CN116601506B - 检测中压电路中故障的系统和方法 - Google Patents

Abstract

用于中压电路的故障检测系统(800)，包括电力配电电缆(205)、包括第一变压器和第一接地导体(603)的第一变换中心(210)、包括经过所述第一接地导体(603)连接到所述第一变压器的第一接地电阻器(RPAT1)的第一接地系统的组件，所述第一变换中心(210)被连接到所述电缆(205)的第一端，包括第二变压器和第二接地导体(603)的第二变换中心(220)、包括经过所述第二接地导体(603)连接到所述第二变压器的第二接地电阻器(RPAT2)的第二接地系统，所述第二变换中心(220)被连接到所述电缆(205)的第二端。

Description

检测中压电路中故障的系统和方法

发明目的

本发明的目的是一种用于在绝缘电力配电电缆中检测故障的方法和系统。

背景技术

目前，有用于在电力配电电缆中检测和定位故障的各种方法、设备和系统。

现有的方法、设备和系统要么涉及对中压段(section)的电力线(相位)进行连续监测，要么是产生不同性质的激励信号，在故障发生后，将其应用于电缆或其某个部件(part)，并且从该激励信号中产生可由装备(equipment)测量的效果，该效果与故障的位置有关。

一些已知的方法是指在电缆上施加电流脉冲时检测压力或声波、经过对电缆直接施加高电压产生电弧、高频波的反射等。

在基于中压段电力线(相位)连续监测的方法、设备和系统的情况下，除了监测系统本身的复杂性外，这些方法、设备和系统的主要缺点是在高电压等级工作时绝缘的复杂性，由于电力是分布在三相系统中的，这意味着监测必须在组成它的三相中的每个相上实施。这意味着中压网络监测设备的体积庞大且复杂。

在基于激励信号的生成和信号产生的效果的后续处理的方法、设备和系统的情况下，它们的缺点是需要直接接触电缆并且与供电网络断开，这阻碍了操作并延长了进行定位所需的时间。

发明内容

在电力配电系统中，通常使用在大多数情况下在地下运行的绝缘电缆，特别是在城市地区。如图1所示，这些电力配电电缆(101)是由电导体(101)构成的，电力通过该导体流动，并且由不同的层组成，这些层与主导体同轴，直到到达盖子(103)。这些电缆的其中一层是筛网或网状物(102)，它也是由导电材料制成的，被用作接地终端，也就是说，它被连接到接地系统。

可能的情况是，电缆的内部绝缘由于不同的原因而退化，并且在导体(101)和连接到地面的网状物(102)之间产生导电路径，通常是通过电弧，产生所谓的故障电流。电网保护系统负责在网络中检测到这种情况时采取行动，使网络断电，从而将产生的损害降到最低，并允许在实施网络重置之前进行相关的维修。

从网络可操作性的角度来看，从故障产生和网络失去服务的那一刻起，到服务恢复为止，所需的时间应尽可能短。这个时间由三个主要部分组成：执行维修的人员的旅行时间、故障的定位时间和故障维修时间。

根据本发明的故障检测方法和系统的主要目的是减少中压电缆的故障的定位时间，从而提高网络运营商的服务质量指数。

根据本发明的方法不同于基于连续监测电力线的方法，也不同于基于故障发生后产生激励信号的方法。特别是，根据本发明的方法是基于对流经连接变电所变压器金属结构与接地系统的接地导体的电流的连续监测。

因此，在第一方面，本发明涉及一种定位电力配电电缆故障的方法，该方法适用于中压电路，包括至少一条电力配电电缆，由第一变压器和第一接地导体组成的第一变压器中心，由第一接地电阻器组成的第一接地系统，该第一接地系统通过第一接地导体连接到第一变压器。第一变换中心与电缆的第一端相连。中压电路还包括由第二变压器和第二接地导体组成的第二变换中心，第二接地系统包括通过第二接地导体连接到第二变压器的第二接地电阻器。第二变换中心与电缆的第二端相连。

该方法包括通过监测在至少一个接地导体中的电流阈值来识别电缆中的故障，在识别故障的情况下，测量经过第一接地导体的第一电流值I_med1，获取第一电阻器的值，测量经过第二接地导体的第二电流值I_med2，获取第二电阻器的值，计算从电缆上发生故障的点到第一变换中心的相对距离d1，这样：

该方法还包括计算从发生故障的电缆点到第二变换中心的距离d2；

该方法还包括基于距离d1和d2来确定故障的位置。

该方法使用分布在作为被监测电路一部分的每个变换中心的传感器设备的比较测量值。这种方法的优点是以无人值守的方式，在没有干预的情况下实时检测和定位故障，使用紧凑的设备，不需要必要的绝缘来监测中压线路，所以其体积大大减少。

在第二方面，本发明涉及一种中压线路的故障检测系统，该系统包括几组电力配电电缆、包括第一变压器和第一接地导体的第一变换中心和包括第一接地电阻器的第一接地系统，该第一接地系统通过第一接地导体与第一变压器相连。第一变换中心与电缆的第一端相连。中压电路还包括第二变换中心，包括第二变压器和第二接地导体，第二接地系统，包括通过第二接地导体连接到第二变压器的第二接地电阻器。第二变换中心与电缆的第二端相连。故障检测系统包括一套传感器，该传感器包括无线通信装置和处理单元，其中第一传感器包括用于连接到第一接地导体的装置，并被配置为通过检测通过第一接地导体的阈值电流来检测电缆故障。在故障识别的情况下，第一传感器被配置为测量经过第一接地导体的第一电流值I_med1，获取第一电阻器的值，并将I_med1和传输到处理单元。在该系统中，第二传感器包括连接到第二接地导体的装置，并被配置为通过检测通过第二接地导体的阈值电流来检测电缆故障。在故障识别的情况下，第二传感器被配置为测量经过第二接地导体的第二电流值I_med2，获取第二电阻器的值，并将I_med2和传输到处理单元。处理单元存储指令，用于计算从电缆上发生故障的点到第一变换中心的相对距离d1，这样：

处理单元还存储指令，以计算从发生故障的电缆点到第二变换中心的距离d2，这样：

并基于距离d1和d2来确定故障的位置。

附图说明

为了补充正在进行的描述，并为了帮助更好地理解根据其实际实施的优选示例的检测中压电缆故障的方法和系统的特征，附上一组附图，作为所述描述的组成部分，其中，为了说明和非限制性的目的，表示了以下内容：

图1示出中压电缆的部件。

图2示出环形结构的中压电路。

图3示出在故障状态下环形配置的中压电路。

图4示出故障电流的电路。

图5示出故障电流的暂态行为。

图6示出根据本发明分布的传感器的示例。

图7示出根据本发明的传感器的示例。

图8示出根据本发明的故障检测系统的示例。

具体实施方式

图2表示带有多条电缆(205)的环形结构的中压电路(200)，由变电所(201)的出口供给，并有四个变换中心(210、220、230、240)作为故障检测系统的一部分。每个变换中心(210，220，230，240)都与接地系统相关联，在下图中由接地电阻器(RPAT1-4)和变压器的接地导体(603)表示，允许将变换中心(210，220，230，240)的变压器的金属元件连接到由(RPAT1-4)表示的接地系统。

具体到本发明的电路(200)的电缆(205)之一，可以看到第一变换中心(210)，它包括第一变压器和第一接地电阻器(RPAT1)作为连接到第一变换中心(210)的第一接地系统的一部分。第一变换中心(210)又与电缆(205)的第一端连接。变压器的接地导体(603)允许变换中心(210)的金属元件与电阻器(RPAT1)所代表的接地系统相连。

此外，故障检测系统还包括第二变换中心(220)，该中心包括第二变压器和第二接地电阻器(RPAT2)，作为第二接地系统的一部分，通过接地导体(603)与第二变压器相连。第二变压器中心(220)又与电缆(205)的第二端连接。

在正常运行中(无故障)，通过变压器接地导体的电流只有几毫安。然而，当故障发生时，在电缆(205)的主导体和其网状物之间产生了一条导电路径，因此，部分电力通过网状物电缆(205)走向电缆(205)的两端，其网状物与接地系统的电阻器(RPAT1，RPAT2)相连，这些电阻器与位于电缆(205)两端的两个变换中心(210，220)相连，产生了变换中心(210，220)中变压器接地导体(603)的电流值增加。在两个方向上“看见”电流的阻抗应决定流向每个方向的电流量。

每个方向的电流值应取决于故障电流值和其他参数，如网络配置、电缆长度、中立制度、故障类型、故障发生的位置和每个变换中心的接地系统的接地电阻器的值。

如图3所示，在故障状况下，将产生故障电流I_fault，它将向两个相反的方向分叉，向位于电缆两端的两个变换中心(210，220)。

电力配电电缆故障的位置的计算方法是基于图4所示的以下电气当量，其中故障电流I_fault被分为2个电流I₁和I₂。反过来，这两个电流又分别被分为两个部分，因此：

I1＝Imed1+IC1；

I2＝Imed2+IC2

Imed1和Imed2是流经接地导体的电流，因此也是分布式传感器设备所测量的电流。

为了执行电路分析，将考虑L1、R1、C1、L2、R2和C2的值由电缆(205)的分布式阻抗值(L、R和C，其值由电缆制造商提供)乘以从故障发生点到第一变换中心(210)(d1)或第二变换中心(220)(d2)的距离值，以这种方式得到以下比率：

如果实施电路分析，可以得出以下发展：

当考虑到v中压电缆中R、L和C的通常值时，我们发现以下数量级：

参数	值的数量级
		L(H/m)	10-6
R(Ω/m)	10-4
		C(F/m)	10-10
Cable length(m)	102-103
		Frequency(Hz)	101

这意味着项可以通过前面的表达式简化为近似为1：

通过将I_med1除以I_med2，可以看出：

如果长度d1和d2被归一化为单位，那么发生故障的电缆的总长度将是1y，因此d1+d2＝1。考虑到这一点，前面的表达式如下：

通过求解前面表达式中的d1，并考虑到R_PATX>>>Ljω+R，就是：

而由于L、R和ω是常数，我们可以定义术语K，因此前面的表达式为：

因此，你可以解决d₂的问题，即：

K＝1可以被使用，作为大多数情况下的有效常数。因此，可以看出，从测量每个变换中心(210，220)的每个接地导体(603)的电流开始，加上每个变换中心发生故障时的接地电阻器R_PAT1、R_PAT2的值，就可以确定发生故障的相对距离，d1和d2。

图5示出了故障电流I_fault(500)的行为，它意味着在故障发生的时刻，有产生高频暂态(transient)现象的初始时刻，随后是以电网频率信号为特征的静止期。

由于这个原因，接地系统在图中用(RPAT1-4)表示的初始时间的阻抗，其中暂态电流的频率成分很高，将有电阻部分的贡献，但也有明显的电抗部分(电容、电感或两者的组合)，所以最好能够确定构成接地系统的每个部分R、L和C的值，以描述整个现象，而不仅仅是在稳定状态。获取这些等价物的一种方法是通过实现幅度和相位的波德(Bode)图，为此需要测量不同频率下的阻抗值和电压与电流之间的相移(频率扫描)。

然而，可以设想，本发明的定位方法可以包括适合于从网络本身获取和处理其他数据的装置，例如与电缆的长度或段、每段的绝缘类型、线路的路径、连接(junction)点等有关的数据，以实现更精确的网络模型，提高故障的定位和识别。

基于以上所述，故障检测系统(800)包括：

一组分布式传感器(600)，每个传感器通过变换器(602)安装在待监测电路(200)的每个变换中心(210、220、230、240)的接地导体(603)中，其中每个分布式传感器(600)被配置为连续监测接地导体(603)中的电流Imed并通过电流阈值检测电缆(205)的故障、以及在电缆(205)中发生故障的时刻确定接地电阻器(RPAT1-4)，使用频率扫描来确定电阻部分和电抗部分(L和C)，以获取幅度和相位的波德图。

此外，每个分布式传感器(600)被配置为在内部存储数据，以便可以远程传输到处理单元(818)。

每个分布式传感器(600)包括无线传输装置(819)，用于将每个传感器设备(600)获取的数据远程发送至远程处理单元(18)。每个分布式传感器(600)包括同步系统(821)，使来自不同分布式传感器的数据在处理时有单一的时间基础。

该系统(800)包括处理单元(818)，数据在此被存储和分组，并可实时对接收到的数据执行分析以获取距离值d1和d2。

系统(800)包括警报和显示装置，最好是警报系统，它可以向用户指出故障状况和故障的大致位置，从传感器设备(600)记录的测量值及其分析中获取距离值d1和d2。

图6示出了根据本发明的分布式传感器(600)的示例。该传感器(600)包括变换器(602)，其中变电中心的变压器的接地导体(603)穿过该传感器。传感器装置(600)的电子装置包含在封闭式外壳(604)中。

图7示出了连接到传感器(600)的变换器元件(602)。变换器元件(602)由两个环形磁芯(605)和(606)组成，接地导体(603)通过这两个磁芯，其中磁芯(605)通过注入回路组(608)在要监测的导体中感应出电动势(emf)、而另一个环形物(606)通过测量回路组(609)记录电动势在导体中产生的电流值，这取决于导体(603)的阻抗。为了能够确定导体(603)中的感应电压，还需要在测量磁芯(606)上缠绕附加回路(607)。

图8示出了系统(800)的各个部分。特别是，图8示出了分布式传感器(600)、作为分布式传感器(600)和接地电缆(603)之间接口元件的变换器(602)以及系统(800)的处理单元(818)。

如图8所示，分布式传感器(600)包括：

-连接到测量回路组(609)的连续电流监测系统(810)，该系统通过随后与可编程阈值(811)的比较来检测故障状况。

-可编程的放大系统(817)，允许自动调整范围，并与过滤系统(815)的输出连接。可编程增益放大器(817)和可编程阈值(811)，允许其在本地和远程进行调整，并允许在具有不同电噪声水平和具有不同故障电流期望值的环境中优化故障检测和定位。

-连接到连续电流监测系统(810)和可编程阈值(811)的循环缓冲器(812)，配置成当检测到故障条件时，在故障发生的瞬间前至少10ms和瞬间后300ms进行记录，将一组记录数据发送到存储系统(813)。

-多频率的电流注入系统(814)，连接到注入回路组(608)，以便能够执行频率扫描，这对于接地电阻器测量值(RPAT1-4)的无功当量(L和C)的表征是必要的。最好是为这个多频注入系统使用调幅调制系统，这将简化后置处理、测量和随后的解释过程。

-过滤系统(815)，连接到测量回路组(609)，以便将环境的噪声降低到可接受的水平。优选地，过滤系统包括简化过滤过程的振幅解调系统。

-用于测量来自测量回路组(609)的信号与变换器(602)的附加回路(607)之间的相移(816)的系统。

-存储系统(813)，用于收集数据的应被发送到远程中央处理单元(818)的数据，用于解释由每个分布式传感器收集的数据。

-无线传输装置(819)，用于每个传感器设备(600)和远程中央处理单元(818)之间的双向连接。

-备用电源系统(820)，以防止在电力供应发生故障时的数据丢失。

-同步系统(821)，与分布在各地的所有传感器设备以通用时基进行工作，以及

-微控制器(822)，用于所有必要元件的集成、控制和同步，以及进程和通信的排序。

Claims (10)

1.用于在电力配电电缆中定位故障的方法，其特征在于，所述方法适用于中压电路，所述中压电路包括至少一条电力配电电缆(205)、包括第一变压器和第一接地导体(603)的第一变换中心(210)、包括经过所述第一接地导体(603)连接到所述第一变压器的第一接地电阻器(RPAT1)的第一接地系统，所述第一变换中心(210)连接到所述电缆(205)的第一端；以及

包括第二变压器和第二接地导体(603)的第二变换中心(220)，包括经过所述第二接地导体(603)连接到所述第二变压器的第二接地电阻器(RPAT2)的第二接地系统，所述第二变换中心(220)连接到所述电缆(205)的第二端，所述方法的特征在于，包括：

-通过监测在至少一个所述接地导体(603)中经过的电流阈值来识别所述电缆(205)中的故障，在故障识别的情况下：

-测量经过所述第一接地导体(603)的第一电流值I_med1；

-获取所述第一接地电阻器(RPAT1)的值；

-测量经过所述第二接地导体(603)的第二电流值I_med2；

-获取所述第二接地电阻器(RPAT2)的值；

-计算从所述电缆(205)上发生所述故障的点到所述第一变换中心(210)的相对距离d1，这样：

-计算从所述电缆(205)上发生所述故障的点到所述第二变换中心(210)的距离d2；

-基于距离d1和d2来识别所述故障的位置。

2.根据权利要求1所述的用于在电力配电电缆中定位故障的方法，其特征在于，获取所述第一接地电阻器(RPAT1)的值包括通过频率扫描获取波德幅度图和相位图来确定所述第一接地电阻器的电阻部分和电抗部分。

3.根据权利要求1所述的用于在电力配电电缆中定位故障的方法，其特征在于，获取所述第二接地电阻器(RPAT2)的值包括通过频率扫描获取波德幅度图和相位图来确定所述第二接地电阻器的电阻部分和电抗部分。

4.根据前述权利要求所述的用于在电力配电电缆中定位故障的方法，其特征在于，进一步包括通知用户所述故障的状况和所述故障的位置。

5.用于中压电路的故障检测系统(800)，其特征在于，包括一组电力配电电缆(205)、包括第一变压器和第一接地导体(603)的第一变换中心(210)、包括经过所述第一接地导体(603)连接到所述第一变压器的第一接地电阻器(RPAT1)的第一接地系统，所述第一变换中心(210)连接到所述电缆(205)的第一端；以及

包括第二变压器和第二接地导体(603)的第二变换中心(220)，包括经过所述第二接地导体(603)连接到所述第二变压器的第二接地电阻器(RPAT2)的第二接地系统，所述第二变换中心(220)连接到所述电缆(205)的第二端，所述故障检测系统(800)包括：

-一组包括无线通信装置的传感器(600)，以及

-处理单元(818)，

其中，第一传感器(600)包括连接到所述第一接地导体(603)的装置(602)，并被配置为：

-通过检测经过所述第一接地导体(603)的阈值电流来检测电缆故障(205)，其中，在故障识别的情况下：

-测量经过所述第一接地导体(603)的第一电流值I_med1；

-获取所述第一接地电阻器(RPAT1)的值；以及

-将I_med1和所述第一接地电阻器的值传送到所述处理单元(818)，

其中，第二传感器(600)包括连接到所述第二接地导体(603)的装置(602)，并且被配置为：

-通过检测经过所述第二接地导体(603)的阈值电流来检测电缆故障(205)，其中，在故障识别的情况下：

-测量经过所述第二接地导体(603)的第二电流值I_med2；

-获取所述第二接地电阻器(RPAT2)的值；以及

-将I_med2和所述第二接地电阻器的值传送到所述处理单元(818)；

其中，所述处理单元(818)存储指令用于：

-计算从所述电缆(205)上发生所述故障的点到所述第一变换中心(210)的相对距离d1，这样：

-计算从所述电缆(205)上发生所述故障的点到所述第二变换中心(210)的距离d2；

-基于距离d1和d2识别所述电缆(205)故障的位置。

6.根据权利要求5所述的故障检测系统(800)，其特征在于，连接到所述第一接地导体和所述第二接地导体(603)的所述装置包括变换器(602)。

7.根据权利要求5或6所述的故障检测系统(800)，其特征在于，包括被配置为通知用户所述故障的状况和所述故障的位置的警告和显示装置。

8.根据权利要求7所述的故障检测系统(800)，其特征在于，所述传感器(600)包括在多个频率上的电流注入系统(814)，所述电流注入系统被配置为能够执行频率扫描以识别所述第一接地电阻器和所述第二接地电阻器的电阻部分和电抗部分。

9.根据权利要求8所述的故障检测系统(800)，其特征在于，所述传感器(600)包括用于获取波德图的装置，特别是包括可编程放大器(817)和在多个频率上的相移测量系统(816)的幅度测量系统。

10.根据权利要求9所述的故障检测系统(800)，其特征在于，所述传感器(600)包括可编程增益放大器(817)和可编程阈值(811)。