CN102411116A - 用于中性点隔离的电力系统的绝缘故障的定位和识别 - Google Patents

Abstract

当检测到装备有分支电路(B)的电力系统(2)上的绝缘故障时，根据本发明的系统使得能够借助便携测量设备(300)和注入设备(200)来以简单和便宜的方式进行故障的定位和识别，该注入设备设计为放置在例如电力系统(2)的中性点上。注入设备(200)使得能够以两个不同的频率注入电流，部件(221，222)伺服控制注入使得每个频率上的rms电压(U₁₀，U₂₀)在故障定位中始终恒定。控制电压(U₁₀，U₂₀)被通信到测量设备(300)，其进一步包括用于测量以每个注入频率在分析的分支(B)中流动的电流的部件(310)、以及用于根据测量的电流(I₁，I₂)和控制值(U₁₀，U₂₀)确定阻抗的部件(320B)。

Description

用于中性点隔离的电力系统的绝缘故障的定位和识别

技术领域

本发明涉及用于包括分支电路的中性点隔离的电力分配系统的与控制关联的绝缘故障的定位和测量，其中所述控制通常由缩写为CPI的“连续绝缘控制器”按连续的方式执行。本发明更具体地涉及借助便携设备对检测的故障的阻抗的定位和确定。

背景技术

参考图1，三相变压器1向电力系统2的三条配电线提供AC电力。主电力系统2向负载(load)阻抗Z、以及各自连接到主电力系统2的三相分支B_j(j＝1→p)的几个负荷(duty)阻抗Z_j提供电力。电力系统2具有叫做“中性点隔离系统”的类型，即，变压器1的中性点N没有接地。

可能发生负载或负荷阻抗中的一个呈现出相对于地的绝缘故障4，这导致三相线路或中性点的至少一个与地之间的故障阻抗Z_d的有害存在。故障阻抗Z_d通常由包括与电容器C_d并联的电阻器R_d的额外电路来示意表示。

为了检测和测量这种类型的漏电的存在，具有串联测量电阻器R_m的连续绝缘控制器或CPI 6例如被连接在变压器中性点N与地之间。其向电力系统2注入通常低于电力系统的自然频率F₀的不同频率的AC电压U₀。当存在绝缘故障4时，向电力系统2注入电压U₀导致漏电电流I_f以注入电压U₀的频率在故障阻抗Z_d中流动，其经由地和测量电阻R_m返回CPI 6。该故障事实上可以由CPI 6的中性点端子N与地之间的漏电阻抗Z_f的存在来示意表示，而且CPI 6通常包括(参见例如FR 2 647 220)用于确定漏电电阻R_f的和电容器C_f的值的合适部件。为了简化阻抗测量，已经提出(EP 0 593 007)以两个不同的频率执行同时电流注入。

另外，对由CPI 6在中枢层面检测的故障4的定位和确定也可能重要。然而简单地测量每个分支B_j中的漏电电流可能不够，由于当存在阻性故障时，所述电流保持微弱并且可能低于在无故障电容分支中流动的电流。另外，对故障4及其R_d、C_d特征的正确知晓使得后者的校正能够被适配，而不用假定故障4本来是阻性的(如在DE 101 435 95中提出的)。在文献FR 2 676 821中提出的解决方案考虑在每个分支电路B_j上安装本地故障电流测量部件8_j并且经由合适的线路12_j向处理和计算部件10发送该值。通过根据注入信号U₀的测量的电流强度的解调或同步检测的处理使得可以确定本地漏电阻抗的值Z_d。然而，该方法的实施很繁琐，特别是由于在本地漏电电流测量和电压U₀的中枢注入之间不可避免地安装同步部件14。

为了减轻该问题，文献FR 2 917 838提出漏电电流电压U_d和强度I_d的本地化测量以在处理和计算部件10′中从中推导出阻抗Z_d。然而，该解决方案意味着本地电压分接(tapping)，且固有的风险将其限制于在已经在先前阶段中在其上安装合适的测量部件16的选择的馈电线B_p上的确定。然而要装备全部的馈电线既复杂又高成本，并且期望能够布置便携的装备以便在需要的情况下识别故障。

发明内容

除了其他优点之外，本发明的目的在于减少现有漏电故障定位系统的缺点，特别在于借助与双重频率注入关联的便携设备通过削减通信总线或本地电压分支来简化本地漏电阻抗测量的实施方式。

根据一个特征，本发明因此涉及一种方法，其中合适的部件将第一和第二频率的电流注入电力系统，测量与所述注入电流对应的电压，根据测量的电压选择控制值，并且启动合适的部件以伺服控制注入部件以使得第一和第二频率的注入电流产生等于控制值的电压。控制值被发送到阻抗计算(计算)部件。只要伺服控制被启动，通过在疑似故障的分支上以第一和第二频率测量电流、以及发送所述值到阻抗计算部件来继续该定位和识别方法。该方法因而包括对在其上测量电流的每个分支根据以第一和第二频率测量的电流值和控制值确定阻抗。

优选实施例中，在第一和第二频率的电流注入之前，已经识别出电力系统上存在故障，具体为通过第一频率的电流的注入、在注入点处对所述电流的电压和该电流自身的测量、以及借助这两个值确定漏电阻抗。

根据另一特征，本发明涉及一种适合前述方法的定位和确定装置，并且更一般地涉及一种一个这样的装置的注入设备。具体地，该注入设备包括：第一和第二注入部件，设计为分别注入第一和第二频率的第一和第二电流信号，优选为同时注入；用于测量第一和第二注入电流信号的电压的部件；以及用于在测量时间段期间选择分别低于第一和第二电压的第一和第二电压值的部件。有利地，不同的注入频率是彼此的倍数，特别地当电力系统通过单相或三相交流电供电时它们是电力系统的自然频率的约数。注入设备优选地形成连续绝缘控制器的至少一部分，该控制器还包括用于测量以第一频率在其中流动的漏电电流的部件和用于在控制器的层面确定漏电阻抗的部件。

该注入设备进一步包括用于伺服控制第一和第二注入部件的第一和第二部件，以使得第一和第二注入电流信号的电压在用于伺服控制的部件的激活时间期间等于第一和第二选择的值。该注入设备最后包括用于通信第一和第二选择的伺服控制值的部件。有利地，选择部件设计为选择两个相同的电压值并且包括用于指示该选项的部件。

根据本发明的注入设备能够有利地与便携测量设备关联以形成故障定位和确定装置。该测量设备因而包括用于测量优选为同时注入到电力系统的分支的以第一频率和第二频率流动的电流的部件，例如测量环形线圈。代表电流信号的值被发送到用于确定阻抗的部件，其进一步包括用于接收在注入设备上选择的控制值的部件，与所述设备的通信部件互补，例如无线连接。在测量设备的联合使用所需的时间(即，故障检查时间)期间激活该伺服控制部件。有利地，用于确定的部件还被设计为接收代表在测量设备的层面选择的值是相同的事实的信号。用于确定的部件被设计为根据测量的电流和通信的伺服控制值给出阻抗的值，或者如果已经接收到表示伺服控制值是相同的事实的信号则仅根据测量的电流来给出阻抗的值。

附图说明

通过下面给出的附图中表示的仅仅用于说明性和非限制性示例目的的本发明的特定实施例的描述，其他优点和特征将变得更透彻明显。

图1已经被描述，其说明根据现有技术的装备有绝缘控制器和用于本地阻抗确定的设备的电力系统；

图2示出根据本发明的优选实施例的定位和识别装置；以及

图3表示根据本发明的实施例的方法。

具体实施方式

本发明的目的更具体地关注于一旦已经检测到故障时对该故障的阻抗的定位和确定。初始检测可以如前所述利用CPI 6执行，或者利用根据本发明的注入设备执行。根据本发明，一旦已经在包括分支电路B的电力系统2(具体为三相系统)上识别出存在故障D，根据本发明，操作员启动绝缘定位和确定装置100将至少两个电流注入变压器1并且对疑似故障的每个馈电线B执行测量以更精确地定位故障D并识别其性质。具体地，借助方程组(1)，针对至少两个不同的频率，这里通过在注入层面测量的电压值U和电流I的本地测量执行故障阻抗Z_d的确定：

$\left(1\right)----\left|\begin{array}{c}{C}_d=\frac{1}{{{\mathrm{\ω}}_2}^2-{{\mathrm{\ω}}_1}^2}\·\sqrt{({{\mathrm{\ω}}_1}^2-{{\mathrm{\ω}}_2}^2)\·({Y_1}^2-{Y_2}^2)}\\ R_d=\frac{1}{{{\mathrm{\ω}}_2}^2\·{Y_1}^2-{{\mathrm{\ω}}_1}^2\·{Y_2}^2}\·\sqrt{({{\mathrm{\ω}}_2}^2\·{Y_1}^2-{Y_2}^2\·{{\mathrm{\ω}}_1}^2)\·({{\mathrm{\ω}}_2}^2-{{\mathrm{\ω}}_1}^2)}\end{array}\right.$

具有在注入频率f_i(和脉冲ω_i)的导纳

为了避开同步问题，在用于获取电流测量信号的足够时间段期间将电压幅度维持恒定。

图2中示意性示出的故障定位和识别装置100的启动在第一阶段涉及激活根据本发明的、例如安装在电力系统2的中性点N上的注入设备200。注入设备200设计用于几个频率f₁、f₂的注入，优选为同时注入。有利地，使用低于电力系统的频率F₀的并且彼此为倍数(尤其为整数倍，使得能够使用较长的时间段作为测量基础)的两个频率f₁、f₂。例如，在处于F₀＝50Hz的三相电力系统的情况下，部件211、212以两个频率f₁＝1.25Hz和f₂＝2.5Hz执行注入。注入设备200进一步包括部件221、222，设计为伺服控制以频率f₁、f₂的每个的电流注入以使得本地产生的电压是稳定的并且具有恒定的rms值U₁₀、U₂₀。

控制电压U₁₀、U₂₀的值由定位和识别装置100与通过合适的设备300在疑似故障的电路2的分支B上执行的电流I₁、I₂的测量一起结合使用。为此目的，操作员优选地具有受其支配的便携测量部件310，用于优选地同时测量表示以每个注入频率f₁、f₂在分支B中流动的电流I₁、I₂的信号。测量的信号被通信到根据本发明的装置100的用于计算阻抗的部件320，该部件还接收控制电压值U₁₀、U₂₀。用于计算的部件320和测量部件310优选地形成操作员所运送到要分析的每个电路分支B使得直接从中获得结果的相同的测量设备300的一部分。例如，测量设备300包括：装有将要置于线路B周围的环形线圈310的把手(grip)、以及与接收由环形线圈310收集的信号和外部参数U₁₀、U₂₀的读取器(read-out)330关联的处理电路板320。

为了消除不精确和简化计算，有利的是处于不同频率f₁、f₂的注入电压U₁₀、U₂₀在测量中始终彼此相同。因而计算独立于电压值U_i0并且电路板320可以包括部件320A，其仅考虑表示分支B中的电流I₁、I₂的信号和关联的频率f₁、f₂的值。具体地，320A设计用于求解方程组(2)：

$\left(2\right)----\left|\begin{array}{c}{C}_d=\frac{1}{U_0\·({{\mathrm{\ω}}_2}^2-{{\mathrm{\ω}}_1}^2)}\·\sqrt{({{\mathrm{\ω}}_1}^2-{{\mathrm{\ω}}_2}^2)\·({I_1}^2-{I_2}^2)}\\ R_d=U_0\·\frac{1}{{{\mathrm{\ω}}_2}^2\·{I_1}^2-{{\mathrm{\ω}}_1}^2\·{I_2}^2}\·\sqrt{({{\mathrm{\ω}}_2}^2\·{I_1}^2-{I_2}^2\·{{\mathrm{\ω}}_1}^2)\·({{\mathrm{\ω}}_2}^2-{{\mathrm{\ω}}_1}^2)}\end{array}\right.$

根据一选项，预定义适当的公共控制电压值U₀，并且当触发测量时，第一和第二注入部件211、212被设计为使得在测量时间期间注入电流I_fi产生该电压值，例如大约10V的rms电压U₀，作为维持伺服控制的良好裕量的充分的值。

然而，优选地检查该控制电压U₀能够达到以及注入部件211、212在故障情况下是足够有效的。例如，在电容性电力系统2的存在下，由于注入部件211、212的功率之故，电压降低并且预定电压U₀不能达到。对于具有例如电容20μF的电力系统2，典型的工业电力系统，以及具有20kΩ的电阻的串联电阻器R_m，10V rms对应于注入部件211、212的180V的峰值电压。

为此目的，注入设备200可以包括部件231、232，用于以每个注入频率f_i本地测量电压U_i，并且优选地同时测量。在足够的获取时间之后，例如，对于1.25Hz频率为800ms，与测量U_i兼容地选择控制电压U₀。可以经由将测量的电压与不同的阈值进行比较的比较部件并且选择被所述电压U_i超过的最高的阈值来执行控制值U₀的选择。替换地，部件可以将在获取时间中观察的测量电压的最小值(即，实际上，处于最高频率的最小值)识别为控制值。其他选项也是可能的。一旦已经选择控制值U₀，在测量时间期间伺服控制在两个频率f_i下的注入。注入设备200的状态的该改变可以是自动的或手动的，例如通过操作员的干预。

然而，可能发生公共控制值U₀非常低的情况，尤其在高度电容性电力系统的情况下，典型地多于一百微法，或在最高注入频率下存在低于1.6kΩ的阻抗故障时。在分支B中感应的故障电流I依赖于注入电压U₀。因而电流I_i可能不足以用于正确的测量，这在计算阻抗Z_d时增加错误的风险。该情况下，为了减少不确定性，优选地至少在比之前识别的公共值高的值上伺服控制电压U_i中的一个。用于选择控制电压的部件240由此适合于为每个频率f₁、f₂独立地在初始获取时间段上确定低于最小电压U_i的兼容的值U_i0。即使这里也可以实现与阈值的比较，但每个控制值U_i0通常对应于观察的最小电压U_i，或优选地对应于略低的值(如低30％)以便在绝缘的向下波动的情况下保持控制裕量。

一旦已经选择值U₁₀，U₂₀，伺服控制部件221、222独立地产生每个注入电流以使电压U_i恒定。该情况下，必须将在每个频率f₁、f₂下选择的值U₁₀、U₂₀通信到计算部件320B以便在确定本地故障阻抗Z_d(见公式(1))时结合该参数U_i0。通信可以是自动的，例如利用注入设备200上的无线发送器250和测量设备300的计算部件320上的互补接收器350，或者利用临时硬连线链路。另一选项是通过操作员在测量设备300上进行手动数据输入，注入设备200使得这些数据例如经由读取器被显示。一旦已经输入控制参数U₁₀、U₂₀，可以利用每个馈电线B上的测量继续进行定位和识别，只要注入设备200是激活的和伺服控制的，而无需控制系统100的两个实体200、300之间的任何其他通信介入。

应当注意，适合于其中设置两个控制值U₁₀、U₂₀的配置的计算部件320B也适合于通过在每个注入频率f₁、f₂处的公共伺服控制U₀来确定阻抗Z_d。替换地，测量设备300可以包括分别求解根据选择的伺服控制值与激励部件325关联的例如方程组(1)和(2)的两个不同的计算部件320A、320B。例如，以公共电压U₀发送的伺服控制验证信号250A激活部件320A以求解方程组(2)。默认地，必须将表示两个阈值U₁₀、U₂₀的信号通信到部件320B以求解方程组(1)。

在注入设备200上提供定位激活系统260是有利的。具体地，根据本发明的注入设备200的注入部件211之一可以用作传统的电源绝缘控制器并且与用于测量电流的部件265和用于确定故障阻抗Z_f的部件267关联，类似于传统的CPI 6。

测量设备300优选地进一步包括部件340，指示绝缘太高(例如对于在1.25Hz的150μA的注入，超过100kΩ)使得电流I_i的测量不再可靠，或甚至不可能。在测量部件的层面(level)的信号340A被发送到读取器330以指示在分支B上无法执行该测量。

因而电力系统2依据一般惯例进行控制并且根据本发明的优选实施例使得能够满足关于故障D的定位的速度的某些附加的准则以便消除所述故障而不中断对正常馈电线B的供电。具体地，该方法在图3中示意表示：

-根据本发明的注入设备200被设置为“检测”模式并且以作为电力系统频率F₀的约数的频率f₁向电力系统2注入电流信号。注入设备200进一步包括用于测量注入的电流的部件265、用于测量电压的部件221、以及用于确定故障阻抗Z_f的部件267。定期地，例如按照800ms间隔，用于确定的部件267使用同时获得的关于电流I_f1和电压U_f1的值来计算该阻抗Z_f并且将后者与阈值比较。替换地，用于确定和比较的部件267被手动激活。只要没有达到该阈值，则不认为已经检测到故障D。

-当已经检测到故障D时，警报260向操作员指示故障的发生和激活定位的可能性。

-操作员例如通过按压按钮将注入设备200设置为“定位/识别”模式。然后激活两个诸如部件211、212并且将最大强度的信号I_f1、I_f2注入到电力系统2中。

-在稳定之后，在典型地为800ms的代表性的获取时间T_acq中以每个频率f_i执行注入电压U_i的测量。

-确定获取时间期间每个电压U_i的最小值。将各最小值中的最低值(通常为最高频率处的最小值)与例如10伏特rms的最大阈值U_M比较：

●如果超过高阈值U_M，则伺服控制注入部件211、212以使得以每个频率f_i注入的电流产生等于高阈值U_M(或替换地产生等于各最小值的最低值)的电压。发送信号250A以指示在公共阈值U₀的伺服控制是可能的。

●如果没有达到高阈值U_M，则每个注入部件211、212在其最小电压(或调低一操作裕量的值)U₁₀、U₂₀上被单独伺服控制。信号250B指示伺服控制是不同的并且保持伺服控制值U₁₀，U₂₀。

-一旦建立伺服控制，操作员激活测量设备300。具体地，依赖于情况：

●如果发送公共伺服控制信号250A，则操作员激活测量设备300的合适模式并且实施用于求解方程(2)的部件320A；

●如果发送不同的伺服控制信号250B，或如果操作员没有确认公共伺服控制信号250A，则蒋两个伺服控制值U₁₀、U₂₀通信到测量设备300的用于求解方程(1)的部件320B，例如通过手动输入它们或通过与注入设备200建立通信，硬连接或非硬连接。

-然后操作员对疑似故障的每个馈电线B执行本地阻抗确定。具体地，蒋测量设备300的环形线圈310置于馈电线B的周围，并且以每个注入频率f_i测量电流I_i。

●如果一频率下的电流低于最小阈值I_m，例如150μA，则发送信号340A指示对该分支的测量不可能。

●如果不是，则计算部件320给出R_d和C_d的对应的值

-当故障D被定位和识别时，将控制装置100复位到其初始待机或停止位置。

在某些情况下，例如，如果电力系统配置预示每个分支B的长的分析时间和/或如果电力系统2的绝缘定期波动，则明智的是在在根据本发明的装置100的测量设备300与注入设备200之间拥有例如通过射频的无线链路用于定期更新伺服控制值U₁₀、U₂₀。

根据本发明的其他实施例可以提供在两个频率下电流的交替注入以及电压测量部件和本地电流测量的适当修改。还可以提供在第三频率(具体为先前两个频率的倍数)下注入电流，以便在例如由于作为注入频率之一的相同频率的干扰造成扰动的情况下调节和检查该结果。

借助根据本发明的装置和方法，因而可以定位和区分真实故障，其包括在故障D不是突发短路时是非常电容性的电力系统2的分支B的存在(即，具有包括在几十和几百欧姆之间的电阻R_f的故障)。该定位通过识别完成，而在同时维持在有限的成本范围内。事实上不存在故障定位器的任何集成安装并且测量设备300可以是单个单元。由于它是便携的，它不要求电力系统2上的任何特定连接并且可以无危险地使用。另外，由于确定中仅使用信号的rms值，同步解调不是必需的，这极大减轻计算部件320的负担。

虽然已经参考其中在系统的中性点N上连接了连续绝缘控制器和定位识别装置100的三相电力系统2描述本发明，但是本发明不限于此。提出的解决方案可以应用于不同的电源，例如具有50Hz以外的频率或单相，或电力发电机的备用发电机组或逆变器类型或DC电压源，和/或注入设备能够在电力系统的相上注入其信号和/或注入能够持续用于纯粹AC电力系统。

Claims (10)

1.一种注入设备(200)，用于向中性点隔离的电力系统(2)注入交流信号，包括：

-第一注入部件(211)，设计为注入第一频率(f₁)的第一电流信号；

-第二注入部件(212)，设计为注入第二频率(f₂)的第二电流信号；

-用于测量第一频率(f₁)的第一注入电流信号的电压(U₁)和第二频率(f₂)的第二注入电流信号的电压(U₂)的部件(230)；

-用于在测量时间段期间选择分别低于第一电流信号的测量电压(U₁)和第二电流信号的测量电压(U₂)的第一值(U₁₀)和第二值(U₂₀)的部件(240)；

-用于通信第一值和第二值(U₁₀，U₂₀)的部件(250)；

-第一部件(221)，用于伺服控制第一注入部件(211)以使得第一注入电流信号的电压在用于伺服控制的第一部件(221)的激活时间期间等于第一值(U₁₀)；以及

-第二部件(222)，用于伺服控制第二注入部件(212)以使得第二注入电流信号的电压在用于伺服控制的第二部件(222)的激活时间期间等于第二值(U₂₀)。

2.根据权利要求1所述的注入设备，进一步包括用于测量第一注入电流信号的强度(I_f)的部件(265)和用于根据第一注入电流信号的电压(U_f)和强度(I_f)确定阻抗(Z_f)的部件(267)。

3.根据权利要求1或2所述的注入设备，其中用于选择第一值和第二值(U₁₀，U₂₀)的部件(240)被设计为选择相同的值，并且进一步包括用于指示已经选择相同的值的部件(250A)。

4.一种用于绝缘故障的定位和确定的装置(100)，包括根据前述权利要求之一所述的注入设备(200)和电流测量设备(300)，所述测量设备(300)包括：用于测量以第一频率(f₁)和以第二频率(f₂)测量电流的部件(310)、用于接收代表第一值和第二值(U₁₀，U₂₀)的信号的部件(350)、以及用于根据测量的电流和接收的值(U₁₀，U₂₀)确定阻抗(Z_d)的部件(320B)。

5.根据权利要求4所述的用于定位和确定的装置，其中用于接收代表值(U₁₀，U₂₀)的信号的部件(350)与装置(100)的注入设备(200)的用于通信所述值(U₁₀，U₂₀)的部件(250)互补以使得信号被直接发送。

6.一种用于定位和确定的装置(100)，包括根据权利要求3所述的注入设备(200)和电流测量设备(300)，所述测量设备(300)包括：用于测量以第一频率(f₁)和以第二频率(f₂)测量电流的部件(310)、用于接收指示已经选择相同的值的事实的信号的部件(325)、以及用于当已经接收到所述指示信号时根据测量的电流确定阻抗(Z_d)的部件(320A)。

7.根据权利要求6所述的用于定位和确定的装置，进一步包括：用于接收代表第一值和第二值(U₁₀，U₂₀)的信号的部件(350)，以及用于当没有接收到所述指示信号时根据测量的电流和接收的值(U₁₀，U₂₀)确定阻抗(Z_d)的部件(320B)。

8.根据权利要求4到7其中一个所述的用于定位和确定的装置，其中该测量设备(300)是便携的，电流测量部件(310)包括检测环形线圈。

9.一种用于中性点隔离(2)的三相电力系统的分支(B)上的故障(D)的定位和确定的方法，该系统包括使用根据权利要求4到8之一所述的装置，所述方法包括：

-激活第一和第二注入部件(211，212)；

-选择第一和第二伺服控制值(U₁₀，U₂₀)；

-激活第一和第二注入部件(211，212)的第一和第二伺服控制部件(221、222)；

-从注入设备(200)向测量设备(300)通信第一和第二伺服控制值(U₁₀，U₂₀)；

-在电力系统的分支(B)上安装测量设备(300)；

-通过测量部件(310)测量以第一和第二频率(f₁，f₂)测量电流；

-通过所述设备确定阻抗(Z_d)。

10.一种用于中性点隔离(2)的三相电力系统上的故障(D)的定位和确定的方法，包括根据权利要求9所述的方法，其中在电力系统(2)的不同的分支(B)上重复安装测量设备(300)、测量电流(I₁，I₂)以及确定阻抗(Z_d)的步骤。

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