CN100552465C - 低压线路三相不对称故障检测方法及综合保护模块 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种低压线路三相不对称故障检测方法，它包括零序电流时序鉴别法，其特征还包括任意两相量的时序鉴别方法，同时公开了实现上述方法的低压线路三相不对称故障综合保护模块，该模块包括零序电压信号处理电路和零序电流信号处理电路，其特征是还包括不对称故障时序鉴别器，三相电压信号处理电路和三相电流信号处理电路。本申请解决了中性点接地的380V、660V电网单相经高电阻接地故障选线的灵敏度准确性问题，同时实现了依据故障特征对缺相运行和两相短路进行检测与保护，具有新的实用价值和推广前景，并在中低压电网具有通用性。

Description

低压线路三相不对称故障检测方法及综合保护模块

技术领域

本发明属于电力系统故障检测和继电保护装置，具体涉及低压线路单相接地漏电或短路、单相断线(缺相运行)及两相短路等三种不对称故障的鉴别与保护。

背景技术

工矿企业低压(380V或660V)电网的中性点有直接接地和不接地两种方式。例如煤矿井下低压电网都采用中性点不接地方式，而一般工矿企业及农网的地面低压电网多采用中性点直接接地的三相四线制方式。这种三相四线制低压电网一方面要担负不少低压异步电动机的三相动力负荷供电，同时又要担负大量的办公室自动化设备、家用电器及照明等单相负荷用电。由于单相负荷很难做到三相均衡配置与协调运行，致使这类低压电网的不少线路经常出现严重的三相电流不平衡，并导致母线三相电压不平衡。从而迫使低压线路的单相接地短路保护或零序电流保护不得不提高动作整定值(加大门槛)，降低动作灵敏度。结果是当线路发生单相高阻接地时(例如低压架空线一相断线落在岩石上、树枝上或干躁地面上)，由于单相对地漏泄电流较小，达不到低压线路短路保护或零序电流保护的动作整定值而长久不动作，结果引起动力变压器中压侧熔断器一相熔件烧断，导致动力变压器缺相运行，又这种变压器多为Y/Y0接线，从而引起整个低压电网缺相运行，造成大量异步电动机同时烧毁，这不仅造成设备损坏和直接经济损失，而且引起相关用电户生产环节停顿及其他不良后果。单相接地故障长久不排除的另一后果，是导致两相接地短路或相间直接短路。

申请人依据自己发明的“零序电流(基波)时序鉴别法则”于2002年4月申请了发明专利“小电流接地系统单相接地选线方法与装置”(公开号CN1453916A)，同年6月又申请了实用新型专利“小电流接地系统单相接地选线装置(专利号ZL02237567.8)”，又于2005年1月同时申请了两项实用新型专利“谐振接地系统单相接地选线装置(专利号ZL200520080013.0)”和“矿井低压电网时序鉴别选漏保护器(专利号ZL200520081430.7)”。上述专利成果的选线方法都是采用“零序电流时序鉴别方法”，该选线装置或保护器都是由单相接地时序鉴别模块和外围电路组成的。但这些选线方法及装置只用于中性点不接地或中性点经消弧线圈(或零序电抗器)接地的中低压电网，仅作为单相接地漏电故障检测与选择性保护，不能用作断相故障、两相短路故障的检测与保护。

发明内容

本发明的目的，一是在“零序电流(基波)时序鉴别法则”基础上，发明一种“任意两相量时序鉴别方法”用以解决断相故障、两相短路故障的检测问题；二是根据“任意两相量时序鉴别法”，在“矿井低压电网时序鉴别选漏保护器”基础上进行改进，发明一种“低压线路三相不对称故障综合保护模块”，用于单相接地、断相、两相短路三种不对称故障的识别与保护。

本发明的不对称故障检测方法是：它包括“零序电流时序鉴别法”，其特征还包括“任意两相量的时序鉴别方法”，该方法的步骤是：

1、将一个正弦波信号整形得出的高、低电平各占180°的规则矩形波定义为基准相量JZ；将另一个与基准相量JZ同频率的正弦波或非正弦波信号整形得到的规则或非规则矩形波定义为参鉴相量CJ，并设定以下鉴别法则：

参鉴相量CJ的上升沿必须滞后于基准相量JZ的上升沿而超前于基准相量JZ下降沿，参鉴相量CJ的下降沿必须滞后基准相量JZ下降沿0°～180°，若符合此法则，则确定参鉴相量CJ必滞后于基准相量JZ；否则，本法则无效。

根据该鉴别法则设计“任意两相量时序鉴别器”，该时序鉴别器可以是一个设置有两相量时序鉴别程序的单片机，或者是一个设置有“两相量时序鉴别电路”的复杂可编程逻辑器件CPLD。一个时序鉴别器中可以包含多个不同功用的时序鉴别电路。

2、从电网线路上的三相电流互感器TA二次绕组取出三相电流信号i_a、i_b、i_c，经I/V变换后分别经过滤波再分成三组，一组分别经整形得到矩形波I_a、I_b、Ic；第二组分别经移相、整形得到矩形波I_ay、I_by、I_cy；第三组分别经鉴幅、整形得到矩形波I_aF、I_bF、I_cF。

从电压互感器TV二次绕组取出三相电压U_ab、U_bc、U_ca信号，分别经移相、整形得到矩形波U_aby、U_bcy、U_cay。

3、根据线路故障特征，确定“两相量时序鉴别电路”输入端基准相量JZ、参鉴相量CJ的连接方法。当要检测三相线路中某一相(如A相)断线(缺相运行)时，则设定I_cy为基准相量JZ，I_b为参鉴相量CJ。当要检测三相线路发生某两相短路(如ab两相短路)故障时，则设定I_by为基准相量JZ，I_a为参鉴相量CJ。

为实现上述方法，本发明还发明了一种综合保护模块，该模块包括：零序电压信号处理电路和零序电流信号I₀处理电路，其特征是还包括不对称故障时序鉴别器，三相电压信号处理电路和三相电流信号处理电路，其中：

不对称故障时序鉴别器可以是一个设置有零序电流时序鉴别程序和两相量时序鉴别程序的单片机，也可以是一个设置有零序电流时序鉴别电路和两相量时序鉴别电路的复杂可编程逻辑器件CPLD。

三相电流信号处理电路是从线路上的三相电流互感器TA二次绕组取出三相电流信号i_a、i_b、i_c，分别经过滤波后再分成三组，一组再分别经整形、光电隔离后接入“不对称故障时序鉴别器”的I_a、I_b、Ic三个输入端；第二组分别再经移相、整形、光电隔离后接入“不对称故障时序鉴别器”的I_ay、I_by、I_cy三个输入端；第三组分别再经鉴幅、整形、光隔后接入“不对称故障时序鉴别器”的I_aF、I_bF、I_cF三个输入端。

三相电压信号处理电路是从电压互感器TV二次绕组取出三相电压信号U_ab、U_bc、U_ca分别经滤波、移相、整形、光电隔离后接到“不对称故障时序鉴别器”的对应输入端U_aby、U_bcy、U_cay。

本发明的积极效果是：

1、将基于零序基波时序鉴别法则的单相接地选线方法与保护装置，从只用于中性点不直接接地电网，推广应用到中性点直接接地的三相四线制电网，解决了中性点接地的380V、660V电网单相经高电阻接地故障选线的灵敏度准确性问题，具有新的实用价值和推广前景。

2、在零序电流(基波)时序鉴别方法的基础上，发明了三相系统中电流、电压任意“两相量的时序鉴别方法”，进一步实现了缺相运行、两相短路等不对称故障的检测与保护，应用范围更宽广。

3、“不对称故障综合保护模块”虽然是从中性点直接接地的三相四线制低压电网实际情况出发立项研究与开发的，但同样可用于中性点不直接接地的低压电网乃至中压电网，在中低压电网具有通用性。

4、电力线路中单相接地、断相运行、两相短路三种不对称故障发生概率的和，占线路上所有故障总概率的95％以上；“不对称故障综合保护模块”使得三相线路中95％以上的故障检测与保护只依据时序逻辑鉴别，而不需具体参数计算与整定，从而使线路故障的检测与保护大为简化，运行维护更加简便。

附图说明

图1是本发明方法中“任意两相量间的时序鉴别法则”示意图；

图2是“不对称故障时序鉴别器”中“两相量时序鉴别电路”的基本原理图；

图3是“不对称故障综合保护模块”构成原理方框图。

具体实施方式

现结合图1说明本发明方法中任意两相量的时序鉴别法则的设定情况，图中a、b所示的基准相量JZ和参鉴相量CJ的波形时序关系符合本法则，c、d、e所示的基准相量JZ和参鉴相量CJ的波形时序关系不符合本法则。

现结合图2说明两相量时序鉴别电路的基本原理，它是由两个D触发器DC1、DC2，两个非门F1、F2，一个二与非门YF，一个R-S锁存器RS及一个分频和限时电路所组成。在图2中，基准相量JZ接DC1的D输入端，基准相量JZ取反后接DC2的D输入端；参鉴相量CJ接DC1的时钟输入端，参鉴相量CJ取反后接DC2的时钟输入端；基准相量JZ信号经过分频、限时电路处理后接DC1和DC2的R输入端；DC1和DC2的输出端Q接YF的两个输入端，YF的输出端接RS的S端，RS的R端接复位信号，RS的输出端就是时序鉴别结果，若为高电平，表明参鉴相量CJ滞后于基准相量JZ。

现以图3说明本发明的综合保护模块的一个实施例的电路构造。本实施例主要用来监护低压线路三相不对称故障，核心器件是时序鉴别器VC1。

附图3所示的低压线路“三相不对称故障综合保护模块”中，由一片可编程专用集成电路VC1(ASIC)构成时序鉴别器，时序鉴别器包括多个不同功用的时序鉴别电路(详细电路原理如图2所示)。VC1的输入端从CZ1分别接入三相电压U_ab、U_bc、U_ca信号线，U_ab、U_bc、U_ca信号线分别经滤波电路、移相电路、整形电路、光隔耦合电路，电联接后输出U_aby、U_bcy、U_cay分别接入时序鉴别器VC1的28、29、30号引脚；VC1的输入端从CZ1接入母线U₀信号线，U₀信号线经过总的滤波电路，然后分成两个支路：第一支路依次经过移相电路、鉴幅及整形电路、光隔耦合电路，电联接后输出U_0F信号接入时序鉴别器VC1的32号引脚；第二支路经总的移相电路后又分为两个支路：第一支路依次经过整形电路、光隔耦合电路，电联接后输出U_0J+信号接入时序鉴别器VC1的33号引脚，第二支路依次经过取反电路、整形电路、光隔耦合电路，电联接后输出U_0J-信号接入时序鉴别器VC1的34号引脚；VC1的输入端还从插座CZ1接入零序电流I₀信号线，I₀信号线经滤波电路、移相电路、鉴幅电路、整形电路、光隔电路，电联接后接入时序鉴别器VC1的31号引脚；VC1的输入端还从插座CZ1接入三相电流i_a、i_b、i_c信号线，该i_a、i_b、i_c信号线分别经总的滤波电路后分成四组支路：第一组支路依次经移相电路、整形电路、光隔电路，电联接后输出I_aF、I_bF、I_cF，分别接入时序鉴别器VC1的49、48、47号引脚；第二组支路依次经整形电路、光隔电路，电联接后输出I_a、I_b、I_c，分别接入时序鉴别器VC1的52、51、50号引脚；第三组支路依次经鉴幅电路、整形电路、光隔电路，电联接后输出I_aF、I_bF、I_cF，分别接入时序鉴别器VC1的46、45、38号引脚；第四组支路依次经比幅电路、整形电路、光隔电路，电联接后输出I_ag、I_cg，分别接入时序鉴别器VC1的26、27号引脚。VC1的输出引脚58、59、60、68、69、70号引脚经驱动电路分别接输出插座CZ2各个引脚；VC1的71号引脚经光隔电路、驱动电路后接输出插座CZ3；VC1的54、55、56、57、80号引脚经光电隔离电路后分别接输出插座CZ4的对应引脚。

Claims (3)

1、一种低压线路三相不对称故障检测方法，它包括零序电流时序鉴别法，其特征还包括任意两相量时序鉴别方法，该方法的具体步骤是：

(1)将一个正弦波信号整形得出的高、低电平各占180°的规则矩形波定义为基准相量JZ；将另一个与基准相量JZ同频率的正弦波或非正弦波信号整形得到的规则或非规则矩形波定义为参鉴相量CJ，并设定以下鉴别法则：

参鉴相量CJ的上升沿必须滞后于基准相量JZ的上升沿而超前于基准相量JZ下降沿，参鉴相量CJ的下降沿必须滞后基准相量JZ下降沿0-180°，若符合此法则，则确定参鉴相量CJ必滞后于基准相量JZ；否则，本法则无效；

根据该鉴别法则设计任意两相量时序鉴别器；

(2)从电网线路上的三相电流互感器TA二次绕组取出三相电流信号i_a、i_b、i_c，经I/V变换后分别经过滤波再分成三组，一组分别经整形得到矩形波I_a、I_b、Ic；第二组分别经移相、整形得到矩形波I_ay、I_by、I_cy；第三组分别经鉴幅、整形得到矩形波I_aF、I_bF、I_cF；

从电压互感器TV二次绕组取出三相电压U_ab、U_bc、U_ca信号，分别经移相、整形得到矩形波U_aby、U_bcy、U_cay；

(3)根据线路故障特征，确定“两相量时序鉴别电路”输入端基准相量JZ、参鉴相量CJ的连接方法；当要检测三相线路中某一相断线时，则设定I_cy为基准相量JZ，I_b为参鉴相量CJ；当要检测三相线路发生某两相短路故障时，则设定I_by为基准相量JZ，I_a为参鉴相量CJ。

2、一种低压线路三相不对称故障综合保护模块，它包括零序电压信号处理电路和零序电流信号处理电路，其特征是还包括不对称故障时序鉴别器，三相电压信号处理电路和三相电流信号处理电路，其中：

所述的不对称故障时序鉴别器是一个设置有零序电流时序鉴别程序和两相量时序鉴别程序的单片机；

所述的三相电流信号处理电路是从线路上的三相电流互感器TA二次绕组取出三相电流信号i_a、i_b、i_c，分别经过滤波后再分成三组，一组再分别经整形、光电隔离后接入“不对称故障时序鉴别器”的I_a、I_b、Ic三个输入端；第二组分别再经移相、整形、光电隔离后接入不对称故障时序鉴别器的I_ay、I_by、I_cy三个输入端；第三组分别再经鉴幅、整形、光隔后接入“不对称故障时序鉴别器”的I_aF、I_bF、I_cF三个输入端；

所述的三相电压信号处理电路是从电压互感器TV二次绕组取出三相电压信号U_ab、U_bc、U_ca分别经滤波、移相、整形、光电隔离后接到不对称故障时序鉴别器的对应输入端U_aby、U_bcy、U_cay。

3、如权利要求2所述的低压线路三相不对称故障综合保护模块，其特征是，所述的不对称故障时序鉴别器是一个设置有零序电流时序鉴别电路和两相量时序鉴别电路的复杂可编程逻辑器件CPLD。

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