专利名称：接地故障保护设备和方法
技术领域：
本发明涉及用于三相电开关装置的接地保护设备，其包括电流测量输入端、处理 单元、和故障检测输出端，所述处理单元包括-信号分析部件，提供关于每个电流相的代表基础电流频率的信号和代表第二电 流谐波的信号，和_第二谐波抑制部件，用于在达到第二谐波容量时禁止接地故障检测。本发明还涉及用于三相电开关装置的接地保护方法，包括-确定代表残余电流的信号，-使用该代表残余电流的信号处理接地保护，-确定关于每个相的基频分量和第二谐波分量，-当达到第二谐波容量时抑制第二谐波以禁止接地故障检测。
背景技术：
在已知的接地保护设备中，通过计算由电流传感器提供的信号的和来确定残余电 流Ir的值。在ANSI标准中，这样的接地保护被编订为50N/51N。图1中，电流传感器1A、 1B、1C测量主导体2中流过的电流。传感器提供代表电流的信号到处理电路，在测量通道 中该处理电路具体包括反失真滤波器3、采样和保持级4、以及模拟到数字转换器5。数字 化电流信号Il(k)、I2(k)和I3(k)被提供给处理模块，其包括对于每个相的基频分量检测 器6和第二谐波检测器7。检测器6和7优选地在前面加有滤波器8。因此，对于图2中由 Ix (k)表示的每个数字化信号Il (k)、12 (k)和13 (k)，处理模块提供基频分量的值Ixhl和 第二谐波的值Ixh2。可是，当电流传感器工作于它们曲线的非线性部分时，当电流信号Ir重组 (reconstitute)时可能出现虚假(false)残余电流。尤其当实现连接以供应变压器时出现 这种情况。重建的信号Ir中虚假残余电流的存在易于使得接地保护错乱地跳闸。为了阻 止这种类型的跳闸，公知地使用第二谐波抑制。这样的对第二谐波的抑制也易于禁止对尤其或当间歇故障发生或者在实现对变 压器的连接时的预建立的故障下呈现第二谐波的真实故障的保护。
发明内容
本发明的目的是提供使得能够改进操作和增强保护概率的接地保护设备和方法。根据本发明的一种接地保护设备包括第一部件，用于检测包含比第一高门限高的 单独第二谐波容量的单相电流用于激活接地故障检测和/或用于禁止第二谐波抑制部件 的动作。在优选实施例中，所述用于检测单相电流的第一部件当在任何一个相上代表第二 谐波的第一信号与代表基频分量的第一信号之间的第一比率高于预定的高门限时检测到单相故障电流。优选地，所述用于检测单相电流的第一部件当在其他相上代表第二谐波的第二信 号与代表基频分量的第二信号之间的比率低于预定的低门限时检测到单相故障电流。有利地，所述代表第二谐波的第一信号和/或代表第二谐波的第二信号是所述对 应的电流信号的第二谐波的模数的绝对值，和/或所述代表基频分量的第一信号和/或代 表基频分量的第二信号是所述对应的电流信号的基频分量的模数的绝对值。有利地，所述代表第二谐波的第一信号和/或代表第二谐波的第二信号是所述对 应的电流信号的第二谐波的模数的平方绝对值，和/或所述代表基频分量的第一信号和/ 或代表基频分量的第二信号是所述对应的电流信号的基频分量的模数的平方绝对值。优选地，所述高门限大约为标准化值时的20%或者平方值时的0. 04，和/或所述 低门限大约为标准化值时的10%或者平方值时的0. 01。在特定实施例中，该设备包括第二部件，用于检测包含比全局门限高的全局第二 谐波容量的单相电流以激活第二谐波抑制部件的动作，所述用于检测的第二部件通过计算 全部第二谐波分量的模数的平方绝对值的和与全部基频分量的模数的平方绝对值的和之 间的比率来确定全局第二谐波容量与基频分量的比，将所述比率与所述全局门限作比较来 禁止接地保护。根据本发明的一种用于三相电开关装置的接地保护方法，包括-确定代表残余电流的信号，-使用该代表残余电流的信号处理接地保护，-确定关于每个相的基频分量和第二谐波分量，以及-当达到第二谐波容量时抑制第二谐波以禁止接地故障检测，其包括对包含比第一高门限高的单独第二谐波容量的单相电流的第一检测，用于 激活接地故障检测和/或用于禁止第二谐波抑制动作。在优选实施例中，所述第一单相电流检测当在任何一个相上代表第二谐波的第一 信号与代表基频分量的第一信号之间的第一比率高于预定的高门限时检测到单相故障电 流。优选地，所述第一单相电流检测当进一步在其他相上代表第二谐波的第二信号与 代表基频分量的第二信号之间的比率低于预定的低门限时检测到单相故障电流。有利地，所述代表第二谐波的第一信号和/或代表第二谐波的第二信号是所述对 应的电流信号的第二谐波的模数的绝对值，和/或所述代表基频分量的第一信号和/或代 表基频分量的第二信号是所述对应的电流信号的基频分量的模数的绝对值。有利地，所述代表第二谐波的第一信号和/或代表第二谐波的第二信号是所述对 应的电流信号的第二谐波的模数的平方绝对值，和/或所述代表基频分量的第一信号和/ 或代表基频分量的第二信号是所述对应的电流信号的基频分量的模数的平方绝对值。在特定实施例中，该方法包括第二单相电流检测，用于检测包含比全局门限高的 全局第二谐波容量的单相电流以激活第二谐波抑制，所述第二检测通过计算全部第二谐波 分量的模数的平方绝对值的和与全部基频分量的模数的平方绝对值的和之间的比率来确 定全局第二谐波容量与基频分量的比，将所述比率与所述全局门限作比较来禁止接地保 护。
通过本发明的具体实施例的以下描述，本发明的其它优点和特征将变得更加清楚 明了，其中实施例仅作为非限制性示例给出并且在附图中表示出来，其中图1和2表示电保护装置的电流信号的预处理的已知框图；图3A和3B说明将要由根据本发明的设备和方法检测的信号的示例；图4表示根据本发明的第一实施例的设备的框图；图5表示根据本发明的第二实施例的设备的框图；和图6表示根据本发明的实施例的方法的流程图。
具体实施例方式在接地保护设备中，通常通过计算代表变压器电流的信号的和来计算代表残余电 流Ir的信号。在一些情况中，该和能够限定为相信号Ilhl、I2hl、I3hl的基频分量的矢量 的和，例如如下的形式
(1)当传感器未工作于它们曲线的线性部分时，虚假残余电流信号增加Ir的值。该现 象通过高第二谐波容量的存在而被检测到。在这种情况下，变得有必要禁止接地保护以防 止烦人的跳间。该禁止被叫做第二谐波抑制。这样的抑制不提供对自然地具有第二谐波容 量的故障的保护。在根据本发明的设备中，特定检测部件对于特定的识别的情况，尤其在间 歇单相故障的特定检测中，使得能够移除对第二谐波的抑制并使能接地保护跳闸。图3B示出间歇单相故障信号Ir。与图3A表示的电压曲线9的最大电压接近，发 生电弧故障10。这一类型的故障在相应电流信号上产生第二谐波。图4示出根据本发明的实施例的用于三相电开关装置的接地故障保护设备的框 图。其包括连接到电流传感器1的电流测量输入端I、处理单元12和故障检测输出端D。处 理单元包括模块13，用于确定代表残余电流的信号Ir ；信号分析模块14、15，分别为每个 电流相提供代表基础电流频率Hl的信号Hill、H1I2和H1I3及代表第二电流谐波H2的信 号H2I1、H2I2和H2I3。当存在第二谐波容量时第二谐波抑制模块16在接地保护禁止模块 20上禁止故障检测。在本发明的该实施例中，该设备包括单相故障电流检测模块17，包括比第一高门 限要高的单独第二谐波容量以禁止第二谐波抑制模块16的动作。当检测到比预定第一高 门限SH要高的单独第二谐波容量TH2时将禁止撤销。当在任何一个相上代表第二谐波的分别为H2I1、H2I2或H2I3的第一信号与代表 基频的分别为H1I1、H1I2或H1I3的第一信号之间的第一比率高于预定的高门限SH时，单 相故障电流检测模块17检测到单相故障。该门限SH可以为大约20%或当使用平方值时为 0. 04。为了增加检测的精度，当在其他相上代表第二谐波的分别为H2I1、H2I2或H2I3的 第二信号与代表基频的分别为Hill、H1I2或H1I3的第二信号之间的比率低于预定的低门 限SB时，单相故障电流检测模块17也检测到单相故障电流。该门限SB可以为大约10%或 当使用平方值时为0.01。
模块17特别用于电弧故障的检测。有利地，所述代表第二谐波的第一信号和/或代表第二谐波的第二信号是所述对 应的电流信号的第二谐波的模数的绝对值，和/或所述代表基频的第一信号和/或代表基 频的第二信号是所述对应的电流信号的基频分量的模数的绝对值。例如， 该情况下，高门限SH是大约20%而低门限是大约10%。优选地，所述代表第二谐波的第一信号和/或代表第二谐波的第二 应的电流信号的第二谐波的模数的平方绝对值，和/或所述代表基频的第-表基频的第二信号是所述对应的电流信号的基频分量的模数的平方绝对值。
.信号是所述对 信号和/或代例如，Γ1 = 该情况下，高门限SH是大约0. 04而低门限是大约0. 01。图4的模块17包括单独的检测器17A、17B和17C，用于当单个容量H2/H1超过 高门限SH、其他容量优选地小于低门限时检测到单相故障。该操作可以与异或运算同化 (assimilate)以提供第二谐波抑制撤销信号Si。图4的设备还包括模块18，用于全局单相第二谐波检测。设备18在全局容量TG 超过全局门限SG时提供第二谐波抑制激活信号S2。该容量可以由每个相的第二谐波的模 数的和与每个相的基频分量的模数的和之间的比率来表示。优选地在标准化值时全局容量 门限TG是第二谐波容量的大约17%。也可以通过计算全部第二谐波分量H2的模数的平方绝对值的和与全部基频分量 的模数的平方绝对值的和之间的比率来确定全局第二谐波容量TG与基频的比，将所述比 率与所述全局门限作比较来禁止接地保护。
(4)
模块18A从三个传感器ΙΑ、1B、 谐波容量。该图中模块18A使该情况下。全局门限SG对于平方值是大约0.03。图5表示根据本发明的第二实施例的设备的框图， IC接收电流值11、12、13并且相对于基频分量确定全局第二 用平方的模数的和如公式4确定全局容量TG。模块17A被分解为几个组件从而通过示例说明这样的模块的操作。其包括模块 21，计算代表电流Il的信号的第二谐波分量与基频分量之间的比率并且将该比率与高门 限SH比较；模块22和23，分别对电流12和13执行相同的操作；模块24，计算代表电流Il 的信号的第二谐波分量与基频分量之间的比率并且将该比率与低门限SB比较；以及模块 25和26，分别对电流12和13执行相同的操作。门电路28仅在与电流Il对应的第一相上 执行关于第二谐波容量的单相故障的监视。因此，如果模块21检测到高门限SH超出并且 模块26和27检测到比低门限SB低的第二谐波容量，则检测到单相故障。高门限SH和低门限SB的使用有利地使得能够做出高效的单相故障检测辨别。在这种情况下，拒绝高和低 门限之间的中间值以便不激活第二谐波抑制使能。因此，其中单独高门限超出和两个容量 低于低门限的情形使能第二谐波抑制被禁止。门电路29和30如门电路28 —样的方式操 作，仅分别用于第二相和第三相上的关于第二谐波容量的单相故障检测。门电路31将门电 路28、29和30的三组判决组合，而门电路32将关于间歇故障的第二谐波抑制禁止信号Sl 与第二谐波抑制使能信号S2组合。图6示出根据本发明的实施例的用于三相电开关装置的接地故障保护方法的流 程图。在步骤41中，为每个相确定基频分量HI。在步骤42中，为每个相确定第二谐波分量 H2。在步骤43中，确定将在接地保护处理中使用的残余电流信号Ir。步骤44测试全局第二谐波容量与基频的比是否超过预定义的全局门限。如果已 超过该门限，则在步骤45中激活第二谐波抑制以禁止接地故障检测。步骤46测试任何一 个相上包含比高门限高的第二谐波容量的单相故障的存在。在步骤47中对包含比第一高 门限高的单独第二谐波容量的单相故障电流的检测由此禁止第二谐波抑制。上述的关于以上设备的相同操作模式能够适用于该方法。上述的设备和方法适用于三相保护继电器。它们有利地用于中压电力系统，但是 也用于低压或高压电力系统。对以上设备描述的模块是描述性的示例，其可以是用于微处理器或微控制器的数 字、模拟和/或编程电路的形式。
权利要求
一种用于三相电开关装置的接地保护设备，包括电流测量输入端(I)、处理单元(12)和故障检测输出端(D)，所述处理单元包括 信号分析部件(6，7)，为每个电流相提供代表基础电流频率的信号(H1、Ixh1、I1h1 I2h1 I3h1)和代表第二电流谐波的信号(H2、Ixh2)，以及 第二谐波抑制部件(20)，用于当第二谐波容量达到时禁止接地故障检测，其特征在于，该设备包括第一部件(17、17A、17B、17C、170、21 31)，用于检测包含比第一高门限(SH)高的单独第二谐波容量(TH2)的单相电流用于激活接地故障检测和/或用于禁止第二谐波抑制部件的动作。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述用于检测单相电流的第一部件(17、 17A、17B、17C、170、21-31)当在任何一个相上代表第二谐波的第一信号(H2、H2I1、H2I2、 H2I3)与代表基频分量的第一信号(HI、HlIU H1I2、H1I3)之间的第一比率(TH2、Tl、T2、 T3)高于预定的高门限(SH)时检测到单相故障电流。
3.如权利要求2所述的设备，其特征在于，所述用于检测单相电流的第一部件当在其 他相上代表第二谐波的第二信号(H2、H2I1、H2I2、H2I3)与代表基频分量的第二信号(HI、 H1I1、H1I2、H1I3)之间的比率(TH2、Tl、T2、T3)低于预定的低门限(SB)时检测到单相故 障电流。
4.如权利要求2或3中的一个所述的设备，其特征在于，所述代表第二谐波的第一信号 (H2、H2I1、H2I2、H2I3)和/或代表第二谐波的第二信号(H2、H2I1、H2I2、H2I3)是所述对应 的电流信号的第二谐波的模数的绝对值，和/或所述代表基频分量的第一信号(HI、HlIU H1I2、H1I3)和/或代表基频分量的第二信号(H1、H1I1、H1I2、H1I3)是所述对应的电流信 号的基频分量的模数的绝对值。
5.如权利要求2或3中的一个所述的设备，其特征在于，所述代表第二谐波的第一信号 (H2、H2I1、H2I2、H2I3)和/或代表第二谐波的第二信号(H2、H2I1、H2I2、H2I3)是所述对 应的电流信号的第二谐波的模数的平方绝对值，和/或所述代表基频分量的第一信号(HI、 HlIU H1I2、H1I3)和/或代表基频分量的第二信号(HI、HlIU H1I2、H1I3)是所述对应的 电流信号的基频分量的模数的平方绝对值。
6.如权利要求2到5中的任何一个所述的设备，其特征在于，所述高门限大约为标准化 值时的20%或者平方值时的0. 04，和/或所述低门限大约为标准化值时的10%或者平方值 时的0. 01。
7.如权利要求1到6中的任何一个所述的设备，其特征在于，该设备包括第二部件 (18、180)，用于检测包含比全局门限(SG)高的全局第二谐波容量(TG)的单相电流用于激 活第二谐波抑制部件的动作，所述用于检测的第二部件(18、180)通过计算全部第二谐波 分量(H2、H2I1、H2I2、H2I3)的模数的平方绝对值的和与全部基频分量(HI、HlIU H1I2、 H1I3)的模数的平方绝对值的和之间的比率(TG)来确定全局第二谐波容量(H2)与基频分 量(H2)的比，将所述比率与所述全局门限(SG)作比较来禁止接地保护。
8.一种用于三相电开关装置的接地保护方法，包括-确定(43)代表残余电流的信号(Ir)，-使用代表残余电流的信号(Ir)处理接地保护，-确定(41、42)每个相(II、12、13)的基频分量(HI、Hill、H1I2、H1I3)和第二谐波分 量(H2、H2I1、H2I2、H2I3)，-当达到第二谐波容量时抑制(44)第二谐波以禁止接地故障检测，其特征在于，其包括包含对比第一高门限(SH)高的单独第二谐波容量(TH2)的单相电 流的第一检测(46)，用于激活接地故障检测和/或用于禁止第二谐波抑制动作。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述第一单相电流检测当在任何一个相上 代表第二谐波的第一信号(H2、H2I1、H2I2、H2I3)与代表基频分量的第一信号(HI、HlIU H1I2、H1I3)之间的第一比率(TH2、T1、T2、T3)高于预定的高门限(SH)时检测到单相故障 电流。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述第一单相电流检测当进一步在其他相 上代表第二谐波的第二信号(H2、H2I1、H2I2、H2I3)与代表基频分量的第二信号(H1、H1I1、 H1I2、H1I3)之间的比率(TH2、T1、T2、T3)低于预定的低门限(SB)时检测到单相故障电流。
11.如权利要求9或10中的一个所述的设备，其特征在于，所述代表第二谐波的第一 信号(H2、H2I1、H2I2、H2I3)和/或代表第二谐波的第二信号(H2、H2I1、H2I2、H2I3)是所 述对应的电流信号的第二谐波的模数的绝对值，和/或所述代表基频分量的第一信号(HI、 HlIU H1I2、H1I3)和/或代表基频分量的第二信号(HI、HlIU H1I2、H1I3)是所述对应的 电流信号的基频分量的模数的绝对值。
12.如权利要求9或10中的一个所述的方法，其特征在于，所述代表第二谐波的第一 信号(H2、H2I1、H2I2、H2I3)和/或代表第二谐波的第二信号(H2、H2I1、H2I2、H2I3)是所 述对应的电流信号的第二谐波的模数的平方绝对值，和/或所述代表基频分量的第一信号 (H1、H1I1、H1I2、H1I3)和/或代表基频分量的第二信号(HI、Hill、H1I2、H1I3)是所述对 应的电流信号的基频分量的模数的平方绝对值。
13.如权利要求8到12中的一个所述的方法，其特征在于，该方法包括第二单相电流 检测(44、18、180)，用于对包含比全局门限(SG)高的全局第二谐波容量(TG)的单相电流的 检测，以激活第二谐波抑制，所述第二检测(44、18、180)通过计算全部第二谐波分量(H2、 H2I1、H2I2、H2I3)的模数的平方绝对值的和与全部基频分量(HI、Hill、H1I2、H1I3)的模 数的平方绝对值的和之间的比率(TG)来确定全局第二谐波容量(H2)与基频分量(H2)的 比，将所述比率与所述全局门限(SG)作比较来禁止接地保护。
全文摘要
一种用于三相电开关装置的接地故障保护设备包括处理单元(12)。该处理单元包括信号分析部件(6、7)，对于每个相，提供代表基频的信号(H1、Ixh1)和代表第二电流谐波的信号(H2、Ixh2)；以及第二谐波抑制部件(20)，用于在达到第二谐波容量时禁止接地故障检测。第一检测部件(17、17A、17B、17C、170、21-31)检测包含比第一高门限(SH)高的单独第二谐波容量(TH2)的单相电流以使能第二谐波抑制部件的动作。该方法具有单独第二谐波容量(TH2)的检测步骤用于使能所述第二谐波抑制部件的动作。
文档编号H02H7/22GK101908757SQ20101019855
公开日2010年12月8日 申请日期2010年6月4日 优先权日2009年6月5日
发明者伯纳德·德劳雷 申请人:施耐德电器工业公司