CN113924706A - 直流电网中的接地故障的定位 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于定位直流电网(1)中的接地故障的方法，多个负载区域(3，5)能够接入该直流电网，其中，每个负载区域(3，5)具有两个对称接地的负载区域线路(31，32)。在该方法中，针对每个负载区域线路(31，32)连续测量负载区域线路(31，32)所处的线路电位与接地电位之间的线路电压。在直流电网(1)的主线路(7，9)上检测到接地故障的情况下，将主线路(7，9)与负载区域(3，5)的两个负载区域线路(31，32)分离，并且如果在主线路(7，9)与负载区域(3，5)的两个负载区域线路(31，32)分离之后该两个负载区域线路(31，32)的线路电压的量值之间的量值差没有显著减小，则将接地故障与该负载区域(3，5)相关联。

Description

直流电网中的接地故障的定位
技术领域
本发明涉及一种用于定位直流电网中的接地故障的方法，多个负载区域可接入该直流电网中。
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，很难识别在其中发生接地故障的、连接到直流电网的负载区域。然而，为了关断有故障的负载区域并且消除接地故障，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
因此，本发明要解决的技术问题是，提出一种改进的用于定位直流电网中的接地故障的方法，多个负载区域能够接入该直流电网中。
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7的特征的直流电网来解决。
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定位直流电网中的接地故障，多个负载区域可接入该直流电网，其中，每个负载区域具有两个对称接地的负载区域线路，其中，第一负载区域线路可以与直流电网的第一主线路连接，并且第二负载区域线路可以与直流电网的第二主线路连接。在该方法中，针对每个负载区域线路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线路电压。在直流电网的主线路上检测到接地故障的情况下，如果其中一个负载区域的两个负载区域线路的线路电压的量值之间的量值差在主线路与该负载区域线路分离之后没有显著减小，则主线路与该负载区域的两个负载区域线路分离，并且接地故障与该负载区域相关联。在此，将负载区域的两个负载区域线路的对称接地理解为两个负载区域线路的相同类型的接地，其在无接地故障运行中关于接地电位对称地保持负载区域线路的线路电位，例如两个负载区域线路的欧姆-电容性的接地分别通过由接地电容器和接地电阻器形成的并联电路实现，该接地电容器具有相同的电容，该接地电阻器具有相同的电阻值。此外，在此和下文中始终假定，直流电网相对于接地电位绝缘或通过高阻抗接地。负载区域线路与直流电网的主线路的连接可以是直接的或间接的，其中，例如当直流电网被分层地构造时，可以存在间接的连接，该分层的直流电网具有直接与主线路连接的最上面的层级和至少一个另外的层级，该另外的层级通过位于其之上的一个或多个层级与主线路连接。
根据本发明的方法利用如下事实：涉及负载区域的负载区域线路的接地故障引起负载区域线路的线路电位相对于接地电位的不对称，使得两个线路电位不再关于接地电位对称。如果在负载区域之外，例如在其他负载区域中或直接在主线路上产生接地故障，则在主线路与负载区域的负载区域线路分离之后，再次建立负载区域线路的线路电位相对于接地电位的对称性，因为接地故障不再对线路电位产生影响。相反，当在负载区域中产生接地故障时，在主线路与负载区域线路分离后，负载区域线路的线路电位相对于接地电位的不对称性不会改变，甚至略有增加。换言之，当在负载区域之外产生接地故障时，在主线路与负载区域的负载区域线路分离之后该负载区域的两个负载区域线路的线路电压的量值之间的量值差减小，并且当在负载区域内产生接地故障时，该量值保持不变或增大。根据本发明，这点被充分利用，以便定位在主线路上检测到的接地故障。
在该方法的实施方案中，预先给定分离持续时间，并且在检测到主线路上的接地故障之后，以分离持续时间将主线路与负载区域的负载区域线路分离。方法的该实施方案利用以下事实：通常，主线路与负载区域的负载区域线路的短时间的分离足以确定和评估该负载区域的两个负载区域线路的线路电压的量值之间的量值差。典型地，例如对于1ms至1s范围内的分离持续时间的分离就足够了。主线路与负载区域的负载区域线路的尽可能短时间的分离是有利的，以便通过分离尽可能少地损害负载区域的运行。
在该方法的另外的实施方案中，预先给定绝对的或相对的最小减小量，并且如果在主线路与负载区域的两个负载区域线路分离之后这两个负载区域线路的线路电压的量值之间的量值差的减小量超过最小减小量，则该量值差的减小量被归类为显著的。例如，最小减小量被规定为在直流电网的正常运行中处于主线路之间的直流电压的2％至30％，尤其是大约10％。通过规定线路电压的量值之间的量值差的最小减小量，可以量化：在主线路与负载区域的负载区域线路分离之后，量值差的减小量何时被认为是显著的。由此，可以有利地减少或完全避免由于在主线路与负载区域的负载区域线路分离之后量值差的仅较小的减小引起的接地故障的错误定位。
在该方法的另外的实施方案中，在检测到主线路上的接地故障之后，主线路依次与不同负载区域的两个负载区域线路分离，直至将接地故障与负载区域相关联。由此，可以系统地搜索在其中产生接地故障的负载区域。如果在搜索结束之后接地故障没有与任何负载区域相关联，则还可以推断出，接地故障直接在也检测到了接地故障的主线路上产生。
根据本发明的直流电网包括：
-两个主线路，
-多个负载区域，该负载区域分别具有第一负载区域线路和第二负载区域线路，该第一负载区域线路可以通过第一开关与直流电网的第一主线路连接，该第二负载区域线路可以通过第二开关与直流电网的第二主线路连接，
-针对每个负载区域线路的测量单元，该测量单元被设计用于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线路电压，
-接地故障监测单元，该接地故障监测单元被设计用于检测主线路上的接地故障，
-用于对开关进行控制的控制单元，该控制单元被设计为，在由接地故障监测单元在直流电网的主线路上检测到接地故障的情况下，通过断开将负载区域线路与主线路连接的开关来将主线路与负载区域的两个负载区域线路分离，
-以及用于评估测量单元的测量信号的评估单元，该评估单元被设计用于，如果在主线路与负载区域的两个负载区域线路分离之后这两个负载区域线路的线路电压的量值之间的量值差没有显著减小，则将由接地故障监测单元检测到的接地故障与该负载区域相关联，该负载区域具有与该主线路分离的负载区域线路。
例如，每个负载区域的第一开关或第二开关是电子开关，或者两个开关都是电子开关。
此外，控制单元可以被设计为，在检测到主线路上的接地故障之后，仅以预定的分离持续时间、例如在1ms至1s范围内的分离持续时间将主线路与负载区域的负载区域线路分离。
此外，评估单元可以被设计为，如果在主线路与负载区域的两个负载区域线路分离之后这两个负载区域线路的线路电压的量值之间的量值差的减小量超过预定的最小减小量，则该量值差的减小量被归类为显著的。
根据本发明的直流电网能够实现执行具有上述优点的根据本发明的方法。
附图说明
本发明的上面描述的特性、特征和优点以及实现它们的方式结合下面对实施例的描述变得更加清楚和更容易理解，该实施例结合附图进行更详细地阐述。在此，附图中：
图1示出了直流电网的框图，多个负载区域可以接入该直流电网，
图2示出了负载区域和接入单元的框图，利用该接入单元能够将负载区域接入直流电网。
彼此对应的部分在附图中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的实施例，多个负载区域3、5可接入该直流电网。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具有两个电气主线路7、9，用于每个负载区域3、5的接入单元10、12以及控制单元13、接地故障监测单元15和评估单元17。
在图1中示例性示出两个负载区域3、5。每个负载区域3、5具有电负载19、21，例如电机和在电网侧连接在电机上游的变流器。
第一主线路7位于直流电网1的第一直流电压电位上。第二主线路9位于直流电网1的第二直流电压电位上。
每个接入单元10、12与负载区域3、5相关联，该负载区域可通过接入单元10、12接入直流电网1。
控制单元13与接入单元10、12、接地故障监测单元15和评估单元17连接。由控制单元13控制负载区域3、5的接入。
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与每个主线路7、9连接并且被设计为，测量接地电位与直流电压电位之间的电压，主线路7、9处于该直流电压电位。此外，接地故障监测单元15被设计为，向控制单元13报告检测到的接地故障。
评估单元17与控制单元13和接入单元10、12连接，并且被设计用于以下面更详细描述的方式评估负载区域3、5的线路电压。
图2示例性地示出负载区域3和接入单元10的框图，利用该接入单元可以将负载区域3接入直流电网1。
负载区域3具有第一负载区域线路31，该第一负载区域线路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，该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形成的并联电路高阻抗地欧姆-电容性地接地。在此，两个负载区域线路31、32对称地接地，其中，接地电容器33具有相同的电容并且接地电阻器35、36具有相同的电阻值，以便在无故障运行中，负载区域线路31、32所处的负载区域电位相对于接地电位保持对称。
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；两个开关45、51和两个测量单元53、54。
第一电网侧的接头41与第一主线路7连接。第二接头42与第二主线路9连接。第一负载区域侧的接头43与第一负载区域线路31连接。第二负载区域侧的接头44与第二负载区域线路32连接。
第一开关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。第一开关45是电子开关，其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，即半导体开关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。第一开关45被设计为能够断开短路电流的快速开关。
第二开关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。第二开关51例如是机械负载隔离开关。替换地，第二开关51也可以如第一开关45一样被设计为电子开关。第一开关45(或其半导体开关55、56)和第二开关51可以由控制单元13进行控制。
第一测量单元53被设计为，连续地测量在第一负载区域线路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，连续地测量在第二负载区域线路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将由其采集的测量信号传输到评估单元17。
第二负载区域5(和每个可接入直流电网1的另外的负载区域)同样具有两个对称接地的负载区域线路31、32并且可以通过如接入单元10那样设计的接入单元12接入直流电网1。
根据本发明，在直流电网1的主线路7、9上检测到接地故障的情况下，通过由控制单元13促使将负载区域线路31、32与主线路3、5连接的开关45、51断开，两个主线路7、9与连接到它们的负载区域3、5的负载区域线路31、32以预定的短的分离持续时间、例如以在1ms至1s范围内的分离持续时间分离。
在主线路7、9与负载区域3、5的负载区域线路31、32分离之后，由评估单元17检查，负载区域3、5的两个负载区域线路31、32的线路电压的量值之间的量值差是否显著减小，或者两个负载区域线路31、32的线路电压的量值是否彼此相等。如果量值差没有显著减小，则评估单元17将接地故障与该负载区域3、5相关联。
此外可以规定，在检测到主线路7、9上的接地故障之后，主线路7、9依次与不同的负载区域3、5的两个负载区域线路31、32分别以预定的分离持续时间分离，直至将接地故障与负载区域3、5相关联。
主线路7、9与负载区域3、5的负载区域线路31的分离优选地在如下的时间点进行，在该时间点，负载区域3、5的负载19、21不需要能量或者所需的能量可以对于分离持续时间被缓冲，例如通过(未示出的)存储电容器，该存储电容器连接在负载区域3、5的负载区域线路31、32之间。
根据附图描述的根据本发明的方法和根据本发明的直流电网1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，评估单元17集成到控制单元13中或接地故障监测单元15中。替换地可以规定，代替上级的评估单元17，为每个接入单元10、12设置本地的评估单元17，该本地的评估单元评估接入单元10、12的负载区域线路31、32的线路电压。附加地可以规定，每个接入单元10、12具有本地控制单元13，该本地控制单元被设计为，在直流电网1的主线路7、9上检测到接地故障的情况下，以分离持续时间将接入单元10、12的开关45、51断开。在此，也可以将本地评估单元17集成到本地控制单元13中。
尽管已经通过优选的实施例详细地说明和描述了本发明，但是本发明不受所公开的示例的限制，并且本领域技术人员可以从中推导出其它变型方案，而不脱离本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于定位直流电网(1)中的接地故障的方法，多个负载区域(3，5)能够接入所述直流电网，其中，每个负载区域(3，5)具有两个对称接地的负载区域线路(31，32)，其中，第一负载区域线路(31)能够与直流电网(1)的第一主线路(7)连接，并且第二负载区域线路(32)能够与直流电网(1)的第二主线路(9)连接，其中
-针对每个负载区域线路(31，32)连续测量负载区域线路(31，32)所处的线路电位与接地电位之间的线路电压，以及
-在所述直流电网(1)的主线路(7，9)上检测到接地故障的情况下，将所述主线路(7，9)与负载区域(3，5)的两个负载区域线路(31，32)分离，并且如果在所述主线路(7，9)与所述负载区域(3，5)的两个负载区域线路(31，32)分离之后所述两个负载区域线路(31，32)的线路电压的量值之间的量值差没有显著减小，则将接地故障与所述负载区域(3，5)相关联。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，预先给定分离持续时间，并且在主线路(7，9)上检测到接地故障之后，以所述分离持续时间将所述主线路(7，9)与负载区域(3，5)的负载区域线路(31，32)分离。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，预先给定在1ms至1s范围内的分离持续时间。
4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，通过断开布置在所述主线路(7，9)与所述负载区域线路(31，32)之间的开关(45，51)，将每个主线路(7，9)与连接到其的负载区域线路(31，32)分离。
5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，预先给定绝对的或相对的最小减小量，并且如果在主线路(7，9)与负载区域(3，5)的两个负载区域线路(31，32)分离之后所述两个负载区域线路(31，32)的线路电压的量值之间的量值差的减小量超过所述最小减小量，则所述量值差的减小量被归类为显著的。
6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，在检测到主线路(7，9)上的接地故障之后，所述主线路(7，9)依次与不同负载区域(3，5)的两个负载区域线路(31，32)分离，直至将接地故障与负载区域(3，5)相关联。
7.一种直流电网(1)，包括：
-两个主线路(7，9)，
-多个负载区域(3，5)，所述负载区域分别具有第一负载区域线路(31)和第二负载区域线路(32)，所述第一负载区域线路能够通过第一开关(45)与所述直流电网(1)的第一主线路(7)连接，所述第二负载区域线路能够通过第二开关(51)与所述直流电网(1)的第二主线路(9)连接，
-针对每个负载区域线路(31，32)的测量单元(53，54)，所述测量单元被设计用于连续地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线路电压，
-接地故障监测单元(15)，所述接地故障监测单元被设计用于检测所述主线路(7，9)上的接地故障，
-控制单元(13)，所述控制单元用于控制所述开关(45，51)，所述控制单元被设计用于，在由所述接地故障监测单元(15)在所述直流电网(1)的主线路(7，9)上检测到接地故障的情况下，通过断开将负载区域(3，5)的两个负载区域线路(31，32)与所述主线路(7，9)连接的开关(45，51)，来将所述主线路(7，9)与所述两个负载区域线路(31，32)分离，
-以及评估单元(17)，所述评估单元用于评估所述测量单元(53，54)的测量信号，所述评估单元被设计用于，如果在所述主线路(7，9)与所述负载区域(3，5)的两个负载区域线路(31，32)分离之后所述两个负载区域线路(31，32)的线路电压的量值之间的量值差没有显著减小，则将由所述接地故障监测单元(15)检测到的接地故障与所述负载区域(3，5)相关联，所述负载区域(3，5)具有与所述主线路(7，9)分离的负载区域线路(31，32)。
8.根据权利要求7所述的直流电网(1)，其中，每个负载区域(3，5)的第一开关(45)和/或第二开关(51)是电子开关。
9.根据权利要求7或8所述的直流电网(1)，其中，所述控制单元(13)被设计用于，在检测到主线路(7，9)上的接地故障之后，仅以预定的分离持续时间将所述主线路(7，9)与负载区域(3，5)的负载区域线路(31，32)分离。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的直流电网(1)，其中，所述评估单元(17)被设计用于，如果在主线路(7，5)与负载区域(3，5)的两个负载区域线路(31，32)分离之后所述两个负载区域线路(31，32)的线路电压的量值之间的量值差的减小量超过预定的最小减小量，则所述量值差的减小量被归类为显著的。
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