CN102385020B - 利用单个传感器定向检测接地故障 - Google Patents

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Abstract

根据本发明，在多相电力系统(1)中用于定向检测接地故障(10)的方法和设备(20)基于在故障(10)的出现之后检测的且由所述电力系统(1)的线路和电缆(4)的杂散元件的高频干扰产生的零序电流(I0)的过零点的数目(N)。所述电流(I0)和它相对于时间的微分(d*)的过零点(N)的数目与预定义的阈值(Z、dZ)的比较使得能够将故障定位在该设备(20)的负载侧或线路侧，而不使用电压测量而是利用单个电流传感器(12)。

Description

利用单个传感器定向检测接地故障
技术领域
本发明涉及在不用测量线电压的情况下定向检测接地故障。具体地，本发明涉及一种在电力系统中检测接地故障的方法，进一步使得能够确定故障是位于检测点的线路侧还是负载侧。根据本发明的方法基于表示零序电流(具体地基于它的干扰)的单个信号的分析，来实现定向定位。
根据另一个特征，本发明涉及一种被设计为实施上述方法的检测设备。具体地，用于定向接地故障检测的设备包括用于在不使用表示电压的值的情况下解译零序电流信号的干扰以便给出故障的相对位置的装置。
本发明最后涉及一种故障信令设备和解扣继电器，包括电力系统零序电流传感器并且例如通过指示灯来向上述检测设备提供使能故障信令的信号或使电力系统的开关设备解扣。
背景技术
三相电力系统中的故障检测设备使得能够触发负载保护和/或帮助定位所述故障。例如，图1表示中压电力分配系统1的图，该系统包括三相变压器2，其次级连接到主配电线3。该次级还包括一般通过阻抗接地的共用中线导体。干线3为馈电线4、4’、4”供电，馈电线中的一些可以包括保护它们的输入电路断路器或其它开关装置5。安装在馈电线4’或线路4上的多个部分上的短路故障检测设备6可以充当故障流指示器，点亮例如指示灯7。设备61还可以与保护继电器8有关或集成到保护继电器8中，该保护继电器8被设计为命令电路断路器5的触点的断开。
在线路导体4和地之间，具体地如果馈电线4是地下电缆，则高电容值9可能出现，这在接地故障10的情况下将引起强的零序电流I0流动。零序电流I0的意思是，在可能的因子3之内，不同的相电流的矢量总和，或与相电流的瞬时合成对应的电流，有时称为残余电流，其可以对应于接地故障电流或漏电流。为了避免由电容性的链路9的相邻馈电器的故障引起的接地故障检测设备6的错误检测，已经开发了区分接地故障10是位于检测设备6i的负载侧还是设备6i+1的线路侧的设备和方法。
具体地，文献EP 1475874、EP 1890165、FR 2936319、FR 2936378或WO 2006/136520尤其提出使用由合适的传感器12测量电流的解决方案。故障10的存在的识别基于在电力系统1的至少一相中在最小故障时间内的过电流的检测。为了指定故障的性质和/或它的相对位置，还不得不执行每一相的电压或其它参数的测量。但是变压器既笨重又昂贵，而且未必总是一定适合于安装在已经现有的线路4上，不管线路是高架的还是地下的。
因而显然现有故障检测设备由于它们的复杂性，具体地由于当需要定向定位时要安装的传感器的数目，而对于大范围实施不是最佳的。
发明内容
连同其它优点，本发明的目的是缓解现有定向接地故障检测设备和方法的缺点。具体地，实施的定向原理基于在不使用相电流或电力系统电压的情况下对由于电力系统中的杂散元件引起的高频效应的分析，其使得能够利用单个传感器并且在不具有软件级和/或硬件级的大容量存储器的设备中实施该分析。
根据它的优选特征之一，本发明涉及一种在多相电力系统中定向接地故障检测的方法，包括第一阶段，通过比较表示流入监视的线路段的零序电流的信号与检测阈值来检测故障。该电力系统优选地是三相系统。它可以包括多极电缆或几个相线，或者高架的或者地下的。
如果第一阶段检测到在所述线路段中接地故障的存在，则触发根据本发明的方法的第二阶段。第二阶段基于处理在足够的预定义的时间段内获得的表示所述线路段的零序电流的信号，该足够的预定义的时间段优选地至少为该电力系统的频率的半周期，例如电力系统周期的整数倍。有利地，利用相对较高的采样频率对该信号进行采样，该采样频率具体地大于该电力系统的频率的400倍，例如对于50Hz的电力系统，采样频率是大约20kHz。
在获得表示零序电流的信号之后，该方法的第二阶段继续，处理所述信号以能够解译在第一阶段检测的故障是否位于电流测量点的线路侧。处理包括：确定在预定义的时间期间零序电流的过零点的数目并且将此数目与第一预定义的阈值(例如，10)相比较。如果过零点的数目低于该阈值，则故障位于该检测点的负载侧。
所述处理优选地还包括：确定在该预定义的时间期间表示零序电流的信号的微分、对所述微分的过零点的数目进行计数、以及与第二阈值(例如，50)相比较。因而可以将故障定位在电流测量点的线路侧或负载侧。如果超过第一阈值和第二阈值，则该故障位于检测点的线路侧。
根据本发明的方法的优选实施例，所述定向检测方法与开关装置的致动有关以将该线路段与已经在其负载侧检测到故障的点隔离。
根据另一个特征，本发明涉及一种在多相电力系统(优选地三相系统)中用于定向检测线路上的接地故障的设备，适合于上述方法。根据本发明的定向检测设备可以与电流传感器(例如检测环形线圈)或为电流传感器提供表示所述电流的信号的合适的磁场传感器有关。定向检测设备还可以形成故障流指示器的一部分，例如如果检测到传感器的故障负载侧，则通过激活指示灯类型的警告装置。在具体的优先实施例中，根据本发明的定向检测设备与线路的保护继电器有关，该警告装置引起该线路的开关装置的致动以隔离其上已经检测到故障的线路段。
具体地，根据本发明的用于定向检测接地故障的设备包括用于接收表示被监视的线路的电流的信号的装置。有利地，所述用于接收的装置包括采样装置，例如对于50Hz的电力系统以20kHz的频率获得大量离散值。
根据本发明的设备包括处理装置，处理结合所述处理装置的激活装置获得的表示信号，该激活装置通过检测接地故障的出现而被触发。检测到接地故障的出现致动激活装置优选地由根据本发明的设备来执行，该设备包括合适的装置，具体地，用于将表示零序电流的信号与检测阈值相比较的装置。
根据本发明的设备的信号处理装置包括用于确定该信号的符号改变的次数并且对于将此次数与阈值进行比较的装置。优选地，提供用于确定零序电流信号的微分的装置，与上述装置通信。该信号处理装置在输出端上耦接到解译装置，该解译装置使得能够确定检测的接地故障相对于获得所述信号的点的相对位置。
附图说明
通过下面对本发明的特定实施例的描述，其他优点和特征将变得更明显，这些特定实施例仅仅针对说明性的和非限制性示例的目的给出并且表示在附图中。
已经描述的图1表示可以使用接地故障检测设备的电力系统。
图2以示意性方式示出了当故障分别出现在检测设备的线路侧和负载侧时表示零序电流的信号。
图3示出了根据本发明的优选实施例的检测方法。
图4表示根据本发明的优选实施例的接地故障检测设备的框图。
具体实施方式
代替现有设备6，根据本发明的用于定向检测故障10的设备20可被用在诸如图1描述的任何三相电力系统1中。具体地，尽管该描述涉及具有固有频率F＝50Hz的电力系统1，但是根据本发明的设备和方法可以直接被适配为其它频率以及大于二的任意数目的相。以下将给出对于平衡的电力系统1的描述，即在没有故障的情况下，零序电流I0为零，但是这不是限制性的，并且可以偏离此理想情况。
当接地故障10出现在线路4上时，有故障的相的电流(理想地)在故障10的负载侧变为零，而它在线路侧减弱。只要涉及其它相，尽管它被按期减弱，但是电流保持准恒定的形式，幅度稍微改变。因而，如图2所示，在故障10的线路侧，由传感器12i检测的零序电流I0与接地故障电流几乎相等，因此具有相对大的幅度。另一方面，位于故障10的负载侧的零序电流I0的检测设备12i+1或位于相邻的馈电器上的设备12’看见主要由于电容性反馈引起的零序电流I0，该零序电流Ix因此具有比前一情况中低的幅度。
由合适的设备12检测的电流I0的载体此外被由于电力系统1的杂散元件(具体地，具体的线路和电缆的电容和电感)的谐振引起的高频(HF)振荡减弱。滤波器传统上与用于检测电流信号以便防止这些干扰的装置有关。本发明选择品质较低的检测的信号，优选地没有滤波，并且使用杂散振荡用于定向检测。HF振荡事实上基本是恒定幅度的并且比检测的零序电流I0的幅度低得多。恰好在故障10的出现以后出现，具体地在随后的20ms中，即在50Hz电力系统1的一个周期内，在诸如故障的检测的负载侧之类的低幅度载体上，这些振荡导致电流信号的许多过零点。另一方面，如果在故障的线路侧检测到电流信号的高幅度载体，则一般的形式被减损，但是没有瞬态电流的符号的多次变化。还得到过零点之间的差以便得到零序电流相对于时间的微分dI0/dt。在根据本发明的方法中，零序电流的过零点的数量和零序电流的微分的过零点的数量从而使得能够确定故障相对于检测设备的位置。
此外有益的是，在根据本发明的方法中，使用相同的零序电流I0用于故障10的存在的初始检测，具体地通过比较检测的电流的幅度与阈值Sd，该阈值可以被调节到电流传感器12被认可的最小检测值，参见图3。因而，在根据本发明的方法中，一旦已经检测到故障D，则在采集时间Tacq期间，例如大约电力系统1的一个周期或电力系统1的频率的至少半个周期期间，即杂散干扰减弱电流信号最多的时间期间，获得表示零序电流I0的信号。根据本发明的有益实施例，采样信号I0以便然后处理离散的值。考虑利用HF杂散信号，采样频率足够高，例如大于电力系统1的频率的400倍，即对于50Hz的三相电流为至少20kHz。
一旦已经获得采样的零序电流I0*，则通过任何方法，图形的或其它方法，确定过零点的数目N。优选地，确定瞬态电流I0*的符号，并且对所述符号的变化的次数计数。然后将过零点的数目N与阈值Z相比较，阈值Z在安装在电力系统1上时根据它的电容和电感特性，具体地电缆和线路的特性而选择。如果N超过阈值Z，则故障D位于获得零序电流I0的位置的线路侧L。尽管零序电流I0的过零点的数目N随着故障10的接近而逐渐减小，但是事实上已经观察到，对于具有分布式负载的线性电力系统1和在线路的末端具有负载的线性电力系统1二者，对于所有传感器12j，j＝1→i，N＜10，以及对于所有传感器12j，j＝i+1→n，N＞10。
对于包括树形结构的电力系统，正常的馈电线4’上的零序电流I0可能被相邻的分支的具有小的幅度的故障10干扰。HF杂散信号对由传感器12’检测的表示零序电流I0的信号的相对影响然后可以产生少量的过零点，具体地低于阈值Z。但是，按照惯例，位于与检测的位置12’相邻的分支4上的故障10应当被认为在线路侧。因此有益的是，当超过阈值Z时，具体地对于包括大于一个馈电线4的这类电力系统，通过使用零序电流I0相对于时间的微分的信号来继续该分析，杂散信号对该信号的影响更精确。
为此，确定在采集时间Tacq内获得的表示采样的零序电流的信号相对于时间的微分d*＝dI0*/dt。以同样的方式，对此微分d*的过零点的数目dN计数并且与阈值dZ相比较。如果超过阈值dZ，则故障位于获得零序电流I0的点的线路侧；如果没有超过，则它位于负载侧。阈值dZ也在安装在电力系统1上时根据电力系统1的电容和电感特性，具体地电缆和线路的特性而选择。
在实践中，对于所有电力系统1，大约50的阈值dZ是合适的。此外，应当注意，当dN＜dZ时，我们也有N＜Z。因此存在结果的一致性。因而该方法可以不区分用于处理微分信号d*的两种情况，并且可以进行微分d*的确定、对它的过零点数目的计数、以及与第二阈值dZ的比较，而不考虑N和Z之间的比较。具体地，此双重比较使得能够确认对于当涉及的相的电流接近于它的参考正弦波上的它的过零点时出现的故障的检测结果。
为了使得定向检测的结果L可靠，可以根据电力系统参数，具体地根据易受根据本发明的原理的影响的参数，即，主要链接到使用的类型的电缆或线路的涉及的电力系统1的较大或较小的电容以及较大或较小的电感性质(事实上研究没有显示出对诸如故障电阻、中线系统之类的参数的任何依赖性)，调节上述阈值。实际上，对于比地下电缆具有更弱的电容杂散元件和更强的电感元件的高架线路，线路侧和负载侧之间的过零点的数目之间的差更大，并且可以使用例如Z＝20以及dZ＝60。
根据本发明的方法可以通过实施在合适的定向接地故障检测设备20中而被安装在保护继电器8中或具有警告系统7的故障指示器中，在优选实施例中如图4所示。设备20包括用于获得表示由用于确定的合适的装置12提供的零序电流的信号的装置22。与根据本发明的设备20有关的传感器12可以是任何类型的，具体地以环绕线路4的导体组的轨道线圈(或零序线圈)的形式。对于高架电力系统，普遍用法是通过磁场传感器12确定零序电流I0。
由用于确定零序电流的装置12提供的信号由定向检测设备20的用于获得的装置22接收，该装置22有利地包括采样模块24，具体地工作在大于20kHz，因而向根据接地故障10的检测而激活的处理模块26提供采样信号I0*。为此，处理模块26连接到任何故障检测设备28；具体地，故障检测设备28与用于获得表示零序电流I0的信号的装置22有关并且包括将零序电流I0与检测阈值Sd进行比较的比较模块。如果超过阈值，则检测到故障D并且激活处理模块26。
处理模块26包括用于确定采样的零序电流信号I0*的微分d*的装置30、用于对零序电流信号I0*和它的微分d*的过零点的数目计数的装置32、和用于将获得的计数N、dN与阈值Z、dZ相比较的装置34。用于计数的装置32可以是用于两个信号的具有两个输入端和两个输出端的单个装置，或者它们可以是两个装置32、32’，每个仅仅包括一个输入端和一个输出端，用于零序电流信号I0*和它的微分d*的每一个。相同的替换方式可以对于用于比较计数与阈值的装置34、34’存在。用于比较的装置34、34’的输出通信到解译装置36，解译装置36的输出是传感器12的接地故障负载侧或线路侧的定向检测的信号L。
图4的设备可以有利地与被连接作为电力系统1的用于电力系统的保护继电器8或用于地下中压线路4的故障流指示器有关，解译模块36的输出触发电路断路器5的断路、警告灯7的发光或任何其它安全和/或警告装置。
因而，根据本发明，已经在不用电压测量的情况下实现了用于在多相电力系统1的线路上进行定向检测接地故障10的方法和设备20，其减轻了设备及其实施。此外，单个电流传感器12是必要的，使得可以使用根据本发明的原理(在于考虑任何电力系统固有的高频干扰)用于任何配置，包括在或者地下的或者高架的三极单电缆上、或者在现有高架的电力系统中，不论它们的电压或它们的线路之间的距离以及因此感应的电磁场如何。此外，由传感器提供的数据的处理操作是简单的，从而在用于所述设备的存储器和处理器方面呈现便利性。
尽管已经参考中线由补偿的阻抗接地的三相配电系统描述了本发明，但是本发明不限于此。本发明可以涉及其它类型的多相电力系统。具体地，任何中线系统是合适的。此外，尽管已经描述了确定和处理瞬时零序电流I0，但是根据本发明的方法可以使用所述电流I0相对于在前一个周期内确定的它的值的变化。此变型具体地证明了在相位之间呈现轻微的不平衡的电力系统的情况下是有意义的，在该情况下，因此零序电流I0在无故障的情况下不为零。
在本发明的优选实施例的范围中呈现的不同的电路、模块和功能事实上利用模拟或数字组件或以利用微控制器或微处理器操作的可编程的形式实现，以及描述的表示信号可以具有电气或电子信号、在存储器或寄存器中的数据或信息值、能够显示在特定指示灯或读出器中的光学信号、利用致动器动作的机械信号的形式。同样，电流传感器可以不同于呈现的示例，诸如霍尔、珀耳帖、法拉第或塞贝克效应传感器或磁控电阻器。

Claims (12)

1.一种在多相电力系统(1)中用于定向检测接地故障(10)的设备(20)，包括：
-用于接收表示电力系统(1)的线路(4)的零序电流的信号的装置(22)，
-处理表示零序电流的信号的处理装置(26)，包括用于确定在预定义的时间段内该信号的过零点的第一数目的装置(32)和用于将过零点的第一数目与第一阈值相比较的装置(34)，
-用于根据在电力系统(1)中接地故障的出现的检测信号激活所述处理装置(26)的装置(28)，
-用于解译该信号的处理的结果以确定该故障是否在该设备(20)的线路侧的装置(36)。
2.根据权利要求1所述的在多相电力系统(1)中用于定向检测接地故障(10)的设备(20)，其中所述用于接收表示零序电流的信号的装置(22)包括采样装置(24)，以大于电力系统(1)的频率的400倍的频率采样。
3.根据权利要求1或2的一个所述的在多相电力系统(1)中用于定向检测接地故障(10)的设备(20)，还包括用于检测电力系统(1)中的接地故障(10)的出现的装置(28)，连接到所述用于激活信号处理装置(26)的装置，所述用于检测的装置(28)包括将表示零序电流的信号与检测阈值进行比较的比较器。
4.根据权利要求3所述的在多相电力系统(1)中用于定向检测接地故障(10)的设备(20)，其中该处理装置(26)还包括用于确定由所述用于接收的装置(22)提供的信号相对于时间的微分的装置(30)、用于确定该信号的微分的过零点的第二数目的装置(32’)、用于将过零点的第二数目与第二阈值进行比较的装置(34’)，以及其中所述用于解译信号的处理的结果的装置(36)被设计为确定该故障是在该设备(20)的线路侧还是负载侧。
5.根据权利要求4所述的在多相电力系统(1)中用于定向检测接地故障(10)的设备(20)，其中第一阈值大于或等于10，以及第二阈值大于或等于50。
6.一种接地故障流指示器，包括布置在要被监视的电力系统(1)的线路(4)上的电流传感器(12)，并且包括连接到所述电流传感器(12)的、接收表示零序电流的信号的、根据权利要求1到5中的一个所述的在多相电力系统(1)中用于定向检测接地故障(10)的设备(20)。
7.一种接地故障保护继电器(8)，包括根据权利要求6所述的接地故障流指示器和用于根据用于解译的装置(36)的结果来致动开关装置(5)的装置。
8.一种在多相电力系统(1)中用于定向检测接地故障(10)的方法，包括：在获得表示所述接地故障(10)的存在的信号之后，触发故障(10)的定向确定，所述定向确定包括连续的步骤：
-在电力系统(1)的至少一个周期的时间段内获得表示零序电流的信号，
-处理表示零序电流的信号，包括在预定义的时间段内对该信号的过零点的数目进行计数以及将所述数目与第一阈值相比较，
-解译处理的结果以指示检测的故障是否位于获得表示零序电流的信号的位置的线路侧。
9.根据权利要求8所述的方法，其中获得表示零序电流的信号还包括：以大于电力系统(1)的频率的400倍的频率进行采样。
10.根据权利要求8或9中的一个所述的方法，其中该信号处理步骤还包括：计算表示零序电流的信号相对于时间的微分、对所述微分的过零点的第二数目计数、以及将过零点的第二数目与第二阈值相比较，以及其中解译处理的结果使得能够指示检测的故障位于获得表示零序电流的信号的位置的线路侧还是负载侧。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述指示接地故障(10)的存在的信号通过将表示零序电流的信号与故障检测阈值相比较来获得。
12.一种用于在接地故障(10)出现时保护电流线路(4)的方法，包括：如果已经通过根据权利要求8到11中的一个所述的方法检测到位于开关装置(5)的负载侧的接地故障(10)，则致动所述线路(4)的开关装置(5)。
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