CN100454707C - 用于补偿的配电网中的接地故障检测系统 - Google Patents

Abstract

一种用于检测补偿的配电网中的接地故障的系统，包括确定电力线上的零序电压(V₀)的数量和零序电流(I₀)，并由所述零序电压和零序电流计算零序电导(G₀)。所述电导计算电路的操作只发生在涉及零序电压、零序电流和正序电压的最大值的选定电力线状态下，以便确保接地故障确定的精度。所述电导值在自适应的基础上被处理，其中确定最新的电导值和一个选定的先前的时间点的电导值之间的差，然后和门限值比较，从而确定正向和反向故障。

Description

用于补偿的配电网中的接地故障检测系统

技术领域

本发明一般涉及在补偿的电力系统分配网络中的接地故障，更具体地说，本发明涉及一种用于检测这样的接地故障的系统：所述系统具有高的灵敏度，但是其只需要来自被保护的电力线的信息，并且其基本上使用已知的电力线常数。

发明背景

中压配电系统(高于1KV)一般以某种方式接地。系统接地涉及到许多操作问题和影响，其中包括使电压和施加在设备上的热应力最小、符合人身安全标准、避免对通信系统的干扰，以及有助于快速检测和随后消除(排除)接地故障，即发生在三相电力线和地之间的故障。

据估算，在中压配电网络中的所有故障的80％是单相接地故障。根据用于接地的特定系统，这种接地故障具有许多可能的严重影响。这些影响可以包括对人身安全的严重威胁；由于存在来自故障相的故障电流而施加于设备上的热应力；可以是瞬时的和持续的电压应力；对通信的干扰，以及引起由故障电力线供电的区域内的用户停电。

在不同的国家使用不同的接地系统。最普通的一种接地系统包括不接地中性点，其中中性点和地之间没有特意的连接，即系统通过分布的线路对地电容接地。使用不接地中性点系统的国家包括意大利、日本和俄国。固体接地系统的特征在于，电力系统的中性点和地相连，在中性点和地之间没有特意的阻抗。英国使用单点型的固体接地系统，而美国、加拿大、澳大利亚和拉美国家使用多点接地的固体接地系统。法国和西班牙使用低阻抗的接地系统，其中系统通过低阻抗的电阻或电抗器接地。对于高阻抗的接地系统，则通过大阻抗的电阻或电抗器接地。

还有一些国家使用谐振接地方法。谐振接地系统包括对于系统的相-地电容基本上构成谐振电路的电抗器。所述电抗器是一个线圈，一般被称为灭弧线圈(Persen coil)。使用谐振接地的这些电力系统有时也叫做补偿的电力系统。

除去可能具有电压应力之外，谐振接地系统限制接地故障电流的幅值，减少了接地故障的许多主要问题。一些其它的系统，例如固体接地(多点接地)系统，在中性点和地之间没有任何阻抗，具有一些操作上的优点，但是伴随接地故障发生大幅值的故障电流。在这种系统中发生接地故障时要求立即切断，以便阻止/减小对于人身安全的危险，并避免其它问题。故障线路的快速切断，即使对于暂时的故障，也是重要的。

限制接地故障电流的幅值的电力系统——例如补偿电力系统——的主要缺点是，因为小的故障电流，接地故障难于检测。因而，实际的单相接地的故障可能在一个相当长的时间内检测不到。电力系统可能继续运行，不过，对人的生命没有什么危险。不过，还是希望能够检测到接地故障，因为位于系统某处的另一个故障却能引起大幅值的故障电流。在发生接地故障时产生大故障电流的那些系统中，一般容易检测到接地故障，但是这类故障必须得到快速检测；此外，必须通过中断向线路的故障部分的供电，使得故障电流被尽量快地切断。

因而，需要一种接地检测系统，其具有所需灵敏度以用于检测谐振接地电力系统的高阻(非常低的故障电流)接地故障，而该系统在其实施上也是切实可行的。此外，还希望这种接地故障检测系统只使用来自被保护线路的信息(电流和电压)，因为这种系统可以在变电站外部使用。

发明内容

因而，本发明是一种用于检测配电网中的接地故障的系统和方法，包括确定存在于被保护线路上的零序电压(V₀)的数量和零序电流(I₀)的数量，并由V₀和I₀的数量计算电导的值。通过只在选定的电力线状态下选通电路来启动所述计算，以便确保接地故障确定的精度。然后使一个电导相关值(conductance-related value)和第一门限值比较，以便确定正向故障，并使该电导相关值和第二门限值比较，以便确定反向故障。

附图说明

图1是利用用于特意的系统接地的灭弧线圈的电力系统的简图；

图2是补偿的配电网的零序网络表示的原理图；

图3是用于补偿的配电网(compensated distribution network)中的本发明的接地故障检测系统的原理图。

本发明最佳实施方式

如上所述，用于配电网的最好的接地技术之一涉及使用调谐到系统的相-地电容的电抗器。在称之为谐振接地系统的系统中，这种电抗器被称为灭弧线圈，也被称为电弧抑制线圈，或者在某些情况下，被称为接地故障中和器(ground fault neutralizer)。灭弧线圈可以和配电变压器或者接地变压器的中性点以及地相连。使用谐振接地的电力系统也称为补偿的配电系统。

当灭弧线圈的电感基本上与电力系统的相-地电容相抵时，所述系统被称为全补偿的，或者100％调谐的。如果所述线圈的电感和系统的电容不匹配，则该系统被称为“非调谐的(off-tuned)”。根据线圈的电感相对于系统的电容的大小，可以是过补偿或欠补偿的。

一种使用灭弧线圈的简化的补偿网络如图1所示。其包括Y连接的变压器的二次绕组和具有A相、B相、C相的三相电力线。在A相和地之间的系统电容用标号10表示，在B相和地之间的系统电容用标号12表示，在C相和地之间的系统电容用标号14表示。所述系统的电力变压器二次绕组概括用标号16表示，该二次绕组分布于各相线和中点之间，其中该中点用标号18表示。

图中还示出了系统的相间电容，A相和C相之间的相间电容用标号20表示，A相和B相之间的相间电容用标号22表示，B相和C相之间的相间电容用标号24表示。灭弧线圈电感25连接在中点18和地19之间。灭弧线圈的电感可调，从而能够和系统的零序线-地电容相匹配。在这一谐振系统中，加于电力线上的负载被连接在相与相之间。

在现代的设备中，灭弧线圈是一种移动铁心电抗器(moving corereactor)，其具有用于移动铁心的控制系统，因而，对于谐振电力系统的所有操作状态，可提供接近100％的调谐能力。谐振接地配电系统(也称为补偿的配电系统)的优点在于，由相-地故障状态引起的接地故障电流被减少到大约为未接地系统的3～10％。在这种补偿的配电系统中，即使在持续的接地故障期间，这一低故障电流使得电力公司仍能够继续运行电力线的故障部分。由这种电力系统服务的通信网络也不会由于接地故障的存在而中断。

已知瞬态故障大约占所有接地故障的80％，此外，已知在具有谐振接地的架空线系统中，所有瞬态接地故障中有大约80％的接地故障自熄。因而，在谐振接地系统中，在架空线中出现的所有接地故障的至少60％自行排除(self-clear)，即不需要断路器或重新合闸装置动作便能排除故障。

虽然在补偿的配电系统中的大部分接地故障是自行排除的，仍然有一定百分比的故障不能自行排除，因而应当检测这些故障，尽管因为故障电流很小，不会对人身安全造成任何危害，或对系统状态或操作带来任何威胁。一般地说，这种小的故障电流在1～90安培的数量级。不过，正是小的故障电流对检测构成严重的挑战，尤其是对于高阻接地故障而言，此时故障电流被进一步减少。

在过去，对于补偿的配电网——即使用灭弧线圈的配电网——使用过若干种不同的故障检测方法。其中一种方法称为瓦特计方法。瓦特计方法已经使用了多年。这种方法简单、安全而可靠，但是只限于检测相当低阻抗的接地故障。一般地说，低阻抗的接地故障的阻抗为0～5000欧姆。虽然这根据系统配置而变。瓦特计方法对于高阻抗的故障(一般大于5000欧姆，同样依系统配置而变)具有有限的灵敏度。

瓦特计方法使用来自电力线的零序电压和零序电流的乘积的实部，并把这一数值和正负门限比较。如果所述乘积小于负门限，则表示正向故障，而大于正门限的所述乘积表示反向故障。不过，瓦特计方法限于检测低阻抗的接地故障。其不具备用于精确地检测高阻抗的接地故障所需的灵敏度，这种故障例如可能发生在落在树上或电杆上的相线中。

代替瓦特计方法的一种方法是导纳方法，其中确定并比较由于接地故障而引起的在所有变电站馈电线上的零序导纳的改变。在导纳的数量上改变最大的馈电线是故障的馈电线。导纳的确定通过在故障之前在短时间内使灭弧线圈失谐来实现，这使得电力系统失谐，从而测量零序导纳。虽然导纳方法具有用于检测高阻接地故障所需的灵敏度，但是需要所有馈电线的导纳信息，以及灭弧线圈的调谐控制。这种方法只对于安装在配电变电所内的集中式系统是合适的，并因此而既不方便，又费用高昂。

导纳方法的一种改型，被称为DESIR，用于基于剩余电流的选定检测，该方法使用馈电线的剩余电流的相量比较，或者使用它们的增量值。不过，这种方法也具有需要所有馈电线的信息的缺点。其它的方法包括被称为DDA(基于相-地导纳的差动保护)，其也需要灭弧线圈的调谐控制，以及各种基于谐波的方法，这些方法需要昂贵的磁通相加型(flux summation)电流互感器(CT)，并且还要求系统的零序电容远大于被保护的馈电线的零序电容。

还有其它相关的故障检测方法，但是这些方法或者需要来自变电站的所有馈电线的信息，控制灭弧线圈的调谐，或磁通相加CT，或者它们不具备用于检测高阻接地故障所需的灵敏度。

然而，本发明是一种简单、实用而具有用于检测在补偿的配电网中的高阻接地故障所需的灵敏度的方法。本发明的系统适用于独立的装置，它们可以位于配电网中的任何位置。一种典型的应用是用于电力线上的自动重合闸的控制单元中。

本发明的系统将受保护的馈电线的零序电导的计算值和正负门限值加以比较，从而确定在馈电线上的正向或反向接地故障的存在。只需要来自被保护的馈电线的信息，并且不需要灭弧线圈的控制。

图2表示一个平衡的系统的零序网络。忽略任何系统不平衡。对于正向和反向故障的零序电流I₀按下式计算：

${\stackrel{\‾}{I}}_0=-{\stackrel{\‾}{V}}_0[(\frac{1}{R_{0s}}+\frac{1}{3R_N})+j(\mathrm{\ω}{C}_{0s}-\frac{1}{3\mathrm{\ω}{L}_N})]$ (正向故障)(1)

$I_0=V_0(\frac{1}{R_{0L}}+\mathrm{j\ω}{C}_{0L})$ (反向故障)(2)

其中，参见图2：

r_0S＝电源零序电阻

R_N＝灭弧线圈的并联等效电阻

C_0s＝电源零序电容

ω＝2πf

f＝系统频率

L_N＝灭弧线圈的并联等效电感

C_0L＝被保护线路的零序电容

R_0L＝被保护线路的零序电阻

于是就可以使用公式1和公式2计算正向和反向故障的视在零序电纳Y₀：

${\stackrel{\‾}{Y}}_0=\frac{{\stackrel{\‾}{I}}_0}{{\stackrel{\‾}{V}}_0}-[(\frac{1}{R_{0S}}+\frac{1}{3R_N})+j(\mathrm{\ω}{C}_{0S}-\frac{1}{3\mathrm{\ω}{L}_N})]$ (正向故障)(3)

${\stackrel{\‾}{Y}}_0=\frac{{\stackrel{\‾}{I}}_0}{{\stackrel{\‾}{V}}_0}=\frac{1}{R_{0L}}+\mathrm{j\ω}{C}_{0L}$ (反向故障)(4)

取公式3和公式4的实部，即可以确定正向和反向故障的电导G₀：

$G_0=R_e\left[\frac{{\stackrel{\‾}{I}}_0}{{\stackrel{\‾}{V}}_0}\right]=-(\frac{1}{R_{0S}}+\frac{1}{3R_N})=-(G_{0S}+G_{0N})$ (正向故障)(5)

$G_0=R_e\left[\frac{I_0}{V_0}\right]=\frac{1}{R_{0L}}=G_{0L}$ (反向故障)(6)

在上述公式中，G_0L＝1/R_0L，其为被保护电力线的零序漏电感，G_0S＝1/R_0S，其为其余馈电线的等效零序漏电感，G_0N＝1/3_RN，其为相应于灭弧线圈的并联等效电路的零序电感。

在本发明中，使用对应于I₀/V₀(零序电流I₀和零序电压V₀)的实部的电导元件。所得的电导G₀和正、负门限相比较。如果G₀比负门限更负，则表示正向故障，而如果G₀大于正门限，则表示反向故障。在此处所述实施例中，进行确定的逻辑电路示于图3，并详细说明如下。

虽然上述的电导确定系统对于平衡系统和具有小的CT误差(例如磁通相加型的CT)的系统提供了好的结果，但是不平衡的系统和CT的不平衡将引入误差，并使得灵敏度受到限制。一种解决办法是按照增量确定电导的值，其中使用增量零序电流ΔI₀和增量零序电压ΔV₀计算增量零序电导ΔG₀。将增量电导值ΔG₀和正、负门限相比较，从而确定正向故障和反向故障。这种方案不受系统不平衡的影响，因而可以用于具有常规电流互感器(相对于磁通相加型互感器)的系统。

增量电导确定方法的一种改型是“自适应”电导确定方案，其中使用零序电导的当前值G_0(k)和自适应的参考值确定增量G₀的值。自适应参考值是在当前值之前，利用选定数量的采样(n个采样)计算出的电导G_0(k-n)。自适应电导方案的优点在于，对于不平衡的系统和CT结构，其具有增量电导方法的优点，但是，不需要计算零序电压和电流值的增量值。而可以使用实际的零序电流(I₀)和零序电压(V₀)的值。自适应电导方法如图3所示，下面进行说明。

图3表示用于补偿的配电网的本发明的完整的接地故障检测元件。图3的系统包括自适应电导结构。不过，如果需要，系统可以利用基本的电导方法工作而不采用自适应特征。

图3的接地故障检测系统组合了常规的瓦特计确定电路和电导确定方案。当要进行低阻故障确定或者在下述的其它特定的操作条件下时选通瓦特计电路。高阻故障则由电导确定电路检测。所述系统还包括若干个监控特征，这些特征确保系统只在特定的条件下操作。

现在详细参看图3，在元件30，确定两个相量，即零序电压V₀和零序电流I₀。在所示的实施例中，V₀由测量的相-地电压计算如下：V₀＝1/3(V_A+V_B+V_C)，其中V_A、V_B和V_C分别是用常规的方式从三相电力线测量得到的线路A、B和C上的相电压(图1)。零序电流被定义为I₀＝1/3(I_A+I_B+I_C)，其中I_A、I_B和I_C分别是线路A、B和C的相电流，也是用常规方式从电力线测量得到的。

数值V₀和I₀被应用于图3所示电路中的若干不同部分。首先，计算得到的V₀和I₀的数值被应用于常规的电导计算元件32。所述电导计算元件的输出在电路中的点34被表示为G_K。下面说明使用G_K数值进行电导估算的详细解释。

V₀的数量作为输入被提供给电导计算选通电路35。V₀首先被提供给绝对值电路(ABS)36，该电路的输出被提供给比较器38的正输入端，该比较器38比较绝对值和门限值，在本实施例中所述门限值是0.1V。这一比较确保零序电压具有一个其角度可以信赖的足够幅值。比较器38的输出作为一个输入被提供给与门40。提供给与门40的第二个输入来自用户操作的开关，其表示用户是否要求电导计算元件32被选通(“是(Y)”或者“否(N)”)。一般地说，当需要高的接地故障电阻灵敏度时，输入信号被选通(高)。如果用户不要求电导计算元件被选通，则由用户将该输入设置为低。与门40的第三个输入来自与门51，所述与门51的功能详细说明如下。

当与门40的所有输入都为高时，其输出也将为高，该输出使计时器42触发，计时器42是一种瞬时启动(instantaneous pickup)而延时释放(time-delayed dropout)的计时器。由于瞬时启动，一旦与门40的输出变高，计时器42就将开始计时。计时器42的延时释放为6个周期，因此计时器42在其被选通之后，输出将不变低，直到经过6个电力系统周期为止——而在此期间输入信号保持为低。合适的范围可以取为1～30个周期。延时释放是重要的，因为这使得电导电路在V₀暂时地下降到小于0.1V门限值(例如在故障开始之后)的期间内能够继续操作。否则，就可能导致故障的方向确定的延迟。

I₀的数量被提供监控电路44，在标号44处，概括性地表示为瓦特计电路。在标号48处获得I₀的绝对值，并提供给比较器50的正输入端。比较器50的另一个输入是0.2mA二次侧(secondary)的门限值。因而，如果I₀大于0.2mA，则比较器50的输出为高。0.2mA门限分别是瓦特计44和电导元件32的最小灵敏度。随着将来技术的发展，这个灵敏度还可以被降低。比较器50的输出被提供给与门51的一个输入端。与门51的另一个输入来自比较器52。对比较器52的输入包括正序电压V₁的绝对值和0.8V_NOM的门限值，其中V_NOM是120V的(线路中点)额定电压。

正序电压V₁计算如下：V₁＝1/3(V_A+a V_B+a² V_C)，其中a是1∠120°的相量值。通过要求V₁大于0.8V_NOM，就可以把电导电路的操作限制到被保护的馈电线带电时才进行。在本发明的构思内，0.8的值可以改变。当比较器50和52的输出都为高时，与门51的输出也是高。当与门51和比较器53的输出都是高时(当V₀的绝对值大于门限值TH1时，比较器53为高，其中TH1一般可以是额定电压的20％，这是一个足够高的值，用以阻止在正常负载操作期间瓦特计确定电路操作)，则与门54的输出为高，该输出是用于瓦特计电路44的选通信号。

标号为56的电路是另一个监控电路，用于操作图3所示的电导估算电路部分91。监控电路56响应正序电压(V₁)和正序电流(I₁)的数值。上述的比较器52的输出被提供给延时启动的瞬时释放计时器58。当比较器52的输出在45个连续的电力系统周期内是高时，即，当在45个周期内正序电压一直大于0.8倍额定电压时，计时器58的输出为高。这实质上延迟了电导估算电路的操作，从而确保电导估算电路在被保护线路首次带电后，经过45个周期之后才提供输出。延迟的范围可以是1～60个周期。在这个初始的45个周期期间，瓦特计电路用于进行故障确定。

计时器58的输出被提供给或门60的一个反相输入端。在监控电路36中的与门40的输出也被提供给或门60的一个反相输入端。或门60的第三输入是监控电路56中的计时器62的输出。来自元件61的正序电流I₁的绝对值被提供给差值确定元件64的正输入端。来自延迟元件63的15个周期之前的正序电流I₁被提供给差值确定元件64的负输入端。所述15个周期的延迟可以被改变，或者大一些或者小一些。其范围为5～30个周期。出自元件64的差值ΔI₁被提供给比较器68的正输入端。

比较器68的另一个输入是第二门限值TH2，在所示实施例中为0.2mA或更大。出自比较器68的高的输出将使瞬时启动而5个周期延迟释放的计时器62触发。计时器62的输出确保该计时器一经启动，在比较器68的输出变低之后至少5个周期之内，计时器62的输出保持为高。

或门60的输出被提供给电导估算电路91，其位于电导确定电路90的后面，并且在正序电压和正序电流使得或门60的输出为高(逻辑1)，意味着来自与门40或来自计时器58的输出为低，或者来自计时器62的输出为高的情况下，基本上禁止来自电导确定电路的任何输出。

如上所述，存在着其中电导确定电路不工作，而瓦特计电路工作的情况。这基本上用于低阻故障。

瓦特计元件72响应来自元件30的零序电压和电流值。由瓦特计元件进行的计算是：W＝R_e(V₀·I₀ ^*)，其中“R_e”是取实部运算符，“^*”表示复数共轭运算符。如上所述，这个计算直到与门54的输出为高时才进行。瓦特计元件72的输出被提供给比较器74的负输入端和比较器76的正输入端。如果瓦特计元件72的输出小于在其正输入端提供的负门限值T3，则比较器74的输出为高。这表示正向故障。如果瓦特计元件72的输出小于提供给比较器76的负输入端的正门限值T3/2，则比较器76的输出为高，这表示反向故障。

为了防止来自瓦特计电路44的假的方向确定以确保安全起见，对延时启动计时器78和80分别提供比较器74和76的输出。这使得在一个选定数量的周期(例如5个周期)之后提供保护，使得直到比较器74或76的输出在选定数量的电力系统周期内一直为高时才实际上确定故障。

计时器78和80的输出分别被提供给或门82和84，其输出分别在输出线86和88上提供实际的接地故障确定。这些信号然后可被用于触发在被保护的馈电线上的适当的电路断路器。

自适应的电导确定电路由标号90表示。在电路90中，来自电导计算元件32的电导值(G)被提供给差值确定电路92的正的输入端，其产生一个“自适应的”ΔG值。差值确定电路92的负的输入端接收15个电源周期之前的电导值，即从进行电导确定开始之前的60个电导值，在所示的实施例中，每个电源周期测量4次。在所述的实施例中使用的15个电源周期的差值可被改变(合适的范围是5～30个周期)，可以使用较大或者较小的值。

15个周期的差值(60个电导值)由存储缓冲构件93提供。这种布置被设计用于防止存储器被故障的数量所破坏，如下所述。缓冲存储器93包括总共60个单独的存储元件94～94，每当进行一次新的电导确定时，电导G的值通过这些存储元件顺序移动。

通过各存储器元件94～94的电导值的移动被对应于每个存储元件的缓冲器开关96和98控制。每个存储元件都具有开关96和98，如图3所示。所有缓冲器开关96和98的位置都分别通过与门100和102的输出受到控制。如果没有以前识别的正向故障，则计时器104的输出为低。这个低的输出信号使得与门102的输出为低，并且当计时器106的输出为高时使得与门100的输出为高。计时器106是一种延时启动计时器。在所示的实施例中，其响应计时器42，但是直到在计算元件32被选通之后经过选定的周期数之后才产生高的输出。在所示的实施例中，该选定周期数是15，但这是可以改变的，例如在5～30个周期的范围内。

电导确定电路90包括缓冲存储器构件93。缓冲存储器93具有3个可能的操作状态。在第一个状态，计时器106的输出是逻辑0，表示电导计算元件32在至少15个连续的电源周期内未被选通。在这个状态下，两个与门100和102的输出为低。然后，两个缓冲开关96和98将移动到其“0”位置。在这个位置，缓冲存储器93中的每个单元直接和元件32的输出相连，并且只要该元件被选通，即为来自电导计算元件32的最新的电导值G_K所更新。这样，在缓冲存储器93中的所有的元件实质上都始终以最新的电导值充分填充。因而在故障开始时，在元件92的负输入端将立即出现一个值，使得继电器在其能够产生输出之前不必等待缓冲存储器填充。

在缓冲存储器93的第二个操作状态，计时器106的输出为高，而计时器104的输出保持低，表示在所需数量的电源周期内没有电流故障指示。在这个操作状态下，与门100的输出为高，这使得缓冲器开关96运动到其“1”位置，并且与门102的输出为低，使得缓冲器开关98处于其“0”位置。在这种结构中，由图3可见，各个缓冲器存储单元94～94被串联连接在电导元件32的输出端和差值确定元件92之间。

来自元件32的最新的电导值G_K被提供给第一缓冲存储器单元94，而原先在所述第一存储单元中的值按照顺序移动到第二存储单元，依此类推，直到在缓冲存储器中的所有60个存储单元均被更新为止。在该串联序列中，最后的缓冲存储单元的输出被提供给差值确定器元件92的负输入端。每当元件32进行电导确定时，就发生电导值的移动(每个电源周期4次)。

在第三个操作状态，计时器104的输出为高，表示在至少1/2周期内确定过故障，或者表示在最后15个周期内确定过故障。计时器106的输出也为高。这使得与门102的输出为高，以及与门100的输出为低。缓冲器开关96处于“0”位置，并且缓冲器开关98处于“1”位置。在这种结构中，所有的缓冲存储器单元94～94都利用最后存储单元(最接近差值元件92的单元)中的值填充。这防止了缓冲存储器被故障所破坏，从而能够在故障发生之后进行正确的方向输出。

自适应差值元件92ΔG的输出ΔG被提供给电导估算电路91，由其进行故障确定，然后通过附加的逻辑处理那些信号，从而提供附加的故障相关信息。在电路9中，来自元件92的输出被提供给比较器110的负输入端和比较器112的正输入端。比较器110的输出对于正向故障将为高，而比较器112的输出对于反向故障将为高。为了使比较器110的输出为高，来自元件92的差值电导值必须比提供给比较器的正输入端上的负门限值更负。提供给比较器110的所述门限值是逻辑电路114的输出乘以-1.5所得之值。提供给逻辑电路114的输入来自60个单元存储缓冲器93中的最后的存储单元。

最后电导值的绝对值在116确定，并被提供给“最大值”确定电路(MAX)118。所述最大值确定电路118维持由元件32提供的最大的电导值。电路118具有一个最小门限TH4。在所示的实施例中，大约是0.5微西门子(电导的单位)。因而，来自比较器110的高输出要求ΔG值比乘以-1.5的来自缓冲存储器的电导的最大值更小(更负)。比较器112的门限值是来自电路118的ΔGmax乘以0.5。为了确定反向故障，在比较器112的正输入端的ΔG必须大于这个值。

比较器110的输出被施加于与门120。与门120的其它的输入是来自或门60的输出的反相输入。表示正向故障的与门120的高的输出可以在下述的情况下发生：(1)在线路带电之后经过45个周期时(计时器58)；(2)在最后的5个周期期间没有线路转换发生；以及(3)具有来自与门40的高的信号，其表示实际上用户选择了一个基于故障确定的电导，其次，零序电流大于二次侧0.2mA，并且零序电压大于二次侧0.1V。在这些条件下，与门120被选通，(并且当比较器110的输出为高时将产生一个高输出)如与门122那样，其用于反向故障，响应比较器112的输出。

与门120和122的输出分别被提供给计时器124和126。计时器124和126的输出被提供给半周期启动的瞬时释放计时器。这些计时器的输出分别被提供给计时器130和128。计时器128和130是延时启动的瞬时释放计时器，在所示的实施例中，其具有9个周期的启动延时。计时器124、126、128和130被设计用于根据在大于一个半周期但小于9.5个周期(在9.5个周期之前发生故障自熄)的时间内确定正向或反向故障确定自熄故障。所选择的作为下限的一个半周期是可以改变的，9.5周期的上限也可以改变。其范围是0.5～30个周期。

来自电路91的这个部分的信息通过识别自熄的故障的数量和“永久性”故障的数量向用户提供系统性能的测量，其在线路86和88上产生系统输出信号。在来自与门120的高输出持续一个半周期之后，计时器124的输出为高。除去被提供给计时器130之外，其还被提供给或门132，其触发计时器104，所述计时器又控制与门100和102，如下所述。或门132也响应来自计时器126的反向故障的指示。

计时器124的输出也提供给计时器134，计时器134为上升沿启动的10周期计时器。计时器134在正常时具有低输出。一旦计时器134为计时器124的输出所触发，则其输出便在下10个周期内继续保持低。如果计时器134在10个周期期间不被来自计时器130的输出复位，则计时器134的输出(线路135)将在一个周期内为高。这表示自熄的故障(只对正向故障)。这种故障的总数可以在一个计数器中积累。计时器134的输出还提供给或门140的一个输入，或门140的输出被提供给与门146，如下面详细说明的那样。

计时器124的输出也作为输入提供给计时器142，其提供重燃故障(restriking fault)的指示。计时器142是一种上升沿启动的延时启动释放计时器。在本实施例中的启动时间是15个周期，这可以被改变，释放时间是15分钟，这也可以被改变。计时器142在来自计时器124的输入触发之后15个周期的时刻认定一个输出(变高)，其指示正向故障。如果故障不是永久性(即故障持续时间小于9.5周期)的，则输出保持认定15分钟。所述输出被提供给与门146。下一次认定正向故障时，此时由计时器134产生一个周期的输出，与门146的输出变高，表示重燃故障。

来自计时器130的输出，其在永久性故障时(大于9.5周期)发生，复位计时器134和142，从而阻止重燃或瞬态指示，因为从计时器142向与门146的输出将变低。来自与门146的输出可用于使非易失计数器(未示出)增加，这向用户表示正向重燃接地故障的总次数。

计数器130和128的输出，其在发生永久性的(非自熄的)正向和反向故障时变高，被分别作为输入提供给与门150和152。与门150和152的其它输入是来自或门154的反向输入。当没有来自瓦特计电路44(计时器78和80)的输出，使得或门154的输出为低时，根据计时器128和130的输出，与门150或152被选通，并且可以变高。来自与门150和152的输出然后被提供给或门82和84，它们在线86和88上提供输出，指示正向或反向故障。或门82和84因而响应来自瓦特计电路44或电导计算电路的正向和反向故障的指示。线86和88的输出可被用于触发电路断路器，以便切断被保护电路上的电源。

因而，本发明披露了一种独立的、灵敏的用于补偿的配电网中的接地故障检测系统。所述接地故障检测系统可用于重合闸装置，从而保护各个馈电线。所述系统包括电导计算电路，其足够灵敏，以用于精确地确定高阻接地故障，同时只使用来自被保护的馈电线的信息，而不必控制灭弧线圈。所示的实施例还包括瓦特计电路，当电路中具有足够的接地故障电流和电压时，其可以提供接地故障的故障确定信息。

根据电导和瓦特计算，利用电导和瓦特的实部值对于所示的实施例进行了说明。不过，应当理解，相同的原理可以应用于其相反的特性，也就是说将相同的原理应用于其虚部值，该虚部值被称为电纳和乏。术语“电导相关值”涵盖了电导和电纳两种方法。

虽然为了说明本发明描述了本发明的优选实施例，但是应当理解，不脱离所附权利要求书所限定的本发明的构思，尚可作出许多改变和改型以及替代方案。

Claims (33)

1.一种用于检测补偿的配电网中的接地故障的系统，包括：

确定电力线上的零序电压(V₀)和零序电流(I₀)的装置；

根据所述零序电压和零序电流经计算后所得结果的实部，计算出电导或电阻值的计算系统；

只在选定电力线状态下选通所述计算系统的操作的电路；以及

使所述电导或电阻值与第一门限值比较以确定正向故障，并与第二门限值比较以确定反向故障的电导比较装置。

2.如权利要求1所述的系统，其中所述电导或电阻值是零序电流(I₀)除以零序电压(V₀)所得结果的实部。

3.如权利要求1所述的系统，其中所述电导或电阻值是自适应的电导相关值，包括最新的电导或电阻值与在选定的以前时间所确定的电导或电阻值之间的差值。

4.如权利要求3所述的系统，其中所述以前的时间处于最近时间之前5到30个周期的范围之内。

5.如权利要求3所述的系统，其中在所述以前的时间的电导相关值由一系列缓冲存储元件提供，该缓冲存储元件具有暂时存储于其中的电导或电阻值，该电导或电阻值在最新的电导或电阻值与在所述以前的时间确定的电导或电阻值之间按顺序确定。

6.如权利要求5所述的系统，其包括用于控制所述缓冲存储元件、并使电导或电阻值在其间移动的装置，使得在故障之前的电力系统的状态下，每当进行新的电导或电阻值的确定时，各电导或电阻值按顺序在所述缓冲存储元件之间移动。

7.如权利要求6所述的系统，其中所述控制装置操作使得所述计算系统初始启动之后，将最新的电导或电阻值载入所有的所述缓冲存储元件。

8.如权利要求6所述的系统，其中所述控制装置操作使得在故障确定之后，将所述的以前的电导或电阻值载入所有的所述缓冲存储元件，以便防止该电导或电阻值通过所述缓冲存储元件而移动。

9.如权利要求1所述的系统，其包括延迟元件，用于在故障确定之后使故障信号延迟选定的周期数，从而使该故障得以在该选定的周期数期间内自熄。

10.如权利要求9所述的系统，其中所述延迟在0.5到30个电力系统周期的范围内。

11.如权利要求9所述的系统，其包括计时器元件，用于在发生自熄故障之后的选定时间间隔内，当另一个故障发生时提供重燃故障的指示。

12.如权利要求9所述的系统，其中所述延迟元件提供自熄故障的指示，并且其中所述系统包括计数器元件，用于累计自熄故障发生的次数。

13.如权利要求11所述的系统，其中所述选定时间间隔为15分钟。

14.如权利要求1所述的系统，其中所述只在选定电力线状态下选通所述计算系统的操作的电路要求零序电压至少是二次侧0.1V，零序电流至少是二次侧0.2mA，并且其中在所述计算系统停止选通之前，由所述选通电路提供的选通信号的丢失必须持续选定数目的电力系统的周期。

15.如权利要求14所述的系统，其中所述选定数目的电力系统的周期处于1-30个周期的范围内。

16.如权利要求1所述的系统，其中在所述电力线上的正序电流的幅值发生选定数量的改变之后，在预先选定的时间间隔内所述故障确定被停止。

17.如权利要求16所述的系统，其中所述选定的时间间隔在1-60个电力系统周期的范围内，并且所述选定的正序电流的幅值改变处于一次侧1-90安培的范围内。

18.如权利要求1所述的系统，其中在所述电力线带电之后的选定的时间间隔内，所述故障确定被停止。

19.如权利要求15所述的系统，其中所述选定的时间间隔处于1-60个周期的范围内。

20.如权利要求1所述的系统，其中直到正序电压(V₁)的值大于0.8倍的额定电压时，所述计算系统才启动。

21.如权利要求1所述的系统，其中第一门限值和第二门限值分别是先前的电导或电阻值的最大值乘以选定的各比例系数。

22.如权利要求21所述的系统，其中所述比例系数的值对于正向故障是-1.5，对于反向故障是0.5。

23.如权利要求1所述的系统，其包括瓦特计计算电路，用于检测低阻故障，所述瓦特计计算电路响应零序电压(V₀)和零序电流(I₀)的乘积的实部，所得的实部与第一门限值和第二门限值相比较，从而确定正向和反向故障。

24.如权利要求1所述的系统，其包括瓦特计计算电路，用于响应零序电压(V₀)和零序电流(I₀)的乘积的虚部。

25.如权利要求23所述的系统，其包括当所述瓦特计电路被选通时防止电导比较装置进行操作的装置。

26.如权利要求24所述的系统，其包括当所述瓦特计电路被选通时防止电导比较装置进行操作的装置。

27.一种用于检测补偿的配电网中的接地故障的方法，其包括以下步骤：

确定电力线上的零序电压(V₀)和零序电流(I₀)；

根据所述零序电压和零序电流经计算后所得结果的实部计算出电导或电阻值；

在选定的电力线状态下启动所述计算步骤的操作，以便帮助确保接地故障确定的精度；以及

使所述电导或电阻值与第一门限值比较以确定正向故障，并与第二门限值比较以确定反向故障。

28.如权利要求27所述的方法，其中所述电导或电阻值是零序电流(I₀)除以零序电压(V₀)所得结果的实部。

29.如权利要求27所述的方法，其中所述电导或电阻值是自适应的电导或电阻值，包括最新的电导或电阻值与在选定的以前时间所确定的电导或电阻值之间的差。

30.如权利要求29所述的方法，其中在所述以前的时间的电导或电阻值利用一系列缓冲存储元件提供，所述存储元件中具有暂时存储的在最新的电导或电阻值与所述以前的时间确定的电导或电阻值之间的按顺序确定的电导或电阻值。

31.如权利要求27所述的方法，其包括延迟步骤，用于在故障确定之后使故障信号延迟选定的周期数，从而使该故障得以在该选定的周期数期间内自熄。

32.如权利要求31所述的方法，其包括在发生自熄故障之后的选定时间间隔内，当另一个故障发生时提供重燃故障的指示的步骤。

33.如权利要求27所述的方法，其包括在所述电力线上的正序电流的幅值发生选定数量的改变之后，在预先选定的时间间隔内所述故障确定被停止的步骤。

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