CN1288159A - 故障检测 - Google Patents
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Abstract
通过在线路部分的每端处提供检测器(36,38,等等)完成多相电气传输线(30,32,34)中的故障检测,检测器检测线路部分流进和流出的电流,并输出一个电流值。检测器的输出通过计算流进线路部分的瞬间电流与电压的相位关系在微处理控制单元(80,82,84)中进行处理,由此确定在与电压矢量相同的方向中是否存在电流矢量的分量。如果在带电压的相中存在电流分量,那么故障出现在该线路中。
Description
本发明涉及提供电路故障保护的装置和方法，该电路通常处于但不局限于多相传输系统中。
众所周知，故障在电路中发生，同时也知道，在过电流流经或流到故障周围引起损害及严重威胁伤害到故障周围的人之前，提供装置隔离故障。
现有技术的保护系统包括设在保护线路每端的电流互感器装置。测量电流互感器中所感应的电流。如果流经电流互感器中的电流之间存在差异，则该线路上发生故障，保护继电器跳闸隔离线路。
上述方案是简单的概述，存在许多缺点。同样重要，对线路提供故障保护，防止由于线路外侧故障当作线路内侧故障触发保护。上述概括的方案不能区分故障发生在线路内侧还是外侧，导致电流互感器发生饱和时误跳。
因此，已有许多对上述概述方案的改进措施。一种改进措施是使用偏压继电器，其中操作设备所需的电流等级(level)与故障电流/负荷电流的幅值的等级成比例增加。但是，这对于低电流等级的故障，产生降低设备灵敏度的不希望的影响。当故障是接地故障，及电流受到故障电阻或接地阻抗限制时，会发生低电流等级故障。
更有效的改进措施之一是称为用于保护多相线路接地故障的中性差动保护。这保护方案中，除了每相的电流互感器外，设有所谓的“铁芯平衡”电流互感器。铁芯平衡电流互感器经过所有相，因此检测中性电流。(技术人员理解多相系统中电流矢量和为零)。如果流过中性电流，则在其中的一相中有故障。比较保护线路每端的铁芯平衡互感器中的读数，可以确定故障是在保护线路的内侧还是外侧。如果铁芯平衡互感器的电流读数在每端有差别，则故障发生在线路内侧，保护继电器可以跳闸。使用不同的阈值，以保证尽可能不出现误跳。但是，在有些情况中，中性差动保护方案仍会误跳。
技术人员理解，任何线路通常与地容性耦合，因此在交流系统中总有一个通过容性耦合流到地的电流。这会在多相系统中的每相出现。在有实地连接的系统中(即，低电阻接地)，当与可能流过的任何故障电流比较，这种容性电流是微小的，中性差动保护通常仍可保护线路。
但是，在设计为容许故障的、具有高接地阻抗或与地隔离的系统中，流到地的故障电流被大大降低。在这种系统中，通过容性耦合流到地的电流与实地连接系统中的电流有大约相同的幅值(通过容性耦合的电流与电源的对地阻抗值无关)。因此，因为高接地阻抗引起的故障电流大量减少，通过容性耦合的电流具有与对地的故障电流相同的幅值。所以，中性差动保护可能难于识别故障发生在保护线路的内侧还是外侧，这就可能导致误跳。
这种误跳可能是危险的。如果所保护线路是连到要求来自同一电源的电力运行的各种设备的输电线，由于其他输电线中故障而跳闸的输电线可能是危险的。一条输电线可能向另一个城镇的一个医院供电，等等。因此，也不希望因发生在其他输电线上的故障而失去电源。
根据本发明的第一方面，提供了故障检测装置，适于检测带有一个以上电相位的线路部分的故障，装置包括：
检测装置，设在线路部分每端，适于测量并输出线路部分中的电流；
处理装置，适于测量来自检测装置的输出，以及
所述处理装置适于计算流入线路部分的瞬时电流与电压的相位关系，并确定在与电压矢量相同的方向上是否存在电流矢量的分量。
这种系统的一个优点是，在高接地阻抗系统中，更能容许保护线路的外侧故障，因此比其他检测或保护方案如中性差动保护更不易产生误故障检测。
由处理装置检测的电压可能是瞬时残余线电压。
检测装置可包括一个或多个互感器，提供检测与线路相关的电压和电流的方便方法。
每个互感器适于测量流经线路中的中性电流。这是一个优点，因为在具有两个或两个以上电气相的线路中，瞬时相量电流之和几乎为零。因此，在正常的系统中，中性电流几乎为零。
这也意味着，检测装置可被制得更灵敏。一条线路带1000安培，要求检测装置能够测量该值。但是，中性电流可能几乎为零。通过设置成待检测量为中性电流，测量装置可被制成更灵敏，因为它只需设置成测量小电流。如果互感器用于检测装置，他们至少基本为比在线路中直接测量电流更灵敏的数量级。
检测装置可以是铁芯平衡互感器。这种互感器通常是围绕一条线路所有相的线圈，这样可测量流经线路的中性电流，该电流通常基本为零安培。
或者，或另外，可为线路的每相提供一个互感器。这些互感器的输出可被连接到一个星点。一个附加互感器可与连接到星点的线路相连接。检测装置可包括此附加互感器。技术人员可以理解，公用互感器的星点即为中性点，所以附加互感器以与铁芯平衡互感器相同的方式检测中性电流。
本装置包括适于在带线电压的相中检测到电流时隔离线路的隔离装置。这是有益的，因为它使故障隔离。最好，隔离装置适于被处理装置控制。
处理装置包括适于在带线电压的相中电流分量高于预设的阈值时触发隔离装置的阈值装置。这是有益的，因为它有助于降低隔离装置误操作的可能性。
合适地，处理装置适于计算由于带电压的相中电流分量引起的在线路中的残余功率分量。这是有益的，因为线路故障容限经常作为功率被引用/计算，因此使用此量可使装置容易设定及操作。
处理装置设有允许操作装置的输入装置，以修改适应用户的特殊需要。例如，可以调整适于操作的阈值装置的阈值。输入装置包括键盘，或袖珍键盘或类似物。
优选地，本装置适于保护三相线路。由于三相电源的广泛应用，这种装置是所希望的。
适当地，处理装置通过一种链接连接到线路每个端区处的检测装置，该种链接可以是通讯链接。技术人员可以理解，保护的线路可以是覆盖许多公里的传输线的一部分，这种通讯链接对于向检测装置提供处理装置是必要的。
通讯链接可以是下列链接的任何一种：无线电链接，微波链接，光纤链接，电缆链接，电话链接。技术人员理解所要求链接的本质。
本装置提供的故障检测可认为是零序功率差动保护。本装置适于提供除零序功率差动保护(可以是中性差动保护)外的已知故障检测技术。
根据本发明的第二方面，提供了检测具有流过两个或两个以上电气相交流线路上故障的方法，该方法包括：
a、检测流进和流出线路的电流
b、确定在检测到的电流中是否存在不平衡
c、如果存在不平衡，确定在线路带电压矢量的相中是否存在电流分量；以及
d、如果带电压的相中存在电流分量，确定故障出现在该线路中。
这种方法是有益的，因为它能比现有技术更好地确定故障发生在线路内侧还是在线路外侧。这是有益的，因为如果故障发生在线路外侧，故障不因与特殊线路相关的保护而动作，否则会在本不必失去功率的地方失去功率。
优选地，本方法还包括如果在线路内侧检测到故障则隔离线路。
本方法包括检测流进线路的中性电流，这是有益的，因为它通常比流进单个相中的电流小，由于使用了对小电流灵敏的表因此可更精确也测量。
本方法尤其适用于具有接地绝缘、对地高阻抗或经Petersen线圈接地的系统。这是有益的，因为发生在这种系统的故障电流相对较低，预先很难确定故障是发生在线路的内侧还是外侧。
这种方法可认为是从流过线路的电流中折扣(discounting)的线路容性充电电流。这是有益的，因为这能使存在故障的线路和没有故障的线路中具有几乎相同的值。
通过将电流相位从电压相位移动90度，本方法可折扣容性充电电流。
本方法包括阈值线路上带电压相中的任何检测到的电流，并确定如果超过阈值，那么就已发生故障。这是有益的，因为它有助于减少出现故障时的误判定。
除了本发明的方法外，本方法包括提供已知的故障检测方案(这可能是中性电流差动保护)。这是有益的，因为根据本发明的方法仅适用于检测接地故障并通过提供另外的保护方案使线路部分完全被保护。
下面参考附图，通过示例详细说明本发明：
图1示意性表示基本线路保护系统；
图2示意性表示三相配电网；
图3显示了发生故障的网络图；
图4显示了图2的网络中电流与电压的向量图；以及
图5显示了图3中发生故障的零序网络示意图。
图1显示可为多相的、具有保护区A的线路2。保护区A的每个端区设有电流互感器(CT)4,6。电流互感器4,6连接到监视电流互感器4,6输出以确定故障状态是否发生的保护继电器8。设有跳闸10,12，以隔离发生故障的线路，并由继电器8操作。电流通过电源4反馈到线路2。
继电器8必须满足两个同样重要的准则。保护线路A外侧的故障，它必须容许，而保护线路A内侧故障，它必须被触发。
如果没有故障，几乎所有进入电流互感器4的电流也流经电流互感器6。因此根据已知的电路原理，没有电流流经继电器8。如果故障发生在保护线路的外侧，这种情况不会改变，且继电器8不会跳闸。
但是，如果故障发生在保护线路的内侧，流经电流互感器4,6的电流不同，因此也有电流流经继电器8。在这种情况中，线路将被跳闸10,12隔离。
两个电流互感器之间的硬连线连接通常由连接到处理装置的通讯链接代替，处理装置监视电流互感器4,6的输出并在必要时操作跳闸10,12。
至此描述的方案在某些情况下可能被发生在保护线路外侧的故障触发。如果由于故障线路中感应大电流，电流互感器4,6可能饱和，导致电流流经继电器8而跳闸10,12随后动作。
因此，所提出的方案具有更强的误触发。
图2显示了通过阻抗ZE连接到地的三相电源20。三相电源连接到母线条22，由此三条输电线30,32,34向另外的母线条24,26,28供电。三条输电线30,32,34通过母线条22连接到一起，因此一条输电线中的故障将影响其他输电线中的电流。重要的是输电线24,26,28任何一条中的故障不会造成剩下的输电线从电源20隔离。
输电线24,26,28的每一个有一个设在每个端区的铁芯平衡互感器36,38,40,42,44,46。铁芯平衡互感器36-46绕三相缠绕，且在正常运行条件下有几乎为零的输出，因为流进三相的电流之和为零(IA+IB+IC=0)。
在特殊输电线的每端处的铁芯平衡互感器(36和38;40和42;44和46)经通讯链接68-78连接到监视流进铁芯平衡互感器对(36和38;40和42;44和46)的差动电流的保护继电器/处理装置80,82,84。继电器处理装置80,82,84适于隔离它们监视的有故障发生的输电线。执行这种隔离的装置是众所周知的，在示意图中未示出。
另外，技术人员理解，每条输电线24,26,28的三相中的每一相与地容性耦合，因此在交流系统中，通过这种容性耦合存在对地电流。这种容性耦合在图2中表述，其中每条输电线的每相经电容器48-64连接到地。通过电容器48-64到地的电流是电容器阻抗和线路电压的函数，因此与ZE值(电源20对地阻抗)和故障电流无关。
应注意到图2中，流进输电线24,26,28的电流几乎与输电线每端处的铁芯平衡互感器处的电流几乎相同(即，几乎与铁芯平衡互感器36和38,40和42,44和46处的电流相同)。
图3显示了与图2相同的系统(为清晰起见，未示出通讯链接68-78,继电器80,82,84)，但是对地故障发生在输电线30中。该故障由箭头66表示。由于从一相直接对地短接，该相的对地电容器被短路，在这种情况中，是电容器48被短路。但是，因为输电线30,32,34通过母线条22连接在一起，剩余两条输电线32,34的等效相的电容器也被短路(即电容器54,60)。
电容器48,54,60短路造成不同电流流经每条输电线30,32,34每端区的铁芯平衡互感器。图3中的虚线显示了不同的电流路径。
假定故障电流IF从输电线30的一相流过，那么在电源20的阻抗ZE中造成电流IS。电流IS是故障电流与非故障相容性与地耦合造成的电流之和。该故障电流与短路的电容器48,54,60结合造成差动电流流进铁芯平衡互感器对36和38;40和42;44和46。这些电流如下：
故障输电线
通过铁芯平衡互感器36的电流(在故障输电线30的输入处)IN=IS-(IC2+Ic3)，这里Ic2是来自输电线32通过电容器56,58的电流，IC3是来自输电线34的通过电容器62,64的电流，没有差动电流流经铁芯平衡互感器38(故障输电线30的输出侧)。
第1无故障输电线
在铁芯平衡互感器40中感应的差动电流(无故障输电线32输入处)等于该输电线电容电流，即IC2。同样，由铁芯平衡互感器检测到为零的差动电流(无故障输电线32的输出处)。
第2无故障输电线
如输电线32，无故障输电线34有等于流经其电容耦合的差动电流，即铁芯平衡互感器44处检测到的电流IC3(无故障输电线34输入处)，而在铁芯平衡互感器46处检测到为零的差动电流(无故障输电线34输出处)。
因此故障电流等于IF=IS-(IC1+IC2+IC3)
在阻抗ZE低的系统中，可能使用实接地连接，故障电流与IC1,IC2,IC3相比，将是大的。因此流到输电线30的差动电流IN远大于电容器电流。这就容易使继电器80,82,84区别故障发生在保护线路内侧还是外侧(即，其他输电线上的故障)。
例如，对于低值阻抗ZE，在故障情况下，流经ZE的电流可能是1000A。如上所述，通过电容耦合对地的电流不是故障发生或ZF的函数。使用近似估算，通过特殊电容耦合的电流是10A，使用公式导出铁芯平衡互感器36处检测到的差动电流为：IN=IS-(Icap1+Icap2)=980A。无故障输电线32,34的铁芯平衡互感器40和44处检测到的差动电流等于通过单个电容器中的电流，即10A。在这种条件下，容易使继电器80,82,84区别特殊输电线中的故障和该特殊输电线外的故障。这样，在无故障输电线和故障输电线中，铁芯平衡互感器对36和38,40和42,44和46之间感应的电流存在很大差别。
但是，配电网是已知的，其中阻抗ZE不是很高就是接近无穷大。例如，经Petersen线圈接地或与地隔离的系统。这种系统被设计成能容许故障并带单一故障继续运行。但是，由于该第一故障有效地使系统接地，通常检测故障并修复它是重要的，所以如果发生第二故障，由于这种有效接地，将有大电流再次流过。如果只有单一故障发生，高接地阻抗防止了大电流流过。
在具有高接地阻抗(即高ZE)或与地隔离的系统中，故障期间电源电流为零(如，IS=0)。因此，故障输电线30中的差动电流具有20A的数量级(IN=IS-(IC2+IC3)及IC2=IC3=10A)。无故障输电线32,34中的差动电流为10A的数量级。
技术人员理解，当差动电流如此接近时使继电器80,82,84区别发生在保护线路外侧的故障和保护线路内侧的故障几乎不可能。因此，至此描述的保护系统在具有高接地阻抗或与地隔离的系统中不能正确地动作。
因此，为了增加继电器80,82,84检测故障发生在保护线路的内侧还是外侧的精确度，提出了本发明的保护方案。
技术人员理解，实际上虽然由于很大的容性耦合，通过接地线流到地的电流将包括一个电阻性分量。因此，根据本发明的故障保护装置的处理装置，处理从保护线路每端处铁芯平衡互感器处取得的信息，去掉由于容性耦合产生的虚部电流分量。事实上，处理装置寻找的是电阻负荷电流。
本保护方法可描述为零序功率差动保护，其原理可参考图5所述。
图5显示了接地故障的零序网络。线路Lf是故障线路，线路Lh是健康线路(表示系统剩余的线路，如，图2和3中的输电线32和34)。健康线路Lh测量的铁芯平衡互感器200的中性电流等于流进电路的充电电流(由于线路对地的容性/阻性耦合)。健康线路远端处的铁芯平衡互感器202不测量任何中性电流，因此通过本方案在线路上测量到的中性差动电流为充电电流。这一点如图2和3中的相关描述。
图4显示了一个向量图以进一步说明。其中，EA、EB、EC分别表示故障前的电动势，VB、VC分别表示故障后的电压，ICCH表示C相的充电电流，IBCH表示B相的充电电流，-3V0表示残余电压，ICH1表示无IRES时的充电电流，ICH2表示有IRES时的充电电流，Iresist表示阻性电流。
在此例子中，采用了绝缘的三相系统，其中电源20与地绝缘。A相上发生相对地故障，导致B和C相电压升高。这些相上对应的容性耦合充电电流Ibch和Icch(由于相对地的容性耦合)，超前电压90度。线路输入端铁芯平衡互感器测量到最后得到的中性电流(例如，图2和3中的互感器36或图5中的互感器204)将为Ibch和Icch之和并在图4中以Ich1示出。如上所述，电流Ich1实际上包含了阻性分量，这往往使电流Ich1超前角小于90度。该电流用Ich2表示。电流的阻性分量用Iresist表示。
观测图5的零序网络，很明显流进故障输电线的残余功率PFO与流进健康输电线的残余功率PHO方向相反。如前所述，铁芯平衡互感器202,206测得的差动电流为零，铁芯平衡互感器200,204测得的差动电流等于健康输电线中容性充电电流(包括阻性分量)，并为故障输电线中的值的两倍(假定绝缘地系统)。应该注意，在这种绝缘地系统中电源电流ISO必定为零(见图3)。因此，电流在铁芯平衡互感器200,204中以相反的方向流动。
因此，继电器80,82,84(图2)检测电压与流经它们连接的铁芯平衡互感器的电流之间的相位关系。注意到，通过感性或容性阻抗流经的电流对于电压相位是90度，并可被折扣，如果线路带残余电压向量的相中存在电流分量且在预设阈值之上，继电器80,82,84隔离保护线路。如果输电线是健康输电线，那么电流向量的阻性分量偏移电压向量180度。这就可能区分无故障输电线和故障输电线。
Claims (27)
1、一种适于检测带有一个以上电相位的线路部分上故障的故障检测装置，该装置包括：
检测装置，设在线路部分每端，适于测量并输出线路部分中的电流；
处理装置，适于测量来自检测装置的输出，以及
所述处理装置适于计算流入线路部分的瞬时电流与电压之间的相位关系，并确定在与电压矢量相同的方向上是否存在电流矢量的分量。
2、根据权利要求1的装置，其特征在于，处理装置检测到的电压是瞬时残余线电压。
3、根据权利要求1或2的装置，其特征在于，检测装置包括一个或多个互感器。
4、根据权利要求3的装置，其特征在于，每个互感器适于测量流进线路的中性电流。
5、根据上述权利要求中的任何一个权利要求的装置，其特征在于，检测装置是铁芯平衡互感器。
6、根据上述权利要求中的任何一个权利要求的装置，其特征在于，检测装置包括为线路每相提供的互感器。
7、根据权利要求6的装置，其特征在于，这些互感器的输出连接到一个星点。
8、根据权利要求7的装置，其特征在于，检测装置还包括检测连接到星点线路的互感器。
9、根据上述权利要求中的任何一个的装置，其特征在于，该装置包括适于隔离线路的隔离装置。
10、根据权利要求9的装置，其特征在于，如果在带残余线电压的相中检测到电流，则隔离装置隔离该线路。
11、根据权利要求9或10的装置，其特征在于，隔离装置适于由处理装置控制。
12、根据上述权利要求中的任何一个的装置，其特征在于，处理装置包括当带残余线电压的相中的电流分量超过预设阈值时适于触发隔离装置的阈值装置。
13、根据上述权利要求中的任何一个的装置，其特征在于，处理装置适于计算由于带电压的相中的电流分量引起的在线路中的残余功率分量。
14、根据上述权利要求中的任何一个的装置，其特征在于，处理装置设有输入装置。
15、根据权利要求14的装置，其特征在于，输入装置包括键盘，袖珍键盘或类似物。
16、根据上述权利要求书中的任何一个权利要求的装置，其特征在于，该装置适于保护三相线路。
17、根据上述权利要求书中的任何一个权利要求的装置，其特征在于，处理装置通过一种链接被连接到线路每端区处的检测装置。
18、根据权利要求17的装置，其特征在于，该链接是通讯链接。
19、根据权利要求18的装置，其特征在于，通讯链接可以是下列链接中的任何一种：无线电链接，微波链接，光纤链接，电缆链接，电话链接。
20、一种检测具有流过两个或两个以上电相位的交流线路上故障的方法，该方法包括：
a、检测流进和流出线路的电流；
b、确定在检测到的电流中是否存在不平衡；
c、如果存在不平衡，则确定在线路带电压矢量的相中是否存在电流分量；以及
d、如果带电压的相中存在电流分量，则确定故障出现在线路中。
21、根据权利要求20的方法，包括如果在线路中检测到故障则隔离线路。
22、根据权利要求20或21的方法，包括检测流进线路的中性电流。
23、根据权利要求20至22中的任何一个权利要求的方法，包括从流经线路的电流折扣的线路的容性充电电流。
24、根据权利要求23的方法，包括通过从电压相位移动电流相位90度折扣容性充电电流。
25、根据权利要求20至24中的任何一个的方法，包括阈值任何在线路上带残余电压的相中检测到的电流，并确定当阈值超过时故障已经发生。
26、一种基本上如参照附图所描述的故障检测装置。
27、一种基本上如参照附图所描述的检测故障的方法。
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