定位電力配電系統中的接地故障的系統和方法
2023-08-07 21:18:01 3
專利名稱：定位電力配電系統中的接地故障的系統和方法
技術領域：
本發明通常涉及電力配電系統中的接地故障的檢測和定位，更具體的是涉及用於檢測和定位高阻抗接地電力系統中的相對地故障的技術。
背景技術：
接地故障是電力系統中不期望的狀態，其中電流流向大地。當配電或者傳輸網中的電流洩漏到它的預期流動通路外面時，發生接地故障。配電或者傳輸網一般可以以這樣的方式受到保護而免受故障，即藉助於相關的電路斷路器自動斷開故障部分或者傳輸線。
用於低壓電力系統的一種接地策略是高阻抗接地。在高阻抗接地電力系統中，在電源電力變壓器的中性點和地之間設置阻抗。這種高阻抗接地允許電力系統的連續操作，即使在單相對地故障的情況中也是如此。然而，依靠系統設計，為了允許這種連續操作，應當檢測和定位接地故障，以緩解電力系統中多餘的電壓應力，以及去除初始故障來消除一系列來自相間的故障的發生。
已經使用手持式傳感器跟蹤電力系統中的故障。通常，或者在接地阻抗注入信號或者通過接觸器周期性地部分短路一部分接地阻抗。在可能使用手持式傳感器跟蹤的電力系統中這會產生零序電流。在電力系統中的所選擇測量點，圍繞所有的接觸器，通常必須放置手持式傳感器，來指示測量點是否在接地阻抗和接地故障的位置之間。在電力系統中將手持式傳感器從一個點移動到另一點，直到以這種方式定位出故障。然而，該過程耗時耗力。
因此，需要相對直接的和自動的過程來檢測和定位電力配電系統中的接地故障。
發明內容
簡要地，根據該技術的一個方面，提供了一種用於定位電力配電系統中的接地故障的方法。該方法包括在電力配電系統中的多個位置處提供多個電流傳感器。該方法還包括檢測電力配電系統中的接地故障。通過電流傳感器監控電力配電系統中的多個位置處的電流，並通過測試信號發生裝置將測試信號引入電力配電系統中。監控多個位置以定位在檢測出測試信號的位置和沒有檢測出測試信號的下遊位置之間的接地故障。
根據該技術的另一方面，提供了一種用於定位電力配電系統中的接地故障的系統。該系統包括多個電流傳感器，其適於監控配電系統中的多個位置處的電流。配置測試信號發生裝置以將測試信號引入配電系統中。配置處理器以從電流傳感器接收信號，來識別在檢測出測試信號的位置和沒有檢測出測試信號的下遊位置之間的接地故障的位置。
當參考附圖閱讀下述的具體描述時，本發明的這些和其它特徵、方面和優點將變得更容易理解，其中在所有的附圖中相同的標記表示相同的部件，其中圖1是用於定位三相高阻抗接地電力配電系統中的接地故障的系統的示意圖；圖2是高阻抗接地系統的示意圖；圖3是描述通過圖1所示的類型的系統，涉及故障檢測和相位識別的典型步驟的流程圖；圖4是在基波頻率處，等價於故障的高阻抗接地電力系統的序列分量的示意圖；圖5是描述涉及計算脈衝剩餘電流的平均相量值的典型步驟的流程圖；圖6是在注入頻率處，序列分量網的示意圖；和圖7是描述涉及定位電力配電系統中的接地故障的典型步驟的流程圖。
具體實施例方式
現在參考圖1，描述用於三相高阻抗接地電力配電系統12的接地故障定位系統10。系統10包括多個電流傳感器14、16、17、18、20、22和多個耦接到三相配電系統12的電壓傳感器24、26，分別用於測量瞬時電流和瞬時電壓的值。在一個典型實施例中，電流傳感器14、16、17、18、20、22是電流互感器，設置電流互感器來產生表示通過每一相的瞬時電流的反饋信號。類似地，電壓傳感器26是電壓互感器，其適於測量從相到中性點的瞬時電壓。當然，可以使用其它類型的電流和電壓傳感器。
在所述的實施例中，系統12包括具有輸入側3O和輸出側32的電力變壓器28。電力變壓器28包括三相，也就是，第一相34、第二相36和第三相38，在這個例子中，在輸入側30是三角形結構，在輸出側32是Y形結構。電力變壓器28的輸出側32的中性點40通過接地電阻器42接地。設置接地電阻器42，以減少接地故障電流，使得當定位出故障時，系統12仍可以保持運行。在所述的實施例中，電壓傳感器24耦接在中性點接地電阻器42兩端，並設置該電壓傳感器來測量中性點接地電阻器42兩端的中性點接地電壓。在另一實施例中，傳感器24是電流傳感器並設置該電流傳感器來測量流過中性點接地電阻器42的電流。
測試信號發生裝置44耦接在接地電阻器42兩端，並設置該測試信號發生裝置以將測試信號引入系統12中。在一個實例中，測試信號是以所需的間隔產生的脈衝信號。在另一實例中，測試信號是頻率不同於系統12所分配的電流的頻率的音調信號。在所述的實施例中，測試信號發生裝置44是被設置用以在系統12中產生脈衝信號的開關。通過閉合開關44，接地電阻器42周期性地部分被短路，以產生所需間隔的脈衝信號。在另一實施例中，測試信號發生裝置44是電流源，設置該電流源以在與電流的基波頻率不同的頻率處將零序電流注入系統12中。
如所述的，電力變壓器28的三相34、36、38耦接到多個三相配電網46、48、50、52、54。在所述的實施例中，電流傳感器14、18、20、22分別耦接到配電網46、50、52和54。電流傳感器16、17耦接到配電網48。在其它的實施例中，可以設想任何數量的電流傳感器，以精確地定位系統12中的接地故障。如本領域技術人員所理解的，在任何適當的地方，每個配電網配備有電路斷路器56，以及其它的保護裝置。還描述的是耦接到電力變壓器28的另一個配電網58。通過一組熔斷器將電壓傳感器26耦接到配電網58。如本領域技術人員所理解的，熔斷器60限制流到電壓傳感器26的電流。配置電壓傳感器26以測量系統12中的相對中性點電壓。
來自電流傳感器14、16、17、18、20、22和電壓傳感器24、26的模擬信號被轉換成數位訊號並提供給處理器62。如本領域技術人員所知的，可以使用模擬數字轉換器將模擬信號轉換成可以被處理器62讀取的數字值。如下所述的，通過相量分析處理監控的電流值，以除去與通過電力變壓器28的中性點接地電阻器42的電流不同相的電容性電流。當存在時，接地故障位於系統12中檢測出測試信號的位置和沒有檢測出測試信號的下遊位置之間。處理器62將典型地包括硬體電路和用於執行表示出如下所述的接地故障條件的計算的軟體。由此，處理器62可以包括一系列裝置，例如基於微處理器的模塊、專用的或者通用的計算機、可編程邏輯控制器或者邏輯模塊，以及在這些裝置中的適當的程序代碼。
處理器62耦接到控制單元64，設置該控制單元以從處理器62接收數據並基於來自處理器62的數據啟動保護動作。控制單元64通信地耦接到設置到配電網46、48、50、52和54的多個接觸器、電路斷流器或者電力斷路器56。當檢測到具體電路中的接地故障時，控制單元64斷開對應於故障的電路，以切斷通過故障的電源，或者啟動報警。
圖2表示單端高阻抗接地系統66的實施例。在所述的實施例中，高阻抗接地系統66包括配電變壓器68、主斷路器70和多個饋電線斷路器72、74、76、78。通過接地電阻器82將配電變壓器68的中性線80接地。如上所述，當在系統66中存在接地故障時，接地電阻器82限制故障電流，導致故障相中的相對地電壓的崩潰。
圖3是描述涉及通過圖1所示的類型的系統，進行故障檢測和相位識別的典型步驟的流程圖，並通常用附圖標記94表示。在所述的實施例中，通常的故障檢測和相位識別開始於檢驗配電系統，以判斷系統是否在如步驟96所示的那樣通電。如果系統沒有通電，如框98所示斷開高阻抗接地故障檢測邏輯。在步驟100，通過將相對中性點電壓和中性點對地電壓簡單的相加，從相對中性點電壓和中性點對地電壓計算相對地電壓。參考前面所述的圖1，在一個實施例中，通過電壓傳感器26測量相對中性點電壓，並且通過電壓傳感器24測量中性點接地電阻器42上的中性點對地電壓。在另一個實施例中，通過電流傳感器測量通過中性點接地電阻器42的電流，並基於通過接地電阻器42的電流和電阻器42的電阻值計算中性點對地電壓。
在步驟102，通過檢測相對中性點電壓，檢驗系統的各個相的失相。基於下述關係式確定相損失|Vphase-neutral|＜PL×Vbasis其中PL＝相損失檢測設置值(0＜PL＜1)；以及Vbasis是額定相對中性點電壓的相量值。在步驟104，檢測具有最小相對地電壓大小的非閉鎖(unblocked)相的接地故障條件。基於下述的關係式檢測接地故障條件|Vphase-gnd|＜G×Vbasis其中G是接地故障檢測設置值(0＜G＜1)。
還可以使用接地故障檢測算法來檢測在非故障相兩端產生高電壓的反相接地故障條件。基於下述的關係式檢測反相接地故障|Vphase-gnd|＞INV×Vbasis；其中INV是反相接地故障檢測設置值；以及3INV323.]]>雖然接地故障檢測算法可以應用於單端系統，但是該算法還可以用於多端系統。多端系統的每一個源變壓器分別通過電阻器接地，多個接地點經由適當的開關裝置由接地總線耦合在一起。如果多端系統的多個相導體耦合在一起，那麼流過兩個接地電阻器的電流對接地故障有貢獻。
圖4是在基波頻率處的序列分量等效電路的示意圖，可以使用其理解高阻抗接地定位網106。如本領域技術人員可以理解的，網106包括正序網108、負序網110和零序網112。零序網112包括接地電阻器114和多個充電電容116。短路接觸器118設置跨接在接地電阻器114上。在所述的網106中，因為減量的故障電流流過網106，所以網部件上的電壓降可以忽略。所以，所有的電壓都產生在接地電阻器114和充電電容116上。零序網112產生故障定位信息，因為除了充電電容116和接地電阻器114之外不存在並聯連接。
在零序網112中，故障電流包括兩個互相垂直的相量分量，也就是，通過接地電阻器114的電流和通過充電電容116的電流。通過電阻器114的零序電流從故障位置流回到接地電阻器114。通過接觸器118的一部分接地電阻器114的周期短路將導致故障位置和電阻器114之間的零序電流以觸發。流過充電電容116的零序電流遍及分布在網106中，並因此被配電電容116吸收。當一部分接地電阻器被周期性地部分短路時，通過跟蹤流動的脈衝電流定位接地故障。脈衝零序電流將在接地電阻器114和故障位置之間流動。零序電流互感器能檢測脈衝剩餘電流。可以使用該技術檢測包括變電站、主斷路器、饋電線斷路器等的各種設備、系統、裝置和設施中的接地故障。通常，對於在電路中的斷路器中或者其附近設置傳感器的裝置，在檢測出脈衝電流的斷路器的下遊位置定位接地故障。
通過將當接觸器118斷開時的零序電流的相量值從當接觸器118閉合時零序電流的相量值中減去，減少了例如充電電流和不平衡的誤差效果。當相量值的數量差超過了閾值時，將脈衝電流定位在特殊的位置。設置閾值充分高以拒絕噪聲，但是充分低以檢測脈衝電流的幅值。在所述的實施例中，零序電流等於相對中性點電壓除以三倍的接地電阻。剩餘電流是三相電流的總和，其是零序電流的三倍。因此，剩餘電流等於相對中性點電壓除以中性點接地電阻的值。
圖5是描述涉及計算脈衝剩餘電流的平均相量值的典型步驟的流程圖。在所述的實施例中，計算120開始於計算系統中的每一個測量點處的剩餘電流，如步驟122所示通過增加三相電流的三個相量值。在步驟124，計算通過中性點接地電阻器的電流或其兩端的電壓的相量值。通過將相量的復共軛除以它的大小將電流的相量值轉化成旋轉補償相量。結果，產生具有單位大小的反向旋轉相量。在步驟126，每個剩餘電流相量乘以計算的補償相量。在步驟128，在所需的平均窗口(例如60個周期)上計算補償的剩餘電流相量的平均值。通過在所需的時間窗口上計算平均相量值改善有效的解析度。在所述的實施例中，因量化誤差導致的信噪比的改善與時間窗口的平方根成比例。
圖6是用於在注入頻率處通過使用音頻信號定位接地故障的序列分量網130的示意圖。注入頻率的使用是使用如上所述的接觸器的脈衝方法的替代。網130包括正序網132、負序網134和零序網136。零序網136包括接地電阻器138、注入電流源140和多個充電電容142。如所述的，提供注入電流源140以在接地電阻器138上注入電流。電流的注入頻率是不同於系統配電電流的頻率的頻率。在一個實施例中，注入頻率處於系統配電電流的頻率的諧波頻率。在另一個實施例中，諧波頻率是非整數諧波頻率。在另一個實施例中，注入頻率處於系統的配電電流的頻率的兩倍諧波頻率。在另一個實施例中，注入頻率是雙注入頻率，例如用在電話按鍵拔號中。
在操作中，減少了注入頻率處零序網136上的電壓。因此，減少的電流流過接地電阻器138，或者減少了充電電容和幹擾效應。零序網136中的注入電流從注入點流到故障的位置。注入電流的該流動提供了零序網136中的跟蹤信號。無源濾波器，例如並聯LC濾波器可以用於阻斷基本高壓，當檢測到接地故障時在接地電阻器上可以產生該基本高壓。
圖7是描述涉及定位電力配電系統中的接地故障的典型步驟的流程圖。通常用附圖標記144表示的過程開始於步驟146，其中，通過將系統的最低相對地電壓與作為額定的相對中性點電壓的基礎電壓相比較，檢測電力配電系統中的接地故障。從相對中性點電壓和中性點對地電壓計算相對地電壓。如果相對地電壓小於基礎電壓，檢測到所考慮的相中的接地故障。在步驟148，將測試信號引入配電系統中。在一個實施例中，當檢測到接地故障時，觸發報警並周期性地部分短路源變壓器的中性點接地電阻器。例如，中性點接地電阻的一半每10秒就短路1秒。這在配電系統中產生跟蹤信號。在另一個實施例中，將在不同於系統的配電電流的基波頻率的頻率處的零序電流注入到中性點接地電阻器上，以在配電系統中產生跟蹤信號。在一個實例中，注入的頻率是300Hz，因此，很容易將跟蹤信號與基波頻率電流分開。只需要降低的電壓產生注入電流。
在步驟150，通過電流傳感器監控配電系統中多個位置處的電流。電流傳感器將檢測到的電流信號傳輸到處理器。在步驟152，通過處理器監控多個位置。處理器接收檢測到的電流信號並將該電流信號轉化成相量值。處理監控的電流值以除去由於配電系統中的寄生電容產生的電流。通過識別與接地電阻器上的電壓同相或者與通過接地電阻器的電流不同相的零序電流來定位接地故障。就更廣泛的意義來說，在檢測到測試信號的位置和沒有檢測到測試信號的下遊位置之間定位接地故障。在步驟154，當定位接地故障時，控制單元從處理器接收控制信號並通過觸發電路斷流器、接觸器或者斷路器來啟動保護動作，以中斷故障相的電源或者啟動報警。
儘管這裡僅僅已經舉例和描述了本發明的某些特徵，但是本領域的那些技術人員可以想到很多修改和改變。由此可以理解的是，所附的權利要求旨在覆蓋落在本發明的實際精神內的所有這些修改和改變。
部件列表10接地故障定位系統12高阻抗接地電力配電系統14電流傳感器16電流傳感器17電流傳感器18電流傳感器20電流傳感器22電流傳感器24電壓傳感器26電壓傳感器28電力變壓器30輸入側32輸出側34第一相36第二相38第三相40中性線42接地電阻器44測試信號發生裝置46配電網48配電網50配電網52配電網54配電網56電路斷路器58配電網60熔斷器
62處理器64控制單元66高阻抗接地系統68配電變壓器70主斷路器72饋電線斷路器74饋電線斷路器76饋電線斷路器78饋電線斷路器80中性線82接地電阻器106高阻抗接地定位網108正序網110負序網112零序網114接地電阻器116充電電容118短路接觸器130在注入頻率處的序列分量網132正序網134負序網136零序網138接地電阻器140電流源142充電電容
權利要求
1.一種用於定位電力配電系統(12)中的接地故障的方法(144)，包括在電力配電系統(12)中的多個位置處提供多個電流傳感器(14，16，17，18，20，22)；檢測電力配電系統(12)中的接地故障；通過電流傳感器(14，16，17，18，20，22)監控電力配電系統(12)中的多個位置處的電流；通過測試信號發生裝置(44)將測試信號引入電力配電系統(12)中；和監控多個位置來定位在檢測到測試信號的位置和沒有檢測到測試信號的下遊位置之間的接地故障。
2.如權利要求1的方法(144)，其中該測試信號是以所需間隔產生的脈衝信號。
3.如權利要求2的方法(144)，其中通過閉合橫跨一部分接地電阻器(42)耦合的開關(44)產生脈衝信號。
4.如權利要求1的方法(144)，其中測試信號是在與系統(12)的配電電流的頻率不同的頻率處的音調信號。
5.如權利要求4的方法(144)，其中該音調信號是在系統(12)的配電電流的頻率的諧波頻率處。
6.一種用於定位電力配電系統(12)中的接地故障的系統(10)，包括多個電流傳感器(14，16，17，18，20，22)，其適於監控配電系統(12)中的多個位置處的電流；測試信號發生裝置(44)，配置該裝置以將測試信號引入配電系統(12)中；和處理器(62)，配置該處理器，以從電流傳感器(14，16，17，18，20，22)接收信號，來識別在檢測到測試信號的位置和沒有檢測到測試信號的下遊位置之間的接地故障的位置。
7.如權利要求6的系統(10)，其中電流傳感器(14，16，17，18，20，22)包括用於檢測接地故障電流中的變化的零序電流互感器。
8.如權利要求6的系統(10)，其中測試信號發生裝置(44)包括橫跨配電變壓器(28)的一部分中性點接地電阻器(42)耦合的開關。
9.如權利要求6的系統(10)，其中該測試信號是以所需間隔產生的脈衝信號。
10.如權利要求9的系統(10)，其中該脈衝信號是通過閉合橫跨該部分中性點接地電阻器(42)耦合的開關(44)產生的。
全文摘要
一種用於定位電力配電系統(12)中的接地故障的方法(144)，包括在電力配電系統(12)中的多個位置處提供多個電流傳感器(14，16，17，18，20，22)。該方法(144)還包括檢測電力配電系統(12)中的接地故障。通過電流傳感器(14，16，17，18，20，22)監控電力配電系統(12)中的多個位置處的電流，並且通過測試信號發生裝置(44)將測試信號引入電力配電系統(12)中。監控多個位置來定位在檢測到測試信號的位置和沒有檢測到測試信號的下遊位置之間的接地故障。
文檔編號G01R31/08GK1786726SQ20051013390
公開日2006年6月14日 申請日期2005年12月9日 優先權日2004年12月10日
發明者W·J·普雷默拉尼, R·周, Y·劉, T·F·小帕帕洛, G·P·拉瓦伊, M·E·瓦爾德斯, M·G·平塔 申請人:通用電氣公司