CN116466193A - 一种多回路电缆故障管控装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电缆故障管控，具体涉及一种多回路电缆故障管控装置，数据监测采集单元，用于采集系统运行电压、抗饱和电压互感器PT的开口三角电压和三相电压、线路零序电流，以及进线回路、出线回路的高频行波电流；小电流接地选线与故障处理单元，基于电弧熄灭前后只有故障相线路的零序电流变化最大，而非故障相线路的零序电流基本不变的特征快速准确地选出故障相线路，并快速将故障相线路接地；故障定位单元，基于进线回路、出线回路的高频行波电流监测情况采用行波幅值极性比较法确定故障线路，并进行故障定位；本发明提供的技术方案能够有效克服小电流接地选线准确率低、线路故障定位不够准确，以及不能对各类系统故障进行有效治理的缺陷。
Description
技术领域
本发明涉及电缆故障管控，具体涉及一种多回路电缆故障管控装置。
背景技术
在中压电网系统中，单相接地故障是电网运行中最常见的一种故障形式，约占系统电气故障的80%以上。我国3~66kV中压电网，大多采用中性点非有效接地的运行方式（又称为小电流接地方式），这是因为中性点不接地电网发生单相接地故障时，供电电压（线电压）依然对称并且接地电流一般不大，不需要立即切除线路，这样就大大提高了供电的可靠性。
但是随着电网规模的不断扩大，中压线路电缆化率的提高，以及城网、农网、企业电网混合的配电网络越来越复杂，单纯采用不接地或者消弧线圈接地的运行方式已经无法满足对中性点非有效接地的中压电网系统，在发生单相接地故障时“能够维持运行2小时”的规程要求。
通过对各类中压电网系统的故障调研发现，由单相接地故障引起的跳闸事故率逐年提高，特别是企业电网因单相接地故障引起的跳闸事故占总短路故障的80%。同时，伴随中压电网系统单相接地故障产生的弧光接地过电压、铁磁谐振、小电流接地选线准确率低等问题严重影响着中压电网系统运行的可靠性，甚至会发生由于单相接地故障未得到及时有效处理而引起人身伤害事故的情况。
发明内容
针对现有技术所存在的上述缺点，本发明提供了一种多回路电缆故障管控装置，能够有效克服现有技术所存在的小电流接地选线准确率低、线路故障定位不够准确，以及不能对各类系统故障进行有效治理的缺陷。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种多回路电缆故障管控装置，包括数据监测采集单元、小电流接地选线与故障处理单元和故障定位单元；
数据监测采集单元，用于采集系统运行电压、抗饱和电压互感器PT的开口三角电压和三相电压、线路零序电流，以及进线回路、出线回路的高频行波电流；
小电流接地选线与故障处理单元，基于电弧熄灭前后只有故障相线路的零序电流变化最大，而非故障相线路的零序电流基本不变的特征快速准确地选出故障相线路，并快速将故障相线路接地；
故障定位单元，基于进线回路、出线回路的高频行波电流监测情况采用行波幅值极性比较法，结合抗饱和电压互感器PT的三相电压确定故障线路，并根据故障线路上的行波传输情况进行故障定位。
优选地，所述数据监测采集单元包括电压采集装置、零序电流采集装置和无源柔性电流传感器；
电压采集装置，用于采集系统运行电压、抗饱和电压互感器PT的开口三角电压和三相电压；
零序电流采集装置，用于采集各条线路的零序电流；
无源柔性电流传感器，分布安装于进线回路、出线回路的首端，用于采集进线回路、出线回路的高频行波电流。
优选地，所述小电流接地选线与故障处理单元包括选线与故障处理装置和分相接地快速固封极柱断路器VFS；
选线与故障处理装置，获取零序电流采集装置采集的各条线路的零序电流，根据电弧熄灭前后只有故障相线路的零序电流变化最大，而非故障相线路的零序电流基本不变的特征快速准确地选出故障相线路，并向分相接地快速固封极柱断路器VFS发送相应的合闸指令；
分相接地快速固封极柱断路器VFS，一端通过隔离开关QS接入进线回路、出线回路之间，另一端接地，用于接收选线与故障处理装置发送的合闸指令，并快速将故障相线路接地。
优选地，所述故障定位单元包括故障定位装置和精准定位采集装置DWQ；
故障定位装置，获取无源柔性电流传感器采集的进线回路、出线回路的高频行波电流，通过对行波的幅值极性进行综合研判，结合抗饱和电压互感器PT的三相电压确定故障线路，并接收精准定位采集装置DWQ发送的故障定位信息；
精准定位采集装置DWQ，分布安装于进线回路、出线回路中，用于根据故障线路上的行波传输情况进行故障定位，并向故障定位装置发送相应的故障定位信息。
优选地，所述精准定位采集装置DWQ根据故障线路上的行波传输情况进行故障定位，包括：
故障线路上的故障点产生向两侧同时传输的故障行波，采用行波定位技术，记录故障行波由故障点运动至精准定位采集装置DWQ所需的时间t1，以及经母线反射回故障点，再由故障点反射至精准定位采集装置DWQ所需的时间t2，采用下式计算故障点与精准定位采集装置DWQ之间的距离XL：
，
其中，v为故障行波在故障线路上的传输速度。
优选地，还包括高能容能量吸收器PWRPE和限流型强阻尼抑制器LXQ；
高能容能量吸收器PWRPE，一端通过隔离开关QS接入进线回路、出线回路之间，另一端接地，用于对发生在相对地和相与相之间的过电压进行限制，发生单相弧光接地时配合分相接地快速固封极柱断路器VFS快速将弧光接地变为金属性接地，释放系统过电压能量，将弧光接地过电压限制在线电压的安全水平，消灭过电压保护的死区；
限流型强阻尼抑制器LXQ，安装于抗饱和电压互感器PT的一次绕组中性点，用于破坏铁磁谐振条件，迫使抗饱和电压互感器PT退出饱和状态，从根本上防止铁磁谐振的发生。
优选地，当发生电压越限，即系统运行电压位于预设电压范围之外时，装置发出报警信号并输出开关量接点，同时通过交互面板显示故障时间、类型和各相电压。
优选地，还包括微机消谱装置，当发生铁磁谐振故障时，安装于抗饱和电压互感器PT一次绕组中性点的限流型强阻尼抑制器LXQ利用自身的物理特性破坏铁磁谐振条件，同时微机消谱装置根据抗饱和电压互感器PT的开口三角电压的幅值和频率判断谐振类型，并投入自带的二次消谐器，辅助抑制铁磁谐振。
优选地，还包括微机综合控制器，当抗饱和电压互感器PT的开口三角电压超过设定的单相接地电压整定值时，表明发生单相接地故障，微机综合控制器根据抗饱和电压互感器PT的三相电压和各条线路的零序电流进行故障项判别，并向分相接地快速固封极柱断路器VFS发送相应的合闸指令，快速转移故障项，保护人体安全。
优选地，当发生单相弧光接地故障时，选线与故障处理装置获取各条线路的零序电流，根据电弧熄灭前后只有故障相线路的零序电流变化最大，而非故障相线路的零序电流基本不变的特征快速准确地选出故障相线路，并向分相接地快速固封极柱断路器VFS发送相应的合闸指令，快速将故障相线路接地，熄灭接地电弧，同时高能容能量吸收器PWRPE将弧光接地过电压限制在线电压的安全水平，控制故障发展。
与现有技术相比，本发明所提供的一种多回路电缆故障管控装置，具有以下有益效果：
1）功能强大：对于中压电网系统经常发生的电压越限、铁磁谐振、单相接地等故障都能实现精准检测与快速处理，并且能实时监测系统运行电压，同时装置内的抗饱和电压互感器PT能够代替原有PT柜，节省了投资；
2）小电流接地选线准确率高：利用电弧熄灭前后只有故障相线路的零序电流变化最大，而非故障相线路的零序电流基本不变的特征，巧妙地解决了发生单相弧光接地故障时选线不准的难题；
3）线路故障定位准确：实时监测高频行波电流，采用行波幅值极性比较法，结合抗饱和电压互感器PT的三相电压确定故障线路，并根据故障线路上的行波传输情况进行故障定位，精准的故障选线和故障定位，能够大幅提高运维人员的故障排查效率，及时对存在隐患风险的电缆进行检修，有效提高供电的可靠性，该方法不受任何工频因素的干扰，完美地解决了传统工频选线法中遇到的各类问题；
4）适应性强：装置动作后可允许至少630A的系统电容电流长期流过，保护性能不受电网规模的影响，既适用于电缆电网、混合电网，也适合于架空电网；
5）维护简单：装置动作后又发生非故障相绝缘对地击穿时，故障相接地开关能够在5ms左右快速分闸，避免发生两相短路，同时无需人为干预自动做好下次动作的准备。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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 为本发明的硬件连接示意图；
图2 为本发明中高频行波电流的监测示意图；
图3 为本发明中根据故障线路上的行波传输情况进行故障定位的示意图；
图4 为本发明图3中t1、t2的监测示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种多回路电缆故障管控装置，如图1所示，包括数据监测采集单元、小电流接地选线与故障处理单元和故障定位单元；
数据监测采集单元，用于采集系统运行电压、抗饱和电压互感器PT的开口三角电压和三相电压、线路零序电流，以及进线回路、出线回路的高频行波电流；
小电流接地选线与故障处理单元，基于电弧熄灭前后只有故障相线路的零序电流变化最大，而非故障相线路的零序电流基本不变的特征快速准确地选出故障相线路，并快速将故障相线路接地；
故障定位单元，基于进线回路、出线回路的高频行波电流监测情况采用行波幅值极性比较法，结合抗饱和电压互感器PT的三相电压确定故障线路，并根据故障线路上的行波传输情况进行故障定位。
①数据监测采集单元包括电压采集装置、零序电流采集装置和无源柔性电流传感器；
电压采集装置，用于采集系统运行电压、抗饱和电压互感器PT的开口三角电压和三相电压；
零序电流采集装置，用于采集各条线路的零序电流；
无源柔性电流传感器，分布安装于进线回路、出线回路的首端，用于采集进线回路、出线回路的高频行波电流。
②小电流接地选线与故障处理单元包括选线与故障处理装置和分相接地快速固封极柱断路器VFS；
选线与故障处理装置，获取零序电流采集装置采集的各条线路的零序电流，根据电弧熄灭前后只有故障相线路的零序电流变化最大，而非故障相线路的零序电流基本不变的特征快速准确地选出故障相线路，并向分相接地快速固封极柱断路器VFS发送相应的合闸指令；
分相接地快速固封极柱断路器VFS，一端通过隔离开关QS接入进线回路、出线回路之间，另一端接地，用于接收选线与故障处理装置发送的合闸指令，并快速将故障相线路接地。
③故障定位单元包括故障定位装置和精准定位采集装置DWQ；
故障定位装置，获取无源柔性电流传感器采集的进线回路、出线回路的高频行波电流，通过对行波的幅值极性进行综合研判，结合抗饱和电压互感器PT的三相电压确定故障线路，并接收精准定位采集装置DWQ发送的故障定位信息；
精准定位采集装置DWQ，分布安装于进线回路、出线回路中，用于根据故障线路上的行波传输情况进行故障定位，并向故障定位装置发送相应的故障定位信息。
具体地，精准定位采集装置DWQ根据故障线路上的行波传输情况进行故障定位，如图3和图4所示，包括：
故障线路上的故障点产生向两侧同时传输的故障行波，采用行波定位技术，记录故障行波由故障点运动至精准定位采集装置DWQ所需的时间t1，以及经母线反射回故障点，再由故障点反射至精准定位采集装置DWQ所需的时间t2，采用下式计算故障点与精准定位采集装置DWQ之间的距离XL：
，
其中，v为故障行波在故障线路上的传输速度。
本申请技术方案中，还包括高能容能量吸收器PWRPE和限流型强阻尼抑制器LXQ；
高能容能量吸收器PWRPE，一端通过隔离开关QS接入进线回路、出线回路之间，另一端接地，用于对发生在相对地和相与相之间的过电压进行限制，发生单相弧光接地时配合分相接地快速固封极柱断路器VFS快速将弧光接地变为金属性接地，释放系统过电压能量，将弧光接地过电压限制在线电压的安全水平，消灭过电压保护的死区；
限流型强阻尼抑制器LXQ，安装于抗饱和电压互感器PT的一次绕组中性点，用于破坏铁磁谐振条件，迫使抗饱和电压互感器PT退出饱和状态，从根本上防止铁磁谐振的发生。
本申请技术方案中，装置正常运行时，通过交互面板显示系统运行电压、抗饱和电压互感器PT的开口三角电压，以及装置运行状态，并可向外部回路提供二次电压信号。
下面结合中压电网系统中的各类故障，阐述本申请中多回路电缆故障管控装置的具体工作原理：
1）当发生电压越限，即系统运行电压位于预设电压范围（在额定电压的70%~130%之间）之外时，装置发出报警信号并输出开关量接点，同时通过交互面板显示故障时间、类型和各相电压；
2）还包括微机消谱装置，当发生铁磁谐振故障时，安装于抗饱和电压互感器PT一次绕组中性点的限流型强阻尼抑制器LXQ利用自身的物理特性破坏铁磁谐振条件，同时微机消谱装置根据抗饱和电压互感器PT的开口三角电压的幅值和频率判断谐振类型，并投入自带的二次消谐器，辅助抑制铁磁谐振；
3）还包括微机综合控制器，当抗饱和电压互感器PT的开口三角电压超过设定的单相接地电压整定值时，表明发生单相接地故障，微机综合控制器根据抗饱和电压互感器PT的三相电压和各条线路的零序电流进行故障项判别，并向分相接地快速固封极柱断路器VFS发送相应的合闸指令，快速转移故障项，保护人体安全；
4）当发生单相弧光接地故障时，选线与故障处理装置获取各条线路的零序电流，根据电弧熄灭前后只有故障相线路的零序电流变化最大，而非故障相线路的零序电流基本不变的特征快速准确地选出故障相线路，并向分相接地快速固封极柱断路器VFS发送相应的合闸指令，快速将故障相线路接地，熄灭接地电弧，同时高能容能量吸收器PWRPE将弧光接地过电压限制在线电压的安全水平，控制故障发展。
本申请中的多回路电缆故障管控装置适用于3-35kV中性点不接地、中性点经消弧线圈接地的中压电网系统，能够快速控制单相接地故障的发展，并且可以快速精准地进行线路故障定位，为在不间断供电的情况下进行多回路电缆单相接地故障的处理创造充分条件。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不会使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种多回路电缆故障管控装置，其特征在于：包括数据监测采集单元、小电流接地选线与故障处理单元和故障定位单元；
数据监测采集单元，用于采集系统运行电压、抗饱和电压互感器PT的开口三角电压和三相电压、线路零序电流，以及进线回路、出线回路的高频行波电流；
小电流接地选线与故障处理单元，基于电弧熄灭前后只有故障相线路的零序电流变化最大，而非故障相线路的零序电流基本不变的特征快速准确地选出故障相线路，并快速将故障相线路接地；
故障定位单元，基于进线回路、出线回路的高频行波电流监测情况采用行波幅值极性比较法，结合抗饱和电压互感器PT的三相电压确定故障线路，并根据故障线路上的行波传输情况进行故障定位。
2.根据权利要求1所述的多回路电缆故障管控装置，其特征在于：所述数据监测采集单元包括电压采集装置、零序电流采集装置和无源柔性电流传感器；
电压采集装置，用于采集系统运行电压、抗饱和电压互感器PT的开口三角电压和三相电压；
零序电流采集装置，用于采集各条线路的零序电流；
无源柔性电流传感器，分布安装于进线回路、出线回路的首端，用于采集进线回路、出线回路的高频行波电流。
3.根据权利要求2所述的多回路电缆故障管控装置，其特征在于：所述小电流接地选线与故障处理单元包括选线与故障处理装置和分相接地快速固封极柱断路器VFS；
选线与故障处理装置，获取零序电流采集装置采集的各条线路的零序电流，根据电弧熄灭前后只有故障相线路的零序电流变化最大，而非故障相线路的零序电流基本不变的特征快速准确地选出故障相线路，并向分相接地快速固封极柱断路器VFS发送相应的合闸指令；
分相接地快速固封极柱断路器VFS，一端通过隔离开关QS接入进线回路、出线回路之间，另一端接地，用于接收选线与故障处理装置发送的合闸指令，并快速将故障相线路接地。
4.根据权利要求3所述的多回路电缆故障管控装置，其特征在于：所述故障定位单元包括故障定位装置和精准定位采集装置DWQ；
故障定位装置，获取无源柔性电流传感器采集的进线回路、出线回路的高频行波电流，通过对行波的幅值极性进行综合研判，结合抗饱和电压互感器PT的三相电压确定故障线路，并接收精准定位采集装置DWQ发送的故障定位信息；
精准定位采集装置DWQ，分布安装于进线回路、出线回路中，用于根据故障线路上的行波传输情况进行故障定位，并向故障定位装置发送相应的故障定位信息。
5.根据权利要求4所述的多回路电缆故障管控装置，其特征在于：所述精准定位采集装置DWQ根据故障线路上的行波传输情况进行故障定位，包括：
故障线路上的故障点产生向两侧同时传输的故障行波，采用行波定位技术，记录故障行波由故障点运动至精准定位采集装置DWQ所需的时间t1，以及经母线反射回故障点，再由故障点反射至精准定位采集装置DWQ所需的时间t2，采用下式计算故障点与精准定位采集装置DWQ之间的距离XL：
，
其中，v为故障行波在故障线路上的传输速度。
6.根据权利要求4所述的多回路电缆故障管控装置，其特征在于：还包括高能容能量吸收器PWRPE和限流型强阻尼抑制器LXQ；
高能容能量吸收器PWRPE，一端通过隔离开关QS接入进线回路、出线回路之间，另一端接地，用于对发生在相对地和相与相之间的过电压进行限制，发生单相弧光接地时配合分相接地快速固封极柱断路器VFS快速将弧光接地变为金属性接地，释放系统过电压能量，将弧光接地过电压限制在线电压的安全水平，消灭过电压保护的死区；
限流型强阻尼抑制器LXQ，安装于抗饱和电压互感器PT的一次绕组中性点，用于破坏铁磁谐振条件，迫使抗饱和电压互感器PT退出饱和状态，从根本上防止铁磁谐振的发生。
7.根据权利要求6所述的多回路电缆故障管控装置，其特征在于：当发生电压越限，即系统运行电压位于预设电压范围之外时，装置发出报警信号并输出开关量接点，同时通过交互面板显示故障时间、类型和各相电压。
8.根据权利要求6所述的多回路电缆故障管控装置，其特征在于：还包括微机消谱装置，当发生铁磁谐振故障时，安装于抗饱和电压互感器PT一次绕组中性点的限流型强阻尼抑制器LXQ利用自身的物理特性破坏铁磁谐振条件，同时微机消谱装置根据抗饱和电压互感器PT的开口三角电压的幅值和频率判断谐振类型，并投入自带的二次消谐器，辅助抑制铁磁谐振。
9.根据权利要求6所述的多回路电缆故障管控装置，其特征在于：还包括微机综合控制器，当抗饱和电压互感器PT的开口三角电压超过设定的单相接地电压整定值时，表明发生单相接地故障，微机综合控制器根据抗饱和电压互感器PT的三相电压和各条线路的零序电流进行故障项判别，并向分相接地快速固封极柱断路器VFS发送相应的合闸指令，快速转移故障项，保护人体安全。
10.根据权利要求6所述的多回路电缆故障管控装置，其特征在于：当发生单相弧光接地故障时，选线与故障处理装置获取各条线路的零序电流，根据电弧熄灭前后只有故障相线路的零序电流变化最大，而非故障相线路的零序电流基本不变的特征快速准确地选出故障相线路，并向分相接地快速固封极柱断路器VFS发送相应的合闸指令，快速将故障相线路接地，熄灭接地电弧，同时高能容能量吸收器PWRPE将弧光接地过电压限制在线电压的安全水平，控制故障发展。
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