CN102818969B - 中压电网的电阻性接地故障的检测定位设备、方法和系统 - Google Patents

Abstract

为了检测中压电力系统上的导线的电阻性接地故障和/或断裂，使用与低压系统中的电压有关的信息。通过反向电压、幅度等，本发明可以进行故障的诊断，并针对进行的测量定位故障。

Description

中压电网的电阻性接地故障的检测定位设备、方法和系统

技术领域

本发明涉及电力配送网络，尤其中压网络上的故障检测。尤其，本发明提出了检测中压电导体与大地之间的电阻性故障，例如由所述导体的断开引起的故障的原理，以及适当设备。

背景技术

如图1所例示，配电网络1可以分解成不同层次，第一极高压和高压VHV/HV输送和分输网络2(从35kV到200kV以上)用于长距离输送或配送来自发电厂的电力。通常在1与35kV之间，更精确地说，在法国是11kV相电压的中压MV配送网络5接管较小规模地输送给企业型的顾客，或将中压转变成低压LV(尤其，在法国是0.4kV)的变电站10、20、30。低压15、25、35经由三相导线15_A、15_B、15_C和中性导线15_N供应给有低电力需求的客户。

MV电网5可以由架空电线和/或地下电缆组成。无论什么解决方案，网络5都会发生各种故障，重要的是检测和定位各种故障，以便缓解由如下引起的问题：停电、绝缘材料的强度受损、和人身安全。在这些故障7当中，最频繁的是发生在源变电站外部的单相故障，其中一相与地接触或架空电缆断裂了，尤其在天气条件恶劣的情况下。

与牵涉到几相的多相故障几乎一样，这些故障7是短路型的，是可能达到几千或几万安培的大电流的原因，而导线和/或装备一般设计成正常运行时能承受几百安培。例如，当变压器中性点N直接接地时，故障电流对应于网络5的电压除以非常小的电路总电阻。

检测这种类型故障的一种选择是测量流过的电流或与之相关的参数。但是，如果要给出相对于故障检测装备的相对方向(线路侧或负载侧)，则必须通过对三相电压的测量才能完成这些测量。但是，网络5的MV电压使接近测量点变得困难，以及引起将电子装备绝缘的问题：这种类型的定向检测难以实现。

而且，可以使短路电流本身的检测变复杂。尤其，MV网络的接地以后一般通过阻抗来实现：将电阻或补偿线圈型的限制元件插在变压器3的中性点N的次级侧与地之间，以便增大故障电流流路的全局阻抗，因此减小电流。这样就减轻了网络5的部件上的压力，并且还对人员提供了保护。然后必须作出更细致的电流测量(敏感接地故障)。

此外其它元件也倾向于限制故障电流的数值和复杂的检测：像故障7的性质那样，地电阻是要考虑的一个因素。但是，尽管可以通过在进行安装的时候调整保护和检测装备的设置来考虑地的参数，但对于不可预测的故障特性，情况是不一样的。在难以检测的故障当中，尤其是存在可以与地接触或不与地接触发生的MV导线的断开。

对于这些纯电阻性故障，因此实现经由电压的检测。例如，文献EP1,603,211涉及装配在电线末端上的通信装备单元。导线断裂的检测通过线电压损失的简单检测来进行。更多的理论研究表明了在MV网络5上使用反向电压和/或零序电压的可能性。但是，在前述中压相导线上测量电压的固有问题仍然完全没有解决。

因此，显而易见，由于使用实现起来复杂的测量设备,尤其中压导线上的电压抽头以及流入后者中的短路电流的精确测量设备的缘故，中压网络上的电阻性故障的检测和定位几乎没有什么发展，尤其在导线断裂的情况下。

发明内容

连同其它优点一道，本发明的目的是缓解现有检测系统的一些缺点，优选地提出了中压下的电阻性接地故障的定向检测，特别把注意力放在断开导线上。尤其，本发明提出了使用相对于MV/LV变电站在负载侧的低压配电系统上的测量设备来检测和识别中压侧的故障。

按照一个特征，本发明涉及检测供应多条低压馈电线的中压电网上的电阻性接地故障，尤其由导线的断裂引起的故障的方法。该方法包含为每条馈电线确定与相电压的对称分量相对应的反向电压；将这些反向电压的幅度与有利地可调整的阈值相比较；以及当至少发生一次阈值过冲时，指示发生了故障。

按照另一个特征，将所述检测方法与所检测故障的相对地点相联系。为此，处理相电压，并且使处理结果能够确定所检测故障相对于测量点在线路侧还是负载侧。尤其，像每条馈电线的相电压的平均值和相电压的最小值那样，确定每条馈电线的相电压的标准值或幅度。将平均值与幅度相比较，且将最小值与阈值相比较。

按照另一个特征，本发明涉及适用于检测方法，优选地适应于上述定向检测方法的设备，该设备适用于包含至少一个中压/低压变电站的中压电网，该变电站界定提供多根低压相导线的馈电线。

按照本发明的一个特征，将上述设备加入系统中以便使中压电网能够得到监视。为此，该设备接收代表每条馈电线的每根导线的电压的信号，并且能够处理它们，或者在每条馈电线的层次上实现多个设备，或者与例如设计成接收与电网的分支有关的信息的设备的任何其它组合。该系统进一步包含指示故障的发生，优选地，后者相对于获取系统接收的信号的点的相对地点，线路侧或负载侧的器件。

尤其，检测电阻性接地故障的设备包含接收代表低压馈电线的每根导线的电压的信号的器件；从接收的电压信号中获取代表相电压的信号的器件；确定馈电线的反向电压的对称分量的器件；将反向电压与跳闸阈值相比较的器件；以及有利地调整跳闸阈值的器件。该检测设备被有利地装配在每条供应低压馈电线上，尤其位于变电站中，以及这样形成的系统包含当检测设备之一的比较器件给出反向电压的模数超过跳闸阈值的结果时，指示在中压电网中发生了故障的器件。

可替代的是，按照本发明检测中压电网中的电阻性故障的系统包含至少一个检测设备，该检测设备含有能够接收代表每条低压馈电线的每根导线的电压的信号、获取代表每条馈电线的相电压的信号、从后者中确定反向电压的对称分量、并将每个反向电压的模数与跳闸阈值相比较的器件，以及当比较器件给出反向电压超过跳闸阈值的结果时指示在中压电网中发生了故障的器件。

在中压/低压变电站的中性线接地的情况下，按照本发明的系统进一步包含在每根相导线上和在中性导线上的电压传感器。

按照本发明的设备有利地为电阻性故障的定向检测而设计，其进一步包含代表相电压的信号的处理器件；以及判读信号的处理结果以确定故障相对于所述设备接收的信号的测量点在线路侧还是负载侧的器件。尤其，所述处理器件包含计算相电压的范数的器件；计算范数的平均值的器件；确定范数的最小值的器件；将相电压的范数与它们的平均值相比较的第一器件；以及将范数的最小值与阈值相比较的第二器件。

附图说明

其它优点和特征可以从表示在附图中、只是为了例示的目的而决不是限制的目的给出的本发明的特定实施例的如下描述中更清楚地看出。

图1例示了使用按照本发明的检测的电网；

图2A-图2C示出了LV线路上的电压的不同故障的后果；

图3示意性地表示了按照本发明实施例的方法的步骤；以及

图4表示了按照本发明优选实施例的定向检测设备。

具体实施方式

当电阻性接地故障7在MV电网5中出现时，至少在所涉及的相中干扰了流入后者中的电压，这些干扰可以在MV电网5配送的LV电力系统15、25、35的层次上识别。在前面描述在图1中的多相电力系统1中，通过在每条LV馈电线的层次上的定向检测设备100、200、300实现按照本发明的故障检测。

在本发明的例示性优选实施例和优选使用中，将设备100与包含三相导线15_A、15_B、15_C和中性导线15_N的每个变压器10相联系。但是，有可能偏离这种理想状况，且电力系统可以包含其它相数，尤其可以补偿中性线。

在MV电网5上出现电阻性故障7的情况下，本身存在三种选择—定向检测设备100与健康馈电线15相联系，设备200相对于故障7位于线路侧上，以及设备300相对于故障7位于负载侧上。故障7对相对于所述故障位于负载侧的受影响相电压V造成明显干扰。但是，在某些情况下，像线路侧LV电力系统，或甚至健康馈电线15可能的那样，其它相也可能受到损害。

尤其，在图2A-图2C中示出了三相架空电力系统的情况下的故障—保持了相同的图形表示，故障的线路侧位于图的左边。可以识别出六种类型的故障(放弃了三根断开导线的状况，因为那时得不到任何电性质的信息，并且只考虑同时故障)：

i)在跨接线，即，在支承电线的电线杆的每一侧上使绝缘体能够通过的元件的层次上的断开(即，故障7具有没有接地导线的无限大阻值)；

ii)线路侧接地的单根导线断开；

iii)负载侧接地的单根导线断开；

iv)两根导线断开，一根在线路侧接地，而另一根在负载侧连接；

v)负载侧接地的两根导线断开；

vi)线路侧接地的两根导线断开。

在其它情况，例如，接地导线和断开跨接线情况下，事实上两种现象之一先于另一种现象发生，将提前被检测到。

在前四种情况i)、ii)、iii)和iv)下，如图2A所例示，只影响故障7的负载侧电压V。一相保持不变，其它两相电压的幅度下降。在负载侧接地的两根导线断开的情况v)下(图2B)，只影响负载侧电压，每相的电压都下降，其中之一甚至失效。另一方面，在线路侧接地的两根导线断开的情况vi)下，线路侧电压25也发生改变，甚至在健康馈电线15上也发生变化，负载侧35完全失效。

对于每个测量点，可以通过弗特斯克(Fortescue)矩阵计算电压的对称分量(对于相电压V_AN、V_BN、V_CN，V_d是正向电压，V_i是反向电压和V_o是零序电压)：

以及

在上述故障情况下，可以注意到，至少在测量点100、200、300之一上，反向电压V_i的模数超过阈值S_d，阈值S_d可以固定在额定电流的4％到20％之间，优选的是12％。因此可以通过计算这个对称分量检测故障的存在。在具有n相的电力系统的情况下，上面的公式，尤其弗特斯克矩阵必须用n取代数字3来调整。

除了只有线路侧馈电线25和健康馈电线15指示其存在的状况vi)之外，所检测故障相对于测量点处在负载侧上。因此，为了相对于测量点100、200、300地定位故障7，重要的是识别其中V_i300<S_d的最后一种情况。可以断定，只对于前四种情况i)、ii)、iii)和iv)而未在疑难情况vi)中，对于故障的负载侧测量点，相电压的幅度的平均值μ大于两个标称值||V_XN||。而且，为了区分无论在故障7的线路侧还是负载侧相电压的幅度的平均值都低于两个标称值的其余两种情况v)和vi)，可以断定相对于故障在负载侧的测量点指示至少一个相电压失效了，即，相电压幅度||V_XN||的最小值V_min低于阈值S_V。因此，只知道相电压就可以确定所检测故障相对于测量处在线路侧还是负载侧。

按照本发明的检测和定位原理因此唯一基于配电LV电力系统15、25、35中相电压的测量，以便经由反向电压检测导线断开型的电阻性故障，然后经由幅度相对定位故障。如图3所例示，在第一步骤中，像中性线的电压V_N那样，在LV电力系统15、25、35上测量每相的电压V_A、V_B、V_C。通过适当公式确定反向对称分量V_i。如果反向电压V_i未超过跳闸阈值S_d，则在直接供应馈电线的电力系统中未检测到故障，以限定的间隔重新开始测量以便继续监视。

当反向电压V_i超过跳闸阈值S_d，则识别出电阻性故障，然后可以实施该方法的第二步骤，即，定向定位。发生故障的简单检测可以通过二极管发光或其它报警系统通知用户。

为了将故障7定位在电压V_XN的测量点的线路侧或负载侧，为每相X确定电压的幅度||V_XN||，例如，均方根值或其他，并且计算它们的算术平均值μ。如果范数||V_XN||的至少两个值超过平均值μ，则故障7在测量点300的线路侧。如果不是，则计算相电压幅度||V_XN||的最小值V_min，且如果这个最小值V_min超过例如设置在电力系统的标称值的5％上的阈值S_V，则故障在测量点300的线路侧，如果不是，则在负载侧。

将故障7定位在测量点的负载侧实际上牵涉到健康馈电线15和位于故障线中的变压器20两者。但是，倘若是至少一个安装检测器300未指示故障的唯一馈电线，则容易识别发生故障的MV电网5的分支。故障实际上位于两个测量点之间的L上，一个遵守上述所有准则，另一个不遵守上述所有准则。

可以通过二极管发光(尤其不同颜色的二极管发光)在变电站的层次上直接指示结果D、L，或可以经由电网1的功能图上远程型的集中系统，例如，通过向控制中心的远程指示，来指示结果D、L。

总之，通过这种指示原理，可以定位在所有情况下以及无论什么状况，位于“点亮”检测器与“未点亮”检测器之间的故障7。MV导线断开的电阻性接地故障的检测无需电流传感器(因此，无需检测下限)地通过除了容易安装之外，还提供更精确测量的安装在LV中的电压测量设备来进行。

因此，将电压传感器型的检测器件50装配在每条LV馈电线上，尤其在MV电网5供电的变压器10、20、30的LV层次上。将它们与MV电网的监视系统相联系，该监视系统包含使来自每条馈电线的信息能够得到处理的定向检测设备100、200、300，所述设备100、200、300能够集成在每个变压器10、20、30中，或形成向其发送来自每个传感器50的信息的中央系统的一部分。来自这些定向检测设备100、200、300的数据使得能够识别出故障在两个设备之间的相对地点。适合实现按照本发明的方法的设备的优选实施例显示在图4中。

按照本发明的定向检测设备100包含获取代表传感器50提供和通过设备100的适当器件接收的相电压V_A、V_B、V_C、V_N的信号的器件110。在优选实施例中，通过像模拟滤波器那样的适当器件112有利滤波的信号V_Af、V_Bf、V_Cf、V_Nf另外得到限制，获取代表性信号的器件110包含尤其工作在大于1kHz上的取样模块114，从而将滤波取样信号V_Af*、V_Bf*、V_Cf*提供给计算复相量的器件116，使得能够获得相电压V_AN、V_BN、V_CN。应该注意到，如果未配备LV电力系统的中性线，则使用相U_AB、U_BC、U_CA之间的电压的测量使人为中性线能够通过三角-星形接线变换重构出来。

将源自获取器件110的信号V_XN发送给故障7的检测单元120，检测单元120尤其包含尤其通过弗特斯克矩阵确定电压的至少一个对称分量V_i的器件122。反向电压模数|V_i|通过适当器件124确定。检测单元120包含将反向电压模数|V_i|与检测阈值S_d相比较—如果超过阈值，则检测到故障D，并激活处理单元130的器件126。有利的是，配备了尤其在法国在额定值的4％与20％之间，调整跳闸阈值Sd的器件128。

处理单元130接收来自获取器件110的信号V_AN、V_BN、V_CN。它包含计算它们的范数(或幅度、rms值等)||V_AN||、||V_BN||、||V_CN||的器件132。将获得的值发送给将范数的最小值V_min与阈值S_V相比较的第一器件134。并行地，将获得的范数||V_AN||、||V_BN||、||V_CN||相继发送给计算三个输入数据的算术平均值μ的器件136，以及第二比较器件138，第二比较器件138包含与所计算平均值μ相对应的第四输入端。将比较器件132、138与判读器件140连接，判读器件140的输出是基于判读结果的接地故障在传感器50的负载侧或线路侧的定向检测信号L。

第二比较器件138将每个范数值||V_XN||与它们的平均值μ相比较，并且有利地将基于比较方向的二进制信号提供给判读器件140。在优选实施例中，判读器件140或第二比较器件138包含求和二进制比较结果的器件。

定向检测设备的元件110、120、130可以一起分组在一个装置中，该装置可以例如与四个传感器50耦合和处在MV/LV变电站中。也可以将它们分开，例如，将获取器件110与变电站中的传感器50相联系，而将检测和处理单元集成在控制中心中，以自动方式或不以自动方式将相电压发送给这些单元。尤其，可以使单元110、120、130的每一个都能够同时或依次处理多条馈电线，并包含适当存储器。

因此，按照本发明，将测量每根导线的电压的器件装配在LV馈电线上，优选地在要监视的MV电网供电的每个变压器的层次上。将测量器件设计成测量每相的电压和中性线的电压。将获得的信号发送给设计成确定最后反向电压和幅度的一个或多个检测设备。按照本发明的解决方案展示了通过从电压的角度来看使自身处在测量仪器更简单的LV电力系统中，以及通过详尽地考虑一根或多根断开导线(对于三相电力系统)的林林总总可能状况来考虑MV导线的断裂问题的好处。

可以将按照本发明的系统或方法与电网5的保护设备，例如，在在电力系统的分支中检测到故障的情况下跳闸并隔离电力系统出故障的所述分支的保护继电器相联系。按照另一种选择，可以通过例如事件日志单独想像延迟迹象。可以将任何类型的直接、本地或远程、即时或延迟迹象，或任何更根本类型的行为与按照本发明的检测相联系。

虽然已经针对架空电网对本发明作了描述，但本发明决不会局限于此。本发明可以以相同实施方式同等应用于在绝缘体受损或磨损或本发明可能涉及到的其它部分断裂之后可能发生电缆断裂的局部或全部在地下的电网。而且，为执行上述功能而展示的元件可以被等效物取代。尤其，电压可以通过任何类型的传感器(电阻、电容、电场......)来测量，且信号处理单元可以采取适当形式，尤其适合计算反向电压的形式。

Claims (13)

1.一种中压电网(5)中的电阻性接地故障(7)的检测设备(100)，所述中压电网(5)包含至少一个中压/低压变电站(10)，所述变电站(10)界定提供多根低压相导线(15_A，15_B，15_C)的馈电线(15)，所述设备(100)包含：

-接收代表馈电线(15)的每根导线的电压的信号的器件；

-从接收的电压信号中获取代表相电压(V_AN，V_BN，V_CN)的信号的器件(110)；

-确定馈电线的对称反向电压分量(V_i)的器件(122)；以及

-将反向电压分量(V_i)与跳闸阈值(S_d)相比较的器件(126)。

2.按照权利要求1所述的检测设备，进一步包含调整跳闸阈值(S_d)的器件(128)。

3.一种中压电网(5)中的电阻性接地故障(7)的检测系统，所述中压电网(5)包含多个中压/低压变电站(10、20、30)，每个所述变电站(10、20、30)界定提供多根低压相导线(15_A，15_B，15_C)的馈电线(15、25、35)，所述系统包含：

-至少一个按照上述权利要求之一的检测设备(100)，所述检测设备(100)的器件(110，122，126)被设计成接收代表每条馈电线(15、25、35)的每根导线的电压的信号，获取代表每条馈电线(15、25、35)的相电压的信号，从中确定对称反向电压分量(V_i)，并将每个反向电压分量(V_i)的模数与跳闸阈值(S_d)相比较；以及

-当比较器件(126)给出反向电压分量(V_i)超过跳闸阈值(S_d)的结果时指示(D)在中压电网(5)中发生了电阻性接地故障(7)的器件。

4.一种中压电网(5)中的电阻性接地故障(7)的检测系统，所述中压电网(5)包含多个中压/低压变电站(10、20、30)，每个所述变电站(10、20、30)界定提供多根低压相导线的馈电线(15、25、35)，所述系统包含按照权利要求1或2之一的检测设备(100、200、300)，所述检测设备与每条馈电线(15、25、35)相联系；以及当检测设备之一(300)的比较器件(126)给出反向电压分量(V_i)的模数超过跳闸阈值(S_d)的结果时指示(D)在中压电网(5)中发生了电阻性接地故障(7)的器件。

5.按照权利要求4所述的检测系统，其中每个检测设备(100、200、300)处在变电站(10、20、30)中。

6.按照权利要求3到5之一所述的检测系统，其中中压/低压变电站(10、20、30)的中性导线接地，并进一步包含在每根相导线上和在中性导线上的电压传感器。

7.一种中压电网(5)中的电阻性接地故障(7)的定向检测设备(100)，所述中压电网(5)包含至少一个中压/低压变电站(10)，所述变电站(10)界定提供多根低压相导线(15_A，15_B，15_C)的馈电线(15)，所述设备包含：按照权利要求1到2之一的检测设备；代表相电压(V_AN，V_BN，V_CN)的信号的处理器件(130)；以及判读信号的处理结果以确定所述电阻性接地故障相对于所述定向检测设备(100)接收的信号的测量点在线路侧还是负载侧的器件(140)。

8.按照权利要求7所述的定向检测设备，其中所述处理器件(130)包含：

-计算相电压的范数(||V_AN||、||V_BN||、||V_CN||)的器件(132)；

-计算范数(||V_AN||、||V_BN||、||V_CN||)的平均值(μ)的器件(136)；

-确定范数的最小值(V_min)的器件；

-将相电压的范数与它们的平均值(μ)相比较的第一器件(138)；以及

-将范数的最小值与阈值(S_V)相比较的第二器件(134)。

9.一种中压电网(5)中的电阻性接地故障(7)的检测和定位系统，所述中压电网(5)包含多个中压/低压变电站(10、20、30)，每个所述变电站(10、20、30)界定提供多根低压相导线的馈电线(15、25、35)，所述系统包含按照权利要求3到6之一的检测系统，其中检测设备(100、200、300)是按照权利要求7或8之一的定向检测设备，以及其中指示(D)在中压电网(5)中发生了电阻性接地故障(7)的器件被设计成指示所述故障相对于所述检测设备接收的信号的测量点在线路侧还是负载侧。

10.一种中压电网(5)上的电阻性接地故障(7)的检测方法，其包含获取来自中压电网(5)供电的低压馈电线(15、25、35)的每相的电压；确定低压馈电线的反向电压(V_i)；将反向电压(V_i)的模数与阈值(S_d)相比较；以及当至少一次比较指示已经超过阈值(S_d)时指示发生了电阻性接地故障(7)。

11.按照权利要求10所述的检测方法，进一步包含调整阈值(S_d)。

12.一种中压电网(5)上的电阻性接地故障(7)的检测和定位方法，其包含按照权利要求10或11之一的检测方法；确定相电压的范数(||V_AN||、||V_BN||、||V_CN||)；处理相电压的范数(||V_AN||、||V_BN||、||V_CN||)；以及确定所检测故障相对于测量点在线路侧或负载侧的地点。

13.按照权利要求12所述的电阻性接地故障的检测和定位方法，其中所述处理相电压的范数包含计算算术平均值；将电压的幅度与它们的平均值相比较；以及将电压最小值与阈值相比较。