CN103354967A - 灵敏接地故障保护的保护继电器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及自供电保护继电器中的保护部件的设计。它具体提供具有灵敏接地故障保护的继电器。这个保护与最佳加电跳闸时间(切换到故障)并且与用于涌入鉴别的集成逻辑合作来实现。自给保护继电器提供有适合测量和评估线电流以产生跳闸信号的电流处理模块。电流处理模块具有涌入电流抑制的能力，以便在涌入条件期间阻止接地故障检测，并且由此增加故障检测的灵敏度。

Description

灵敏接地故障保护的保护继电器
技术领域
本发明涉及电力分配领域。具体来说，本发明涉及自供电保护继电器中的保护部件的设计。
背景技术
又称作智能电子装置(IED)的保护继电器是具有在过电流或接地故障状况的情况下通过使断路器跳闸并且中断电力线来保护电气设备的基本功能的基于微控制器的智能电子装置。通常在线路中的所测量电流超过对预定义时间周期的标称或预设值时，由保护继电器来产生代表断路器的跳闸线圈或其它致动器的跳闸信号。在诸如市区中的环网柜(RMU)安装之类的某些状况下，可优选地使用自给继电器。自给保护继电器利用来自电流感测变压器的能量向继电器电子电路提供操作跳闸线圈所需的能量。自给继电器的设计具有与其关联的若干限制以确保测量是准确和灵敏的。另外，要求特定预防措施（provision）以使其电路有效并且对功率消耗经过优化。在WIPO发表WO 2009101463中公开了这些限制的一部分以及通过可控充电来产生电源的方法。
主要在例如变压器、感应电动机等的大电感负载中的切换期间观测到涌入。在现场，通常保护人员在较高侧(或者甚至双倍)设置接地故障设定，以使得避免因负载启动时的涌入引起的任何不当操作。然后，一旦负载处于正常操作条件下，他们将设定降低到较低值。这只是在保护点负载(单个负载，例如电动机或变压器)的情况下才是可能的。当保护馈电线时，同样的方式可为不可能的。可能存在对馈电线接入和切断的不同负载，并且因而可能存在涌入出现的多种可能性。
I标称(In)的典型值为1 A和5 A。为了便于说明本发明中所述的继电器的标称电流取作1 A。接地设定的范围0.1 In至20 In对辅助供电继电器是常见的。甚至在这类继电器中，如果其没有涌入阻止保护，则也难以在现场设置继电器为0.1 In接地设定。在涌入明显的地方并且如果继电器没有涌入保护以及如果继电器设置为较低接地故障设定(大约为0.1 In)，则继电器产生反映接地故障的跳闸。但是，这不是真正的接地故障，因为涌入不是故障条件。
在这类情况下，也许可能的是，不使用例如0.1 In等的灵敏(较低)接地故障设定。同样的情况也可适用于相保护。因此，存在具有对有限时间自动设定双倍值以避免因涌入引起的不当操作的部件的继电器。
此外，实现自供电继电器的功能性是复杂的。自供电继电器要求最小时间和相电流以使得被加电。另外，涌入检测要求某个附加时间。对于所有这些限制，要求当存在真实故障时继电器将在所要求最小跳闸时间之内给予跳闸。
此外，继电器的设计需要考虑良好电流检测灵敏度。灵敏度在这里表示感测最小的接地故障泄漏电流的能力。更好的灵敏度帮助及早识别可能的主要故障。
只有高端或点负载保护继电器才具有作为部件内置的涌入保护。因此，在具有灵敏接地故障保护的自供电继电器的情况下的涌入保护的实现使它成为独特部件。
本发明提供有效自供电三相非定向过电流和接地故障保护IED。
发明内容
本发明的目的是提供一种提供灵敏接地故障保护的自供电继电器。这个保护与最佳加电跳闸时间(切换到故障)并且与用于涌入鉴别的集成逻辑合作来实现。
在本发明的一方面，提供一种用于提供电力系统中的电保护的自供电保护继电器。自给保护继电器通过线电流，其正在测量的至少一相线路来加电。为了对自给继电器加电并且使它是完全操作的，继电器要求某个最小电流和时间。在继电器的加电条件期间(例如在故障条件的重置期间)或者当存在负载变化时，涌入条件可产生，以及为了使继电器不产生令线路跳闸的跳闸信号，通常将阈值极限设置高，从而造成提供灵敏接地故障检测的困难。自给保护继电器提供有适合测量和评估线电流以产生跳闸信号的电流处理模块。电流处理模块具有涌入电流抑制，以便在涌入条件期间阻止接地故障检测，并且由此增加故障检测的灵敏度。
在一个实施例中，自供电保护继电器适合为保护设定提供标称电流的0.1倍至标称电流的20倍的宽操作范围，并且提供有限最小时间(DMT)和反向有限最小时间(IDMT)特性曲线设定。在另一个实施例中，继电器适合提供可选择外部和内部接地电流测量技术，以便提供接地故障保护。
在另一个实施例中，继电器使用离散傅立叶变换(DFT)技术来执行谐波分析，以便自动检测基本频率并且执行内部设定。还计算(二次谐波的)谐波含量，以便用于计算检测涌入条件的谐波因数。涌入条件检测作为继电器中的固件解决方案来提供。
在另一个实施例中，继电器将先前存储的从校准过程所得到的校准因数用于校正相电流和接地电流测量，该校准过程将所测量输出值与继电器中提供的所有增益段(自动增益控制模块中的增益子范围)中的所提供输入相关。
在又一个实施例中，提供在继电器中使用的涌入抑制逻辑。该逻辑使用诸如下列项之类的条件的检测来检测涌入条件：a) 电流信号没有处于稳态条件；b) 电流值大于电流传感器标称值的大约10%；c) 电流值低于预设故障阈值；以及d) 电流信号中的二次谐波的谐波含量与在基本频率的谐波含量的比超过预设谐波比阈值时在。\
在本实施例中，稳态条件基于下列条件的任一个来检测：a) 在基本频率的电流值下降到大约低于电流传感器标称值的10%；以及b) 在基本频率的电流值进入大约当对于至少一个周期测量时在先前周期中的基本频率的电流值的95%至105%的范围。
附图说明
通过阅读结合附图的优选示范实施例的描述，其它特征和优点将对本领域的技术人员变得显而易见，其中。
图1提供按照本发明的实施例的保护继电器的配置；
图2提供保护继电器的组件的框图；
图3提供接地电流保护的涌入抑制逻辑。
具体实施方式
本发明描述提供有用于配置的各种DMT和IDMT特性曲线的有效自供电三相非定向过电流和接地故障保护IED。
自供电继电器从用于测量的极电流变压器来得出其操作功率。它们没有使用任何辅助功率来来操作其电子电路。因此，自供电继电器需要最小电流以使得被完全加电。高于最小所需电流的电流越高，则使得继电器加电所需的时间将越低。电流越高表示可用于向继电器供电的能量越大。
自供电继电器提供接地故障保护以及还有涌入保护两者。接地故障保护按照图1所示方式来提供。继电器12在检测到故障时使断路器14跳闸。下列配置由继电器12来提供：
1. 内部接地故障保护：在这个配置10中，继电器12通过软计算15来测量接地电流。它采用剩余电流测量装置30来测量3相电流，并且其向量和给出接地电流幅值和相。
2. 通过专用接地故障CT的接地故障保护：在这个配置20中，继电器12具有用于采用装置40的接地故障检测的外部核心平衡CT(CBCT)的连接25。CBCT以磁方式来感测只有系统接地电流的3相电流的合量。这种类型的测量对于更准确和灵敏测量可为优选的。
继电器具有两级，即低设置和高设置非定向过电流和接地故障保护级。继电器支持相和接地故障保护两者的有限时间(DMT)和反向DMT(IDMT)特性。低设置过电流级I>和低设置接地故障级10>的操作基于如用户所选的有限时间或反向时间特性。高设置级具有瞬时和有限时间特性。
当选择了IDMT特性时，该级的操作时间将是电流的函数，电流越高，则操作时间越短。该级包括七个时间/电流曲线设置 – 按照BS 142和IEC 60255标准的四个、即正常反向、非常反向、极反向和长时间反向以及三个特殊曲线、即RI类型曲线、HR熔丝曲线和FR熔丝曲线。
继电器在可选择外部或内部向量和接地电流测量技术中提供具有0.1 Inominal至20 Inominal的宽操作范围的灵敏接地故障保护。标称值在外部接地的情况下为1 A，并且将与内部接地选择的情况下的过电流级相同。接地故障保护具有带宽设定范围的低设置和高设置级两者。带可选择DMT/IDMT特性的低设置级也是可用的，其中连同四个标准IDMT特性(即，NI、EI、VI和LI)一起，它还具有特殊特性，例如RI、HR和FR，以用于电力网络中的更好协调。通过结合频率估计算法来使这些保护级适应线路输入的工作频率(范围从45 Hz至65 Hz)。
通过结合接地CT的更好设计并且将曲线拟合的算法与接地CT特性的校准过程配合使用，来实现可靠保护。CT设计的难题是相对于在0.1 VA的给定负荷所需动态可靠测量范围0.1 A至20 A绝对值（absolute）的大小。针对大小与VA比，它是困难的设计。要求在较低电流的针对CT性能的精确性。同时（All above this），在较低点的灵敏度进一步得到改进，并且通过利用由DFT(离散傅立叶变换)算法所测量的基本和二次谐波分量值的涌入鉴别保护算法避免误跳闸。在相中任何涌入检测的情况下，使得接地保护自动被阻止。这帮助允许具有灵敏接地故障保护设定的系统加电。
在图2中从继电器的框图示出校准相关的组件。继电器具有输入端子，该输入端子用于通过使用感测CT(这个图中未示出)与三相线路205和接地线路25进行接口连接。由于继电器是从3相线路电流提取功率以用于使得完全操作的自供电继电器，所以要求电流的动态控制、即VBUS控制，并且其提供有可控MOSFET开关210，以便向继电器供电，而没有干扰电流测量以及从线路中的电流对继电器的电源有效充电(使时间为最少)。继电器具有执行软件计算并且管理继电器的操作的控制器240。校准相关的其它模块是使用DFT算法来提供电流信号的自动频率检测和测量的谐波分析器(图中未示出)和过零感测模块220。图中还示出电流评估模块250，因为它表示继电器中用于涉及用于测量和保护的电流信号的处理的操作的固件。使用复用器(Mux)和各种放大器的增益控制模块230连同输出模块260在图中示出，并且这些模块帮助选择测量的适当增益，并且也在校准过程中来操作。
具有其3相和1接地电流的独立模拟测量通道的继电器提供相和接地电流测量范围(例如，对于接地电流，它是0.1 A至20A绝对值，而对于相，它是外部电流变压器的二次侧的75 mA至6.5 A绝对值)，以及提供这个范围以用于更好测量，该范围划分为称作继电器中的增益级的3段(图2中在增益控制模块230中示出)。各个增益级帮助将给定电流段调节或缩放为0 V至3.3 V。这是准确电流测量所要求的。
继电器设计成具有3个增益级，称作
增益1
增益8，以及
增益32
要求校准以消除或最小化因模拟电路分量和量化误差而出现的测量误差。增益的每个形成给定模拟通道的不同模拟电路。例如，如果考虑相1，则它获得3个模拟通道溃退（routs）：一个用于增益1，第二个用于增益8，以及第三个用于增益32。因此，重要的是，使得继电器对于相的每个和增益的每个被校准。
因此，总共存在对3相加1个外部接地通道的校准过程期间所识别的12个校准常数。
在校准过程中，给出在不同增益级的作为输入的每个线电流的50 Hz的参考信号，以便校准系统。为此，它计算校准因数并且将其存储在继电器中提供的非易失性存储器(EEPROM)中。
加电跳闸时间是用于当继电器被接入进出故障系统时的任何继电器(辅助或自供电)的术语。继电器在接入进出故障系统时清除故障所花费的时间(继电器“断电”至“加电”条件以及由继电器设置为可能的最小值的保护功能时间)称作“加电跳闸时间”。在这里，最佳加电跳闸时间表示给定自供电继电器的最小加电跳闸时间。进行设计优化，以便通过具有用于测量和保护的有效算法，并且采用继电器的部件的硬件与固件实现之间的良好平衡，使加电跳闸时间为最小。
加电跳闸时间为最小，其中还采用涌入抑制部件来提供灵敏接地故障保护。作为这个部件的设计的示范图示，用于涌入检测的逻辑在图3中示出，并且算法如下：
涌入抑制的操作标准
如果对于至少一相电流，可考虑下列参数的逻辑组合：
1. 电流不是处于稳态条件(稳态条件330在逻辑块350中被求反)
与
2. 在基本频率的电流值高于传感器标称值的10%(即，最小电流阈值)，310
与
3. 电流值低于预设阈值(即，故障电流阈值)，320
与
4. 在二次谐波307的电流值与基本频率305的电流值之间的谐波比340超过预设阈值(即，谐波比阈值)，
则保护功能启动，即，不阻止跳闸信号。它将保持在启动状态，直到上述条件保持为真。这里所使用的逻辑是在图3中示为逻辑块350的“与”逻辑，其要求陈述的所有因数为真，作为示例示为出。要注意，涌入保护也可采用其它相关因数来实现，并且使用其它逻辑组合结合在一起。图3中的以上图示和算法仅作为示范情况来提供。
稳态条件的检测的算法基于下列条件的检测：
1. 在基本频率的电流值下降到低于传感器标称值的10%之下
或
2. 在基本频率的电流值对于至少一个周期处于先前周期的95%与105%之间。
本发明中的符号/参考标号为：
保护 IEC ANSI
三相过电流保护，低设置级 3I> 51
三相过电流保护，高设置级 3I>> 50/51
接地故障保护，低设置级 Io> 51N
接地故障保护，高设置级 Io>> 50N/51N
三相变压器涌入检测器 3I2f> 68
本发明所述的部件虽然对于自供电保护继电器示出，但是也可适用于其中包括提供有辅助电源的自供电继电器的保护继电器。涌入抑制部件虽然对于接地故障保护示出，但是也可适用于相电流故障或者要求涌入抑制以便获得更好性能的任何其它故障条件。
虽然本文仅说明和描述了本发明的某些特征，但本领域的技术人员将会想到多种修改和变更。因此要理解，所附权利要求书预计涵盖落入本发明的真实精神之内的所有这类修改和变更。

Claims (10)

1. 一种用于提供电力系统中的电保护的自供电保护继电器，所述电保护通过测量中压电力线中的至少一相线路中的电流和检测到中压电力线中的过电流和接地故障条件时产生跳闸信号以便操作用于电保护的断路器来提供，包括：
电源模块，其适合从所述自供电继电器正测量的至少一相线路向所述自供电保护继电器供电，以便提供所述电力系统中的电保护；以及
电流处理模块，其适合测量和评估所述至少一相线路中的电流，以便产生所述跳闸信号；
其特征在于，所述电流处理模块适合提供涌入电流抑制，以便阻止涌入条件期间的接地故障条件的检测。
2. 如权利要求1所述的自供电保护继电器，其特征在于，所述自供电保护继电器提供大约标称电流的0.1倍的接地故障保护的低阈值设定的预防措施。
3. 如权利要求1所述的自供电保护继电器，其特征在于，所述自供电保护继电器适合提供大约所述标称电流的0.1倍至所述标称电流的20倍的操作范围的故障保护。
4. 如权利要求1所述的自供电保护继电器，还包括可选择外部和内部接地电流测量技术来提供接地故障保护。
5. 如权利要求1所述的自供电保护继电器，还包括用于保护的可选择有限最小时间(DMT)和反向有限最小时间(IDMT)特性。
6. 如权利要求1所述的自供电保护继电器，其特征在于，所述电流处理模块从所述至少一相线路的电流的评估中自动检测所述中压电力线频率。
7. 如权利要求1所述的自供电保护继电器，其特征在于，所述涌入条件检测作为所述自供电保护继电器中的固件来提供。
8. 如权利要求1所述的自供电保护继电器，其特征在于，所述电流处理模块借助于从校准过程所得到的所存储的校准因数来提供所述至少一相线路中的电流的准确测量，所述校准过程将所测量值与在所述自供电保护继电器中的相和外部接地通道的输入处的信号相关。
9. 如权利要求1所述的自供电保护继电器，其特征在于，所述电流处理模块基于下列中的一个或多个状态来确定所述至少一相线路中的涌入条件：a) 电流信号不是处于稳态条件；b) 所述电流值大于所述电流传感器标称值的大约10%；c) 所述电流值低于所述预设故障阈值；以及d) 所述电流信号中的二次谐波的谐波含量与基本频率的谐波含量的比超过所预设谐波比阈值。
10. 如权利要求9所述的自供电保护继电器，其特征在于，所述电流处理模块基于下列中的一个或多个状态来确定所述稳态条件：a) 在所述基本频率的电流值下降到大约低于所述电流传感器标称值的10%；以及b) 在所述基本频率的电流值进入大约当对于至少一个周期测量时在先前周期中的基本频率的电流值的95%至105%的范围。
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