CN101097818A - 距离保护继电器和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于配电系统的保护继电器。保护继电器包括设置成感测流入电力线的相应电流的第一和第二电流互感器，以及设置成感测电力线的电压的电压感测设备。保护继电器还包括用于基于来自第一和第二电流互感器的电流信号以及来自电压感测装置的电压信号来确定系统中的故障方向的第一和第二设备。保护继电器还包括用于基于来自第一与第二电流互感器的电流信号之和以及来自电压感测装置的电压信号来确定故障方向的第三设备。控制器装置基于第一、第二和第三设备所确定的故障方向来确定故障是内部的还是外部的。本发明还涉及对应的方法。

Description

距离保护继电器和方法
技术领域
本发明涉及配电系统领域，并且尤其涉及这种系统中的保护继电器。本发明还涉及对应的方法。
背景技术
配电系统包括距离保护系统，其被设置成保护、监视和控制形成该配电系统的一部分的设备的功能。该保护系统尤其防止配电系统的电力线中的短路、过流和过压。
保护继电器在配电系统的各处被用于提供这种保护和控制。保护继电器通过断开和闭合断路器来检测并且隔离输电和配电线上的故障，并且它们通过电流互感器(CT)来工作，其中电流互感器被设置成感测故障电流并且相应地起作用。简言之，可基于对配电系统中的电压和电流状况的观测结果来确定故障方向。对电流和电压波形进行分析，以便确定阻抗。如果阻抗在特定值以上或以下，则可以确定故障是否存在。而且，也可以例如通过确定电压的相位和电流的相位之间的角度来确定故障的方向。
在一个半断路器系统(breaker-and-a-half system)中，来自两组电流互感器的电流信号被相加，以获得在电力线上输出的电流。如果存在外部故障，而大电流通过两个电流互感器，则它们中的一个将饱和。根据哪个电流互感器达到饱和，保护继电器可能做出错误的方向判定。
而且，当电流互感器饱和时，其电感下降，于是，除了上述做出不正确的方向判定的风险之外，还有损害其它负载设备的风险。必须小心处理以避免这种芯饱和，并且应该依赖于其期望的用途而适当地选择电流互感器规格。
目前，这种饱和问题被忽视。因此，没有用于应对电流互感器饱和的故障方向检测算法和设备。
鉴于以上所述，期望提供一种改进的保护继电器来应对电流互感器的饱和。而且，也期望提供对应的方法。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种改进的保护继电器，其具有改进的装置，用于防止与电流互感器的饱和有关的问题，从而克服或者至少减轻现有技术的上述缺点。
本发明的另一目的是提供一种改进的保护继电器，其能够处理电流互感器的饱和。具体地，本发明的一个目的是提供一种保护继电器，通过该继电器，即使在电流互感器达到饱和的情况下，也可以提供正确的故障方向。
本发明的又一目的是提高配电系统中的保护继电器的可靠性。具体地，本发明的一个目的是提高根据故障方向获得的结果的可靠性。
这些目的尤其通过如权利要求1所述的保护继电器和如权利要求11所述的方法来实现。
根据本发明，提供了一种用于配电系统的保护继电器。配电系统包括一个或多个电力线。保护继电器包括设置成感测流入电力线的相应电流的第一和第二电流互感器。而且，设置电压感测设备来感测电力线的电压。保护设备的特征在于：第一设备，用于基于来自第一电流互感器的电流信号和来自电压感测装置的电压信号来确定系统中的故障的方向；第二设备，用于基于来自第二电流互感器的电流信号和来自电压感测装置的电压信号来确定系统中的故障的方向；第三设备，用于基于来自第一和第二电流互感器的电流信号之和以及来自电压感测装置的电压信号来确定系统中的故障的方向；以及控制器装置，用于基于第一、第二和第三设备所确定的故障方向来确定故障是内部的还是外部的。通过本发明，克服了由于电流互感器的饱和而引起的问题。本发明的保护继电器甚至能够应对电流互感器之一真正达到饱和的情况。提供了改进的故障方向的确定，从而提高了配电系统的可靠性。可以以更高的确定性来确定故障方向，并且更快地定位故障，从而便于维护并且降低了电力故障的持续时间。
根据本发明的一个实施例，如果第一、第二和第三设备中的一个或多个指示外部故障，则确定故障为外部故障。由此提高了所确定的故障方向的可靠性。
根据本发明的一个实施例，包括了用于设置电流电平的装置，其中，第一和第二设备被设置成在相应设备中的电流信号低于设置电流电平的情况下被忽略。电流电平优选地设置成低于存在电流互感器之一饱和的风险时的电流电平。而且，该电流电平优选地设置成高于系统的最大负载电流。这同样提高了对电流互感器的饱和所引起的问题的安全性。
根据本发明的一个实施例，第一、第二和第三设备是方向元件(directional element)。因此，可以使用市场上容易得到的设备，从而便于本发明的实施，并且降低成本。
根据本发明的一个实施例，保护继电器还包括若干断路器。于是，保护继电器优选地包括用于响应于所确定的故障来使断路器跳闸的装置。由此提高了使断路器跳闸的判定为正确判定的安全性。
本发明还包括这样的方法，其中实现了与以上相对应的优点。
在阅读以下具体描述时，本发明的更多特征、优点和目的将变得明显。
附图说明
图1示意性示出了其中可以实现本发明的典型配电系统。
图2示意性示出了确定电力系统中的故障的存在的现有技术方法。
图3示意性示出了本发明的一个实施例。
图4是图3中示出的实施例的另一图示。
具体实施方式
通常，保护继电器被设置成保护配电系统的某个部分。就此而言，外部故障是发生在特定保护继电器的保护区之外的故障，而内部故障是发生在其保护区之内的故障。于是，依赖于所确定的故障方向，故障的方向可以指示为内部故障或外部故障。上游通常定义为断路器的源侧(例如变电站)，而下游或前向通常定义为断路器的负载侧。
图1示意性示出了包括保护继电器并且其中可以有利地实现本发明的典型配电系统。输电系统1的图示部分示出为包括第一和第二母线2、3以及一个或多个电力线4、5。该图仅示出了两个电力线；但是，应该认识到，可以有任意数目的电力线。而且，应该认识到，母线可以包括任意适合数目的母线，例如三个母线。从两个方向、即从两个母线向电力线4、5馈电，并且设置电流感测装置如电流互感器来感测每个相应的馈线上的电流，由此通过将来自两个电流互感器的电流相加来获得在电力线4、5上输出的电流。
保护继电器6被设置成感测故障并且启动断开命令，也称为启动跳闸。为便于保护继电器检测故障，系统1包括上述用于感测电流的装置，该装置典型地包括电流互感器CT1、CT2。电流互感器CT1、CT2被设置成提供与流入电力线4、5的电流ILoad成比例的信号。而且，还提供了用于感测电力线4、5上的电压的装置7，典型地是用于将电力系统的高电压降为便于继电器6处理的适宜电平的电压互感器。系统1还包括若干断路器CB1、CB2和CB3，其被设置成基于从保护继电器6接收的命令来断开或闭合输电系统1。
保护继电器6还包括控制电路，用于确定故障是内部的还是外部的，并且命令各个断路器CB1、CB2、CB3相应地断开。
为了透彻地理解本发明，参考图2对确定故障方向的公知方式进行简要的描述。在多断路器设置如环形母线设置或一个半断路器设置中，来自两组电流互感器CT1、CT2的电流信号I(CT1)、I(CT2)在加法器8中相加，以便获得与电力线上的电流成比例的电流信号。该信号被提供给保护继电器6，电力线上的电压通过电压感测装置如电压互感器7也提供给保护继电器6。可通过确定阻抗来检测故障。这可以例如通过将来自前一电力周期的电流采样与来自当前周期的电流采样进行比较并且确定采样之间的差的符号来实现。此后，将电压的符号与电流的符号进行比较，于是可以确定故障方向的指示。但是，如本说明书的开头部分所述，电流互感器CT1、CT2之一可能达到饱和，这又可导致做出不正确的方向判定。
图3示意性示出了本发明的一个实施例。在适用时，图1和图2中所使用的相同标号也用于图3。
与现有技术中类似，来自第一和第二电流互感器CT1、CT2的电流在加法器8中相加。相加的电流以及表示电力线上的电压的电压信号被提供给方向元件11。然后可以以常规方式确定故障的方向。
根据本发明，故障的方向还通过单独确定通过保护继电器6的每个电流互感器CT1和CT2的相应电流I(CT1)、I(CT2)的方向来确定。即，电流信号I(CT1)和I(CT2)也分别提供给方向元件10和12。指示电力线上的电压的电压信号VT也提供给两个方向元件10和12，并且相应的故障方向得以确定。
在本发明的一个实施例中，如果电流互感器CT1或CT2之一通过其相应的方向元件10、12指示外部故障，那么，故障被认为是外部的。对于应被认为是内部故障的故障，所有三个设备10、11和12必须指示该故障确实是内部的，否则该故障被认为是外部的。
但是，尽管上述方案在大多数情况下起到良好的作用，但是，这种方案在高电阻故障下会引起问题。在伴随从第一母线到电力线或者到第二母线的高通过负载(high through load)的高电阻故障下，电流互感器CT1或CT2之一的电流方向可能实际上与电力线上的电流方向相反。
为了克服这种情形，并且根据本发明的另一实施例，引入电流电平Isetting，在其以下的来自设备10和12的输出信号被忽略。仅来自设备11的输出信号即相加电流的方向被用于确定故障的存在和方向。
电流电平Isetting被选择为高于系统1的最大负载电流。优选地，其也可以设置为低于存在饱和的风险时的电流。
作为一个优选实施例，图4中概括了对本发明保护装置的操作的上述描述。第一设备10基于来自第一电流互感器CT1的电流信号和表示电力线上的电压的电压信号来确定故障方向。如果故障方向被指示为内部的，并且如果电流信号在设置值以下，则第一设备10指示内部故障。这些要求由补充输入逻辑门(complemented input logic gate)13示出。如上所述，电流值应该设置成使电流互感器饱和的风险最小。
类似地，第二设备12基于来自第二电流互感器CT2的电流信号和表示电力线上的电压的电压信号来确定故障方向。如果故障方向被指示为内部的，并且如果电流信号在设置值以下，则第二设备12指示内部故障。这些要求由补充输入逻辑门14示出。
最后，第三设备11被设置成基于来自相应电流互感器CT1、CT2中的每个电流互感器的单独电流信号之和来确定故障方向。电流信号之和I(CT1)+I(CT2)应该在最小工作电流电平IMinOp以上。如果这两个要求均满足(如“与”门15所示)，则第三设备11指示内部故障。
如果所有三个设备10、11、12都指示内部故障，则确定故障为内部的。这在图中由“与”门16示出。
这样，在该优选实施例中，如上所述，仅在相应电流互感器CT1和CT2的电流信号I(CT1)和I(CT2)符合设置电流电平的情况下使用故障方向确定设备10和12。在图中，该设置电流电平指示为饱和电流ISat。而且，在该优选实施例中，故障方向确定设备11应该具有大于最小工作电流IMinOp的总电流I(CT1)+I(CT2)。如本领域所公知的那样，该工作电流IMinOp可以例如依赖于噪声电平以常规方式来选择。如果故障确定设备10、11或12中的一个或多个指示外部故障，则故障被确定为外部故障。当且仅当所有启动的设备10、11和12指示内部故障的情况下，故障被确定为内部故障。即，设备10与12之一可以具有设置电流电平ISat以下的电流信号，在这种情况下，两个其余的设备，即11和10与12之一，被用于确定故障方向。设置成确定电流互感器之和的设备11因此总是被用于确定。
借助上述保护设备，即使电流互感器之一达到饱和，也可以确定故障的方向。在这种情况下，使用由非饱和的电流互感器所提供的故障方向。与常规情况下仅使用一个方向元件相比，根据本发明的保护继电器需要略微多一些的处理能力。
上述发明特别适合于在采用如下设置的距离保护中使用，该设置用于处理这种系统中的CT饱和问题，如一个半断路器设置或环形母线设置。
总之，通过本发明，克服了由于电流互感器的饱和而引起的问题。根据本发明，保护继电器甚至能够应对电流互感器之一真正达到饱和的情况。提供了改进的故障方向的确定，从而提高了配电系统的可靠性。可以以更高的确定性来确定故障方向，并且可以更快地定位并处理故障，从而便于维护并且降低了电力故障的持续时间。
在以上具体描述中，参考本发明的特定示例性实施例描述了本发明。可以在权利要求书所限定的本发明的范围内对本发明进行各种修改和变化。因此，说明书和附图应被认为是示例性的而不是限制性的。

Claims (18)

1.一种用于配电系统(1)的保护继电器，所述配电系统(1)包括一个或多个电力线(4、5)，所述保护继电器包括设置成感测流入电力线(4、5)的相应电流的第一和第二电流互感器(CT1、CT2)，以及设置成感测所述电力线(4、5)的电压的电压感测设备(7)，其特征在于
-第一设备(10)，用于基于来自所述第一电流互感器(CT1)的电流信号和来自所述电压感测装置(7)的电压信号来确定所述系统(1)中的故障的方向，
-第二设备(12)，用于基于来自所述第二电流互感器(CT2)的电流信号和来自所述电压感测装置(7)的电压信号来确定所述系统(1)中的故障的方向，
-第三设备(11)，用于基于来自所述第一与第二电流互感器(CT1、CT2)的电流信号之和以及来自所述电压感测装置(7)的电压信号来确定所述系统(1)中的故障的方向，以及
-控制器装置，用于基于所述第一、第二和第三设备(10、11、12)所确定的故障方向来确定故障是内部的还是外部的。
2.根据权利要求1所述的保护继电器，其中，如果所述第一、第二和第三设备(10、11、12)中的一个或多个指示外部故障，则确定所述故障为外部故障。
3.根据权利要求1或2所述的保护继电器，还包括用于设置电流电平Iset的装置，其中，所述第一和第二设备(10、12)被设置成在相应设备(10、12)中的电流信号低于所述设置电流电平Iset时被忽略。
4.根据权利要求3所述的保护继电器，其中，所述电流电平Iset被设置成低于存在所述电流互感器(CT1、CT2)饱和的风险时的电流电平。
5.根据权利要求3或4所述的保护继电器，其中，所述电流电平Iset被设置成高于所使用的最大负载电流。
6.根据任一前述权利要求所述的保护继电器，其中，所述第一、第二和第三设备(10、11、12)是方向元件。
7.根据任一前述权利要求所述的保护继电器，其中，所述保护继电器进一步包括许多断路器。
8.根据权利要求7所述的保护继电器，其中，所述保护继电器进一步包括用于响应于所确定的故障来使断路器跳闸的装置。
9.根据任一前述权利要求所述的保护继电器，其中，所述保护继电器在一个半断路器系统中使用。
10.一种配电系统(1)，包括一个或多个如权利要求1到9中任一项所述的保护继电器。
11.一种关于配电系统(1)的保护继电器的方法，所述配电系统(1)包括一个或多个电力线(4、5)，所述保护继电器包括设置成感测流入电力线(4、5)的相应电流的第一和第二电流互感器(CT1、CT2)，以及设置成感测所述电力线(4、5)的电压的电压感测设备(7)，其特征在于如下步骤：
-在第一设备(10)中，基于来自所述第一电流互感器(CT1)的电流信号和来自所述电压感测装置(7)的电压信号来确定所述系统(1)中的故障的方向，
-在第二设备(12)中，基于来自所述第二电流互感器(CT2)的电流信号和来自所述电压感测装置(7)的电压信号来确定所述系统(1)中的故障的方向，
-在第三设备(11)中，基于来自所述第一与第二电流互感器(CT1、CT2)的电流信号之和以及来自所述电压感测装置(7)的电压信号来确定所述系统(1)中的故障的方向，以及
-在控制器装置中，基于所述第一、第二和/或第三设备(10、11、12)所确定的故障方向来确定故障是内部的还是外部的。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，如果所述第一、第二和第三设备(10、11、12)中的一个或多个指示外部故障，则确定所述故障为外部故障。
13.根据权利要求11或12所述的方法，进一步包括设置电流电平Iset的步骤，其中，如果相应设备(10、12)中的电流信号低于所述设置电流电平Iset，则断开所述第一和第二设备(10、12)。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述电流电平Iset被设置成低于存在所述电流互感器(CT1、CT2)之一饱和的风险时的电流电平。
15.根据权利要求13或14所述的方法，其中，所述电流电平Iset被设置成高于最大负载电流。
16.根据权利要求11-15中的任一项所述的方法，其中，所述第一、第二和第三设备(10、11、12)是方向元件。
17.根据权利要求11-16中的任一项所述的方法，其中，所述保护继电器进一步包括许多断路器。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述保护继电器响应于所确定的故障来使断路器跳闸。
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