用于获得标示多相电源网中出现故障的回路的信号的方法

摘要

一种利用阻抗激励获得标示多相电源网中出现故障的回路的信号的方法,其中在对接地故障进行检查之后,利用在阻抗激励时获得的阻抗值的数值比较生成标示故障回路的信号。为了在采用此方法时非常可靠地排除掉所有尽管刚开始被激励实际上并未有故障的回路,依照本发明在测出认为有故障的回路中没有带接地故障的回路时,通过计算出的视在阻抗(U

说明书

本发明涉及一种利用阻抗激励获得标示多相电源网中出现故障的回路的信号的方法，其中

-检查是否至少有一个出现接地故障的回路在所掌握的认为有故障的回路中并且

-接着通过对在阻抗激励时获得的阻抗值的比较生成标示故障回路的信号。

对这种已知的方法在西门子-设备手册“数字支路保护”7SA511V3.0，订货号C53000-G1100-C98-1，1995，第36页中已作了说明。就此已知的方法而言，是采用与回路相关的激励方法实现阻抗激励的。其中在进行用于接地故障识别的第一个方法步骤后，当至少识别出一接地故障时对导线-接地-回路进行监督并且当没有检测出接地故障时对导线-导线-回路进行监督。当测出的相应的阻抗矢量位于对某个回路适用的激励多边形内时，则一回路被视为被激励。当多个回路同时被激励时，进行阻抗比较，其中仅那些其阻抗不大于最小的回路阻抗1.5倍的回路被划规为被激励类。

本发明的目的在于，提供一种用于获得标示多相电源网中出现故障的回路的信号的方法，其中可以非常可靠地排除掉所有尽管开始时被激励的而实际并没有故障的回路，从而由例如配属的远距离保护装置仅检查实际上有故障的回路。

本发明的目的是通过本说明书引言部分所述类型的方法来实现的。

-在测定出认为有故障的回路中没有带接地故障的回路时，通过把关于认为有故障的导线-导线-回路计算出的视在阻抗在数值和相位方面与阻抗激励时测得的阻抗进行比较的方法，确定出真正有故障的回路，

-在测定出至少有一个带接地故障的回路时，通过由认为有故障的导线-接地-回路的阻抗值形成的视在阻抗值与最小视在阻抗值的比较，识别并排除无故障的导线-接地-回路；

-为对剩余的未排除的并认为有故障的回路的阻抗值继续进行处理，根据同时确定的导线-接地-回路的数量采用设计不同的检验方法，对所确定的导线-接地-回路的数量分别分配不同的检验方法。

本发明方法的主要优点在于，为排除掉阻抗视在激励，根据不同的准则相继依次进行检查，其中在后的检查取决于在先检查的结果，从而可以有针对性地仅排除实际无故障的回路。其另一优点在于，采用本发明的方法可以相对可靠地将被误激励的而又无故障的回路剔除掉。此点应归功于对视在阻抗的应用，在计算视在阻抗时仅考虑为检测回路阻抗而采用的电流中的一个电流，在此的前提是，其它的电流具有相同的振幅并对应于所采用的电流其相位旋转180°。对视在阻抗的采用避免了采用根据对称分量原理的顺相序系统阻抗时的缺点，这是因为一个有故障的回路的顺相序系统阻抗在某些故障情况下可能会大于无故障回路的顺相序系统阻抗。有关顺相序系统阻抗的定义，请参见R.Roeper著的名为“三相电网中的短路电流”，1984年第6版一书中的48至53页。

在本发明方法中，对于把被激励的但本身并无故障的回路非常可靠地并且有针对性地排除掉，已证实比较有利的是，在所掌握的认为有故障的回路中只有一个导线-接地-回路的情况下，以如下方式进行检验，即通过把所有认为有故障的导线-导线-回路的阻抗值与预定倍数的所述导线-接地-回路的阻抗值相比较，排除掉那些其阻抗值大于预定倍数的所述导线-接地-回路的阻抗值的导线-导线-回路，并且接着通过使未被排除的导线-导线-回路和所述导线-接地-回路的阻抗值的相角相比较以及通过使这些回路的阻抗值相互比较，排除掉一个尚未被排除的导线-导线-回路或该导线-接地-回路，其中在排除导线-接地-回路时就该回路进行一附加的检查。

为获得可靠的工作结果，已证明比较有利的是在对所有所掌握的导线-导线-回路的阻抗值进行比较前检查各自的阻抗的数值是否大于预定的阈值，因此可以保证，以足够大的阻抗进行相角的确定，从而大大避免了测量错误。

为了在两个在激励时认为有故障的导线-接地-回路的情况下以同样高的可靠性识别并排除无故障的回路，采用本发明方法的一种有益的设计，在两个被确定的导线-接地-回路的情况下检查两个导线-接地-回路的阻抗间的相位差，看其是否大于预定的极限角，并且当相位差大于预定的极限角时，通过导线-接地-回路的阻抗的相位角与零位阻抗的相位角的比较将相对于零位阻抗的相位差最大的导线-接地-回路排除；通过使所掌握的导线-导线-回路的阻抗值与这两个导线-接地-回路中的最小阻抗值相比较，排除那些其阻抗值大于预定倍数的该最小阻抗值的导线-导线-回路，并且接着通过使未排除的导线-导线-回路和该导线-接地-回路的阻抗值的相位角相比较以及通过这些回路阻抗值的相互比较，排除一个尚未被排除掉的导线-导线-回路或该导线-接地-回路，其中在排除一导线-接地-回路的情况下还要对该回路进行附加检查。

在本发明方法的设计方案中，对于实现尽可能高的可靠性也已证实比较有利的是，在对相位差进行检查前检查所述两个导线-接地-回路的阻抗值是否大于预定的阈值。

不管是在唯一一个首先暂时被测定为有故障的导线-接地-回路的情况下，还是在两个首先暂时被识别为有故障的导线-接地-回路的情况下确定真正有故障的回路时，为对所掌握的导线-导线-回路的阻抗值进行比较，宜采用根据对称分量原理计算出的顺相序系统阻抗。

为了在实施本发明方法的过程中在首先一个或两个暂时被测定为有故障的导线-接地-回路的情况下能够可靠地确定，两个尚未排除掉的导线-回路中的哪一个是真正有故障的，依照本发明方法的另一有益的设计，当在进行相位角比较时得出相位角的数值大于预定的另一极限角时，则将对两个回路的阻抗数值相互进行比较；当导线-导线-回路的阻抗的数值大于导线-接地-回路时，则排除导线-导线-回路，当数值关系与上述不同时，只有当在附加的检查中导线-导线-回路的阻抗值小于该回路的根据对称分量原理计算出的顺相序系统阻抗值时，才排除该导线-接地-回路。

在本发明方法的另一补充设计中，在三个被确定为有故障的导线-接地-回路的情况下，宜通过由认为有故障的导线-回路计算出的视在阻抗在数值和相位方面与在阻抗激励时测得的阻抗相比较，测定出真正有故障的导线-接地-回路。

下面借助附图所示实施例对本发明作进一步的详细说明，附图中：

图1为实施本发明方法的布置线路方框图；

图2为本发明方法的实施例过程的流程图；

图3为在仅一个导线-接地-回路被激励时的本发明方法的实施例过程的另一流程图；

图4为在两个导线-接地-回路被激励时的本发明方法过程的附加流程图；

图5为在三个导线-接地-回路被激励时或无接地故障的、导线-导线-回路被激励时的本发明方法过程的补充流程图。

如图1所示，通过电流互感器Wi1、Wi2和Wi3将图中未示出的多相电源网的导线中的电流I_L1至I_L3输送给一个模拟/数字转换器。另外还通过一附加的电流互感器Wie将与电源网中的接地电流成比例的电流值馈送给模拟/数字转换器1。另外在模拟/数字转换器1输入端加有与图中未示出的多相电源网的导线上的电压成比例的、通过变压器W_u1至W_u3获得的电压U_L1至U_L3；通过附加的变压器W_ue由多相电源网的接地电压导出一附加电压U_E。

借助模拟/数字转换器1将由所述输入量值构成的数字值通过一数据母线2输送给一阻抗测量装置3。在该装置3后通过另一条数据母线4接有一激励装置5，利用在下面还将进一步说明的方式确定在装置3中是否形成阻抗值，该阻抗值根据与激励多边形的比较表明一故障回路。

激励装置5的输出端通过另一条数据母线6与一用于排除视在激励的装置7连接，另外通过一条附加的数据母线8将测量值输送给所述装置7，该测量值是配属于通过数据母线6通告的被激励回路。在装置7中将排除那些根据在该装置中经检查的确无故障的回路，从而通过数据母线9向选择电路10仅通告那些真正有故障的回路。在选择电路10中那些通过数据母线11输送的阻抗测量值配属于这些真正有故障的回路，从而使一个与另一数据母线12连接的在图1中未示出的远距离保护测量装置对被判定为实际有故障的回路进行测距并在必要时向一个在受监控的多相电源网中所配属的且同样未示出的断路器发出释放指令。

在图2中示出一流程图，该流程图对图1中的装置7的工作方式综合并粗线条地作了说明。一旦在激励装置5中确定，在受监视的多相电源网的至少一个回路中出现一阻抗，其数值和相位落入预定的激励多边形内时，则在第一个步骤21首先检查，是否出现接地故障。如果是此情况，则在下一个检查步骤22进行量值比较。在进行量值比较时仅将那些被激励装置5检测掌握到的导线-接地-回路的阻抗与其各自的视在阻抗Z_VLxE进行比较。

在不考虑零位电流的情况下，根据下式(1)采用在受检查的导线-接地-回路中的导体电流I_Lx求出被激励装置5检测掌握到的导线-接地-回路的各自的视在阻抗Z_VLxE： $>>>Z>VLxE>>=>>1>2>>·>>>U>>Lx>->E>>>>I>LX>>>>>式中，量值Z$_VLxE表示导线L_x和地之间的一个回路的视在阻抗，其中x为1至3；用U_Lx-E表示当时受检查的导线-接地-回路的导线与地之间的电压，同时用I_Lx表示在相应导线L_x上的导体电流。

当由激励装置5检测掌握到的导线-接地-回路的阻抗值超过一阈值时，该阈值是当时最小视在阻抗值的k倍(例如1.5倍)，然后复原相应的激励。用此方法将相应的导线-接地-回路排除掉并不再作为被激励的加以考虑。

接着根据原来由激励装置5当时同时判定为被激励的回路的数量继续对仍作为有故障的在检查程序中的回路进行复查。为此把通过数据母线6由装置5输出的信号作为判据。当由激励装置5产生这样一个激励模式，即此时仅有一个导线-接地-回路被激励时，对接着的复查采用检查路径23，而在有两个被激励的导线-接地-回路的激励模式时，则采用另外一条检查路径24；当得出同时有三个导线-接地-回路被激励的激励模式时，则采用一附加的检查路径25。

采用检查路径23时，在功能块26中检查由激励装置5通告的导线-导线-回路中的一条是否应列入真正故障类，还是那条被激励的导线-接地-回路应列入真正故障类。由图1中的装置7相应地经数据母线9向选择电路10发出一相应的信号。

在检查路径24中有一个功能块27，用此功能块在两个同时被激励的导线-接地-回路的情况下确定，能否将导线-接地-回路或导线-导线-回路作为真正被激励的来继续处理。

在检查路径25上有一个功能块28，其中总是要么在方法步骤21中对接地故障的识别表明没有接地故障的时候，要么(如上所述)在识别出三个导线-接地-回路被激励装置5同时激励的时候，对视在阻抗激励进行复查。当功能块28和27没有提出明确的结论时，也附加经过功能块28，从而经过图2所示的本发明方法过程后结束时仅那些标示被认定为真正有故障的回路的信号被加到图1中的选择电路10上。

在图3中对图2中的功能块26作了详细表示，其中采用在圆圈内的数字标示图3与图2的归属关系。从图3中示出的流程图可以看出，在步骤30中首先检查当时的那条导线-接地-回路的阻抗数值是否大于一预定的极限值，在目前情形下该极限值为250mΩ。采用此方式可以避免由于阻抗数值过小在以下对回路阻抗进行的相角测量时出现过大的测量误差。

在步骤或分路30进行上述阻抗检测后接着在另一方法步骤31中对所有其阻抗数值Z_FL-L是求出的最小导线-接地-阻抗Z_FL-E的K2倍的导线-导线-回路进行排除，其中K2例如可以是1.8。只要在接着的另一方法步骤32中确定出，仍存在的回路阻抗数值大于例如250mΩ，就要对剩余的导线-导线-回路进行相角检查。当对一个导线-导线-回路的该阈值询问未成功时，则在图3所示的功能块中对于故障不会得出明确的结论，这时将分路至图2中的功能块28。

当所述导线-导线-阻抗与所掌握的那条导线-接地-阻抗的相角如下面的方法步骤33中检查到的那样，相互偏差例如30°时，则可认为两个激励中的一个必然是视在激励。在接着的方法步骤中推断出两个回路中的哪一个这时的确有故障。当两个相角相等时，则首先可暂时认为是一个双极接地故障。为更为可靠起见，接着在一功能块34中进行另一检查。

在下面的检查中，为确定两个回路中的哪一个真正参与了故障，在步骤33后的步骤35中对回路阻抗的数值进行相互比较。当导线-导线-阻抗数值小于导线-接地-阻抗并且导线-导线-阻抗的矢量在矢量图中的第一或第三象限中时，则导线-导线-回路并未参与故障并因而可将其排除。当这些条件未满足，只有当测出的导线-导线-阻抗通过与视在阻抗的比较被划归真正故障类时，才可将该导线-接地-回路排除掉。在此情况下涉及的是对接地故障进行识别的复查功能。当排除掉导线-接地-回路时，则在图3中的功能块处理后同样要通过图2中的功能块28。当导线-导线-回路的阻抗不能被识别为真正有故障之时，则此阻抗必定是视在阻抗，将该相应的导线-导线-回路排除掉。

在接着步骤35的对导线-导线-阻抗检查或导线-导线-回路鉴定的步骤36中，其出发点是，两个实际上或被误认为是参与故障的导线的导体电流与故障电流相同。在此假定下可对一个导线-导线-回路计算出两个视在回路阻抗。在计算该视在阻抗时分别采用一个导线电流；计算根据下述公式(2)和(3)进行 $>>>Z>>V>1>,>LX>->LY>>>=>>1>2>>·>>>U>>Lx>->LY>>>>I>LX>>>->->->>(>2>)>>>>$ >>>Z>>V>2>,>LX>->LY>>>=>>1>2>>·>>>U>>Lx>->LY>>>>I>LY>>>->->->>(>3>)>>>>式中用Z$$_V1，LX-LY表示用流经第一个参与故障的导线的电流I_LX计算出的导线-导线-回路的视在阻抗并且用Z_V2，LX-LY表示用流经第二个参与故障的导线的电流I_Ly计算出的视在阻抗；公式(2)和(3)中的U_LX-LY表示回路的两根导线间的电压。当两个采用此方式计算出的视在阻抗相互偏差不太大并且这两个根据对称分量原理标准化成顺相序系统阻抗的回路阻抗不显著大于由图1中的装置3计算出的阻抗时，则肯定涉及的不是视在阻抗。当顺相序系统阻抗的数值小于例如视在阻抗的数值的0.3倍时，则可对回路阻抗不进行鉴定。由此得出，相应的导线-导线-回路未参与故障；当电阻和电抗的符号相同时，可将其排除掉。

在图4中示出图2中的功能块27的各个方法步骤。从图中可见，在第一个步骤40中首先检查，是否两个被激励的导线-接地-回路的阻抗大得足以进行相角比较。如果不是此情况，则将通过图2中的功能块28。

另外接着在另一方法步骤41中检查，是否在两个设置的导线-接地-回路出现故障时涉及的是双极接地故障。对此通过两个导线-接地-回路的相角的相互比较判定出。当相差少于30°时，则可能涉及的是双极接地短路；然后在图2的功能块28中进行进一步检查。要不然两个导线-接地-回路中的一个没有出现故障，需要从两个回路中排除掉一个。此点在考虑到零位阻抗的情况下在下述步骤42和43中判定出。

根据下式(4)计算出零位阻抗 $>>>Z>0>>=>->>>U>0>>>I>E>>>->->->>(>4>)>>>>式中Z$₀表示零序阻抗，U₀表示对地电压，I_E表示接地电流。其中仅零序阻抗的相角是重要的并且也仅将其计算出。接着在方法步骤42中产生两个导线-接地-阻抗的相角与零序阻抗的相角间的差。仅对零序阻抗的相角与导线-接地-回路阻抗Z_FL-E的相角间的最小相角φ_min进行考虑。当最小角差大于例如45°时，则不能对两个导线-接地-回路中的哪一个未参与故障得出明确的结论。之后立刻在图2的功能块28中进行检查。否则将把其阻抗角与零序阻抗的相角相差最大的导线-接地-回路在方法步骤44中排除掉。

接着将如同在图3中详细表示的那样，确切地说在方法步骤31的方框内，排除掉其它的视在激励阻抗。

在图5中详细示出的图2所示功能块28中，当装置5根本没有通报一个导线-接地-回路被激励或当认为所有三个导线-接地-回路都是有故障的时候，则总是要进行检查；另外，当在功能块26和27中不能对某实际有故障的回路作出明确的结论时，则如上述结合图3和4所做的说明，总是要通过图2中的功能块28。当在功能块26和27中已经明确识别出双极故障时，则将绕过功能块28。

首先在第一检查步骤50中检查是否由图1中的激励装置5产生的激励模式符合导线-导线-接地-故障；如果是此情况，则被判定为双极接地故障。否则在图5中的检查路径上在另一检查步骤51中利用视在阻抗判定所有尚被激励的回路，确切地说以如下方式：

排除导线-接地-回路的出发点是，有故障的导线的导体电流和零位电流与故障电流相同。在此假设下可对每个导线-接地-回路计算出两个视在回路阻抗；一方面由零位电流I_E和所属的导线-接地-电压U_LX-E计算出一个视在阻抗Z_V1，LX-E并且另一方面由导体电流I_LX和所属的导线-接地-电压U_LX-E计算出另一个视在阻抗Z_V2，LX-E： $>>>Z>>V>1>,>LX>->E>>>=>>1>2>>·>>>U>>Lx>->E>>>>I>E>>>->->->>(>5>)>>>>$ >>>Z>>V>2>,>LX>->E>>>=>>1>2>>·>>>U>>Lx>->E>>>>I>E>>>->->->>(>6>)>>>>$$

当这两个视在回路阻抗不大大高于由激励装置5计算出的(顺相序系统-)阻抗Z_LX-E(在图5中出于对位置的考虑用Z_R标示)，在此情况时肯定涉及的不是视在激励。

此比较的实施细节如下，如图5所示，对阻抗数值的比较与相角比较结合进行并且在下述公式(7)和(8)中对此作详细说明：在公式(7)和(8)中Z₀表示零序阻抗并且Z₁表示导线的顺相序系统阻抗；这些阻抗并不是由测量值形成的，而是导线的特性；1.5是一个任意预给定的系数，在图5中用p表示该系数。用公式(7)和(8)充分利用了当存在无故障的回路时用回路电流I_LX形成的阻抗矢量的数值和相位明显地与仅用相角形成的矢量有偏差的情况。与此相反，有故障的回路的矢量几乎是对准的。仅有当视在阻抗和顺相序阻抗的数值相互区别不太大时(系数1.5)，才进行相角比较。在步骤51中不进行相角检查地对作为不可鉴定的某个回路进行分析。

利用此激励鉴定方法，当在按照本发明方法工作的保护装置的安装位置方向上的不同底点处出现多起接地短路时，在原则上讲是不能明白区分出故障阻抗-和视在阻抗的。因此在另一个检查步骤52中还要采用数值比较进行视在阻抗排除。

为排除掉导线-导线-回路，在考虑到相角的情况下进行激励鉴定，其中对下述关系式(9)和(10)作了考虑：在公式(9)和(10)中用U_LX-Ly/I_LX表示当时所涉及的某导线-导线-回路的第一视在阻抗并且用U_Lx-Ly/I_Ly表示同一导线-导线-回路的另一视在阻抗；Z_Lx-Ly是当时的顺相序系统阻抗；1.2是任意预给定的系数，该系数在图5中用p表示。利用该激励鉴定，当在保护装置安装位置的方向上不同底点处出现多起故障时，原则上讲是不能实现对故障-和视在阻抗的明确的区分的。

鉴定的第一步在此也是由顺相序系统阻抗和视在阻抗的数值比较构成的。当视在阻抗与顺相序系统阻抗的数值区别特别大时(这里涉及的是系数1.2)，则不进行角检测，对相应的回路不能鉴定。

当在导线-接地-回路以及导线-导线-回路中视在阻抗与顺相序系统阻抗的数值并未有不允许的区别时，则要在顺相序系统阻抗和两个视在阻抗间进行相角比较。其中只有当阻抗大到足以充分精确的进行角确定时，才进行相角比较。在进行相角检测时要对所有回路确认，看哪儿的顺相序系统阻抗的相角与视在阻抗的相角的差小于60°。当与第一个视在阻抗的数值比较和相角检测是肯定的，则再次用第二个视在阻抗进行相同的检测。

当不能鉴定一回路的阻抗时，则该回路只有在顺相序系统阻抗位于综合平面的第二或第四象限中时才从激励模式中被排除。

当在此处有多于一个的回路被激励并且迄今尚未对双接地故障进行判定时，则在步骤52中对所有回路通过与顺相序系统阻抗的数值比较将视在激励排除。系数k如图2的步骤22中所示为1.5。由于在对激励鉴定时并不能对所有的故障种类清楚地识别出，所以必须进行附加的数值比较。

最后出于可靠起见要检查是否所有被激励的回路都被排除掉了。如果是此情况，则重新返回利用数值比较进行最后的排除。