专利名称：接地故障检测器件和方法以及包括这种器件的继电器的制作方法
技术领域：
本发明涉及接地故障检测器件，该器件包括信号调整装置，其用于接收电流信号以提供代表剩余电流的信号和代表相电流的信号；以及，信号处理装置，其连接到信号调整装置以接收所述代表剩余电流和相电流的信号，并且，如果所述代表剩余电流的信号超过第一预置阈值，则提供接地故障检测信号。
本发明还涉及接地保护继电器，其包括电流检测器、接地故障检测器件和操作机构，其中，电流检测器安装在要进行监控的电力系统线路的每相导线上，接地故障检测器件连接到所述电流检测器以接收代表相电流的信号，以及操作机构连接到所述接地故障检测器件。
本发明还涉及接地故障检测方法，该方法包括信号调整步骤，用于提供代表剩余电流的信号和代表相电流的信号；以及处理步骤，用于根据所述代表剩余和相电流的信号来指示负载侧接地故障的检测。
背景技术：
接地故障检测器件和包括接地故障检测器件的继电器尤其用在中压三相电力配电系统。图1中表示了电力配电系统图。例如，电力配电系统1包括三相变压器2，该三相变压器2具有连接到提供馈线4的主配线3的次级绕组。变压器2的次级绕组包括通常通过阻抗7连接到地6的公共中性线5。有些馈线4包括电路断路器8以保护所述线路。接地故障检测器件10能够安装在电力系统的线路和分段上。例如，与继电器11连接的检测器件10能够命令电路断路器8的触头打开。
当要保护的馈线4由地下电缆构成时，则在电缆和地之间产生高的电容值。当故障13出现在相邻的馈线上时，则图1中由电容器12表示的这些电容使强的单极电流(homopolar)I0在没有接地故障的馈线上流动。
图2表示公知的接地故障检测器件示意图，该器件使用由电流检测器20A、20B和20C提供的电流信号IA、IB和IC或者围绕主相导线82的单极检测器21的电流I0。通常，该器件包括调整电路22，用于向处理电路23提供代表剩余电流的信号Ir。该处理电路包括保护模块25，用于处理代表剩余电流的信号，并将所述处理了的信号Ir和第一阈值S1进行比较。如果超过阈值S1，则提供检测信号D以表示接地故障的检测。
这样的器件不能将负载侧接地故障和馈线侧接地故障区别开来，该馈线侧接地故障通过与相邻故障馈线的电容性连接(尤其与地下馈线的电容连接)来检测。
为了保护高电容性馈线，已有检测器件除电流检测器之外包括变压器以便使接地保护能检测方向。图3中示出了这样的器件的方框图。因此，变压器26A、26B和26C向调整电路22提供电压信号VA、VB和VC以确定代表剩余电压Vr的信号。处理电路23使用信号Ir来检测接地故障的出现，以及使用信号Ir和Vr来检测负载侧故障或馈线侧故障的方向。
使用变压器或其他电压检测器的器件的体积很大且花费很高。此外，这种器件对于已经安装的线路是不合适的。
发明内容
本发明的目的是提供一种接地故障检测器件和方法，由于没有使用电压测量来检测接地故障，其对干扰是不灵敏的，以及提供一种包括该器件的保护继电器。
在根据本发明的接地故障检测器件中，如果代表剩余电流的所述信号的值超过第一预置阈值，以及，如果代表反向电流幅度的值和代表剩余电流信号的值之间的比率至少超过第二预置阈值，则处理装置指示负载侧接地故障。
在优选实施例中，如果代表剩余电流的所述信号的值超过第一预置阈值，以及如果代表反向电流幅度的值和代表剩余电流信号值之间的比率至少超过第二预置阈值和低于第三预置阈值，则所述处理装置指示负载侧接地故障。
最好，所述处理装置包括第一保护装置，其接收代表剩余的电流信号，并且如果剩余电流信号的值超过第一预置阈值，则提供第一检测信号；以及，第二保护装置，其包括连接到调整装置的用于确定反向电流的装置，该装置用于接收所述代表相电流的信号和提供代表反向电流的信号，以及，如果代表反向电流幅度的值和代表剩余电流信号的值之间的比率包括在至少所述第二预置阈值和所述第三预置阈值之间，则所述第二保护装置提供第二检测信号，如果至少所述第一检测信号和所述第二检测信号是有效的，则提供负载侧接地故障检测信号。
最好，与代表反向电流幅度的值和代表剩余电流信号的值之间的比率对应的所述第二预置阈值小于1，以及与也代表反向电流幅度的值和代表剩余电流信号的值之间的比率的对应的所述第三预置阈值大于1.2。
最好，所述处理装置包括第三保护装置，该第三保护装置包括连接到调整装置的用于确定代表直流电流值的装置，该装置接收所述代表相电流的信号和提供代表直流电流变化的信号，如果所述代表直流电流值没有减少，则第三保护装置提供第三检测信号，如果至少所述第一检测信号、第二检测信号和所述第三检测信号是有效的，则提供所述负载侧接地故障检测信号。
在特定的实施例中，所述调整装置包括用于根据由相电流检测器提供的次级电流来确定剩余电流的装置，以及用于确定代表至少一个相电流信号的二次谐波的信号的装置。并且所述处理装置包括连接到调整装置的第四保护装置，用于接收代表二次谐波的信号，以及如果检测到代表二次谐波的所述信号，则提供闭合临时禁止信号，如果闭合状态时检测到代表二次谐波的信号，则在预置时间期间不提供所述负载侧故障检测信号。
最好，所述代表二次谐波的信号表示三相电流的组合中的二次谐波比。
根据第一替换实施例，接地故障检测器件包括次级电流检测器以提供代表在绕组上测量的从相电流检测器输出的剩余电流的信号。
根据第二替换实施例，用于确定剩余电流的装置根据相电流信号确定所述代表剩余电流的信号。
根据本发明的接地保护继电器包括电流检测器，其安装在要进行监控的电力系统线路的每相导线上；至少一个在以上限定的接地故障检测器件，其连接到所述电流检测器以接收代表相电流的信号；以及操作机构，其连接到所述接地故障检测器件。
在优选实施例中，所述继电器包括剩余电流互感器，其围绕要进行监控的电力系统的相导线，以及包括连接到所述接地故障检测器件的次级绕组，用于提供代表剩余电流的信号；以及用于涉及处理由第四保护装置提供禁止信号的装置。
接地故障方法包括信号调整步骤，用于提供代表剩余电流的信号和代表相电流的信号；以及处理步骤，用于根据所述代表剩余和相电流的信号来指示负载侧接地故障的检测。
根据本发明的实施例，包括第一保护步骤，其执行第一检查以检查(test)代表剩余电流的信号是否超过第一预置阈值；以及，第二保护步骤，其执行第二检查以检查代表反向电流的信号和代表剩余电流的信号之间的比率是否超过第二预置阈值。
如果第一检查和第二检查结果是真，则处理步骤指示负载侧接地故障的检测。
最好，第二保护步骤执行第二检查以检查代表反向电流的信号和代表剩余电流的信号之间的比率是否包括在所述第二预置阈值和第三预置阈值之间。
在优选实施例中，接地故障方法包括第三保护步骤，其执行第三检查以检查当检测到接地故障时代表直流电流的信号是否没有减少，如果第一检查、第二检查和第三检查结果是真，信号处理步骤指示负载侧接地故障的检测。
最好，接地故障方法包括第四保护步骤，用于如果检测到为闭合时，临时禁止执行指示负载侧接地故障检测。
通过对本发明的仅作为非限定的实例提供的并在附图中表示的各特定实施例的如下的说明使其它优点和特征将变得更加明显，其中图1示出能够使用接地故障检测器件的电力系统示意图；图2和图3示出根据技术实施例的状态的接地故障检测器件的方框图；图4示出根据本发明第一实施例的接地故障检测器件的方框图。
图5示出根据图4的实施例的详细器件图的示例。
图6示出根据本发明第二实施例的接地故障检测器件的方框图。
图7和图8示出使用由相电流检测器提供的信号来提供剩余电流信号的器件的局部图；图9示出根据本发明第三实施例的包括接地故障检测器件的继电器的方框图；图10示出根据本发明实施例的检测方法的流程图。
具体实施例方式
在根据图4所示的本发明的实施例的接地故障检测器件中，调整电路22向处理电路23的第一保护模块25提供代表剩余电流的信号Ir，以及向处理电路23的第二保护模块30提供代表剩余电流的信号Ir和代表相电流的信号。第一保护模块25将代表代表剩余电流的信号Ir与第一阈值S1进行比较并向确定模块31提供第一检测信号D1。也能够使用绝对值|Ir|或代表剩余电流信号的幅度来进行比较。第二保护模块30确定代表反向电流的信号Ii、确定在信号Ii和信号Ir间的比率Ii/Ir、然后将所述比率与第二阈值S2进行比较、并且向确定模块31提供第二检测信号D2。如果第一检测信号D1和第二检测信号D2是有效的或出现的，则确定模块31提供负载侧接地故障检测信号D。最好，如果比率Ii/Ir比第二阈值S2高以及比第三阈值S3低，则第二保护模块30提供第二检测信号D2。
调整电路22最好提供代表尤其包括幅度信息和角度(或方向)信息的复数型的相电流信号。例如，这些信号也能够用矢量、数据对(data couple)、相矢量或矩阵来表示。在特定实施例中，调整电路22包括抽样器32和信号处理模块33，其中抽样器32接收来自电流检测器的信号，信号处理模块33连接到抽样器以接收抽样信号和提供相应地代表剩余电流和代表相电流Ir、Ia、Ib和Ic的复数(complex)形式的信号。例如，信号处理模块33执行信号的傅立叶变换以设立复数值。
图5详细地示出具有分别处理剩余电流和相电流的信号的信号处理部件34r、34A、34B和34C的信号处理模块33。在该实施例中，第二保护模块30包括部件35，用于确定代表接收复数信号Ia、Ib和Ic的反向电流的信号Ii。向保护部件36提供信号Ii，该保护部件36包括部件37和部件38，其中，部件37用于确定比率Ii/Ir，部件38用于将所述比率与第二阈值S2进行比较以及最好与第三阈值S3进行比较以提供第二检测信号D2。最好，根据电流信号的绝对值来确定比率|Ii|/|Ir|。最好，电流Ii的表达式能够表示为下列Ii＝Ia+exp(j4π/3)Ib+exp(j2π/3)Ic.
能够预置或调整第二阈值S2到小于1的值，例如0.9，以及能够根据电力系统线路的特性来预置或调整第三阈值S3。例如，阈值S3能够大于1.2。阈值S3也可在低值1.2和大于1.2的高值之间进行调整。因此，与代表反响电流幅度的值和代表预置剩余电流信号的值之间的比率相对应的第三阈值最好能够较高于低值1.2。
图6表示根据本发明另一实施例的接地故障检测器件的方框图。所述检测器件包括基于代表直流电流Id的电流变化的第三保护模块40。当故障产生时，如果直流电流降低，则第三保护模块使检测器件能够检测馈线侧的两相故障。所述模块40包括用于确定直流电流Id的部件41，该部件41接收复数类型Ia、Ib和Ic的信号并向比较部件42提供代表电流Id变化的信号ΔId。如果直流电流的变化小(尤其小于阈值S4)，则所述部件42提供第三检测信号D3。最好，电流Id的表达式能够表示为下列Id＝Ia+exp(j2π/3)Ib+exp(j4π/3)Ic.
图7和图8表示使用由相电流检测器提供的信号来提供剩余电流信号的局部器件图。在图7中，来自电流检测器的次级电流流经电流互感器60的初级绕组。电流互感器60的次级绕组向提供信号Ir的调整电路提供代表单级或剩余电流的电流信号IR。在图8中，调整电路包括用于根据相电流Ia、Ib和Ic来确定剩余电流Ir的模块61。模块61使电流信号Ia、Ib和Ic的矢量总和或瞬间总和来确定电流信号Ir。
在两种情况中，根据由相电流检测器提供的电流或信号来确定电流Ir。然而，尤其在闭合变压器时，如果在各相中出现高电流，这些检测器能够使电流信号饱和或失真。这些高电流能够引起单级电流的错误检测。
图9中示出根据本发明的另一实施例的包括接地故障检测器件的保护继电器。在本器件中，调整模块22向第五保护模块63提供二次谐波或二次谐波比的信号H2。保护模块63将二次谐波比和第五阈值S5进行比较，并且向确定模块31提供暂时禁止信号64。在预置时间内该信号64禁止向继电器或操作机构65提供信号D，以防在闭合时由于检测器的饱和而出现单级电流的错误结果。依靠连接到模块63的禁止电路83，根据确定的电流信号Ir的类型能够起动或消除“禁止”。对应于二次谐波比的阈值S5最好大约是0.2。在图9中，电磁继电器或操作机构65能够起动断路器或开关的触头66的断开。
图10表示根据本发明的实施例的检测方法的流程图。该方法包括调整步骤70以提供代表剩余或单级电流Ir和代表相电流Ia、Ib和Ic的值。步骤71确定剩余电流Ir、反向电流Ii、直流电流Id、直流电流变化ΔId和/或二次谐波信号H2的值。步骤72将剩余电流信号Ir(或该信号的绝对值|Ir|)和第一阈值S1进行比较。如果不超过第一阈值S1，则步骤73指示没有负载侧接地故障。如果超过第一阈值S1，步骤74将比率Ii/Ir(或|Ii|/|Ir|)和第二阈值S2进行比较并最好和第三阈值S3进行比较。如果不超过第二阈值S2或如果所述比率不包括在第二阈值S2和第三阈值S3之间，则步骤73指示没有负载侧接地故障。
如果超过第二阈值S2或最好如果所述比率包括在第二阈值S2和第三阈值S3之间，则步骤75将二次谐波比H2和第五阈值S5进行比较。如果超过第五阈值S5，则步骤73指示没有负载侧接地故障。如果根据由检测器20A、20B和20C的输出提供的相电流来确定电流Ir，则能够起动步骤75。
步骤76检查外部信号是否指示变压器闭合，在闭合的情况下执行步骤73。如果没有闭合，步骤77检测直流电流信号Id是否减小或保持稳定，例如，差值ΔId是否小于第四阈值S4。如果差值ΔId小于第四阈值S4，则意味着在馈线侧出现两相故障，并且方法转到步骤73以指示没有负载侧接地故障。如果差值ΔId不小于第四阈值S4，则在转到步骤79之前步骤78能够进行其他检查以指示出现负载侧接地故障。步骤75至78按照组合部分或全部地能够单独采用的保护或确认步骤。根据该情况，如果超过第二阈值S2或最好如果所述比率包括在阈值S2和阈值S3之间，则步骤74也能够直接转到步骤79。
在以上所述的实施例中，通过模拟组件、数字组件或用微处理器(或微控制器)进行操作的可编程形式的组件能够实现不同电路、模块和功能。
电流检测器最好是电流互感器。然而，其他电流检测器也能是适宜的，例如，霍尔效应检测器或磁致电阻。
所述不同的信号能够具有电信号或电子信号、存储器或寄存器中的数据或信息的值、尤其能够显示在指示器灯或屏幕上的光信号、或作用于操作机构的机械信号的多种形式。
尤其根据技术人员的理解，以上所述检查也能够采用其他等效的形式。同样，一些信号的确定能够采用可获得等效结果的多种形式。
权利要求
1.一种接地故障检测器件，包括信号调整装置(22)，用于接收电流信号(IA、IB和IC)以提供代表剩余电流的信号(Ir)和代表相电流的信号(Ia、Ib和Ic)；以及信号处理装置(23)，其连接到信号调整装置以接收所述代表剩余电流(Ir)和相电流(Ia、Ib和Ic)的信号，并且如果所述代表剩余电流的信号(Ir)超过第一预置阈值(S1)，则提供接地故障检测信号(D)，接地故障检测器件其特征在于如果所述代表剩余电流的信号(Ir)的值超过第一预置阈值(S1)，以及如果代表反向电流(Ii)幅度的值和代表剩余电流信号(Ir)的值之间的比率至少超过第二预置阈值(S2)，则所述信号处理装置(23)指示负载侧接地故障。
2.按照权利要求1所述的器件，其特征在于如果所述代表剩余电流的信号(Ir)的值超过第一预置阈值(S1)，以及如果代表反向电流(Ii)幅度的值和代表剩余电流信号(Ir)的值之间的比率至少超过第二预置阈值(S2)和低于第三预置阈值(S3)，则所述信号处理装置指示负载侧接地故障。
3.按照权利要求2所述的器件，其特征在于所述信号处理装置包括第一保护装置(25)，其接收代表剩余电流的信号(Ir)，并且如果剩余电流信号的值超过第一预置阈值(S1)，则提供第一检测信号(D1)；以及，第二保护装置(30、35、36、37和38)，其包括连接到调整装置(22)的用于确定反向电流(Ii)的装置(35)，该装置(35)用于接收所述代表相电流的信号(Ia、Ib和Ic)和提供代表反向电流的信号(Ii)，以及，如果代表反向电流(Ii)幅度的值和代表剩余电流信号(Ir)的值之间的比率至少包括在所述第二预置阈值(S2)和所述第三预置阈值(S3)之间，则所述第二保护装置提供第二检测信号(D2)，如果至少所述第一检测信号(D1)和所述第二检测信号(D2)是有效的，则提供所述负载侧接地故障检测信号(D)。
4.按照权利要求2或3任一项所述的器件，其特征在于与代表反向电流(Ii)幅度的值和代表剩余电流信号(Ir)的值之间的比率对应的所述第二预置阈值(S2)小于1，以及也与代表反向电流(Ii)幅度的值和代表剩余电流信号(Ir)的值之间的比率对应的所述第三预置阈值(S3)大于1.2。
5.按照权利要求2至4中任一项所述的器件，其特征在于所述信号处理装置包括第三保护装置(40)，该第三保护装置(40)包括连接到调整装置的用于确定代表直流电流(Id)值的装置(41)，该装置(41)接收所述代表相电流的信号(Ia、Ib和Ic)和提供代表直流电流(Id)变化的信号(ΔId)，如果代表所述直流电流值没有减少，则所述第三保护装置提供第三检测信号(D3)，如果至少所述第一检测信号(D1)、第二检测信号(D2)和所述第三检测信号(D3)是有效的，则提供所述负载侧接地故障检测信号(D)。
6.按照权利要求1至5中任一项所述的器件，其特征在于所述调整装置包括用于根据由相电流检测器(20A、20B和20C)提供的次级电流来确定剩余电流(Ir)的装置(60和61)；以及用于确定代表至少一个相电流信号的二次谐波的信号(H2)的装置(33)，并且其特征还在于所述信号处理装置(23)包括连接到调整装置的第四保护装置(63)，用于接收代表二次谐波的信号(H2)，以及如果检测到代表二次谐波的所述信号(H2)，则提供闭合临时禁止信号，如果闭合状态时检测到代表二次谐波的信号(H2)，则在预置时间期间不提供所述负载侧接地故障检测信号(D)。
7.按照权利要求6所述的器件，其特征在于所述代表二次谐波的信号(H2)表示三相电流组合中的二次谐波比。
8.按照权利要求6或7任一项所述的器件，其特征在于接地故障检测器件包括次级电流检测器(60)，用于提供从相电流检测器(20A、20B和20C)输出的绕组上测量的代表剩余电流的信号(Ir)。
9.按照权利要求6或7任一项所述的器件，其特征在于用于确定剩余电流的装置(61)，根据相电流信号(Ia、Ib和Ic)确定所述代表剩余电流的信号(Ir)。
10.一种接地保护继电器，包括电流检测器(20A、20B和20C)，其安装在要进行监控的电力系统线路的每相导线(82)上，该继电器的特征在于包括至少一个根据权利要求1至9中任一项的接地故障检测器件，其连接到所述电流检测器以接收代表相电流的信号(IA、IB和IC)；以及操作机构(65)，其连接到所述接地故障检测器件。
11.按照权利要求10所述的接地保护继电器，其特征在于所述继电器包括剩余电流互感器(21)，其围绕要进行监控的电力系统的相导线(82)，以及包括连接到所述接地故障检测器件的次级绕组以提供代表剩余电流的信号(Ir)；以及用于涉及处理由第四保护装置(63)提供禁止信号(64)的装置(83)。
12.一种接地故障检测方法，包括信号调整步骤(70)，用于提供代表剩余电流(Ir)的信号和代表相电流(Ia、Ib和Ic)的信号；以及处理步骤(79)，用于根据所述代表剩余和相电流的信号来指示负载侧接地故障的检测，其特征在于包括第一保护步骤(72)，其执行第一检查以检查代表剩余电流的信号(Ir)是否超过第一预置阈值(S1)；以及第二保护步骤(74)，其执行第二检查以检查代表反向电流的信号(Ii)和代表剩余电流的信号(Ir)之间的比率是否超过第二预置阈值(S2)，如果第一检查和第二检查结果是真，则处理步骤(79)指示负载侧接地故障的检测。
13.按照权利要求12所述的检测方法，其特征在于第二保护步骤(74)执行第二检查以检查代表反向电流的信号(Ii)和代表剩余电流的信号(Ir)之间的比率是否包括在所述第二预置阈值(S2)和第三预置阈值(S3)之间。
14.按照权利要求12或13任一项所述的检测方法，其特征在于包括第三保护步骤(77)，其执行第三检查以检查当检测到接地故障时代表直流电流的信号(Id)是否没有减少，如果第一检查、第二检查和第三检查结果是真，信号处理步骤(79)指示负载侧接地故障的检测。
15.按照权利要求12至14中的任一项所述的检测方法，其特征在于包括第四保护步骤(75)，用于如果检测到为闭合时，则执行临时禁止指示负载侧接地故障的检测。
全文摘要
接地故障检测器件包括信号调整电路(22)，用于接收电流信号(IA、IB和IC)以提供代表剩余电流的信号(Ir)和代表相电流的信号(Ia、Ib和Ic)；以及信号处理电路(23)，其连接到调整器以根据所述信号(Ir、Ia、Ib和Ic)执行负载侧接地故障检测。如果代表剩余电流的值(Ir)的值超过第一预置阈值(S1)，以及如果代表反向电流(Ii)幅度的值和代表剩余电流信号(Ir)的值之间的比率超过第二预置阈值(S2)或包括在两个预置阈值之间，则所述处理电路和检测方法指示负载侧接地故障。保护继电器包括电流检测器、检测器件和由检测信号(D)控制的操作机构。
文档编号H02H3/33GK1550787SQ20041003847
公开日2004年12月1日 申请日期2004年4月28日 优先权日2003年5月5日
发明者泽维尔·勒皮维特, 皮埃尔·伯特兰德, 伯特兰德, 泽维尔 勒皮维特 申请人:施耐德电器工业公司