(高清版)GBT 41135.2-2021 故障路径指示用电流和电压传感器或探测器 第2部分：系统应用

故障路径指示用电流和电压传感器或探测器第2部分：系统应用国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会IGB/T41135.2—2021 Ⅲ 12规范性引用文件 13术语和定义 1 25基于电网和故障类型的故障探测原理 6附录A(资料性)环网中FPI或DSU的故障探测示例 附录B(资料性)FPI/DSU与中压馈线继电保护之间的故障探测配合技术的示例 图1FPI的一般结构 V 6 7 9 9图6关于图4和图5中性点不接地系统的矢量图 的下游) 图9非定向故障探测中FPI/DSU电流定值与接地故障电流间的关系(故障在中压母线上并位于任何FPI/DSU的上游) 图10纯谐振接地系统——由故障点上游的FPI/DSU进行接地故障电流方向的探测(故障位于FPI/DSU的下游) 图11纯谐振接地系统——由故障点下游的FPI/DSU进行接地故障电流方向的探测(故障位于FPI/DSU的上游) 图12关于图10和图11纯谐振接地系统的矢量图 图13电感永久并联电阻的谐振接地——由故障上游的FPI/DSU(故障位于FPI/DSU的下游) 图14电感短时并联电阻的谐振接地系统——由故障下游的FPI/DSU进行相对地故障电流方向的 图15关于图13和图14电导并联电阻的谐振接地系统的矢量图 图16电阻接地系统——由故障上游的FPI/DSU对相对地故障电流方向的探测(故障位于FPI/DSU的下游) 22Ⅱ图17电阻接地系统——由故障下游的FPI/DSU对相对地故FPI/DSU的上游) 23图18关于图16和图17电阻接地系统的矢量图 23探测(相对于过电流探测有非常好的灵敏度) (相对于过电流探测有非常好的灵敏度) 27(探测结果不正确或极低的灵敏度) 图A.3闭环二端口 图A.4发生故障时的等效模型 图B.2FPI/DSU与继电保护之间错误配合故障选择(案例1) 图B.3FPI/DSU与继电保护之间错误配合故障选择(案例2) 4Ⅲ——为适应我国国情，第2章规范性引用文件中用修改采用国际标准的GB/T41135.1代替了 VABCDEFE0.2本文件与IEC61850系列的关系IEC61850是一套用于支撑电力自动化的通信和系统的系列国际标准。GB/T41135系列标准同样介绍了一套专用命名空间，用于支撑FPI/DSU与电力自动化的集成。此外，该系列标准还定义了适当的数据模型和不同的通信接口配置文件，以支撑FPI/DSU的不同应用对于最复杂版本的FPI(例如：通常应用于智能电网的DSU),一些应用场景依赖于延伸变电站的概念，这种延伸变电站的概念用于实现分布于中压馈线上的智能电子设备(IED)与位于主变电站内的智能电子设备(IED)之间，采用IEC61850进行通信。这种配置模式不会受限于FPI/DSU设备，但会包含主变电站延伸到其中压出线上的子变电站所需的特性。1以此定义了故障路径指示器(FPI)和配电单元(DSU)(包括FPI、DSU的电流和/或电压传感器)的功能电连续性和电源质量的约束),在同时考虑所采用装置的复杂程度和相应成本的情况下，选择合适的 GB/T41135.1故障路径指示用电流和电压传感器或探测器第1部(GB/T41135.1—2021,IEC62689-1:20GB/T41135.1界定的缩略语和符号适用于本文2力的FPI。-—三相故障；3于0。前剩余电压90°),有功分量可忽略不计(该分量是唯一可以修改故障馈线上关于正常馈线的剩余电流——如果有功分量可忽略不计，那么安装在正常馈线或故障下游——如果有功分量不可忽略不计，那么安装在故障馈线故障上游FPI/DSU上通过的接地故障电当接地故障发生在同一变电站母线电网中任一位置时，接地故障电流的值接近接地电阻的有功4选择定向型或非定向型FPI/DSU,取决于中性点接地电阻的阻值(阻值越低，则中性点电流越大，发生接地故障时，在中性点接地电阻流过少量或中等的中性点电流的情况下，推荐使用定向型FPI/DSU探测接地故障。这是为了在高阻接地故障时获得适当的灵敏度。由此得到的接地故障电流发生接地故障时，在中性点接地电阻流过中等或大量的中性点电流的情况下，可使用非定向型4.6分布式电源数量显著系统中的FPI/DSU当FPI/DSU安装位置上游(或在同一母线的另一条中压馈线上)发生故障，其下游的分布式电源提供的故障电流分量与FPI/DSU的过电流定值相当时，可以认为此时电网中的分布式电源是显著存4.1～4.6所描述的FPI/DSU要求汇总见表1。-—通过测量剩余电压/相电压与剩余电流/相电流之间的夹角；完整的FPI/DSU分类见GB/T41135.1。第4章内容的技术合理性在第5章中进行了证明。故障类型中压电网中性点运行模式中性点不接地系谐振接地系统一中地系统的FPI/DSU谐振接地系统一中地系统的FPI/DSU(低阻抗接地中阻抗接地系统(阻点)的FPI/DSU纯感性消弧线圈线圈5表1根据电网运行模式和故障类型对故障探测FPI/DSU的要求汇故障类型中压电网中性点运行模式电流与电网容性电流相比，接地故障电流可完美调谐)电阻有功电流(通美调谐)幅与多相故障电电网容性电流障电流：值取决于电网中线或故障下游的障馈线或故障上游为滞后90°FPI/DSU中的故障电流：值取决于电网中FPI/DSU下游的容偏移：游的FPI/DSU上均为超前90°FPI/DSU中的故障电流：值取决于电网中偏移：或故障下游的超前90°~180°障电流：值和剩余电流相取决于电网中R/X的比值FPI/DSU中的故障电流：值取决于电网中FPI/DSU下游的容中压故障馈线或故障上游为滞后90°~180°的灵敏度)也可能是非定向(灵敏度取决于中压馈线部分引性电流)定向(鉴于电网运行结定向也是可能的)障电阻有更高的灵敏度)也可能是非定向(灵敏度取决于压馈线部分引起的电流)非定向只有当中压非故障馈线或故障下流在可接受范围内时，可能是定向非定向只有在接地电阻值很阻性分量小于容性分量),为定向多相故障多相故障探测不受中性系统运行影响只对多相故障有影响只对多相故障有影响只对多相故障有影响布式电源特性和对接地故障和多相故障都有影响只对多相故障有影响6故障探测能力和灵敏度，是为了避免由于FPI/DSU的灵敏度低于中压馈线保护而导致故障定位中可作人员或自动化系统起到负面作用。如果FPI/DSU需进行故障存在的确认(例如：与FPI/DSU的同图2和图3展示了不同运行电网中不同种类故障的故障电流路径和矢量图。对于FPI/DSU制造7A——故障中压馈线上探测接地故障剩余电流Ir的穿心式电流互感器。更多细节和其他中压中性点工作模式(除直接接地系统)见4.2;B——非故障中压馈线上探测接地故障剩余电流Ir的穿心式电流互感器。在除直接接地系图2中性点不接地系统中接地故障的三相图(续)图3直接接地系统中接地故障的三相图8/kAEA图3直接接地系统中接地故障的三相图(续)5.2接地故障探测和中性点接地方式5.2.1一般要求接地故障电流取决于中性点接地方式和故障阻抗。应根据FPI/DSU所安装的中压电网中每个中性点接地方式，对FPI/DSU进行设计和试验。5.2.2中性点不接地系统中的接地故障探测相对于剩余电流传感器方向的电流流向见图4和图5。矢量图和符号说明见图6。9图4中性点不接地系统——故障(故障位于FPI/DSU的下游)上游的FPI/DSU接地故障电流方向探测图5中性点不接地系统——故障(故障位于FPI/DSU的上游)下游的FPI/DSU接地故障电流方向探测ABI 0 图6关于图4和图5中性点不接地系统的矢量图 图6关于图4和图5中性点不接地系统的矢量图(续)如果FPI/DSU是非定向型的，则其电流定值设定应高于馈线下游部分(相对于FPI/DSU位置)的容性电流，以避免上游接地故障发生时出现错误指示。这可能极大地削弱其灵敏度。例如当下游容性电流约等于或高于上游容性电流时(在下游电网是地下电缆网情况下),可能无法实现探测功能。图7、图8和图9简要说明了三种情况。为了更好的阐述，按各种现象依次进行描述。当A4-2的下游发生接地故障(见图7),且没有定向接地故障电流探测功能时，用于探测故障的最大电流定值为Ic-Ic4_2(故障电阻为0且不考虑电流互感器和传感器的准确度)。电流定值越小，FPI/DSU灵敏度越高。ZZI₁_0 图7非定向故障探测中FPI/DSU电流定值与接地故障电流间的关系(故障位于FPI/DSUA4-2的下游)Lc-h-lei十he+Ics+eLc-h-lei十he+Ics+eI₁——馈线4始端，由剩余电流互感器或电流传感器测得的剩余电流；当故障发生在FPI/DSU下游I₁2接地故障发生在A4-2下游时，由A4-2剩余电流互感器或传感器测得的剩余电流(等于Ic—Ic_);A1、A2、A3——位于馈线1、2、3出口处的FPI/DSU,发生接地故障且接地电阻值Re可忽略不计时，分别被图7非定向故障探测中FPI/DSU电流定值与接地故障电流间的关系当接地故障发生在A4-1下游、A4-2上游(见图8),且没有定向接地故障电流探测功能时，其最大电流定值为Ic-Ic4(故障电阻为0且不考虑电流互感器和传感器的准确度)。电流定值越小，FPI/DSU灵敏度越高。然而，A4-2的最小电流定值应大于Ic₄_2,以避免错误的故障电流路径探测。ZZA4-1图8非定向故障探测中FPI/DSU电流定值与接地故障电流间的关系(故障位于FPI/DSUA4-1的下游和FPI/DSUA4-2的上游)标引序号说明：0——剩余电流互感器(或测量剩余电流的电流传感器)所在位置；——剩余电流互感器(或测量剩余电流的电流传感器)的常规方向；Za——正序阻抗(即正序电压与正序电流之比);Z;——负序阻抗(即负序电压与负序电流之比);Ic、Ic2、Ics、Ica——馈线1、2、3、4的容性剩余电流(等于连接在同一中压母线上的每个中压馈线的三相容性电流之和);Ic——剩余电流之和，Ic+Ic2+Ic₃+Ic₄=Iε=接地故障电流；Re——接地故障电阻；A1、A2、A3——位于馈线1、2、3出口处的FPI/DSU,发生接地故障且接地电阻值Re可忽略不计时，分别被图8非定向故障探测中FPI/DSU电流定值与接地故障电流间的关系(故障位于FPI/DSUA4-1的下游和FPI/DSUA4-2的上游)(续)ZZIr1标引序号说明：0——剩余电流互感器(或测量剩余电流的电流传感器)所在位置；——剩余电流互感器(或测量剩余电流的电流传感器)的常规方向； 图9非定向故障探测中FPI/DSU电流定值与接地故障电流间的关系(故障在中压母线上并位于任何FPI/DSU的上游)(续)电流定值越大，正常馈线或故障馈线故障下游的FPI/DSU探测出错的可能性就越小。相对于剩余电流传感器方向的电流流向示意图见图10和图11。矢量图和符号说明见图12。(故障位于FPI/DSU的下游)BLAl₂=lci+1c₂+lca+lc41-7B之和)图12关于图10和图11纯谐振接地系统的矢量图I₂ 图12关于图10和图11纯谐振接地系统的矢量图(续)在下游故障和线圈中100%为容性电流的情况下，通过FPI/DSU的电流是下游中压馈线的容性电流和最小中性有功电流的矢量和(由于线圈内部损耗和所有电网中其他的零序阻性分量，最小中性有功电流并未在图10或图11中标示出来，通常非常小，可忽略)。如果线圈中不完全为容性电流，则通过FPI/DSU的电流是由于过补偿或欠补偿产生的容性/感性电流(该电流是线圈感性电流有意或无意未完全补偿中压电网容性总电流产生的)、FPI/DSU下游中压馈线的容性电流和中性点有功电流的矢量和。对于以上两种情况，该电流(通过FPI/DSU的)与下游容性电流相当，或者比其小，并且与正常馈线(以及相对FPI/DSU)上的故障电流有相同的方向。因此，即使是当系统处于百分之百的电网总容性电流时，用纯中性阻抗来判断接地故障电流的方向非常困难，FPI/DSU应有定向探测功能：可以使用不5.2.3.2电感并联电阻的谐振接地(阻抗接地)相对于剩余电流传感器方向的电流流向示意图见图13和图14。矢量图和符号说明见图15。BBBI.友Rlc³~/kR故障电流方向的探测(故障位于FPI/DSU的上游)h=1c+c+-1+7k=-c+1k=(lcu+=c+7c2+a+1c41-案例CkkIa图15关于图13和图14电导并联电阻的谐振接地系统的矢量图EsEsI≈1gAABI₃ 或下游)。之和);Ica_2=Ic4_dowatram——馈线4上，FPI/DSU下游的容性剩余电流；图15关于图13和图14电导并联电阻的谐振接地系统的矢量图(续)矢量和，约等于与I.方向相同的(Ie-IcLo)与Ig的矢量和。Ig2=图15关于图13和图14电导并联电阻的谐振接地系统的矢量图(续)如果FPI/DSU下游电网对接地故障电流的影响大于或约等于上游电网(对接地故障电流的影为探测故障电流方向，可以采用不同的算法(例如：有功度量探测原则、故障后首个毫秒暂态分如果发生下游故障且线圈中完全为容性电流时，则通过FPI/DSU的电流是其下游中压馈线的容定向型FPI/DSU。相对于剩余电流传感器方向的电流流向示意图见图16和图17。矢量图和符号说明见图18。图16电阻接地系统——由故障上游的FPI/DSU对相对地故障电流方向的探测(故障位于FPI/DSU的下游)左=右+7₂+图18关于图16和图17电阻接地系统的矢量图A0 图18关于图16和图17电阻接地系统的矢量图(续)I₂——馈线4上，由FPI/DSU测得的下游接地故障的剩余电流，对应于容性电流图18关于图16和图17电阻接地系统的矢量图(续)由于Ir通常远大于Ic(也远大于Ic₄_dowastream),FPI/DSU可以是非定向的，故障电流的方向由电网5.2.5中性点直接接地系统的接地故障探测在中性点直接接地系统中，接地故障与多相故障类似，矢量图见图3。FPI/DSU可以是非定向的，因为故障电流的方向由电网特征决定(除非电网中存在大量分布式接地故障电流的相位取决于相序回路的功率因数。因此，故障位置的不同(靠近高压/中压变压器或分布于馈线上),以及下文描述的案例——故障位置上游的导线类型的不同(架空线、地下电缆等),均会产生各种差异较大的情况。5.2.6无分布式电源或可忽略情况的过电流探测所考虑的电路见图19。图19无分布式电源存在的辐射状电网中的过电流——利用非定向FPI/DSU进行正确的电流探测(相对于过电流探测有非常好的灵敏度)所考虑的电路见图20。图20分布式电源可忽略的辐射状电网的过电流——利用非定向FPI/DSU进行正确的故障探测(相对于过电流探测有非常好的灵敏度)对于相间故障来说，故障电流的方向由无分布式电源或分布式电源可忽略的辐射电网结构中的高压/中压变压器决定。定向型FPI/DSU不是必要的。5.2.7存在大量分布式电源情况的过电流探测(短路电流值显著增大)所考虑的电路见图21。Isc41=Isci+/sc2+IscIscjR_3.1_Isc42=sc_1+Isc2+Is+Isc+Isc_DFR4.4+Isc_J0——相电流互感器(或测量过电流的传感器); 位于中压馈线保护和/或FPI/DSU安装位置上游的高 位于连接在非故障中压馈线1、2和3上的中小功率发电机给馈线4提供的短路故障电流分量(它们比继电保护和FPI/DSU两者最大电流的定值低或高都有 相间或三相故障时由中压馈线保护探测得到的电流图21存在大量分布式电源的辐射状电网的过电流——利用非定向FPI/DSU探测故障不可靠(探测结果不正确或极低的灵敏度)Isc₄_g=Isc_DER4.2+Isc_DER4,1故障不可靠(探测结果不正确或极低的灵敏度)(续) 由图21所示，由于大量分布式电源的影响，无论是中压馈线继电保护装置还是FP有定向型FPI/DSU,以探测过(资料性)环网中FPI或DSU的故障探测示例A.1概述本附录给出了一个环网中FPI或DSU的故障探测示例，介绍了一种基于二端口网络数学思想的环网建模方法。下述研究的电网拓扑是由来自于变电站同一条一次母线的两条辐射状出线闭合构成的环路。A.2二端口模型一个中压线路可以由一个集中参数模型来表示。不依赖于所用的模型，每条线路分支(例如：单相)与所采用的模型无关，均可假设为二端口模型。图A.1所示模型为线性无源型。图A.1二端口输入值与输出值之间的关系可由式(A.1)线性方程得出：l——纵向线路分支上每千米的电感，单位为亨每千米(H/km);a——线路长度，单位为千米(km);之=r+jwl;y=jwc(在绝缘良好的线路中，电导可忽略);在单线路分支的情况下(例如以均质材料制造时),D=A。上述2×2矩阵中的各元素可通过传输线方程得到。A.3闭环线路外的线路发生故障时对零序值的分析当辐射状中压电网上发生故障时，故障线路所在母线上的正常区段的零序电压均刚好超前于零序电流90°,且与中性点是否接地无关。在一个闭环线路中，当故障发生在同一母线上的另一条线路上时，零序电压与零序电流之间的夹角从90°开始变化，这个变化取决于测量点的位置和线路的物理特性。如果上述的变化未知，则FPI或DSU的设置就可能会导致意外跳闸。下面介绍一种评估此类变化的方法。当零阻抗接地故障发生在一条母线上(母线上还连接着回路上的其他分支线路)的其中一条线路上时，零序回路的零序电压和满额相电压相近。零序回路由一系列环节(二端口)级联而成，从中压母线到同一母线上的最后一个环节(见图A.2)。这种情况时，零序纵向阻抗和横向阻抗都应加以考虑。图A.2二端口级联因此，将H;定义为i因子二端口的复矩阵，回路等效矩阵见式(A.2):两个零序电流流经回路上两个支线的中压母线。如果回路的初始电流和最终电流已知，则可以反向计算出每个区段的电流。当计算出支路j下游V和V端口j的零序电压和零序电流。C—中压电网总接地电容；E;——故障相的相电压。如果故障发生在一个具有N条支线的回路中的支线s和s+1之间时(见图A.3所示),则电路可HH图A.3闭环二端口73H+H-p 图A.4发生故障时的等效模型序电流的值。A.5现场应用示例关于FPI/DSU的现场应用示例的详细信息参见参考文献[5]。该示例介绍了一个中性点不接地此在这种情况下，FPI/DSU及其上游的继电保护都应具有相同的故障探测能力(故障探测方法)和灵路器动作的次数更少，影响故障馈线上游的非故障区段馈线上客户的中断次这种方法的缺点：还需要提出一种能够使得中压继电保护与FPI/DSU之间的故障探测良好配合的技术。FPI/DSU和继电保护可通过采用相同的故障探测原理和对设置进行调整来具有相同的灵FPI/DSU探测故障时间和继电保DSU的故障探测均不应该发生在PR1(中压馈线断路器的继电保护动作)的故障探测之前。的指示来追寻故障电流路径和正确定位A2(FPI/DSU2)(故障上游且最靠近故障)与A3(FPI/DSU10Ⅲ图B.1FPI/DSU与继电保护之间正确配合故障选择一种错误的故障探测见图B.2所示。PR1探测到了故障，而A1(FPI/DSUA1)没有探测到。FPI/DSU的不同表现并不是因为FPI/DSU的故障(总是有可能的),而是由不同的故障探测算法、设置和探测时机等决定的。当为图B.2所示的情况时，控制室中的工作人员(如果有)和场站内的工作人员均不能使用FPI/DSU的指示来追寻故障电流路径。如果没有进一步的试验，就不能准确判断中压馈线上的故障位置。图B.2FPI/DSU与继电保护之间错