CN110970877B - 一种配电网带电作业安全防护方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种配电网带电作业安全防护方法及装置,所述方法包括以下步骤:步骤1、检测接地线上流过的电流值i(t)和接地线顶端对地电压值U(t);步骤2、基于检测到的数据进行以下判断和操作:在接地线熔断前,通过控制非作业相的相间开关闭合,使配电网线路首端安装的三相断路器自然跳闸。本发明能提高带电作业的安全性,避免由于过电流使得接地线熔断后,作业相电压不再为零,给作业人员带来的伤害。
Description
技术领域
本发明涉及一种配电网带电作业安全防护方法及装置。
背景技术
配电网是直接面向用户的电力基础设施,配电网馈线深入电力用户,运行环境复杂多变。由于配电网绝缘水平低,在线路污秽或其他外界因素作用下易发生故障,且由于部分地区供电设施陈旧老化,设备完好率低,使事故隐患增多,因配电线路故障引起的线路维护施工作业量较大。另由于社会经济的飞速发展,各类配网接入工程也急剧增加,网架结构不断扩大,而社会对电力企业的要求也越来越高,传统的停电施工作业方式已不能适应社会的需要。为提高配电网运行的安全、可靠、经济性,就必须大力开展配网带电作业。
根据配电网分相接地作业方法,带电作业时采用接地线将作业相(检修相)与大地相连,即将作业相线路强行接地,使作业相线路与大地同电位,可将作业相的电位降低到零,以限制作业相的电压,所以从理论上说作业人员只需对线路进行简单的绝缘操作,即可直接接触设备进行作业,无需停电。但实际现场中常常遇到,由于操作过电压等原因配电网产生过电流并流过接地线,使接地线熔断,此时作业相电压将不再为零,而是升高至配电网相电压,在高压作用下,对正在作业的带电作业人员人身安全构成伤害。
因此,有必要研发一种新的配电网带电作业安全防护方法及装置。
发明内容
本发明所解决的技术问题是,针对现有技术的不足,提供一种配电网带电作业安全防护方法及装置,在接地线熔断前,使配电网线路首端安装的的三相断路器跳闸,能提高带电作业的安全性,避免由于过电流使得接地线熔断后,作业相电压不再为零,给作业人员带来的伤害。
本发明所提供的技术方案为:
一种配电网带电作业安全防护方法,包括以下步骤:
步骤1、检测接地线上流过的电流值i(t);
步骤2、基于检测到的数据进行以下判断和操作:在接地线熔断前,控制配电网线路首端安装的三相断路器跳闸。
进一步地,所述接地线顶端设置有一个金属挂钩,接地线通过金属挂钩挂设在作业相的相线上;
所述步骤2中具体为:
先判断是否满足其中tk是接地线的过电流产生时刻,即检测到i(t)-iN(t)>0的时刻,iN(t)为接地线理论上流过的电流值,T1为检测过电流的流过的时间,根据所需的检测灵敏度设定,ε1为第一门槛值,为经验参数;
进一步地,所述iN(t)通过以下公式计算得到:
进一步地,所述步骤2中,在接地线熔断前,通过控制非作业相相间短路,使配电网线路首端安装的三相断路器自然跳闸。由于根据配电网的保护配置情况,发生相间短路故障时,会使得配电网线路首端安装的三相断路器跳闸,所以需要控制配电网线路首端安装的三相断路器跳闸时,则控制非作业相之间的相间开关闭合,使配电网发生相间短路即可。本方案下,相当于两相之间的相间开关是由这两相之间连接的两个单相断路器构成的。控制非作业相之间的相间开关闭合,即控制两个非作业相之间连接的两个单相断路器同时闭合,需要再次断开这两个单相断路器时,由于存在两个触点,扩大了灭弧能力。
进一步地,安装三个单相断路器,三个单相断路器的一端分别连接至配电网的三根相线,三个单相断路器的另一端相连,起到三个相间开关的作用;所述控制装置通过控制非作业相之间的相间开关闭合,来实现非作业相相间短路,使配电网线路首端安装的三相断路器自然跳闸。
本发明还提供了一种配电网带电作业安全防护装置,包括电压电流检测装置和控制装置;
所述电压电流检测装置,用于检测接地线上流过的电流值i(t)和接地线顶端对地电压值U(t);
所述控制装置,用于基于检测到的数据进行以下判断和操作:在接地线熔断前,控制配电网线路首端安装的三相断路器跳闸。判断和操作的具体步骤采用上述配电网带电作业安全防护方法中所述的步骤。
进一步地,配电网的三根相线的任意两相之间均安装有一个相间开关。由于根据配电网的保护配置情况,发生相间短路故障时,会使得配电网线路首端安装的三相断路器跳闸。所以通过则控制非作业相之间的相间开关闭合,使配电网发生相间短路(即人为控制外加的相间开关,制造相间故障),即可使配电网线路首端安装的三相断路器自然跳闸。
进一步地,所述的配电网带电作业安全防护装置,还包括三个单相断路器;三个单相断路器的一端分别连接至配电网的三根相线,三个单相断路器的另一端相连,起到三个相间开关的作用;所述控制装置通过控制非作业相之间的相间开关闭合,来实现非作业相相间短路,使配电网线路首端安装的三相断路器自然跳闸。
有益效果:
本发明提供的一种配电网带电作业安全防护方法及装置,能够在接地线熔断前,使配电网线路首端安装的三相断路器跳闸,能提高带电作业的安全性,避免由于过电流使得接地线熔断后,作业相电压不再为零,给作业人员带来的伤害。
此外,还具有以下优点:
(1)本发明控制非作业相之间的相间开关闭合(两个非作业相之间连接的两个单相断路器闭合),此操作不会引起作业相的电压、电流变化,确保了接地线不因电压电流的升高而熔断,从而保障带电作业人员的人身安全。
(2)本发明安装三个单相断路器,三个单相断路器的一端分别连接至配电网的三根相线,三个单相断路器的另一端相连,起到三个相间开关的作用;相当于两相之间的相间开关是由这两相之间连接的两个单相断路器构成的。控制非作业相之间的相间开关闭合,即控制两个非作业相之间连接的两个单相断路器同时闭合,再次断开这两个单相断路器时,由于存在两个触点,扩大了灭弧能力。
(3)本发明在接地线熔断门槛值前触发保护跳闸,将不会出现接地线熔断的情况。在挂接地线至接地线出现过电流,而三相断路器还没跳闸的这段时间内,配电网相电动势升高将不会破坏设备绝缘,同时接地线没熔断作业区对地电压为零,保证了作业人员人身安全。
(4)设置保护跳闸触发条件不但能保证在接地线熔断前,使配电网线路首端安装的三相断路器跳闸;而且,若作业完成后人员疏忽导致安全防护装置未断电,在取走挂钩时可能产生电弧,而接地线检测装置检测到过电流,电流增量i(t)-iN(t)>0,此时由于接地线电阻很小,所以接地线顶端对地电压U(t)为零,不满足保护跳闸触发条件,不会误判成接地线将熔断,避免了断路器的误动作,由此可见将电压检测点设定为接地线顶端(图18中P1点)保证了本发明的可靠性,同时保障供电了可靠性,减少了因误判带来的损失;而若将电压检测点设定为挂钩与相线的连接点或该连接点附近的点(如图19中P2点),则在同样的情景下,检测的电压不会为零,会导致误判成接地线将熔断,使非相间开关闭合,断路器误动作,系统断电。因此,本发明设置保护跳闸触发条件既能确保安全又能避免误触发。
附图说明
图1为过电流安全防护接地装置结构、一次接线图;
图2为C相装设接地线戴维南等效图;
图3为C相挂接地线A、B单相断路器闭合戴维南等效图;
图4为C相装设接地线AB单相断路器闭合等效图;
图5为作业相(C相)电压;
图6为作业相(C相)电流;
图7为中性点电压;
图8为接地线上测量的电流;
图9为接地线上理论上流过的电流;
图10为电流增量的绝对值;
图11为电流增量绝对值积分;
图12为检测电压绝对值;
图13为电压乘以电流积分;
图14为电流增量绝对值;
图15为电流增量绝对值积分;
图16为检测电压;
图17为电压乘以电流积分;
图18为电压检测点P1;
图19为电压检测点P2。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步具体说明。
实施例1:
本实施例提供一种配电网带电作业安全防护方法,包括以下步骤:
1)在接地线上安装电流感应单元,并将其连接至电压电流检测装置,用以检测接地线上流过的电流值i(t),t为检测时刻;并从接地线顶端接一根绝缘导线,到电压电流检测装置,用以测量接地线顶端对地的电压U(t);同时在配电网变电站出口安装具有灭弧能力的三个单相断路器。
2)将从接地线上测量到的电流i(t)与接地线理论上流过的电流iN(t)(接地线理论上流过的电流iN(t),就是接地线正常流过的电流值,可认为是作业相发生单相金属性接地故障后,故障点流过的电流,可计算得到,参见后面的计算公式,)作差,当时,触发步骤3);其中tk是接地线的过电流产生时刻,即检测到i(t)-iN(t)>0的时刻(当接地线正常工作时,有i(t)-iN(t)=0;若i(t)-iN(t)>0,说明当前时刻接地线上流过过电流),T1为检测过电流的流过的时间,根据所需的检测灵敏度设定,ε1为启动门槛值,根据经验或试验结果设定;
3)判断是否成立,其中T2为U(t)的采样周期,当满足该式时,则认为接地线将熔断,由电压电流检测装置通过通讯迅速发送信号至控制装置,控制装置精确控制非作业相之间的两个单相断路器(即非作业相之间的相间开关)闭合,人为地制造相间短路,使得配电网三相断路器断开,从而使配电网断电,保障作业人员安全,其中ε2为第二门槛值,用于判断接地线将熔断;ε2<ε3,ε3为接地线熔断门槛值,当时,即认为接地线已被过电流熔断。接地线由于过电流熔断将对作业区的作业人员带来人身伤害,因此本发明在接地线熔断前,控制非作业相之间的两个单相断路器闭合,使得配电网线路首端安装的三相断路器跳闸。
实施例2:
本实施例提供一种配电网带电作业安全防护装置,其结构、一次接线图如图1所示。
以C相为作业相为例,在接地线上安装电流感应单元,并将其连接至电压电流检测装置,用以检测接地线上流过的电流值i(t),t为检测时刻;并从接地线顶端接一根绝缘导线,到电压电流检测装置,用以测量接地线顶端对地的电压U(t)。依次满足实施例1步骤2)、3)中的判断式后,则认为系统中出现故障或隐患,此时,安全防护装置中控制装置控制非作业相之间的相间开关(A、B相之间的两个单相断路器)闭合,人为地形成相间短路环路,使线路保护(A、B、C三相断路器)跳闸,配电网断电,以保障带电作业人员人身安全。
若作业完成后由于人员疏忽过电流安全防护装置没断电,在取走挂钩时产生电弧,接地线中检测到过电流i(t),电流增量i(t)-iN(t)>0,此时挂钩点检测的对地电压U(t)为零,不满足步骤3)的保护跳闸触发条件,安全防护装置不会误判成接地线流过过电流,不启动接地线熔断判据,避免了断路器的误动作;由此可见安全防护装置具有很高的可靠性,同时保障了供电的可靠性,减少因误判带来的损失。
接地线没有出现过电流时,配电网C相某处进行带电作业时,从接地线顶端(K点)看进去的戴维南等值回路如图2所示,由于线路对地泄露电阻远大于线路电阻和电抗,因此戴维南等值阻抗近似等于配电网的对地泄露电阻。
假设10kv配电网中的线路进行了完全的换位(rA=rB=rC=r0,CA=CB=CC=C0),R为电网A、B、C三相的对地泄露电阻,C为电网A、B、C三相的对地电容之和。则C=3C0,其中ω表示电网的频率。
可得:R=R′,C=C′;
U′f=0
由以上公式可知,非作业相A、B单相断路器闭合前后的戴维南等效电路中的阻抗参数没有发生变化,作业相(C相)的对地电压以及接地线上的电流在非作业相A、B相之间的单相断路器闭合前后都没发生变化,故在带电作业时若流过较大的接地电流,则在接地线熔断临界点前,控制非作业相A、B相之间的单相断路器闭合,人为形成相间短路环路,线路保护A、B、C三相断路器跳闸系统断电,并且将不会引起接地线顶端处的电压电流变化,从而保障了带电作业人员的人身安全。
设配电网x相对地电压为相电动势为其中x表示A、B、C,中性点电压(中性点位移电压)为以C相为作业相为例,C相任意位置的电压满足:带电作业时,在C相某处(称为接地线顶端、挂钩点)挂上一根接地线(铜线),将C相与大地相连,使C相对地电压此时的中性点电压与作业相电动势大小相等方向相反,即:
当接地线中流过过电流,控制装置触发非作业相之间的单相断路器闭合(A、B相之间的两个单相断路器,即A、B相之间的相间开关)闭合,且接地线并没熔断时,由图4可知中性点的位移电压不变,系统将不会因为严重不对称造成设备损坏和人身安全。
硬件装置及仿真分析:
硬件装置:
装置硬件采用新一代智能板卡平台,采用32位的高性能处理器,内部高性能的通讯总线,确保插件间数据通讯的可靠性,易于扩展。
可根据需要设置动作门槛值,一般情况下,以易造成接地线熔断的电压、电流值为门槛,以保障带电作业人员安全。
将作业相的相别输入安全防护装置,安全防护装置中的控制装置通过互锁控制来保障发生过电流时准确闭合非作业相之间的两个单相断路器(相间开关)。
仿真分析:
场景一:作业相挂接地线,检测装置检测到有过电流,非作业相(A、B相)相间开关闭合的仿真分析
在0.2s时作业相(C相)挂上接地线,若系统0.4s时出现过电流,控制装置触发非作业相(A、B相)相间开关闭合,三相线路保护跳闸系统断电。
作业相电压的波形如图5所示,可以看出在0.2s时装设接地线后,在0.4s时,作业相出现过电流,控制装置触发非作业相(A、B相)相间开关闭合,一直保持为零。作业相电流的波形如图6所示,在0-0.2s内为C相的对地电流;在0.2s时挂上接地线后,的有效值为系统的对地电容电流;在0.4s时非作业相(A、B相)相间开关闭合后,的值仍保持不变。由此证明,若接地线中检测到过电流后,触发非作业相(A、B相)相间开关闭合,不会引起接地线电流、接地线顶端对地电压变化,可以保证接地线不会熔断,保障作业人员的人身安全。
配电网中性点的电压如图7所示,在0-0.2s内为配电网正常运行时的中性点电压;在0.2s时作业相(C相)装设接地线(忽略电阻),中性点电压升高为负的C相电动势。在0.4s时控制装置触发非作业相(A、B相)的相间开关闭合,但并没有改变中性点电压的大小,确保了中性点电压在正常范围内,系统也不会因为严重不对称导致设备损坏和人身安全。
场景二:从挂上接地线到接地线中有过电流,导致接地线熔断的仿真分析
从零时刻挂上接地线开始,接地线上检测到的电流i(t)仿真结果如图8所示,接地线理论上流过的电流iN(t)仿真结果如图9所示,电流增量的绝对值|i(t)-iN(t)|仿真结果如图10所示。在0-0.4s内i(t)与iN(t)相等,电流增量的绝对值|i(t)-iN(t)|为零。在0.4s时,接地线检测到过电流i(t)>iN(t),电流增量的绝对值|i(t)-iN(t)|如图10所示;在0.404s后,接地线检测的电流i(t)=0,|i(t)-iN(t)|=iN(t),表明在0.404s时接地线熔断。
第一判定式中,tk为接地线的过电流产生时刻;ε1为第一门槛值,根据经验或试验结果设定,T1根据所需检测灵敏度设定。
第二判定式中,ε2为第二门槛值,根据经验或试验结果设定,T2为接地线点电压|U(t)|的采样周期。
电流增量的绝对值积分如图11所示,接地线的过电流产生时刻tk=0.4。如图11所示,电流增量的绝对值积分X呈递增趋势。因此,若设置第一门槛值则当T1设置于大于或等于0.002s时,成立,会启动第二判别式的判定。
接地线点电压波形绝对值|U(t)|如图12所示。
设置U(t)的采样周期T2=0.0015s,得到的仿真如图13所示。若设置第二门槛值则在t=0.4+0.002+0.0015=0.4035s时,成立,则会判定接地线将熔断,触发非作业相(A、B相)的相间开关闭合,即本发明能在接地线熔断(0.404s)前保护跳闸,保证人身安全。
场景四、带电作业完成后,在没有先关闭安全防护装置的情况下取下接地线,导致接地线上产生异常电流的仿真分析
作业完成后,若因操作人员疏忽,忘记关闭安全防护装置,同时在取走挂钩时若产生电弧(导致接地线上产生异常电流),接地线中检测到过电流i(t),电流增量i(t)-iN(t)>0,电流增量绝对值如图14所示,0.4s取走接地线的瞬间,接地线中检测到过电流,即tk=0.4s。电流增量绝对值的积分值呈递增趋势如图15所示。取接地挂钩时,检测的接地线顶端对地电压波形如图16所示。
当带电作业完成后,需将接地线从线路上取时,正常操作流程是在带电作业完成后,先关闭安全防护装置,再取下接地线,以避免接地线与线路之间产生异常电流,引起安全防护装置动作。而上述仿真结果表明,采用了本发明所提出的动作判据后,即便带电作业完成后,在没有先关闭安全防护装置的情况下取下接地线,导致接地线与线路之间产生异常电流,也不会引起误动作,由此可见将电压检测点设定为接地线顶端(图18中P1点)保证了本发明的可靠性,同时保障供电了可靠性,减少了因误判带来的损失;而若将电压检测点设定为挂钩与相线的连接点或该连接点附近的点(如图19中P2点),则在同样的情景下,检测的电压不会为零,会导致误判成接地线将熔断,使非相间开关闭合,断路器误动作,系统断电。因此,本发明设置保护跳闸触发条件既能确保安全又能避免误触发。
Claims (7)
1.一种配电网带电作业安全防护方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1、检测接地线上流过的电流值i(t);
步骤2、基于检测到的数据进行以下判断和操作:在接地线熔断前,使配电网线路首端安装的三相断路器跳闸;
所述接地线顶端设置有一个金属挂钩,接地线通过金属挂钩挂设在作业相的相线上;
所述步骤2中具体为:
先判断是否满足其中tk是接地线的过电流产生时刻,即检测到i(t)-iN(t)>0的时刻,iN(t)为接地线理论上流过的电流值,T1为检测过电流的流过的时间,根据所需的检测灵敏度设定,ε1为第一门槛值,为经验参数;
3.根据权利要求1~2中任一项所述的配电网带电作业安全防护方法,其特征在于,所述步骤2中,在接地线熔断前,通过控制非作业相相间短路,使配电网线路首端安装的三相断路器自然跳闸。
4.根据权利要求1~2中任一项所述的配电网带电作业安全防护方法,其特征在于,安装三个单相断路器,三个单相断路器的一端分别连接至配电网的三根相线,三个单相断路器的另一端相连,起到三个相间开关的作用;控制装置通过控制非作业相之间的相间开关闭合,来实现非作业相相间短路,使配电网线路首端安装的三相断路器自然跳闸。
5.一种配电网带电作业安全防护装置,其特征在于,包括电压电流检测装置和控制装置;
所述电压电流检测装置,用于检测接地线上流过的电流值i(t)和接地线顶端对地电压值U(t);
所述接地线顶端设置有一个金属挂钩,接地线通过金属挂钩挂设在作业相的相线上;
所述控制装置,用于基于检测到的数据进行以下判断和操作:在接地线熔断前,控制配电网的三相断路器跳闸,具体为:
先判断是否满足其中tk是接地线的过电流产生时刻,即检测到i(t)-iN(t)>0的时刻,iN(t)为接地线理论上流过的电流值,T1为检测过电流的流过的时间,根据所需的检测灵敏度设定,ε1为第一门槛值,为经验参数;
6.根据权利要求5所述的配电网带电作业安全防护装置,其特征在于,配电网的三根相线的任意两相之间均安装有一个相间开关。
7.根据权利要求5所述的配电网带电作业安全防护装置,其特征在于,还包括三个单相断路器;三个单相断路器的一端分别连接至配电网的三根相线,三个单相断路器的另一端相连,起到三个相间开关的作用;所述控制装置通过控制非作业相之间的相间开关闭合,来实现非作业相相间短路,使配电网线路首端安装的三相断路器自然跳闸。
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