故障定位不接地和高电阻接地系统

1、中性点不接地和中性点经高电阻接地系统故障定位Thomas Baldwin, Frank Renovich Lynn Saunders, David Lubkeman摘要：其中最常见和疑难问题解决工业电力系统的位置和消除的接地故障。发生在未接地的接地故障和高电阻接地系统不吸取足够的电流触发断路器或熔断器动作，使得它们难以本地化。目前使用的技术来跟踪故障是耗时和麻烦的。一种新的方法开发关于不接地和高电阻接地故障定位接地的低压系统描述。系统包括一个新的接地故障继电器，工作中低成本故障指示器一起永久压膜在电路中。接地故障继电器采用数字信号处理技术来检测故障，找出有故障相，并测量电距离的变电站。远程故障

2、指示灯用于视觉指明故障所在。得到的系统提供了一种快速、方便、经济、安全检测系统接地故障定位。指数方面：故障的位置，接地故障，高抗接地，不接地系统，接地故障中继。一、引言不接地和高阻抗接地的工业电源系统有一个很大的优势;它们可以无限期运行带接地故障一个阶段中，省去了一个立即关机。一旦故障被定位，对特定电路可被分离，且故障清除在便的时间，造成了控制，最小的中断。这一优势在许多行业，其中瞬时巨大价值故障电路跳闸关键过程会导致的生产，材料和设备的损失。1,2,3在操作这些系统的一个主要问题是寻找一个当发生接地故障。搜索可能是困难和耗的。在一个特定的网站，大约有一半的故障很快就被定位;平均所需的其它故障

3、4工时，和一个故障少用了16小时或更长时间。 小幅度故障电流由于流动有故障的网络中泄漏（或接地）电容和接地电阻器，如果一个是现在。该系统泄漏电容分布整个网络。它的作用就好像它是一个单集中电容；然而，充电电流可以观察到流动在所有的分支电路。典型的故障电流小于10 A。A 接地故障继电保护不接地系统的原始操作是保持系统中的接地故障的第一指示之后操作，并尝试定位和之前第二接地清除问题故障可能发生在另一个阶段。当有效的进行，很快，这种方法使电力系统具有近在多数情况下连续操作时，在相间故障情况。立即切断电源到在检测到第一个故障的故障段失败的主要利用高阻抗接地系统。检测接地故障的存在是简单的。用指示灯技术

4、、电压表和对电压敏感的继电器已经应用了许多年。当一个相接地，相对地电压降低向零而另一个的相对地电压阶段上升。在高阻抗接地系统，也可以使用一个电流敏感继电器中的接地电阻电路测量非常小的故障电流。4所有这些方法对于接地故障检测是非选择性。该故障相的鉴定，但故障可以在任何地方在网络中的5。因为在高电阻的故障电流接地系统可以在大小充电类似电流时，难以将两者分开。从而，定位接地故障是困难的。B 接地故障定位本地化的常用方法是：（1）通过网络交换故障隔离（2）使用信号注入电路跟踪和手持传感器检测器。网络切换是最简单的方法。系统操作员去激励一次一个供料器，分支电路并最终加载，直到故障消失。这标识发生故障的网

5、络部分。搜索过程消除了服务的连续性，这是这些系统的优点。在实践中，搜索被推迟，直到有一个预定打破生产。通常情况下，搜索是由受挫故障消失时，所有的制造设备是关机。搜索是人力密集型，需要训练有素的人员熟悉整个电力系统的网络5。电路用叠加信号的跟踪是定位故障的最佳方法。该信号可以以许多方式来提供。对于高阻抗接地系统中，一个共同的信号源是接地故障电流通过接地电阻的调制。这可以通过一第二电阻切换并联的接地电阻器或通过短接的接地的一部分。无论使用哪种方法，一个脉冲电路经营接触器，其切换中的一个较低的电阻接地回路。这由电流表或探测器上的夹具增加了接地故障电流瞬间，使得足够检测。1,2,3对于未接地系统中，一

6、个脉动电子信号喷射器（通常被称为一个桑普电路）附着到发生故障的网络，和手持探测器感测信号沿着故障线路。桑普电路是电子音频频率范围内和振荡器被耦合之间的故障相和地面。信号的传播以及故障通路，并且由接收器电路检测到。这样的测试设备是便携式的，只需要被附连时寻找故障。C 定位问题定位接地故障电流的做法有一定的弱点，这已经困扰许多工业操作。这些弱点来自三个条件是干经常不被定位方法考虑。他们是：（1）间歇性故障情况，（2）在同一相出现多个故障，及（3）反转接地故障。间歇性故障在工业中经常发现，当接地故障发生或邻近循环负荷和故障是上的负载侧控制接触器。在这种情况下，故障检测甚至可能不会注意到操作，如果占空

7、比低或该故障是在很短的时间。另一种类型的间歇性故障是在维护周期中遇到。接地故障将被检测到，但定位被延迟，直到保养期的开头。随着生产的停止，接地故障消失。生产一段时间后开始接地故障会再次出现的故障电路通电。多个故障的在同一相位的发生通常是在非常大的设施中。当这种情况确实发生，维护人员经常感到困惑，无法通过切换方法或遇到无数的隔离故障的检测整个系统的信号。问题是加剧回路系统。用适当的训练，多故障的困难变小，但是，大量的时间被消耗，直到多故障的存在被检测到。倒接地故障是其中地面参考是电压三角形的外侧。图1所示倒接地故障等之间的差异接地故障。倒接地故障通常归因于电弧故障，其中电弧条件导致的电压相乘相对

8、于地，以及电压偏移该系统和地面之间发生。倒接地故障也可以出现时，有一个不平衡阻抗故障。图2所示一个可能的电路，典型的电动机故障带着一颗破碎的导体。在这种情况下，有一个不平衡负载电容和电感。该不平衡导致地面来移动电压的外三角形。图1接地故障类型：（a）无故障，（b）高电阻故障，（c）直接接地故障，以及（d）倒接地故障。图2电动机断导线故障，造成倒接地故障状态。倒接地故障无从考证。故障通路可能包含一个弧形或高阻抗。脉冲信号方法不能与这种故障所用的，因为它们需要低阻抗电路。正确检测的反相地故障是必要的。与大多数脉冲信号的一个额外的物理问题搜索方法是无法监视各种位置和接线方法。电源电路通常路由在人迹罕

9、至如6至12米以上的工厂车间与位置制造设备，阻止通过梯子或升降机访问，因此难以施加钳式探测器。接线已接地的防护装甲，如刚性的方法导管和母线通道可以屏蔽来自检测器的信号当返回电流路径是通过金属外壳。本施工力量的信号测量是在结点，其中线状导体都可以访问。二、接地故障定位一个定位技术需要一个明显的信号唯一识别故障定位。对于接地故障，该信号是零序电流。图3（a）示出了一个简单系统具有高阻抗接地，遇到地面故障。互连的序列组分的网络接地故障示于图3（b）中。接地电阻和漏电容限制故障电流，并因此零序电流。这项新技术的目的是提供一个替代零序电流，又不失电流限制益处。 一个通过放置一个理想获得充分的零序电流中点

10、J和图3（b）中K之间的电流源。该超定位原则表明，从当前正序源并没有改变，但是在电流流动在网络中的是从每个源的电流的总和。该零序电流可通过在变化作出不同的频率从根本电力系统频率。图3（c）是将得到的序列分量电路图的不同频率，零序故障信号当前。看到由电流源的总阻抗是大小为总接地故障相同的顺序阻抗直接接地系统。因此，相对小电流（1-5A）的流中的故障电路用小阻抗电压（小于50V）。零序当前平被选择为提供足够的检测和测量。图3（a）一个简单的电源系统与变压器和馈线和接地故障上一相在馈线的端部，（c）对称网络（c）成分的阻抗网络，从零序信号发生器立体观看的相同的阻抗网络。从顺序组件的改造相部件内，提供

11、的电流在每个导体网络。总结了三个相电流在任何点网络给剩余电流。对于馈线和分支在零序电源之间的网络路径电路和故障部位，剩余电流是非零值。的确，用于径向网络，剩余电流将等于源目前的幅度。在所有其他非故障分支电路，该剩余电流将为零。由于低阻抗的电压时，电流流动的漏电容是可以忽略不计。期间接地故障允许零序电流流动的各种技术用于定位故障位置。阻抗零序电压和电流的计算提供的距离的距离测量的近似位置故障。零序电流互感器安排和剩余电流互感器提供检测沿故障电路的电流信号的。该信号检测和测量是类似于检测和测量的直接接地系统，但的响应和控制动作是指示和数据由断路器跳闸记录的故障隔离，而不是或吹保险丝。三、定位系统接

12、地故障定位系统已在实施不接地三角洲体系和高电阻接地系统。该系统提供的检测接地故障，零序故障信号电流，阻抗/距离测量的故障和故障路径指示的馈线和分支电路。接地故障位置的系统结构示于图4。它由以下设备：1数字化变电站继电器2零序信号发生器3远程接地故障指示器每个装置的功能和操作将接下来讨论。图4接地故障的系统架构，一个简单的系统.A 数字化变电站继电器数字继电器监视变电站母线电压和馈线电流，以检测接地故障，并提供有关的接地故障位置的初始数据。具体地，继电器指示故障的类型：接地故障或反向故障;；该故障相；变电所馈线上的故障所在；和从变电站到故障的电距离。三相变电站电压相对于地监测。相对电压比较算法是

13、用于检测接地故障状态，并确定出现故障的相。该算法检查倒地面条件，定位这些故障必须以不同的方式来处理。这种算法的相对电压的理念也防假接地故障检测，由于对变电站变压器的初级侧电源电压的问题，如电压骤降、一个或多个相电压丢失、或相线（或保险丝）断开。用于检测可能接地故障的存在，中继使用的算法，监视不平衡电压条件4。不平衡电压是通过把找到三线对地电压相量如下： (1)如果不平衡电压超过一个给定阈值，则中继算法继续通过识别故障类型。该算法使用线到线电压的相对比较与线对地电压。当线路对地电压下降到低于一阈值常数，乘以与线到线的电压的大小，然后接地故障是在那个特定的相位检测。当 时 (2)接地故障和区分。一

14、个倒置的接地故障，测试将检查是否任何两个的三个线对地电压超过线到线电压由另一阈常数。如果是这样，那么一个倒置的接地故障条件是被检测到的。当时 (3)通过使用基于线到线的电压的相对比较，供电问题，这可能会导致错误的接地故障探测，得到认可和相应的阻断措施会被执行。在检测到有效的接地故障，继电器激活零序信号发生器，提供一个非基高频电流的故障。电压和电流传感器提供测量向所述中继确定从变电站到故障位置的阻抗。此外，中继指示在其上已经发生故障的馈线监视电流传感器，它们位于所述供料器离开变电站。完整的故障测量在几个工频周期序列发生后，该继电器禁止信号发生器，记录该故障事件，并启动继电器的接地故障目标前面板。

15、中继继续监视故障，直到它去掉，要么采取纠正措施或正在间歇故障。故障清除的记录添加到历史事件，和接地故障目标被调整，以指示一个故障有发生，但它是目前清除。通过利用零序阻抗接地距离算法6，所述供电电路的阻抗被计算。存储馈线参数时，获得到故障的距离的估计。B 零序信号发生器所述信号发生器提供低安培数的交流电流到故障电路。该信号被耦合到配电网络，使得电流流动的故障只包括一个零序分量。对于当前的返回路径是通过地面系统。信号频率被选择为是不同的和可区分的所述电源线频率。合适的范围是10至50倍的根本动力频率。奇次谐波功率频率值应该是避免，因为许多非线性负载也会产生奇次谐波电流。发生故障时，这些谐波电流可能

16、会流通过故障路径，使得难以采取准确测量信号的幅度。从电源线频率的角度来看，信号发电机出现两个不接地和高电阻接地系统作为一种理想电流源工作另一频率（或开路）。从信号发电机频率的角度来看，接地故障电路包括的正性的低阻抗通路，负，和并联零序电路的高阻抗零序电路的元件，如在图3（c）所示。因此，信号发生器提供电流的低阻抗电流回路从变电站开始，沿着供应供料器，到故障位置，并返回穿过接地网络。信号发生器被由变电站中继控制系统。与检测接地故障，数字继电器激活信号发生器。该信号发生器注入的电流信号进入电力系统的网络数毫秒，足以在数字继电器监视在其离开变电站，然后进到故障信号流。后所述中继确定了供给到馈线故障和

17、电距离，信号发生器去除电流注入，并等待，直到继电器检测到的变化故障情况或电力系统操作员启动的请求重新激活远程接地故障指示器。信号发生器可以耦合到三相采用几种技术电力系统。直接的方法是使用零序三相变压器接口。如图5（a）、（b）和（c）示出一种表示开口三角星形，星形三角洲和锯齿状变压器连接。间接技术耦合信号发生器到电力系统是使用主电源变压器和相导体选择器开关。该电路示于图5的（d）。选择开关是定位成与所述接地故障的相位。电流信号回流入变压器和整个绕组的其他两相。电力系统的低阻抗源引起的小互动电流信号。从技术上来说，选择开关是不必要的；然而，在实践选择的故障相确保了所看到的发生器和继电器阻抗大致相

18、同取其相具有故障。在实践中，用伺服放大器，配置为电流源，是信号发生器的输出级。当寻找到输出端，该电路看到一个高阻抗源。通过加入一个60赫兹的LC高通滤波器，信号发生器显示为一个高阻抗电路分支地面。图5信号发生器接口到电力系统：（a）开三角形星形变压器连接，（b）星形三角形变压器连接，（c）之字形变压器连接，以及（d）采用间接法供电变压器。C 远程接地故障指示器在工业配电系统的环境中，馈线、分支电路及负载的数量可能是巨大的。与应用技术的变电站监控网络状况有关的主要问题是确定哪个分支电路或者其负载，故障已经发生了。附加信息是必要的，以确定故障分支电路或负载。位于分支电路和附近的载荷远程传感器提供必

19、要的信息以括弧故障到可管理的电路部内。规格为远程传感器可以广泛地变化为不同的工业环境。然而，最重要的要求包括：成本低，易于安装、保养和精确、可靠的性能所需的功能。传感器的主要功能是检测电路上功率的零序电流注入信号的存在。与所有的相导体的电流仅在信号发生器与所述接地故障之间的非零求和信号流。与剩余电流流过传感器的检测，报知由既可以通过通信到中央数据采集和/或本地的指示。因为接地故障不需要保护断路器立即脱扣，指示是该装置的唯一功能。在这种接地故障定位系统，个人负担馈线和分支电路分别通过监控设备在自然界中，以一个50G设备类似，瞬时过电流中继。该装置中，远程接地故障指示器（RGFI）是连接到次级零序

20、电流互感器来感测1至15所述的初级电路上的电子指示器。被定位在变电站的零序信号发生器和所述接地故障之间的接地故障电路的RGFI的将所有得到的故障指示，如图4。每个分支电路或负载馈线应采用RGFI，正如人们所适用的过电流保护。 协调在设备之间是没有必要或执行。所述RGFI是最敏感的信号的频率发电机。在特定的频率，该装置将给予指示与在主电流流动的少至1的电路。该设备在使用一个铁芯平衡构造（剩余电流）的电流互感器。所有的线路导线通过电流互感器的开口被供给。因此，该装置监视所有的电流流过线路的总和导体。在电源线频率，指示器具有最小电流阈值使其不受漏电容充电，从该网络的所有部分在故障过程中流动的电流。选

21、择性是使用电流互感器的次级感应电压来实现的。电流变压器的铁心钢具有BH曲线的一个非常平坦的饱和特性。因此，变压器只能支持一个给定的负担，并且任何额外的负担就迅速减少次级电流。注入电流信号的频率比所述电力系统频率高至少十倍。该变压器可以支持负担取决于最大感应电压，这是磁通密度的磁芯饱和的函数和焊剂的频率。那是： (4)E 感应次级绕组电；F 通量和电压的频率；N 匝在次级绕组的n个；A 芯的横截面面积；B 磁通密度B的峰值的值。注入电流信号的感应电压是十倍比工频的充电电流的大。该电流互感器的负担被设计为引起芯饱和在电源频率，而不是在注入电流频率。整体效果是，目前的变压器具有在电源频率比在一个较小

22、的匝数比（I 2/ I1）注入的信号的频率。板状芯饱和特性提供另一种有用目的。由于两个同时地的电位的在不同的阶段和馈线故障，指示灯必须能够承受非常大的故障电流。 取决于工作电压和变电站配置，容错电流幅度范围从10千安60千安。在这些故障的条件下，铁心饱和限制了传递的能量到次级电路。四、测试案例工业制造现场与几个480V的分配系统被选择以测试接地故障位置的系统。第一测试用两个环形进料器和两个单元的变电站进行未接地三角形连接的系统上。第二个测试是以五个环形进料器，双联络线和四单元变电站进行了高电阻接地系统。单线图对于这两个分配系统的示于图6的系统提供的负载是点焊单元。故障是间歇性的，并通常位于的焊

23、接控制单元的负荷侧。馈线通过公交专用道和公交插头焊工提供服务。标准工作的做法是将所有供电电路断路器关闭了。 图6两个测试系统：（a）未接地三角形接网络（b）的高电阻接地的网络。在第一次测试，远程接地故障指示器被放置在总线插头和控制装置的电源输入侧之间16焊接控制单元。在指示器甲注册目标将信号通知的接地故障控制站内发生，运行到焊机，或焊机本身的电缆。故障历史的回顾表明，几乎所有的故障发生在控制站和焊工之间。在单元变电站，电流互感器被安置在邻近的断路器的馈线的四个端部。在一个变电站母线，电压互感器被放置以测量线路对地电压。测量被送到一个计算机与一个数据采集系统。该计算器执行的故障定位算法和控制的零

24、序发生器。信号发生器的输出被连接到同一变电站母线。故障是上演在不同阶段的负载。故障位置估计和故障的物理站点在表I中给出的物理站点距离是还估计基于故障的地板位置。馈线A和B的总导体长度1400英尺，1158英尺分别。表1 测试案例在一个非接地回路配电系统案例进纸器和故障距离故障相最大.故障距离误差百分比次数实际预测1A470A460A10ft0.712A553A561B8 ft0.573A587A598B11ft0.794A595A616C21ft1.505A638A643C5ft0.306A697A700B3ft0.217A733A733A0ft0.008A794A802C8ft0.579A9

25、46A943C3ft0.2110A1008A1000A8ft0.5711B534B515C19ft1.6412B559B538C21ft1.8113B665B675A10ft0.8614B722B724C2ft0.1715B887B874A13ft1.12绝对误差距离和百分比是在第一次测试中较好的。被记录为21英尺的最大误差，换算成寻找三至五个负载之间的故障。这是通过（1）具有在所述环的两端的环路系统与测量，（2）使用相同的设备来测量馈线的电距离分期接地故障之前，和（3）建模的馈线三线和公交专用道的线段。在第二个试验中，远程指标、信号发生器，和一个继电器永久安装位于五料机，高电阻接地系统。所有

26、185焊接负荷分别装有远程接地故障指示器。五馈线回路的导线长度为D =1171英尺，E =1031英尺，F =1246英尺，G =1494英尺和H=1151英尺故障被演出在不同的位置的一些故障试验结果列于表2。表2 测试案例在一个高阻抗接地循环分配系统案例进纸器和故障距离最大故障距离误差百分比次数实际预测1D305D208978.282D655D51713811.783E325E374494.754E475E404716.895F356F376201.616F406F370362.897G245G314694.628G374G401271.819G395G437422.8110G465G426

27、392.6111G465G454110.7412G514G533191.2713G675G7801057.0314G675G8141399.3015G700G628724.8216H544H518262.2617H544H584403.4818H566H498685.91从第二测试的结果显示出比所述第一较大的误差。最大距离误差为139英尺相对于地面的位置。有在本次测试的错误两个主要来源：（1）阻抗测量依靠的电流信号的良好的电压测量。的电压仅测量在与零序信号发生器总线。在其他三个总线在这种情况下，电压估计，和（2）的汇流条通道的物理距离被怀疑为无证额外回合和弯路都是为了环游建筑支撑和高大设备。高

28、电阻接地系统不怀疑在错误。第二系统的永久安装完成操作三个月，其中120自然发生的故障已被记录。主要好处已经由电工故障搜索时间的减少。工厂管理人员保守估计，240小时劳动力都被保存，和接地故障正在被检测的8小时轮班内修复。五、结论本文提出了一种新的方法来定位不接地和高阻抗接地系统接地故障。从位于单元变电站远程接地故障检测器继电器的系统方法夫妇信息，以指示故障相的供电馈线的故障时，故障距离的估算值，与分支电路或连接的负载故障。工作在一个独特的频率比电力线频率以外的零序信号发生器提供了定位接地故障的电路路径和信号的援助。从信号发生器的观点，在断网就像一个直接接地系统。然而，从功率线观点来看，该系统还

29、没有从一种未接地或电阻接地网络改变。接地故障定位系统可以定位间歇性故障和多重故障。它可以检测并分辨倒接地故障。远程接地故障指示器或检测器是一个强大的设备，给出了一个接地故障的一个特定电路上指示。它是检测小的零序电流敏感，但能承受较大的故障电流。六、参考文献：1 D. H. Lubich, Sr. High Resistance Grounding and Fault Finding on Three Phase Three Wire (Delta) Power Systems,” IEEE Paper No. 0-7803-4090-6/97, 1997.2 J. P. Nelson. Hig

30、h-Resistance Grounding of Low-Voltage Systems: A Standard for the Petroleum and Chemical Industry,IEEE Transactions on Industry Applications, vol 35, pp 941-948, Jul / AUg 1999.3 J.C.Das and R. H. Osman, Grounding of AC and DC Low-Voltage and Medium-Voltage Drive Systems,IEEE Transactions on Industr

31、y Applications, vol 34, pp 205-216, Jan / Feb 1998.4 A. A. Regotti and H. W. Wargo, Ground-Fault Protection and Detection for Industrial and Commercial Distribution Systems, Westinghouse Engineer, pp 80-83, July 1974. 5 D. J. Love and N. Hashemi, Considerations for Ground Fault Protection in Medium-

32、Voltage Industrial and Cogeneration Systems, IEEE Transactions on Industry Applications, vol 24, pp 548-553, JullAug 1988.6 W. Elmore, Protective Relaying Theory and Applications,New York, NY: Marcel Dekker, Inc. 1994.七、个人简历Thomas Baldwin在克莱姆森大学分别于1986年和1989年获得了工程学理学士和电机工程理学硕士，在1993年在弗吉尼亚理工学院和州立大学获得博士电气工程学位。从1992年开始，他已经成为海恩斯公司的设计工程师，之后于1994年他加入ABB电气系统技术研究所，作为高级工程师。目前鲍德温博士是FAMU-佛罗里达州立大学的助理教授和国家强磁场实验室研究工