CN105359365A - 用于高中压电力系统中的复杂、通用接地故障保护的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及根据权利要求1和8的前序部分的用于高压和/或中压电力系统中的接地故障的方法和装置。为了增强用于测量剩余电流这一特别技术任务的保护系统，本发明是针对电力系统或电力系统的一部分(例如但不限于电缆连接器)中的接地故障保护，其中剩余电流是通过根据相电流值的计算而间接确定的，相电流值是从基于罗氏线圈的电流传感器的输出信号而得到的。

Description

用于高中压电力系统中的复杂、通用接地故障保护的方法和装置

技术领域

本发明涉及根据权利要求1和8的前序部分的用于高压和/或中压电力系统中的接地故障的方法和装置。

背景技术

剩余电流检测是电力系统中的接地故障保护系统的关键。存在两种检测剩余电流的方法。在第一种方法中，使用磁芯平衡电流互感器(CBCT)。对于在电力潮流的方向上的、在CBCT以下的系统的剩余电流来说，互感器的输出是足够的。此CBCT的使用不保护系统中CBCT以上的那部分。此第一种方法可以用在具有较低接地电流的电气网络系统中，例如补偿网络。对于在具有较大接地电流的电气网络系统中的使用来说，这种方法是昂贵的。

第二种剩余电流检测方法使用来自仪表互感器(instrumenttransformer)的相电流信息。然后对这种信息求和，结果就是剩余电流。这种方法可以用于具有较大接地电流的电气网络系统，例如电阻器接地网络。由于电流互感器的灵敏性，这种方法不能用在具有较低接地电流的电气网络系统中。

因此，本发明的目的是，针对测量剩余电流这一特别的技术任务开发保护系统。

本发明给出的解决方案是针对电力系统和/或电力系统部分中的接地故障保护，例如但不限于对电缆连接器的保护，通过从相电流值的计算间接地确定剩余电流，所述相电流值是从基于罗氏线圈的电流传感器的输出信号获得的。

本发明的有利实施例是，基于罗氏线圈的传感器将相电流变换成电压信号，而传感器的电压输出端连接到保护继电器(IED)，所述保护继电器对电压值进行数字化，电压值然后被调整，并且然后被变换成测量的电流的值连同测量的电流的实际相位。

另一个有利步骤是：剩余电流然后在保护继电器(IED)中被确定为相电流的向量和。

然后将剩余电流的值与预设电平进行比较，并且采取设置警报和/或断开断路器和/或给上级的系统层发送信息的预设措施。

可选地，可以在保护继电器(IED)的显示器上向操作员显示剩余电流值，或者使用数字网络向上级控制系统发送剩余电流值。

对于EF保护，尤其在具有较低电平的接地故障电流的系统中的EF保护，对剩余电流的灵敏检测是重要的。存在许多用于检测剩余电流的方法。在补偿系统或小的隔离系统中，一般使用磁芯平衡(环形)电流互感器(CBCT)。虽然利用CBCT的EF保护被广泛使用，但是CBCT代表附加的设备，其要求对其参数以及材料的设计和其它成本投资。

随着数字保护继电器的发展，剩余电流可以容易地被计算为三相电流的向量和。但是，在利用传统的电流互感器(CT)的情况下，这种方法由于CT有限的尺寸造成的有限精确度而具有显著的缺点。这种测量的不精确生成了影响EF保护功能的视在的剩余电流。因此，推荐仅仅在具有较高电平的接地故障电流的系统中使用从相CT计算得到的剩余电流。

具有线性特性并且没有饱和的传感器提供在整个操作范围上高度精确的测量。典型的示例是可以精确地测量从几安培(A)直到几十千-安培(kA)的相电流的电流传感器。这意味着由测量结果的不精确生成的视在的剩余电流可以是非常低的，因此在任何系统、甚至在具有极低电平的接地故障电流的系统中，对从传感器的相电流测量结果计算得到的剩余电流的使用可能不存在限制。

由于不存在铁磁芯，因此传感器在远远超出典型的电流互感器范围的非常宽的一次电流的范围上具有线性响应。因此，可以利用单个二次绕组实现用于测量和保护这两个目的的电流感测。此外，一个标准的传感器可以针对宽范围的额定电流而使用，并且还能够精确地传递包含与额定的频率不同的宽范围的频率的信号。

针对在从额定一次电流的5％(例如4A)直到额定连续热电流(例如4000A)的扩展的精确度范围中的连续电流测量，电流传感器的典型示例可以达到计量等级0.5。对于动态电流测量(用于保护的目的)，电流传感器可以满足对直到显著值的保护等级的要求，此显著值达到额定短时热电流(例如50kA)。

零相电流被计算为相电流的向量和。相电流是从罗氏线圈传感器信号的数字化的值确定的。

在另一个有利实施例中，所述方法用于通过电力系统中的灵敏接地故障保护，产生断开和/或接地和/或短路。

通过使用罗氏线圈，可以将电流传感器放置在电力系统的每个期望的或重要的区域，例如但不限于配电装置室的内部，这是由于电流传感器具有非常紧凑的尺寸。此外，罗氏线圈在所述使用中具有的优点在于：在无铁芯的情况下消除饱和现象，并且因此动态测量范围大幅度地增大。由于罗氏线圈具有线性特性，因此在整个操作范围中提供非常精确的测量。然后可靠地并且精确地测量小得多以及大得多的电流是可能的，然后通过具有相同的标称电流额定值的常规电流互感器进行以上测量可以是可能的。

具有基于罗氏线圈的传感器的面板提供在其它解决方案当中显著的竞争优势，其中基于罗氏线圈的传感器的信号用于剩余电流的计算。与利用常规互感器相比，通过利用基于罗氏线圈的传感器可以在更宽的范围中精确地计算剩余电流。高精度的传感器可以提供精确到足以在具有较小和较大的接地电流的电气网络系统中使用的信息。

在本发明的另一个有利实施例中，用于确定传感器信号值的计算算法被实施为可交换的软件-程序-产品，其中针对配电装置在其它应用中的特定使用，参数被调整或者是可调整的，这样，计算算法经由数据介质或通过浏览器发送的数据文件可传递到操纵电子器件。

这是显著有利的，因为得出了小且紧凑尺寸的本发明电流传感器的使用，并且每个配电装置容易进行改进。因此，可以改进电流传感器，并且仅仅通过由经由数据介质或数据文件将算法数据传递到配电装置的操纵系统而导致的容易的实施，同时可以以相同的方式容易地改进用于电流传感器在保护系统中的操纵和实施的算法。

用于配电装置本身的接地故障保护系统包括用于三相电流路径中的每一个的至少一个无芯罗氏线圈，并且罗氏线圈以这样的方式与保护继电器组合，配电装置的馈线的剩余电流可以被计算，并且在检测到高于预设限制的剩余电流的情况下，激活接地故障保护。

在本发明的另一个有利实施例中，将罗氏线圈应用在薄的环形传感器外壳中，并且传感器外壳具有同心外部肋板，以便扩大沿传感器外壳环的直径的爬电路径。

本发明的优点在于传感器小到足以适应断路器室中的狭小空间，并且其具有这样的标称比(80A/150mV)，使得其可以在好到足以进行充分的I0计算的精确度下测量相电流。

这个解决方案的基本思想是，在非常宽的测量范围的情况下使用这样的传感器以便不具有饱和现象；在这种情况中，传感器可以测量从4A到4000A的电流。对电缆端和连接器的保护是重要的，这是因为它们是配电装置的一部分，其在安装期间被手动准备，并且由于人为错误，隔离和/或屏蔽层的损坏、或者材料杂质，故障在那里相对经常地出现。

根据高压和/或中压配电装置中的电缆连接器的接地故障保护系统，其中罗氏线圈用于电流感测，本发明是，至少一个无芯罗氏线圈被用于三相电流路径中的每一个，并且将罗氏线圈以这样的方式与保护继电器组合，可以计算配电装置的馈线的剩余电流，并且在剩余电流值达到预设电平的情况下，激活接地故障保护。

在另一个非常有利的实施例中，罗氏线圈被应用在薄的环形传感器外壳中，并且传感器外壳具有同心的外部肋板，以便扩大沿传感器外壳环的直径的爬电路径。

线圈的最佳布置是一个罗氏线圈或多个罗氏线圈被布置在肋板之间。

附图说明

在附图中示出了有利的实施例：

图1：在中压配电装置中传感器的使用的概览；

图2：视在的剩余电流的生成；

图3：视在的剩余电流对EF保护性能的影响；

图4：视在的剩余电流与注入的一次电流之间的关系；

图5：网络模型的简化示意图；

图6：连接设备的简化示意图；

图7：连接设备的简化示意图；

图8：在正视图中详细的传感器外壳；

图9：在剖视图中详细的传感器外壳。

具体实施方式

图1示出了中压配电装置面板1的概览。汇流排2和断路器3被示出在内部，断路器3具有较高和较低的连接点或端子。传感器8位于并且被放置在电缆连接器4与断路器3的连接器之间。因此，由于罗氏线圈传感器足够小这一事实，传感器可以容易地被布置在那里。

位于引出部分的是电缆连接器5和引出电缆6以及最后的零电流测量件7。

现代的基于微处理器的保护继电器实现将剩余电流计算为三相电流的向量和。然而，如果常规的CT用于相电流测量，则对于在具有较低电平的接地故障电流的系统中的应用存在限制。由于每个CT的测量误差，推荐仅仅在接地故障电流高于标称电流的10％时使用如图2和图3示出的计算得到的剩余电流。在其它情况中，推荐使用CBCT。此推荐假定已经使用了具有保护精确度等级的CT，并且因此这种等级的有限的精确度被考虑具有附加的安全裕量。

CT的幅度和相位误差使得测量的相电流失真。智能电子设备(IED)然后看到与网络中的真实相电流不同的相电流。因此，由于测量的不精确而生成了视在的剩余电流。

视在的剩余电流的电平通常是相当难以确定的；此外，此分量可能会影响EF保护的正确功能。如果视在的剩余电流相对于接地故障电流太高，则其可能导致EF保护的失灵(错误操作或无法操作)。

I0—网络中真实的接地故障电流

I0(ap)—视在的剩余电流

I0(r)—由IED看到的接地故障电流

另一方面，如果在传感器提供的整个操作范围中测量都是非常精确的，则视在的剩余电流可能是非常低的，而对EF保护的操作没有显著的影响。

进行了基于稳态状况中计算得到的剩余电流的EF保护的一次测试，以确定视在的剩余电流的电平。这些测试在实验室中进行，其中一次电流源向三个连接的传感器供应0-2000A范围中的3相电流。测试系统是作为隔离网络(不具有中性点到地的任何连接)连接的，因此没有真实的剩余电流会出现。因此，接地故障保护的跳闸可能仅仅是由测量不精确生成的视在的剩余电流所导致的。通过逐渐增加注入的一次电流(Ip)并且通过调整EF保护的开始电流来检测视在的剩余电流的电平。如果EF保护跳闸，则视在的剩余电流高于EF保护的开始电流I0(op)。然后EF保护的开始电流的设置被增加一个步长直到不造成跳闸的值I0(inop)。在范围20-1000A中以步长10A注入一次电流(Ip)，并且然后在范围1000-2000A中以步长25A注入一次电流。

REF615中EF保护的设置：

标称电流：In＝40A

开始电流：从In的1％到In的3％

时间延迟：40ms

Ip—在一次电流源上设置的注入电流；Is1、Is2、Is3—从IED读取的相电流；I0(op)[％]，[A]—在IED跳闸时EF保护的开始电流，单位为[％]，[A]；I0(inop)[％]，[A]—在IED不跳闸时EF保护的开始电流，单位为[％]，[A]。注意：表1中提到的仅仅是视在的剩余电流的变化的测量值。

一次3相电流源不能提供相之间的恰好120°相移。这一事实导致测量的三相中的电流的不同幅度值，但是对测量的精确度、计算得到的剩余电流的精确度、或EF保护性能没有任何影响，这是因为由作为隔离系统的设备的连接造成一次相电流的向量和一直是零。

图4中上面的曲线(不操作的)代表EF保护没有跳闸时的特性，而下面的曲线(操作的)代表EF保护被视在的剩余电流激活并跳闸时的特性。因此，视在的剩余电流的幅度然后达到由灰色区域表示的蓝色特性和红色特性之间的值。根据这些结果，显而易见的是，视在的剩余电流达到非常可接受的值，这证明了传感器测量的高精确度，例如，针对注入电流2000A的视在的剩余电流是在范围1-1.2A中的。

测试的结果表明如果从传感器测量结果而计算得到的剩余电流被使用，则将EF保护的推荐设置从标称电流的10％降到更低的值是非常有希望的状况。

进行了在网络模型(供电电压230V)上基于计算得到的剩余电流的EF保护的一次测试，以证明瞬态工况中的行为，并验证来自稳态工况中在实验室进行的先前测试的正面结果。

网络模型包括：供电升压变压器、断路器、实现生成需要类型的网络中性点接地的变压器、以及不同类型的负载，例如，用于对侵入电流进行稳定性测试的电力变压器、或用于接地故障测试的电容器。

230V230V的电力变压器、电容器、升压电力变压器、电力变压器。

图5显示了对侵入电流进行网络模型稳定性测试的简化示意图。侵入电流代表在不能用适当的参数设计CT(主要是由于有限的尺寸或者所需要的低额定一次电流)的情况下常规CT的有问题的元件。在电力变压器的切换操作期间，侵入电流会导致这样的CT的饱和，如果使用计算得到的剩余电流，则这然后会发起EF保护的误跳闸。因此，用连接到具有由连接的电阻器Rb＝500Ω提供的非常高的二次负载的CT的IEDRET615有意地模拟这种情况。

IEDREF615连接到组合的传感器，以用于相电流和相电压测量。使用连接到REF615的CBCT作为参考。REF615RET615电力变压器3xRb3I0组合传感器CBCTCT3I0Rb＝500Ω电力变压器。

图6显示了稳定性测试期间连接的设备的简化示意图。基于从传感器测量结果而计算得到的剩余电流的EF保护(在REF615中)被设置为更灵敏(最小的)设置：

标称电流：In＝40A

开始电流：In的1％

时间延迟：40ms

模拟了25个测试来验证针对侵入电流的稳定性，而不存在基于从传感器而测量计算得到的剩余电流的EF保护(在REF615中)的任何误跳闸。利用IEDRET615来模拟CT在电力变压器的切换操作期间由于侵入电流而饱和并且因此产生EF保护的误跳闸的情况。尽管现代IED可以检测侵入电流并因此可以避免EF保护的不想要的跳闸这一事实存在，但是用户仍然不经常使用这样的功能。

对具有有隔离中性点的隔离中性点系统的网络模型上的接地故障的测试可以代表对传统的接地故障检测的挑战，在剩余电流电平非常低的小网络的情况中更是如此。测试的目的是验证在瞬态工况期间在网络模型上具有低电平的接地故障电流的隔离系统中EF保护的行为。通过在所有三相中连接的电容器模拟网络电容。IEDREF615连接到组合的传感器。将CBCT用作剩余电流测量的参考。

基于从传感器测量结果而计算得到的剩余电流，EF保护(在REF615中)被设置为最灵敏(最小的)设置：

标称电流：In＝40A

开始电流：In的1％

时间延迟：60ms

模拟了三种不同类型的接地故障：固定接地故障(solidearthfault)、低和高阻抗接地故障、和间歇接地故障。

考虑隔离网络中的固定接地故障；

在固定接地故障的模拟期间，相L1连接到地。总共进行了6个测试，其中验证了对接地故障电流检测的正确以及适当的方向性功能(正向和反向)。

接地故障之前的相电流近似为0.5A。在测试期间接地故障电流近似为1.6A，并且EF保护总是正确地检测这种接地故障电流。(从3相电流传感器测量结果)计算得到的剩余电流与(由CBCT)直接测量的剩余电流之间的最大幅度偏差大约是0.1A。在计算得到的剩余电流侧，此偏差可能是由视在的剩余电流引起的，而在另一侧，参考CBCT的精确度也可能由于这样的低电流的测量而受到限制。

考虑隔离网络中的阻抗接地故障；

在阻抗接地故障的模拟期间，相L1经由具有以下电阻值的电阻器连接到地：Rf＝1.13Ω；50Ω；100Ω；114Ω；115Ω。总共进行了5个测试，具有正面结果和对接地故障正确的检测。接地故障电流在1.6A到0.7A的范围内。(从3相电流传感器)计算得到的剩余电流与(由CBCT)直接测量的剩余电流之间的最大幅度偏差大约也是0.1A。

考虑隔离网络中的间歇接地故障；

对于间歇接地故障的模拟，使用了5.4Ω和250Ω的变阻器。通过移动变阻器背面的销来模拟间歇EF，在此处生成小的电弧。总共进行了11个测试，其中在所有这些非标准状况期间，EF保护都正确地运行。

可以总结性地说：

基于非常规原理的中压(MV)传感器代表了在MV系统中如何测量电流和电压以用于保护和监测目的的可替换方式。由于传感器紧凑的尺寸、高水平的标准化、可忽略的能耗、高可靠性、和安全性，对用户和应用存在许多优点。传感器在整个操作范围内的线性特性以及非常精确的测量提供了保护方案中新的可能。具有EF保护的应用代表了可以充分利用这些益处的一个领域。

执行了稳态工况以及瞬态工况中的测试，以便证明基于从传感器测量结果而计算得到的剩余电流的EF保护的概念。

测试的结果表明了非常有希望的状况，基于从传感器测量结果而计算得到的剩余电流，将推荐的EF保护最小设置降低到与从常规CT测量结果计算得到的剩余电流的情况相比更低的值。这将实现也在具有非常低电平的接地故障电流的网络(例如补偿网络)中使用计算得到的剩余电流，这将有助于材料和成本的节省，进一步简化保护方案，并提高保护系统的可靠性。基于从传感器测量结果而计算得到的剩余电流的EF保护的整体概念将通过利用网络中的现场测试被进一步验证。

图8示出了罗氏线圈被布置其中的外壳。外壳在边缘处具有两个用作定点的法兰(flange)元件。

外壳具有针对导线的圆形内部开口。外围应用了同心结构，以便扩大与直径方向平行的爬电路径。

也在图9中示出了此细节。

沿外壳直径的切口使得爬电长度的扩大可见。外壳的内表面被金属化以形成接地屏蔽，并且形成罗氏线圈的组件被铸造在外壳中。

附图标记

1配电装置面板

2汇流排

3断路器

4电缆连接

5电缆连接器

6电缆

7零相电流测量

8传感器位置

10传感器外壳

12定点

13爬电长度结构

14罗氏线圈

Claims (10)

1.一种用于高中压电力系统使用的通用接地故障保护的方法，其中罗氏线圈用作电流传感器，其特征在于：

电气系统中的接地故障保护，剩余电流被间接地确定为相电流的和，所述相电流是从基于罗氏线圈的电流传感器的输出确定的。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述基于罗氏线圈的传感器将所述相电流变换成电压信号，并且所述传感器的电压输出连接到保护继电器(IED)，所述保护继电器对电压值进行数字化，然后所述电压值被调整并且然后被变换成测量的电流的值连同测量的电流的实际相位。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：

所述剩余电流然后在所述保护继电器(IED)中被确定为所述相电流的向量和。

4.根据前述权利要求中的至少一个所述的方法，其特征在于：

所述剩余电流的值与预设电平然后进行比较，并且采取设置警报和/或断开断路器和/或向上级系统层发送信息的预设措施。

5.根据前述权利要求中的至少一个所述的方法，其特征在于：

在所述保护继电器(IED)的显示器上向操作员显示所述剩余电流值，或者使用数字网络向上级控制系统发送所述剩余电流值。

6.根据前述权利要求中的至少一个所述的方法，其特征在于：

所述方法用于通过配电装置中的灵敏接地故障保护，生成断开和/或接地和/或短路切断。

7.根据前述权利要求中的至少一个所述的方法，其特征在于：

用于确定所述剩余电流值的计算算法被实施为可交换的软件-程序-产品，其中针对配电装置在其它应用中的特定使用，参数被调整或是能够被调整的，这样所述计算算法经由数据介质或者经由浏览器发送的数据文件能够传递到操纵电子器件。

8.一种高压和/或中压配电装置中的电缆连接器的接地故障保护系统，其中，罗氏线圈用于电流感测，其特征在于：

至少一个无芯罗氏线圈用于三相电流路径中每一个，并且所述罗氏线圈以这样的方式与保护继电器组合，所述配电装置的馈线的剩余电流可以被计算，并且在剩余电流值达到预设电平的情况下，接地故障保护被激活。

9.根据权利要求8所述的接地故障保护系统，其特征在于：

所述罗氏线圈被应用在薄的环形传感器外壳中，并且所述传感器外壳具有同心的外部肋板，以便扩大沿传感器外壳环的直径的爬电路径。

10.根据权利要求9所述的接地故障保护系统，其特征在于：

所述一个罗氏线圈或多个所述罗氏线圈被布置在所述肋板之间。