專利名稱：定位電力配電系統(tǒng)中的接地故障的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及電力配電系統(tǒng)中的接地故障的檢測和定位，更具體的是涉及用于檢測和定位高阻抗接地電力系統(tǒng)中的相對地故障的技術(shù)。
背景技術(shù)：
接地故障是電力系統(tǒng)中不期望的狀態(tài)，其中電流流向大地。當(dāng)配電或者傳輸網(wǎng)中的電流泄漏到它的預(yù)期流動通路外面時，發(fā)生接地故障。配電或者傳輸網(wǎng)一般可以以這樣的方式受到保護而免受故障，即借助于相關(guān)的電路斷路器自動斷開故障部分或者傳輸線。
用于低壓電力系統(tǒng)的一種接地策略是高阻抗接地。在高阻抗接地電力系統(tǒng)中，在電源電力變壓器的中性點和地之間設(shè)置阻抗。這種高阻抗接地允許電力系統(tǒng)的連續(xù)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(tǒng)設(shè)計，為了允許這種連續(xù)操作，應(yīng)當(dāng)檢測和定位接地故障，以緩解電力系統(tǒng)中多余的電壓應(yīng)力，以及去除初始故障來消除一系列來自相間的故障的發(fā)生。
已經(jīng)使用手持式傳感器跟蹤電力系統(tǒng)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(tǒng)中這會產(chǎn)生零序電流。在電力系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)中的接地故障。

發(fā)明內(nèi)容
簡要地，根據(jù)該技術(shù)的一個方面，提供了一種用于定位電力配電系統(tǒng)中的接地故障的方法。該方法包括在電力配電系統(tǒng)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(tǒng)中的接地故障。通過電流傳感器監(jiān)控電力配電系統(tǒng)中的多個位置處的電流，并通過測試信號發(fā)生裝置將測試信號引入電力配電系統(tǒng)中。監(jiān)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游位置之間的接地故障。
根據(jù)該技術(shù)的另一方面，提供了一種用于定位電力配電系統(tǒng)中的接地故障的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括多個電流傳感器，其適于監(jiān)控配電系統(tǒng)中的多個位置處的電流。配置測試信號發(fā)生裝置以將測試信號引入配電系統(tǒng)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游位置之間的接地故障的位置。


當(dāng)參考附圖閱讀下述的具體描述時，本發(fā)明的這些和其它特征、方面和優(yōu)點將變得更容易理解，其中在所有的附圖中相同的標(biāo)記表示相同的部件，其中圖1是用于定位三相高阻抗接地電力配電系統(tǒng)中的接地故障的系統(tǒng)的示意圖；圖2是高阻抗接地系統(tǒng)的示意圖；圖3是描述通過圖1所示的類型的系統(tǒng)，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，等價于故障的高阻抗接地電力系統(tǒng)的序列分量的示意圖；圖5是描述涉及計算脈沖剩余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(wǎng)的示意圖；和圖7是描述涉及定位電力配電系統(tǒng)中的接地故障的典型步驟的流程圖。
具體實施例方式
現(xiàn)在參考圖1，描述用于三相高阻抗接地電力配電系統(tǒng)12的接地故障定位系統(tǒng)10。系統(tǒng)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(tǒng)12的電壓傳感器24、26，分別用于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(shè)置電流互感器來產(chǎn)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，其適于測量從相到中性點的瞬時電壓。當(dāng)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(tǒng)12包括具有輸入側(cè)3O和輸出側(cè)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(cè)30是三角形結(jié)構(gòu)，在輸出側(cè)32是Y形結(jié)構(gòu)。電力變壓器28的輸出側(cè)32的中性點40通過接地電阻器42接地。設(shè)置接地電阻器42，以減少接地故障電流，使得當(dāng)定位出故障時，系統(tǒng)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，并設(shè)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是電流傳感器并設(shè)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(fā)生裝置44耦接在接地電阻器42兩端，并設(shè)置該測試信號發(fā)生裝置以將測試信號引入系統(tǒng)12中。在一個實例中，測試信號是以所需的間隔產(chǎn)生的脈沖信號。在另一實例中，測試信號是頻率不同于系統(tǒng)12所分配的電流的頻率的音調(diào)信號。在所述的實施例中，測試信號發(fā)生裝置44是被設(shè)置用以在系統(tǒng)12中產(chǎn)生脈沖信號的開關(guān)。通過閉合開關(guān)44，接地電阻器42周期性地部分被短路，以產(chǎn)生所需間隔的脈沖信號。在另一實施例中，測試信號發(fā)生裝置44是電流源，設(shè)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(tǒng)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(wǎng)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(wǎng)46、50、52和54。電流傳感器16、17耦接到配電網(wǎng)48。在其它的實施例中，可以設(shè)想任何數(shù)量的電流傳感器，以精確地定位系統(tǒng)12中的接地故障。如本領(lǐng)域技術(shù)人員所理解的，在任何適當(dāng)?shù)牡胤剑總€配電網(wǎng)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(wǎng)58。通過一組熔斷器將電壓傳感器26耦接到配電網(wǎng)58。如本領(lǐng)域技術(shù)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(tǒng)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(zhuǎn)換成數(shù)字信號并提供給處理器62。如本領(lǐng)域技術(shù)人員所知的，可以使用模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換成可以被處理器62讀取的數(shù)字值。如下所述的，通過相量分析處理監(jiān)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(dāng)存在時，接地故障位于系統(tǒng)12中檢測出測試信號的位置和沒有檢測出測試信號的下游位置之間。處理器62將典型地包括硬件電路和用于執(zhí)行表示出如下所述的接地故障條件的計算的軟件。由此，處理器62可以包括一系列裝置，例如基于微處理器的模塊、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(dāng)?shù)某绦虼a。
處理器62耦接到控制單元64，設(shè)置該控制單元以從處理器62接收數(shù)據(jù)并基于來自處理器62的數(shù)據(jù)啟動保護動作?？刂茊卧?4通信地耦接到設(shè)置到配電網(wǎng)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(dāng)檢測到具體電路中的接地故障時，控制單元64斷開對應(yīng)于故障的電路，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(tǒng)66的實施例。在所述的實施例中，高阻抗接地系統(tǒng)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(dāng)在系統(tǒng)66中存在接地故障時，接地電阻器82限制故障電流，導(dǎo)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(tǒng)，進行故障檢測和相位識別的典型步驟的流程圖，并通常用附圖標(biāo)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于檢驗配電系統(tǒng)，以判斷系統(tǒng)是否在如步驟96所示的那樣通電。如果系統(tǒng)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，并且通過電壓傳感器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，并基于通過接地電阻器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(tǒng)的各個相的失相?；谙率鲫P(guān)系式確定相損失|Vphase-neutral|＜PL×Vbasis其中PL＝相損失檢測設(shè)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?；谙率龅年P(guān)系式檢測接地故障條件|Vphase-gnd|＜G×Vbasis其中G是接地故障檢測設(shè)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(chǎn)生高電壓的反相接地故障條件。基于下述的關(guān)系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(shè)置值；以及3<INV<32×3.]]>雖然接地故障檢測算法可以應(yīng)用于單端系統(tǒng)，但是該算法還可以用于多端系統(tǒng)。多端系統(tǒng)的每一個源變壓器分別通過電阻器接地，多個接地點經(jīng)由適當(dāng)?shù)拈_關(guān)裝置由接地總線耦合在一起。如果多端系統(tǒng)的多個相導(dǎo)體耦合在一起，那么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(wǎng)106。如本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的，網(wǎng)106包括正序網(wǎng)108、負(fù)序網(wǎng)110和零序網(wǎng)112。零序網(wǎng)112包括接地電阻器114和多個充電電容116。短路接觸器118設(shè)置跨接在接地電阻器114上。在所述的網(wǎng)106中，因為減量的故障電流流過網(wǎng)106，所以網(wǎng)部件上的電壓降可以忽略。所以，所有的電壓都產(chǎn)生在接地電阻器114和充電電容116上。零序網(wǎng)112產(chǎn)生故障定位信息，因為除了充電電容116和接地電阻器114之外不存在并聯(lián)連接。
在零序網(wǎng)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(dǎo)致故障位置和電阻器114之間的零序電流以觸發(fā)。流過充電電容116的零序電流遍及分布在網(wǎng)106中，并因此被配電電容116吸收。當(dāng)一部分接地電阻器被周期性地部分短路時，通過跟蹤流動的脈沖電流定位接地故障。脈沖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沖剩余電流?？梢允褂迷摷夹g(shù)檢測包括變電站、主斷路器、饋電線斷路器等的各種設(shè)備、系統(tǒng)、裝置和設(shè)施中的接地故障。通常，對于在電路中的斷路器中或者其附近設(shè)置傳感器的裝置，在檢測出脈沖電流的斷路器的下游位置定位接地故障。
通過將當(dāng)接觸器118斷開時的零序電流的相量值從當(dāng)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(dāng)相量值的數(shù)量差超過了閾值時，將脈沖電流定位在特殊的位置。設(shè)置閾值充分高以拒絕噪聲，但是充分低以檢測脈沖電流的幅值。在所述的實施例中，零序電流等于相對中性點電壓除以三倍的接地電阻。剩余電流是三相電流的總和，其是零序電流的三倍。因此，剩余電流等于相對中性點電壓除以中性點接地電阻的值。
圖5是描述涉及計算脈沖剩余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開始于計算系統(tǒng)中的每一個測量點處的剩余電流，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(fù)共軛除以它的大小將電流的相量值轉(zhuǎn)化成旋轉(zhuǎn)補償相量。結(jié)果，產(chǎn)生具有單位大小的反向旋轉(zhuǎn)相量。在步驟126，每個剩余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?shù)氖Ｓ嚯娏飨嗔康钠骄?。通過在所需的時間窗口上計算平均相量值改善有效的分辨率。在所述的實施例中，因量化誤差導(dǎo)致的信噪比的改善與時間窗口的平方根成比例。
圖6是用于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(wǎng)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沖方法的替代。網(wǎng)130包括正序網(wǎng)132、負(fù)序網(wǎng)134和零序網(wǎng)136。零序網(wǎng)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于系統(tǒng)配電電流的頻率的頻率。在一個實施例中，注入頻率處于系統(tǒng)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(shù)諧波頻率。在另一個實施例中，注入頻率處于系統(tǒng)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(wǎng)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干擾效應(yīng)。零序網(wǎng)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(wǎng)136中的跟蹤信號。無源濾波器，例如并聯(lián)LC濾波器可以用于阻斷基本高壓，當(dāng)檢測到接地故障時在接地電阻器上可以產(chǎn)生該基本高壓。
圖7是描述涉及定位電力配電系統(tǒng)中的接地故障的典型步驟的流程圖。通常用附圖標(biāo)記144表示的過程開始于步驟146，其中，通過將系統(tǒng)的最低相對地電壓與作為額定的相對中性點電壓的基礎(chǔ)電壓相比較，檢測電力配電系統(tǒng)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。如果相對地電壓小于基礎(chǔ)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(tǒng)中。在一個實施例中，當(dāng)檢測到接地故障時，觸發(fā)報警并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(tǒng)中產(chǎn)生跟蹤信號。在另一個實施例中，將在不同于系統(tǒng)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(tǒng)中產(chǎn)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(chǎn)生注入電流。
在步驟150，通過電流傳感器監(jiān)控配電系統(tǒng)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?shù)教幚砥?。在步驟152，通過處理器監(jiān)控多個位置。處理器接收檢測到的電流信號并將該電流信號轉(zhuǎn)化成相量值。處理監(jiān)控的電流值以除去由于配電系統(tǒng)中的寄生電容產(chǎn)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游位置之間定位接地故障。在步驟154，當(dāng)定位接地故障時，控制單元從處理器接收控制信號并通過觸發(fā)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。
盡管這里僅僅已經(jīng)舉例和描述了本發(fā)明的某些特征，但是本領(lǐng)域的那些技術(shù)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(quán)利要求旨在覆蓋落在本發(fā)明的實際精神內(nèi)的所有這些修改和改變。
部件列表10接地故障定位系統(tǒng)12高阻抗接地電力配電系統(tǒng)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(cè)32輸出側(cè)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(fā)生裝置46配電網(wǎng)48配電網(wǎng)50配電網(wǎng)52配電網(wǎng)54配電網(wǎng)56電路斷路器58配電網(wǎng)60熔斷器
62處理器64控制單元66高阻抗接地系統(tǒng)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(wǎng)108正序網(wǎng)110負(fù)序網(wǎng)112零序網(wǎng)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(wǎng)132正序網(wǎng)134負(fù)序網(wǎng)136零序網(wǎng)138接地電阻器140電流源142充電電容
權(quán)利要求
1.一種用于定位電力配電系統(tǒng)(12)中的接地故障的方法(144)，包括在電力配電系統(tǒng)(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(tǒng)(12)中的接地故障；通過電流傳感器(14，16，17，18，20，22)監(jiān)控電力配電系統(tǒng)(12)中的多個位置處的電流；通過測試信號發(fā)生裝置(44)將測試信號引入電力配電系統(tǒng)(12)中；和監(jiān)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游位置之間的接地故障。
2.如權(quán)利要求1的方法(144)，其中該測試信號是以所需間隔產(chǎn)生的脈沖信號。
3.如權(quán)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(guān)(44)產(chǎn)生脈沖信號。
4.如權(quán)利要求1的方法(144)，其中測試信號是在與系統(tǒng)(12)的配電電流的頻率不同的頻率處的音調(diào)信號。
5.如權(quán)利要求4的方法(144)，其中該音調(diào)信號是在系統(tǒng)(12)的配電電流的頻率的諧波頻率處。
6.一種用于定位電力配電系統(tǒng)(12)中的接地故障的系統(tǒng)(10)，包括多個電流傳感器(14，16，17，18，20，22)，其適于監(jiān)控配電系統(tǒng)(12)中的多個位置處的電流；測試信號發(fā)生裝置(44)，配置該裝置以將測試信號引入配電系統(tǒng)(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游位置之間的接地故障的位置。
7.如權(quán)利要求6的系統(tǒng)(10)，其中電流傳感器(14，16，17，18，20，22)包括用于檢測接地故障電流中的變化的零序電流互感器。
8.如權(quán)利要求6的系統(tǒng)(10)，其中測試信號發(fā)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(guān)。
9.如權(quán)利要求6的系統(tǒng)(10)，其中該測試信號是以所需間隔產(chǎn)生的脈沖信號。
10.如權(quán)利要求9的系統(tǒng)(10)，其中該脈沖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(guān)(44)產(chǎn)生的。
全文摘要
一種用于定位電力配電系統(tǒng)(12)中的接地故障的方法(144)，包括在電力配電系統(tǒng)(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(tǒng)(12)中的接地故障。通過電流傳感器(14，16，17，18，20，22)監(jiān)控電力配電系統(tǒng)(12)中的多個位置處的電流，并且通過測試信號發(fā)生裝置(44)將測試信號引入電力配電系統(tǒng)(12)中。監(jiān)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游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(yōu)先權(quán)日2004年12月10日
發(fā)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