CN106415286A - 用于脉冲接地故障检测和定位的系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于在高电阻接地(HRG)配电系统中定位接地故障的系统，包括：脉冲电路，其被配置为将脉冲电流引入分配系统中；以及电流传感器，其适于监视存在于分配系统的导体上的三相电流信号，其中电流传感器位于包括在HRG配电系统中的多个分配网络上和包括在每一个相应的分配网络上的保护装置处。与每一个保护装置相关联的处理器接收来自电流传感器的信号，用于识别在HRG配电系统中的接地故障的位置，其中与每一个保护装置相关联的处理器在多个循环上接收来自电流传感器的三相电流信号的测量值，并且识别横跨多个循环的三相电流信号中的关注模式，以便检测接地故障。

Description

用于脉冲接地故障检测和定位的系统和方法

技术领域

本发明一般涉及配电系统，以及更具体地涉及用于使用脉冲检测算法来检测和定位在配电系统中的高电阻接地故障的系统和方法。

背景技术

接地故障是其中电流流到地的电气系统中的不期望的状况。当分配或传输网络中的电流泄漏到其预期流动路径之外时，接地故障发生。分配和传输网络通常以这种方式防止故障，即故障部件或传输线路在相关联的断路器的帮助下自动断开。

各种接地方法可以用于配电系统，以使得这种系统通常可被描述为直接接地系统、未接地系统、高电阻接地系统或低电阻接地系统。采用直接接地系统，故障电流很大，且故障装置(如电动机)必须立即脱机。在未接地系统中，高故障电流通常不发生在第一接地故障之后，但是可以存在于产生相到相短路的后续故障上。高瞬态线对地过电压同样是未接地系统的潜在问题。电阻接地系统(高和低)限制故障电流，并已经在其中以最小化停机时间为关键目标的工业过程控制中变得普遍。然而，对于每一个系统，应认识到接地故障感测需要不同的电平和技术。

在直接接地系统中，接地故障电流非常大，并且功效的主要测量是跳闸的时间(time-to-trip)。跳闸时间由UL1053指导。典型的装置可以使用在满载安培(FLA)的10-30％处具有最小电流电平的残差和方法(residual sum method)。这些装置同样要求接地故障跳闸禁止电平，以防止过载尝试断开超过中断装置额定值的接地电流。这种禁止功能对于具有低中断额定值的装置(诸如电动机起动器)是重要的。用于保护直接接地系统的许多装置提供分开的并联跳闸输出，以使得能够中断高故障电流的电流路径中的另一个装置(诸如断路器)可中断故障电流而不是接触器。直接接地系统是工业生产设备中最常见的类型。

在未接地系统中，接地电流的路径通过电缆中的电容。这意味着在单个故障的情况下可能存在非常低的接地电流。感测和定位接地故障可能需要高灵敏度的装置。因为接地电流基本上可忽略，所以未接地系统具有即使一相故障接地仍能够保持服务的优点。然而，在这种情况下必须提供适当的接地检测以报警(不跳闸)，并且由于故障电流如此低，所以除非电流监视继电器非常灵敏(需要外部电流互感器)，否则该电流监视继电器可能对未接地系统无效。

高电阻接地(HRG)系统已经变得普遍，因为它们限制故障电流，允许系统在单个接地故障的情况下保持服务，其中电流通常被限制为小于5安培。定位故障通常采用有时与脉冲电路组合的手持式电流表来完成。期望如电动机保护继电器(MPR)的保护装置，其足够灵敏以定位故障(具有和不具有脉冲)。实际上，MPR可以能够采用内部求和方法通过NEMA尺寸(size)3来检测故障电流，但是对于更大的应用，需要零序电流互感器。这要求接地故障感测装置在使用残差和方法时具有等于收益表(revenue meter)的电流测量能力。

通过设定电阻器的大小以使得在接地故障期间流过更高的接地故障电流(通常为200-800A)，来产生低电阻接地系统。接地故障电流受到限制，但是具有足够高的幅度以要求其尽快从系统中移除。低电阻接地布置通常用于仅具有三线负载的中压系统中。低电阻接地布置通常比高电阻接地布置便宜，但比直接接地系统更贵。

特别关于HRG系统，应认识到使用手持式电流表来跟踪电力系统中的高电阻接地故障(HRGF)并不提供用于定位故障的理想解决方案。也就是说，在利用手持式电流表跟踪电力系统中的接地故障上，通常必须将电流表放置成使得其围绕电力系统中所选择的测量点处的所有导体，以便指示测量点是否在接地阻抗和接地故障的位置之间。虽然这提供了精确的结果，在多个位置处电流表的这种手动定位，即在电力系统中从一个点移动到另一个点，直到故障被定位，但是该过程被认为是耗时和劳动密集的。

更近期开发了用于在高电阻接地电力系统中跟踪HRGF的其它自动化技术，其消除了对手持式电流表的需要。一种这样的技术使用处理器来计算配电系统中存在的电流和电压相位角之间的关系，其中该技术读取电流和电压，计算零序电流(在减去电容性充电电流之后)，然后运行该信号通过低通模拟滤波器，以便确定在脉冲前后零序电流的RMS幅度值中的变化，如果滤波器的输出幅度超过某个预定值，则识别故障馈线(feeder)。虽然这种技术确实提供了在高电阻接地电力系统中跟踪接地故障而不使用手持式电流表，但是该技术需要使用电压传感器，因为需要额外的灵敏度以区分电容性充电电流与实际脉冲接地电流，因此增加了系统的成本。另外，该技术非常复杂且计算密集，而同时，某些元件在能够检测故障方面不稳健。

因此，期望提供一种系统和方法，其提供检测三相配电系统中的HRGF并识别HRGF位置的计算效率高的不使用手持式电流表的方法。

发明内容

本发明的实施例提供一种系统和方法，用于检测配电系统中的HRGF并识别这种接地故障的位置。

根据本发明的一个方面，一种用于定位在高电阻接地配电系统中的接地故障的系统包括：脉冲电路，其被配置为将脉冲电流引入分配系统中；以及多个电流传感器，其适于监视存在于分配系统的导体上的三相电流信号，其中多个电流传感器位于包括在高电阻接地配电系统中的多个分配网络上和包括在每一个相应的分配网络上的保护装置处。系统同样包括处理器，该处理器与每一个保护装置相关联并且可操作地连接到在那里的电流传感器以接收来自电流传感器的信号，用于识别在高电阻接地配电系统中的接地故障的位置，其中与每一个保护装置相关联的处理器被编程为在多个循环(cycle)上接收来自电流传感器的三相电流信号的测量值，以及识别横跨多个循环的三相电流信号中的关注模式(pattern of interest)，以便检测接地故障。

根据本发明的另一方面，一种用于检测在高电阻接地配电系统中的接地故障的方法包括：在高电阻接地配电系统中的多个分配网络中的每一个分配网络上提供保护装置，每一个分配网络具有与其连接的三相负载。该方法同样包括：在每一个保护装置处设置电流传感器；经由脉冲电路将脉冲电流引入高电阻接地配电系统中；经由电流传感器监视每一个保护装置处的电流以收集三相电流数据；以及将电流数据输入到与每一个保护装置相关联的处理器以识别和定位在高电阻接地配电系统中的接地故障。识别和定位接地故障进一步包括：从收集的三相电流数据确定均方根(RMS)电流；识别横跨多个循环的RMS电流中的阶跃变化，以检测存在于相应保护装置处的脉冲电流；以及基于脉冲电流的检测将在高电阻接地配电系统中的接地故障定位到相应的分配网络。

根据本发明的另一方面，一种用于检测在高电阻接地(HRG)配电系统中的接地故障的系统包括保护装置，该保护装置连接到在HRG配电系统中的一个或多个分配网络中的每一个分配网络，该保护装置提供对其相关联的分配网络的监视和对与其连接的负载的保护。该系统同样包括多个电流传感器，其与保护装置可操作地通信以测量在分配网络上的三相电流，三相电流包括接地电流和电容性系统(capacitive system)充电电流。保护装置包括处理器，该处理器被编程为：在多个循环上接收来自电流传感器的三相电流信号的测量值；基于从电流传感器接收的三相电流信号来确定均方根(RMS)电流；以及分析横跨多个循环的RMS电流以识别指示高电阻接地故障的关注模式。

从下面的详细描述和附图中，本发明的各种其它特征和优点将变得显而易见。

附图说明

附图示出了目前预期用于实施本发明的优选实施例。

在附图中：

图1是根据本发明的实施例的用于在高电阻接地(HRG)配电系统中定位接地故障的系统的示意图。

图2是示出在示波器的接地电流波形上的脉冲方波均方根(RMS)电流的图，其说明HRGF的存在。

图3是示出根据本发明的实施例的阈值平方电流波形和输出标志值的轨迹的图，该阈值平方电流波形和输出标志值的轨迹二者都由脉冲检测算法生成。

图4是示出根据本发明的实施例的用于检测在图1的配电系统中的HRG接地故障的技术的流程图。

具体实施方式

本发明的实施例涉及用于在配电系统中检测和定位HRGF并在检测到接地故障时保护配电系统免受这种接地故障的系统和方法。用于检测和定位这些HRGF的系统和方法可以用在包括多个结构和控制方案的配电系统中，并且因此本发明的应用不旨在严格地受限于具有下面在此描述的特定结构的配电系统。

首先参考图1，根据本发明的示例性实施例，提供了可以实施本发明的实施例的配电系统10。系统10包括具有输入侧14和输出侧16的电力互感器12。在图1的示例中，电力互感器12包括三相，即第一相18、第二相20和第三相22，它们根据初级和次级绕组的角度耦合。也就是说，在初级上的第三相22具有与次级上的第一相18所示的角度相同的角度。同样地，初级上的第一相18与次级上所示的第二相20耦合，并且初级上的第二相20与如在次级上的第三相22所示的耦合。

电力互感器12的三个相18、20、22耦合到多个三相分配网络24、26。尽管在图1中仅示出了两个分配网络24、26，但是应认识到在配电系统10中可以包括更多数量的配电网络。诸如感应电动机的负载28例如连接到每一个配电网络24、26以从其接收三相电力。每一个分配网络24、26在适当时同样设置有断路器30以及其它保护装置。

在图1的实施例中，将配电系统10设置为三相高电阻接地(HRG)配电系统，其中在电力互感器12的输出侧16处的中性线32经由包括在接地装置36中的一个或多个接地电阻器34接地。接地电阻器34被配置为减小接地故障电流，以使得系统10可以在定位接地故障时保持操作。也就是说，当系统10中发生接地故障时，接地电阻器34限制故障电流，其导致在故障相中的相对地电压的崩溃(collapse)。

接地装置36同样包括并入接地装置36中并被配置成将测试信号引入配电系统10中的测试信号发生器38(即，“脉冲电路”)。测试信号是以例如0.5至10Hz的频率以期望间隔生成的脉冲电流信号。在所示的实施例中，脉冲电路38包括开关40(即触点)和相关联的控制器42，其被设置为在配电系统10中生成脉冲电流信号。通过闭合开关40(经由控制器42)，接地电阻器34中的一个接地电阻器周期性地部分短路，从而以期望的间隔生成脉冲信号。根据本发明的实施例，可以使脉冲电路38以各种方式引入脉冲信号，诸如在检测到接地故障时手动设定以引入脉冲信号，或者在检测到接地故障时自动引入脉冲信号。添加脉冲信号的持续时间同样可根据各种控制方案而受到控制，因为它们对本发明并不关键，所以在此将不进一步详细讨论。

如在图1中进一步所示，为高电阻接地配电系统10提供接地故障定位系统48。接地故障定位系统48包括耦合到三相配电系统10的多个电流传感器50、52，用于测量瞬时三相电流的值。在一个示例性实施例中，诸如在与配电网络24、26上的负载28相关联的接触器和/或控制/保护装置是NEMA尺寸4或5的情况下，电流传感器50、52可以是被配置成生成表示通过每一个相的瞬时电流的反馈信号的电流互感器(CT)。当然可以利用其它类型的电流传感器。

电流传感器50、52位于相应的分配网络24、26上并且定位在分配网络上以在与其连接的保护装置54处测量三相电流信号。根据各种实施例，保护装置54可以是为所连接的负载(诸如例如电动机)提供保护的保护继电器、断路器跳闸单元、计量装置、IED(智能电子装置)、RTU或保护继电器的形式。因此，虽然在此之后具体参考是“电动机保护继电器”的保护装置，但是应当理解，用于电动机或其它负载的其它保护装置被认为在本发明的范围内。如在图1中所示，电动机保护继电器单元54包括在接地故障定位系统48中并且作为具有电力监视、诊断和灵活通信能力的高度可配置的电动机、负载和线路保护装置来操作–其包括控制分配网络24、26上的接触器56。由电流传感器50、52生成/测量的电流信号被提供给并入到电动机保护继电器单元54中的处理器56。尽管处理器56被示出和描述为并入到电动机保护继电器单元54中，但是应认识到处理器56同样可以作为独立的装置/单元或并入/形成另一装置，包括基于模块的微处理器、专用或通用计算机、可编程逻辑控制器或逻辑模块。如下所述，处理器56可以提供从电流传感器50、52接收的信号的模数转换，数字地过滤从电流传感器50、52接收的信号，并且执行用于识别存在接地故障的计算，该接地故障指示在配电系统10中的HRGF状况。

在操作中，每一个电动机保护继电器单元54的处理器56从其相关联的电流传感器50、52接收关于存在于电流传感器所附接的(即，在电动机保护继电器单元处)分配网络24、26上的测量的三相电流的信号。取决于在配电系统10中的接地故障的位置，由电流传感器50、52测量的电流可以是对正常发生的系统“电容性系统充电电流”(加上可存在的任何标称附加电流，即“无接地故障”标称电流)的测量，或者可以是对电容性系统充电电流和由位于其上的接地故障导致的存在于配电网络24、26中的一个上的接地电流的测量。如上所述，接地装置36的脉冲电路38用于在发生接地故障时将脉冲信号引入配电系统10中。该脉冲电流信号被周期性地(例如，1Hz的频率)引入，并且用于增加在配电系统10中存在的接地故障电流，其中如果接地电流存在，则接地电流的增加可以由电流传感器50、52测量。根据实施例，脉冲电流信号用于将接地故障增加1.5-3.0倍的因数，其中在示例性实施例中提供的电流加倍。

根据从电流传感器50、52接收的电流信号，可计算存在的电容性系统充电电流和接地故障电流的均方根(RMS)电流值，其中该RMS电流具有方波。与由传感器/CT 50、52测量的示波相电流58相比，所确定的方波RMS电流57的示例在图2中示出(用于单相)，其中RMS值在线电流的频率速率(frequency rate)下确定。在图2中提供的示例中，RMS电流57的方波被示出为以设定的间隔周期性地变化，其中由于脉冲电流周期性注入到配电系统10中，电流在周期58处具有较低值并且在周期60处具有增加(即，加倍)的值。

在操作中，处理器56在多个循环(例如，60个循环)上监视电流的RMS值，以便识别指示在配电系统10中HRGF的存在和位置(即在配电网络24或配电网络26中HRGF的存在)的RMS值中的模式。为了识别这种模式，将RMS电流值输入到存储在处理器56上的“脉冲检测算法”中。存储在处理器56上的脉冲检测算法用于对相关联的RMS值阈值化，以便检测注入的脉冲检测电流的存在。然而，例如，应当认识到，在用于检测注入的脉冲检测电流的算法中可以利用其它合适的技术，诸如傅立叶分析/变换、锁相环或其它频谱估计技术。

在输入RMS电流值时，存储在处理器56上的脉冲检测算法能够基于方波的幅度和指示接地故障的存在的当前数据中的模式来识别接地故障的存在和位置。更具体地，算法在接地RMS电流的方波中查找模式，用作边沿检测器，以识别在电流的方波中的阶跃变化并检查任何这种阶跃变化的持续时间，以便验证接地故障的存在，其中RMS电流波形与预定的HRGF和脉冲阈值比较。在操作中，RMS电流被异步地采样到脉冲电路38正在切换时，以使得采样周期中的一些采样周期将不可避免地包括一些低电流和高电流读数。测量背对背电流样本以验证它们处于特定范围内，并且继续电流采样直到测量到更高或更低值的阶跃变化，然后执行进一步采样以验证已测量到真边沿(true edge)并且不仅仅是伪读数，如将在下面更详细解释的。

在图3中示出了由脉冲检测算法分析的示例性方波。如在其中所示，经由分析方波电流可以清楚地识别在62处指示的方波电流中的第一阶跃变化，其中阶跃变化指示从0安培到3安培的电流值中的变化。该第一阶跃变化说明了在配电系统10(图1)中的潜在HRGF的检测-其包括确定测量的HRGF超过预定的HRGF阈值。方波电流中的第二阶跃变化(在64处指示)在图3中同样是可见的，并且如其中所示，指示从3安培到6安培的电流值中的变化。该第二步骤变化说明了检测到在测量/监视电流的特定位置处存在的脉冲电流，其包括确定测量的HRGF超过预定的脉冲阈值。

如可以在图3中进一步看到的，在识别电流的方波中的任何阶跃变化和检查任何这种阶跃变化的持续时间以便识别HRGF的存在上，脉冲检测算法输出指示状态/状况的几个“标志”值中的一个，该状态/状况存在于电流被监视的特定位置处(即，在电动机保护继电器54处的每一个分配网络24、26上)，其中轨迹66说明标志值。更特定地，输出的标志值可以指示没有检测到接地电流，已经检测到接近/超过HRGF阈值的接地电流，或者已经检测到脉冲电流。根据示例性实施例，脉冲检测算法的输出是可以取三个值0、1或2中的一个的输出标志。如在图3中可看到的，如在68处示出的具有值0的输出标志指示没有检测到接地电流。如在70处示出的具有值1的输出标志指示已经检测到接近/超过HRGF阈值的接地电流(即，HRGF标志＝1)。如在72处示出的具有值2的输出标志指示已检测到脉冲电流(即，HRGF标志＝1+脉冲标志＝1)。

根据本发明的一个实施例，脉冲检测算法同样可以生成具有第四值的输出标志，该第四值指示接地电流不超过HRGF阈值，但是检测到脉冲电流。如果电动机保护继电器54和属于负载的电动机(motor under load)非常接近(即，短的电缆距离)，则可能发生这种情况，因为电动机保护继电器54将仅测量其下游的充电电流，而HRG装置看到连接到它的所有充电电流的矢量和。第四标志值同样可以指示脉冲系统的故障。

在输出特定标志值时，脉冲检测算法可以监视输出标志值的连续采样的持续时间/数量，以便验证在相应分配网络24、26上的特定状况被监视的标识。如果特定标志值保持一段特定时间周期，即几个连续循环或电流样本，则算法确定验证特定状况存在并且不是“假”状况。参考图3，例如，对于约200至约3200的线循环计数输出标志值2，这将指示在特定监视点处检测到脉冲电流的时间长于验证所需的最小循环数/样本，并且因此在该位置处(即，在该分配网络24、26中)存在接地故障。

现在参考图4，并继续返回参考图1，根据本发明的示例性实施例，提供了示出可存储在处理器56上的脉冲检测算法76的流程图。该流程图示出了所执行的算法的单次迭代，但是认识到该算法在多个循环上运行并且用于收集和比较由此接收的各种电流测量值。如在图4中所示，在步骤78处指示的算法76的开始，设定一系列初始化参数用于执行算法，包括：HRGF阈值(例如0.75*HRGF电平)、脉冲阈值(例如，2*HRGF阈值)、最大脉冲持续时间(例如，1/最小脉冲频率)和脉冲超时值(例如，最大脉冲持续时间(1/f₀))。在步骤78处同样设定用户配置参数，包括HRGF电平(例如，1-5安培)、HRGF脉冲频率、HRGF脉冲跳闸延迟(1-30秒)以及最小和最大脉冲电流注入频率(例如，分别为0.5Hz和10Hz)的被硬编码的常数。同样在步骤78的开始，向接地电流RMS值(GF_RMS)的算法提供输入。

算法76然后在步骤80处继续，其中做出关于GF_RMS值是否大于预设的HRGF阈值的确定。如果确定GF_RMS值不大于HRGF阈值，如在82处所示，则算法在步骤84继续，其中HRGF标志和脉冲标志的值各自被设定为零。然后，算法将继续到步骤86，将HRGF标志和脉冲标志值的和相加，以确定由算法输出的总输出标志值。可以看出，当算法76从步骤84进行到步骤86时，输出标志值将为零-指示在配电系统10中不存在接地故障。

返回参考步骤80，如果确定GF_RMS值大于HRGF阈值，如在88处所示，则算法在步骤90处继续，其中HRGF标志的值被设定为1。算法然后继续到步骤92，在该步骤处做出关于GF_RMS值是否大于预设脉冲阈值的下一个确定。如果确定GF_RMS值不大于脉冲阈值，如在94处所示，则算法在步骤96处继续，其中做出关于来自算法76的先前迭代的脉冲标志是否已经被设定为具有值1的确定。如果确定来自先前算法迭代的脉冲标志的值不是1(即，脉冲标志＝0)，如在98处所示，则算法进行到步骤86。可以看出，当基于在步骤96处的来自先前迭代的脉冲标志值不为1的确定，算法76进行到步骤86时，则基于HRGF标志值为1(步骤90)，在步骤86处的输出标志值将为1。在将输出标志值设定为1上，应认识到HRGF可以存在于配电系统10中，并且同样地，脉冲电路38将引入以期望的间隔(例如1Hz)生成的脉冲电流信号，以提供在系统中的HRGF的确认以及用于其到特定分配网络24、26的定位。

现在返回参考步骤96，如果确定来自先前算法迭代的脉冲标志的值设定为1，如在100处所示，则算法在步骤102处继续，其中脉冲超时的当前计数在值上增加。在增加脉冲超时计数时，然后在步骤104处做出关于当前脉冲超时计数是否大于预先设定的脉冲超时(即，在步骤78处设定)的确定，其如先前所指示的，被定义为：脉冲超时＝最大脉冲持续时间1/f₀)。

如果确定当前脉冲超时计数不大于脉冲超时，如在106处所示，则算法进行到步骤86。可以看出，当基于在步骤96处的来自先前迭代的脉冲标志值被设定为1的确定，并且基于在步骤104处的脉冲超时计数不大于预设脉冲超时的确定，算法76进行到步骤86时，则基于HRGF标志的值为1(步骤90)并且来自先前迭代的脉冲标志的值保持在1处，在步骤86处的输出标志值是2。

相反，如果在步骤104处确定当前脉冲超时计数大于脉冲超时，如在108处所示，则算法进行到步骤110，其中脉冲超时的计数被重置为零，以及脉冲标志的值被设定归零(如与先前迭代中的值1相比)。因此，当基于在步骤96处的将先前迭代的脉冲标志值设定为1的确定并且基于在步骤104处的脉冲超时计数大于预设脉冲超时的确定，算法76进行到步骤86时，则基于HRGF标志的值为1(步骤90)并且脉冲标志的值被设定归零，在步骤86处的输出标志值将为1(步骤110)。

现在返回参考步骤92，如果确定GF_RMS值大于脉冲阈值，如在112处所示，则算法在步骤114处继续，其中用于算法的当前迭代的脉冲标志的值被设定为1。同样在步骤114处，脉冲时间计数被设定为零。

在脉冲标志被设定为1并且脉冲时间计数设定为零的情况下，算法76在步骤116处通过确定来自算法的先前迭代的接地电流RMS值(GF_RMS_z1)是否小于预设的脉冲阈值而继续。如果确定GF_RMS_z1值不小于脉冲阈值，如在118处所示，则算法进行到步骤86。当基于在步骤116处的GF_RMS_z1值不小于脉冲阈值的确定，算法76进行到步骤86时，则基于HRGF标志的值为1(步骤90)并且脉冲标志的值为1(步骤114)，在步骤86处的输出标志值将为2。

如果在步骤116处相反地确定GF_RMS_z1值小于脉冲阈值，如在120处所示，则算法进行到步骤122，以标记用于脉冲频率估计的过渡(transition)，其中GF_RMS_z1值标记脉冲信号状态中的变化(正向)，用于估计其频率。当基于在步骤116处的GF_RMS_z1值小于脉冲阈值的确定，算法76进行到步骤86时，则基于HRGF标志的值为1(步骤90)并且脉冲标志的值为1(步骤114)，在步骤86处的输出标志值将再次为2。

不管在当前执行的导致在步骤86处生成输出标志的迭代中做出的先前确定，算法从步骤86继续到步骤124，在该步骤124处，在完成当前迭代时，更新来自算法的先前迭代的RMS电流值的值，GF_RMS_z1，以使得其等于来自当前迭代的最近确定的RMS电流值Gf_RMS。

在更新GF_RMS_z1值时，算法76然后在步骤126处结束。在步骤126处完成算法的当前迭代中，算法使处理器56将它的确定输出到它相关的电动机保护继电器54-该输出表示在其上提供有继电器的分配网络24、26上是否存在HRGF。到电动机保护继电器54的输出允许继电器采取对存在于相应分配网络24、26上的HRGF的识别的响应是适当的的任何必要动作。

基于由每一个电动机保护继电器54的处理器56执行的算法76的一系列迭代，可以识别RMS电流值中的模式(即，基于输出标志)，其指示在配电系统中的HRGF的存在和位置。基于每一个电动机保护继电器54的相应处理器56是否正在感测在其被监视位置处的脉冲电流的存在，所生成的输出标志将在配电系统10中的不同位置上不同。因此，可以基于由处理器56运行的算法76生成的输出标志将HRGF定位到特定位置。

虽然上面详细描述了用于在配电系统10中识别和定位HRGF的特定脉冲检测算法，但是应当认识到，可以对算法进行变化。也就是说，可以对算法进行变化，该变化不影响算法关于其识别和定位HRGF的功能的性能，并且这种变化仍将提供适合本发明范围内的脉冲检测算法。

因此，本发明的实施例提供了一种在具有多个分配网络的高电阻接地配电系统中的接地故障检测和定位的系统和方法，该多个分配网络带有相关联的负载。可以使用在配电系统中的现有电动机保护继电器来实现接地故障检测和定位，而不会给继电器带来不切实际的需求和额外成本。相反，仅需要电动机保护继电器能够执行/分析用于过载功能的足够准确的测量。

针对所公开的方法和设备的技术贡献在于其提供了用于检测和定位在高电阻接地配电系统中的接地故障的计算机实现的技术。该技术由现有的电动机保护继电器执行并且用于分析在继电器处测量的三相电流信号中的循环间的变化，其中执行脉冲检测算法/技术以识别电流中的模式。

根据本发明的一个实施例，一种用于定位在高电阻接地配电系统中的接地故障的系统包括：脉冲电路，其被配置为将脉冲电流引入分配系统中；以及多个电流传感器，其适于监视存在于分配系统的导体上的三相电流信号，其中多个电流传感器位于包括在高电阻接地配电系统中的多个分配网络上和包括在每一个相应的分配网络上的保护装置处。系统同样包括处理器，该处理器与每一个保护装置相关联并且可操作地连接到在那里的电流传感器以接收来自电流传感器的信号，用于识别在高电阻接地配电系统中的接地故障的位置，其中与每一个保护装置相关联的处理器被编程为在多个循环上接收来自电流传感器的三相电流信号的测量值，以及识别横跨多个循环的三相电流信号中的关注模式，以便检测接地故障。

根据本发明的另一实施例，一种用于检测在高电阻接地配电系统中的接地故障的方法包括：在高电阻接地配电系统中的多个分配网络中的每一个分配网络上提供保护装置，每一个分配网络具有与其连接的三相负载。该方法同样包括：在每一个保护装置处设置电流传感器；经由脉冲电路将脉冲电流引入高电阻接地配电系统中；经由电流传感器监视每一个保护装置处的电流以收集三相电流数据；以及将电流数据输入到与每一个保护装置相关联的处理器以识别和定位在高电阻接地配电系统中的接地故障。识别和定位接地故障进一步包括：从收集的三相电流数据确定均方根(RMS)电流；识别横跨多个循环的RMS电流中的阶跃变化，以检测存在于相应保护装置处的脉冲电流；以及基于脉冲电流的检测将在高电阻接地配电系统中的接地故障定位到相应的分配网络。

根据本发明的另一实施例，一种用于检测在高电阻接地(HRG)配电系统中的接地故障的系统包括保护装置，该保护装置连接到在HRG配电系统中的一个或多个分配网络中的每一个分配网络，该保护装置提供对其相关联的分配网络的监视和对与其连接的负载的保护。该系统同样包括多个电流传感器，其与保护装置可操作地通信以测量在分配网络上的三相电流，三相电流包括接地电流和电容性系统充电电流。保护装置包括处理器，该处理器被编程为：在多个循环上接收来自电流传感器的三相电流信号的测量值；基于从电流传感器接收的三相电流信号来确定均方根(RMS)电流；以及分析横跨多个循环的RMS电流以识别指示高电阻接地故障的关注模式。

已经根据优选实施例描述了本发明，并且认识到除了明确陈述的那些之外的等同物、替代和修改是可能的并且在所附权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种系统，用于定位在高电阻接地配电系统中的接地故障，所述系统包括：

脉冲电路，其被配置成将脉冲电流引入所述分配系统中；

多个电流传感器，其适于监视存在于所述分配系统的导体上的三相电流信号，其中所述多个电流传感器位于包括在所述高电阻接地配电系统中的多个分配网络上以及包括在每一个相应的分配网络上的保护装置处；以及

处理器，其与每一个保护装置相关联并且可操作地连接到在那里的电流传感器以接收来自所述电流传感器的信号，用于识别在所述高电阻接地配电系统中的接地故障的位置，其中与每一个保护装置相关联的处理器被编程为：

在多个循环上接收来自所述电流传感器的所述三相电流信号的测量值；以及

识别横跨所述多个循环的所述三相电流信号中的关注模式，以便检测接地故障。

2.根据权利要求1所述的系统，其中与每一个保护装置相关联的所述处理器进一步被编程为基于从所述电流传感器接收的信号来确定均方根(RMS)电流，所述RMS电流从接地电流加上在所述三相电流信号中的电容性系统充电电流的测量来确定。

3.根据权利要求2所述的系统，其中所述RMS电流具有方波；以及

其中，在识别横跨所述多个循环的所述信号中的所述关注模式上，与每一个电动机保护继电器相关联的所述处理器进一步被编程为执行所述方波的阈值分析。

4.根据权利要求3所述的系统，其中，在识别横跨所述多个循环的所述信号中的关注模式上，与每一个保护装置相关联的处理器进一步被编程为：

识别横跨所述多个周期的所述方波中的阶跃变化；以及

将所述方波的幅度与高电阻接地故障阈值和脉冲阈值中的每一个阈值比较。

5.根据权利要求4所述的系统，其中与每一个保护装置相关联的所述处理器进一步被编程为基于所述识别的阶跃变化以及所述方波与所述高电阻接地故障阈值和脉冲阈值的比较来输出接地故障标志，所述输出接地故障标志具有如下中的一个：

指示在所述相应分配网络中没有检测到接地电流的第一值；

指示在所述相应分配网络中检测到的接地电流超过所述高电阻接地故障阈值的第二值；或者

指示在所述相应分配网络中检测到脉冲电流的第三值。

6.根据权利要求5所述的系统，其中所述输出接地故障标志具有指示在所述相应分配网络中检测到接地电流的第四值，所述接地电流不超过所述高电阻接地故障阈值，但是在其中检测到脉冲信号。

7.根据权利要求5所述的系统，其中，在识别关注模式中，所述处理器进一步被编程为：

将当前循环的所述输出接地故障标志与来自先前循环的输出接地故障标志比较；

将横跨预定的连续数量的循环的相等的接地故障输出接地故障标志值识别为指示接地故障的关注模式。

8.根据权利要求2所述的系统，其中所述处理器进一步被编程为数字地过滤所述RMS电流以检测横跨所述多个周期的所述信号中的所述关注模式。

9.根据权利要求1所述的系统，其中所述处理器进一步被编程为估计所述脉冲信号的频率。

10.根据权利要求1所述的系统，其中所述脉冲电流在所述配电系统中存在的所述接地故障的幅度上增加。

11.一种方法，用于检测在高电阻接地配电系统中的接地故障，所述方法包括：

在所述高电阻接地配电系统中的多个分配网络中的每一个分配网络上提供保护装置，每一个分配网络具有与其连接的三相负载；

在每一个保护装置处设置电流传感器；

经由脉冲电路将脉冲电流引入所述高电阻接地配电系统中；

经由所述电流传感器监视每一个保护装置处的电流以收集三相电流数据；以及

将所述电流数据输入到与每一个保护装置相关联的处理器以识别和定位在所述高电阻接地配电系统中的接地故障，其中识别和定位所述接地故障包括：

从所述收集的三相电流数据确定均方根(RMS)电流；

识别横跨所述多个循环的所述RMS电流中的阶跃变化，以检测存在于所述相应保护装置处的脉冲电流；以及

基于所述脉冲电流的检测将在所述高电阻接地配电系统中的接地故障定位到相应的分配网络。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，由于所述引入的脉冲电流，所述RMS电流具有方波电流波形，在所述RMS电流的所述方波电流波形中识别所述阶跃变化。

13.根据权利要求12所述的方法，其中识别所述接地故障包括执行所述方波电流波形的阈值化、所述方波电流波形的傅立叶分析、所述方波电流波形的锁相环分析或对所述方波电流波形的频谱估计中的一个。

14.根据权利要求11所述的方法，其中识别和定位所述接地故障包括：

将所述方波电流波形的幅度与高电阻接地故障阈值比较；以及

如果所述方波电流波形的所述幅度不超过所述高电阻接地故障阈值，则将故障标志设定为第一值；以及

如果所述方波电流波形的所述幅度超过所述高电阻接地故障阈值，则将所述故障标志设定为第二值，指示存在接地故障。

15.根据权利要求14所述的方法，其中识别和定位所述接地故障包括：

将所述方波电流波形的幅度与脉冲电流阈值比较；

如果所述方波电流波形的幅度超过所述脉冲电流阈值，则将所述故障标志设定为第三值，指示所述脉冲电流存在于所述相应的保护装置处。

16.一种系统，用于检测在高电阻接地(HRG)配电系统中的接地故障，所述系统包括：

保护装置，其连接到在所述HRG配电系统中的一个或多个分配网络中的每一个分配网络，所述保护装置提供对其相关联的分配网络的监视和对与其连接的负载的保护；以及

多个电流传感器，其与所述保护装置可操作地通信以测量在所述分配网络上的三相电流，所述三相电流包括接地电流和电容性系统充电电流；

其中所述保护装置包括处理器，所述处理器被编程为：

在多个循环上接收来自所述电流传感器的所述三相电流信号的测量值；

基于从所述电流传感器接收的所述三相电流信号来确定均方根(RMS)电流；以及

分析横跨多个循环的所述RMS电流以识别指示高电阻接地故障的关注模式。

17.根据权利要求16所述的系统，其中所述RMS电流包括方波，以及其中所述处理器进一步被编程为将所述方波的幅度与高电阻接地故障阈值和脉冲阈值中的每一个阈值比较。

18.根据权利要求17所述的系统，其中，如果所述方波的所述幅度超过所述高电阻接地故障阈值，则所述处理器进一步被编程为：

使测试信号发生器将脉冲信号引入所述HRG配电系统中；以及

如果所述脉冲信号存在，则检测指示所述脉冲信号的存在的所述方波的幅度中的阶跃变化。

19.根据权利要求18所述的系统，其中所述处理器进一步被编程为：

监视横跨所述多个循环的所述方波的所述幅度中的所述阶跃变化；以及

将横跨预定的连续数量的周期的具有超过所述脉冲阈值的幅度的方波识别为指示接地故障的关注模式。

20.根据权利要求17所述的系统，其中所述处理器进一步被编程为基于所述识别的阶跃变化以及所述方波与所述高电阻接地故障阈值和脉冲阈值的比较来输出接地故障标志，所述输出接地故障标志具有如下中的一个：

指示在所述相应分配网络中没有检测到接地电流的第一值；

指示在所述相应分配网络中检测到的接地电流超过所述高电阻接地故障阈值的第二值；

指示在所述相应分配网络中检测到所述脉冲信号的第三值；或者

指示在所述保护装置处的HRG故障或所述高电阻接地故障阈值的不适当设定的第四值。