单相接地/PT断线故障自动判别报警装置及方法与流程

本发明涉及电力领域，具体地，涉及单相接地/PT断线故障自动判别报警装置及方法。

背景技术：

PT即电压互感器，也称TV，用来测量电网高电压的特殊变压器，它能将高电压按规定比例转换为较低的电压后，再连接到仪器、仪表等装置上进行采集或测量，电压互感器高压侧（亦称一次侧或原边）电压为额定电压时，低压侧（亦称二次侧或副边）电压一般为100伏。PT断线就是电压互感器高压侧或低压侧保险熔断、或者电压互感器回路接头松动、断线、接触不良等，造成电压信号无法正确采集进来，分为高压侧PT断线和低压侧PT断线。其中，每一侧PT断线，又因断线发生在一相、两相还是三相不同而分为PT单相、两相和三相断线。单相接地在三相电力系统中，仅一相导线与地之间出现绝缘破坏/击穿，造成对地短路。单相接地短路是最常见的短路故障，在短路故障中约占70%。单相接地故障是发电、配电系统最常见的故障，多发生在潮湿、多雨天气。

在中性点不接地电力系统中，单相接地故障和PT（电压互感器）断线故障时有发生，且容易发生误判、漏判，如果不能及时发现并准确判别出故障的性质及相别，就不能快速处理，使事故处理时间延长，甚至事故扩大，造成一定的经济损失，不利于电网的安全稳定运行。

目前，电力系统中没有专门针对单相接地/PT断线故障进行判别及报警的装置，如果该母线/线路没有配备成套保护装置，则只能依靠运行人员的经验进行判别，造成判断不及时、误判或漏判；即便有的母线/线路配备了成套保护装置，一般也仅发出PT断线闭锁信号，不能明确判别出PT断线发生在高压侧还是低压侧，具体是哪一相、哪两相还是三相，造成事故处理时间延长；有些成套保护装置因自身判据简单，有时还同时发出单相接地和PT断线两种故障报警信息，造成运行人员无法直接判别，致使故障/事故处理不及时，影响了电网的安全稳定运行。

技术实现要素：

本发明克服了现有技术的不足，提供单相接地/PT断线故障自动判别报警装置及方法，判别准确、精度高，接线简单、易于安装维护且硬件成本较低，避免出现误判和漏判的情况。

本发明解决上述问题所采用的技术方案是：单相接地/PT断线故障自动判别报警装置，包括

三相五柱式电压互感器，通过原绕组接入母线/线路的A相、B相和C相电压，通过副绕组将高的相/线电压转变为额定电压为100V的低压交流电压k1，通过辅助绕组将高的相/线电压转变为额定电压为低压交流电压k2；

单向交流电压变送器，同时连接三相五柱式电压互感器和可编程控制器PLC，三相五柱式电压互感器辅助绕组上的低压交流电压k2传送给单向交流电压变送器，单向交流电压变送器将低压交流电压转变为直流电压/直流信号后送到可编程控制器PLC，实现母线/线路上零序电压Uo的信号采集；

三相交流电压变送器，同时连接三相五柱式电压互感器和可编程控制器PLC，三相五柱式电压互感器副绕组上的低压交流电压k1传送给三相交流电压变送器，三相交流电压变送器将低压交流电压转变为直流电压/直流信号后送到可编程控制器PLC，实现母线/线路上A相电压幅值Ua、B相电压幅值Ub和C相电压幅值Uc的信号采集；

可编程控制器PLC，连接触摸屏，用于比较分析获得故障类型/相别信息，发出报警信号并在触摸屏上显示。

本装置适用于中性点不接地的电力系统，特别适合于6kV、10kV的中性点不接地系统的单相接地和PT断线故障判别，采用现有技术中均没有使用到的三相电压的电压幅值、电压差值、零序电压进行单相接地/PT断线的综合判别，专门针对电力系统中经常发生、并易误判的单相接地和PT断线故障进行判别及报警，经验证，可准确判别出故障的类型及相别，故障类型是单相接地还是PT断线，该装置与以往采用单个数据进行判别相比，判别准确、精度高，接线简单、易于安装维护，避免出现误判和漏判的情况。

对于单相接地故障，本装置可准确判断出故障相别，是A相、B相还是C相；对于PT断线故障，本装置可准确判别出故障发生在哪一侧：是高压侧还是低压侧；判别出故障发生的相别是A、B、C哪一相，哪两相还是三相，使故障处理更有针对性，缩短了故障处理时间。本方案即可判别出故障类型，又可判别出故障相别，在现有技术中都还没使用过，属于首创。本装置直接采集的是各相的相电压，直接反映各相的状态，与以往要先采集线电压然后再转换为相电压相比，判据更直接；无需采集相电流，而是通过计算得出的电压差值，来判别PT三相断线，这样采集装置少，接线简单，硬件成本较低。

为了更好的实现对故障过程进行监测，提供了单相接地/PT断线的持续时间和断续接地/断线次数的数据，为故障分析处理或状态检修提供依据，所述可编程控制器PLC内部自带定时器和计数器，能够实现单相接地或PT断线的持续时间和断续次数的测量并通过触摸屏显示。

单相接地/PT断线故障自动判别报警方法，采用的自动判别报警装置为权力要求1或2中的任意一种，包括如下步骤：

步骤A)自动判别报警装置通电，进行初始化，不间断地采集中性点不接地电力系统中母线/线路三相相电压幅值Ua、Ub、Uc及其零序电压Uo，根据采集到的三相相电压幅值Ua、Ub、Uc及其零序电压Uo是否为零，以及相关断路器及隔离刀闸的状态，判断待测系统是否处于运行状态，若系统处于停运状态则返回，若处于运行状态，则计算三相相电压幅值的差值ΔUa、ΔUb和ΔUc，该差值为前后两个扫描周期测量值之差；

步骤B) 根据三相相电压幅值、电压差值及零序电压的大小，可编程控制器PLC综合判断是否发生了故障，若发生了故障，进一步判断故障的性质及相别是单相接地、PT单相高压侧断线、PT单相低压侧断线、PT两相低压侧断线、PT两相高压侧断线或PT高低压侧三相断线，并具体到哪一相或哪两相；

步骤C) 根据可编程控制器PLC判别的结果进行故障报警，并以光字牌的形式在触摸屏上显示出来。

进一步优选的，步骤C)中触摸屏还可以根据可编程控制器PLC内部自带的定时器和计数器的定时和计数功能，显示故障断续次数和持续时间。

优选的，步骤B)中单相接地故障的判断方法为当采集的零序电压Uo>50V或A相电压差值ΔUa>0.2Ue，B、C两相电压幅值Ub和Uc都大于1.2倍的额定电压Ue，且A相电压幅值小于0.8倍额定电压Ue时，判定为A相发生单相接地故障。

优选的，步骤B)中PT单相高压侧断线故障的判断方法为当采集的零序电压Uo≥5V或A相电压差值ΔUa>0.2Ue，A相电压幅值Ua<0.8Ue，且B、C两相电压幅值分别介于0.8~1.0Ue之间时，判定为PT高压侧A相断线。

优选的，步骤B)中PT单相低压侧断线故障的判断方法为当采集的零序电压Uo≤5V或A相电压差值ΔUa>0.2Ue，A相电压幅值Ua<0.1Ue，B、C两相电压幅值分别介于0.9~1.05Ue之间，且Uo≤5V时，判定为PT低压侧A相断线。

优选的，步骤B)中PT两相低压侧断线故障的判断方法为当采集的A、B两相电压差值ΔUa、ΔUb都大于0.2Ue，A、B两相电压幅值都小于0.1Ue，且C相电压幅值介于0.9~1.05Ue之间时，判定为PT低压侧A、B两相断线。

优选的，步骤B)中PT两相高压侧断线或PT高低压侧三相断线故障的判断方法为当采集的A、B、C三相电压差值ΔUa、ΔUb和ΔUc都大于0.2Ue，A、B、C三相电压幅值都小于0.1Ue时，判定为PT高压侧两相或PT高、低压侧三相断线。

经过大量实际测试，表明采用该方法进行测量具备如下性能优点：判别准确，不易发生误判、漏判；设备响应速度快，精确度高；接线简单、安装维护方便、可移植性强；系统可扩展性强，可进行二次开发。

综上，本发明的有益效果是：

1、本方案适用于中性点不接地的电力系统，特别适合于6kV、10kV的中性点不接地系统的单相接地和PT断线故障判别，采用现有技术中均没有使用到的三相电压电压幅值、电压差值、零序电压进行单相接地/PT断线的综合判别，专门针对电力系统中经常发生、并易误判的单相接地和PT断线故障进行判别及报警，可准确判别出故障的类型及相别，故障类型是单相接地还是PT断线，该装置与以往采用单个数据进行判别相比，判别准确、精度高，接线简单、易于安装维护，避免出现误判和漏判的情况。

2、本方案直接采集的是各相的相电压，直接反映各相的状态，与以往要先采集线电压然后再转换为相电压相比，判据更直接；无需采集相电流，而是通过计算得出的电压差值，来判别PT三相断线，这样采集装置少，接线简单，硬件成本较低。

3、实现对故障过程进行监测，提供了单相接地/PT断线的持续时间和断续接地/断线的次数，为故障分析处理或状态检修提供依据。

附图说明

图1是本发明的原理框图；

图2是本发明的实施流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

符号说明：A、B、C相电压幅值分别用符号Ua、Ub、Uc表示；A、B、C相电压幅值的前后两个扫描周期的差值分别用ΔUa、ΔUb、ΔUc表示；零序电压用U0表示；额定电压用Ue表示。其中差值的计算方法为采集并计算相电压幅值的前后两个扫描周期之差。

实施例1：

如图1-2所示，本发明包括单相接地/PT断线故障自动判别报警装置，包括

三相五柱式电压互感器，通过原绕组接入母线/线路的A相、B相和C相电压，通过副绕组将高的相/线电压转变为额定电压为100V的低压交流电压k1，通过辅助绕组将高的相/线电压转变为额定电压为低压交流电压k2；三相五柱式电压互感器，可用三个单相的电压互感器，或一个三相电压互感器替代。图1中xD、aD为辅助绕组接入的两端点，a、b、c为副绕组接入的三个端点。

单向交流电压变送器，同时连接三相五柱式电压互感器和可编程控制器PLC，三相五柱式电压互感器辅助绕组上的低压交流电压k2传送给单向交流电压变送器，单向交流电压变送器将低压交流电压转变为0~10V/4~20mA的直流电压/直流信号后送到可编程控制器PLC，实现母线/线路上零序电压Uo的信号采集；零序电压Uo获取方法还可以先通过交流电压采集装置采集三相交流电压后，再送入计算机（单片机、单板机、工控机）经程序计算获得。

三相交流电压变送器，同时连接三相五柱式电压互感器和可编程控制器PLC，三相五柱式电压互感器副绕组上的低压交流电压k1传送给三相交流电压变送器，三相交流电压变送器将低压交流电压转变为0~10V/4~20mA的直流电压/直流信号后送到可编程控制器PLC，实现母线/线路上A相电压幅值Ua、B相电压幅值Ub和C相电压幅值Uc的信号采集；

可编程控制器PLC，连接型号为MT6070IH5威纶触摸屏，用于比较分析获得故障类型/相别信息，发出报警信号并在触摸屏上显示。可编程控制器PLC还可以用于比较分析获得单相接地信息、PT断线信息、持续时间、断线次数或断续接地信息，可编程控制器PLC包括型号为AMI0410的模拟量输入模块和型号为施耐德M340PLC，CPS2000的 CPU模块，模拟量输入模块用于将模拟输入信号转换为数字信号，再送到CPU模块中实现母线/线路的相电压Ua、Ub、Uc及零序电压Uo的信号采集，进行比较分析后获得故障类型/相别等信息，发出报警信号并在触摸屏上显示出来，以备后续的故障处理使用。其中的模拟量输入模块可用模数转换A/D转换装置或交流采样装置替代；可编程控制器PLC可用单片机、单板机、工控机等替代；触摸屏可用其他数显装置、上位计算机或语音报警装置替代；

电力系统中性点不接地系统，特别是6kV、10kV系统发生单相接地故障时，单相接地时电流较小，不形成短路回路，电力系统安全运行规程规定接地故障后可继续运行1～2 小时，但整个系统非故障相对地电压升高，若不及时处理，可能导致非故障相绝缘击穿发展成相间短路，使故障扩大。PT 断线故障一般可以分为PT 一次侧断线和二次侧断线，无论是哪一侧的断线，都将会使PT 二次回路的电压异常。这两类故障对电力系统及电网的安全稳定运行意义重大，该判别及报警装置，包含一套单相接地、PT一次侧断线、二次侧断线的自动判别及报警装置，能够及时准确的判断电力系统母线及线路运行中普遍存在的单相接地和电压互感器PT断线故障，还能准确判别故障发生的具体相别，解决电力系统的实际问题，避免因事故处理的不及时造成时间延长或事故扩大，避免造成不可估量的经济损失。

目前，对于易发生且易误判的系统单相接地/PT断线故障，没有专门的单相接地/PT断线送别及报警装置，一般是仅作为PT断线闭锁条件出现在某些成套保护装置中。对单相接地/PT断线的故障过程没有监测，仅提供一个报警信息，不利于后续故障的分析及处理。目前常用的PT断线判断依据大体分为如下两种：（1）PT对称断线，也即三相全部断线的判据，采用的依据为三相电压都小于8V，且任一相电流大于0. 06倍的额定电流；该种判断方法存在如下问题需采集相/线电压及相电流，采集量多，硬件成本较高。此外，高压侧两相断线，也满足上述判据，易出现误判。(2) PT不对称断线判据常见的有以下几种：判据一：负序电压大于 8 V；判据二：三相电压的向量和大于 18 V，并且至少有一线电压的模值之差大于 20 V；判据三：存在一线电压的模值之差大于 18 V。采用上述三种判据存在如下问题：上述三个判据，仅利用单一的负序电压或相电压一个值进行判别，判据不充分，易出现误判和漏判；上述几个判据都没有判断出是PT高压侧断线还是低压侧断线，更没有精确到是哪一相或哪两相断线；上述判据没有对断线过程进行监测，不利于故障的进一步检测及处理。

本装置适用于中性点不接地的电力系统，特别适合于6kV、10kV的中性点不接地系统的单相接地和PT断线故障判别；采用现有技术中均没有使用到的三相电压的电压幅值、电压差值、零序电压进行单相接地/PT断线的综合判别，专门针对电力系统中经常发生、并易误判的单相接地和PT断线故障进行判别及报警，经验证，可准确判别出故障的类型及相别，故障类型是单相接地还是PT断线，该装置与以往采用单个数据进行判别相比，判别准确、精度高，接线简单、易于安装维护，避免出现误判和漏判的情况。

对于单相接地故障，本装置可准确判断出故障相别，是A相、B相还是C相；对于PT断线故障，本装置可准确判别出故障发生在哪一侧：是高压侧还是低压侧；判别出故障发生的相别：是A、B、C哪一相，哪两相还是三相，使故障处理更有针对性，缩短了故障处理时间。本方案即可判别出故障类型，又可判别出故障相别，在现有技术中都还没使用过，属于首创。本装置直接采集的是各相的相电压，直接反映各相的状态，与以往要先采集线电压然后再转换为相电压相比，判据更直接；无需采集相电流，而是通过计算得出的电压差值，来判别PT三相断线，这样采集装置少，接线简单，硬件成本较低。

实施例2：

本实施例在实施例1的基础上优选如下：可编程控制器PLC内部自带定时器和计数器，能够实现单相接地或PT断线的持续时间和断续次数进行测量并通过触摸屏显示。实现对故障过程进行监测，提供了单相接地/PT断线的持续时间和断续接地/断线的次数，为故障分析处理或状态检修提供依据。记录单相接地或PT断线的次数，采集单相接地或PT断线的持续时间集，汇总并输出，在现有技术中均没有使用过，属于首创。

实施例3：

本发明包括单相接地/PT断线故障自动判别报警方法，采用自动判别报警装置，包括如下步骤：

步骤A)自动判别报警装置通电，进行初始化，不间断地采集中性点不接地电力系统中母线/线路三相相电压幅值Ua、Ub、Uc及其零序电压Uo，根据采集到的三相相电压幅值Ua、Ub、Uc及其零序电压Uo是否为零，以及相关断路器及隔离刀闸的状态，判断待测系统是否处于运行状态，若系统处于停运状态则返回，若处于运行状态，则计算三相相电压幅值的差值ΔUa、ΔUb和ΔUc，该差值为前后两个扫描周期测量值之差；

步骤B) 根据三相相电压幅值、电压差值及零序电压的大小，可编程控制器PLC综合判断是否发生了故障，若发生了故障，进一步判断故障的性质及相别是单相接地、PT单相高压侧断线、PT单相低压侧断线、PT两相低压侧断线、PT两相高压侧断线或PT高低压侧三相断线，并具体到哪一相或哪两相；

步骤C) 根据可编程控制器PLC判别的结果进行故障报警，并以光字牌的形式在触摸屏上显示出来。

步骤C)中触摸屏还可以根据可编程控制器PLC内部自带的定时器和计数器的定时和计数功能，显示故障断续次数和持续时间。

步骤B)中单相接地故障的判断方法为当采集的零序电压Uo>50V或A相电压差值ΔUa>0.2Ue，B、C两相电压幅值Ub和Uc都大于1.2倍的额定电压Ue（Ub>1.2Ue，Uc>1.2Ue），且A相电压幅值小于0.8倍额定电压Ue（Ua<0.8Ue）时，判定为A相发生单相接地故障。另外的B、C相单相接地判别方法与之判断相似，只需把A相换成B相或C相，然后其它值对换为另外两项即可。

步骤B)中PT单相高压侧断线故障的判断方法为当采集的零序电压Uo≥5V或A相电压差值ΔUa>0.2Ue，A相电压幅值Ua<0.9Ue，且B、C两相电压幅值分别介于0.8~1.0Ue之间（即0.8Ue ≤Ub≤ 1.0Ue ，0.8Ue ≤Uc≤ 1.0Ue）时，判定为PT高压侧A相断线，Ue代表额定电压。另外的B、C相单相接地判别方法与之判断相似，只需把A相换成B相或C相，然后其它值对换为另外两项即可。

步骤B)中PT单相低压侧断线故障的判断方法为当采集的零序电压Uo≤5V或A相电压差值ΔUa>0.2Ue，A相电压幅值Ua<0.1Ue，B、C两相电压幅值分别介于0.9~1.05Ue之间（即0.9Ue ≤Ub≤ 1.05Ue 0.9Ue ≤Uc≤ 1.05Ue），且Uo≤5V时，判定为PT低压侧A相断线。另外的B、C相单相接地判别方法与之判断相似，只需把A相换成B相或C相，然后其它值对换为另外两项即可。

步骤B)中PT两相低压侧断线故障的判断方法为当采集的A、B两相电压差值ΔUa、ΔUb都大于0.2Ue（即ΔUa>0.2Ue、ΔUb>0.2Ue），A、B相电压幅值均小于0.1Ue，且C相电压幅值介于0.9~1.05Ue之间（0.9Ue ≤Uc≤ 1.05Ue）时，判定为PT低压侧A、B两相断线。另外的B、C相单相接地判别方法与之判断相似，只需把A相换成B相或C相，然后其它值对换为另外两项即可。

步骤B)中PT两相高压侧断线或PT高低压侧三相断线的判断方法为当采集的A、B、C三相电压差值ΔUa、ΔUb和ΔUc都大于0.2Ue（即ΔUa>0.2Ue、ΔUb>0.2Ue、ΔUc>0.2Ue），A、B、C三相电压幅值都小于0.1Ue时（即Ua<0.1Ue、Ub<0.1Ue、Uc<0.1Ue），判定为PT高压侧两相或PT高、低压侧三相断线。另外的B、C相单相接地判别方法与之判断相似，只需把A相换成B相或C相，然后其它值对换为另外两项即可。

经过大量实际测试，表明采用该方法进行测量具备如下性能优点：判别准确，不易发生误判、漏判；设备响应速度快，精确度高；接线简单、安装维护方便、可移植性强；系统可扩展性强，可进行二次开发。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。