專利名稱：小電流接地系統(tǒng)單相接地選線方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及小電流接地系統(tǒng)中高壓電網(wǎng)單相接地故障檢測裝置和低壓電網(wǎng)選擇性漏電保護裝置中的接地故障選線方法，屬于電力系統(tǒng)故障檢測和繼電保護。
二、發(fā)明背景及現(xiàn)有技術狀況目前的3～60KV高壓配電網(wǎng)及礦井380～1140V低壓供電網(wǎng)廣泛采用小電流接地系統(tǒng)即中性點不直接接地系統(tǒng)(NUGS)，包括中性點不接地系統(tǒng)(NUS)，中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)(NES)和中性點經(jīng)電阻接地系統(tǒng)(NRS)。NUGS中發(fā)生最多的故障是單相接地，而發(fā)生單相接地時，故障線路難以迅速、準確地找出，尤其是NES過補償系統(tǒng)。因此，快速而準確地檢測出單相接地的故障線路(稱接地故障選線)，一直是國內(nèi)外電力系統(tǒng)繼電保護領域的一個重要研究課題。關于這方面的詳細情況，可參閱中文核心期刊《繼電器》2001年第4期中“小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線方法綜述”一文(作者是昆明理工大學電力學院碩士研究生肖白，上海交通大學電工站出站博士后、研究電力系統(tǒng)新型繼電保護的教授束洪春)。此文全面系統(tǒng)地總結了該項技術的國內(nèi)外現(xiàn)狀，并對單相接地故障的各種選線原理作了分析與評述。該文總結了近二十種單相接地選線方法，這些方法大致可分為兩大類，即利用接地故障電流的選線方法(如零序電流基波分量法、諧波分量法、暫態(tài)分量法、有功分量法以及負序電流分量法等)和不用故障零序電流的選線法(如拉閘試探法、注入信號法等)。這些選線方法構成的單相接地故障選線裝置在使用中的準確性和可靠性還不能令人滿意。正如該文所述“到目前為止，基于上述不同選線理論已經(jīng)先后推出幾代產(chǎn)品。但在實際應用中的效果并不十分理想，所以此問題還有必要進一步研究”。
三、發(fā)明的目的一是提出一種新的“零序電流時序鑒別選線方法”，以實現(xiàn)快速而準確地檢測出單相接地故障線路，并分別通用于小電流接地系統(tǒng)的無補償、欠補償和過補償電網(wǎng)，即通用于高、低壓NUGS的NUS、NRS或NES。
二是依據(jù)所提出的選線方法，設計一個帶有“時序鑒別器”的單相接地選線模塊，以模塊為核心設計成高壓電網(wǎng)單相接地選線裝置和礦井低壓電網(wǎng)選擇性漏電保護裝置，還可應用到含有單相接地漏電選線功能部件的高低壓電器綜合繼電保護裝置中和發(fā)電廠、變電所綜合自動化裝置中。四、發(fā)明的技術方案本發(fā)明的技術方案是采用零序電流時序鑒別的選線方法。本方法的實施過程是1、從三相電壓母線上的電壓互感器PT開口三角側取出零序電壓信號u0，進入接地選線模塊后分成兩路，一路經(jīng)低通濾波、阻容移相、整形、光隔，形成脈寬為180度的對稱方波U0J，用以作為時序鑒別的基準信號；另一路經(jīng)低通濾波、阻容移相、鑒幅、整形、光隔，形成不對稱的方波信號U0f，作為零序電壓的比幅信號。U0J和U0f均進入時序鑒別器。
2、從該三相母線的各饋出線上的零序電流互感器CT二次側取出零序電流信號i0，經(jīng)I/U變換后進入接地選線模塊，然后經(jīng)低通濾波、鑒幅、整形、光隔，形成脈寬和相位不確定的方波。其脈寬隨著i0(正弦波)的幅值大小可在0～180度之間變化，I0方波相對U0J的相位隨著三相電網(wǎng)是無補償、欠補償和過補償?shù)某潭燃s在0～170度之間變化。各I0方波信號亦送入時序鑒別器。
3、設定單相接地故障線路I0的時序鑒別法則，法則規(guī)定I0的上升沿滯后U0J的上升沿，同時超前U0J的下降沿，即I0的上升沿必須在U0J的上升沿和下降沿之間，而I0的下降沿必須滯后U0J的下降沿約0～170度。I0和U0J的這種時序關系可以通過時序鑒別器進行判定。時序鑒別器可以是單片計算機，也可以是現(xiàn)代可編程邏輯器件CPLD或FPGA。
4、當某一饋出線路發(fā)生單相接地故障時，時序鑒別器根據(jù)設定的I0與U0J的時序關系，對接于同一母線上的各條饋出線路的I0逐一進行時序鑒別。若為非故障線路，時序鑒別器無信號輸出；若為故障線路，時序鑒別器輸出信號，通過驅(qū)動電路發(fā)出聲光報警信號。并由發(fā)光管指出故障線路(必要時還可以使斷路器跳閘)，還可以數(shù)字顯示器顯示故障線路編號。
為進一步說明本發(fā)明的時序鑒別法則，現(xiàn)結合

圖1進行說明。圖1是I0的時序鑒別圖，圖1中分a，b，c，d，e五種情況a、表示某線路I0的上升沿和下降沿分別滯后U0J的上升沿和下降沿，符合時序鑒別法則，該線路判為接地故障線路。圖a中I0與U0J的相位關系還表明，此時的電網(wǎng)為NES過補償狀態(tài)。
b、表示某線路I0上升沿和下降沿分別滯后U0J的上升沿和下降沿，符合時序鑒別法則，該線路也判為接地故障線路。圖b中I0與U0J的相位關系則表明，此時的電網(wǎng)為無補償或欠補償狀態(tài)。
c、表示某線路I0上升沿和下降沿分別超前U0J的上升沿和下降沿，完全不符合時序鑒別法則，該線路為非接地故障線路。
d、表示某線路雖然I0的上升沿滯后U0的上升沿，但I0的下降沿卻超前U0J的下降沿，也不符合時序鑒別法則，該線路為非故障線路。該圖還表明i0因幅值較小而使I0脈寬小于180度。
e、表示某線路I0的方波小于180度并且完全處于U0J的方波之外，純屬非接地故障線路。
現(xiàn)結合圖2說明時序鑒別器如何依據(jù)圖1所示的時序鑒別法則，對故障線路與非故障線路進行時序鑒別的。圖2是依據(jù)時序鑒別方法設計的一種最簡單、最初級的邏輯電路實施方案。
圖2中只畫出兩路I0的時序鑒別電路。每一路包括兩個D觸發(fā)器、一個三輸入與非門和一個RS鎖存器。U0J為時序鑒別的基準信號(180度對稱方波)，U0J信號接D觸發(fā)器的數(shù)據(jù)輸入端D。I0為各線路零序電流信號整形后的方波，其相位隨NUGS的是否為NES及是過補償還是欠補償而變化；其脈寬最大為180度，但若i0幅值小，則I0方波將小于180度，。I0信號送到各D觸發(fā)器的時鐘輸入端CL。每一路的兩個D觸發(fā)器中，上一個D觸法器鑒別I0上升沿的時序邏輯，下一個D觸法器鑒別I0下降沿的時序邏輯，只有I0上升沿和下降沿都分別滯后U0J的上升沿和下降沿，兩個D觸法器才各有鎖存信號加到三輸入與非門的兩個輸入端，該與非門的第三個輸入端的信號是u0的比幅信號U0f，只有u0(交流正弦波)幅值高于某一設定值時才有U0f(方波信號)輸送到與非門?？傊挥挟擨0上升沿和下降沿都符合時序鑒別規(guī)則，而且u0的幅值也高于設定值時，三輸入與非門才打開，有低電平信號輸出，使R-S鎖存器觸發(fā)翻轉，將該線路記為單相接地故障線路。否則，只要三個條件中有任意一個不滿足，均判為非故障線路。
時序鑒別器也可以用單片機實現(xiàn)，根據(jù)時序判別法則編制相應的應用程序，由單片機來判別是接地故障線路。時序鑒別器也可以用現(xiàn)代可編程邏輯器件實現(xiàn)。
本發(fā)明依據(jù)上述選線方法設計了以時序鑒別器為核心構成的單相接地選線模塊。圖3是單相接地模塊電路圖，圖中時序鑒別器由兩片可編程邏輯器件CPLD即VC1、VC2所構成。接地選線模塊的輸接一條零序電壓u0電路和1至8條零序電流i0電路；在模塊內(nèi)將u0電路再分為兩個支路一路由低波器、阻容移相器、整形電路和光電隔離器組成，另一路由低通濾波器、阻容移相器、幅度比較器形電路和光電隔離器組成；各路零序電流i0的電路，經(jīng)低通濾波器、整形電路、光電隔離器，再接序鑒別器的輸入端；時序鑒別器的輸出電路分兩組，一組經(jīng)驅(qū)動電路連接到連接線插座，另一組電接接連接線插座或接STD總線插頭。五、本發(fā)明的優(yōu)點1、本發(fā)明首先是針對接地選線難度最大的NES過補償電網(wǎng)構思的。采用時序鑒別選線方法，比功用的諧波分量法、負序分量法、小波分析法、模式識別法、最大△(ISin)法等簡單明了，便于(可不用計算機，也不用選頻器或濾序器)；比有功分量法省事、安全(不需在消弧線圈上加串功率電比首半波法工作可靠(沒有死區(qū))。
2、時序鑒別法不僅可以用單片機來實現(xiàn)，而且還可用CPLD來實現(xiàn)，從而大大提高了“接地故線”這種保安設備的動作快速性、可靠性和抗干擾能力。
3、時序鑒別法使故障線路的接地電流至少有0度～170度的移相范圍(動作區(qū))，從而保證了線法可通用于NUS、NRS、NES，即通用于高、低壓NUGS的無補償、欠補償和過補償任意電網(wǎng)。
4、由于時序鑒別法可以不用計算機而只用CPLD硬邏輯電路來實現(xiàn)，這就使單相接地(漏電)裝置印制板及連接線大為簡化，有利于實現(xiàn)模塊化、小型化、以至單路化，從而還有利于制成礦用型產(chǎn)品、礦用防爆型產(chǎn)品，還可制成小繼電器式產(chǎn)品。
六、本發(fā)明的應用原理與實例圖4是本發(fā)明的應用原理圖，圖中的M1、M2為單相接地選線模塊?，F(xiàn)結合圖4說明本發(fā)明的應理與實例。
由圖4可以看出，從NUGS系統(tǒng)中U、V、W三相母線上的電壓互感器PT開口三角側取出的零序U0信號進入接地選線模塊M1、M2；從同一段母線的各饋出線上的零序電流互感器CT二次側取出零流I0，依次接入選線模塊M1或M2(每個模塊至多接8路I0)。M1、M2依據(jù)設定的時序判別法則，鑒故障線路，發(fā)出信號，通過驅(qū)動電路直接發(fā)出聲光報警，以發(fā)光二極管指示并記憶故障線路(也可路器跳閘)，并數(shù)字顯示故障線路編號。如有必要，還可將信號輸給工控單片機進行數(shù)據(jù)處理、實現(xiàn)打印記錄、漢字顯示及語音報警。
權利要求
1.小電流接地系統(tǒng)單相接地選線方法，其特征是1.1從三相電壓母線上的電壓互感器PT開口三角側取出零序電壓信號u0,進入接地選線模塊后分成兩路，一路經(jīng)低通濾波、阻容移相、整形、光隔，形成脈寬為180度的對稱方波U0J，用以作為時序鑒別的基準信號；另一路經(jīng)低通濾波、阻容移相、鑒幅、整形、光隔，形成不對稱的方波信號U0f，作為零序電壓的比幅信號，U0J和U0f均進入時序鑒別器1.2從該三相母線的饋出線上的零序電流互感器CT二次側取出零序電流信號i0，經(jīng)I/U變換后進入接地選線模塊，然后經(jīng)低通濾波、鑒幅、整形、光隔，形成脈寬和相位不確定的方波；其脈寬隨著i0(正弦波)的幅值大小可在0～180度之間變化，I0方波相對U0J的相位隨著三相電網(wǎng)是無補償、欠補償和過補償?shù)某潭燃s在0～170度之間變化；各I0方波信號亦送入時序鑒別器；1.3設定單相接地故障線路I0的時序鑒別法則，規(guī)定I0的上升沿滯后U0J的上升沿，同時超前U0J的下降沿，即I0的上升沿必須在U0J的上升沿和下降沿之間，而I0的下降沿必須滯后U0J的下降沿大于0度小于180度；I0和U0J的這種時序關系通過時序鑒別器進行判定；1.4當某一饋出線路發(fā)生單相接地故障時，時序鑒別器根據(jù)設定的I0與U0J的時序關系，對接于同一母線上的各條饋出線路的I0逐一進行時序鑒別；若為非故障線路，時序鑒別器無信號輸出，若為故障線路，時序鑒別器輸出信號，通過驅(qū)動電路發(fā)出聲光報警信號，并由發(fā)光管指出故障線路，或以數(shù)字顯示器顯示故障線路編號。
2.一種實現(xiàn)權利要求1所述方法的小電流接地系統(tǒng)單相接地選線裝置，其特征是，該裝置以一片或多片“單相接地選線模塊”為核心電路，每個接地選線模塊的輸入端接一條零序電壓u0的電路和1至8條零序電流i0的電路，并且這1至8條零序電流電路和該零序電壓電路應同屬一段母線。單相接地選線模塊的塊數(shù)根據(jù)母線段數(shù)和饋出線路數(shù)的多少確定；模塊的輸出端連接到接地故障的報警與顯示電路，還可以通過工控單片機控制，連接打印機、液晶顯示器、語音報警器。
3.如權利要求2所述裝置，其特征是裝置中的單相接地選線模塊包括一個時序鑒別器，時序鑒別器的輸入端接一路零序電壓u0電路和1至8路零序電流i0電路；u0電路分為兩個支路一路由低通濾波器、阻容移相器、整形電路和光電隔離器組成，另一路由低通濾波器、阻容移相器、幅度比較器、整形電路和光電隔離器組成；各路零序電流i0的電路，由低通濾波器、整形電路、光電隔離器組成；時序鑒別器的輸出電路分兩組，一組經(jīng)驅(qū)動電路接到連接線插座，另一組電路直接接連接線插座或計算機總線。
4.如權利要求2或3所述的裝置，其特征是，接地選線模塊中的時序鑒別器是現(xiàn)代可編程邏輯器件。
5.如權利要求4所述的裝置，其特征是，接地選線模塊中的時序鑒別器是一個輸入時序鑒別程序的單片機。
全文摘要
小電流接地系統(tǒng)單相接地選線方法和裝置，其特征是從三相電網(wǎng)取出零序電壓信號和零序電流信號，這些信號經(jīng)濾波、移相、整形、光隔后形成方波；給時序鑒別器設定單相接地故障線路的時序鑒別法則(硬件或軟件)，由時序鑒別器為核心構成的接地選線模塊，根據(jù)時序鑒別法則鑒別各饋出線是否為接地故障線路。該選線方法和選線裝置工作可靠，抗干擾能力強，能快速、準確地判別出故障線路。
文檔編號H02H3/32GK1453916SQ0211027
公開日2003年11月5日 申請日期2002年4月23日 優(yōu)先權日2002年4月23日
發(fā)明者傅桂興, 付英 申請人:泰安開發(fā)區(qū)魯興測控設備研究所