CN114725899A - 一种便于处理相间短路的供电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种便于处理相间短路的供电系统，包括电源和三相线路，在三相线路上设有若干分区开关，所述若干分区开关将三相线路分成若干保护区，在保护区内设有若干分段开关，所述分区开关的下口经接地开关与大地或公共导线相连，所述三相线路的母线或系统中性点经信号发生开关与大地或所述公共导线相连，所述分段开关能够检测电流信号并可根据预设的电流条件跳闸，所述分段开关还能够检测电压信号并可根据预设的电压条件跳闸。该系统能够将相间短路故障点两侧距离最近的分段开关切断从而切除短路故障使系统自愈，并且操作便捷，所用硬件相对减少，成本较低。

Description

一种便于处理相间短路的供电系统

技术领域

本发明涉及电力系统保护领域，具体涉及一种便于处理相间短路的供电系统。

背景技术

关于三相电力系统相间短路的处理，目前常见的做法有：1、采用重合闸的方式：首先切断该线路上的第一把断路器然后再闭合该第一把断路器，如果是瞬时性相间短路，并在闭合第一把断路器后即消除，则继续正常供电。如果在闭合第一把断路器后该相间短路故障仍然存在，则切断第一把断路器等待检修。2、采用时间上的级差配合方法：即同一线路断路器按照与电源的距离不同，整定不同过流跳闸时间，距离电源越近跳闸时间越长，一般整定级差为100ms，这个时间由开关的机械动作时长和算法耗费时间决定，这种方法可以将故障区域隔离，但是对于故障点离电源近的故障，供电系统耐受短路电流时间长，对电网的冲击大。3、将第一把断路器过流先跳开，然后最末把负荷开关无电流跳开（其他负荷开关在合闸状态），接着将第一把断路器重合，如果故障发生最末把负荷开关以下，则可以排除故障，否则第一把断路器重合后仍然有故障电流，此时第一把断路器过流再跳开，然后倒数第二把负荷开关无电流跳开，然后第一把断路器再次重合闸，如果相间短路发生在倒数第二把负荷开关和最末把负荷开关之间，则可以排除故障。以此类推，依次向上在无电流下切断负荷开关，直到将故障排除。但是在此操作过程中，供电系统反复经受大的短路电流冲击，如果次数过多，则会对线路造成损害，另外线路排除故障时间也很长。4、线路上都配置具有故障电流跳开能力的断路器，故障发生时将所有断路器设置为过流跳开，然后从第一把断路器开始合闸，有过流则跳开，故障排除。如果第一把断路器无过流而合闸成功，则闭锁一段时间的过流跳闸，在这段时间里第二把断路器合闸，由于第一把断流器已经过流闭锁，第二把断路器则有过流跳开，故障排除。如果无过流则接着闭合下一把，以此类推。这个方案要求每把断路器都需要具有切断大电流的能力，对断路器要求高，制造成本也高，同时逻辑复杂，自愈时间也比较长。所以，现有的相间短路处理方法均存在处理故障耗时长，对系统冲击大，对开关切断大电流的能力要求高。

发明专利申请202011453632.5和发明专利申请202011453631.0提供了两种处理相间短路的方法，在发生相间短路时，通过人为构造包括故障相和相间短路故障点的检测回路，并利用检测回路上的开关检测电流的脉冲数或时长信息触发跳闸从而切断故障点。发明专利申请2021106183754公开了一种三相电力系统相间短路的处理方法，在线路上设置分区开关和分段开关，分区开关能够切断大电流，分段开关只需切断负载电流，发生相间短路时，通过差动保护控制分区开关跳闸，再利用根据电流脉冲或电流时长的方法使分段开关跳闸，从而切除相间短路故障。针对电力系统通过分界开关使用两个电源互为备用供电的情况，发明专利申请202111251618.1公开了一种双电源三相电力系统相间短路的处理方法，通过构造两次检测回路，利用电流信号分别在相间短路故障点两侧将最近的分段开关切断，从而使电力系统彻底切除故障达到自愈。该专利申请采用两次构造检测回路的方法，需要的硬件多，操作复杂，使用起来不够便捷。

发明内容

本发明的目的是提供一种便于处理相间短路的供电系统，该系统能够将相间短路故障点两侧距离最近的分段开关切断从而切除短路故障使系统自愈，并且操作便捷，所用硬件相对减少，成本较低。

为了实现上述目的，本发明采取如下技术方案：

一种便于处理相间短路的供电系统，包括电源和三相线路，在三相线路上设有若干分区开关，所述若干分区开关将三相线路分成若干保护区，在保护区内设有若干分段开关，所述分区开关的下口经接地开关与大地或公共导线相连，所述三相线路的母线或系统中性点经信号发生开关与大地或所述公共导线相连，所述分段开关能够检测电流信号并可根据预设的电流条件跳闸，所述分段开关还能够检测电压信号并可根据预设的电压条件跳闸。

优选的，所述分段开关设有存储单元，所述预设的电流条件和所述预设的电压条件存储在所述存储单元上。

优选的，某一所述分段开关的存储单元存储的所述预设的电流条件为电流脉冲数或电流时长，并且靠近所述电源的分段开关的电流脉冲数或电流时长多于或长于远离所述电源的分段开关的电流脉冲数或电流时长。

优选的，某一所述分段开关的存储单元存储的所述预设的电压条件为在预设时间点之后未检测到电压信号，所述预设时间点为该所述分段开关朝向电源侧的第一个分段开关假设根据所述电流条件跳开的时刻。

优选的，某一所述分段开关的存储单元存储的所述预设的电压条件为该所述分段开关在检测到与该所述分段开关朝向电源侧的第一个分段开关假设应跳闸的电流脉冲数相等的电压脉冲数后未再检测到电压脉冲。

优选的，所述电压信号为所述三相线路的某一相线路与大地之间的相电压信号；或者所述电压信号为所述三相线路某两相线路之间的线电压信号；或者所述电压信号为所述三相线路的3U₀电压信号。

优选的，所述分区开关为各相能够单独控制通断的开关。

优选的，所述分区开关为三相同时通断的开关，并且还设有并联开关，所述并联开关能够将所述分区开关切断的任一相再次导通。

优选的，在所述接地开关与大地或所述公共导线之间串有降压电阻。

优选的，在所述信号发生开关与大地或公共导线之间串有限流电阻，在所述接地开关与大地或所述公共导线之间串有降压电阻，所述限流电阻与所述降压电阻的阻值之和为10~100欧。

本供电系统中，发生相间短路故障后可向检测回路注入电流信号（电流信号为中间可间断的电流脉冲信号或不间断的持续电流信号）时，故障点与已切断的分区开关之间的故障相导线有注入电流流过，相应的这一区域的分段开关就能检测到注入电流信号，而越接近故障点的分段开关触发跳闸的脉冲数越少或电流时长越短，这样距离故障点最近的流过注入电流（即能够检测到电流信号）的分段开关必然比其他能够检测到电流信号的分段开关要先跳闸并切断电流，这样其他分段开关就不会根据电流信号再跳闸，从而保证只切断距离故障点最近的有流分段开关。在产生电流信号的同时还会在三相线路上产生某一相对大地的相电压或两条线路之间的线电压或3U₀电压，这些电压信号根据导线电势相等的原理会分布在包括有流分段开关和无流分段开关在内的导线上（电压信号与电流信号相对应，即为电压脉冲信号或持续电压信号），这样当有流分段开关切断后，电流信号消失，相应的电压信号也消失，此时无流分段开关也就不会再检测到电压信号。本发明中，从开始注入电流信号的时刻进行计时，根据单个电流脉冲的周期及脉冲个数就可以预先规划出各个分段开关假设被电流信号触发跳闸的时间点（该时间点也就是从开始注入电流时刻起的时间序列上的一个时刻），该时间点加上分段开关从开始起跳到彻底跳开切断电流的机械动作耗时，就可以得到各个分段开关的预先规划的跳开时刻。某一分段开关根据电流条件跳开的时刻（该分段开关就是距离故障点最近的有流分段开关），其下游的第一个分段开关（距离故障点最近的无流分段开关）从该时刻起即不能再检测到电压信号，若据此跳闸恰可实现故障点最近的无流分段开关跳闸这一预期。又因为每一个分段开关都在时间序列上被规划出假设的跳开时刻（这些跳开时刻在时间序列上是依次排列的），所以将某一个无流分段开关触发跳闸的电压条件设为其上游的第一个分段开关假设的跳开时刻之后检测不到电压信号，只会有该所述分段开关符合条件（此无流分段开关也即距离故障点最近的无流分段开关），而其他无流分段开关则因在各自上游第一个分段开关的规划跳开时刻后均可以检测到电压信号，所以不会跳闸，这就保证了只有一个无流分段开关跳闸而不会发生有多个无流分段开关均跳闸的情况。

附图说明

图1是本发明供电系统的均采用接地方式的结构示意图（图中用省略号代表省略中间的分区开关、分段开关以及末端的负载或者末端的另一个电源及将两个电源隔开的分界开关，虚线框代表一个保护区）；

图2是仿真电路搭建示意图；

图3是图2左侧放大图；

图4是图2右侧放大图；

图5是仿真例1相电压信号图；

图6是仿真例1的线电压信号图；

图7是仿真例1的3U₀电压信号图；

图8是仿真例2的相电压信号图；

图9是本发明供电系统的均采用接公共导线方式的结构示意图（图中用省略号代表省略中间的分区开关、分段开关以及末端的负载或者末端的另一个电源及将两个电源隔开的分界开关，虚线框代表一个保护区）。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例对本发明做进一步说明：

如图1所示，供电系统包括电源1和三相线路2，在三相线路2上设有若干分区开关，相邻两个分区开关之间为一个保护区，可以在分区开关上设置差动保护系统，当在保护区内发生相间短路时，差动保护系统控制相应的电能入口的分区开关跳闸从而切断故障电流。各保护区内部可设若干分段开关，分段开关只需具备切断负载电流的能力，无需具备切断短路大电流能力，以降低成本。

假如相间短路故障点发生在点F处，则本发明所述的供电系统，在解决相间短路故障时相关硬件配置和相应操作方式如下：

首先，利用点F所在保护区3的电能入口的分区开关4跳开一根故障相以切断故障电流（假设切断C，保持B相导通，具体做法是同时切断ABC三相后再通过并联开关5将B相闭合从而恢复B相导通，或者不设单相开关5而分区开关4本身就可以单相控制，从而仅切断C相而B相保持自始导通）。

然后，将C相在已跳开的分区开关4的下口经接地开关6和降压电阻7接大地，接着将A相或C相在已跳开的分区开关4的上口（A相整条导线或C相位于分区开关4上口的部分均带电，因此均可统称为带电相，具体的上口位置一般取电源1的母线上，此外也可以通过系统中性点接地）通过信号发生开关8循环接地或持续接地，这样就构造了一个包括两条故障相导线（即BC相导线）和相间短路点F在内的检测回路，并且会产生电流脉冲或电流时长，二者统称电流信号（在一个优选例中，信号发生开关8与大地之间还串有可调限流电阻9，以更好控制电流信号的大小），同时，因为电流信号的存在，通过设置降压电阻7还可以伴随着使两条故障相导线（包括有电流信号的故障相导线部分和该保护区内没有电流信号的故障相导线）与大地之间产生电压信号，此即相电压信号，或与另外一个正常相之间产生线电压信号（此时仅限于两相相间短路，而不适合三相相间短路），或者产生3U₀电压信号。上述电压信号也与电流脉冲或持续电流相对应，即为电压脉冲信号或电压时长信号。此外，如果信号发生开关8和接地开关6均与同一公共导线20相连而不接大地，也可以产生检测用的电流信号和电压信号。

上述实施例是通过信号发生开关8循环切断、导通或持续导通来产生电流信号和电压信号，如果将信号发生开关8闭合，然后将B相在分区开关4处循环切断、导通或者持续导通，或者将C相在接地开关6处循环切断、导通或持续导通，都可以产生上述电流信号和电压信号。

分段开关具有检测电流脉冲或电流时长以及电压的能力（只需在分段开关上设置电流感应器和电压感应器，为本领域通用技术），并且可以根据电流信号以及未检测到的电压信号跳闸。比如，在一个产生电流脉冲的实施例中，相间短路故障点至已跳开的分区开关4之间的分段开关就有电流信号流过，可以检测到电流脉冲，这样的分段开关记为有流分段开关，并且整个保护区内所有的分段开关根据电流信号跳闸的条件设置为距离分区开关4越近，跳闸的电流脉冲数越多，例如该保护区内有4个分段开关，则距离分区开关4最远的分段开关10触发跳闸的电流脉冲数设为1（或者设为5，等等），其上一个分段开关11触发跳闸的电流脉冲数设为2（或者设为10，等等），再上一个分段开关12触发跳闸的电路脉冲数设为3（或者设为15，等等），再上一个分段开关13触发跳闸的电流脉冲数设为4（或者设为20，等等），分区开关4触发跳闸的电流脉冲数可以设为5（或者设为20，等等），这样当电流脉冲产生后，分段开关10和11没有电流脉冲流过（在每一次相间短路故障发生后，没有电流信号流过从而不能检测到电流信号的分段开关记为无流分段开关，有流分段开关和无流分段开关的分配随着相间短路故障点的位置的不同而不同），不会触发跳闸。这样当第一个电流脉冲产生后没有分段开关跳闸，第二个电流脉冲产生后也没有分段开关跳闸，当第三个电流脉冲产生后距离故障点F最近的有流分段开关12达到触发条件而跳闸，跳闸后检测回路中不再产生电流信号，因此分段开关13也不会再跳闸。在另一个产生持续电流的实施例中，分段开关10、11、12、13触发跳闸的电流时长分别设为100、200、300、400毫秒，分区开关4可设置为500毫秒跳闸（当故障点在分区开关4和分段开关13之间时就会使分区开关跳闸）。同理，当电流持续到300毫秒时，分段开关12跳闸，此前分段开关10、11因没有电流流过而不会跳闸，分段开关12跳闸后因不再有电流，分段开关13也不会跳闸，这样就可以保证距离故障点F最近的有流分段开关跳闸。本领域技术人员能够理解，两个相邻电流脉冲的时间间隔应大于分段开关跳开的时间，这样就不会发生在分段开关12跳开的过程中又通过一个电流脉冲从而导致分段开关13也跳闸，同理，根据电流时长跳闸时，分段开关触发跳闸的电流时长差值要大于分段开关跳开的时间。

在电流信号存在时，分段开关10、11、12、13都会检测到电压信号，但是逻辑设置上只有无流开关才会根据电压条件跳闸，有电流流过的有流分段开关不会根据电压条件跳闸。

在一个实施例中，在整个保护区3内，分段开关根据电压脉冲信号跳闸的条件设为某一分段开关在检测到与该分段开关上游的第一个分段开关触发跳闸的电流脉冲数相等的电压脉冲数后未再检测到电压脉冲，上游为朝着所述已跳开的分区开关计数分段开关的方向，或者说是朝向电源侧的方向。此实施例中，按上述各分段开关触发跳闸的电流脉冲数计，则分段开关13未检测到第6个电压脉冲而跳闸，分段开关12未检测到第5个电压脉冲而跳闸，分段开关11未检测到第4个电压脉冲而跳闸，分段开关10未检测到第3个电压脉冲而跳闸，这样在点F处发生相间短路故障后，当分段开关12根据电流条件跳开后，此时已经产生了三个电流脉冲，相应伴随有三个电压脉冲，且因为分段开关12已跳开，则不会再产生第4个电压脉冲，所以无流分段开关11跳开，因为此时已经产生了三个电压脉冲，所以无流分段开关10因为检测到了第3个脉冲则不会跳闸。这样，就保证在发生相间短路故障后，能够顺利根据电流信号和电压信号而切断故障点两侧的最近的分段开关，从而彻底切除故障，使系统自愈。对于采用两个电源的系统，因为故障点两侧的分段开关已被切断，所以可以闭合分界开关从而给分段开关11远离分区开关4一侧的线路供电（具体参见发明专利申请202111251618.1）。

在另一个实施例中，按如下方式设置分段开关跳闸的电压条件：

如果注入的是具有确定周期的电流脉冲，则刚开始为检测回路注入电流信号的时刻为0并开始计时，设电流脉冲周期为100毫秒，则分段开关10流过第一个电流脉冲的时刻为100毫秒的时间点，设分段开关跳开的机械动作耗时为50毫秒（即分段开关从开始起跳到彻底跳开切断电流需要50毫秒），则分段开关10跳开的时刻为第150毫秒，以此类推，分段开关11跳开的时刻为第250毫秒，分段开关12跳开的时刻为第350毫秒，分段开关13跳开的时刻为第450毫秒，等等，假设故障点F位于分段开关12和11之间，按电流条件，有流分段开关12在第350毫秒的时刻跳开，此后无流分段开关11就不会再检测到电压信号，可据此跳闸，而分段开关10触发跳闸的电压条件则相应为第250毫秒后检测不到电压信号（因其上游第一把开关是分段开关11，分段开关11跳开的时刻是第250毫秒），但按目前故障点F的位置，分段开关11不会因电流条件跳开，所以第250毫秒之后还有电压信号，这样分段开关10就可以检测到电压信号，所以不会跳闸，并进行闭锁。其他分段开关都同此理，这样该条件就保证了只有距离故障点F最近的无流分段开关跳闸，其他的无流分段开关不跳闸，且与故障点F随机出现的具体位置无关。

如果注入的是不间断的持续电流，则会产生不间断的持续电压，则上述规划同样适用，因为持续电流仍可以看成连续的固定周期的电流脉冲，故不再赘述。进一步推广的，即使电流脉冲的周期不是固定的，但如何注入电流是可预先设计的，每个电流脉冲的周期同样是可控的，所以任一分段开关的依据电流条件跳闸的跳开时刻也是可以提前规划的，并且跳开时刻应按从注入电流信号起该分段开关上游第一个分段开关根据上述电流条件假设应该跳开的时刻进行规划，所谓假设应该跳开，就是相间短路故障点发生在该假设跳开的分段开关和下一个分段开关之间。

在一个优选实施例中，在信号发生开关8和大地之间串入限流电阻9后，降压电阻7和限流电阻9电阻之和设为100欧，优选各设50欧。

在一个实施例中，在各个保护区上设置差动保护系统，当发生相间短路故障时，差动保护系统发出控制信号，使相应的分区开关跳开至少一故障相以切断故障电流。

在一个实施例中，在检测回路内产生电流脉冲或持续电流后，可以利用故障相导线与另外一个正常相之间产生的电压信号（此时仅限于两相相间短路，而不适合三相相间短路）来使无流分段开关跳闸，此时有流分段开关跳开时需要同时跳开三相，这样有流分段开关跳开后在正常相与故障相之间就不再具有电压，而有流分段开关跳开前正常相与故障相之间存在电压，该电压也为电压脉冲或持续电压，通过未检测到相应的电压脉冲数或电压时长使最靠近故障点的无流分段开关跳闸。

此外，还可以利用3U₀电压信号作为无流分段开关跳闸的判据。因为只要距离故障点最近的有流分段开关跳闸前后，无流分段开关检测到的电压信号发生了变化，从而原来检测到的电压信号不再重复出现，就可以设计逻辑将未检测到的电压脉冲数、未检测到的电压时长等电压信号作为判据。

为了将分区开关4切断电流后B相维持导通、C相通过接地开关7接地、然后信号发生开关8接地、然后分段开关12跳开这些阶段对应的三相线路电压信号的情况进行揭示，做如下仿真例（以下仿真例中，分区开关4具有单相控制功能）：

仿真例1：

BC短路，分区开关4将ABC三相切断；0.02S，分区开关4将B相导通；0.06S，接地开关6导通接地；0.15S到0.25S，信号发生开关8导通接地；0.26S，分段开关12跳闸，0.3S，分段开关11跳闸。

故障点之后，分段开关11检测到的相电压Ua、Ub、Uc图5所示。

故障点之后，分段开关11检测到的线电压Uab、Ubc、Uca如图6所示。

故障点之后，分段开关11检测到的3U0电压如图7所示。

仿真例2：

0.01S，BC短路；0.02S，分区开关4将C相跳闸，AB相维持导通；0.06S，接地开关6导通接地，0.15S到0.25S，信号发生开关8导通接地，0.26S，分段开关12跳闸，0.3S，分段开关11跳闸。

故障点之后，分段开关11检测到的相电压Ua、Ub、Uc如图8所示。

上述仿真例说明，在分段开关12跳开前，分区开关11可以检测到相电压、线电压、3U₀电压等电压信号，而分段开关12跳开后，分区开关11不会再检测到电压信号，据此可以进行判断。

上述实施例只是对本发明构思和实现的说明，并非对其进行限制，在本发明构思下，未经实质变换的技术方案仍然在保护范围内。

Claims (10)

1.一种便于处理相间短路的供电系统，包括电源和三相线路，在三相线路上设有若干分区开关，所述若干分区开关将三相线路分成若干保护区，在保护区内设有若干分段开关，所述分区开关的下口经接地开关与大地或公共导线相连，所述三相线路的母线或系统中性点经信号发生开关与大地或所述公共导线相连，所述分段开关能够检测电流信号并可根据预设的电流条件跳闸，其特征在于：

所述分段开关还能够检测电压信号并可根据预设的电压条件跳闸。

2.如权利要求1所述的便于处理相间短路的供电系统，其特征在于，所述分段开关设有存储单元，所述预设的电流条件和所述预设的电压条件存储在所述存储单元上。

3.如权利要求2所述的便于处理相间短路的供电系统，其特征在于，某一所述分段开关的存储单元存储的所述预设的电流条件为电流脉冲数或电流时长，并且靠近所述电源的分段开关的电流脉冲数或电流时长多于或长于远离所述电源的分段开关的电流脉冲数或电流时长。

4.如权利要求3所述的便于处理相间短路的供电系统，其特征在于，某一所述分段开关的存储单元存储的所述预设的电压条件为在预设时间点之后未检测到电压信号，所述预设时间点为该所述分段开关朝向电源侧的第一个分段开关假设根据所述电流条件跳开的时刻。

5.如权利要求3所述的便于处理相间短路的供电系统，其特征在于，某一所述分段开关的存储单元存储的所述预设的电压条件为该所述分段开关在检测到与该所述分段开关朝向电源侧的第一个分段开关假设应跳闸的电流脉冲数相等的电压脉冲数后未再检测到电压脉冲。

6.如权利要求1所述的便于处理相间短路的供电系统，其特征在于，

所述电压信号为所述三相线路的某一相线路与大地之间的相电压信号；

或者所述电压信号为所述三相线路某两相线路之间的线电压信号；

或者所述电压信号为所述三相线路的3U₀电压信号。

7.如权利要求1所述的便于处理相间短路的供电系统，其特征在于，所述分区开关为各相能够单独控制通断的开关。

8.如权利要求1所述的便于处理相间短路的供电系统，其特征在于，所述分区开关为三相同时通断的开关，并且还设有并联开关，所述并联开关能够将所述分区开关切断的任一相再次导通。

9.如权利要求1所述的便于处理相间短路的供电系统，其特征在于，在所述接地开关与大地或所述公共导线之间串有降压电阻。

10.如权利要求1所述的便于处理相间短路的供电系统，其特征在于，在所述信号发生开关与大地或公共导线之间串有限流电阻，在所述接地开关与大地或所述公共导线之间串有降压电阻，所述限流电阻与所述降压电阻的阻值之和为10~100欧。

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