NO314964B1 - Detektering av en höymodulsfeil i et kraftnett - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte i henhold til den innledende del av patentkrav 1, for detektering og lokalisering av en høy-motstands linje-jordfeil i et elektrisk kraftnett.

Vanligvis har behovet for jordfeildetektering blitt løst ved overvåkning av millsekvenespenningen (det vil si nøyt-ralpunktspenningen) for et elektrisk kraftnett. Ved denne løsning blir det avgitt en linje-til-feil-alarm når nøyt-ralpunktspenningen overskrider en forhåndsbestemt grense.

Fra US patentskrift 4,729,052 er det kjent en fremgangsmåte basert på detektering av linje-jordfeil ved endring av jordsystemimpedansen forbundet med det nøytrale punkt for kraftsystemet, og deretter ved måling av effekten ved denne endring på nøytralpunktspenningen. Denne fremgangsmåte kan benyttes for kompenserte nøytrale nett med en reso-nanskompenserende spole forbundet med nøytralpunktet.

I DE patentpublikasjon 41 40 556 er det tilkjennegitt et arrangement som er relevant i forhold til den foreliggende oppfinnelse. Nevnte arrangement tar sikte på, ved hjelp av reléebeskyttelsesorganer, å beskytte den feilbeheftede linje ved en jordfeilsbetingelse. Denne operasjon blir ut-ført ved sammenligning av nøytralpunktspenningen i vektorformat med én av fase-til-fase-spenningene, én av komponentene i den positive sekvensspenning eller en hvilken som helst annen referanse-spenning som ikke er påvirket av jordfeil. Således vil anvendelsesområdet ved dette arrangement ligge innenfor eksisterer strenge kriterier for ut-kobling, og den aktuelle feildetektering er basert på den absolutte verdi av nøytralpunktspenningen.

I forbindelse med konvensjonelle teknikker har mangel på en pålitelig, generell og tilstrekkelig følsom detekte-ringsteknikk for feilmotstander i størrelsesorden av 20 kohm og større vært et problem.

Det er en hensikt med den foreliggende oppfinnelse å rydde av veien ulempene ved de nevnte beskrevne teknikker og skaffe en fullstendig ny type teknikk for detektering og lokalisering av høymotstandsjordfeil i et elektrisk kraftnett.

Hensikten med oppfinnelsen oppnår man ved detektering av jordfeilen ved sammenligning av nullsekvensspenningen (nøytralpunktspenningen), målt ved en nettransformatorsta-sjon i forhold til positivsekvenskomponenten for en fa-sespenning, målt fra nettet og i forhold til den resulterende nullsekvensimpedans for nettet. Sammenligningen blir gjort i vektorformat, hvilket innebærer at man behandler spenningene som nullfaserefererte vektorer. Resultatet av sammenligningen blir et størrelsesestimat over feilresistansen. Resultantnullsekvensimpedansen, som benyttes ved sammenligningen, kan være basert på en tilnærmet verdi fremskaffet fra en nettmodellsberegning. Således vil oppfinnelsen benytte seg av fasebenspenningmålinger som utfø-res rutinemessig ved transformatorstasjoner.

Hovedforskjellene ved den foreliggende oppfinnelse med hensyn til konvensjonelle arrangementer er som følger: - Sammenligning blir utført i vektorformat både mot positiv-sekvensspenningskomponenten for det faseben som er mistenkt for å være feilbeheftet, og resultantnullsekvensimpedansen for nettet. - Metoden indikerer det feilbeheftede faseben ved sammenligning av feilimpedanser beregnet individuelt for alle faseben for det trefasede system. Ved det feilbeheftede faseben er feilimpedansen resistiv, mens ved de andre to faseben vil den beregnede reelle del av faseimpedansen være negativ, hvilket er en urealistisk situasjon. - Fremgangsmåten gir et størrelsesestimat av feilresistansen, hvorfra nivået av feilstrammen lett kan beregnes. - Den beregnede feilstrøm kan sammenlignes med feil-strømmer som i virkeligheten blir målt fra nettet, hvorved det kan skaffes et bekreftende kriterium for feildetektering, så vel som en mer nøyaktig lokalisering av feilen i nettet.

Mer spesielt vil fremgangsmåten i henhold til den foreliggende oppfinnelse være karakterisert ved det som er angitt i den karakteriserende del av patentkrav 1.

Oppfinnelsen gir betydelige fordeler.

Ved hjelp av oppfinnelsen vil den konvensjonelle feilde-tekteringsprosedyre basert på overvåkning av den absolutte verdi av nullsekvensspenningen bli forbedret i vesentlig grad, fordi nøytralpunktspenningen nå blir målt i vektorformat og opptreden av en resistiv feil vil bli bekreftet ved sammenligning av nullsekvensspenningen som således oppnås i forhold til nullsekvensimpedansen for nettet. Således vil området for feildetektering kunne utvides til vesentlig høyere feilresistansverdier.

En fordel ved den foreliggende oppfinnelse i relasjon til teknikken i følge US patentskrift 4,729,052 er at man ikke trenger ytterligere komponenter som skal tilkobles nøyt-ralpunktet for nettet, hvilket direkte vil danne en del av feilkretsen i nettet. En ytterligere fordel går ut på at også jordfeil i ikke-jordete og resistor-jordete nett nå kan detekteres.

Den foreliggende oppfinnelse skiller seg fra teknikken i følge DE patentpublikasjon 41 40 556 ved at nøytral-punktspenningen ikke bare blir sammenlignet med en varia-bel beregnet fra én av fasebenspenningene, men dessuten i forhold til nullsekvensimpedansen for nettet, og fasevin-kelkriteriet blir ikke anvendt tidligere enn på dette sta-dium. Det skal her forstås at fremgangsmåten omtalt i DE patentpublikasjon 41 40 556 heller ikke er anvendelig for detektering av en jordfeil som opptrer via en stor jord-feilresistans. I et kompensert nett med kompensasjonsspo-lejordet nøytralpunkt vil beskrevne fremgangsmåter gi til-feldige resultater allerede ved lave verdier av jordfeil-resistanse, fordi i et slikt nett ville fasevinkelen for nullsekvensimpedansen kunne variere innenfor et meget stort område (dekkende nesten 180 °C) avhengig av avstem-mingsgraden av kompensasjonsspolen.

Bruken av den nye teknikk som er omtalt her, krever bare programmering av noen nye prosedyrer i lagringsorganet for jordfeilovervåkningssysternet og justering av en enkel nettverksmodellprogrammodul i forhold til programvaren av ne 11ve rke t s ove rvåknings/-styresystem.

Den nye teknikk trenger ingen nye transdusere,men i stedet kan man benytte for spenningsmålingen, for eksempel ved transformatorstasjonen, den spenningstransformator som vanligvis er forbundet over to faseben som tjener til elektrisk kraftforsyning fra stasjonen.

I det følgende vil oppfinnelsen bli beskrevet i ytterligere detalj ved hjelp av eksemplifiserende utførelsesformer og under henvisning til de vedføyde tegningsfigurer. Figur 1 viser skjematisk ekvivalenskretsen for en nett-krets som skal overvåkes ved hjelp av fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen. Figur 2a viser ekvivalentkretsen for nullsekvensimpedansen i et ikke-jordet og resistor-jordet nett. Figur 2b viser ekvivalentkretsen for nullsekvensimpedansen i et nett med en kapasitiv komponent for jordfeilstrømmen fullstendig eller delvis kompensert.

Fremgangsmåten er anvendelig hva angår detektering og lokalisering av jordfeil i et elektrisk kraftnett, som opptrer via en høy feilresistans under slike betingelser der følsomhet for konvensjonell reléebeskyttelse ikke greier å detektere feilen. Operasjonsområdet for fremgangsmåten dekker feilresistanser i størrelsesorden 5-150 kohm.

Selv om fremgangsmåten prinsipielt er innrettet for bruk i ikke-jordete og kompenserende-spolede-jordete nett, så vil den også kunne funksjonere i nett som er jordet via en høy jord-system-resistanse.

Fremgangsmåten er basert på analysen av spenninger målt ved en transformatorstasjon. Ved hjelp av måling av nøyt-ralpunktspenningen for det elektriske kraftnett i vektorformat og deretter sammenligning av den målte verdi i forhold til positivsekvenskomponenten for hver fasebenspenning, vil man kunne detektere en høyresistans, enkeltfase-jordfeil innenfor beskyttelsessonen for (mellomspenning) transformatorstasjonen som mater nettet. Videre vil nøyt-ralpunktspenningsanalysen indikere størrelsen av feilresistansen, den tilsvarende verdi av feiIstrømmen og det faseben som er påvirket av jordfeilen, i tillegg til en generell alarm for en jordfeil.

Under bruk av disse data vil analysen kunne fortsette for nullsekvensstrømmene i nettet, og disse blir deretter sammenlignet med spenningen ved det feilbeheftede faseben. Den nye fremgangsmåte skiller seg fra konvensjonell jord-feilbeskyttelse og tilhørende detektering ved at nå blir ikke jordfeilstrømmen sammenlignet i forhold til nøytral-punktspenningen, men i stedet i forhold til positivsekvenskomponenten for hver fasebenspenning, idet feilimpedansen ved j ordfeUpunktet derved er å betrakte som rent resistiv.

Ved hjelp av strømmålinger vil resultatet av nullsekvensspenningsanalysen kunne verifiseres, og mer nøyaktige data hva angår lokasjonen av feilen, vil kunne oppnås. Passende målepunkter for nettstrømmer kan være de utgående matere fra transformatorstasjonen, samt avgreningspunkter langs transmisjonslinjen og utkob-lings/seks j onaliseringstasj oner.

Nullsekvensanalysen er basert på å løse komponentene i den ekvivalente krets som representerer jordfeilbetingelsene. Når spenninger og den resulterende nullsekvensimpedans er kjent, vil impedansen for den antatte feil kunne oppnåes fra ligningen:

der

Z0 er nullsekvensimpedansen,

Zf er den beregnede feilimpedans,

Uv er positivsekvenskomponenten for fasebenspenningen, og U0 er den målte nøytralpunktspenning

Nullsekvensimpedansen Z0 blir beregnet ved hjelp av en nettverksmodell som simulerer det elektriske kraftnett fra en ekvivalentkrets vist på figurene 2a og 2b. En viktig parameter, som er påkrevd for modellen, er den totale lin-jelengde for det elektriske kraftnett og den tilhørende kapasitans over området for nettet. Sistnevnte parameter kan variere i henhold til den aktuelle konfigurasjon av nettet. På figur 2a illustrerer ekvivalentkretsen nullsekvensimpedansen Z0 ved et ikke-jordet eller et resistor-jordet nett, mens figur 2b viser henholdsvis de samme pa-rametere i et resonansjordet eller kompensert nett. I til-felle av det ikke-jordete nett, som vist på figur 2a, vil den dominerende komponent av ekvivalentkretsen være jord-kapasitansen Cefor nettet. Disse elementer har en lettre-sistanskomponent Re som representerer ca. 5-8 % av jord-strømmen (som beregnet fra den praktiske formel R,.= 12,5-20.Xc, der X0 er reaktansen for jordkapas it ansen Ce) . I et resonansjordet nett vil disse kretskomponenter dessuten ha reaktansen for kompensasjonsspolen Lei parallell, som vist på figur 2b. Ekvivalentkretsen i følge figur 2a er også gyldig for resistans-jordete nett, hvorved lettresistansen Reblir redusert i vesentlig grad.

De variabler som skal måles ved fremgangsmåten omfatter:

- trefasebenspenningene ved transformatorstasjonen, og - nøytralpunktstrømmen og fase-til-fase-spenningen ved alle strømmålepunkter

Nøytralpunktspenningen jj„ blir beregnet fra fasebenspe-ningene som en vektorsum. Hver fasebenspenning Uv blir beregnet som positivsekvenskomponenten i et symmetrisk kom-ponentsystem fra de målte verdier som er tatt ved tids-punktet ved beregningen. For å identifisere det feilbeheftede faseben, blir ligning (1) løst for tre vektorretning-er:

1) Uvved sin ikke-roterte vinkel

2} Uv dreid -1-120 elektriske grader

3) Uv dreid 240 elektriske grader

Hver beregningssyklus gir et estimat for Zf. Av disse vil det feilbeheftede faseben bli selektert til å være det som gir høyest verdi for den reelle del av Zf. Beregningen av de to intakte faseben vil nødvendigvis måtte gi en negativ reell del av feilimpedansen, fordi feilimpedansen Zf i praksis er rent resistiv,

I henhold til dagens praksis blir en jordfeil betraktet som detektert under den forutsetning at i det faseben som representerer den største verdi av den reelle del av Z^ i

~ vil den reelle del av Z£ i det minste være 4-foldig sammenlignet med den imaginære del av Zf

Denne betingelse er ekvivalent til et kriterium som går ut på at fasevinkelen for feilimpedansen utgjør maksimalt +15 elektriske grader. Etter at feilresistansen er beregnet, kan ekvivalentkretsen i følge figur l også kunne benyttes til å fremskaffe feilstrømmen og tilhørende fasevinkel.

Som resultat vil nullsekvensspenningsanalysen gi følgende informasjon:

- indikasjon av det feilbeheftede faseben,

- størrelsesestimat av feilresistansen, og

- estimater for feilstrøm og tilhørende fasevinkel

Dersom feilreistansen er høy, vil dennes bidrag til nett-parametrene hyppig være vanskelig, på grunn av ikke-null nøytralpunktspenning under normale betingelser. En slik ikke-null nøytralpunktspenning under normale betingelser er hovedsakelig bevirket av kapasitansasymmetri ved nettet og den tilhørende verdi endrer seg bare sjelden. Således er det mulig å øke følsomheten ved den omtalte fremgangsmåte ved å erstatte nullsekvensspenningsmålingen i reell tid med en trendanalvse basert på overvåkning av en end-ringsverdi definert som avviket ved nullsekvensspennings-verdien i reell tid fra dennes gjennomsnittlige verdi beregnet for eksempel over de siste 10 minutter. Denne løs-ningsmetode hever jordfeilindikeringssensitiviteten opptil feilmotstander eller feilresistanser for ca. 100-150 kohm. Disse angitte tall er basert på felttester som er utført på ikke-jordete nett.

Etter at en generell jordfeilalarm er blitt utløst ved hjelp av nullsekvensspenningsanalyseprogrammet, vil feil-detekteringsresultatet kunne verifiseres og den tettere beliggenhet av jordfeilen lokaliseres ved hjelp av analyse av nullsekvensstrømmålingene. I denne forbindelse vil de målte nullsekvensstrømmer ved transformatorstasjonen, og/eller langs nettet, bli sammenlignet i vektorformat med de nullsekvensstrømverdier som man oppnår fra nullsekvensspenningsanalysen, og som et resultat vil den seksjon av nettet, som er under analyse, bli betraktet som å ha en jordfeil dersom: - den målte størrelse av nullsekvensstrømmen er, innenfor en gitt margin, lik den verdi som er beregnet i henhold til nevnte fremgangsmåte, og - den målte fasevinkel for nullsekvensstrømmen er, innenfor en gitt margin, lik den verdi som er beregnet i henhold til nevnte fremgangsmåte.

Den tillatte margin for fasevinkel kan være den samme som angitt tidligere, eventuelt + 15 elektriske grader. For strømmen vil den tillatte margin ved sammenligningen kunne avvikes noe, eventuelt til ca. +30 %.

På samme måte som med nullsekvensspenningsanalysen, vil følsomheten ved fremgangsmåten i relasjon til høyresisten-te jordfeil kunne økes ved erstatning av nullsekvensspen-ningsmålingene i reell tid med en endringsverdivariabel beregnet som avviket fra den aktuelle nullsekvensspenning fra den tilhørende langtidsgjennomsnittsverdi.

Det grunnleggende konsept ved oppfinnelsen er å sammenlig-ne nøytralpunktspenningen JJ0 i forhold til positivsekvenskomponenten Uv for hver fasebenspenning og dessuten i forhold den resulterende nullsekvensimpedans Z0 for nettet.

Fremgangsmåten gir også vesentlige endringer hva angår hvilket spenningskriterium som brukes for feildetektering i stedet for positivsekvenskomponenten for hver fasebenspenning. Passende alternativer er: 1) Spenningen ved det feilbeheftede faseben like for-ut for feilens opptreden 2) Positiv-sekvens-spenningskomponenten for det feilbeheftede ben (under feilen) 3) Summen av positiv- og negativspenningskomponentene for det feilbeheftede faseben (under feilen).

I tillegg til disse alternativer kan nullsekvensspennings-målingene i reell tid erstattes med en trendanalyse av nullsekvensspenningsawiket fra tilhørende langtidsgjennomsnittsverdi (beregnet for eksempel over de siste 10 minutter) . Positiv- og negativsekvenskomponentene for hver fasebenspenning, samt nullsekvensspenningene kan beregnes fra de målte fase-til-nøytral-spenninger ved bruk av den etablerte og velkjente teori hva angår symmetriske komponenter .

Nullsekvensimpedansen for nettet kan beregnes tilnærmet ved hjelp av en nettverksmodell. Ved behov vil nettmodel-len kunne kalibreres for jordkapasitanser Ce og lettresis-tanser Re ved hjelp av jordfeil tester ved bruk av kjente feilresistansverdier.

Claims (5)

1. Fremgangsmåte for detektering og lokalisering av høy-motstandsjordfeil i et elektrisk kraftnett, ved hvilken fremgangsmåte det ved en transformatorstasjon blir målt - den nøytrale punktspenning (U0) i vektorformat, karakterisert ved at - fasebenspenningene i nettet blir målt i vektorformat, - nullsekvensspenningsvektoren som representerer den nøytrale punktspenning (U0), blir formet som vektorsummen av de målte fasebenspenninger - nullsekvensimpedansen (Z„) blir beregnet ved hjelp av en nettverksmodell, - nullsekvensspenningen (Uj blir sammenlignet i vektorformat med vektorene i nettets fasebenspenninger (TJV) og den resulterende nullsekvensimpedans (Z0) for nettet, og - fra disse beregnede variabler blir det avledet feilimpedanser (Z£) for hvert faseben, hvorved det feilbeheftede ben blir identifisert som det ben som har den største verdi av den reelle del av feilimpedansen (Zf) .

2. Fremgangsmåte som angitt i krav l, karakterisert ved at nullsekvensspenningen (y0)blir sammenlignet i vektorformat i forhold til vektorformatet av den positive komponent (Uv) for hver fasebenspenning og ytterliggere i forhold til den resulterende nullsekvensimpedans (Z0) for nettet.

3. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at nullsekvensspenningen (U„) blir sammenlignet med spenningen (Uv) for det feilbeheftede faseben målt like før opptreden av feilen og dessuten i forhold til den resulterende nullsekvensimpedans (Z0) for nettet.

4. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at nullsekvensspenningen (JJ0) blir sammenlignet med vektorsummen (Uv) for den positive og negative sekvensspenningskomponent for det feilbeheftede faseben og dessuten i forhold til den resulterende nullsekvensimpedans (Z0) for nettet.

5. Fremgangsmåte som angitt i ett av kravene 1-4, karakterisert ved at den tidsreelle verdi av nullsekvensspenningen (JJ0) blir erstattet ved sammenligningen med forskjellen i den reelle tidsverdi og langtidsgjennomsnittsverdi for eksempel de gjennomsnittlige verdier av nevnte beregnet over de siste 10 minutter.