CN213581210U - 一种配电网单相接地故障选相装置 - Google Patents

一种配电网单相接地故障选相装置 Download PDF

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CN213581210U CN202021619111.8U CN202021619111U CN213581210U CN 213581210 U CN213581210 U CN 213581210U CN 202021619111 U CN202021619111 U CN 202021619111U CN 213581210 U CN213581210 U CN 213581210U
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李正红
史泽兵
喻锟
曾祥君
余江
丁晓兵
郑茂然
张弛
陈宏山
高宏慧
陈朝晖
庞钦
倪砚茹
刘战磊
张静伟
万信书
吴江雄
孙铁鹏
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China Southern Power Grid Co Ltd
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Abstract

本实用新型公开了一种配电网单相接地故障选相装置，包括以下模块：包括中性点电压监测模块、相电压采集模块、电压幅值比较模块、相位差检测模块、差值计算与比较模块和显示模块；电压幅值比较模块比较当前周期与上一周期中性点电压的幅值变化量和设定阈值的大小，控制相位差检测模块进行相位差检测；相位差检测模块检测当前周期与上一周期中性点电压的变化量和当前周期的相电压的初始相位差；差值计算与比较模块比较三相电压对应的初始相位差实际值与初始相位差理论值的差值大小，判定最小差值对应的一相为故障相，输出相应信号至显示模块，显示配电网单相接地故障选相结果。本实用新型能实现配电网的准确故障选相。

Description

一种配电网单相接地故障选相装置
技术领域
本实用新型属于配电网单相接地故障选相领域，尤其涉及一种配电网单相接地故障选相装置。
背景技术
我国配电网普遍采用中性点不接地及经消弧线圈接地方式。配电网线路结构复杂，接地故障频发，若不快速清除故障会威胁人身设备及电网运行安全。因此国内外系列消弧装置在单相接地故障处理中得到了广泛应用，但是以上装置需要依靠准确的故障选相，一旦选相错误会导致更为严重的事故，因此准确判别接地故障相显得尤其重要。
传统选相方法判据为消弧线圈过补偿时三相电压最高相的超前相为故障相，中性点不接地或消弧线圈欠补偿时电压最高相的滞后相为故障相。但是该方法忽略了线路泄漏电阻且未考虑三相不对称情况，实际中配电网线路参数一般不对称，当线路发生高阻接地故障时会导致选相错误。
综上所述，亟需一种针对不对称配电网，且不受过渡电阻大小影响的配电网单相接地故障选相装置。
实用新型内容
本发明所解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种配电网单相接地故障选相装置，能实现单相接地故障准确选相。
本实用新型所提供的技术方案为：
一种配电网单相接地故障选相装置，包括以下模块：包括中性点电压监测模块、相电压采集模块、电压幅值比较模块、相位差检测模块、差值计算与比较模块和显示模块；
所述中性点电压监测模块，其输出端连接电压幅值比较模块和相位差检测模块的输入端，用于采集、处理和存储配电网中性点电压，并发送给电压幅值比较模块和相位差检测模块；
所述相电压采集模块，其输出端连接相位差检测模块的输入端，用于采集、处理和存储配电网三相电压，并发送给位差计算模块；
所述电压幅值比较模块，其输出端连接相位差检测模块的控制端(使能端)，用于比较当前周期与上一周期中性点电压的幅值变化量(当前周期的中性点电压幅值与上一周期的中性点电压幅值之差)与设定阈值的大小，并输出相应的控制信号给相位差检测模块的控制端；如所述电压幅值比较模块的输入端正脚接入中性点电压的幅值变化量，负脚接入设定阈值(可取3％额定相电压)，当中性点电压的幅值变化量大于设定阈值，判定发生单相接地故障，电压幅值比较模块会输出相应电平信号到相位差检测模块的控制端，使相位差检测模块开始工作，计算中性点电压的变化量与当前周期的三相电压的初始相位差，以进行故障选相；
所述相位差检测模块，其输出端连接差值计算与比较模块的输入端，用于计算当前周期与上一周期中性点电压的变化量与当前周期的三相电压的初始相位差，得到三相初始相位差实际值；
所述差值计算与比较模块，其输出端连接显示模块，用于获得三相初始相位差实际值与初始相位差理论值
Figure BDA0002621657390000021
的差值，并比较差值大小，最小差值对应的相(初始相位差实际值最接近初始相位差理论值
Figure BDA0002621657390000022
的一相)判定为故障相，输出相应信号至显示模块；
显示模块，用于根据接收到的信号显示配电网单相接地故障选相结果。显示模块可为触摸屏或LED屏。
所述中性点电压的幅值变化量和差值可通过减法器获得，所述中性点电压的变化量可通过差分放大器获得。
进一步地，所述中性点电压监测模块包括安装于配电网中性线上的电压互感器；所述相电压采集模块包括安装于配电网三相线上电压互感器。
进一步地，所述电压互感器的输出端连接有滤波器，用于对电压互感器采集的信号进行滤波后提取工频信号输出。
进一步地，所述的配电网单相接地故障选相装置还包括幅值检测模块和减法器；所述幅值检测模块输入端与中性点电压监测模块相连，输出端与减法器的输入端相连；幅值检测模块用于检测中性点电压监测模块输出的各个周期的中性点电压的幅值；并将当前周期与上一周期中性点电压的幅值输入减法器，得到当前周期与上一周期中性点电压的幅值变化量。
进一步地，所述的配电网单相接地故障选相装置还包括相位差理论值计算模块，其输入端与配电网管理系统相连，输出端连接差值计算与比较模块的输入端，用于从配电网管理系统中获取数据计算中性点电压的变化量与故障相电压的初始相位差理论值。
进一步地，所述相位差理论值计算模块包括反正切函数计算模块，将从配电网管理系统中获取的配电网阻尼率ν及脱谐度d，作为其两个输入信号，输出反正切函数计算结果(即
Figure BDA0002621657390000031
)，即中性点电压的变化量与故障相电压的初始相位差理论值。
关于反正切函数计算模块，现有技术中公开了可采用以MCS-51系列8031芯片作为核心的处理器实现，也可以在FPGA上实现，已有大量文献记载，如：文晓阳.在智能仪表中实现θ＝arctan,y/x实时计算[J].仪器仪表与分析监测,1989(4):41-42,40；曹剑英.基于CORDIC算法的正切余切函数的设计及FPGA实现[D].内蒙古大学,2012；因此该模块的结构及工作原理均属于成熟的现有技术，在此不进行赘述。
进一步地，所述相位差理论值计算模块包括反正切函数计算模块，将从配电网管理系统中获取的
Figure BDA0002621657390000032
和∑g作为其两个输入信号，输出反正切函数计算结果(即
Figure BDA0002621657390000033
)，即中性点电压的变化量与故障相电压的初始相位差理论值；其中∑g和∑C为配电网对地绝缘参数，
Figure BDA0002621657390000034
∑C＝CA+CB+CC，RA、RB和RC分别为配电网三相对地泄漏电阻，CA、CB和CC分别为配电网三相对地电容；ω为工频交流电的角频率；L为消弧线圈的等值电感。
进一步地，所述相位差检测模块包括相位检测模块和减法器；所述相位差检测模块的输入端与中性点电压监测模块相连，输出端与减法器的输入端相连；
所述相位检测模块用于检测中性点电压监测模块采集的中性点电压的变化量
Figure BDA0002621657390000035
的初始相位θ，以及相电压采集模块采集的相电压
Figure BDA0002621657390000036
的初始相位θK；所述减法器的两个输入端分别接入θ和θK，输出初始相位差实际值
Figure BDA0002621657390000037
其中下标K＝A,B,C，表示相应变量分别对应A,B,C三相。
关于幅值检测模块和相位检测模块，现有技术中公开了可以基于快速傅里叶变换算法等技术获得信号的幅值和相位，已有大量公开文献(包括专利文献)记载，如申请号为CN201621314280.4的实用新型公开了一种测量基波电压、电流幅值与相位的装置，申请号为CN201611218684.8的发明公开了一种电压互感器二次电压核相方法、装置及检测装置，其中包括电压幅值与相位确定单元，用于确定电压幅值与相位，因此这两个模块的结构及工作原理均属于成熟的现有技术，在此不进行赘述。
进一步地，所述相位差检测模块包括数字式相位差测量单元，其输入端接入中性点电压监测模块和相电压采集模块输出的中性点电压的变化量
Figure BDA0002621657390000041
与相电压
Figure BDA0002621657390000042
输出相应的初始相位差实际值
Figure BDA0002621657390000043
数字式相位差测量单元的结构及工作原理均属于成熟的现有技术，可以以STM32F103芯片作为核心部件搭建，将经滤波及A/D采样后得到的中性点电压的变化量
Figure BDA0002621657390000044
和相电压
Figure BDA0002621657390000045
输入至STM32F103芯片进行两相量的初始相位差计算，得到初始相位差实际值
Figure BDA0002621657390000046
进一步地，所述差值计算与比较模块包括三个减法器和三组比较器；
每个减法器的两个输入端分别接入相位差检测模块输出的某一相初始相位差实际值与初始相位差理论值，输出该相对应的差值；
每组比较器包括两个比较器和一个或门；第K组比较器中的两个比较器用于比较第K相与另外两相对应的差值的大小，若第K相对应的差值小于另一相对应的差值，则相应比较器输出低电平信号；两个比较器的输出经一个或门得到第K组比较器最后的输出，若最后的输出为低电平信号(通过显示模块进行显示)，则第K相为故障相。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
(1)本实用新型仅需测量三相电压与中性点电压，测量参数少，选相结果更加准确；采用现有硬件设备即可完成故障选相，成本较低。
(2)选相过程不影响配电网正常运行，测量安全快速、且操作简单，提高了选相效率，同时也保障了人身安全。
(3)本实用新型消除了过渡电阻的影响，利用了故障相相电压与中性点电压变化量的初始相位(辐角)差存在固定的关系的原理，基于相位差比较进行选相，有效避免了高阻接地对选相结果可靠性的影响，初始相位差理论值考虑了线路泄露电阻因素，大大提高了故障选相的准确度。
(4)本实用新型可适用于中性点不接地及经消弧线圈接地方式的不对称配电网的准确故障选相，同时适用于对称配电网。
附图说明
图1是本实用新型实施例中一种配电网单相接地故障选相装置结构示意图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例1：
本实施例公开了一种配电网单相接地故障选相装置，包括以下模块：包括中性点电压监测模块、相电压采集模块、电压幅值比较模块、相位差检测模块、差值计算与比较模块和显示模块；
所述中性点电压监测模块，其输出端连接电压幅值比较模块和相位差检测模块的输入端；
所述相电压采集模块，其输出端连接相位差检测模块的输入端；
所述电压幅值比较模块，其两个输入端分别接入当前周期与上一周期中性点电压的幅值变化量和设定阈值，输出端连接相位差检测模块的控制端；
所述相位差检测模块，其两个输入端分别接入当前周期与上一周期中性点电压的变化量
Figure BDA0002621657390000061
和当前周期的相电压
Figure BDA0002621657390000062
输出端连接差值计算与比较模块的输入端；
所述差值计算与比较模块，其输入端接入相位差检测模块输出信号和初始相位差理论值
Figure BDA0002621657390000063
(对于一个确定的配电网系统，根据系统阻尼率及脱谐度数据可计算相角值，且该值不变)，输出端连接显示模块；
显示模块，用于根据接收到的信号显示配电网单相接地故障选相结果。
本实用新型工作原理为：电压幅值比较模块比较当前周期与上一周期中性点电压的幅值变化量和设定阈值的大小，控制相位差检测模块进行相位差检测；相位差检测模块检测当前周期与上一周期中性点电压的变化量和当前周期的相电压的初始相位差；差值计算与比较模块比较三相电压对应的初始相位差实际值与初始相位差理论值的差值大小，判定最小差值对应的一相为故障相，输出相应信号至显示模块，显示配电网单相接地故障选相结果。
实施例2：
本实施例在实施例1的基础上，所述中性点电压监测模块包括安装于配电网中性线上的电压互感器；所述相电压采集模块包括安装于配电网三相线上电压互感器。
实施例3：
本实施例在实施例1的基础上，所述电压互感器的输出端连接有滤波器。
实施例4：
本实施例在实施例1的基础上，所述的配电网单相接地故障选相装置还包括幅值检测模块和减法器；所述幅值检测模块输入端与中性点电压监测模块相连，输出端与减法器的输入端相连。
实施例5：
本实施例在实施例1的基础上，所述的配电网单相接地故障选相装置还包括相位差理论值计算模块，其输入端与配电网管理系统相连，输出端连接差值计算与比较模块的输入端。
实施例6：
本实施例在实施例5的基础上，所述的配电网单相接地故障选相装置还包括所述相位差理论值计算模块包括反正切函数计算模块，将从配电网管理系统中获取的配电网阻尼率ν及脱谐度d作为其两个输入信号，输出反正切函数计算结果，即中性点电压的变化量与故障相电压的初始相位差理论值
Figure BDA0002621657390000071
实施例7：
本实施例在实施例5的基础上，所述相位差理论值计算模块包括反正切函数计算模块，将从配电网管理系统中获取的
Figure BDA0002621657390000072
和∑g作为其两个输入信号，输出反正切函数计算结果，即中性点电压的变化量与故障相电压的初始相位差理论值
Figure BDA0002621657390000073
其中∑g和∑C为配电网对地绝缘参数，
Figure BDA0002621657390000074
∑C＝CA+CB+CC，RA、RB和RC分别为配电网三相对地泄漏电阻，CA、CB和CC分别为配电网三相对地电容；ω为工频交流电的角频率；L为消弧线圈的等值电感。
实施例8：
本实施例在实施例1的基础上，所述相位差检测模块包括相位检测模块和减法器；所述相位差检测模块的输入端与中性点电压监测模块相连，输出端与减法器的输入端相连；所述相位检测模块用于检测中性点电压监测模块采集的中性点电压的变化量
Figure BDA0002621657390000075
的初始相位θ，以及相电压采集模块采集的相电压
Figure BDA0002621657390000076
的初始相位θK；所述减法器的两个输入端分别接入θ和θK，输出初始相位差实际值
Figure BDA0002621657390000077
其中下标K＝A,B,C，表示相应变量分别对应A,B,C三相。
实施例9：
本实施例在实施例1的基础上，所述相位差检测模块包括数字式相位差测量单元，其输入端接入中性点电压的变化量
Figure BDA0002621657390000078
与相电压
Figure BDA0002621657390000079
输出相应的初始相位差实际值
Figure BDA00026216573900000710
实施例10：
本实施例在实施例1的基础上，所述差值计算与比较模块包括三个减法器和三组比较器；
每个减法器的两个输入端分别接入相位差检测模块输出的某一相初始相位差实际值与初始相位差理论值，输出该相对应的差值；
每组比较器包括两个比较器和一个或门；第K组比较器中的两个比较器用于比较第K相与另外两相对应的差值的大小，若第K相对应的差值小于另一相对应的差值，则相应比较器输出低电平信号；两个比较器的输出经一个或门得到第K组比较器最后的输出，若最后的输出为低电平信号，则第K相为故障相。
使用本实用新型提供的配电网单相接地故障选相装置对10kV配电网系统进行故障选相，结果如表1所示。根据故障选相结果显示，本实用新型可针对中性点不接地以及中性点经消弧线圈接地配电网实现准确选相，且适用于高阻接地情况，可靠性高，满足运行要求。
Figure BDA0002621657390000081
本实用新型的硬件结构简单，选相过程仅需监测中性点电压及各相相电压，利用现有硬件装置便可以实现，选相过程不影响配电网正常运行，参数测量从高压侧移到低压侧，测量安全快速、且操作简单，提高了选相效率，同时也保障了人身安全。
本实用新型的配电网单相接地故障选相装置，利用了故障相相电压与中性点电压变化量的初始相位(辐角)差存在固定的关系的原理，基于相位差比较进行选相，有效避免了高阻接地对传统选相结果可靠性的影响，并考虑了线路泄露电阻，其选相结果更加准确。

Claims (8)

1.一种配电网单相接地故障选相装置，其特征在于，包括以下模块：包括中性点电压监测模块、相电压采集模块、电压幅值比较模块、相位差检测模块、差值计算与比较模块和显示模块；
所述中性点电压监测模块，其输出端连接电压幅值比较模块和相位差检测模块的输入端；
所述相电压采集模块，其输出端连接相位差检测模块的输入端；
所述电压幅值比较模块，其两个输入端分别接入当前周期与上一周期中性点电压的幅值变化量和设定阈值，输出端连接相位差检测模块的控制端；
所述相位差检测模块，其两个输入端分别接入当前周期与上一周期中性点电压的变化量
Figure DEST_PATH_FDA0002973684140000011
和当前周期的相电压
Figure DEST_PATH_FDA0002973684140000012
输出端连接差值计算与比较模块的输入端；
所述差值计算与比较模块，其输入端接入相位差检测模块输出信号和初始相位差理论值
Figure DEST_PATH_FDA0002973684140000013
输出端连接显示模块；
显示模块，用于根据接收到的信号显示配电网单相接地故障选相结果。
2.根据权利要求1所述的配电网单相接地故障选相装置，其特征在于，所述中性点电压监测模块包括安装于配电网中性线上的电压互感器；所述相电压采集模块包括安装于配电网三相线上电压互感器。
3.根据权利要求2所述的配电网单相接地故障选相装置，其特征在于，所述电压互感器的输出端连接有滤波器。
4.根据权利要求1所述的配电网单相接地故障选相装置，其特征在于，还包括幅值检测模块和减法器；所述幅值检测模块输入端与中性点电压监测模块相连，输出端与减法器的输入端相连。
5.根据权利要求1所述的配电网单相接地故障选相装置，其特征在于，还包括相位差理论值计算模块，其输入端与配电网管理系统相连，输出端连接差值计算与比较模块的输入端。
6.根据权利要求1所述的配电网单相接地故障选相装置，其特征在于，所述相位差检测模块包括相位检测模块和减法器；所述相位差检测模块的输入端与中性点电压监测模块相连，输出端与减法器的输入端相连；所述相位检测模块用于检测中性点电压监测模块采集的中性点电压的变化量
Figure DEST_PATH_FDA0002973684140000014
的初始相位θ，以及相电压采集模块采集的相电压
Figure DEST_PATH_FDA0002973684140000021
的初始相位θK；所述减法器的两个输入端分别接入θ和θK，输出初始相位差实际值
Figure DEST_PATH_FDA0002973684140000022
其中下标K＝A,B,C，表示相应变量分别对应A,B,C三相。
7.根据权利要求1所述的配电网单相接地故障选相装置，其特征在于，所述相位差检测模块包括数字式相位差测量单元，其输入端接入中性点电压的变化量
Figure DEST_PATH_FDA0002973684140000023
与相电压
Figure DEST_PATH_FDA0002973684140000024
输出相应的初始相位差实际值
Figure DEST_PATH_FDA0002973684140000025
8.根据权利要求1所述的配电网单相接地故障选相装置，其特征在于，所述差值计算与比较模块包括三个减法器和三组比较器；
每个减法器的两个输入端分别接入相位差检测模块输出的某一相初始相位差实际值与初始相位差理论值，输出该相对应的差值；
每组比较器包括两个比较器和一个或门；第K组比较器中的两个比较器用于比较第K相与另外两相对应的差值的大小，若第K相对应的差值小于另一相对应的差值，则相应比较器输出低电平信号；两个比较器的输出经一个或门得到第K组比较器最后的输出，若最后的输出为低电平信号，则第K相为故障相。
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