SE526446C2 - Detektering av jordfel i trefassystem - Google Patents

Description

(TI "Q _ .f ._ :s .l >.. cr» Detta behov tillmötesgås av föreliggande uppfinning då den redovisar en metod för att detektera jordfel i ett eldistributionsnät med tre faser, vilken innefattar jämförelse under en förutbestämd tidsperiod av strömändringen i en första av systemets faser med strömändringarna i den andra och tredje fasen i systemet under samma tidsperiod, varvid ett första villkor för att ett jordfel skall anses detekterat är att strömändringen i den första fasen under nämnda tidsperiod till absolutbelopp eller riktning på ett förutbestämt sätt skiljer sig från strömändringama i den andra och tredje fasen i systemet.

I en särskild utföringsform kombineras nämnda första villkor med ett andra villkor, vilket innefattar mätning av förändringar av summaströmmen i systemet, och där det andra villkoret anses uppfyllt om nämnda förändring överstiger ett förutbestämt belopp. I denna utföringsform anses jordfel detekterat om det första och det andra villkoret båda är uppfyllda. l en annan särskild utföringsform kombineras nämnda första villkor och andra villkor med ett tredje villkor, vilket innefattar mätning av summaströmmen, varvid det tredje villkoret anses uppfyllt om grundtonen i summaströmmen överstiger ett visst värde, och jordfel anses detekterat om det första, andra och tredje villkoret är uppfyllda.

Uppfinningen avser även anordningar för genomförande av metoden enligt de ovan angivna utföringsformerna.

FIGURBESKRIVNING Uppfinningen kommer att beskrivas mer i detalj i det följande, med hänvisning till de bifogade ritningarna, där: Fig. 1a och 1b visar schematiskt ett reaktansjordat trefassystem där ett jordfel har uppstått i en av fasema pä linje L1, och 10 15 20 25 30 (51 to O \ .r.\... -rs g).

Fig. 2a, 2b och 2c visar strömmamas förändringar i de 3 faserna vid ett jordfel i nätet med felet ”framförliggande” i egen ledning resp. felet i annan ledning resp. felet ”bakomliggande” i egen ledning, och Fig. 3a, 3b och 3c visar ett initialt förlopp i systemet från fig. 2a, 2b respektive 2c, men i annan skala, och Fig. 4 visar en anordning enligt uppfinningen.

UTFÖRINGSFORMER I fig. 1 visas schematiskt ett eldistributionsnät eller system med tre faser, fortsättningsvis benämnda A, B och C. En transformator i systemet betecknas med T, och kapacitanser, resistanser, reaktanser respektive impedanser i systemet betecknas med C, R, L respektive Z.

Systemet är typiskt för ett reaktansjordat mellanspänningsnät för kraftdistribution till större fastigheter, industrier eller villaområden. Längs ledningarnas utsträckning transformeras spänningen vanligtvis ner via s.k. nätstationer från mellanspänningsnivån till hushållsnivå innan kraften "förbrukasï Låt oss anta att det i en av fasema i systemet har uppstått ett så kallat jordfel. Med jordfel menas här att felet har fått till följd att ström går ut från en punkt i nätet till omgivningen som kan vara den omgivande marken eller föremål i kontakt med den omgivande marken. Felet kan ha uppstått på grund av mekanisk åverkan, exempelvis orsakat av grävarbeten, fasledare i kontakt med ett träd, eller pà grund av att isoleringen runt en eller flera kablar har âldrats och förlorat sin spänningshållfasthet.

Den fas som jordfelet har uppstått i är den som betecknas som fas A, och jordfelet visas schematiskt i fig. 1a med en pil vid punkten F i schemat.

Det problem som skall lösas av föreliggande uppfinning är att ta reda på vari systemet som jordfelet har uppstått genom att ta reda på om mätpunkten 10 15 20 25 30 befinner sig mellan matande station och felpunkten eller ej. Genom att placera mätutrustningen vid kopplingspunkter, s.k. nätstationer, kan man på ett övergripande sätt fastställa vilket linjesegment som är felbehäftat. Se fig. 1a. Uppfinningen syftar till att ta fram en utrustning som klarar att detektera jordfel i högohmigt jordade nät genom enbart strömmätning utan den traditionellt tillkommande nollpunktsspänningsmätningen. l fig. 2a visas de stationära strömändringarna - i en mätpunkt mellan matningen och felet - i de tre fasema A, B och C som orsakas av det tidigare nämnda jordfelet i fas A. Strömändringama som flyter i faserna B och C är de från mätpunkten ”framförliggande” egna fasledarnas kapacitiva strömmar orsakade av systemets spanningsförändring mot jord medan strömändringen i fas A i princip beror på hela nätets impedans till jord. l fig. 2b visas hur de stationära strömändringarna i en mätpunkt i en felfri del av nätet för de tre faserna A, B och C ser ut pga. det tidigare nämnda jordfelet i fas A. Som framgår av bilden är strömändringarna i princip lika stora och faslika då alla orsakas av den egna fasledarens kapacitans till jord och systemets spänningsförändring mot jord.

I fig. 2c visas hur de stationära strömändringarna i en mätpunkt ”framför” felet på den felbehäftade linjen för de tre fasema A, B och C ser ut pga. det tidigare nämnda jordfelet i fas A. Som framgår av bilden är strömändringama i princip lika stora och faslika då alla orsakas av den från mätpunkten fasledarens kapacitans till jord och systemets spänningsförändring mot jord. framförvarande Fig. 3a, 3b och 3c visar väsentligen samma sak som fig. 2a, 2b respektive 2c, men i det transienta stadiet kort efter felets inträffande och med andra skalor på axlarna. För att tydliggöra detta förlopp har fig. 3a, 3b och 3c en större upplösning på tidsaxeln (horisontella axeln). Vidare har den vertikala 10 15 20 25 30 H0/ om: 44-5 5 axeln iden graf i fig. 3a som visar strömändringen i fas A en annan skala än de grafer i fig. 3a som visar strömändringarna i fas B och C.

Av fig. 2a-2c och 3a-3c framgår att det vid jordfel uppkommer asymmetrier mellan de tre fasernas strömändringar, vilka asymmetrier används av föreliggande uppfinning för att detektera förekomsten av jordfel. Förutom den asymmetri som visas i fig. 2a, där det framgår att strömändringen i en felbehäftad fasledare till sitt belopp är mycket större än strömändringarna i de tvâ övriga fasledarna, inses även av fig. 3a att strömändringen i en ledare där det har uppstått ett jordfel har en annan riktning än strömändringama i de två övriga fasledarna.

Detta kan ses som vatt ”strömmen” i den felbehäftade fasen gár i en annan riktning med avseende på mätpunkten än ”strömmama” i de två övriga fasema, eller grafiskt som att strömmen i den felbehäftade fasen med avseende på en 'nollinje” (ingen ström) går åt ett annat håll än strömmen i de två andra faserna. (Som inses av fig. 3a går strömändringen i fas A "uppàt", medan de andra två går ”nedåtï Givetvis kan även det omvända hända, vilket likaledes skulle indikera ett jordfel i den ledning det gäller.) I fig. 4 visas en möjlig anordning för att utföra metoden enligt uppfinningen: anordningen innefattar medel för anslutning av var och en av de tre fasema (alt. tvâ faser och en summaström där den tredje fasströmmen kan räknas fram ur dessa), medel för làgpassfiltrering av signalerna från de tre fasema vid vart och ett av dessa anslutningsmedel, en A/D-omvandlare, samt en beräkningsenhet i form av en CPU.

Uppgiften för anordningen enligt uppfinningen är att detektera om det finns ett jordfel eller inte på någon av de tre faser som är anslutna till anordningen, genom att utnyttja den asymmetri som har beskrivits ovan, och som framgår av fig. 2a och 3a. 10 15 20 25 30 (fl i O Cm -lï=~ J> (/\ 6 Den del av asymmetrin som visas i fig. 2a och 3a kan detekteras med hjälp av anordningen i fig. 4 genom att anordningen utför en jämförelse under en förutbestämd tidsperiod av strömändringen i en första av systemets faser, exempelvis fas A, med strömändringarna i den andra, B, och tredje, C, fasen i systemet under samma tidsperiod.

Villkoret för att ett jordfel skall anses detekterat vid en sådan jämförelse blir då att strömändringen i den första fasen under nämnda tidsperiod till sitt absolutbelopp på ett förutbestämt sätt skiljer sig frán strömändringama i den andra och tredje fasen i systemet. Ett exempel på en beräkning för att se om detta är uppfyllt är att se om kvoten mellan det största absolutbeloppet för, största strömändringen hos den första fasen och summan av absolutbeloppen för största strömändringama i den andra och tredje fasen under ovan nämnda tidsintervall i systemet överstiger ett förutbestämt värde.

Beräkningen blir då enligt följande formel: lAIAl^/(|Alßl^+ lA|cl^) (1) Kvoten (1) jämförs sedan med ett lämpligt tröskelvärde för att se om jordfel föreligger eller ej. Tröskelvärdet (känsligheten) bör vara dimensionerat för att klara av att det samtidigt med jordfelet uppträder förändringar i nätet som är orsakade av "legitima konsumenter", exempelvis in- och urkoppling av värmelaster etc. Vidare dimensioneras tröskelvärdet lämpligen för att klara rimligt höga värden på det s.k. övergàngsmotståndet Rf. Lämpliga val av dessa storheter, Rf och samtidigt- inom den förutbestämda tidsperioden för jämförelse - uppträdande laständring kan t.ex. vara Rf = 3-5 kQ, och en 3- fasig laständring pâ 6-10 kW. Å andra sidan måste känsligheten väljas så att detekteringen inte blir oselektiv, dvs. att kvoten (1) kan nå tröskelvärdet när jordfel inte föreligger. Experiment har visat att en lämplig kvot (1) vid ovan nämnda förutsättningar är i storleksordningen 2 (1-3). Givetvis kan inom 10 15 20 25 30 C71 PO (_¿\ f; (I\ ramen för uppfinningen en godtycklig kvot (1) väljas, liksom önskad känslighet för Rf och en samtidig laständring.

Den ovanstående beräkningen grundar sig pâ den stationära asymmetrin visad i fig. 2a, men metoden kombinerar inom ramen för uppfinningen även detektering av den transienta asymmetrin visad i fig. 3a genom lämpliga filterval och tidsperiod för mätningen.

Anordningen i fig. 4 kan, om den skall detektera den asymmetri som visas i fig. 3a, exempelvis använda sig av följande algoritm: CPU:n detekterar på vilken sida om ”nollinjen” som strömändringama i de tre fasema ligger. (Rättare sagt: om de tre fasema ligger inom ett bestämt värde från nollinjen eller ej.) En strömändring som ligger ovanför ges ett positivt värde, exempelvis "1", och en strömändring som ligger under ges motsvarande negativa värde, '-1”. Vid avsaknad av jordfel blir absolutbeloppet för summan av värdena således 3, och vid jordfel får summans belopp värdet 1, vilket gör att det blir enkelt att detektera asymmetrin på grund av jordfel som detta skildras i fig. 3a.

De alternativa detekteringsmetoder som har beskrivits ovan kan, som nämnts, användas var för sig eller i kombination med varandra. Oavsett hur de används kan de sägas utgöra ett första villkor för att detektera att det föreligger jordfel, ett s. k. startvillkor.

Om man vill undvika att göra beräkningarna enligt det första villkoret väsentligen kontinuerligt i CPU:n kan man komplettera det första villkoret med ett andra villkor, ett ”triggvillkorfl med andra ord ett villkor vilket om det är uppfyllt gör att man inleder beräkningen för att se om startvillkoret föreligger. Ett sätt att åstadkomma ett sådant triggvillkor är enligt uppfin- ningen att man beräknar, i CPU:n eller på annat lämpligt vis, om det sker en spontan förändring i summaströmmen för systemets tre faser, dvs. l^+lß+lc. 10 15 20 25 (fl f o \ _; A .f > C?- 8 Om en spontan förändring i denna summaström överstiger ett förutbestämt värde inleds beräkningen av startvillkoret, och jordfel anses detekterat om både triggvillkor och startvillkor är uppfyllda. Lämpliga inställningar för detta triggvillkor skall korrespondera med den känslighet man vill uppnå med det tredje villkoret nedan.

Förändringen i fasströmmar_eller summaström kan t.ex. mätas genom att beräkna förändringen mellan 2 mätningar (samples) som i tiden skiljer sig åt 20 ms (en 50 Hz period) eller 16.67 ms (en 60 Hz period).

För att ytterligare säkerställa att detekteringen är riktig kan man komplettera triggvillkoret och startvillkoret med ett tredje villkor, ett "signalvíllkor". med andra ord ett villkor vars detektion säkerställer att felet kvarstår. Beräkningen av detta tredje villkor inleds således först om de två andra villkoren är uppfyllda, och larm (eller utlösning) för jordfel ges enbart om samtliga tre villkor är uppfyllda.

Ett lämpligt signalvíllkor är mätning av summaströmmen, och detta villkor anses uppfyllt om grundtonens RMS-värde i denna överstiger ett visst värde.

Ett lämpligt sådant värde i ett 10 kV system där man önskar detektera fel med R, s 5 kQ kan t.ex. vara 1 Ampère.

Det bör återigen framhållas att de tre villkoren triggvillkor, startvillkor och signalvíllkor kan användas för att komplettera varandra, eller så kan startvillkoret användas ensamt, allt beroende på olika faktorer, exempelvis önskad säkerhet i detekteringen, tillgänglig processorkraft etc.

Claims (10)

10 15 20 25 30 PATENTKRAV

1. En metod för att detektera jordfel i ett impedansjordat eller ojordat eldistributionsnät med tre faser varvid mätning av strömmen ingår kännetecknat av att metoden innefattar jämförelse under en förutbestämd tidsperiod av strömändringen i en första av systemets faser (A) med strömändringama i den andra (B) och tredje (C) fasen i systemet under samma tidsperiod, varvid ett första villkor för att jordfel skall anses detekterat är att strömändringen (310) i den första fasen (A) under nämnda tidsperiod till sitt absolutbelopp eller riktning på ett förutbestämt sätt skiljer sig frân strömàndringarna (311, 312) iden andra (B) och tredje (C) fasen i systemet.

2. Metoden enligt krav 1, enligt vilken det första villkoret för jordfel anses uppfyllt om kvoten mellan absolutbeloppet för strömändringen hos den första fasen (A) och summan av beloppen hos strömändringama i den andra (B) och tredje fasen (C) i systemet överstiger ett förutbestämt värde.

3. Metoden enligt krav 1, enligt vilken det första villkoret anses uppfyllt om strömändringen i den första fasen (A) till sin riktning skiljer sig från riktningen för strömändringarna i de två andra faserna (B, C).

4. Metoden enligt något av föregående krav, vidare innefattande ett andra villkor för detektering av jordfel, vilket andra villkor innefattar mätning av förändring l systemets summaström, och där det andra villkoret anses uppfyllt om nämnda strömförändring överstiger ett förutbestämt belopp, varvid jordfel anses detekterat om det första och andra villkoret båda är uppfyllda.

5. Metoden enligt något av föregående krav, vidare innefattande ett tredje villkor för detektering av jordfel, vilket tredje villkor innefattar mätning av summaströmmen, varvid det tredje villkoret anses uppfyllt om 10 15 20 25 30 10 summaströmmens grundton överstiger ett visst värde, och jordfel anses detekterat om det första, andra och tredje villkoret är uppfyllda.

6. En anordning (400) för att detektera jordfel i ett impedansjordat eller ojordat eldistributionsnät med tre faser varvid mätning av strömmen ingår, kännetecknad av att anordningen (400) innefattar medel (410) för jämförelse av strömändringen i en första av systemets faser (A) under en förutbestämd tidsperiod med strömändringama i den andra (B) och tredje fasen (C) i systemet under samma tidsperiod, samt medel (410) för undersökning av ett första villkor vilket används för att ett jordfel skall anses detekterat, vilket första villkor innefattar att strömändringen i den första fasen (A) under nämnda tidsperiod till absolutbelopp eller riktning på ett förutbestämt sätt skiljer sig från strömändringama i den andra (B) och tredje (C) fasen i systemet.

7. Anordningen (400) enligt krav 6, i vilken medlen (410) för undersökning av det första villkoret är anordnade att indikera att nämnda villkor är uppfyllt om kvoten mellan absolutbeloppet för strömändringen hos den första fasen (A) och summan av beloppen för strömändringarna i den andra (B) och tredje (C) fasen i systemet överstiger ett förutbestämt värde.

8. Anordningen (400) enligt krav 7, i vilken medlen (410) för undersökning av det första villkoret är anordnade att anse nämnda villkor som uppfyllt om strömändringen i den första fasen (A) till sin riktning skiljer sig från riktningen för strömändringarna i de två andra faserna (B, C).

9. Anordningen (400) enligt något av kraven 6-8, vidare innefattande medel (410) för undersökning av ett andra villkor för detektering av jordfel, innefattande mätning av förändringar i summaströmmen i systemet, vilket andra villkor av nämnda medel (410) anses uppfyllt om nämnda förändringar överstiger ett förutbestämt belopp, varvid anordningen (400) indikerar att jordfel är detekterat om det första och det andra villkoret bägge är uppfyllda. f V1 fx CN Jä. P\ -y _» 11

10. Anordningen (400) enligt något av kraven 6-9, vidare innefattande medel (410) för undersökning av ett tredje villkor för detektering av jordfel, innefattande medel för mätning av summaströmmen, varvid det tredje villkoret för nämnda detekteringsmedel anses uppfyllt om grundtonen i denna överstiger ett visst värde, och anordningen (400) indikerar att jordfel anses detekterat om det första, andra och tredje villkoret är uppfyllda.