控制模块带有存储器，能将***的故障信息(包括故障类型\故障时间等等信息)长期保存，用户可根据需要查询***的故障记录。

高压熔断器，即FU2，是整个装置的后备保护器件，具有以下特殊功能：

(1)开断容量大，可达63KA；

(2)开断迅速，开断时间小于0.3ms；

(3)限流效果好，可使故障电流限制在最大短路电流冲击电流的1/5以下。

(4)开断电弧电压低，在熔断器分断过程中电弧电压很低，并当用于低于额定电压***时，电弧电压将进一步减小，所以可将12Kv的熔断器用于7.2Kv***而没有损坏***绝缘的危险。

电压互感器，可将***的高压三相信号转变成可供单片机控制模块处理的三相电压信号(Ua、Ub、Uc)及中性点信号(Uo)。

高压隔离开关QS，安装与本装置与电网主母线的连接处，用于本装置安装和维护时的投切。

下面介绍一下消弧的工作过程：

(1)***发生弧光接地时，单片机控制模块判断接地的相别及弧光接地类型，同时发出指令使故障相的真空接触器闭合，把***由不稳定的弧光接地故障变为稳定的金属性接地故障，故障相的对地电压降为零，原接地故障点的弧光消失，其他两相的对地电压升高至线电压。这种状态是现行运行规程所允许的。

(2)真空开关动作后数秒后(根据接地性质不同，动作时间不同)，单片机控制模块令故障相的真空开关断开，若真空开关断开后，再无弧光接地故障现象，说明这一接地故障是暂时性的，***恢复正常运行；若真空开关断开后，再次出现弧光接地故障，则单片机控制模块认定这一故障为永久性弧光接地，此时再次发出指令使故障相的真空开关闭合，控制器将按照预先设定的程序发出报警信号，告知值班人员故障发生的相别。在真空开关接地点过程中出现的短暂的过电压，由TBP进行限制。

(3)故障相真空开关第二次闭合接地后不再分开，只有当故障线路自动或人工切除后，由中央控制室或当地给控制器发出复位指令，控制器收到复位指令后，让故障相真空开关断开，***恢复正常运行。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围；即凡依本发明的权利要求范围所做的等同变换，均为本发明权利要求范围所覆盖。

Claims (9)

1、一种配电网接地故障的保护方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)在线检测电网的三相是否存在弧光接地故障；

2)如果有一相存在弧光接地故障则暂时将该相电路直接接地；

3)过一段时间后，将该电路恢复，在线检测该相是否存在弧光接地故障，如果依然存在弧光接地故障，则再将该相电路直接接地，否则返回步骤1；

4)对该相电路进行修复，然后将该相电路恢复，返回步骤1。

2、如权利要求1所述的配电网接地故障的保护方法，其特征在于：所述步骤一的在线检测是通过检测零序电压和相电压，如果零序电压和相电压均处于变化状态，则弧光接地故障。

3、如权利要求2所述的配电网接地故障的保护方法，其特征在于：所述步骤3时间的范围是1秒-100秒。

4、一种配电网接地故障的保护装置，包括单片机控制模块、三个电压互感器和三个单相接地电路，三个电压互感器分别对应电网的一相输电线路，其特征在于：三个电压互感器的信号输出端分别连接单片机控制模块对应的信号输入端，单片机控制模块的三个控制信号输出端分别连接对应的单相接地电路的控制信号输入端，并且三个单相接地电路的一端分别电连接一相输电线路，另一端接地。

5、如权利要求4所述的配电网接地故障的保护装置，其特征在于：所述单相接地电路包括真空接触器，真空接触器的一端电连接一相输电线路，另一端接地。

6、如权利要求5所述的配电网接地故障的保护装置，其特征在于：所述真空接触器和输电线路之间还串联有高压熔断器。

7、如权利要求6所述的配电网接地故障的保护装置，其特征在于：所述真空接触器和高压熔断器的串联线路的两端并联过电压吸收器。

8、如权利要求7所述的配电网接地故障的保护装置，其特征在于：所述高压熔断器和输电线路之间还串联有设有隔离开关。

9、如权利要求8所述的配电网接地故障的保护装置，其特征在于：所述各真空接触器和接地端之间还设有电流互感器。

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