CN1453916A - 小电流接地系统单相接地选线方法和装置 - Google Patents

Abstract

小电流接地系统单相接地选线方法和装置，其特征是从三相电网取出零序电压信号和零序电流信号，这些信号经滤波、移相、整形、光隔后形成方波；给时序鉴别器设定单相接地故障线路的时序鉴别法则(硬件或软件)，由时序鉴别器为核心构成的接地选线模块，根据时序鉴别法则鉴别各馈出线是否为接地故障线路。该选线方法和选线装置工作可靠，抗干扰能力强，能快速、准确地判别出故障线路。

Description

小电流接地系统单相接地选线方法和装置

一、发明的技术领域：

本发明涉及小电流接地系统中高压电网单相接地故障检测装置和低压电网选择性漏电保护装置中的接地故障选线方法，属于电力系统故障检测和继电保护。

二、发明背景及现有技术状况：

目前的3～60KV高压配电网及矿井380～1140V低压供电网广泛采用小电流接地系统即中性点不直接接地系统(NUGS)，包括中性点不接地系统(NUS)，中性点经消弧线圈接地系统(NES)和中性点经电阻接地系统(NRS)。NUGS中发生最多的故障是单相接地，而发生单相接地时，故障线路难以迅速、准确地找出，尤其是NES过补偿系统。因此，快速而准确地检测出单相接地的故障线路(称接地故障选线)，一直是国内外电力系统继电保护领域的一个重要研究课题。关于这方面的详细情况，可参阅中文核心期刊《继电器》2001年第4期中“小电流接地系统单相接地故障选线方法综述”一文(作者是昆明理工大学电力学院硕士研究生肖白，上海交通大学电工站出站博士后、研究电力系统新型继电保护的教授束洪春)。此文全面系统地总结了该项技术的国内外现状，并对单相接地故障的各种选线原理作了分析与评述。该文总结了近二十种单相接地选线方法，这些方法大致可分为两大类，即利用接地故障电流的选线方法(如零序电流基波分量法、谐波分量法、暂态分量法、有功分量法以及负序电流分量法等)和不用故障零序电流的选线法(如拉闸试探法、注入信号法等)。这些选线方法构成的单相接地故障选线装置在使用中的准确性和可靠性还不能令人满意。正如该文所述：“到目前为止，基于上述不同选线理论已经先后推出几代产品。但在实际应用中的效果并不十分理想，所以此问题还有必要进一步研究”。

三、发明的目的：

一是提出一种新的“零序电流时序鉴别选线方法”，以实现快速而准确地检测出单相接地故障线路，并分别通用于小电流接地系统的无补偿、欠补偿和过补偿电网，即通用于高、低压NUGS的NUS、NRS或NES。

二是依据所提出的选线方法，设计一个带有“时序鉴别器”的单相接地选线模块，以模块为核心设计成高压电网单相接地选线装置和矿井低压电网选择性漏电保护装置，还可应用到含有单相接地漏电选线功能部件的高低压电器综合继电保护装置中和发电厂、变电所综合自动化装置中。四、发明的技术方案：

本发明的技术方案是采用零序电流时序鉴别的选线方法。本方法的实施过程是：

1、从三相电压母线上的电压互感器PT开口三角侧取出零序电压信号u₀，进入接地选线模块后分成两路，一路经低通滤波、阻容移相、整形、光隔，形成脉宽为180度的对称方波U_0J，用以作为时序鉴别的基准信号；另一路经低通滤波、阻容移相、鉴幅、整形、光隔，形成不对称的方波信号U_0f，作为零序电压的比幅信号。U_0J和U_0f均进入时序鉴别器。

2、从该三相母线的各馈出线上的零序电流互感器CT二次侧取出零序电流信号i₀，经I/U变换后进入接地选线模块，然后经低通滤波、鉴幅、整形、光隔，形成脉宽和相位不确定的方波。其脉宽随着i₀(正弦波)的幅值大小可在0～180度之间变化，I₀方波相对U_0J的相位随着三相电网是无补偿、欠补偿和过补偿的程度约在0～170度之间变化。各I₀方波信号亦送入时序鉴别器。

3、设定单相接地故障线路I₀的时序鉴别法则，法则规定I₀的上升沿滞后U_0J的上升沿，同时超前U_0J的下降沿，即I₀的上升沿必须在U_0J的上升沿和下降沿之间，而I₀的下降沿必须滞后U_0J的下降沿约0～170度。I₀和U_0J的这种时序关系可以通过时序鉴别器进行判定。时序鉴别器可以是单片计算机，也可以是现代可编程逻辑器件CPLD或FPGA。

4、当某一馈出线路发生单相接地故障时，时序鉴别器根据设定的I₀与U_0J的时序关系，对接于同一母线上的各条馈出线路的I₀逐一进行时序鉴别。若为非故障线路，时序鉴别器无信号输出；若为故障线路，时序鉴别器输出信号，通过驱动电路发出声光报警信号。并由发光管指出故障线路(必要时还可以使断路器跳闸)，还可以数字显示器显示故障线路编号。

为进一步说明本发明的时序鉴别法则，现结合图1进行说明。图1是I₀的时序鉴别图，图1中分a，b，c，d，e五种情况：

a、表示某线路I₀的上升沿和下降沿分别滞后U_0J的上升沿和下降沿，符合时序鉴别法则，该线路判为接地故障线路。图a中I₀与U_0J的相位关系还表明，此时的电网为NES过补偿状态。

b、表示某线路I₀上升沿和下降沿分别滞后U_0J的上升沿和下降沿，符合时序鉴别法则，该线路也判为接地故障线路。图b中I₀与U_0J的相位关系则表明，此时的电网为无补偿或欠补偿状态。

c、表示某线路I₀上升沿和下降沿分别超前U_0J的上升沿和下降沿，完全不符合时序鉴别法则，该线路为非接地故障线路。

d、表示某线路虽然I₀的上升沿滞后U₀的上升沿，但I₀的下降沿却超前U_0J的下降沿，也不符合时序鉴别法则，该线路为非故障线路。该图还表明i₀因幅值较小而使I₀脉宽小于180度。

e、表示某线路I₀的方波小于180度并且完全处于U_0J的方波之外，纯属非接地故障线路。

现结合图2说明时序鉴别器如何依据图1所示的时序鉴别法则，对故障线路与非故障线路进行时序鉴别的。图2是依据时序鉴别方法设计的一种最简单、最初级的逻辑电路实施方案。

图2中只画出两路I₀的时序鉴别电路。每一路包括两个D触发器、一个三输入与非门和一个RS锁存器。U_0J为时序鉴别的基准信号(180度对称方波)，U_0J信号接D触发器的数据输入端D。I₀为各线路零序电流信号整形后的方波，其相位随NUGS的是否为NES及是过补偿还是欠补偿而变化；其脉宽最大为180度，但若i₀幅值小，则I₀方波将小于180度，。I₀信号送到各D触发器的时钟输入端CL。每一路的两个D触发器中，上一个D触法器鉴别I₀上升沿的时序逻辑，下一个D触法器鉴别I₀下降沿的时序逻辑，只有I₀上升沿和下降沿都分别滞后U_0J的上升沿和下降沿，两个D触法器才各有锁存信号加到三输入与非门的两个输入端，该与非门的第三个输入端的信号是u₀的比幅信号U_0f，只有u₀(交流正弦波)幅值高于某一设定值时才有U_0f(方波信号)输送到与非门。总之，只有当I₀上升沿和下降沿都符合时序鉴别规则，而且u₀的幅值也高于设定值时，三输入与非门才打开，有低电平信号输出，使R-S锁存器触发翻转，将该线路记为单相接地故障线路。否则，只要三个条件中有任意一个不满足，均判为非故障线路。

时序鉴别器也可以用单片机实现，根据时序判别法则编制相应的应用程序，由单片机来判别是接地故障线路。时序鉴别器也可以用现代可编程逻辑器件实现。

本发明依据上述选线方法设计了以时序鉴别器为核心构成的单相接地选线模块。图3是单相接地模块电路图，图中时序鉴别器由两片可编程逻辑器件CPLD即VC1、VC2所构成。接地选线模块的输接一条零序电压u₀电路和1至8条零序电流i₀电路；在模块内将u₀电路再分为两个支路：一路由低波器、阻容移相器、整形电路和光电隔离器组成，另一路由低通滤波器、阻容移相器、幅度比较器形电路和光电隔离器组成；各路零序电流i₀的电路，经低通滤波器、整形电路、光电隔离器，再接序鉴别器的输入端；时序鉴别器的输出电路分两组，一组经驱动电路连接到连接线插座，另一组电接接连接线插座或接STD总线插头。五、本发明的优点：

1、本发明首先是针对接地选线难度最大的NES过补偿电网构思的。采用时序鉴别选线方法，比功用的谐波分量法、负序分量法、小波分析法、模式识别法、最大△(ISin)法等简单明了，便于(可不用计算机，也不用选频器或滤序器)；比有功分量法省事、安全(不需在消弧线圈上加串功率电比首半波法工作可靠(没有死区)。

2、时序鉴别法不仅可以用单片机来实现，而且还可用CPLD来实现，从而大大提高了“接地故线”这种保安设备的动作快速性、可靠性和抗干扰能力。

3、时序鉴别法使故障线路的接地电流至少有0度～170度的移相范围(动作区)，从而保证了线法可通用于NUS、NRS、NES，即通用于高、低压NUGS的无补偿、欠补偿和过补偿任意电网。

4、由于时序鉴别法可以不用计算机而只用CPLD硬逻辑电路来实现，这就使单相接地(漏电)装置印制板及连接线大为简化，有利于实现模块化、小型化、以至单路化，从而还有利于制成矿用型产品、矿用防爆型产品，还可制成小继电器式产品。

六、本发明的应用原理与实例：

图4是本发明的应用原理图，图中的M1、M2为单相接地选线模块。现结合图4说明本发明的应理与实例。

由图4可以看出，从NUGS系统中U、V、W三相母线上的电压互感器PT开口三角侧取出的零序U₀信号进入接地选线模块M1、M2；从同一段母线的各馈出线上的零序电流互感器CT二次侧取出零流I₀，依次接入选线模块M1或M2(每个模块至多接8路I₀)。M1、M2依据设定的时序判别法则，鉴故障线路，发出信号，通过驱动电路直接发出声光报警，以发光二极管指示并记忆故障线路(也可路器跳闸)，并数字显示故障线路编号。如有必要，还可将信号输给工控单片机进行数据处理、实现打印记录、汉字显示及语音报警。

Claims (5)

1.小电流接地系统单相接地选线方法，其特征是：

1.1从三相电压母线上的电压互感器PT开口三角侧取出零序电压信号u₀,进入接地选线模块后分成两路，一路经低通滤波、阻容移相、整形、光隔，形成脉宽为180度的对称方波U_0J，用以作为时序鉴别的基准信号；另一路经低通滤波、阻容移相、鉴幅、整形、光隔，形成不对称的方波信号U_0f，作为零序电压的比幅信号，U_0J和U_0f均进入时序鉴别器：

1.2从该三相母线的馈出线上的零序电流互感器CT二次侧取出零序电流信号i₀，经I/U变换后进入接地选线模块，然后经低通滤波、鉴幅、整形、光隔，形成脉宽和相位不确定的方波；其脉宽随着i₀(正弦波)的幅值大小可在0～180度之间变化，I₀方波相对U_0J的相位随着三相电网是无补偿、欠补偿和过补偿的程度约在0～170度之间变化；各I₀方波信号亦送入时序鉴别器；

1.3设定单相接地故障线路I₀的时序鉴别法则，规定I₀的上升沿滞后U_0J的上升沿，同时超前U_0J的下降沿，即I₀的上升沿必须在U_0J的上升沿和下降沿之间，而I₀的下降沿必须滞后U_0J的下降沿大于0度小于180度；I₀和U_0J的这种时序关系通过时序鉴别器进行判定；

1.4当某一馈出线路发生单相接地故障时，时序鉴别器根据设定的I₀与U_0J的时序关系，对接于同一母线上的各条馈出线路的I₀逐一进行时序鉴别；若为非故障线路，时序鉴别器无信号输出，若为故障线路，时序鉴别器输出信号，通过驱动电路发出声光报警信号，并由发光管指出故障线路，或以数字显示器显示故障线路编号。

2.一种实现权利要求1所述方法的小电流接地系统单相接地选线装置，其特征是，该装置以一片或多片“单相接地选线模块”为核心电路，每个接地选线模块的输入端接一条零序电压u₀的电路和1至8条零序电流i₀的电路，并且这1至8条零序电流电路和该零序电压电路应同属一段母线。单相接地选线模块的块数根据母线段数和馈出线路数的多少确定；模块的输出端连接到接地故障的报警与显示电路，还可以通过工控单片机控制，连接打印机、液晶显示器、语音报警器。

3、如权利要求2所述装置，其特征是：装置中的单相接地选线模块包括一个时序鉴别器，时序鉴别器的输入端接一路零序电压u₀电路和1至8路零序电流i₀电路；u₀电路分为两个支路：一路由低通滤波器、阻容移相器、整形电路和光电隔离器组成，另一路由低通滤波器、阻容移相器、幅度比较器、整形电路和光电隔离器组成；各路零序电流i₀的电路，由低通滤波器、整形电路、光电隔离器组成；时序鉴别器的输出电路分两组，一组经驱动电路接到连接线插座，另一组电路直接接连接线插座或计算机总线。

4、如权利要求2或3所述的装置，其特征是，接地选线模块中的时序鉴别器是现代可编程逻辑器件。

5、如权利要求4所述的装置，其特征是，接地选线模块中的时序鉴别器是一个输入时序鉴别程序的单片机。

Images