用于检测低压三相网络中故障的方法和系统与流程

1.本发明涉及用于检测低压三相网络中的故障的方法和系统。


背景技术：

2.设置在电线上的方向过电流保护(或系统)由两个组件组成：过电流组件和方向组件。这两个组件联合操作，以确定在线路上流动的电流幅度(过电流组件)和电流方向(方向组件)。
3.当电流流向预设方向且其幅度在特定持续时间内超过预设阈值时，方向过电流保护会激活设置在线路上的开关或断路设备(例如断路器、隔离开关)。开关或断路设备是自动操作的电气开关，被布置为保护电路免受由来自过载或短路的过电流引起的损坏。当断路器接收到来自方向过电流设备的触发命令时，因为已经检测到故障，它中断线路上流动的电流。
4.在方向过电流设备中，过电流组件以本身已知的方式确定电流幅度，而方向组件使用电流和参考电压之间的相角的演变(evolution)来确定电流的方向。
5.已知有不同的电压用作参考电压，例如正交相对相电压(u
bc
对ia、u
ca
对ib、u
ab
对ic，其中a、b和c表示三相系统的三个相，u
xy
表示x相和y相之间的电压)，或诸如正序(v1对i1，其中v1和i1分别是正序电压和电流)、负序(v2对i2)和零序(v0对i0)的序列分量。
6.参考电压，也称为电压极化信号，可以被旋转以适当地对准方向过电流设备的正向和反向区域。这个旋转角被称为特征角，也称为最大扭矩角(maximum torque angle，mta)。
7.在三相网络中，已知两种不同的方向过电流设备，用于检测相对相故障的相位方向(phase directional)过电流保护(ansi 67)和用于检测单相故障(相对地故障和相对中性点(neutral)故障)的接地方向过电流保护(ansi67n或67g)。
8.ansi 67方向过电流保护使用正交相对相电压作为参考电压，而零序电压由ansi 67n或ansi 67g保护使用。
9.根据设计，存在ansi 67保护不能总是高效检测单相故障的方向的一些情况，出于同样的原因，ansi 67n或ansi 67g保护不能高效检测相对相故障的方向。
10.方向过电流设备对于保证多源网络中的选择性是必要的，例如在通过并联设置的多个变压器供电的情况下，或者在将生产系统连接到网络(联合发电)的情况下。
11.具体地，在低压网络应用朝向需要多个并行源(光伏系统、电池、配电网)或分布式能源(distributed energy resource，der)集成的多源系统、智能电网和微电网演变的背景下，方向过电流设备越来越被视为基本的战略组件。事实上，方向过电流设备能够通过断路器仅识别和断开网络的故障馈线，而没有任何方向性标准的基本过电流保护将在故障的情况下同时断开所有电源，从而导致停电。方向过电流设备允许更好地定位故障，从而仅隔离受故障影响的网络部分。
12.大部分高、中压(hv、mv)应用都有相对相、相对地方向过电流保护以检测故障方向
(正向或反向)，如上述ansi 67、ansi 67n保护。上述方向过电流设备需要电流和电压测量以及电压和电流之间相角关系的测量，以确定故障方向。
13.相反，低压断路器单元现在很少配备电压测量系统，并且处理能力有限。已经研究了基于电流的方向算法来确定故障方向，但是它们表现出有限的性能。
14.因此，目前在低压系统中没有通用的方向保护。
15.此外，值得指出的是，中压应用中使用的相位方向过电流保护ansi 67在某些故障下不稳定。
16.为了激活ansi 67保护，使用了两个标准，分别基于电流的幅度和电流的方向。分析是对三个相独立进行的。
17.为了确定每相电流的方向，ansi 67保护使用所考虑相的电流和参考电压之间的角度(相差)。最常用的基准电压是正交相对相电压。例如，a相电流的参考电压是u
bc
电压。在a相出现故障的情况下，a相的电压会降低，无法再使用，但u
bc
电压有足够的幅度来精确测量其相位。同样的技术也适用于其他b相和c相。
18.图1是ansi 67保护2的电路方案，其被设置为控制连接到三相网络母线6的馈线4。具体地，在图1中，示出了两个ansi 67保护2a、2b，每个保护分别代表用于正向和反向保护的保护，如这里所解释的。ansi 67保护2可以被定向为通过在朝向馈线4的方向发生过电流的情况下激活断路器来执行馈线(或正向)保护，或者通过在朝向三相网络的母线6的方向发生过电流的情况下激活断路器来执行母线(或反向)保护。
19.图2是示出ansi 67设备如何确定三相网络中一相电流的方向的示意图。即使使用不同的极化电压，也可以将相同的逻辑应用于其他三相。
20.在平面上，参考电压矢量，例如u
bc
矢量，代表三相系统的b相和c相之间的参考电压u
bc
。在参考电压矢量u
bc
上施加特征角α，例如45
°
，并且获得第一线8，该线通常被称为最大扭矩角(maximum torque angle，“mta”)。然后，画出垂直线10，该垂直线10限定了对应于电流的线路/正向方向的第一区域12和对应于电流的母线/反向方向的第二区域14。
21.代表在第一区域12或第二区域14中的a相中流动的电流的电流矢量ia的位置指示了故障相对于a相的方向。
22.内部圆圈16代表电流必须超过以便检测故障的电流阈值is。
23.在一些电阻性或不平衡的相对相故障的情况下，上述公开的过程不能检测故障方向。在ansi 67保护中，如果三个相的电流水平超过阈值is，并且检测到两个电流方向正确，而检测到第三个电流方向相反，则可能生成断路器的不合时宜的触发，以及相关的选择性问题。
24.中压应用中使用的补救解决方案是应用“三选二”规则，即仅当至少两相中的电流水平超过阈值is，并且相应的电流流动在相同方向上时，ansi 67保护才验证断路器的触发。
25.因此，“三选二”规则的应用对于保证保护的稳定性是必要的。
26.但是，应用此规则意味着无法检测到单个相对中性点故障或相对地故障。
27.具体地，如果该规则应用于低压应用，方向过电流保护对其中只有一个电流水平超过阈值is的单相故障(相对中性点或相对地)不敏感。这些故障是低压应用中最常见的故障。
28.在中压应用中，通过ansi 67n保护，执行特定保护以检测单相故障。
29.然而，不可能在低压应用中应用额外的接地方向过电流保护ansi 67n，因为太昂贵，使用和调整太复杂(在低压系统上操作的技术人员通常不知道中压或高压系统典型的高级保护)，并且对计算性能要求过高，不适用于低压断路器的控制单元。


技术实现要素：

30.因此，本发明的目的是提供用于检测低压三相网络中的故障的方法，以便检测任何故障，尤其是相对相故障、相对中性点故障和相对地故障。
31.此外，本发明的目的是提供用于检测低压三相网络中的故障以检测任何短路故障的相位方向过电流系统。
32.为此，本发明的一个方面涉及一种用于检测低压三相网络中的故障的方法，包括以下步骤：
[0033]-对于预定持续时间，检查三相网络的三相中的任何一相是否满足第一条件；
[0034]-如果至少两个相满足第一条件，则通过检查至少两个相中的电流水平是否超过阈值以及对应的电流流动是否在相同方向上来检测相间故障；
[0035]-如果三相中只有一相满足上述第一条件，对于已经满足第一条件的相，检查是否满足第二条件，在肯定的情况下，检测单相故障。
[0036]
在第一实施例中，第一条件包括对于预定时间间隔检查：
[0037]-相中的电流的幅度超过预设值；
[0038]-相中的电流的方向处于预设方向。
[0039]
在另一实施例中，第二条件包括检查是否满足以下等式：
[0040][0041][0042][0043]
其中，ma、mb、mc是指三相网络的相应的相，信号v
an
、v
bn
和v
cn
是相对中性点电压，ms是预设值。
[0044]
在另一个实施例中，ms介于0和1之间。
[0045]
在另一个实施例中，为了确定电流的方向，使用电流和参考电压之间的相角的演变。
[0046]
在另一个实施例中，参考电压是正交相对相电压。
[0047]
在另一个实施例中，该方法包括检查网络的中性点是否可接入，并且在肯定的情况下，生成报警信号。
[0048]
在另一个实施例中，本发明涉及一种相位方向过电流系统，该系统包括布置成执行该方法的控制单元。
[0049]
在另一个实施例中，控制单元被布置成：
[0050]-为每个相应的相确定代表电流幅度和方向的三个输入信号；
[0051]-如果任何相都满足第一条件，则将对应的输入信号置于值1，否则置于值0；
[0052]-将输入信号并行发送到第一单相逻辑块和相内(intra-phase)逻辑块；
[0053]-如果至少两个输入信号具有等于1的值，则从第一单相逻辑块输出等于0的第一中间信号，并检测相内故障；
[0054]-如果输入信号中的任何一个的值等于1，则从第一单相逻辑块输出等于1的第一中间信号；
[0055]-如果第一中间信号具有等于1的值，则将其与相应的输入信号和相应的比率信号一起发送到第一与逻辑块，所述比率信号对应于第二条件；
[0056]-根据具有等于1的值的输入信号，通过对应的第一与逻辑块检查相应的比率信号是否也具有等于1的值，并且在肯定的情况下，输出具有等于1的值的第二中间信号；
[0057]-如果三个第二中间信号之一具有等于1的值，则通过连接到第一与逻辑块的或逻辑块输出具有等于1的值的第三中间信号；
[0058]-通过第二与逻辑块检查第三中间信号是否等于1以及中性点信号是否也等于1，所述中性点信号指示中性点是可接入的，并且在肯定的情况下，生成报警信号。
[0059]
在另一个实施例中，当至少两个输入信号具有等于1的值时，相内逻辑块应用“三选二”条件来检测相内故障，并输出代表这种相内检测到的故障的输出信号。
[0060]
在另一个实施例中，输出信号与报警信号一起被发送到或块。
附图说明
[0061]
通过阅读以下描述，将进一步理解本发明，以下描述仅作为非限制性示例提供，并参考附图做出，附图中：
[0062]
图1是ansi 67保护的电路方案，其被设置为控制连接到三相网络母线的馈线；
[0063]
图2是示出ansi 67保护如何确定三相网络的a相电流方向的示例的示意图；
[0064]
图3示出了执行根据本发明的方法的示意性逻辑电路；
[0065]
图4是根据本发明的方法步骤的框图；
[0066]
图5示出了本发明示例性实施例的示意性电路；
[0067]
图6示出了对于第一变压器处的两个不同故障，图5的电路的电流、相位、输入信号和比率信号的图；以及
[0068]
图7示出了在第一变压器处的两相故障期间，图5的电路的电流、相位、输入信号和比率信号的图。
具体实施方式
[0069]
根据本发明的方法允许通过单个相位方向过电流保护识别低压三相网络的相上的故障，以向设置于故障相上并连接到相位方向过电流保护的断路器发送触发命令。该方法允许高效检测任何相对相、相对中性点和相对地故障。
[0070]
该方法优选通过ansi 67保护来执行。
[0071]
在三相网络中，每个相a、b、c都有相关的相位方向过电流保护。因此，对“单个”相
位方向过电流保护的引用必须解释为对每条相线的引用。
[0072]
根据本发明的方法，在以下两种情况下发送触发命令：
[0073]-如果有至少两个电流以相应的相位流入预设的方向，并且它们的幅度在预设持续时间内超过预设阈值；
[0074]-如果只有一个电流流入预设方向并且其幅度超过预设阈值，并且如果其相对中性点电压与参考电压之比在预设持续时间内降至预设阈值以下。有利的是，使用正交相对相参考电压。
[0075]
相上出现故障通常表现为该相上的电压下降，而未受影响的相上的电压对应上升。由于使用了上述比率，可以检测出故障相。通过将该信息与电流方向相结合，有可能稳定相位方向过电流保护，并仅在必要时触发断路器。
[0076]
本发明的方法可以应用于低压高级保护单元，即具有电压测量输入、分散保护单元或具有保护单元的集中控制系统。
[0077]
图3示出了执行根据本发明的方法的示意性逻辑电路。
[0078]
有利的是，相位方向过电流保护，例如ansi 67保护，包括被布置为实现这种逻辑电路的控制单元。
[0079]
在图3中，三个输入信号67a、67b和67c代表在给定方向(正向或反向)上为相应的相a、b或c获得的方向检测结果。该方向检测结果是由相应的相位方向过电流保护获得的针对每个相a、b、c的电流幅度和电流方向。
[0080]
对于每个相a、b、c，对于预定持续时间，检查是否满足以下第一条件。
[0081]
第一条件是：
[0082]-所分析相的电流的幅度超过预设值；
[0083]-所分析相的电流的方向是预设方向(正向或反向)。有利地，为了确定电流的方向，使用电流和参考正交相-相电压之间的相角的演变，例如ia对u
bc
、ib对u
ca
和ic对u
ab
。
[0084]
如果对于任何相a、b、c满足第一条件，则对应的输入信号67a、67b、67c得到值1，否则该值为0。
[0085]
输入信号67a、67b、67c被并行发送到第一逻辑块20和第二“三选二”逻辑块24。
[0086]
如果信号67a、67b或67c中只有一个具有等于1的值，则第一逻辑块20输出等于1的第一中间信号22。
[0087]
如果两个或三个输入信号67a、67b、67c具有等于1的值，则第一逻辑块20输出等于0的第一中间信号22，并且第二“三选二”逻辑块24应用本身已知的“三选二”条件来检测相内故障(两个相或三个相之间的故障)。第二“三选二”逻辑块24输出代表这种相内检测到的故障的输出信号25。
[0088]
如果第一中间信号22具有等于1的值，则它被发送到第一与逻辑块26。每个第一与逻辑块26在输入中接收第一中间信号22、相应的输入信号67a、67b、67c和相应的比率信号ma、mb和mc。比率信号ma、mb、mc可以获得等于0或1的值，这取决于以下等式的满足情况：
[0089]
[0090][0091][0092]
信号v
an
、v
bn
和v
cn
是相对中性点电压。
[0093]
比率信号ma、mb和mc代表验证单相故障的电压标准。
[0094]
上述等式代表为了检测单相故障而必须满足的第二条件。
[0095]
值ms是预设的阈值。ms的值被选择为能够将电阻性故障与由于相之间的负载不平衡、负载类型和电网特性导致的健康网络的自然不平衡区分开来。
[0096]
ms的选择应考虑网络的自然不平衡率(每相电压的幅度)和对所需电阻性故障的敏感性。
[0097]
如果阈值设置得太高，则可能存在由于网络不平衡而触发断路器的风险。
[0098]
如果阈值太低，可能会存在无法检测到极端电阻性故障的风险。
[0099]
有利地，ms具有介于0和1之间的值，并且优选地等于0.9，这能够保证该方法的正确运行，直到网络电压的不平衡等于10％。
[0100]
根据具有等于1的值的输入信号67a、67b或67c，对应的第一与逻辑块26检查相应的比率信号ma、mb、mc是否也具有等于1的值，并且在肯定的情况下，输出具有等于1的值的第二中间信号28。
[0101]
如果三个输入中只有一个(第二中间信号28中的任何一个)具有等于1的值，则连接到第一与逻辑块26的第二单相逻辑块30输出具有等于1的值的第三中间信号32。
[0102]
具有等于1的值的第三中间信号允许识别单相故障(相上的故障)，该单相故障是其第二中间信号28具有等于1的值的相上的故障。
[0103]
第二与逻辑块34检查第三中间信号32是否等于1以及中性点信号36是否等于1(其表明中性点信号可由用户接入)。在肯定的情况下，生成报警信号38。
[0104]
报警信号38通过或块39，其也连接到第二“三选二”逻辑块24的输出。
[0105]
在将报警信号38(或输出信号25)发送到远程控制单元之前，可以通过定时器40将时间延迟添加到报警信号38(或输出信号25)中。
[0106]
图4是基于逻辑电路的上述公开的根据本发明的方法的步骤的框图。
[0107]
在该方法的第一步骤100中，检查三相网络的三相a、b、c中的任何一相是否满足上述第一条件。
[0108]
如果至少两个相满足第一条件，则在步骤102中，应用三选二”标准来检测相内故障。
[0109]
如果三相a、b、c中只有一相满足上述第一条件，则在步骤104中，对于已经满足第一条件的相，检查是否满足第二条件。
[0110]
在肯定的情况下，在步骤106中，检查网络的中性点是否可接入。
[0111]
在肯定的情况下，在步骤108中，生成报警信号。
[0112]
图5示出了本发明示例性实施例的示意性电路。
[0113]
400v电网50并行地为两个变压器521、522供电。低压网络54具有牢固接地的中性点
系统。多个负载用附图标记56表示。变压器进线断路器cb1和cb2配备了相应的相位方向过电流保护581和582，优选是ansi 67保护。
[0114]
ansi 67保护581和582被设置为对于变压器521、522和cb2进线断路器cb1、cb2之间的所有故障发送正向/线路方向的触发命令。常见的设置有：
[0115]-电流阈值is＝0.5*in，其中in为断路器额定电流；
[0116]-脱扣时间ts＝0.1s(或0.2s)
[0117]-如果“相角”逆时针在-90
°
和+90
°
之间，则故障方向为正向/线路，如果“相角”逆时针在+90
°
和+270
°
之间，则故障方向为反向/母线，其中“相角”是指电流ia和mta之间的角度β，如图2所示。
[0118]
已经进行了考虑到网络中各个点的故障的验证测试。已经考虑了具有变化阻抗和不平衡负载水平的所有故障类型(相对地、相对中性点、相对相)。
[0119]
根据本发明的方法的性能已经通过分析第一变压器521处的两个故障实例进行了评估。已经验证，第一变压器进线断路器cb1触发，而第二变压器进线断路器cb2不触发。
[0120]
图6示出了在上面公开的第一变压器521处的两个故障示例期间，图5的电路的电流幅度、相角、输入信号67a、67b、67c和比率信号ma、mb、mc的图。
[0121]
例如，在单相接地故障的情况下，如图6所示，第一ansi 67保护581检测到a相(图6(c)中值为1的67a)中的故障，因为其电流幅度200超过阈值并且相角202进入正向。图6(d)中ma信号等于1确认a相是故障相，因此第一变压器进线断路器cb1可以触发。电流阈值以xin给出，图6的各图上的纵轴以pu(每单位)表示，其中in＝1pu。
[0122]
相反，第二变压器进线断路器cb2没有触发，因为第二ansi 67保护582没有检测到a相中的任何故障(图6(g)中值为0的67a)。事实上，a相具有高电流幅度204，但是相角206不在正向。因此，第二变压器进线断路器cb2没有触发。
[0123]
图7示出了在第一变压器处的两相故障期间，图5的电路的电流、相位、输入信号和比率信号的图。
[0124]
在该示例中，第一ansi 67保护581利用“三选二”规则检测到a相和b相(图7(c)中值为1的67a和67b)中的故障，因为它们的电流幅度300超过阈值并且相角302进入正向。图7(d)中等于1的ma和mb信号确认a相和b相是故障相，因此第一变压器进线断路器cb1可以触发。
[0125]
第二ansi 67保护582检测正向方向上的c相中的故障(图7(g)中值为1的67c)。
[0126]
如果触发决策仅基于电流阈值和方向检测，则第二变压器进线断路器cb2将意外触发。这将导致两个变压器521、522的断开以及设施的停电。
[0127]
根据本发明的方法，图7(h)中等于0的mc信号表示在c相没有故障，因此避免了第二变压器进线断路器cb2的错误触发。
[0128]
显然，而不脱离由所附权利要求限定的本发明的保护范围的情况下，本发明的原理保持不变，实施例和生产细节可以与仅通过非限制性示例描述和说明的内容有很大不同。