CN100581019C

CN100581019C - 低压电网远距离短路故障检测方法及灵敏保护模块

Info

Publication number: CN100581019C
Application number: CN200710013314A
Authority: CN
Inventors: 傅桂兴; 付英
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-02-13
Filing date: 2007-02-13
Publication date: 2010-01-13
Anticipated expiration: 2027-02-13
Also published as: CN101106270A

Abstract

本申请公开了一种低压电网远距离短路故障检测方法，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，同时公开了实现这种方法的低压电网远距离短路故障灵敏保护模块，它包括零序电压信号处理电路和零序电流信号处理电路，其特征还包括远距离短路故障时序鉴别器，三相电压信号处理电路和三相电流信号处理电路。本申请远距离短路故障灵敏保护模块采用统一的时序鉴别法同时解决单相接地短路、两相短路和三相短路三种不同特征的短路故障的鉴别与保护，是一种理论创新和方法创新，提高了保护的灵敏度，具有实用价值和创新意义。

Description

低压电网远距离短路故障检测方法及灵敏保护模块

技术领域

本发明属于电力系统故障检测和继电保护，具体涉及低压线路远端三相短路、两相短路及单相短路的故障鉴别与灵敏保护。

背景技术

工矿企业低压(380V、660V)供电系统中，远离电源的线路末端发生短路故障，尤其是发生两相短路时，常出现短路电流小于线路上的最大工作电流或短路保护灵敏度校验不符合要求等情况，给继电保护整定及供电系统设计与运行增加不少麻烦，处理不好，会直接影响供电的可靠性和现场的安全性，这是传统的基于电流模拟量(或幅值)比较原理构成的保护继电器难以解决的问题。国内外专家、学者为此做了大量的研究工作，取得了多种研究成果，例如采用负序保护原理解决两相短路保护问题，采用零序保护原理解决单相短路保护问题，采用相敏保护原理来区分三相对称短路电流与电动机起动电流以提高三相短路保护的灵敏度等，这些不同构成原理的保护设施都取得了可喜的应用效果。

申请人针对中、低压电网中性点不直接接地系统的单相接地漏电故障，曾提出“零序电流(基波)时序鉴别”保护原理与法则，运用该法则申请了一项发明专利“小电流接地系统单相接地选线方法及装置”(公开号CN1453916A)，先后获得了三项实用新型专利，即“小电流接地系统单相接地选线装置”(专利号ZL02237567.8)、“谐振接地系统单相接地选线装置”(专利号ZL200520080013.0)、“矿井低压电网时序鉴别选漏保护器”(专利号ZL200520081430.7)。这些专利成果都由单相接地选线模块及外围电路组成。其中“矿井低压电网时序鉴别选漏保护器”是一种灵敏度高且能快速动作的保护器。

发明内容

本申请的目的，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”用以解决两相短路故障和三相短路故障的灵敏检测问题；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“低压电网远距离短路故障灵敏保护模块”，用于单相接地短路、两相短路和三相短路三种短路故障的识别与保护。

本发明的远距离短路故障检测方法是：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：

CJ的上升沿必须滞后于JZ的上升沿而超前于JZ下降沿，CJ的下降沿必须滞后JZ下降沿0°～180°，若符合此法则，则确定相量CJ必滞后于相量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法则程序的单片机，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，一组再分别经整形得到矩形波I_a、I_b、I_c；第二组分别再经移相、整形得到矩形波I_ay、I_by、I_cy；第三组分别再经鉴幅、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JZ、CJ的连接方法。当要检测三相短路故障时，则设定I_a为JZ，U_aby为CJ。当要检测其两相(如A与B两相)短路故障时，则设定I_by为JZ，I_a为CJ。

为实现上述方法，本发明还发明了一种灵敏保护模块，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，其特征是还包括远距离短路故障时序鉴别器，三相电压信号处理电路和三相电流信号处理电路，其中：

远距离短路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“远距离短路故障时序鉴别器”的I_a、I_b、I_c三个输入端；第二组分别再经移相、整形、光电隔离后分别接入“远距离短路故障时序鉴别器”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“远距离短路故障时序鉴别器”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“远距离短路故障时序鉴别器”的对应输入端U_aby、U_bcy、U_cay。

本技术方案的积极效果

1、用统一的“时序鉴别法”同时解决单相接地短路、两相短路和三相短路三种不同特征的短路故障的鉴别与保护。

2、短路保护通常是依据线路电流数值的显著增大这一特征进行检测与判断的，既不能将单相短路、两相短路和三相短路加以区分，更不能当短路故障发生在远离电源的线路末端，即短路回路阻抗较大，短路电流小于线路上最大工作电流(如异步电动机起动电流)的情况下，正确切除短路故障线路。本发明采用“任意两相量时序鉴别法”，妥善解决了这个难题，即提高了短路保护的灵敏度、可靠性，又能将单相短路、两相短路、三相短路加以区分，因此，具有实用价值和创新意义。

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“远距离短路故障时序鉴别器”中“两相量时序鉴别电路”的基本原理图；

图3是“远距离短路故障灵敏保护模块”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JZ和CJ的波形时序关系符合本法则，c、d、e所示的JZ和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，相量JZ接DC1的D输入端，JZ取反后接DC2的D输入端；相量CJ接DC1的时钟输入端，CJ取反后接DC2的时钟输入端；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，表明相量CJ滞后于相量JZ。

现以图3说明本发明的灵敏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电网远距离短路故障，核心器件是时序鉴别器VC1。

附图3所示的低压线路“远距离短路故障灵敏保护模块”中，由一片可编程专用集成电路(ASIC)VC1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_OF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_OJ+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_OJ-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，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_ay、I_by、I_cy，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、Ic，分别接入时序鉴别器VC1的输出端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Iag、Icg分别接入时序鉴别器VC1的输出引脚26、27号引脚；VC1的58、59、60、68、69、70号引脚经驱动电路分别接输出插座CZ2对应引脚；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对应引脚。

Claims

1.一种低压电网远距离短路故障检测方法，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，任意两相量时序鉴别方法的具体步骤是：

第一步：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°，但不包括端值，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；

第二步：根据该鉴别法则设计任意两相量时序鉴别器：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，一组再分别经整形得到第一组矩形波(I_a、I_b、Ic)；第二组分别再经移相、整形得到第二组矩形波(I_ay、I_by、I_cy)；第三组分别再经鉴幅、整形得到第三组矩形波(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)；

第三步：根据线路故障特征，确定两相量时序鉴别器输入端基准相量(JZ)、参鉴相量(CJ)的连接方法，当要检测三相短路故障时，则设定第一组矩形波(I_a、I_b、Ic)中的a相电流(I_a)为基准相量(JZ)，矩形波(U_aby、U_bcy、U_cay)中的ab相电压(U_aby)为参鉴相量(CJ)；当要检测a-b两相短路故障时，则设定第二组矩形波(I_ay、I_by、I_cy)中的b相电流(I_by)为基准相量(JZ)，第一组矩形波(I_a、I_b、Ic)中的a相电流(I_a)为参鉴相量(CJ)。

2、一种低压电网远距离短路故障灵敏保护模块，它包括零序电压信号处理电路和零序电流信号处理电路，其特征还包括远距离短路故障时序鉴别器，三相电压信号处理电路和三相电流信号处理电路，其中：

所述的远距离短路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、光电隔离后的第一组矩形波(I_a、I_b、Ic)接入远距离短路故障时序鉴别器对应的三个输入端；第二组分别再经移相、整形、光电隔离后得出第二组矩形波(I_ay、I_by、I_cy)分别接入远距离短路故障时序鉴别器对应的三个输入端；第三组分别再经鉴幅、整形、光隔后的第三组矩形波(I_aF、I_bF、I_cF)接入远距离短路故障时序鉴别器对应的三个输入端；

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、光电隔离后的矩形波(U_aby、U_bcy、U_cay)接到远距离短路故障时序鉴别器的对应输入端。

3、如权利要求2所述的低压电网远距离短路故障灵敏保护模块，其特征是，所述的远距离短路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。