输配电系统保护中的电流互感器断线检测方法

摘要

本发明提供一种输配电系统保护中的电流互感器断线检测方法，包括：通过本端的相CT测量三相电流并根据所测量的三相电流计算零序电流(Io)；通过本端的零序CT直接测量零序电流(Ior)；根据零序电流计算值(Io)与其整定值的比较结果以及零序电流测量值(Ior)与其整定值的比较结果，判断相电流互感器断线故障是否存在。

说明书

技术领域

本发明涉及输配电系统，具体涉及输配电系统保护中的电流互感器断线 检测方法。

背景技术

输配电系统保护方案中，常常采用电流互感器作为电流采样元件，提供 相应的电流信号给保护组件使用。虽然电流互感器回路断线的可能性较小， 但电流互感器一旦发生断线故障，将引起输配电系统的继电保护或自动装置 误动，从而造成电力供应中断，因此为了提高安全性以保障电力系统安全运 行，有必要对这种电感互感器的断线故障进行检测和识别。

图1示出了现有技术中用于检测CT断线故障的第一种方法。

图1的检测方式是基于零序电流和零序电压而实现的。

当电流互感器非对称性断线时，会产生不平衡电流和不会产生不平衡电 压，例如会产生零序电流而零序电压为零，因此可以利用这一特点来判别电 流互感器是否存在断线故障。

参见图1，IN是零序电流，VN是零序电压。对IN和VN的检测值分别 与其整定值比较的结果(即，IN是否大于其整定值，VN是否小于其整定值) 进行逻辑与操作，当以上两者条件同时满足时，就可以判断存在CT断线故 障。当发生CT断线故障时，一方面发出电流互感器断线闭锁命令“CTS Block”，可通过这个命令来闭锁其他依赖于电流的保护元件以免产生误动， 另一方面经过延迟时间t之后则发出电流互感器断线警报“CTSAlarm”。

图1的第一种方式的细节可参见以下文档：MiCOMALSTOMP341 InterconnectionProtectionRelayTechnicalManual.P341/ENM/F74.UK: ALSTOMT&DProtection&ControlLtd,2010。

但是，图1的第一种方式的缺点在于：输配电系统保护方案中需要电压 互感器VT来感测零序电压。但是在许多输配电系统中，因为经济原因的考 虑而没有装备电压互感器VT，故此，图1的第一种方式的应用条件存在限 制。

图2示出了现有技术中用于检测CT断线故障的第二种方法。

图2的检测方式是基于被保护的输电线两端的电流检测而实现的。当输 电线一端存在不平衡电流而对应的远程一端没有不平衡电流存在时，可以判 断CT断线故障存在。

参见图2，I是本地端不平衡电流，Ir是远程端不平衡电流。

图2上面的图示中，对I和Ir的检测值分别与其整定值比较的结果(即， I是否大于其整定值，Ir是否小于其整定值)进行逻辑与操作，当以上两者 条件同时满足时，就可以判本端电流互感器发生断线故障，因此发出本端电 流互感器断线闭锁命令“CTSBlock”，可通过这个命令来闭锁本端其他依赖 于电流的保护元件以免产生误动，经过时间延时“t”之后则发出本端电流互 感器断线警报“CTSAlarm”。图2下面的图示中，对I和Ir的检测值分别与 其整定值比较的结果(即，I是否小于其整定值，Ir是否大于其整定值)进 行逻辑与操作，当以上两者条件同时满足时，就可以判断远端电流互感器发 生断线故障，因此则发出远端电流互感器断线闭锁命令“RemoteCTS Block”，可通过这个命令闭锁远端其他依赖于电流的保护元件以免产生误 动，经过时间延时“t”之后则发出远端电流互感器断线警报“RemoteCTS Alarm”。

图2的第二种方式的细节可参见以下文档：B.Cvorovic,A.Edwards.A NovelCurrent-BasedDifferentialCTSupervisionFunction.Developmentsin PowerSystemProtection,2008.DPSP2008.IET9thInternationalConference。

但是，图2的第二种方式的缺点在于：由于其判断是基于两端电流，因 此仅能应用于能获取对端电流的差动保护系统中。

图3示出了现有技术中用于检测CT断线故障的第三种方法。

图3的检测方式是基于差动电流、相电流和负序电流的检测而实现的。

具体地，根据下面的表1进行判断。表1列出了针对导引线差动保护对 应各种系统状态下，差动电流、相电流以及负序电流的相对于各自整定值的 情况。由表1可知，通过检测到差动电流和负序电流分别大于其整定值而相 电流低于其整定值，就可以检测到发生了本端电流互感器断线，以此可区别 于其他各种系统状态。

表1

系统状态 差动电流 相电流 负序电流 正常 无 无 无 外部短路故障 无 有 有 内部短路故障 有 有 有 远端断路器跳闸 有 无 无 导引线故障 有 无 无 远端电流互感器断线 有 无 无 本端电流互感器断线 有 无 有 被保护线路断线故障 无 无 有

参见图3，Idiff是差动电流，I是相电流，并且INps是负序电流。

图3的图示中，根据表1对Idiff是否大于其整定值、I是否小于其整定 值和INps是否大于其整定值的检测结果进行综合判断，当以上三者条件同 时满足时，就可以判断本端电流互感器发生断线故障，因此发出电流互感器 断线闭锁命令“CTSBlock”，可通过这个命令来闭锁本端其他依赖于电流的 保护元件以免产生误动，经过时间延时“t”之后则发出本端电流互感器断线 警报“CTSAlarm”。图3的第三种方式的细节可参见以下文档：李德佳,吉 晓宏.发电机纵差保护CT二次断线判别原理的分析和改进.继电器,2005。

但是，图3的第三种方式的缺点在于：也是仅适用于包括例如导引线差 动保护的差动保护系统。

图4示出了现有技术中用于检测CT断线故障的第四种方法。

图4的检测方式是基于三相电流的电流值以及相位关系的检测而实现 的。例如，如果至少一相电流低于其整定值，同时其他相电流大小和相位保 持不变或变化微小，则可能发生CT故障。

参见图4，其中Ia、Ib、Ic分别是相a、b、c的电流。

图4的图示中，首先对下列情况进行检查：

Ia是否小于额定电流In的1％；

Ib是否大于In的5％且小于In的1-2倍之间的某值；

Ic是否大于In的5％且小于In的1-2倍之间的某值；以及

Ib和Ic之间的相位差是否大于110°且小于130°。

将上述情况的检测结果进行逻辑与操作，当以上的检测条件同时满足 时，就可以判断相a丢失(即相a的电流低于其整定值)。

类似地判断相b是否丢失(即相b的电流低于其整定值)、相c是否丢 失(即相c的电流低于其整定值)。

然后只要相a、b、c中至少有一相丢失，就可以判断存在CT断线故障。 当发生CT断线故障时，进行相应的故障处理，图4中最后的方框是一种延 迟-保持的时间逻辑，即将CT断线故障信号的产生延迟时间T1，并在复位 CT断线故障信号之前保持一段时间(图4中该段时间为0，即不保持)。图 4的第四种方式的细节可参见以下文档：‘Sepamserie80–Protection, meteringandcontrolfunctions–User’smanual.FR:SchneiderElectricLtd, 2011。

但是，图4的第四种方式的缺点在于：当源端和负载端的中性点连接方 式是直接接地时，无法区分是CT故障还是被保护线路断线故障。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中的上述缺点，提供一种输配电系统保护 中的电流互感器断线检测方法。

具体地，根据本发明的一方面，提供一种输配电系统保护中的电流互感 器断线检测方法，包括：通过本端的相CT测量三相电流并根据所测量的三 相电流计算零序电流；通过本端的零序CT直接测量零序电流；根据零序电 流计算值与其整定值的比较结果以及零序电流测量值与其整定值的比较结 果，判断相电流互感器断线故障是否存在。

其中如果零序电流计算值大于其整定值，零序电流测量值小于其整定 值，则判断相电流互感器断线故障存在。

其中如果负序电流计算值大于其整定值，零序电流测量值小于其整定 值，则判断相电流互感器断线故障存在。

其中如果依据三相电流测量值计算的负序电流与依据三相电流测量值 计算的正序电流的比值大于其整定值，零序电流测量值小于其整定值，则判 断相电流互感器断线故障存在。

其中如果三相电流测量值之一小于其整定值，其余两相电流测量值之一 大于其整定值，零序电流测量值小于其整定值，则判断相电流互感器断线故 障存在。

其中以电流的傅里叶值进行相关比较。

其中输配电系统的源端的中性点接地、负载端的中性点接地；或者输配 电系统的源端的中性点接地、负载端的中性点不接地；或者输配电系统的源 端的中性点不接地、负载端的中性点接地；或者输配电系统的源端的中性点 不接地、负载端的中性点不接地。

本发明的方法不需要电压互感器，且仅依赖于电流的检测。本发明的方 法不需要远端电流的检测，且仅依赖于本端的电流检测。当源端和负载端的 中性点连接方式是直接接地时，本发明的方法能够区分是CT断线故障还是 被保护线路的断线故障，因此可以应用于日益广泛的“中性点接地”系统。

附图说明

通过以下仅作为示例的并且结合附图的所写描述，对于本领域一位技术 人员来说，本发明的示例实施例将更好理解并且更明显，附图中：

图1示出了现有技术中用于检测CT断线故障的第一种方法。

图2示出了现有技术中用于检测CT断线故障的第二种方法。

图3示出了现有技术中用于检测CT断线故障的第三种方法。

图4示出了现有技术中用于检测CT断线故障的第四种方法。

图5示出了根据本发明的用于检测CT断线故障的方法。

图6示出应用了根据本发明的用于检测CT断线故障的方法的简单的高 压输电系统。

图7A-图7E示出图6的高压输电系统在CT断线故障时的各种电流的图 示。

具体实施方式

图5示出了根据本发明的用于检测CT断线故障的方法。

本发明的方法是基于至少两组电流互感器CT的检测而实现的。本发明 的方法使用零序CT和相CT来针对不同的情况实现不同的保护。其中零序 CT是用于检测三相输配电线间的残余电流的电流互感器，相CT是用于检 测相电流的电流互感器。

本发明的理论依据：当相CT中的CT出现非对称性断线故障时，通过 三相CT测量值计算的零序电流其值大于0将提示“情况不正常”，同时来 自无故障零序CT的测量零序电流的值等于0将被用于区分是CT断线故障 还是其他的系统故障。

参见图5，其中Io是根据相CT测量值计算的零序电流，Ior是零序CT 测量的零序电流。相CT和零序CT都是本端CT。因为采用电流的傅里叶 值进行比较更简洁，所以在具体实践中，Io可以是根据相CT测量值计算的 零序电流的傅里叶值，Ior可以是零序CT测量的零序电流的傅里叶值。

图5的图示中，对所计算的Io与其整定值比较的结果和所测量的Ior与 其整定值比较的结果(即，Io是否大于其整定值，Ior是否小于其整定值) 二者进行逻辑与操作，当以上两者条件同时满足时，就可以判断存在CT断 线故障。当发生CT断线故障时，一方面发出电流互感器断线闭锁命令“CTS Block”，可通过这个命令来闭锁其他依赖于电流的保护元件以免产生误动， 另一方面经过延迟时间t之后则发出电流互感器断线警报“CTSAlarm”。

对于本发明的图5的方式，图5中的“Io是否大于其整定值”的操作判 断可以替换为例如以下的故障条件之一：

(1)I2是否大于其整定值，其中I2为依据相CT测量值ia、ib和ic计 算的负序电流；

(2)比值I2/I1是否大于其整定值，其中I1和I2为依据相CT测量值 ia、ib和ic计算的正序或负序电流；

(3)ia小于其整定值，且ib或ic大于其整定值，其中ia、ib和ic是 各相电流。

(4)ib小于其整定值，且ia或ic大于其整定值，其中ia、ib和ic是 各相电流。

(5)ic小于其整定值，且ia或ib大于其整定值，其中ia、ib和ic是 各相电流。

图5所示的本发明与图1的第一种方式相比的优点在于：不需要电压互 感器，且仅依赖于电流的检测。

图5所示的本发明与图2的第二种方式相比的优点在于：不需要远端电 流的检测，且仅依赖于本端的电流检测。

图5所示的本发明与图3的第三种方式相比的优点在于：不需要远端电 流的检测，且仅依赖于本端的电流检测。

图5所示的本发明与图4的第四种方式相比的优点在于：当源端和负载 端的中性点连接方式是直接接地时，能够区分是CT断线故障还是被保护线 路的断线故障，因此可以应用于日益广泛的“中性点接地”系统。

图6示出应用了根据本发明的用于检测CT断线故障的方法的简单的高 压输电系统。

图6示出了一种源端为例如20KV、150MVA的高压输电源、负载端为 例如5MVA的小型变电站，二者相距例如10km。

图6的高压输电系统被保护线路电源端装备了一个零序CT和三个相 CT。零序CT测量三相输配电线间的零序电流ioRef。相CT用以测量相应 的相电流ia、ib、ic。

在本发明中，零序CT输出的零序电流和基于相CT的输出电流信号计 算得到的零序电流被用来判断是否存在相CT断线故障。

例如，当三相中的任何一相的CT断线时，零序CT测量的零序电流ioRef 为正常值0，并且ioRef的傅里叶值IoRef将几乎为零。故障相的相电流将掉 到零，根据相CT输出的三相电流计算出的零序电流io将不是正常值0，并 且计算出的零序电流io的傅里叶值Io将大于正常值0，参见图7所示。图 7A-图7E示出图6的高压输配电系统在CT断线故障时的各种电流的图示， 图7A-图7E示出的是相A的CT断线时的各种电流情况。相B的CT断线 和相C的CT断线情况与相A的CT断线一样，在此不赘述。

用于CTS(CT监测)的电流阈值设置应考虑避免不平衡负载的影响， 本例中设置为20A。这样，在CTS监测模块中，可以将Io>20A以及 IoRef<20A设置为继电器的动作条件。

当监测到CT断线故障时，通过监测哪一相电流低于整定值就可以检测 到故障相。

以下表2-5示出了针对不同故障相的短路故障、断线故障以及相CT断 线故障的仿真结果，充分说明了本发明的CT断线检测方法是完全可行的。 在表中，Io>表示Io大于其整定值，IoRef>表示IoRef大于其整定值，Io<表 示Io小于其整定值，IoRef<表示IoRef小于其整定值。

表2

源端的中性点接地、负载端的中性点接地

故障相 短路故障 被保护线路断线故障 相CT断线故障 仿真结果 A Io>,IoRef> Io>,IoRef> Io>,IoRef< 正确 B Io>,IoRef> Io>,IoRef> Io>,IoRef< 正确

C Io>,IoRef> Io>,IoRef> Io>,IoRef< 正确 AB Io>,IoRef> Io>,IoRef> Io>,IoRef< 正确 BC Io>,IoRef> Io>,IoRef> Io>,IoRef< 正确 CA Io>,IoRef> Io>,IoRef> Io>,IoRef< 正确 AB短路 Io<,IoRef< NA NA 正确 BC短路 Io<,IoRef< NA NA 正确 CA短路 Io<,IoRef< NA NA 正确 ABC Io<,IoRef< Io<,IoRef< Io<,IoRef< NA

表3

源端的中性点接地、负载端的中性点不接地

故障相 短路故障 被保护线路断线故障 相CT断线故障 仿真结果 A Io>,IoRef> Io<,IoRef< Io>,IoRef< 正确 B Io>,IoRef> Io<,IoRef< Io>,IoRef< 正确 C Io>,IoRef> Io<,IoRef< Io>,IoRef< 正确 AB Io>,IoRef> Io<,IoRef< Io>,IoRef< 正确 BC Io>,IoRef> Io<,IoRef< Io>,IoRef< 正确 CA Io>,IoRef> Io<,IoRef< Io>,IoRef< 正确 AB短路 Io<,IoRef< NA NA 正确 BC短路 Io<,IoRef< NA NA 正确 CA短路 Io<,IoRef< NA NA 正确 ABC Io<,IoRef< Io<,IoRef< Io<,IoRef< NA

表4

源端的中性点不接地、负载端的中性点接地

故障相 短路故障 被保护线路断线故障 相CT断线故障 仿真结果 A Io<,IoRef< Io<,IoRef< Io>,IoRef< 正确 B Io<,IoRef< Io<,IoRef< Io>,IoRef< 正确 C Io<,IoRef< Io<,IoRef< Io>,IoRef< 正确 AB Io<,IoRef< Io<,IoRef< Io>,IoRef< 正确

BC Io<,IoRef< Io<,IoRef< Io>,IoRef< 正确 CA Io<,IoRef< Io<,IoRef< Io>,IoRef< 正确 AB短路 Io<,IoRef< NA NA 正确 BC短路 Io<,IoRef< NA NA 正确 CA短路 Io<,IoRef< NA NA 正确 ABC Io<,IoRef< Io<,IoRef< Io<,IoRef< NA

表5

源端的中性点不接地、负载端的中性点不接地

故障相 短路故障 被保护线路断线故障 相CT断线故障 仿真结果 A Io<,IoRef< Io<,IoRef< Io>,IoRef< 正确 B Io<,IoRef< Io<,IoRef< Io>,IoRef< 正确 C Io<,IoRef< Io<,IoRef< Io>,IoRef< 正确 AB Io<,IoRef< Io<,IoRef< Io>,IoRef< 正确 BC Io<,IoRef< Io<,IoRef< Io>,IoRef< 正确 CA Io<,IoRef< Io<,IoRef< Io>,IoRef< 正确 AB短路 Io<,IoRef< NA NA 正确 BC短路 Io<,IoRef< NA NA 正确 CA短路 Io<,IoRef< NA NA 正确 ABC Io<,IoRef< Io<,IoRef< Io<,IoRef< NA

本领域技术人员将理解，可以对特定实施例进行其他改变和/或修改，而 不脱离如宽泛地描述的本发明的精神或范围。因此，无论从哪一点来看都要 将本实施例认为是说明性的而不是限制性的。