用于三相配电电缆的故障分类的装置和方法制造方法及图纸

一种基于DC分量的用于三相配电电缆的故障分类装置和方法。其利用电缆表面布置的磁传感器阵列测量电缆周围的磁场(同时安装屏蔽罩屏蔽外界干扰磁场)以重构三相电缆电流，并通过故障后DC分量的存在和极性判断故障类别。数据采集系统从传感器获取模拟信号，并且在故障之后的瞬态期间，处理系统通过数学形态学提取各相的模拟信号中的DC分量。当故障发生时，因为在感性电网故障相中存在大的电流变化，所以故障相中出现这些DC分量。

【技术实现步骤摘要】
用于三相配电电缆的故障分类的装置和方法
本专利技术涉及一种用于对三相配电电缆中的短路故障状况进行分类的装置和方法。更具体地，其涉及通过磁场测量重构电流并在故障发生后的瞬态期间识别相中DC分量的存在进行分类的装置和方法。
技术介绍
电力系统需要可靠的配电网来确保输送给客户的电力质量。尽管为了避免恶劣的天气条件以及城市美观，配电电缆部署在地下。但是由于内部绝缘击穿或外部损坏，故障仍然常见于这些地下配线电缆。例如，在绝缘击穿时发生相接地短路故障，导致相导体和接地屏之间的物理接触。因为导体之间的绝缘可能会因潮湿而击穿，所以还可能存在相间短路故障。根据所涉及的故障相的数量和接地情况，故障可分类为(1)单相接地短路故障；(2)相间短路故障；(3)两相接地短路故障；(4)三相短路故障。短路故障的后果可能非常严重。因此，应在尽可能短的时间内通过继电器清除故障以减少其不利影响。电力系统中的短路故障可能导致非常严重的后果，例如(1)故障点和沿输电/配电线路过热引起的火灾和爆炸；(2)系统元件上的生热和电动力，其可能会损坏系统元件以及降低其使用寿命；(3)由于供电不足，给客户和工业公司带来巨大的经济损失；(4)因为并联操作的电网也可能受到影响和振荡，电力系统由于断路器的串级跳闸甚至竞争系统或电网关闭而发生故障。从最初研究电力系统的故障分类方法以来，已经专利技术了一系列稳态故障分类方法，包括电流(电压)峰值方法和阻抗方法。当发生短路故障时，电流增加到较大值，同时电压降至较小值。通过对于电流峰值方法和电压峰值方法设置阈值，可以通过判断是否达到阈值来识别故障相。阻抗方法用于通过定义相电压与电流的比率来实现更高的灵敏度。然而，基于稳态的故障分类方法并非迅速，因为瞬态持续时间可持续约5个周期，而超高速保护方案需要在1～2个周期内的快速故障分类。新研究提出了一系列基于瞬态的故障分类方法以便提高故障分类速度。该类方法满足超高速保护方案的要求并使得故障的不利影响最小化。例如，Al-hassawi团队提出了一种相差方法(PhaseDifferenceMethod)，用于将三相的测量相电流(电压)差异与预分析的故障结果进行比较。Al-hassawi等人发表了“Aneural-network-basedapproachforfaultclassificationandfaultedphaseselection”，载于IEEEConferenceonElectricalandComputingEngineering(1996年)。Bo等人开发了高频噪声(60kHz)(High-FrequencyNoise(60kHz))方法，用于检测故障相中是否存在60kHz高频噪声来识别故障相，Bo等人发表了“Anewapproachtophaseselectionusingfaultgeneratedhighfrequencynoiseandneuralnetworks”，载于IEEETransactiononPowerSystems,vol.12,pp.106-115(1997)。2013年，DeSouzaGomes小组提出了角差法(AngularDifferenceMethod)来测量每相的正负电流的角度差异，并与预分析中的故障条件进行比较。DeSouza等人发表了“Detectionandclassificationoffaultsinpowertransmissionlinesusingfunctionalanalysisandcomputationalintelligence”，载于IEEETransactionsonPowerDelivery,vol.28,pp.1402-1413(2013)。2004年还提出了电流小波频谱法(WaveletSpectrumofCurrentMethod)，以比较故障相和健康相之间的小波频谱。Youssef发表了“Combinedfuzzy-logicwavelet-basedfaultclassificationtechniqueforpowersystemrelaying”，载于IEEETransactionsonPowerDelivery,vol.19,pp.582-589(2004)。Shu等人开发了一种高频能量(10-20kHz)方法(High-FrequencyEnergy(10-20kHz))来检测故障相和健康相之间的能量谱。Shu等人发表了“FaultphaseselectionanddistancelocationbasedonANNandS-transformoftransmissionlineintrianglenetwork”，公开于3rdInternationalConferenceonImageandSignalProcessing(2010)。但是，这类方法仍存在如下缺点，例如(1)需要预校准；(2)准确度可能受到电磁干扰的影响，以及(3)无法区分正常状态和三相短路故障。表I列出了每种方法的详细的缺点，这些缺点的影响显而易见，如下：(1)预校准要求：用于设置继电器阈值的人力成本大概占继电保护投资的30％。随着世界电力消耗和配电网络的急剧扩张，这种成本变得越来越昂贵。(2)易受电磁干扰的影响：由于故障相和正常相之间的电磁耦合，这可能导致错误的故障分类结果。随着高频电子设备的大量部署，这个问题变得更加严重。(3)失灵：一些技术可能无法识别三相短路故障，因为三相短路故障的部分特征量仍然像正常运转时一样对称。这种情况下继电器不会跳闸，故障可能会扩大而导致非常严重的后果。表I.传统故障分类方法之间的比较因此，为了以适当的保护方案使继电器跳闸，在检测到故障之后对故障类型进行准确的分类非常关键。虽然在故障后状况下有许多瞬态方法可以对故障进行分类，但仍然缺少一种的故障分类方法，其不需要预校准、不受电磁干扰影响，且可以可靠地识别三相短路故障。
技术实现思路
本专利技术针对如何在故障发生后的瞬态期间内对短路故障类型(单相接地短路故障、两相接地短路故障、相间短路故障和三相短路故障)进行分类，这对于隔离故障和恢复电力系统具有重要意义。本专利技术的目的是克服上述问题以进一步提升故障分类的准确性。本专利技术通过磁场测量重构电流，并检测故障相中电流的DC衰减分量以判别故障类型。它是一种非侵入式系统，可以简便安装到现有的配电电缆中。利用电流中衰减的DC分量进行故障分类具有以下优点。首先，不需要预校准来初始化不同配电网络的继电器，因为该方法不需要基于故障前的状态来确定阈值。其次，DC分量是稳健的，因为电力系统中的电磁干扰一般具有高频带宽(>kHz)，并不与DC的频率带宽重叠。最后，DC分量可以可靠地将三相短路故障与正常状态区分开，因为DC分量仅在故障条件下出现。因此，采用DC分量进行故障分类比传统方法更有优势。本专利技术提供了一种关于故障分类的装置和方法，它能够增强可靠性、降低人力成本并增加维修人员的安全性。根据本专利技术的实施例，提供了一种用于测量三相配电电缆表面周围的磁场的装置。该装置包括磁传感器阵列、由高磁导率材料制成的多层磁屏蔽罩，以及数据采集和处理系统。该实施例的操作方法在故障发生之后通过在故障之后的瞬态期间判断故障相本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于三相配电电缆的故障分类的装置，包括：至少三个磁传感器，其中所述传感器以圆形方式布置以形成围绕所述电缆的阵列；磁屏蔽罩，用于容纳所述磁传感器和阻挡外部磁场干扰；数据采集系统，用于从所述传感器获取模拟信号；和处理和显示系统，用于在故障后的瞬态期间提取各相的所述模拟信号中的DC分量并显示。

【技术特征摘要】
2017.12.05 US 15/831,5581.一种用于三相配电电缆的故障分类的装置，包括：至少三个磁传感器，其中所述传感器以圆形方式布置以形成围绕所述电缆的阵列；磁屏蔽罩，用于容纳所述磁传感器和阻挡外部磁场干扰；数据采集系统，用于从所述传感器获取模拟信号；和处理和显示系统，用于在故障后的瞬态期间提取各相的所述模拟信号中的DC分量并显示。2.根据权利要求1所述的装置，其中所述传感器是霍尔效应(Hall-effect)传感器、各向异性磁阻(AMR)传感器、隧道磁阻(TMR)传感器、巨磁阻(GMR)传感器，或其他的微型磁传感器。3.根据权利要求1所述的装置，其中所述磁屏蔽罩是多层的并且由高磁导率材料制成。4.一种对电力系统的三相配电电缆中的故障进行分类的方法，包括以下步骤：通过多个磁传感器测量三相电缆表面周围的磁场；应用三相电流提取程序(TCE)通过随机优化的方法由...

【专利技术属性】
技术研发人员：庞永达，朱科，
申请(专利权)人：香港大学，
类型：发明
国别省市：中国香港,81