CN103176106A

CN103176106A - 一种配出中性导体it系统单相接地故障选相方法

Info

Publication number: CN103176106A
Application number: CN201310067295XA
Authority: CN
Inventors: 王金全; 叶小松; 徐晔; 吴振飞; 杨涛; 邢鸣; 李乾; 丁建兴; 冯伟
Original assignee: Jiangsu Zhenan Power Equipment Co Ltd
Current assignee: Army Engineering University of PLA
Priority date: 2013-03-01
Filing date: 2013-03-01
Publication date: 2013-06-26
Anticipated expiration: 2033-03-01
Also published as: CN103176106B

Abstract

船舶岸电系统单相故障选相方法，通过实验得到船舶岸电系统各故障电阻区间特征量的整定值，以绝缘检测装置IMD检测船舶岸电系统的绝缘值；当绝缘检测装置IMD检测到船舶岸电系统的绝缘值下降后，系统进入选相流程，通过采集船舶岸电系统的故障后相线与中性线对地电压值，计算得到三个特征量，分别是A、B、C三相对地电压U_i（i=1、2、3）与相电压E_i差值的绝对值之和Σ(U_i-E_i)、故障前后任意相线与其滞后相对地电压变化量比值的最大值，A、B、C三相对地电压变化量的四次方差D₄，与所述实验得到各故障电阻区间特征量的整定值相比较，得到故障相线。本发明克服了传统IMD中性线故障信号不明显的缺点。

Description

一种配出中性导体IT系统单相接地故障选相方法

技术领域

本发明涉及一种IT系统单相接地故障选相的方法，主要用于采用IT系统供电的船舶岸电系统，可以在系统发生单相接地故障时迅速定位故障相线，及时采取措施，保证系统供电的连续性和可靠性。

技术背景

目前我国港口岸电一直采用陆地建筑供电标准，采用TN系统为港口码头负载供电，电源中性点接地，能够很方便的引出标准的单相交流220V电源，供电安全性高，容易实现用电设备的保护，但由于经常发生单相接地故障而导致供电连续性较差；船舶交流供电系统通常采用三相三线制IT系统，IT系统作为低压配电的一种形式，供电连续性好、可靠性高，在发生第一次单相接地故障时，能够带故障运行一段时间，但需装设专用变压器来获取标准的单相交流220V电压，供电成本较高。为融合TN与IT系统的优点，同时解决船舶IT系统与港口TN系统电制不兼容的问题，目前，已研制出配出中性导体的IT系统，这样的系统不用装设专用降压变压器就为负载提供标准的单相交流220V电源，降低了成本，又融合了传统IT系统供电连续性好、可靠性高的优点，实现了利用一套电力系统同时为船舶和码头供电。然而，配出中性线导体的IT系统不能准确地定位故障相线，现有的IMD（绝缘检测装置）通过检测系统本身的故障电信号作为故障判断的依据，已经能够定位三相三线制IT系统单相接地故障相线（但是误报率较高）；但是，这样的IMD在配出中性导体的IT系统中却不适用，因为当中性线发生单相接地故障时，系统自动转变成中性点直接接地系统或是经小电阻接地系统，中性线上的电气变化量很小，故障信号极小，与正常状况无异（但此时系统已存在绝缘隐患）；这就便造成了中性线故障无法识别，也就失去了应用配出中性导体IT系统的意义。如果能够在系统发生第一次单相接地故障之后和第二次单相接地故障之前定位故障相线，对系统进行维护，排除系统绝缘故障，就能保证系统的供电连续性。对于发生在埋地三芯电缆或四芯电缆上的第一次接地故障来说，指示出哪一相意义不大，因为三相是固化在一条电缆中的，挖开电缆沟排查故障或撤换电缆时即使知道了故障相也不会减少工作量实际现场中绝缘下降很有可能发生在出线柜内的母排等三相分设的环节，例如母排过流发热导致复合绝缘的外层热缩套管劣化等，这时IMD能够指示到具体哪一相，就能很方便查找和排除故障。因此，及时发现故障、判断故障部位并做到及时处理，对于保障电网安全供电和连续供电具有十分重大的意义。

发明内容

本发明的目的是，提出一种考虑线路分布电容和绝缘电阻的船舶岸电系统发生单相故障后，故障相的定位方法，通过测量各相对地电压的有效值，经处理得到特征量，利用故障时特征量的特征来确定故障相；减少了绝缘检测的测量参数的个数，缩小系统的故障查找范围，保证了系统供电的连续性同时为系统的维护工作提供了方便。

本发明的技术方案是：船舶岸电系统单相故障选相方法，通过实验得到船舶岸电系统各故障电阻区间特征量的整定值，以绝缘检测装置IMD检测船舶岸电系统的绝缘值；当绝缘检测装置IMD检测到船舶岸电系统的绝缘值下降后，系统进入选相流程，通过采集船舶岸电系统的故障后相线与中性线对地电压值，计算得到三个特征量，分别是A、B、C三相对地电压U_i（i=1、2、3）与相电压E_i（i=1、2、3）差值的绝对值之和Σ(U_i-E_i)、故障前后任意相线与其滞后相对地电压变化量比值的最大值Max{dU_c/dU_a、dU_a/dU_b、dU_b/dU_c}、A、B、C三相对地电压变化量的四次方差D₄，与所述实验得到各故障电阻区间特征量的整定值相比较，得到故障相线。

进一步的，对船舶岸电系统进行单相短路故障实验，人为在中性线上造成单相短路故障，逐步增大接地电阻值，得到各故障电阻区间的整定值。

进一步的，在船舶岸电系统绝缘下降后采集各相线与中性线对地电压有效值，通过微处理器计算，得到相应的特征量，按照选相流程区分出相线或是中性线故障，再比较电压变化量最大相及其变化情况，精确定位故障相线。

此种故障定位方法是采集故障处各相对地电压有效值，经处理得到所需的特征量，检测到系统绝缘状况下降后，进入选相流程，通过将测量得到的特征量与整定实验中得到的整定值相比较，最后得到选相结果。

本发明的有益效果是：使用本发明所诉的扩大故障信号的思路来选相，可以极大提高选相的可操作性，减少误报率，主要有如下特点。

本发明根据工程现场的实际情况，仅采集各相对地电压有效值进行分析，来判定故障相线，避免了测量相位、幅值等其他参数，简化了选相过程。

本发明针对现有选相技术误报率较高的不足，进过分析，采用将故障信号放大的思路，选定三个特征量，由仿真可以知道，在不同的绝缘电阻区间，A、B、C相故障与N相故障时，对应的特征量区别很大，利用其分辨率极高的特征量来选相，客服了传统IMD（绝缘检测装置）中性线故障信号不明显的缺点，使配出中性线的IT系统在船舶岸电中的应用成为现实。

附图说明

图1配出中性导体IT系统单相接地故障时的电路模型图；

图2特征量Σ(U_i-E_i)随接地电阻变化示意图；

图3特征量Max{dU_c/dU_a、dU_a/dU_b、dU_b/dU_c}随接地电阻变化示意图；

图4特征量D₄随接地电阻变化示意图；

图5为本发明的选相流程图。

具体实施方案

图1为配出中性导体IT系统单相接地故障时的电路模型，系统正常运行时，各相对地绝缘电阻和分布电容都比较一致，绝缘状况良好，因此由节点电压法，其故障前中性点对地电压可以表示为：

{\overset{\cdot}{U}}_{n 1} = - \frac{{\overset{\cdot}{E}}_{a} (\frac{1}{R_{a}} + jw c_{a}) + {\overset{\cdot}{E}}_{b} (\frac{1}{R_{b}} + jw c_{b}) + {\overset{\cdot}{E}}_{c} (\frac{1}{R_{c}} + jw c_{c})}{\frac{1}{R_{a}} + jw c_{a} + \frac{1}{R_{b}} + jw c_{b} + \frac{1}{R_{c}} + jw c_{c} + \frac{1}{R_{n}} + jw c_{n}} - - - (1)

由上式可知，分布电容和绝缘电阻不平衡时中性点对地电压不为零，中性点对地电压不为零将影响到三相对地电压的大小。当分布电容较大时，绝缘电阻的下降对中性点电压影响将很小，导致三相对地电压变化不明显，造成选相困难。当系统各相分布电容不平衡时，中性点对地电压发生偏移，假设此时分布电容仍较大，那么分布电容对中性点电压的“钳位”作用将更加明显，则三相对地电压在发生接地故障前后的变化量更小。本发明采用将故障信号放大的思路，计算得到故障特征量，利用这样的故障特征量可以很清晰地分辨出故障相，为了将故障信号放大处理，选用故障特征量Σ(U_i-E_i)（i=A、B、C），Max{dU_c/dU_a、dU_a/dU_b、dU_b/dU_c}，D₄进行选相运算，Σ(U_i-E_i)为故障后A、B、C三相对地电压与相电压差值的绝对值之和，dU_i为故障前后相线对地电压变化量，D₄为A、B、C三相对地电压变化量的四次方差。利用Maple15软件进行实例仿真计算，设置E_a=220V，E_b=220V，E_c=220V，R_A=20kΩ，R_B=30kΩ，R_C=40kΩ，R_N=50kΩ，C_A=40μF，C_B=30μF，C_C=20μF，C_N=20μF。这种情况下，各相分布电容严重不平衡，经计算，三相初始电压U_a=190.7714V，U_b=222.7057V，U_c=250.6271V，U_n=34.6676V，相线对地电压不平衡。假设系统中B相发生单相接地故障，使故障电阻以5Ω的步长从5Ω变化至1kΩ，以0.5kΩ的步长从1kΩ改变至50kΩ，系统故障特征量的变化过程如图2、3、4所示。通过预先对系统进行特征量整定实验，划分接地故障区间，在不同的区间得到相应的故障信号整定值，当系统发生故障后，利用实测特征值与整定值进行比较，可以精确区分A、B、C相故障或是N相故障，一旦确定是A、B、C相发生故障，比较dU_a、dU_b、dU_c的大小，选出变化量最大的相。若变化量最大相的电压变化为负，则判定其超前相为故障相，否则选择其滞后相为故障相。

针对不同的系统，系统本身的分布电容与绝缘电阻可能存在一定的偏差，造成了初始中性点的漂移，依据上诉选相过程思路，确定M₁(Σ(U_i-E_i)的最大值)、M₂(dU_c/dU_a或dU_a/dU_b或dU_b/dU_c的最大值)均为现场整定值，M₃是根据理论分析计算的值，并通过现场调整得到的，均受到系统分布电容和阻抗不平衡的影响。M₁的整定方法是，利用滑动变阻器对系统N线造成人为接地故障，从0开始调节滑动变阻器的电阻值，测量特征量Σ(U_i-E_i)的最大值，当Σ(U_i-E_i)不再有较大变化时，停止改变滑动变阻器记录阻值R_d（一般不超过2kΩ），并记录此时的Σ(U_i-E_i)值，考虑10%的裕量，设定为M₁值。M₂的整定方法是，利用M₁整定过程中的滑动变阻器值从R_d位置调节至2kΩ，设置N线接地，测量特征量dU_c/dU_a或dU_a/dU_b或dU_b/dU_c的最大值，考虑10%的裕量，设定为M₂值。M₃的确定方法是根据理论分析计算N线接地时D₄的最大值，初步定为M₃的阈值，到现场在根据电压的测量精度和分布电容的情况进行调节。

船舶岸电单相接地故障选相方案，须在工程现场模拟单相接地故障，得到各故障区间的整定值，按照本发明故障选相思路设计程序流程，在系统运行时，实时检测各相对地电压，按照本发明提出的算法，计算得到特征量，当系统发生单相接地故障时，迅速指示故障相，方便系统维护。

首先通过模拟单相接地故障对系统的特征量进行整定，依据特征值在不同的故障区间中的特征，在划分的故障电阻区间中分别采用相应的整定值。

本发明方案的关键在于考虑了线路的分布电容与对地绝缘阻抗不平衡时的情况，在不需要检测系统分布电容的情况下，直接利用简单易得的各相对地电压值，经过一定的算法，得到所需的选相特征值。

系统的具体应用的例子为：配出中性线IT的单相接地故障时的电路模型如图1所示，当检测到系统绝缘下降时，进入选相流程，如图5所示。

Claims

1.船舶岸电系统单相故障选相方法，其特征是通过实验得到船舶岸电系统各故障电阻区间特征量的整定值，以绝缘检测装置IMD检测船舶岸电系统的绝缘值；当绝缘检测装置IMD检测到船舶岸电系统的绝缘值下降后，系统进入选相流程，通过采集船舶岸电系统的故障后相线与中性线对地电压值，计算得到三个特征量，分别是A、B、C三相对地电压U_i（i=1、2、3）与相电压E_i（i=1、2、3）差值的绝对值之和Σ(U_i-E_i)、故障前后任意相线与其滞后相对地电压变化量比值的最大值Max{dU_c/dU_a、dU_a/dU_b、dU_b/dU_c}、A、B、C三相对地电压变化量的四次方差D₄，与所述实验得到各故障电阻区间特征量的整定值相比较，得到故障相线。

2.根据权利要求1所述的船舶岸电系统单相故障选相方法，其特征是对船舶岸电系统进行单相短路故障实验，人为在中性线上造成单相短路故障，逐步增大接地电阻值，得到各故障电阻区间的整定值。

3.根据权利要求1所述的船舶岸电系统单相故障选相方法，其特征是在船舶岸电系统绝缘下降后采集各相线与中性线对地电压有效值，通过微处理器计算，得到相应的特征量，按照选相流程区分出相线或是中性线故障，再比较电压变化量最大相及其变化情况，精确定位故障相线。