CN112485714B - 一种高灵敏度接地故障检测、辨识方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种高灵敏度接地故障检测、辨识方法及装置，所述装置包括：高频电压监测传感器、高频零序电流传感器以及故障检测与辨识模块，所述故障检测与辨识模块由高频电压检测模块、高频电流检测模块和波形辨识模块组成。通过实时监测电力设备中的高频脉冲电压信号，判别配电网设备绝缘状态，依据高频脉冲电压信号和高频零序脉冲电流信号的幅值以及相位特征，识别高阻接地故障。一方面，本申请解决了现有的故障检测方法对于高阻接地、间歇性接地故障的检测存在灵敏度低的问题；另一方面，本申请可在接地故障发展成永久性或相间及多重故障前，及时发现绝缘隐患。

Description

一种高灵敏度接地故障检测、辨识方法及装置
技术领域
本申请涉及故障检测技术领域，尤其涉及一种高灵敏度接地故障检测、辨识方法及装置。
背景技术
据统计，电力系统在运行过程中，由于配网故障而造成的停电事故约占总停电事故的95％以上，其中70％的事故是由单相接地故障或母线故障引发。当中性点不接地系统中发生单相接地时，经过故障点将流过数值不大的接地电容电流。如果电网小，线路不太长，接地电容电流将很小。许多临时性的单相接地故障(如雷击、鸟害等)，当故障原因消失后，电弧一般可以自行熄灭，系统很快恢复正常。但是，随着电网的发展和电压等级的提高，单相接地电容电流随之增加，一般6～10kV电网接地电流超过30A，35～60kV电网的接地电流超过10A时电弧难以熄灭。但这个电弧还不至于大到形成稳定燃烧电弧，因此可能出现电弧时燃时灭的不稳定状态，从而引起电网运行状态的瞬时变化。
现有技术中，检测线路故障的方法通常是基于单相接地故障发生后电流和电压的暂稳态特征，给出各种故障辨别的算法，如申请号201810266049.X公开的一种基于谐波能量和波形畸变特征的弧光接地故障辨识方法或者申请号201910624131.X公开的一种基于零序分量分析的小电流接地故障检测方法。
但是，单相接地故障过程复杂，间歇性接地持续时间、消弧线圈补偿程度、过渡电阻等因素对故障电流的大小和方向影响较大。因此，现有的故障检测方法对于高阻接地、间歇性接地故障的检测存在灵敏度低的问题。
发明内容
本申请提供了一种高灵敏度接地故障检测、辨识方法及装置，以解决现有的故障检测方法对于高阻接地、间歇性接地故障检测灵敏度低的技术问题
一方面，本申请提供一种高灵敏度接地故障检测、辨识方法，所述方法包括：
获取电力设备中的高频脉冲电压信号，高频脉冲电流信号、零序电流信号以及相电流信号；
由所述高频脉冲电压信号获取高频脉冲电压幅值和相位，由所述高频脉冲电流信号获取高频脉冲电流幅值和相位，由所述零序电流信号和相电流信号获取所述零序电流幅值和相电流幅值；
设定启动定值UP，判断是否存在2个及2个以上的高频脉冲电压幅值大于或等于启动定值UP；
若存在2个及2个以上的高频脉冲电压幅值大于或等于启动定值UP且零序电流信号或相电流信号具有零休特征，或者存在2个及2个以上高频脉冲电压幅值大于或等于启动定值UP且高频脉冲电流信号满足高频脉冲电流相位特征，则判定电力设备的故障类型为接地故障，否则，设定接地故障整定值Ud，判断是否存在2个及2个以上最大脉冲电压幅值大于接地故障整定值Ud；
若存在2个及2个以上高频脉冲电压幅值大于接地故障整定值Ud且高频脉冲电压信号满足高频脉冲电压相位特征，则判定电力设备的故障类型为接地故障，否则为其他故障类型。
可选的，所述零休特征是零序电流或相电流在过零点熄弧重燃产生的，所述零休特征的零休时间大于0.01ms。
可选的，所述高频脉冲电流相位特征为高频脉冲电流幅值处在相对于被测系统零序电流或相电流同步相位的A和B位置处，其中
Figure GDA0003614716080000021
可选的，所述高频脉冲电压相位特征为高频脉冲电压幅值处在相对于被测系统零序电压或相电压同步相位的C和D位置处，其中
Figure GDA0003614716080000022
另一方面，本申请提供一种高灵敏度接地故障检测、辨识装置，包括高频电压监测传感器、高频零序电流传感器以及故障检测与辨识模块，所述高频电压监测传感器和所述高频零序电流传感器均连接所述故障检测与辨识模块。
可选的，所述故障检测与辨识模块包括高频电压检测模块、高频电流检测模块和波形辨识模块，波形辨识模块包括低通滤波单元、带通滤波单元和辨识单元；所述低通滤波单元连接所述带通滤波单元，所述带通滤波单元连接所述辨识单元，所述辨识单元连接所述低通滤波单元；
其中，所述低通滤波单元和所述带通滤波单元对所述高频电压检测模块和高频电流检测模块检测数据进行处理，分别提取电压和电流的工频分量和高频分量波形。所述辨识单元对比分析所述电压和电流工频分量和高频分量波形，确定高频分量发生时刻或相位。
可选的，所述高频电压监测传感器和所述高频零序电流传感器的工作频段均为20Hz～20MHz。
可选的，所述故障检测与辨识模块至少能够保存和处理10个工频周期的高频脉冲电压信号，高频脉冲电流信号、零序电流信号以及相电流信号。
可选的，所述低通滤波单元提取20Hz～60Hz频段的电压、电流波形，所述带通滤波单元提取10kHz～20MHz频段的电压、电流波形。
由以上技术方案可知，本申请提供一种高灵敏度接地故障检测、辨识方法及装置，所述装置包括：高频电压监测传感器、高频零序电流传感器以及故障检测与辨识模块，所述故障检测与辨识模块由高频电压检测模块、高频电流检测模块和波形辨识模块组成。通过实时监测电力设备中的高频脉冲电压信号，判别配电网设备绝缘状态，依据高频脉冲电压信号和高频零序脉冲电流信号的幅值以及相位特征，识别高阻接地故障。一方面，本申请解决了现有的故障检测方法对于高阻接地、间歇性接地故障的检测存在灵敏度低的问题；另一方面，本申请可在接地故障发展成永久性或相间及多重故障前，及时发现绝缘隐患。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请一种高灵敏度接地故障检测、辨识方法的流程图；
图2为本申请一种高灵敏度接地故障检测、辨识装置结构示意图；
图3为本申请一种高灵敏度接地故障检测、辨识装置及传感器连接结构示意图；
图4为本申请波形辨识模块的结构及功能示意图；
图5为本申请实施例1的高频脉冲电压检测结果示意图；
图6为本申请实施例1故障电流工频分量检测结果示意图；
图7为本申请实施例2的高频脉冲电压检测结果示意图；
图8为本申请实施例2的故障电流高频分量检测结果示意图；
图9为本申请实施例3的高频脉冲电压检测结果示意图；
图10为本申请实施例3的高频脉冲电压相位分布示意图。
具体实施方式
下面将详细地对实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下实施例中描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。仅是与权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的系统和方法的示例。
参见图1，为本申请一种高灵敏度接地故障检测、辨识方法的流程图。由图1可知，本申请提供了一种高灵敏度接地故障检测、辨识方法，所述方法包括：
获取电力设备中的高频脉冲电压信号，高频脉冲电流信号、零序电流信号以及相电流信号；
由所述高频脉冲电压信号获取高频脉冲电压幅值和相位，由所述高频脉冲电流信号获取高频脉冲电流幅值和相位，由所述零序电流信号和相电流信号获取所述零序电流幅值和相电流幅值；
设定启动定值UP，判断是否存在2个及2个以上的高频脉冲电压幅值大于或等于启动定值UP；
需要说明的是，所述启动定值UP为大于配电系统高频电压监测传感器安装处背景噪声的1.5倍，或依据试验时接地故障产生的脉冲电压幅值进行设定。
若存在2个及2个以上的高频脉冲电压幅值大于或等于启动定值UP且零序电流信号或相电流信号具有零休特征，或者存在2个及2个以上高频脉冲电压幅值大于或等于启动定值UP且高频脉冲电流信号满足高频脉冲电流相位特征，则判定电力设备的故障类型为接地故障，否则，设定接地故障整定值Ud，判断是否存在2个及2个以上最大脉冲电压幅值大于接地故障整定值Ud；
需要说明的是，所述零休特征是零序电流或相电流在过零点熄弧重燃产生的，所述零休特征的零休时间大于0.01ms。所述接地故障整定值Ud为启动定值UP的2倍，或依据试验时接地故障产生的脉冲电压幅值进行设定。
进一步地，所述高频脉冲电流相位特征为高频脉冲电流幅值处在相对于被测系统零序电流或相电流同步相位的A和B位置处，其中
Figure GDA0003614716080000041
若存在2个及2个以上高频脉冲电压幅值大于接地故障整定值Ud且高频脉冲电压信号满足高频脉冲电压相位特征，则判定电力设备的故障类型为接地故障，否则为其他故障类型。
需要说明的是，所述高频脉冲电压相位特征为高频脉冲电压幅值处在相对于被测系统零序电压或相电压同步相位的C和D位置处，其中
Figure GDA0003614716080000042
参见图2，为本申请一种高灵敏度接地故障检测、辨识装置结构示意图。由图2可知，本申请还提供一种高灵敏度接地故障检测、辨识装置，包括高频电压监测传感器1、高频零序电流传感器2以及故障检测与辨识模块3，所述高频电压监测传感器1和所述高频零序电流传感器2均连接所述故障检测与辨识模块3。
其中，所述高频电压监测传感器1和所述高频零序电流传感器2的工作频段均为20Hz-20MHz，所述故障检测与辨识模块3至少能够保存和处理10个工频周期的高频脉冲电压信号，高频脉冲电流信号、零序电流信号以及相电流信号。
所述故障检测与辨识模块3包括高频电压检测模块31、高频电流检测模块32和波形辨识模块组成33，参见图4，为本申请波形辨识模块的结构及功能示意图。其中，所述波形辨识模块组成33包括低通滤波单元331、带通滤波单元332和辨识单元333；所述低通滤波单元331连接所述带通滤波单元332，所述带通滤波单元332连接所述辨识单元333，所述辨识单元333连接所述低通滤波单元331。其中，所述低通滤波单元331和所述带通滤波单元332对所述高频电压检测模块31和高频电流检测模块32检测数据进行处理，分别提取电压和电流的工频分量和高频分量波形。所述辨识单元333对比分析所述电压和电流工频分量和高频分量波形，确定高频分量发生时刻或相位。
进一步地，所述低通滤波单元331用于提取20Hz～60Hz频段的电压、电流波形，所述带通滤波单元332用于提取10kHz～20MHz频段的电压、电流波形。
综上所述，本申请提供一种高灵敏度接地故障检测、辨识方法及装置，依据高频脉冲电压、电流特性，提供了3种接地故障辨识依据，若检测结果满足下列情况之一，则判定系统发生接地故障：
(1)存在2个及2个以上的高频脉冲电压幅值大于或等于启动定值UP且零序电流信号或相电流信号具有零休特征；
(2)存在2个及2个以上高频脉冲电压幅值大于或等于启动定值UP且高频脉冲电流信号满足高频脉冲电流相位特征；
(3)存在2个及2个以上高频脉冲电压幅值大于接地故障整定值Ud故障且高频脉冲电压信号满足高频脉冲电压相位特征
针对上述三种辨识方法，本申请将所述装置与电力设备连接，参见图3为本申请一种高灵敏度接地故障检测、辨识装置及传感器连接结构示意图，并提供3个实施例进行详细描述。
实施例1
首先，设置启动定值UP＝0.5V，则脉冲电压接地故障整定值Ud＝1V；
高频电压监测传感器1和高频零序电流传感器2实时监测系统高频电压、电流信号，并将采集的信号发送给故障检测与辨识模块3。
检测高频脉冲电压信号相位及幅值特征，零序电流信号或相电流信号零休特征。
参见图5，为本申请实施例1的高频脉冲电压检测结果示意图，图6为本申请实施例1故障电流工频分量检测结果示意图。由图5可知，A、B、C三相在一个工频周期的4.5ms、5.5ms、14.5ms、15.5ms和17ms至少检测到5个高频电压信号，其中在5.5ms和15.5ms的2个脉冲信号幅值最大，A相幅值约为5V，B相幅值约为3V，C相幅值约为5V。
满足所述方法中存在2个及2个以上的高频脉冲电压幅值大于或等于启动定值0.5V的要求，因此，进一步判断零序电流信号或相电流信号是否具有零休特征。
由图6检测到的故障电流的工频分量波形图所示，故障电流在过零点有零休特征，零休时间约为1ms。
综上，判断系统发生接地故障。
实施例2
参见图7，为本申请实施例2的高频脉冲电压检测结果示意图，图8为本申请实施例2的故障电流高频分量检测结果示意图。由图7可知，A、B、C三相在一个工频周期的4.5ms、5.5ms、14.5ms、15.5ms和17ms至少检测到5个高频电压信号，其中在5.5ms和15.5ms的2个脉冲信号幅值最大，A相幅值约为5V，B相幅值约为3V，C相幅值约为5V。
满足所述方法中存在2个及2个以上高频脉冲电压幅值大于或等于启动定值0.5V的要求，因此，进一步判断高频脉冲电流信号的相位特征。
由图8检测到的故障电流的高频分量波形图所示，电弧重燃产生高频脉冲电流，其最大值发生在工频电流过零时，相位分布在
Figure GDA0003614716080000061
和
Figure GDA0003614716080000062
范围内。
综上，判断系统发生接地故障。
实施例3
参见图9，为本申请实施例3的高频脉冲电压检测结果示意图，图10为本申请实施例3的高频脉冲电压相位分布示意图。由图9可知，在一个工频周期的4.5ms、5.5ms、14.5ms、15.5ms和17ms至少检测到5个高频电压信号，其中在5.5ms和15.5ms的2个脉冲信号幅值最大，A相幅值约为5V，B相幅值约为3V，C相幅值约为5V。
满足所述方法中存在2个及2个以上高频脉冲电压幅值大于接地故障整定值1V的要求，因此，进一步判断高频脉冲电压信号的相位特征。
由图10检测到故障相电压相位分布图所示，高频脉冲电压最大值分别分布在工频周期的5.5ms和15.5ms位置处，相对的工频电压相位为99°和279°，满足A＝90°±10°，B＝270°±10°的相位特征。
综上，判断系统发生接地故障。
本申请提供一种高灵敏度接地故障检测、辨识方法及装置，所述装置包括：高频电压监测传感器1、高频零序电流传感器2以及故障检测与辨识模块3，所述故障检测与辨识模块3由高频电压检测模块31、高频电流检测模块32和波形辨识模块组成33。通过实时监测电力设备中的高频脉冲电压信号，判别配电网设备绝缘状态，依据高频脉冲电压信号和高频零序脉冲电流信号的幅值以及相位特征，识别高阻接地故障。一方面，本申请解决了现有的故障检测方法对于高阻接地、间歇性接地故障的检测存在灵敏度低的问题；另一方面，本申请可在接地故障发展成永久性或相间及多重故障前，及时发现绝缘隐患。
本申请提供的实施例之间的相似部分相互参见即可，以上提供的具体实施方式只是本申请总的构思下的几个示例，并不构成本申请保护范围的限定。对于本领域的技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下依据本申请方案所扩展出的任何其他实施方式都属于本申请的保护范围。

Claims (9)

1.一种高灵敏度接地故障检测、辨识方法，其特征在于，所述方法包括：
获取电力设备中的高频脉冲电压信号，高频脉冲电流信号、零序电流信号以及相电流信号；
由所述高频脉冲电压信号获取高频脉冲电压幅值和相位，由所述高频脉冲电流信号获取高频脉冲电流幅值和相位，由所述零序电流信号和相电流信号获取零序电流幅值和相电流幅值；
设定启动定值UP，判断是否存在2个及2个以上的高频脉冲电压幅值大于或等于启动定值UP；
若存在2个及2个以上的高频脉冲电压幅值大于或等于启动定值UP且零序电流信号或相电流信号具有零休特征，或者存在2个及2个以上高频脉冲电压幅值大于或等于启动定值UP且高频脉冲电流信号满足高频脉冲电流相位特征，则判定电力设备的故障类型为接地故障，否则，设定接地故障整定值Ud，判断是否存在2个及2个以上高频脉冲电压幅值大于接地故障整定值Ud；
若存在2个及2个以上高频脉冲电压幅值大于接地故障整定值Ud且高频脉冲电压信号满足高频脉冲电压相位特征，则判定电力设备的故障类型为接地故障，否则为其他故障类型。
2.根据权利要求1所述的一种高灵敏度接地故障检测、辨识方法，其特征在于，所述零休特征是零序电流或相电流在过零点熄弧重燃产生的，所述零休特征的零休时间大于0.01ms。
3.根据权利要求1所述的一种高灵敏度接地故障检测、辨识方法，其特征在于，所述高频脉冲电流相位特征为高频脉冲电流幅值处在相对于所述电力设备零序电流或相电流同步相位的A和B位置处，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE002A
，
Figure DEST_PATH_IMAGE004A
。
4.根据权利要求1所述的一种高灵敏度接地故障检测、辨识方法，其特征在于，所述高频脉冲电压相位特征为高频脉冲电压幅值处在相对于所述电力设备电压或相电压同步相位的C和D位置处，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE006A
，
Figure DEST_PATH_IMAGE008A
。
5.一种高灵敏度接地故障检测、辨识装置，应用于权利要求1-4任意一项所述的方法，其特征在于，包括高频电压监测传感器（1）、高频零序电流传感器（2）以及故障检测与辨识模块（3），所述高频电压监测传感器（1）和所述高频零序电流传感器（2）均连接所述故障检测与辨识模块（3）。
6.根据权利要求5所述的一种高灵敏度接地故障检测、辨识装置，其特征在于，所述故障检测与辨识模块（3）包括高频电压检测模块（31）、高频电流检测模块（32）和波形辨识模块（33），波形辨识模块（33）包括低通滤波单元（331）、带通滤波单元（332）和辨识单元（333）；所述低通滤波单元（331）连接所述带通滤波单元（332），所述带通滤波单元（332）连接所述辨识单元（333），所述辨识单元（333）连接所述低通滤波单元（331）；
其中，所述低通滤波单元（331）和所述带通滤波单元（332）对所述高频电压检测模块（31）和高频电流检测模块（32）检测数据进行处理，分别提取电压和电流的工频分量和高频分量波形，所述辨识单元（333）对比分析所述电压和电流的工频分量和高频分量波形，确定高频分量发生时刻或相位。
7.根据权利要求5所述的一种高灵敏度接地故障检测、辨识装置，其特征在于，所述高频电压监测传感器（1）和所述高频零序电流传感器（2）的工作频段均为20Hz~20MHz。
8.根据权利要求5所述的一种高灵敏度接地故障检测、辨识装置，其特征在于，所述故障检测与辨识模块（3）至少能够保存和处理10个工频周期的高频脉冲电压信号，高频脉冲电流信号、零序电流信号以及相电流信号。
9.根据权利要求6所述的一种高灵敏度接地故障检测、辨识装置，其特征在于，所述低通滤波单元（331）提取20Hz～60Hz频段的电压、电流波形，所述带通滤波单元（332）提取10kHz～20MHz频段的电压、电流波形。
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