低壓線路三相不對稱故障檢測方法及綜合保護模塊的製作方法
2023-04-30 00:45:16 2
專利名稱：低壓線路三相不對稱故障檢測方法及綜合保護模塊的製作方法
技術領域：
本發明屬於電力系統故障檢測和繼電保護裝置，具體涉及低壓線路單相接地漏電或短路、單相斷線(缺相運行)及兩相短路等三種不對稱故障的鑑別與保護。
背景技術：
工礦企業低壓(380V或660V)電網的中性點有直接接地和不接地兩種方式。例如煤礦井下低壓電網都採用中性點不接地方式，而一般工礦企業及農網的地面低壓電網多採用中性點直接接地的三相四線制方式。這種三相四線制低壓電網一方面要擔負不少低壓異步電動機的三相動力負荷供電，同時又要擔負大量的辦公室自動化設備、家用電器及照明等單相負荷用電。由於單相負荷很難做到三相均衡配置與協調運行，致使這類低壓電網的不少線路經常出現嚴重的三相電流不平衡，並導致母線三相電壓不平衡。從而迫使低壓線路的單相接地短路保護或零序電流保護不得不提高動作整定值(加大門檻)，降低動作靈敏度。結果是當線路發生單相高阻接地時(例如低壓架空線一相斷線落在巖石上、樹枝上或乾躁地面上)，由於單相對地漏洩電流較小，達不到低壓線路短路保護或零序電流保護的動作整定值而長久不動作，結果引起動力變壓器中壓側熔斷器一相熔件燒斷，導致動力變壓器缺相運行，又這種變壓器多為Y/Y0接線，從而引起整個低壓電網缺相運行，造成大量異步電動機同時燒毀，這不僅造成設備損壞和直接經濟損失，而且引起相關用電戶生產環節停頓及其他不良後果。單相接地故障長久不排除的另一後果，是導致兩相接地短路或相間直接短路。
申請人依據自己發明的「零序電流(基波)時序鑑別法則」於2002年4月申請了發明專利「小電流接地系統單相接地選線方法與裝置」(公開號CN1453916A)，同年6月又申請了實用新型專利「小電流接地系統單相接地選線裝置(專利號ZL02237567.8)」，又於2005年1月同時申請了兩項實用新型專利「諧振接地系統單相接地選線裝置(專利號ZL200520080013.0)」和「礦井低壓電網時序鑑別選漏保護器(專利號ZL200520081430.7)」。上述專利成果的選線方法都是採用「零序電流時序鑑別方法」，該選線裝置或保護器都是由單相接地時序鑑別模塊和外圍電路組成的。但這些選線方法及裝置只用於中性點不接地或中性點經消弧線圈(或零序電抗器)接地的中低壓電網，僅作為單相接地漏電故障檢測與選擇性保護，不能用作斷相故障、兩相短路故障的檢測與保護。
發明內容
本發明的目的，一是在「零序電流(基波)時序鑑別法則」基礎上，發明一種「任意兩相量時序鑑別方法」用以解決斷相故障、兩相短路故障的檢測問題；二是根據「任意兩相量時序鑑別法」，在「礦井低壓電網時序鑑別選漏保護器」基礎上進行改進，發明一種「低壓線路三相不對稱故障綜合保護模塊」，用於單相接地、斷相、兩相短路三種不對稱故障的識別與保護。
本發明的不對稱故障檢測方法是它包括「零序電流時序鑑別法」，其特徵還包括「任意兩相量的時序鑑別方法」，該方法的步驟是1、將一個正弦波信號整形得出的高、低電平各佔180°的規則矩形波定義為基準相量JZ；將另一個與JZ同頻率的正弦波或非正弦波信號整形得到的規則或非規則矩形波定義為參鑑相量CJ，並設定以下鑑別法則
CJ的上升沿必須滯後於JZ的上升沿而超前於JZ下降沿，CJ的下降沿必須滯後JZ下降沿0°～180°，若符合此法則，則確定相量CJ必滯後於相量JZ；否則，本法則無效。
根據該鑑別法則設計「任意兩相量時序鑑別器」，該時序鑑別器可以是一個設置有兩相量時序鑑別程序的單片機，或者是一個設置有「兩相量時序鑑別電路」的複雜可編程邏輯器件CPLD。一個時序鑑別器中可以包含多個不同功用的時序鑑別電路。
2、從電網線路上的三相電流互感器TA二次繞組取出三相電流信號Ia、Ib、Ic，經I/V變換後分別經過濾波再分成三組，一組分別經整形得到矩形波Ia、Ib、Ic；第二組分別經移相、整形得到矩形波Iay、Iby、Icy；第三組分別經鑑幅、整形得到矩形波IaF、IbF、IcF。
從電壓互感器TV二次繞組取出三相電壓Uab、Ubc、Uca信號，分別經移相、整形得到矩形波Uaby、Ubcy、Ucay。
3、根據線路故障特徵，確定「兩相量時序鑑別電路」輸入端JZ、CJ的連接方法。當要檢測三相線路中某一相(如A相)斷線(缺相運行)時，則設定Icy為JZ，Ib為CJ。當要檢測三相線路發生某兩相短路(如ab兩相短路)故障時，則設定Iby為JZ，Ia為CJ。
為實現上述方法，本發明還發明了一種綜合保護模塊，該模塊包括零序電壓信號處理電路和零序電流信號I0處理電路，其特徵是還包括不對稱故障時序鑑別器，三相電壓信號處理電路和三相電流信號處理電路，其中不對稱故障時序鑑別器可以是一個設置有零序電流時序鑑別程序和兩相量時序鑑別程序的單片機，也可以是一個設置有零序電流時序鑑別電路和兩相量時序鑑別電路的複雜可編程邏輯器件CPLD。
三相電流信號處理電路是從線路上的三相電流互感器TA二次繞組取出三相電流信號Ia、Ib、Ic，分別經過濾波後再分成三組，一組再分別經整形、光電隔離後接入「不對稱故障時序鑑別器」的Ia、Ib、Ic三個輸入端；第二組分別再經移相、整形、光電隔離後接入「不對稱故障時序鑑別器」的Iay、Iby、Icy三個輸入端；第三組分別再經鑑幅、整形、光隔後接入「不對稱故障時序鑑別器」的IaF、IbF、IcF三個輸入端。
三相電壓信號處理電路是從電壓互感器TV二次繞組取出三相電壓信號Uab、Ubc、Uca分別經濾波、移相、整形、光電隔離後接到「不對稱故障時序鑑別器」的對應輸入端Uaby、Ubcy、Ucay。
本發明的積極效果是1、將基於零序基波時序鑑別法則的單相接地選線方法與保護裝置，從只用於中性點不直接接地電網，推廣應用到中性點直接接地的三相四線制電網，解決了中性點接地的380V、660V電網單相經高電阻接地故障選線的靈敏度準確性問題，具有新的實用價值和推廣前景。
2、在零序電流(基波)時序鑑別方法的基礎上，發明了三相系統中電流、電壓任意「兩相量的時序鑑別方法」，進一步實現了缺相運行、兩相短路等不對稱故障的檢測與保護，應用範圍更寬廣。
3、「不對稱故障綜合保護模塊」雖然是從中性點直接接地的三相四線制低壓電網實際情況出發立項研究與開發的，但同樣可用於中性點不直接接地的低壓電網乃至中壓電網，在中低壓電網具有通用性。
4、電力線路中單相接地、斷相運行、兩相短路三種不對稱故障發生概率的和，佔線路上所有故障總概率的95％以上；「不對稱故障綜合保護模塊」使得三相線路中95％以上的故障檢測與保護只依據時序邏輯鑑別，而不需具體參數計算與整定，從而使線路故障的檢測與保護大為簡化，運行維護更加簡便。
圖1是本發明方法中「任意兩相量間的時序鑑別法則」示意圖；圖2是「不對稱故障時序鑑別器」中「兩相量時序鑑別電路」的基本原理圖；圖3是「不對稱故障綜合保護模塊」構成原理方框圖。
具體實施例方式
現結合圖1說明本發明方法中任意兩相量的時序鑑別法則的設定情況，圖中a、b所示的JZ和CJ的波形時序關係符合本法則，c、d、e所示的JZ和CJ的波形時序關係不符合本法則。
現結合圖2說明兩相量時序鑑別電路的基本原理，它是由兩個D觸發器DC1、DC2，兩個非門F1、F2，一個二與非門YF，一個R-S鎖存器RS及一個分頻和限時電路所組成。在圖2中，相量JZ接DC1的D輸入端，JZ取反後接DC2的D輸入端；相量CJ接DC1的時鐘輸入端，CJ取反後接DC2的時鐘輸入端；JZ信號經過分頻、限時電路處理後接DC1和DC2的R輸入端；DC1和DC2的輸出端Q接YF的兩個輸入端，YF的輸出端接RS的S端，RS的R端接復位信號，RS的輸出端就是時序鑑別結果，若為高電平，表明相量CJ滯後於相量JZ。
現以圖3說明本發明的綜合保護模塊的一個實施例的電路構造。本實施例主要用來監護低壓線路三相不對稱故障，核心器件是時序鑑別器VC1。
附圖3所示的低壓線路「三相不對稱故障綜合保護模塊」中，由一片可編程專用集成電路VC1(ASIC)構成時序鑑別器，時序鑑別器包括多個不同功用的時序鑑別電路(詳細電路原理如圖2所示)。VC1的輸入端從CZ1分別接入三相電壓Uab、Ubc、Uca信號線，Uab、Ubc、Uca信號線分別經濾波電路、移相電路、整形電路、光隔耦合電路，電聯接後輸出Uaby、Ubcy、Ucay分別接入時序鑑別器VC1的28、29、30號引腳；VC1的輸入端從CZ1接入母線Uo信號線，Uo信號線經過總的濾波電路，然後分成兩個支路第一支路依次經過移相電路、鑑幅及整形電路、光隔耦合電路，電聯接後輸出UoF信號接入時序鑑別器VC1的32號引腳；第二支路經總的移相電路後又分為兩個支路第一支路依次經過整形電路、光隔耦合電路，電聯接後輸出UoJ+信號接入時序鑑別器VC1的33號引腳，第二支路依次經過取反電路、整形電路、光隔耦合電路，電聯接後輸出UoJ-信號接入時序鑑別器VC1的34號引腳；VC1的輸入端還從插座CZ1接入零序電流Io信號線，Io信號線經濾波電路、移相電路、鑑幅電路、整形電路、光隔電路，電聯接後接入時序鑑別器VC1的31號引腳；VC1的輸入端還從插座CZ1接入三相電流Ia、Ib、Ic信號線，該Ia、Ib、Ic信號線分別經總的濾波電路後分成四組支路第一組支路依次經移相電路、整形電路、光隔電路，電聯接後輸出IaF、IbF、IcF，分別接入時序鑑別器VC1的49、48、47號引腳；第二組支路依次經整形電路、光隔電路，電聯接後輸出Ia、Ib、Ic，分別接入時序鑑別器VC1的52、51、50號引腳；第三組支路依次經鑑幅電路、整形電路、光隔電路，電聯接後輸出IaF、IbF、IcF，分別接入時序鑑別器VC1的46、45、38號引腳；第四組支路依次經比幅電路、整形電路、光隔電路，電聯接後輸出Iag、Icg，分別接入時序鑑別器VC1的26、27號引腳。VC1的輸出引腳58、59、60、68、69、70號引腳經驅動電路分別接輸出插座CZ2各個引腳VC1的71號引腳經光隔電路、驅動電路後接輸出插座CZ3；VC1的54、55、56、57、80號引腳經光電隔離電路後分別接輸出插座CZ4的對應引腳。
權利要求
1.一種低壓線路三相不對稱故障檢測方法，它包括零序電流時序鑑別法，其特徵還包括任意兩相量時序鑑別方法，該方法的具體步驟是(1)將一個正弦波信號整形得出的高、低電平各佔180°的規則矩形波定義為基準相量JZ；將另一個與JZ同頻率的正弦波或非正弦波信號整形得到的規則或非規則矩形波定義為參鑑相量CJ，並設定以下鑑別法則CJ的上升沿必須滯後於JZ的上升沿而超前於JZ下降沿，CJ的下降沿必須滯後JZ下降沿0°～180°，若符合此法則，則確定相量CJ必滯後於相量JZ；否則，本法則無效；根據該鑑別法則設計任意兩相量時序鑑別器；(2)從電網線路上的三相電流互感器TA二次繞組取出三相電流信號Ia、Ib、Ic，經I/V變換後分別經過濾波再分成三組，一組分別經整形得到矩形波Ia、Ib、Ic；第二組分別經移相、整形得到矩形波Iay、Iby、Icy；第三組分別經鑑幅、整形得到矩形波IaF、IbF、IcF；從電壓互感器TV二次繞組取出三相電壓Uab、Ubc、Uca信號，分別經移相、整形得到矩形波Uaby、Ubcy、Ucay；(3)根據線路故障特徵，確定「兩相量時序鑑別電路」輸入端JZ、CJ的連接方法。當要檢測三相線路中某一相斷線時，則設定Icy為JZ，Ib為CJ。當要檢測三相線路發生某兩相短路故障時，則設定Iby為JZ，Ia為CJ。
2.一種低壓線路三相不對稱故障綜合保護模塊，它包括零序電壓信號處理電路和零序電流信號處理電路，其特徵是還包括不對稱故障時序鑑別器，三相電壓信號處理電路和三相電流信號處理電路，其中所述的不對稱故障時序鑑別器是一個設置有零序電流時序鑑別程序和兩相量時序鑑別程序的單片機；所述的三相電流信號處理電路是從線路上的三相電流互感器TA二次繞組取出三相電流信號Ia、Ib、Ic，分別經過濾波後再分成三組，一組再分別經整形、光電隔離後接入「不對稱故障時序鑑別器」的Ia、Ib、Ic三個輸入端；第二組分別再經移相、整形、光電隔離後接入不對稱故障時序鑑別器的Iay、Iby、Icy三個輸入端；第三組分別再經鑑幅、整形、光隔後接入「不對稱故障時序鑑別器」的IaF、IbF、IcF三個輸入端；所述的三相電壓信號處理電路是從電壓互感器TV二次繞組取出三相電壓信號Uab、Ubc、Uca分別經濾波、移相、整形、光電隔離後接到不對稱故障時序鑑別器的對應輸入端Uaby、Ubcy、Ucay。
3.如權利要求1所述的低壓線路三相不對稱故障綜合保護模塊，其特徵是，所述的不對稱故障時序鑑別器是一個設置有零序電流時序鑑別電路和兩相量時序鑑別電路的複雜可編程邏輯器件CPLD。
全文摘要
本申請公開了一種低壓線路三相不對稱故障檢測方法，它包括零序電流時序鑑別法，其特徵還包括任意兩相量的時序鑑別方法，同時公開了實現上述方法的低壓線路三相不對稱故障綜合保護模塊，該模塊包括零序電壓信號處理電路和零序電流信號處理電路，其特徵是還包括不對稱故障時序鑑別器，三相電壓信號處理電路和三相電流信號處理電路。本申請解決了中性點接地的380V、660V電網單相經高電阻接地故障選線的靈敏度準確性問題，同時實現了依據故障特徵對缺相運行和兩相短路進行檢測與保護，具有新的實用價值和推廣前景，並在中低壓電網具有通用性。
文檔編號H02H3/26GK101046499SQ20071001331
公開日2007年10月3日 申請日期2007年2月13日 優先權日2007年2月13日
發明者傅桂興, 付英 申請人:傅桂興