CN102288865A - 一种输配电线路短路接地故障检测方法及检测设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种短路故障的检测方法和设备。该方法检测线路电流的变比率，当变比率突变，即I_f/I₀＞R_i时依据该突变的变比率判断线路短路故障，其中，I_f、I₀分别是突变后和突变前的线路电流，R_i是预设的变比率常数。根据本发明的故障检测设备不会出现误告警或漏告警现象，能满足不同用户的需求，适宜于大规模生产。

Description

一种输配电线路短路接地故障检测方法及检测设备

技术领域

本发明涉及电力设备，具体地说涉及输配电线路短路故障和单相接地故障的检测。

背景技术

输配电线路分支多，线路长，负载复杂。但是，当出现短路或接地故障时，必须尽快排除这些故障，否则会严重影响供电质量和效率。而要排除故障首先必须找到故障发生的位置。首先在短路故障检测方法或原理方面，现有的指示短路故障的检测设备(也称故障指示器，后面简称检测设备)所采用的方法主要有下列三类：

第一类是采用过流法检测短路故障。这种方法是：预设一个远大于线路正常工作电流的故障电流预设值，当线路电流I出现一个大于该预设值时，即认为线路发生短路故障，参见图1的标号10。由于不同线路、同一线路的不同位置、不同时刻的运行方式使得线路的正常工作电流千变万化，如果预设值小了，线路负荷电流的正常波动超过预设值会导致检测设备误报警，或者预设值大了，有些线路的故障电流达不到预设值，检测设备无法检测到短路故障。

第二类方法是采用线路出线大电流冲击并且大电流冲击引起线路跳闸停电电流变为0的原理来判断短路故障，这个方法的特点是预设一个固定的大电流冲击预设值ΔI并结合电流为0做为判断短路故障的依据。变电站20通过断路器22以及不同的干线和分支线路为各负载，比如负载24供电。这个方法虽然反映了短路故障的特点，但是由于输配电线路分支多，用户各种各样，不同分支线路尤其是线路末端。末端短路故障时大电流冲击幅度小，干线上或部分支线上的大电流冲击较大。如果预定义的故障大电流冲击幅度较大，容易出现末端短路故障时的大电流冲击幅度不足(达不到预定义的值)而出现漏报警；而如果定义的故障大电流冲击幅度较小，则容易出现干线或分支线上的正常电流波动导致的误报警，参见图2。

第三类方法是采用线路电流正跳变时电流变化率即电流突变量与突变时间的比值(即微分法)并且大的电流变化率引起线路跳闸停电电流变为0这一短路故障的特点来判断短路故障，这个方法的特点是预设一个固定的电流变化率值并结合电流为0作为判断短路故障的依据。这个方法和第二个方法在本质上是一致的。因为在线路的干线、分支线、线路末端的各个地方电流正跳变变化率相差很大，并且输配电线路的不同地理位置、同一地理位置线路的不同运行方式、甚至不同的气候条件都会导致这个电流变化率的千变万化，甚至在需要根据不同线路的干线、分支线来决定这个变化率的大小。而且它们均利用线路电流为0做为线路跳闸停电的依据，而实际上姑且不论根据这些方法设计的检测设备能否有足够的灵敏度和精度实现对电流为0甚至很小电流值的检测，而且最大的问题是线路没有跳闸停电，但负荷全部退出运行时，线路电流就变为0或者很小，这时根据这些方法不可避免地会造成对短路故障的误判，因此这个方法在实际应用中受到严重制约。所以第二类、第三类方法设计的产品不适宜大规模生产和推广。

发明内容

本发明的目的是提供一种受输配电线路运行管理、地理环境、负荷波动等影响较小的短路故障检测方法和设备。

本发明在第一方面提供一种短路故障的检测方法，该方法检测线路电流的变比率，当变比率突变，即I_f/I₀＞R_i时依据该突变的变比率判断线路短路故障，其中，I_f、I₀分别是突变后和突变前的线路电流，R_i是预设的变比率常数。

本发明在第二方面提供一种输配电线路故障的检测设备。该检测设备包括线路电流跟踪及转化电路，将线路电流信号转化成直流电压信号；线路电流检测电路，对直流电压信号进行突变状态的判断以及对线路电流突变前后的线路电流值进行采样；微处理器电路，配置用于：当出现突变状态时，计算突变前后的电流值，并在I_f/I₀＞R_i的情况下依据该突变的变比率判断短路故障，其中I_f、I₀分别是突变后和突变前的线路电流，R_i是变比率常数。

根据本发明制造的故障检测装置不会出现误告警或漏告警现象，能满足不同用户的需求，适宜于大规模生产。

附图说明

下面将参照附图对本发明的具体实施方案进行更详细的说明，其中：

图1为采用过流法检测短路故障的示意图；

图2为采用大电流突变量或大电流正跳变电流变化率大于预设值的方法检测短路故障的示意图；

图3为采用本发明电流变比率突变的方法检测短路故障的示意图；

图4为线路电压电场耦合电路的原理示意图；

图5为按照本发明实施例实现的检测短路故障的电路原理框图；

图6是分别是线路电流跟踪及转化电路和线路电流检测电路的示意图；

图7是线路电压V电场耦合电路的示意图；

图8是微处理器电路的示意图；

图9是告警电路的示意图。

具体实施方式

输配电系统发生短路故障时，线路的一个基本特征就是瞬间出现大的故障电流冲击，并且线路跳闸停电。这个过程受微机综合保护装置控制，微机综合保护装置根据预设的电流变比率突变I_f/I₀＞R_i来判断线路短路故障发生，并且在整定的时间内控制出线断路器跳闸停电从而起到保护线路的作用。本发明的一个创造性成果就是将这一原理第一次运用到线路故障定位检测设备上，即利用电流变比率I_f/I0＞R_i突变、并且可辅助利用线路出现跳闸停电这2个特征来判断短路故障的发生，因此不受输配电线路自身的特点影响。

本发明提供一种短路故障的检测方法，该方法检测线路电流的变比率，变比率I_f/I₀＞R_i突变，依据该突变的变比率判断线路是否发生短路故障。图3为采用本发明电流变比率突变的方法检测短路故障的示意图。当电流达到位置30时，进一步判定为短路故障。

优选的是，检测线路电压降低，例如V＝0或小于V_h，V_h是预设的电压降低的阀值。

其中，I_f是线路电流突变后的故障电流，I₀是电流突变之前的负荷电流，R_i是预设的变比率常数，V是线路电压。

本发明的短路故障检测方法能克服过流法、大电流冲击法、电流正跳变变化率法的缺陷。本发明的检测方法能动态跟踪线路负荷电流的变化，这点由线路电流跟踪及转化电路、线路电流检测电路完成，通过MCU微处理器电路采样本线路的正常工作负荷电流及发生短路故障后的故障电流，计算它们的比率并将其做为短路故障判别的主要依据。

因为各主干线、分支线、线路末端的负荷电流是不同的，甚至同一条线路在不同时刻的负荷电流也不同，本发明可以根据线路正常负荷电流的实际大小来实时分别整定各主干线、分支线、线路末端的变比率预设常数R_i，负荷电流越小，预设的R_i越大。这一工作方式使得R_i是一个动态常数，即R_i不是一个固定的预设值，而是根据线路负荷的实际情况自动变化的，因此本发明的短路故障检测方法不受不同线路、同一线路的不同位置、不同运行方式、地理环境、气候等因素影响。

优选的是，加上短路故障会导致跳闸停电且线路电压下降例如变为0这个依据。而过流法、大电流冲击法、电流正跳变变化率法的判断依据是固定的预设值，而实际上它们采用的判断依据会随不同线路、同一线路的不同位置、不同运行方式、地理环境、气候等因素而千变万化。而且本发明的方法是通过检测线路电压并将电压下降并进而变为0做为线路跳闸停电的依据，因为线路跳闸停电是线路电压下降的充分必要条件，因此结合线路电流变比率突变I_f/I₀＞R_i、线路电压下降并降为0这两个依据能可靠、准确地检测短路故障，而且在实际产品生产过程中，不需要考虑因参数千变万化带来的困扰，因此便于大规模生产，降低产品成本，带来较高的经济利益。

因此根据本发明制造的故障检测装置不会出现误告警或漏告警现象，能满足不同用户的需求，适宜于大规模生产。

图4是检测输配电线路一次侧电压的原理示意图。图中，C_r为检测设备外壳表面与线路46接触的位置处42与检测设备电路板公共端44之间形成的耦合电容。C_p为检测设备公共端44与大地48之间的分布电容，检测设备外壳与输配电线路接触的位置涂有导电层或装配有导电部件如导电橡胶等。C_r输出耦合电压V，输配电线路一次电压等于(1+C_r/C_p)*V，因此只要检测出V，就能经过计算得出输配电线路的一次电压。

图5是本发明实施例检测短路故障的电路原理框图。图中，检测电路包括线路电流跟踪及转化电路101、线路电流检测电路102、线路电压V电场耦合电路104、MCU微处理器电路105和告警驱动电路106。

线路电流跟踪及转化电路101完成对输配电线路一次侧实际电流的感应及转化。

线路电流检测电路102将线路电流跟踪及转化电路的输出信号进行整形、滤波并实现对电路突变状态的检测。

线路电压V电场耦合电路104完成对输配电线路一次侧电压的检测，并输出耦合后的电压信号，输配电线路的一次电压可以来自于图4电路的输出。

MCU微处理器电路105实现对各信号的判断，并输出告警启动信号。

告警驱动电路106接收到MCU微处理器输出的告警启动信号后，根据现状态驱动告警装置实现机械翻牌告警或发光告警或发声告警。

图6是分别是线路电流跟踪及转化电路和线路电流检测电路的示意图。线路电流跟踪及转化电路101由电感L1，二极管D1、D2、D4和D6，电阻R7、R8、R9和R10，以及电容C3和比较放大器U1组成。正常情况下，感应线路电流信号经由电感L1、二极管D1、D2、D6构成的整流电路输出整流直流信号。D6为限幅稳压管，避免感应信号太大损坏后继电路元器件。当然，也可以采取其它形式的整流电路和/或限幅稳压电路。

同时，感应信号经D4、电阻R7、R8、R9、R10、电容C3、比较放大器U1整形、限幅、比较并且输出矩形波信号DXH。电阻R7、电容C3组成低通滤波器滤除高频干扰信号并输出工频50Hz半波信号，因此DXH信号是周期为例如20ms的矩形波。此时，为了避免L1感应的干扰信号输出，由R9、R10分压为U1负极提供了一个阀值电压。

线路电流检测电路102由电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、电容C1、C2、二极管D3、和晶体管Q1组成。电阻R1、电容C1组成滤波平滑电路，对来自线路电流跟踪及转化电路101的整流直流信号进行滤波平滑。电容C2、电阻R4、R5组成线路电流突变状态的捕捉电路。电阻R2、R3分压电路输出线路电流对应的转化后的电压信号。线路电流检测电路102实现对输配电线路电流突变状态的判断并输出线路电流突变前后2个状态的线路电流值，下文将详细描述。

虽然图6结合线路电流跟踪及转化电路和线路电流检测电路一并做了说明，但是这只是出于清晰说明的目的，并不意味着图6中的两个具体实施电路必须结合在一起。图6中的线路电流跟踪及转化电路可以和其它类型的线路电流检测电路一起工作。

图7是线路电压V电场耦合电路的示意图。线路电压V电场耦合电路104由二极管D7、D8、D9、电阻R18、电容C9组成。在检测设备的主体外壳表面与输配电线路接触的位置涂上导电材料形成导电层，或者装配一个导电器件如导电橡胶并通过引线接至D7正极与D8负极的连接点，从而使得输配电线路与检测设备电路板的公共端GND之间形成一个耦合电容C_r，电路板公共端GND与大地之间形成一个分布电容C_p，耦合电容与分布电容组成分压电路(见图4)，将藕合电容的分压V输入至D7正极与D8负极的连接点，经D7的限幅、R18、C9的滤波，以信号VXH输出。

图8是微处理器电路的示意图。微处理器电路105包括电容C7、C8、电阻R16、R17、晶体管Q2和微处理器U3。正常情况下，线路上电正常工作，存在负荷电流，R3分压信号VSAM(对应输配电线路的电流信号)输出至微处理器电路105，U3的管脚10是ADC输入管脚，不断对VSAM信号进行采样并存储线路正常负荷电流值I₀。线路电流检测电路102的Q1可以为三极管或继电器或场效应管器件，正常情况下处于截止状态，输出高电平信号CJH给U3的管脚11。线路电流跟踪及转化电路101输出的DXH矩形波信号输出至U3的管脚9。微处理器电路可以由微处理器、单片机等实现。

线路负荷电流很小情况下，R3分压信号VSAM很小，甚至为0，U3无法准确采样线路电流信号。因此，线路电流跟踪及转化电路101输出了一个周期为例如20ms的矩形波DHX，矩形波PWM(高电平脉冲宽度与20ms周长的比值)与线路电流感应信号成正比(正比关系仅当线路电流信号小于例如30A的情形下成立)。U3通过检测线路电流跟踪及转化电路101输出的矩形波的PWM值来判断线路负荷电流值。

当线路发生短路故障时，瞬间出现大电流冲击。由于C2两端电压不能突变，大电流冲击信号被捕捉出现在R4、R5两端，冲击信号经R5分压并经二极管D3或直接输入至Q1的控制极，Q1导通，输出低电平CJX，随着C2充电完成，R5两端分压消失，Q1截止，CJX信号恢复成高电平，因此此时CJH输出一个下降沿脉冲信号至U3的管脚11，引起U3进入短路故障中断处理程序，后者立即采样此时R3的分压VSAM信号并获得故障电流信号I_f。计算I_f/I₀，如果I_f/I₀＞R_i，检测C9两端输入至管脚8的线路电压信号VXH，如果V为0或下降且V＜V_h，，则判定为短路故障发生。

此外，微处理器电路能正确判别永久故障和瞬时时间。当短路故障导致的线路跳闸停电时间大于一定值时，判定为线路发生永久短路故障；短路故障导致的线路跳闸停电时间小于一定值时，判定为线路发生瞬间短路故障。判定永久短路故障的这个时间定值可以根据实际要求进行改变。

当检测设备判定线路短路故障发生时，在一个实施例中，U3管脚12输出高电平。如果是白天，Q2两端导通而成低阻，这时U3的管脚5检测到低电平信号；如果是晚上，则Q2截止呈高阻状态，此时U3管脚5检测到高电平信号，U3根据这个方式判断线路故障发生时的天色状态。如果是白天，则执行机械翻牌告警方式；如果是晚上，则执行发光或发声告警方式。

图9是告警电路的示意图。告警电路106包括发光或发声电路1061和翻牌驱动电路1062。这2个电路可以由6V以上电池(可以由单个电池组成或多个电池串联而成)供电。

发光或发声电路1061包括电阻R19、R20、二极管D10、D11和晶体管Q3，D11是发光器件或发声器件。

翻牌驱动电路1062包括电阻R21、R22、三极管Q4、Q5、Q6、Q7、驱动线圈L2。其中，Q4、Q5、Q6、Q7也可以是继电器、场效应管、可控硅等器件；L2可以由双股漆包线并饶并首尾相连而成，线圈内置永磁材料，因此L2通过驱动电流时，能实现正反旋转磁场，其中L2、Q4、Q5提供正向磁场驱动电流通路，L2、Q6、Q7提供反向磁场驱动电流通路。当U3判定线路发生短路故障或接地故障时，如果是白天，则U3通过管脚6输出一个宽度大于例如100ms的驱动脉冲，经R21、Q4、Q5、L2形成正向磁场驱动电流，此时如果机械牌是径向磁化的磁性永磁材料的话，则机械牌就正向旋转以发出故障告警信息；当U3预设的复归时间计数结束时，U3的管脚7输出一个脉冲大于例如100ms的驱动脉冲，经R22、Q6、Q7、L2形成反向磁场驱动电流，此时机械牌反向旋转而复归，本次故障告警结束。

如果是晚上，则U3管脚12输出脉冲串经R19、D10驱动Q3进入导通、截止的持续循环状态，D11由R20限定的电流脉冲驱动发光或发声。发光或发声方式可以是不间断或周期性告警两种模式中的一种，直到U3预设的复归时间计数结束时才停止发光。

本发明的检测设备可以由电池供电，逻辑电路可以由电池供电，告警驱动电路可以由例如3V以上电池供电。为了延长产品使用寿命，U3可以采用休眠工作方式。当线路正常时，U3以一个预设的时间处于休眠状态，当预设的时间结束时，U3被唤醒，然后采集线路负荷电流信号即R3输出的电压VSAM信号和U1输出的矩形波信号的PWM值，然后再次进入休眠状态，如此周而复始。这样使得U3的静态功耗很低。由于检测设备的比较器U1、U2选用了极低功耗器件，U3是整个装置的主要功耗器件，因此整个检测设备逻辑电路的功耗很低。检测设备的功耗静态功耗低于10uA。由于线路故障或单相接地故障的发生次数很少，因此检测设备的使用寿命主要由逻辑电路来决定。

显而易见，在此描述的本发明可以有许多变化，这种变化不能认为偏离本发明的精神和范围。因此，所有对本领域技术人员显而易见的改变，都包括在本权利要求书的涵盖范围之内。

Claims (12)

1.一种输配电线路短路故障的检测方法，其特征在于，包括：

检测线路电流的变比率，当变比率突变，即I_f/I₀＞R_i时依据该突变的变比率判断线路短路故障，其中，I_f、I₀分别是突变后和突变前的线路电流，R_i是预设的变比率常数。

2.如权利要求1所述的检测方法，其中，预设的电流变比率R_i随线路负荷电流的大小自动变化，负荷电流越小，R_i越大。

3.如权利要求1所述的检测方法，其中包括检测线路电压降低，当线路电压降低满足V＜Vh时判定线路短路故障，其中Vh是电压下降值的预设阈值。

4.一种输配电线路故障的检测设备，包括：

线路电流跟踪及转化电路(101)，将线路电流信号转化成直流电压信号；

线路电流检测电路(102)，对直流电压信号进行突变状态的判断以及对线路电流突变前后的线路电流值进行采样；

微处理器电路(105)，配置用于：当出现突变状态时，计算突变前后的电流值，并在I_f/I₀＞R_i的情况下依据该突变的变比率判断短路故障，其中I_f、I₀分别是突变后和突变前的线路电流，R_i是变比率常数。

5.如权利要求4所述的检测设备，其中线路电流跟踪及转化电路包括整流电路和/或限幅稳压电路。

6.如权利要求4所述的检测设备，其中线路电流跟踪及转化电路包括低通滤波器以得到矩形波，微处理器电路在线路电流低的情况下，基于矩形波的宽高比计算突变前的线路电流。

7.如权利要求6所述的检测设备，其中线路电流跟踪及转化电路包括比较器，在比较器的负端设置阀值电压，以排除干扰信号。

8.如权利要求4所述的检测设备，其中线路电流检测电路包括线路电流突变状态的捕捉电路。

9.如权利要求4所述的检测设备，其中包括线路电压电场耦合电路(104)，检测输配电线路电压。

10.如权利要求9所述的检测设备，其中线路电压电场耦合电路包括耦合电容和形成在电路板公共端GND与大地之间的一个分布电容，其中耦合电容通过在检测设备的主体外壳表面与输配电线路接触的位置涂上导电材料形成导电层，或者装配一个导电器件，而形成于输配电线路与检测设备电路板的公共端之间；并且基于耦合电容的分压值计算输配电线路电压。

11.如权利要求4所述的检测设备，其中微处理器电路包括微处理器或单片机。

12.如权利要求4所述的检测设备，其中微处理器电路根据线路实际负荷电流的大小自动整定短路故障的电流变比率R_i。

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