CN107735690A - 三相电气网络的接地故障保护的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及三相电气网络的接地故障保护的方法。在该方法中，在电气网络(10)的测量点(17)中连续地确定总电流(I0)。在该方法中，检测接地故障(16)，之后执行必要的措施。在该方法中，确定由接地故障导致的、从总电流(I0)中被消除的返回电流(Ip)。此外，通过从总电流(I0)中消除返回电流(Ip)，确定接地故障电流(Is)，由此基于接地故障(16)的位置确定接地电压(Um)，基于接地电压(Um)检测接地故障(16)并执行必要的措施。

Description

三相电气网络的接地故障保护的方法

本发明涉及三相电气网络的接地故障保护的方法，在该方法中，在电气网络的测量点连续地确定总电流，并且在该方法中检测接地故障，之后执行必要的措施。

从变电站和交换站处的电气网络全面地测量各种变量。在通常使用的三相电气网络中，可以测量所有相的电流及其总电流。类似地，可以测量所有相的电压，也可以测量接地故障电压。在检测接地故障时，主要仅使用所述总电流和接地故障电压。存在用于检测接地故障的多种方法。在EP专利号2402774中公开了一种特别适于确定接地故障的距离的方法。

接地故障通常被限定为电流导体与地之间的绝缘故障。如果电气网络的特性已知，则可以计算在绝缘故障中出现的故障电流。与正常情况相比，在接地故障中，电气网络的各相的相对于地的相电压增加。同时，不同相的总电流从零偏离。电流的该偏离部分通过绝缘故障传导到地，因而形成接地故障电流。

原则上，如所设计的，对接地故障的基于测量和计算的检测仅在电气网络的某个特定基本状态下操作。电气网络及其环境和情景一般会发生变化，在这种情况下，电气网络的特性，尤其是接地故障电流会增加。特别地，使用地下电缆会使接地故障电流增加，因为电缆充当了电容器。例如，在谐振网络中，使用总电流的电阻部分来测量故障电流，该电阻部分本身太不精确而不能可靠地检测接地故障。此外，进入地的电流与计算出的值的偏离增大，这导致了计算误差。因此，使用现有技术检测接地故障进行得太慢，或者甚至是错误的。因此，接地故障仍未被注意，使得在电气网络的区域中形成存在显著的接地电压的风险位置。因此，越来越广泛的设备损坏，并且在最坏的情况下甚至毁损的情况，都可能与接地故障事件相关联。另一方面，错误的检测会造成不必要的供电中断。

本发明旨在创建一种用于三相电气网络的接地故障保护的新型方法，通过该方法，可以比先前更加可靠和快速地、并且比先前更加全面地检测接地故障。在所附权利要求中陈述了根据本发明的方法的特点特征。在本发明中，已知的计算以新的和令人惊讶的方式被开发出来，该方式附加地结合有令人惊讶的现象。然后可以快速且可靠地检测接地故障，并且降低接地故障导致的风险和损害。同时，尽管在电气网络中存在变化或各种操作条件，根据该方法的检测仍然是准确的。

在下文中，参考示出本发明的一种实施例的附图来详细描述本发明，其中：

图1示意性地示出了三相电气网络中的接地故障，

图2示意性地示出了接地故障的情况。

图1示意性地示出了三相电气网络10。在变电站11处，例如高压网络的20kV电压被转换成低压网络的220V电压。图1仅示出了一个导体12及其三相13、14和15。在这种情况中，在一个相15中存在接地故障16。连接到各相的负载没有示出。

本发明涉及三相电气网络的接地故障保护的方法。在该方法中，在电气网络10的测量点17连续地确定总电流I0。总电流也被称为零电流，因为在正常情况下，各相的电流的总和接近于零。例如，变电站的电子器件测量电气网络的变量并由此计算出期望的值。在该方法中，例如基于上述计算来检测接地故障16，之后执行必要的措施。根据本发明，确定由接地故障16导致的返回电流Ip，并将返回电流Ip从总电流I0中消除。然后可以去除返回电流的份额以及它造成错误的影响。以这种方式，可以充分精确地确定接地故障电流。在图1的示例中，当一个相15的电流通过接地故障16进入地然后通过地返回到另外两个相13和14(用虚线示出的箭头)时导致返回电流Ip。另外，通过从总电流I0中消除返回电流Ip，确定接地故障电流Is，由此基于接地故障16的位置确定接地电压Um，基于接地电压Um执行必要的措施。换言之，接地故障保护方法是基于接地故障电流并且进而基于接地电压。通过以这种方式确定，可以充分精确地确定真实的接地电压，在此基础上可以以新的方式限定接地故障保护。同时，可以考虑为接触电压设置的极限值。然后可以足够迅速且可靠地采取必要的措施，从而显著提高设备和人员的安全性。

根据图1的示例，当单个相15中存在接地故障16时，从另外两个相13和14确定返回电流Ip。然后，可以考虑经受接地故障16的导体12的特性。返回电流Ip可以被限定为两个相13和14的总和零电路的总电流。更一般地，在测量点17，测量或以其它方式确定返回电流，在这种情况下，具体而言，考虑电气网络的补偿程度和由相关的电压源产生的接地故障电流，在总电流中添加或减去返回电流。在该限定中使用向量计算。在实践中，返回电流被限定为零电路的电流的总和。

优选地，这种消除使用在测量点17限定的零电压U0以及限定的总电流I0，由此通过返回电流Ip确定接地故障电流Is。然后得出真实的接地故障电流并由此得出接地电压。其中一部分是确定接地故障的位置，对此，可以使用例如前面提到的EP专利号2402774。更具体而言，基于测量点17的残余电压和总电流I0来确定接地故障16的位置。

在根据本发明的方法中，根据同一个导体12来确定总电流I0和返回电流Ip。这避免了在该确定中包括其它导体输出的情况下将会需要的复杂计算。

实际措施可以变化。通常，在如果超过接地电压和/或持续时间则执行电气网络10的关断的情况下，将所确定的接地电压Um与所允许的接触电压持续时间比进行比较。相反地，当将实现准确且足够快的接地故障保护时，可以将接触电压持续时间比编程到保护设备(诸如图1中示意性示出的保护继电器24)中。因此，当检测接地故障时，在该方法中现在考虑了先前未被考虑的接地电流和电压。同时，可以限定可能的接触电压，因而降低事故风险。图1仅示出了布置在保护继电器24的各相中的断路器，通过该断路器可以关断电气网络10。没有示出保护继电器到电气网络的其它连接。

在实践中，已知的定位方法以及相关的计算被用于接地电压的计算。然后也可以计算本方法中所需的电气网络的参数。更具体而言，可以通过计算来确定故障相的电压份额。通过考虑该电压份额，之后可以确定以根据本发明的方式利用的真实接地电压。

图2示出了接地故障的情况。这里，在高压网络18和低压网络19之间存在变压器20。在变压器20周围存在保护性接地25。在图2中，在变压器20的保护性接地部分中存在接地故障16。换言之，由于故障，存在从带电导体到变压器的接地部分的连接。这里，金属主体电气设备22连接到低压网络19的接地插座21，其中金属主体电气设备22中存在电动机23。在房屋的电气连接中也存在保护性接地。在所讨论的接地故障情况下，在连接到保护性接地20的电气设备的主体中出现低压网络的电压的升高。在该示例情况下，存在800V电势差2*Utp，其中Utp是设备主体与地之间的接触电压。基于所允许的接触电压持续时间约束，触发时间应该是大约0.3秒。通常，在根据本发明的方法中，接地故障电流越大，断开时间越短。容易将这一简单的规则添加为保护继电器的控制的一部分，使得根据本发明的接地故障电流的限定考虑电气网络的变化。更具体而言，本方法考虑了在电气网络操作期间接地故障电流中发生的变化，使得限定保持准确和灵敏。

在计算接地故障电流时，可以使用例如两个简单的过程。在第一过程中，使用所有相的电流以及相电压和主电压的向量以便确定接地故障电流的幅度。这在接地故障电流大并且负载小时特别有效。在计算实际的接地故障并进而计算接地电压时，使用电气网络的零电压和零电流以及上面提到的所有相的电压量。然后根据故障相的电压来确定接地中出现的接地电压，在该接地电压的基础上可以考虑安全性规定的要求。

在第二过程中，除了上述之外，使用由无功返回电流校正的总电流的值来确定进入故障位置的电流。在这种情况下，返回电流的电阻部分非常小。相应地，在两相接地故障中，可以通过用负载的有效功率和无功功率校正计算来确定电流。另外，可以计算两相或三相接地的接地故障或通过接地发生的接地故障和由它们导致的接地故障电流。另外，利用简单短路保护，可以消除频繁发生的有接地接触的两相短路和第三相中的同时接地故障，其中简单短路保护的操作中考虑了根据本发明的接地电压计算所获得的结果。通常，根据零电压U0、接地电压Um、总电流I0、返回电流Ip、接地电流Is以及接地故障16中的故障电阻来检测接地故障16。

基于接地电压和接地电流，还可以获得基于电阻的简单计算，用于检测和去除高电阻故障。该方法可以用于确保和改善例如对于已经落到地面的导体的检测，作为已知的基于导纳的保护的一部分。然后，可以改善在电气网络切换和更改的情况下以及在接地故障电流的补偿程度变化时对高电阻故障的检测和消除。

埋地电缆像电容器，并且实际上接地故障电流在埋地电缆中充电。例如，在四千米长的地电缆中，可能存在多达大约20安培的电流。在故障情况下，诸如接地故障，电流向地放电。在谐振电气网络中，接地故障电流是几安培，并且使用灭弧线圈来控制该情况。如果电气网络由于某种原因改变，则灭弧线圈被重新激励，这可能会导致接地故障电流增加很多倍。这与此同步地提高了接触电压。通过根据本发明的方法，可以在每种情况下比先前更准确地确定接地故障电流并且进而确定接地故障电压，因此，如果发生接地故障，则可以可靠地执行必要的措施。

根据现行标准，整个变压器电路必须接地。通常在变压器电路中，例如，主变压器、变压器和配电柜确实接地，并且各种接地彼此并联连接。那么，在整个变压器电路中电势相同。例如，在通过伸长电缆连接到图2的接地配电柜的设备中，电势可能相对于参考地变高。

可以以不同的方式来测量或确定总电流。例如，在变电站处，电流变压器的线圈可以被设置在各相周围，由此可以测量总电流。另一种方法是通过适配到每个相的相变压器来确定总电流。然后从每个相测量电压和电流两者，并且由测量结果确定总电流。电流变压器是简单的，但是在小电流的情况下它会导致错误，这会降低接地故障保护的可靠性。相电流变压器要求现代保护继电器中所具有的计算能力。通过特定于相的测量和计算限定，例如，实现了保护继电器的灵敏性。

通常，在电气网络中布置保护继电器，其适用于限定接地电流和接地电压以及接地电阻，并且还适用于其它必要的计算。然后，可以利用保护继电器的容量。在实践中，根据本发明的方法的功能可以通过软件并入到最新的保护继电器中，从而使得不需要设备安装。同时，可以预先降低由于接地故障而导致的风险并且可以减少损坏。

Claims (15)

1.一种三相电气网络的接地故障保护的方法，在所述方法中，在电气网络(10)的测量点(17)连续地确定总电流(I0)，并且在所述方法中，检测接地故障(16)，之后执行必要的措施，其特征在于，在所述方法中，确定由接地故障(16)导致的、从总电流(I0)中被消除的返回电流(Ip)，并且通过从总电流(I0)中消除返回电流(Ip)来确定接地故障电流(Is)，由此基于接地故障(16)的位置确定接地电压(Um)，基于接地电压(Um)检测接地故障(16)并且执行必要的措施。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，当一个相(15)中存在接地故障(16)时，从另外两个相(13，14)确定返回电流(Ip)。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，返回电流(Ip)被确定为两个相(13，14)的零电路的电流之和。

4.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，在消除中，使用在测量点(17)确定的零电压(U0)以及确定的总电流(I0)，由此通过返回电流(Ip)确定接地故障电流(Is)。

5.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，基于测量点(17)的残余电压和总电流(I0)来确定接地故障(16)的位置。

6.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，使用根据EP专利号2402774的方法来确定接地故障(16)的位置。

7.如权利要求1-6中任一项所述的方法，其特征在于，从同一个导体(12)确定总电流(I0)和返回电流(Ip)。

8.如权利要求1-7中任一项所述的方法，其特征在于，将确定的接地电压(Um)与允许的接触电压持续时间约束进行比较，并且当超过接地电压和/或时间时，关断电气网络(10)。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，随着接地故障电流(Is)增加，关断时间缩短。

10.如权利要求1-9中任一项所述的方法，其特征在于，根据零电压(U0)、接地电压(Um)、总电流(I0)、返回电流(Ip)、接地电流(Is)以及接地故障(16)中的故障电阻来检测接地故障(16)。

11.如权利要求1-10中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法用于检测单相和/或双相接地故障(16)。

12.如权利要求1-10中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法用于基于接地电压或接地电流来检测高电阻故障。

13.如权利要求1-12中任一项所述的方法，其特征在于，根据所有相(13，14，15)的电流以及根据相电压和主电压的向量来确定接地故障电流(Is)。

14.如权利要求1-13中任一项所述的方法，其特征在于，在确定接地电流(Is)时，使用通过无功返回电流校正的总电流(I0)的值。

15.如权利要求1-14中任一项所述的方法，其特征在于，保护继电器(24)被布置在应用有对接地电流(Is)和接地电压(Um)的限定的电气网络(10)中。