CN113906643A - 检测直流电网中的接地故障 - Google Patents

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CN113906643A CN202080040679.0A CN202080040679A CN113906643A CN 113906643 A CN113906643 A CN 113906643A CN 202080040679 A CN202080040679 A CN 202080040679A CN 113906643 A CN113906643 A CN 113906643A
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    • H02H7/268—Sectionalised protection of cable or line systems, e.g. for disconnecting a section on which a short-circuit, earth fault, or arc discharge has occured for dc systems

Abstract

本发明涉及一种用于检测可接入直流电网(1)的负载区域(3)中的接地故障的方法，该负载区域具有第一负载区域线路(31)，其能够通过保护开关(45)连接到直流电网(1)的第一主线路(7)，并具有第二负载区域线路(32)，其能够通过中断开关(51)连接到直流电网(1)的第二主线路(9)。在该方法中，连续测量至少一个施加在负载区域线路(31，32)上的线路电压。在负载区域(3)接入之前在直流电网(1)的主线路(7，9)上未检测到接地故障的情况下，在保护开关(45)断开的情况下接通中断开关(51)，并且如果在接通中断开关(51)之后至少一个线路电压没有发生显著变化，则推断出在负载区域(3)中存在接地故障。

Description

检测直流电网中的接地故障
技术领域
本发明涉及一种用于检测可接入直流电网的负载区域中的接地故障的方法，以及一种用于将负载区域连接到直流电网的接入单元。
背景技术
相对于接地电位绝缘的或通过高阻抗接地的直流电网在直流电压电位发生接地故障的情况下可以继续运行。在运行期间，通过测量和评估直流电网的直流电压电位与接地电位之间的电压而容易地检测到接地故障本身。然而，很难识别由直流电网供电的、在其中发生接地故障的负载区域。然而，为了消除接地故障，识别在其中发生接地故障的负载区域很重要。为了识别有故障的负载区域，例如可以在每个负载区域的与直流电网连接的连接点处，例如在开关柜的输入端处，测量所谓的共模电流，即故障电流，其等于负载区域与直流电网的主线路的两条连接线路中的电流的总和。如果其中一个共模电流不等于零，则这表明相关联的负载区域中发生了接地故障。共模电流的测量例如可以持续地或由维护人员手动地进行。然而，这种测量在任何情况下都是高成本的。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种改进的用于检测可接入直流电网的负载区域中的接地故障的方法。
根据本发明，上述技术问题通过具有权利要求1的特征的方法和具有权利要求10的特征的接入单元来解决。
本发明的有利的实施方案是从属权利要求的内容。
根据本发明的方法用于检测可接入直流电网的负载区域中的接地故障，该负载区域具有第一负载区域线路，该第一负载区域线路通过由第一接地电容器和第一接地电阻器形成的并联电路接地，并且可以通过保护开关与直流电网的第一主线路连接；并且具有第二负载区域线路，该第二负载区域线路通过由第二接地电容器和第二接地电阻器形成的并联电路接地，并且可以通过中断开关与直流电网的第二条主线路连接。在该方法中，连续地测量负载区域线路所处的线路电位与接地电位之间的、与负载区域线路相关联的至少一个线路电压。在负载区域接入之前在直流电网的主线路上未检测到接地故障的情况下，在保护开关断开的情况下接通中断开关，并且如果在接通中断开关之后至少一个线路电压没有发生显著变化，则推断出在负载区域中存在接地故障。在此和在下文中始终假定，直流电网相对于接地电位绝缘或通过高阻抗接地。
该方法利用了以下事实，即在接通中断开关之前，两个接地电容器都放电，因此两个线路电压都为零，并且因此在接通中断开关之后，如果在其中一个负载区域线路上存在接地故障，则两个线路电压将保持为零或很小的值。因此，可以通过以下方式检测负载区域中的接地故障，即在接通中断开关之后至少一个线路电压不改变或仅略微改变。因此，该方法特别有利地可以实现，甚至在负载区域通过保护开关接入直流电网之前就检测负载区域中的接地故障。
该方法的一种实施方案规定，针对两个负载区域线路分别连续地测量和评估相关联的线路电压。相比于仅测量和评估一个线路电压，这有利地可以实现更可靠地检测负载区域中的接地故障。
此外可以规定，预先给定第一延迟持续时间和绝对或相对的第一最小变化，并且如果在接通中断开关之后经过第一延迟持续时间之后的线路电压的变化超过第一最小变化，则将接通中断开关之后的线路电压的变化归类为显著的。
通过预先给定线路电压的第一最小变化可以量化，何时将接通中断开关之后的线路电压的变化认为是显著的。由此，有利地可以减少或完全避免由于(尽管是发生接地故障而出现的)线路电压的变化引起的错误判断。预先给定用于评估线路电压的变化的第一延迟持续时间有利地可以实现，有利地减少或完全避免由于保护开关接通之后的振荡过程引起的对接地故障的错误检测。第一延迟持续时间例如在0.1ms到100ms的范围内被预先给定。特别地，可以将大约1ms预先给定为第一延迟持续时间。第一最小变化例如在直流电网额定电压的5％至50％的范围内被预先给定。特别地，其可以是额定电压的大约16％。
该方法的另外的实施方案规定，第一负载区域线路除了可以通过保护开关连接到第一主线路之外，还可以通过与保护开关并联连接地、由预充电开关和预充电电阻器形成的串联电路连接到第一主线路，并且在负载区域接入之前在直流电网第二主线路上检测到接地故障的情况下，在保护开关断开并且中断开关断开的情况下预充电开关接通，并且如果在接通预充电开关之后至少一个线路电压没有发生显著变化，则推断出负载区域中存在接地故障。如果两个负载区域线路通过存储电容器相互连接并且采集存储电容器的充电状态，并且如果在接通预充电开关之后存储电容器未显著地充电，则可以进一步推断出在第一负载区域线路上存在接地故障，和/或如果在接通预充电开关之后存储电容器显著充电，则可以推断出在第二负载区域线路上存在接地故障。
该方法的上述实施方案利用了以下事实，即在第二主线路上存在接地故障的情况下，在接通预充电开关之后，如果在负载区域线路上存在接地故障，则与该负载区域线路相关联的线路电压保持为零或很小的值。在此，预充电电阻器可以防止，由于预充电开关的接通而立即在直流电网中产生短路。与此相对地，如果在负载区域接入之前在第一主线路上存在接地故障，则不能以相应的方式进行负载区域中的接地故障检测，因为预充电开关的接通不会引起负载区域中的电位变化，并且中断开关的接通立即在直流电网中产生短路。
此外可以规定，预先给定第二延迟持续时间和绝对或相对的第二最小变化，并且如果在接通预充电开关之后经过第二延迟持续时间的线路电压的变化超过第二最小变化，则将接通预充电开关之后的线路电压的变化归类为显著的。在此，第二延迟持续时间可以与第一延迟持续时间一致，并且第二最小变化可以与第一最小变化一致。例如，如果存储电容器在预先给定的测量持续时间内充电了预先给定的最小充电量，则存储电容器的充电被归类为显著的。例如，测量持续时间在100ms至5s的范围内被预先给定，特别地，测量持续时间被预先给定为大约1s，并且最小充电量在直流电网的额定电压的10％至50％范围内被预先给定，特别地，最小充电量被预先给定为大约20％额定电压。
根据本发明的接入单元用于将负载区域接入直流电网，所述直流电网具有两个主线路和接地故障监测单元，接地故障监测单元被设计为，针对每个主线路检测主线路上的接地故障，所述接入单元包括：
-连接在第一主线路和负载区域的第一负载区域线路之间的保护开关，
-连接在第二主线路和负载区域的第二负载区域线路之间的中断开关，
-针对至少一个负载区域线路的测量单元，测量单元被设计为，连续测量负载区域线路所处的线路电位与接地电位之间的、与负载区域线路相关联的线路电压，以及
-控制单元，控制单元被设计为，控制保护开关并识别中断开关的开关状态；接收至少一个测量单元和接地故障监测单元的测量信号；并且在负载区域接入之前在直流电网的主线路上没有检测到接地故障的情况下，如果在接通中断开关之后在保护开关断开的情况下至少一个线路电压没有发生显著变化，则可以推断出负载区域中存在接地故障。
此外，接入单元可以具有与保护开关并联连接的、由预充电开关和预充电电阻器形成的串联电路，并且控制单元为此可以被设计为，识别预充电开关的开关状态，并且在负载区域接入之前在直流电网的第二主线路上检测到接地故障的情况下，如果在接通预充电开关之后在保护开关断开并且中断开关断开的情况下线路电压没有发生显著变化，则推断出负载区域中存在接地故障。
根据本发明的接入单元可以实现执行具有上述优点的根据本发明的方法。
附图说明
本发明的上述特性、特征和优点以及实现它们的方式将结合下面结合附图更详细解释的实施例的描述而变得更清楚和更容易理解。在此附图中：
图1示出了可连接多个负载区域的直流电网的框图，
图2示出了负载区域的框图，
图3示出了接入单元的框图，利用该接入单元可以将负载区域接入直流电网。
在附图中，相互对应的部分具有相同的附图标记。
具体实施方式
图1示意性示出了直流电网1，可以将多个负载区域3、4、5接入该直流电网1。直流电网1相对于接地电位绝缘或通过高阻抗接地。
直流电网1具有两条主线路7、9、针对每个负载区域3、4、5的接入单元10、11、12以及电网控制单元13和接地故障监测单元15。
在附图中示例性地示出了三个负载区域3、4、5。第一负载区域3和第二负载区域4分别具有变流器19、20和电机21、22。第三负载区域5具有变流器23、用于交流电的开关和保护单元25和交流电网27，其中开关和保护单元25连接在交流电网27和变流器23之间。每个变流器19、20、23与接入单元10、11、12连接。
第一主线路7位于直流电网1的第一直流电压电位。第二主线路9位于直流电网1的第二直流电压电位。
每个接入单元10、11、12与一个负载区域3、4、5相关联，该负载区域可以通过接入单元10、11、12接入直流电网1。
电网控制单元13连接到接入单元10、11、12和接地故障监测单元15。负载区域3、4、5的接入由电网控制单元13进行控制。
接地故障监测单元15被设计为检测主线路7、9上的接地故障。为此，接地故障监测单元15连接到每条主线路7、9并且被设计为，测量接地电位与主线路7、9上的直流电压电位之间的电压。此外，接地故障监测单元15被设计为，将检测到的接地故障报告给接入单元10、11、12和电网控制单元13。
图2示例性地示出了负载区域3的框图。负载区域3具有第一负载区域线路31，其通过由第一接地电容器33和第一接地电阻器35形成的并联电路高阻抗地欧姆-电容性地接地。此外，负载区域3具有第二负载区域线路32，其通过由第二接地电容器34和第二接地电阻器36形成的并联电路高阻抗地欧姆-电容性地接地。接地电容器33、34具有相同的电容，以便在无故障运行期间，负载区域线路31、32所处的线路电位相对于地电位保持对称。此外，负载区域线路31、32通过存储电容器37相互连接。
图3示出了与负载区域3相关联的接入单元10的框图。接入单元10具有两个电网侧的接头41、42、两个负载区域侧的接头43、44、保护开关45、预充电开关47、预充电电阻器49、中断开关51、控制单元52和两个测量单元53、54。
第一电网侧的接头41连接到第一主线路7。第二接头42连接到第二主线路9。第一负载区域侧的接头43连接到第一负载区域线路31。第二负载区域侧的接头44连接到第二负载区域线路32。
保护开关45连接在第一电网侧的接头41和第一负载区域侧的接头43之间。保护开关45具有两个可关断的半导体开关55、56和两个二极管57、58。半导体开关55、56反串联连接，也就是说，半导体开关55、56串联连接但具有彼此相反的导通方向。每个二极管57、58与半导体开关55、56中的一个反并联连接。保护开关45被设计为可以关断短路电流的快速开关。
预充电开关47和预充电电阻器49串联连接，其中由预充电开关47和预充电电阻器49形成的串联电路并联连接到第一电网侧的接头41与第一负载区域侧的接头43之间的保护开关45。预充电开关47例如是机械开关。
中断开关51连接在第二电网侧的接头42和第二负载区域侧的接头44之间。中断开关51例如是机械的负载隔离开关。
第一测量单元53被设计为，连续地测量第一负载区域线路31所处的线路电位与接地电位之间的、与第一负载区域线路31相关联的第一线路电压。第二测量单元54被设计为，连续地测量第二负载区域线路32所处的线路电位与接地电位之间的、与第二负载区域线路32相关联的第二线路电压。测量单元53、54将它们采集到的测量信号传输到控制单元52。
控制单元52被设计为，控制保护开关45或其半导体开关55、56，并识别预充电开关47和中断开关51的开关状态。此外，控制单元52具有接口57，通过该接口将控制单元连接到电网控制单元13和接地故障监测单元15，并且通过该接口向所述控制单元传输电网控制单元13的控制信号并且报告由接地故障监测单元15检测到的接地故障。
如果负载区域3从直流电网1分离，则保护开关45(或两个半导体开关55、56)、预充电开关47和中断开关51断开。如果不存在接地故障，则为了连接负载区域3，首先接通中断开关51，然后接通预充电开关47，最后在电容器33、34、37的预充电结束之后接通保护开关45。
根据本发明，在负载区域3接入之前在直流电网的主线路7、9上没有检测到接地故障的情况下，在接通中断开关51之后，但是在接通预充电开关47和保护开关45之前由控制单元52评估线路电压，其中检查在接通中断开关51之后线路电压是否发生显著变化。如果至少一个线路电压没有发生显著变化，则推断出负载区域3中存在接地故障。为此，例如针对每个线路电压，预先给定第一延迟持续时间和绝对或相对的第一最小变化，并且如果在接通中断开关51之后经过第一延迟持续时间之后的线路电压的变化超过第一最小变化，则将接通中断开关51之后的线路电压的变化归类为显著的。
在负载区域3接入之前在直流电网1的第二主线路9上检测到接地故障的情况下，首先接通预充电开关47而不是中断开关51，并且在接通中断开关51和保护开关45之前评估线路电压。如果在接通预充电开关47之后线路电压没有发生显著变化，则推断出负载区域3中存在接地故障。为此，例如针对每个线路电压，预先给定第二延迟持续时间和绝对或相对的第二最小变化，并且如果在接通预充电开关47之后经过第二延迟持续时间之后的线路电压的变化超过第二最小变化，则将接通预充电开关47之后的线路电压的变化归类为显著的。在这种情况下，预充电电阻器49防止预充电开关47的接通立即在直流电网1中产生短路。此外，可以采集存储电容器37的充电状态，并且如果在接通预充电开关47之后，存储电容器37没有显著充电，则可以推断出在第一负载区域线路31上存在接地故障，并且如果在接通预充电开关47之后，存储电容器37显著充电，则可以推断出在第二负载区域线路32上存在接地故障。
如果在负载区域3接入之前在第一主线路7上存在接地故障，则不可能以相应的方式进行负载区域3中的接地故障检测，因为预充电开关47的接通不会引起负载区域3中的电位变化，并且如果负载区域线路32上已经存在接地故障，则中断开关51的接通将立即在直流电网1中产生短路。
由控制单元52检测到的负载区域3中的接地故障由控制单元52通过接口57报告给电网控制单元13。
已经参照附图描述的根据本发明的方法和根据本发明的接入单元10的实施例可以以不同的方式改变为另外的实施例。例如，可以规定，由测量单元53、54采集的线路电压由电网控制单元13进行评估，而不是由接入单元10的控制单元52进行本地评估。
替换地或附加地，可以规定，仅测量和评估第一线路电压或仅测量和评估第二线路电压。
例如可以规定，仅测量和评估第一线路电压。在负载区域3接入之前在直流电网的主线路7、9上未检测到接地故障的情况下，再次首先接通中断开关51，并且在接通预充电开关47和保护开关45之前评估第一线路电压。如果在接通中断开关51之后，第一线路电压没有发生显著变化，则推断出负载区域3中存在接地故障。在负载区域3接入之前在直流电网1的第二主线路9上检测到接地故障的情况下，首先接通预充电开关47，并且在接通中断开关51和保护开关之前评估线路电压。如果在接通预充电开关47之后，第一线路电压没有发生显著变化，则推断出负载区域3中存在接地故障。
虽然在细节上通过优选的实施例对本发明进行了详细的阐述和描述，但是本发明却不限于所公开的示例并且本领域技术人员可以从中导出其它变形方案，而不脱离本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种用于检测能够接入直流电网(1)的负载区域(3)中的接地故障的方法，所述负载区域具有第一负载区域线路(31)，所述第一负载区域线路(31)通过由第一接地电容器(33)和第一接地电阻器(35)形成的并联电路接地，并且能够通过保护开关(45)连接到所述直流电网(1)的第一主线路(7)，并且所述负载区域具有第二负载区域线路(32)，所述第二负载区域线路通过由第二接地电容器(34)和第二接地电阻器(36)形成的并联电路接地，并且能够通过中断开关(51)连接到所述直流电网(1)的第二主线路(9)，其中
-连续测量所述负载区域线路(31，32)所处的线路电位和接地电位之间的、与所述负载区域线路(31，32)相关联的至少一个线路电压，并且
-在所述负载区域(3)接入之前在所述直流电网(1)的主线路(7，9)上未检测到接地故障的情况下，在所述保护开关(45)断开的情况下接通所述中断开关(51)，
-并且如果在接通所述中断开关(51)之后至少一个线路电压没有发生显著变化，则推断出在所述负载区域(3)中存在接地故障。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，针对两个负载区域线路(31，32)分别连续地测量和评估相关联的线路电压。
3.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，预先给定第一延迟持续时间和绝对或相对的第一最小变化，并且如果在接通所述中断开关(51)之后经过所述第一延迟持续时间之后的线路电压的变化超过所述第一最小变化，则将接通所述中断开关(51)之后的线路电压的变化归类为显著的。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述第一延迟持续时间在0.1ms到100ms的范围内被预先给定。
5.根据权利要求3或4所述的方法，其中，所述第一最小变化在所述直流电网(1)的额定电压的5％到50％的范围内被预先给定。
6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述第一负载区域线路(31)除了能够通过所述保护开关(45)连接到所述第一主线路(7)之外，还能够通过由预充电开关(47)和预充电电阻器(49)形成的串联电路连接到所述第一主线路(7)，所述串联电路与所述保护开关(45)并联连接，并且其中，在所述负载区域(3)接入之前在所述直流电网(1)第二主线路(9)上检测到接地故障的情况下，在所述保护开关(45)断开并且所述中断开关(51)断开的情况下，所述预充电开关(47)接通，并且如果在接通所述预充电开关(47)之后至少一个线路电压没有发生显著变化，则推断出所述负载区域(3)中存在接地故障。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，两个负载区域线路(31，32)通过存储电容器(37)相互连接并且采集所述存储电容器(37)的充电状态，并且其中，如果在接通所述预充电开关(47)之后所述存储电容器(37)未显著地充电，则推断出在所述第一负载区域线路(31)上存在接地故障。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，如果在接通所述预充电开关(47)之后所述存储电容器(37)显著充电，则推断出在所述第二负载区域线路(32)上存在接地故障。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的方法，其中，预先给定第二延迟持续时间和绝对或相对的第二最小变化，并且如果在接通所述预充电开关(47)之后经过所述第二延迟持续时间的线路电压的变化超过所述第二最小变化，则将接通所述预充电开关(47)之后的线路电压的变化归类为显著的。
10.一种用于将负载区域(3)接入直流电网(1)的接入单元(10)，所述直流电网具有两个主线路(7，9)和接地故障监测单元(15)，所述接地故障监测单元被设计为，针对每个主线路(7，9)检测主线路(7，9)上的接地故障，所述接入单元(10)包括：
-保护开关(45)，所述保护开关连接在第一主线路(7)和所述负载区域(3)的第一负载区域线路(31)之间，
-中断开关(51)，所述中断开关连接在第二主线路(9)和所述负载区域(3)的第二负载区域线路(32)之间，
-针对至少一个负载区域线路(31，32)的测量单元(53，54)，所述测量单元被设计为，连续测量所述负载区域线路(31，32)所处的线路电位与接地电位之间的、与所述负载区域线路(31，32)相关联的线路电压，以及
-控制单元(52)，所述控制单元被设计为，控制所述保护开关(45)并识别所述中断开关(51)的开关状态；接收至少一个测量单元(53，54)和所述接地故障监测单元(15)的测量信号；并且在负载区域(3)接入之前在所述直流电网(1)的主线路(7，9)上没有检测到接地故障的情况下，如果在接通所述中断开关(51)之后在所述保护开关(45)断开的情况下至少一个线路电压没有发生显著变化，则推断出所述负载区域(3)中存在接地故障。
11.根据权利要求10所述的接入单元(10)，具有由预充电开关(47)和预充电电阻器(49)形成的串联电路，所述串联电路与所述保护开关(45)并联连接，其中所述控制单元被设计为，识别所述预充电开关(47)的开关状态，并且在所述负载区域(3)接入之前在所述直流电网(1)的第二主线路(9)上检测到接地故障的情况下，如果在接通所述预充电开关(47)之后在所述保护开关(45)断开并且所述中断开关(51)断开的情况下至少一个线路电压没有发生显著变化，则推断出所述负载区域(3)中存在接地故障。
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