CN101291053B - 电路保护系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电路保护系统。一种保护具有电力开关设备(114，122，140，142，144，115，113，330)的电路(110)的方法包括将至少一个次级开关设备中的电流传送到至少一个主开关设备(113)，以及至少部分地基于传送到所述至少一个主开关设备的所述至少一个次级开关设备中的所述电流的特性来确定在至少第一(120)中的故障状态的存在以执行差动保护。

Description

电路保护系统

技术领域

本公开通常涉及配电系统，更尤其涉及用于提供多个区保护功能的电路保护系统的方法和装置以用于贯穿系统的区保护。 

背景技术

在配电系统中，电力被分配到不同的负载，并且典型地被划分到分支电路，所述分支电路提供电力到指定的负载。分支电路也可以被连接到其它的电力分配装置。 

由于对系统中如故障或过载的异常电力情况的关注，提供电路保护设备或电力开关设备，如电路断路器，以保护电路是公知的。电路断路器追求防止或最小化损坏，并且一般为自动起作用。电路断路器还追求在故障状态下的电力供应中断的范围和持续时间的最小化。 

配电系统包括不同的分配级，每一级的功率流(power flow)通过电路断路器控制。在故障或过载的情况下，最靠近故障的电路断路器需要尽可能快地跳闸以中断功率流，并避免对配电系统的损坏。为了保证只有系统的所需部分被断开，上游电路断路器必须被限制在有限的时间延迟(或通过相反时间-电流关系的延迟)不会跳闸，以使得下游电路断路器清除故障。在故障下游导致不期望的高通泄能量(let through energy)的情况下这引起上游电路断路器跳闸时间中的时间延迟。通泄能量发生在上游断路器应当跳闸时，但上游断路器被配置为等待时间周期以允许下游断路器跳闸，在该时间周期期间持续的流被通泄。 

配电系统的设计必须为不同断路器单独地建立跳闸设置，使得断路器被协调成具有跳闸时间曲线，所述曲线在配电系统的分配级的上游方向上或级联设置中延迟跳闸时间。图1示出了示例性的现有技术配电系统10的示意图。现有技术配电系统10包括多个电路断路器12。现有技术配电系统10的一个支路17包括多个级14。该多个分配级包括具有包含在分配板中的电路断路器的第一级16，具有包含在子分配开关板中的电路断路器的第二级18，具有包含在电力分配开关板中的电路断路器的第三级20，以及具有包含在主开关板中的电路断路 器的第四级22。相对于功率流，第一级16的电路断路器连接到第二级18的下游，第二级18的电路断路器连接到第三级20的下游，以及第三级20的电路断路器连接到第四级22的下游。例如，第一级16包括20安培的电路电路器，第二级18包括100安培的电路断路器，第三级包括1200安培电路断路器下游的400安培的电路断路器，以及第四级包括4000安培的电路断路器。 

诸如现有技术配电系统10的这种现有系统无法清除故障以至于故障持续流过系统直到它通过足够敏感以检测到此故障的断路器为止。因此，如图2中所示，较大的上游过电流设备或电路断路器30必须比较小的下游设备或电路断路器32更不敏感以及更慢。上游电路断路器30和下游电路断路器32中的每一个被连接到提供逻辑和信息处理以作出跳闸决定的电子跳闸设备31，33以提供过电流保护功能。图2示出了在记录图表上在上游电路断路器30和下游断路器32中从发出跳闸到清除故障电流的时间段内所存在的故障电流。如曲线B1所示，在如箭头F1所示的故障电流流动期间，上游电路断路器30没有跳闸直到允许下游电路断路器32跳闸的时间段之后为止，其在轴A1上示出。在级联配电系统中，灵敏度和速度必须不合需要地被协调要求例如在上游断路器30和下游断路器32之间的时间延迟而不是保护或安全要求所指示。这增加了系统损坏的危险，如不能及时清除故障，增加了通泄。随着设置变得更大以及断路器变得更慢，当断路器等待下游断路器跳闸时，用于检测流量和确定流量是否过大的时间延迟增加。由于故障的通泄很危险并导致配电系统的昂贵部件的失效/融化，因此极其需要最小化通泄。 

现有技术区选择性联锁(ZSI)系统仅仅提供(是/否)在两个串联的过电流器件之间的通信。底部(负载侧)设备或下游电路断路器232传送给上部(线路侧)设备或上游电路断路器230其是否对故障作出反应。当上游电路断路器230没有接收下游电路断路器232检测到故障的信号时，它知道加速其本身以更快速地操作。由此，如图4所示，在故障状态下，由箭头Z所示的在主或上游电路断路器230和辅或下游电路断路器232之间的通信，改进了在曲线A1所示的上游电路断路器230和曲线B1所示的下游电路断路器232之间的中断图2所示的现有技术配电系统10的较大上游过电流设备或电路断路器30和较小下游设备或电路断路器32上的功率流的在时间轴上示出的时间周期。上游电路断路器230和下游电路断路器232中的每一个具有提供逻辑和信息处理以作出跳闸 决定的电子跳闸设备231，233，以提供过电流保护功能。由于在现有技术系统10上需要容限和负载支持，ZSI系统不期望地只改进了故障足够高以在预先确定的拾取阈值之上并且不能增加上游电路断路器如上游电路断路器230的灵敏度时的上游电路断路器和下游电路断路器之间的延迟。 

如果断路器具有增加的灵敏度，则断路器会在应由另一个断路器负责的故障时跳闸。由此，在保护和协调之间存在问题。系统10的每个断路器作出独立的决定。这也降低了系统的效率，例如通过不及时地断开电路断路器和有害跳闸，并且能增加在故障状态下的电服务中断的程度和持续时间。 

由此，需要并入配电系统中的电路保护系统，其降低了配电系统的损坏危险并提高了其效率。还需要改进上游电路断路器和下游电路断路器之间的延迟以及相对于现有技术提高上游电路断路器的灵敏度的电路保护系统。 

发明内容

一种保护具有电力开关设备的电路的方法，包括将至少一个邻接开关设备中的电流传送到至少一个主开关设备，并且至少部分地基于该至少一个邻接开关设备中的传送到该至少一个主开关设备的电流的特性确定在至少第一区内的故障状态的存在以执行差动保护。 

一种用于具有电力开关设备的电路的保护系统的方法，包括限定多个区，该多个区的每一个具有至少一个主开关设备和至少一个次级开关设备，在该多个区的每一个中所述至少一个次级开关设备与所述至少一个主开关设备通信，在该多个区的每一个中传送该至少一个次级开关设备中的电流到该至少一个主开关设备，并且通过该多个区的每一个中的该至少一个主开关设备确定故障状态的存在以执行差动保护。 

该方法可进一步包括通过总线差分计算将多个输入和输出电流相加以发现第一区中的故障。所述确定可包括基于主电力开关设备电流信息和由在第一区中的邻接电力开关设备传送到那的信息执行计算来确定在第一区中的故障的存在。第一区可包括输入和输出电流。如果第一区没有故障则全部电流的瞬时向量和可能等于零加上预定测量误差，并且如果所述和超过零大于预定测量误差的值，那么在第一区中可能存在没有被计入的电流，该电流被分类为故障。该方法可进一步包括通过该至少一个主开关设备中断电路中的功率流。该至少一个主开关设备可在一时间周期后中断功率流。该方法可进一步包括调整该时间 周期。该调整可包括在故障状态存在的情况下调整该至少一个主电力开关设备到比该至少一个邻接电力开关设备更慢的设置，以及在故障状态不存在的情况下调整该至少一个主电力开关设备到与该至少一个邻接电力开关设备相等的设置。该方法可进一步包括检测电流。该方法可进一步包括具有至少第二主开关设备和至少第二邻接开关设备的第二区，所述至少一个邻接开关设备可以是该第二主开关设备。 

该方法可进一步包括通过总线差分计算将该多个区的每一个中的多个输入和输出电流相加以发现该多个区的每一个中的故障。所述确定可包括基于该一个主开关设备电流信息和由在该多个区的每一个中的次级开关设备传送到那的信息执行计算来确定在第一区中的故障的存在。该多个区均可包括输入和输出电流。如果该多个区的每一个没有故障则全部电流的瞬时向量和可能等于零加上预定测量误差，以及如果所述和超过零大于预定测量误差的值，那么在该多个区的每一个中存在没有被计入的电流，该电流被分类为故障。该方法可进一步包括通过该至少一个主开关设备中断电路中的功率流。该至少一个主开关设备可在一时间周期后中断功率流。该方法可进一步包括调整该时间周期。该调整可包括在故障状态存在的情况下调整该至少一个主开关设备到比该至少一个次级开关设备更慢的设置，以及在故障状态不存在的情况下调整该至少一个主开关设备到与该至少一个次级开关设备相等的设置。该方法可进一步包括检测电流。该多个区的一个中的至少一个次级开关设备可以是该多个区中的另一个区的主开关设备。 

本领域技术人员可从下面的详细描述、附图及所附权利要求中理解上面所描述的以及本公开的其它特征和优点。 

附图说明

图1是示例性现有技术配电系统的示意图； 

图2是在示例性现有技术配电系统中故障电流随时间的图示； 

图3是在现有技术区选择联锁配电系统中故障电流随时间的图示； 

图4是用于配电系统的区处理系统的示例性实施例的示意图； 

图4a是区处理系统的示例性实施例的电力开关设备的示意图； 

图5是包括总线差分保护的区处理系统的示例性实施例的故障电流随时间的图示； 

图6是区处理系统的电力开关设备的示例性实施例的示意图； 

图7是包括区处理系统的实例研究的示例性实施例的局部示意图； 

图8是区处理系统的示例性实施例与第一电力开关设备的示例性现有技术配电系统的通泄能量的比较的图示；以及 

图9是区处理系统的示例性实施例与第一电力开关设备的示例性现有技术配电系统的通泄能量的比较的图示。 

具体实施方式

现在参考附图，尤其是图4，区配电系统(以后为“系统”)的示例性实施例通常由附图标记110表示。系统110通过多个电力开关设备或电路断路器114分配电力到支路电路116，再到一个或多个负载118。每个电路断路器114具有感测设备和通信设备。电路断路器114可附加地包括处理器。电路断路器，例如，不具有相对于功率流的任何电路断路器下游的支路电路断路器122，可不具有处理设备。 

电路断路器114可包括电源过电流保护设备或电路断路器140和支路过电流保护设备或电路断路器142，如图4a所示。电源过电流保护设备140被置于来自电源的电流期望流入的位置。在一些情况下，电源过电流保护设备140也能在连系过电流保护设备(tie overcurrent protection device)144的情况下为负载或输出区。支路过电流保护设备或电路断路器142是馈给端用负载156的最后设备并且此后没有进一步的配电。 

系统110是区控制和整体集成的保护，监控和控制系统。一个或多个区120由电源和负载自动过电流保护设备或电路断路器114界定。区120可通过连系电路断路器144和输出馈电线或电源区叠置至主负载区，如，叠置区146，如图4a所示。系统110被配置使得每个电路断路器114作用为主断路器，如，系统110中的主电路断路器之一是主断路器115，用于直接连接到主断路器的下面或下游的断路器，以及次级断路器，如，系统110中的次级电路断路器之一是次级断路器113，至直接在主断路器的上面或上游的电路断路器。次级断路器在主断路器的下面或下游。主断路器在次级断路器的上面或上游。每个断路器114可通过感测设备感测电流和/或电压。每个电路断路器114可通过通信设备传送感测到的电流和/或电压到主断路器。 

主断路器采用由次级或邻接电路断路器传送的信息，如图5的箭头Z1所示， 以通过处理器158对区120之一执行差动保护。差动保护基于Kirchoff电流定律，此定律声明流入结或节点的全部电流必定等于流出该节点的全部电流。主电路断路器基于其自身的电流信息和由主电路断路器的区中的次级断路器传送到那的信息执行计算。基于计算的结果，主断路器确定主电路断路器的区中过电流或故障的存在或被传送到较低区。区120具有输入和输出电流。如果区120之一没有故障，则所有电流的瞬时向量和应当等于零加上预定测量误差。如果所述和超过零大于预定测量误差的值那么在该区中存在被分类为故障的没有计入的电流。对于主断路器执行计算，应当在主电路断路器的区中同步来自每个入口和出口的瞬时值，或同步每个输入/输出(I/O)点的相量值。每个次级电路断路器必须测量以及传送测量值到主断路器。每个主断路器接收测量值并处理以用于它所指定的区。这个决定的敏感度和速度是基于硬件的感测和计算极限的，没有由电路断路器114的速度或延迟强加的选择性限制。 

基于主和次级电路断路器感测到的状态和基于其自身的电流信息和由主电路断路器的区中的次级断路器传送到那的信息的计算，主断路器的处理器可包括算法以调整时间周期至主断路器和次级电路断路器之间的任何时间周期以中断功率流。当次级电路断路器指示不存在故障状态时，主断路器在可以与次级电路断路器的时间设置相等的较快的设置下操作。因此，如图5所示，在主或上游电路断路器330和次级或下游电路断路器332之间的通信，如箭头Z1所示，以及由主电路断路器330的计算，改进了在故障状态下，曲线A3示出的上游电路断路器330和曲线B3示出的下游电路断路器332之间的中断在图2中所示的现有技术配电系统10的较大上游过电流设备或电路断路器30和较小下游设备或电路断路器32的功率流的在时间轴上示出的时间周期。 

使用者或设计师必须限定用于一个或多个区120的每一个的至少一个主电路断路器。主电路断路器可以在该区和电源之间并且不是在该区和负载之间的电路断路器。如果区包括一个电路断路器和负载，那么对于仅包括自身的区来说该一个电路断路器就是其自己的主断路器。 

如图5所示，系统110的敏感度可以通过附加的具有总线差分87B功能的主断路器改进。总线差分将多个输入和输出电流相加以发现该区中的故障。用于总线差分计算(87B)或功能的处理设备或逻辑电路340采用对于所有输入和输出电流的同步的相量值，由此可以计算全部的节点电流之和。总线差分可以制作成对较小的故障、甚至对小于电路的整个负载电流敏感，仅由感测机构的精度限制而不被协调需要所限制，但是，在一些情况下，由于电流变压器的饱和而可能对于较高的故障值不适用。但是，在系统110中结合总线差分功能提供了检测由电路断路器的中断等级限制的潜在故障值的整个范围的能力，如，在高至200,000安培的一些情况下并且除了相位保护之外进一步包括零序(接地故障)故障，保证了接地故障和相位保护之间的选择性。由此，如图5所示，用于总线差分计算(87B)或功能的设备或逻辑电路340，在故障状态下，增加了如图2所示的现有技术配电系统10的较大上游过电流设备或电路断路器30和较小下游设备或电路断路器32上的敏感度，如曲线C3所示。

如图6所示，通信设备可以是，如，一个或多个节点150。感测器152可为检测电流的任何感测器。感测器可与断路器集成或安装到断路器的外部。感测器152可提供与电流幅值成比例的模拟信息信号。该模拟信息信号被发送到数字化和打包该模拟信息信号的节点150，用于通信目的，并将其发送至通信接口154，其然后向主断路器传送该信息。该通信接口154接收来自电路断路器114中的多个点的多个信息块，并可以打包该信息。电路断路器114的层次结构可以由逻辑电路，手动接口，结构体系或其任何组合通过处理器自动建立。通信接口154可包括电力线运载通信，类似于移动电话网络的无线通信接口，或任何其它通信接口。 

直接连接到负载、支路电路断路器142的每个电路断路器114不需要处理器或来自其它电路断路器的信息，但是它需要与上面的主断路器通信。需要用于上述功能的硬件。配电系统部件156，如图6中所示，可以为负载，电缆，任何配电系统部件，或其任何组合。在存在一个以上的电路断路器114具有处理器的情况下，每个处理器具有被本地执行用于次级断路器的算法。 

对模型配电系统410执行实例研究，如图7所示。图7是研究中的系统的局部视图。模型配电系统410包括多个电路断路器414和变压器415。模型配电系统410的MS主电路断路器MS Main的通泄能量特征基于用于电路断路器的现有技术级联控制方法来分析，并与这里描述的对于仅由固有能力例如感测技术和存储器限制的敏感度和保护最优化的区配电系统相比较。比较基于安培的平方乘以秒，其是与能量成比例的数学值，用于两种故障情形：图8和图9所示的接地故障和面故障(face fault)。如图8和9所示，这里所述的区配电系统 相比于现有技术级联控制和区选择联锁方法可将通泄能量降低60％-75％。 

虽然参考了一个或多个示例性实施例描述了本公开，但本领域技术人员应当理解，在不偏离本发明的范围的情况下可以进行多种改变并且其元件可采用等价物替换。另外，在不偏离本发明的范围的情况下可以进行多种修改以适应本公开的教导的特定情形或材料。因此，本公开并不被这里揭示的作为实施本发明的最优模式的特定实施例所限制，而是本发明应包括落入所附权利要求范围内的所有实施例。 

部件列表 

现有技术配电系统10 

电路断路器12 

支路17 

多个级14 

第一级16 

第二级18 

第三级20 

第四级22 

上游电路断路器30 

下游电路断路器32 

电子跳闸设备31 

电子跳闸设备33 

下游电路断路器232 

上游电路断路器230 

电子跳闸设备231 

电子跳闸设备233 

配电系统110 

电路断路器114 

支路电路116 

负载118 

支路电路断路器122 

电源电路断路器140 

支路电路断路器142 

连系过电流保护设备144 

端用负载156 

区120 

叠置区146 

主断路器115 

次级断路器113 

处理器158 

主或上游电路断路器330 

次级或下游电路断路器332 

上游电路断路器30 

处理设备340 

节点150 

感测器152 

通信接口154 

配电系统部件156 

模型配电系统410 

多个电路断路器414 

变压器415 

Claims (7)

1.一种保护具有电力开关设备(114，122，140，142，144，115，113，330)的电路(110)的方法，该方法包括：

将至少一个邻接开关设备中的电流传送到至少一个主开关设备(113)；以及

至少部分地基于传送到所述至少一个主开关设备(115)的所述至少一个邻接开关设备中的所述电流的特性确定在至少第一区(120)中的故障状态的存在以执行差动保护；以及

所述至少一个主开关设备在一时间周期后中断功率流，所述方法进一步包括调整所述时间周期，其中所述调整包括在所述故障状态的所述存在的情况下调整所述至少一个主开关设备到比所述至少一个邻接开关设备更慢的设置，以及在所述故障状态的不存在的情况下调整所述至少一个主开关设备到与所述至少一个邻接开关设备相等的设置。

2.权利要求1所述的方法，进一步包括通过总线差分计算将多个输入和输出电流相加以发现所述第一区中的故障。

3.权利要求2所述的方法，所述确定包括基于所述至少一个主开关设备电流信息和由在所述第一区中的所述至少一个邻接开关设备传送到所述至少一个主开关设备的信息执行计算来确定在所述第一区中的故障的存在。

4.权利要求3所述的方法，其中所述第一区具有输入和输出电流，其中如果所述第一区无故障，则全部电流的瞬时向量和等于零加上预定测量误差，并且其中如果所述和大于零加上所述预定测量误差，那么在所述第一区中存在没有被计入的电流，该电流被分类为故障。

5.权利要求1所述的方法，进一步包括通过所述至少一个主开关设备中断电路中的功率流。

6.权利要求1所述的方法，进一步包括检测电流。

7.权利要求6所述的方法，进一步包括具有至少第二主开关设备和至少第二邻接开关设备的第二区，并且其中所述至少一个邻接开关设备是所述第二主开关设备。

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