用于识别在三相电网中的接地故障方向的方法和装置

摘要

本发明涉及一种用于确定在以补偿或隔离方式运行的三相电网中的接地故障和接地故障方向的方法，其中，测量零电压和零电流的值对，计算有功或无功能量，通过布尔关系来组合电压和电流标志，其中根据结果确定接地故障的存在，并且至少基于有功或无功能量的符号来判定：将接地故障方向通知为“向前”还是“向后”。

说明书

相关文件说明

该文件要求保护在2015年1月15日提交的申请号为15 000 988.3的欧洲专利的优先权，在此通过援引参考其全部内容。

技术领域

本发明涉及一种用于识别在以补偿方式运行或以隔离方式运行的三相电网中的接地故障方向的方法。此外，本发明对于每个所述方法分别涉及一种用于识别在三相电网中的接地故障方向的装置。

背景技术

供电商的供电电网的运行的大部分干扰通过单极故障并且特别是接地故障产生。这样的故障例如可以由于树木长到或翻倒到架空线中或者由于故障的绝缘产生。所谓的接地故障方向继电器原则上也在相互联网的电网中选择性通知涉及接地故障的漏电线(Abgang)。在此，作为测量判据应用总零电流和零序电压，由总零电流和零序电压确定接地故障方向。在接地故障方向的该瓦特计式检测中这在以隔离方式运行的电网中(具有继电器)与在以补偿方式运行的电网中(具有继电器)不同。然而，在间歇性接地故障的情况下简单的接地故障方向继电器不起作用，因为在重新点火时不可靠地识别方向。

为了中性点处理一般可以执行以下：在外导线与地之间产生导电连接的情况下，中性点处理的类型确定电网的行为。在此不重要的是，中性点是涉及变压器还是发电机。原则上区分五种类型的中性点接地(SPE)，其对电网设计方案提出完全不同的要求。

(1)刚性的中性点接地。中性点经由尽可能无阻抗的连接通过延伸的接地设备与接地电位连接。表明为有利的是在未涉及的导线上没有电压超调以及具有定向的过流保护的简单的故障定位。表明为不利的是，接地故障变为接地短路，使得通过接地短路电流产生导线的高的热负荷，以及在故障位置上可能高的接触电压。另外的缺点是接地设备的高耗费和由于关断而供电中断。

(2)隔离的中性点接地。在此，电源中性点不与地连接。表明为有利的是由容性的接地故障电流和在故障位置上较小的接触电压引起的较小耗费和线路的较小负荷。电网可以在接地故障情况下继续运行并且电弧故障可以自身熄灭。表明为不利的是在未涉及故障的导线上的电压超调了系数并且在大的电缆电网的情况下接地故障电流可能还总是非常大。方向识别还需要专门的接地故障方向继电器。

(3)低阻的中性点接地。在此，电源中性点经由限定的欧姆阻抗与接地电位连接。该变型在如下情况下应用，即当刚性的中性点接地导致不可靠的接地短路电流，但是以隔离方式运行的电网中电压超调是不可接受时。表明为有利的是对接地短路电流和出现的电压超调的限制。此外，得出具有定向的过流保护的简单的故障定位。表明为不利的是在未涉及故障的导线上的电压超调以及接地故障变为接地短路并且因此还有由接地短路电流引起的导线的热负荷。此外，在故障位置上可能提高接触电压。此外，产生接地设备的高耗费和由于关断而供电中断。

(4)短时低阻的中性点接地。在此，电源中性点在正常运行下是隔离的。为了方向检测短时地将欧姆电阻接通到中性点并且将接地故障转变为接地短路。在方向识别和涉及的范围的关断之后电网又以隔离方式运行。表明为有利的是，限制接地短路电流并且可能具有定向的过流保护的简单的故障定位。可以表明为不利的是，在未涉及故障的导线上电压超调了系数并且接地故障变为接地短路。因此产生由接地短路电流引起的导线的热负荷以及在故障位置上提高的接触电压。此外，产生接地设备的高耗费和由于关断而供电中断。

(5)补偿/灭弧的谐振中性点接地。在此，电源中性点经由可设定的电感与接地电位连接。电感或接地故障灭弧线圈的大小(根据其发明人也称为消弧线圈(Petersenspulen))预给定补偿电流。表明为有利的是尽可能小的接地故障电流和在故障位置上尽可能小的接触电压。此外，电网可以在接地故障的情况下继续运行并且电弧故障可以自身熄灭。表明为不利的是：提高的初始耗费和用于接地故障线圈的维护耗费、接地设备的高耗费以及在未涉及故障的导线上的电压超调了系数。此外是由降低的电流引起的用于接地故障方向识别的高耗费以及特别是具有间歇性接地故障的问题。

在下文中更详细地阐明在经补偿的电网中的接地故障。如果在经补偿的电网中正常的交流电压系统(图1)受到在导线1上的接地故障影响，如图2中示意地示出那样，那么发生电压三角的偏移(图3)。零序电压(中性点接地电压)在此由电压三角的中点朝接地故障的方向示出(在图3中为了更好的清晰度向量从原点出发进行表示)。适用：

正常的导线对地电压在此提高到线电压的值，该值正好等于倍值。超调的导线对地电压通过线路的漏电电阻和电容将电流引到地中，其在故障位置上的总和作为故障电流I_F回流到故障的导线中(图4)。导线电流在图5中示出而故障电流在图6中示出。在此，在图6中总电流总还是零。只有通过添加另外的漏电线，总电流才是可测量的，该总电流由其他漏电线的回流的电流组成并且称为I_E。那么可以确定，测量的总电流的大小不等于故障电流，而是仅仅通过相邻的支路限定。在此省去相应的图示。

在经补偿的电网中现在还添加在故障位置中来自消弧线圈或接地故障灭弧线圈的电流。该电流由电压驱动并且滞后电压90％；图7、8和9示出该情况。根据补偿电流的大小或多或少地补偿在故障位置上流过的充电电流。在理想的补偿情况下，仅有功剩余有功电流I_WR还保留为在故障位置中的电流。已知，在接地故障情况下通过识别或保护装置(接地故障继电器)进行如下方向识别：

为此在图10和11中示出的方向特征可通过简单的等式描述。对于正弦电路：

对于余弦电路：

角是在零序电压U_NE与接地电流I_E之间的角并且对于方向识别起决定性作用。然而利用根据现有技术的该方案不能在间歇性接地故障的情况下进行方向识别；这样的间歇性接地故障因此是一个问题。经隔离和补偿的电网可以在确定条件下在接地故障的情况下长时间继续运行。为了可以快速界定故障，应用市场上通用的接地故障方向继电器，例如像瑞士的Fa.NSE股份有限公司的DIGISAVE>NE与接地电流I_E之间的角来识别故障的方向，并且这如上所述那样，在经补偿的电网中通过所谓的余弦电路、在经隔离的电网中通过正弦电路实现。但在经补偿的电网中接地故障电流可以变得如此小，使得故障电弧瞬间又熄灭。由此，故障导线的导线电压又复现并且一旦该导线电压超过临界值，那么发生重新点燃。该过程称为间歇性接地故障。对于根据现有技术的接地故障方向识别的问题在于，在重新点燃的时刻再充电电流I_U流到两个正常的导线中。该脉冲电流具有与零序电压U_NE相反的方向。

在此涉及有功电流，因为在电容器中存储的能量必须首先由电网施加。图12示出点燃过程的矢量图。为了阐明在间歇性接地故障时的情况，在使用U_NE和I_E的情况下在图13中示出在零序系统中的功率变化过程。可看到，有功功率P_NE在每个点燃脉冲下短时改变符号。在此，无功功率Q_NE示出锯齿形的变化过程。由于有功电流总还改变符号，接地故障方向保护在没有抑制间歇性接地故障的情况下同样总还改变方向。

在下文中阐明有功能量或无功能量的计算以便确定接地故障、特别是间歇性接地故障的方向，因为本发明基于该方法。

在此如此采取措施，使得根据使用的零序系统有功能量的符号确定方向。虽然在间隙性故障的点燃过程时电流方向指向错误的接地故障方向，但仍然得出沿向前方向的平均功率，从而在使用的零序系统有功能量的符号为正时可以表明接地故障的向前方向，在符号为负时可以表明接地故障的向后方向。

零序系统有功能量如下计算：

在此应用的符号表示如下：

E₀零序系统有功能量

u₀(n)零序电压

i₀(n)零序电流

nFE在采样点的设定的积分时间窗

nx当前时间点

按照本发明，为了确定在以隔离方式运行的三相电网中的接地故障方向现在如此采取措施，使得根据交换的零序系统无功能量的符号确定方向。虽然在间歇性故障的点燃过程时电流方向指向错误的接地故障方向，但仍然得出沿向前方向的交换。从而在交换的零序系统无功能量的符号为正时可以表明接地故障的向前方向，在符号为负时可以表明接地故障的向后方向。

零序系统无功能量如下确定：

在此适用上述符号以及补充地适用以下符号：

E_b0零序系统无功能量

N每个电网周期采样点的数量(f＝50Hz＝>N＝20)

发明内容

因此本发明的任务在于，在可靠性方面进一步改善在间歇性接地故障时接地故障方向的确定。

该任务在开始所述的方法中利用分别针对以补偿方式或针对以隔离方式运行的三相电网的方法独立权利要求中的特征解决。在开始所述的装置中，该任务利用相应地针对以补偿方式或针对以隔离方式运行的三相电网的装置独立权利要求中的特征解决。

已经证实，本发明致使改善接地故障及其方向的探测的可靠性。此外，能在故障出现的准确时间点不是已知的情况下识别并定位接地故障。

方法和装置的优选设计方案在从属权利要求中限定并且根据以下描述来阐明这些优选的和另外的设计方案。

附图说明

在下文中根据附图进一步阐明现有技术和本发明的实施方案。其中：

图1示出正常的电网的矢量图；

图2示出具有接地故障的电网模型；

图3示出具有接地故障的电网的矢量图；

图4示出在没有补偿电流的情况下具有电流分配的电网模型；

图5以矢量图示出图4的导线电流；

图6以矢量图示出故障电流；

图7示出具有补偿电流的电网模型；

图8以矢量图示出图7的导线电流；

图9示出矢量图中的故障电流；

图10示出正弦电路的矢量图；

图11示出余弦电路的矢量图；

图12示出在间歇性接地故障时点燃过程的矢量图；

图13示出零序系统功率；

图14示出在仿真接地故障的情况下相关参量的时间变化过程的图表；

图15示出在图14中的仿真时在没有应用本发明的情况下相关参量的变化过程的图表；以及

图16示出在图14中的仿真时在应用本发明的情况下相关参量的变化过程的图表。

具体实施方式

在下文中进一步研究图14至16。图1至13阐明现有技术并且已经在相应的部分中讨论过。

图14示出在仿真在以补偿方式运行的三相电网中沿向前方向的接地故障的情况下相关参量的时间变化过程的图表。在图表中借助于箭头或圆圈标记变化过程的特别需要注意的一些位置。借助于附图标记a1表示由在漏电线(Abgang)中的接地故障(单极接地故障)的开始直至其结束的时间窗，这也适用于下面的图。在此在附图中示出相应信号关于时间(以秒为单位)的幅度。

在图14中的图表的上面两个部分中示出零电压U0(n)和零电流I0(n)的变化过程，其中n表示离散时间点。在零电流的情况下也考虑I0的由消弧线圈造成衰减的直流成分。

图表的第三部分示出功率P0(n)或电荷Q0(n)的变化过程。箭头b1示出，功率P0在接地故障开始时以正确的方式正向上升，然而在接着的变化过程中发生衰减的振荡(箭头c1)，其中功率P0的符号在该振荡过程期间最大对于大约10毫秒频繁为负。紧接着，功率稳定在一个小的正值。在接地故障结束之后，功率P0的值减小，然而连续改变其符号(箭头d1)。

图表的最下面部分示出有功能量E0的变化过程。能量E0的变化过程跟随功率P0的变化过程并且因此也具有短时的符号变化(箭头e1)。能量E0则也变为负的，然而如在功率P0的情况下在该示例中仅仅最大对于大约10毫秒。在大约100毫秒(箭头f1)之后能量稳定到正确的正值。在接地故障结束之后大约100毫秒，能量E0下降到非常小的值(箭头g1)。

应说明的是，在图14中示出的无功功率Q0和无功能量Eb0c的变化过程仅仅对于隔离的中性点接地是相关的。

图15示出在图14中的仿真时在没有应用本发明的情况下相关参量的变化过程的图表。在此所有值作为二进制值示出。

图表的上面两个部分示出用于零电压U0和零电流I0的指示(标志)(UO_Start、IO_Start)。根据图14，对于在接地故障结束之后大约100毫秒还存在零电压U0(圆圈A)。零电流的测量对应于功率P0(圆圈D)表明为不稳定(参见圆圈B)，这通过零电流标志的变化是可见的。

根据图14，功率P0在振荡过程期间也取负值(圆圈C)。在接地故障结束之后功率P0的符号首先以100赫兹变化，因为功率的周期持续时间为100赫兹(在图表中可见例如为0.7秒)，并且随后以50赫兹变化，由于在直流电时零电压的周期为50赫兹。

在图表的第四部分中示出能量E0的变化过程。根据图14，能量在大约100毫秒之后取负值(圆圈E)并且在接地故障结束之后跟随功率P0的变化过程(圆圈F)。

图表的第五部分示出向前方向判定(vw)。在此清楚的是，该判定在接地故障的初始范围内是不稳定的(圆圈G)。对此的原因是功率P0的符号变化，其中在图表中示出在0.2秒的范围内判定的不稳定性。第二原因是能量E0在大约0.26秒时的符号变化。此外，向前判定在接地故障结束之后由于零电流I0的回落(参见IO_Start标志)也是不稳定的(圆圈H)。

图表的第六部分示出向后方向判定(rw)。基于功率P0或能量E0的符号变化并且因为标志U0在这些时间点还存在，该方向判定在接地故障结束之后的范围内有时是错的(圆圈I)。为此的原因是在接地故障结束之后零电压和零电流的缓慢消失，其中产生对于方向确定无关的功率P0或能量E0。

本发明消除故障评估的上述不可靠性，这在图16中示出。

图16示出在图14中的仿真时在应用本发明的情况下相关参量的变化过程的图表。

图表的上面三个部分相应于电流标志或电压标志和功率P0的已经阐明的状态。图表的下面两个部分分别示出对于向前方向(vw)和向后方向(rw)的方向判定。如由此可知的是，在当前的向前接地故障的例子中也在振荡时间段中在故障开始时并且随着时间紧接在故障结束之后发生接地故障方向的正确判定。

在下文中进一步阐明本发明的方法。在此，作为例子又仅仅考虑经补偿的三相电网，因为与此有关的考虑同样适用于经隔离的电网，在经隔离的电网中考虑无功功率。

用于确定在以补偿方式运行的三相电网中的接地故障和接地故障方向的方法包括以下所述步骤。

在第一步骤a)中，连续测量零电压U0和零电流I0的值对，其中各值对分别配设于一个测量时间点。以预给定的采样率进行测量。优选在第一次测量零电流和零电压之前设定采样率并且优选为一毫秒。根据奈奎斯特-香农采样定理，在采样之前可应用低通滤波器以便避免由于较高的信号频率成分引起的失真(Artefakten)，对此在此没有进一步讨论。

在步骤a)中也对确定的值对和配设的测量时间点的存储进行组合。

在步骤b)中由此形成有功能量，使得首先分别对于每个测量时间点连续计算测量的零电压和测量的零电流的积并且紧接着进行积的求和。在此，总和由配设于最新的测量时间点的积和多个之前的积形成。就此而言应说明的是，在求和中在本文中配设于最新的测量时间点的参量总是应视为包含在内。

对于求和，由步骤b)得到的总和通过如下方式确定，使得在每次计算中将配设于最新的测量时间点的积累加为总和并且将最早的积从总和中剔除。总和由可设定的恒定数量的值对形成。换言之，宽度为nFE的恒定积分窗口向右在横坐标上移动(参见图16)。因此，对于总和最早考虑的测量时间点相应于nx–nFE，其中nx是最新的测量时间点。因此，总和在由时间点nx-nFE直至nx的时间段上形成(参见等式7)。

在步骤c)中，如果配设的零电压U0大于第一阈值，那么对于最新的测量时间点设置电压标志UO_Start为1，否则设置为0；如果配设的零电流I0大于第二阈值那么设置电流标志IO_Start为1，否则设置为0。第一和/或第二阈值优选在第一次测量零电流I0和零电压U0之前进行设定。

在步骤d)中分别对于最新的测量时间点由所述电压标志UO_Start和电流标志IO_Start形成布尔与关系。在此判定是否存在接地故障；在结果等于0的情况下不存在接地故障而在结果等于1的情况下存在接地故障。用于分析处理能量标准的初始条件然而出于以下原因隐含着不可靠性。在接地故障开始时，初始条件可以由于使用的功率对于大约5至10毫秒重复地回落(参见图15，圆圈C连同圆圈G一起看)。在接地故障结束时，接地故障仅仅在积分窗口的结束之后才完全消失并且在窗口持续时间期间趋向于具有频率50或100赫兹的周期性响应(参见图15，圆圈D连同圆圈H一起看)。

为了解决在接地故障开始时的问题，布尔与关系的结果响应延迟第一时间间隔。第一时间间隔在第一次测量零电流I0和零电压U0之前进行设定。优选地，第一时间间隔为15毫秒。由此可能的是，克服基于在振荡过程期间的符号变化带来的判定不可靠性(这已经结合图15阐明过了)，因为仅仅在第一时间间隔过后、而结果在该时间期间又没有回复到0时才接受结果1(存在接地故障)。在该时间期间又回复到0的情况下，第一时间间隔重新开始并且假定不存在接地故障，如在正常情况下等于0的结果那样。

为了解决在接地故障结束时的问题，结果释放延迟了第二时间间隔。第二时间间隔在在第一次测量零电流和零电压之前进行设定。优选地，第二时间间隔为15毫秒。类似于在响应延迟中那样由此可能的是，克服基于在接地故障结束时的符号变化带来的判定不可靠性(这已经结合图15阐明过了)，因为仅仅在第二时间间隔过后、而结果在该时间期间又没有回复到1时才接受结果0(不再存在接地故障)。在该时间期间又回复到1的情况下第二时间间隔重新开始并且假定还总是存在接地故障，如在正常情况下等于1的结果那样。

如果现在判定：可靠地判定存在接地故障，那么在步骤e)中继续执行步骤a)至d)并且检查直至最新的测量时间点计算的有功能量的符号。就此而言应说明，总是执行步骤a)至d)而不依赖于是否存在接地故障并且不依赖于是否确定了接地故障结束。检查的结果响应延迟了第三时间间隔并且释放延迟了第四时间间隔。第三时间间隔和/或第四时间间隔在第一次测量零电流和零电压之前进行设定。优选地从30毫秒至2000毫秒之间的范围中选择所述两个时间间隔，其中300毫秒的值对于经补偿的三相电网是优选的，而50毫秒的值对于经隔离的三相电网是优选的。时间间隔的长度基于出现间歇性故障的可能性。

在间歇性故障的情况下，根据在电弧熄灭之后又形成的电压，在经补偿的电网中在相继的接地故障之间出现较长的中断(例如以100毫秒的数量级)。失调(Verstimmung)越小，电压的复现则持续时间越长。

在经隔离的电网中的间歇性故障的情况下，在相继的接地故障之间的中断大多很短(例如以10毫秒的数量级)，因为电压立刻复现并且因此电弧也立刻再点燃。

因此，释放延迟地输出方向判定，如上所述根据电网例如在30至2000毫秒的范围内那样。

方向判定的第三和第四时间间隔因此优选可参数化地选择用于间歇性故障。备选地，根据设定(隔离方式/补偿方式)来选择第三和第四时间间隔。在此，根据无接地故障的中断的持续时间来选择第三和第四时间间隔。

作为最后的步骤f)至少基于有功能量的符号判定：接地故障方向在是符号为正的情况下通知为“向前”；还是在符号为负的情况下通知为“向后”。应说明的是，如果仅仅通过考虑电压向量的方向而给出不同的符号，在符号为负的情况下接地故障方向通知为“向前”和在符号为正的情况下接地故障方向通知为“向后”是等同的。

优选地，除了基于有功能量或无功能量的符号的判定之外，通过零电压和零电流的乘积在包括最新的测量时间点的电网频率周期上的积分实施对功率P0的符号的检查，其中，在有功能量或无功能量和功率P0的符号一致的情况下确认接地故障方向。这可以归因于，功率在多种情况下以大约100赫兹的频率改变方向。因此功率方向可以用于开启能量判据，例如如果功率在此期间已经改变其方向但是能量的积分还没有衰减。

优选通过在存储器中设置或不设置向前标志或向后标志来实施接地故障方向的通知。在当前的向前接地故障的例子中，基于这些标志例如可以作为对发现接地故障的反应、例如通过给功率开关的相应指令将涉及的电网部分与电网的其余部分分离。

对于实施方案表明为有利的是，在经补偿的电网中仅仅在超过有功剩余电流I_WE的最小值(第二阈值)时才进行通知，或者在经隔离的电网中仅仅在超过容性的接地故障电流I_CE的最小值(第二阈值)时才进行通知。最小值应可选择地是可设定的。优选地，值I_WE或I_CE如下由E₀或E_b0确定：

参量的逻辑关系可以如下示出，其中总是适用，即存在接地故障并且零电压大于设定值。优选地，通知作为向前标志或向后标志设置在存储器中。

对于经补偿的电网于是适用：

I_WE>设定值，E₀>0＝>设置向前标志。

I_WE>设定值，E₀<0＝>设置向后标志。

I_WE<设定值＝>不设置方向标志。

对于经隔离的电网相应地适用：

I_CE>设定值，E_b0>0＝>设置向前标志。

I_CE>设定值，E_b0<0＝>设置向后标志。

I_CE<设定值＝>不设置方向标志。

优选地，作为用于“向前”、“向后”或“无方向”的方向指示而因此设置标志，这在具有长度t_flag的存储器中、特别是在环形存储器中实现。对于每个采样时间点nx，确定方向指示并且将相应标志保存在环形存储器中。随后为保护电网而确定的接地故障方向优选存储在第二存储器中。在每个时间点，借助于所述方法通过如下方式更新存储器，即检查：是在第一存储器中或在环形存储器中的所有方向通知或方向指示是否显示相同方向。如果情况如此，那么该方向接收在第二存储器或显示存储器中，否则不改变第二存储器并且保持旧值。按照标准以“无方向”初始化第二存储器。

针对当前要保护的电网设定积分时间窗nFE，这可以通过试验或者基于基本值作为运行中的优化而实现。优选地，适合的积分时间窗的估计基于电网的分析并且特别是基于存在的接地故障记录实现。

所述方法和装置得出如下可能性，即在以隔离方式运行的电网中和在以补偿方式运行的电网中正确识别间歇性接地故障，其中，简单的接地故障方向继电器不起作用，因为在重新点燃时会错误地显示方向。而通过在零序系统中考虑有功和无功能量则能抑制该效应。

如开头所述，故障作用的时间行为强烈依赖于滤波或积分算法，从而可能输出错误的方向判定。在下文中基于上述方法描述本发明。

虽然在该文件中已经描述了本发明的优选实施方式，但是应指出，本发明不限于这些实施方式，并且更确切地说可以按其他各种各样的方式在当前以下的权利要求的范围内实施。因此，概念如“优选地”、“特别是”、“有利地”仅可与可选方案和例子相联系地理解。