CN103474971B - 基于比相原理的多端线路导引线差动保护装置 - Google Patents

Abstract

包括三个及以上连接端的输配电线路的导引线差动保护装置及方法。装置包括：三个及以上的屈兰斯雷继电器，连接在输配电线路的相应连接端。各继电器的综合变流器连接到保护线路连接端的a、b、c相和中性点，各继电器的导引线第一和第二连接端口分别彼此并联。各相位比较器比较相应的U_I和U_II的相位，得出相位差，U_I是相位比较器的继电器二次绕组侧的电压，U_II是相位比较器的继电器辅助变流器侧电压。根据相位差判断线路故障状态。在每一连接端，调节继电器的导引线可调电阻Rpp满足Rpp+Rw=k*R₀，k为可设常数，Rw是导引线电阻，Ro为继电器线性阻抗。当To<Tr或To>Tr，k分别满足-n*k-1<-1<-(n*k+n)*T₀/Tr+n-1，或-(n*k+n)*T₀/Tr+n-1<-1<-n*k-1，To和Tr分别是继电器动作绕组、制动绕组的匝数。

Description

基于比相原理的多端线路导引线差动保护装置

技术领域

本发明涉及一种中短距离输配电线路的保护装置和方法。具体地，涉及一种基于比相原理的多端线路导引线差动保护装置和方法。

背景技术

作为中短距离输配电线路的保护装置，可选用诸如英国通用公司（GEC）生产的屈兰斯雷型（TRANSLAY）继电器或其他公司生产的类似产品来构成导引线差动保护装置，屈兰斯雷型继电器利用相位比较器构成判别元件，具有优良的特性。

图1所示为屈兰斯雷型继电器主要结构图。各元器件分别是：综合变流器T_I，二次绕组Tt，二次绕组Ts，辅助变流器T_II，动作绕组To，制动绕组Tr，非线性电阻RVD，线性阻抗Ro，导引线可调电阻Rpp，相位比较器Φ。Ia、Ib、Ic和In分别是被保护线路端的a相、b相、c相和中性点的电流。Px和Py是连接导引线的两个端口。

综合变流器T_I用于将三相电流转变为单相综合电流。二次绕组Tt用于提供一个相位比较电压。二次绕组Ts用于输出综合变流器T_I的二次侧单相综合电流。辅助变流器T_II其输出电流用于提供另一个相位比较电压。动作绕组To用于提供保护的动作电流。制动绕组Tr用于提供保护的制动电流。动作电流与制动电流的差值为保护启动电流。非线性电阻RVD用于稳压。线性阻抗Ro是二次侧单相综合电流回路上的线性阻抗。导引线可调电阻Rpp用于匹配导引线回路的总电阻为设定值，因为根据屈兰斯雷型导引线差动保护的原理可知：导引线上的总电阻必须是固定的且先设置好的，所以匹配的目的就是调节到使总电阻不变。相位比较器Φ用于比较两个电压的相位，基于两个比较电压的相位差来判别区内外故障，相位比较器是模拟相位比较器或数字相位比较器。当启动电流大于设定门槛值且通过相位比较器判别为区内故障时，触发保护机构进行保护。

但是目前由屈兰斯雷型继电器构成的导引线纵差动保护装置的接线方式和动作方程都是基于两端线路保护的，因此只能应用于两端线路的保护。而对于输配电线路中的多端线路，还没有基于屈兰斯雷型继电器的保护装置和方法。

针对现有技术的上述缺点，本发明提出了一种可应用于多端线路的导引线差动比相装置及方法，扩大了屈兰斯雷型继电器使用的范围。

发明内容

该发明的目的是弥补现有的基于屈兰斯雷型继电器的输配电线路的导引线差动比相保护装置和方法的缺点，提供一种可应用于多端线路的基于屈兰斯雷型继电器的输配电线路的导引线差动比相装置及方法。

根据本发明的一方面，提供一种用于包括三个及以上连接端的输配电线路的导引线差动保护装置，包括：

三个及以上的屈兰斯雷型继电器，分别依次连接在输配电线路的相应连接端处处，

其中，屈兰斯雷型继电器各自的综合变流器连接到相应的被保护线路连接端的a相、b相、c相和中性点，屈兰斯雷型继电器各自的导引线第一连接端口和第二连接端口分别彼此并联连接，

其中，屈兰斯雷型继电器分别包括相应的相位比较器，比较相应的屈兰斯雷型继电器各自的U_I和U_II的相位，得出相应的相位差其中U_I是相位比较器一侧即继电器二次绕组侧的电压，U_II是相位比较器另一侧即继电器辅助变流器侧电压，根据相应的相位差来判断输配电线路的故障状态，

其中在每一连接端处，调节各个屈兰斯雷型继电器的导引线可调电阻Rpp使得在每一端处满足Rpp+Rw=k*R₀，k为可设置常数，Rw是导引线上的电阻，Ro为屈兰斯雷型继电器的线性阻抗，

其中，当To<Tr，k值满足条件-n*k-1<-1<-(n*k+n)*T₀/Tr+n-1，或者当To>Tr，k值满足条件-(n*k+n)*T₀/Tr+n-1<-1<n*k-1，To是屈兰斯雷型继电器的动作绕组的匝数，Tr是屈兰斯雷型继电器的制动绕组的匝数。

当屈兰斯雷型继电器各自相位比较器的相位差中的至少一个相位差不满足时，并且继电器的启动电流大于设定门槛值时，就判断输配电线路的系统处于区内故障状态，触发所述导引线差动保护装置进行保护。

当屈兰斯雷型继电器各自的U_I和U_II的相位差都满足时，就判断输配电线路的系统处于正常工作或处于区外故障状态。

相位比较器是模拟相位比较器或数字相位比较器。

根据本发明的一方面，提供一种用于所述导引线差动保护装置的方法，包含步骤：

测量相应的屈兰斯雷型继电器各自的U_I和U_II的相位，其中U_I是相位比较器一侧即继电器二次绕组侧的电压，U_II是相位比较器另一侧即继电器辅助变流器侧电压；

屈兰斯雷型继电器的相应的相位比较器比较屈兰斯雷型继电器各自的U_I和U_II的相位，得出相应的相位差

根据相应的相位差来判断输配电线路的故障状态，

其中在每一连接端处，调节各个屈兰斯雷型继电器的导引线可调电阻Rpp使得在每一端处满足Rpp+Rw=k*R₀，k为可设置常数，Rw是导引线上的电阻，Ro为屈兰斯雷型继电器的线性阻抗，

其中，当To<Tr，k值满足条件-n*k-1<-1<-(n*k+n)*T₀/Tr+n-1，或者当To>Tr，k值满足条件-(n*k+n)*T₀/Tr+n-1<-1<-n*k-1，To是屈兰斯雷型继电器的动作绕组的匝数，Tr是屈兰斯雷型继电器的制动绕组的匝数。

当屈兰斯雷型继电器各自相位比较器的相位差中的至少一个相位差不满足时，并且继电器的启动电流大于设定门槛值时，就判断输配电线路的系统处于区内故障状态，触发所述导引线差动保护装置进行保护。

当屈兰斯雷型继电器各自的U_I和U_II的相位差都满足时，就判断输配电线路的系统处于正常工作或处于区外故障状态。

相位比较器是模拟相位比较器或数字相位比较器。

本发明的可应用于多端线路的导引线差动比相装置及方法，扩大了屈兰斯雷型继电器使用的范围。

附图说明

通过下面结合附图对示例实施例的详细描述，将更好地理解本发明。应当清楚地理解，所描述的示例实施例仅仅是作为说明和示例，而本发明不限于此。本发明的精神和范围由所附权利要求书的具体内容限定。下面描述附图的简要说明，其中：

图1示出了屈兰斯雷型继电器的主要结构图；

图2是根据本发明第一实施例的应用于三端线路的导引线差动比相保护装置的接线示意图；

图3是根据本发明第一实施例的应用于三端线路的导引线差动比相保护装置的等效电路图；

图4是根据本发明第一实施例的应用于三端线路的导引线差动比相保护装置的差动保护的动作轨迹。

图5是根据本发明第二实施例的应用于多端线路的导引线差动比相保护装置的接线示意图；

图6是根据本发明第二实施例的应用于多端线路的导引线差动比相保护装置的等效电路图；

图7是根据本发明第二实施例的应用于多端线路的导引线差动比相保护装置的差动保护的动作轨迹。

具体实施方式

现在参照附图来详细介绍根据本发明的导引线差动比相保护装置及方法。

图2是根据本发明第一实施例的应用于三端线路的导引线差动比相保护装置的接线示意图。

三套屈兰斯雷型继电器Relay1、Relay2、Relay3分别连接在输配电线路的端1、端2、端3处，屈兰斯雷型继电器Relay1、Relay2、Relay3各自的综合变流器TI连接到被保护线路端的a相、b相、c相和中性点，屈兰斯雷型继电器Relay1、Relay2、Relay3各自的导引线连接端口Px和Py分别彼此并联于节点j1和j2。

在上述连接中，端1、端2、端3处的每套屈兰斯雷型继电器的配置应完全相同，即除了Rpp外，且不考虑误差图1中继电器其他所有各元件及参数都相同。因为三端的连接及配置都相同，因此三端之间是完全对称的。

这样，图2所示的根据本发明第一实施例的应用于三端线路的导引线差动比相保护装置的等效电路图可如图3所示。图3中Rw是导引线上的电阻。

在每一端处，调节各个屈兰斯雷型继电器的电阻Rpp使得在每一端处满足Rpp+Rw＝k*R₀，k为可设置常数。

根据屈兰斯雷型继电器结构并以继电器Relay1端的保护为例，从图3可以计算流经Relay1的To、Tr及Ro上的电流分别为： 和其中和分别是Relay1的To的电流、Relay2的To的电流以及Relay3的To的电流。

根据屈兰斯雷型继电器设计原理，绕组Tt与Ts的电压是同相，Ro上的电压与Ts的电压近似相同，因此相位比较器Tt侧电压满足式（1），其中K_I为计算常数。

${\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_I=K_I*((3*k+1)*{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_1+({\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_2+{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_3))---\left(1\right)$

相位比较器T_II侧电压由两个一次绕组To与Tr决定，满足式（2），其中K_II为计算常数。

${\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{II}}=K_{\mathrm{II}}*(((3*k+3)*T_0/\mathrm{Tr}-3+1)*{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_1+({\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_2+{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_3))---\left(2\right)$

令即远端电流相量和与本端电流之间的电流比，则有

假设选择合适的k值，当To<Tr，k值满足条件-3*k-1<-1<-(3*k+3)*T₀/Tr+3-1时，或者当To>Tr，k值满足条件-(3*k+3)*T₀/Tr+3-1<-1<-3*k-1时，式（3）中远端电流相量和与本端电流之间的电流比在复平面上的对应的区域是一个如图4所示的圆。图4是根据本发明第一实施例的应用于三端线路的导引线差动比相保护装置的差动保护的动作轨迹。

系统正常运行或区外故障时，在理想状态下为-1，因此与ρ₁相应的圆的圆内为制动区或稳定区。

并且在区内故障时，与ρ₁相应的圆的圆外为动作区。

通过比较U_I和U_II的相位，就可以判断区内与区外故障了。

具体而言，在实际应用中，当时，系统正常工作或处于区外故障状态；如果不满足时，并且继电器的启动电流大于设定门槛值时，则系统处于区内故障状态。

也即，如果系统出现故障，则判断是否成立，如果不成立，并且继电器的启动电流大于设定门槛值时，则是区内故障，如果成立，则是区外故障。

以上是针对以继电器Relay1端为例进行的说明，也可以使用Relay2或Relay3的U_I和U_II的相位差来进行判断。屈兰斯雷型继电器Relay1、Relay2、Relay3各自的U_I和U_II的相位差是相互独立的。

同样显而易见的是，系统正常运行或区外故障时，在理想状态下为-1，因此与各个ρ相应的圆的圆内为制动区或稳定区。并且在区内故障时，与各个ρ相应的圆的圆外为动作区。

当屈兰斯雷型继电器Relay1、Relay2、Relay3各自的U_I和U_II的相位差中的至少一个相位差不满足时，并且继电器的启动电流大于设定门槛值时，就可以判断系统处于区内故障状态。

当屈兰斯雷型继电器Relay1、Relay2、Relay3各自的U_I和U_II的相位差都满足时，就可以判断系统处于正常工作或处于区外故障状态。

当系统处于区内故障状态时，触发用于三端输配电线路的导引线差动保护装置进行保护。

图5是根据本发明第二实施例的应用于多端线路的导引线差动比相保护装置的接线示意图。

图5中，多套屈兰斯雷型继电器Relay1、Relay2……Relayn分别连接在输配电线路的端1、端2、……端n处，屈兰斯雷型继电器Relay1、Relay2……Relayn各自的综合变流器TI连接到被保护线路端的a相、b相、c相和中性点，屈兰斯雷型继电器Relay1、Relay2……Relayn各自的导引线连接端口Px和Py分别彼此并联连接。

在上述连接中，端1、端2、……端n处的每套屈兰斯雷型继电器的配置应完全相同，即除了Rpp外，且不考虑误差图1中继电器其他所有各元件及参数都相同。因为多端的连接及配置都相同，因此多端之间是完全对称的

这样，图5所示的根据本发明第二实施例的应用于多端线路的导引线差动比相保护装置的等效电路图可如图6所示。图6是根据本发明第二实施例的应用于多端线路的导引线差动比相保护装置的等效电路图。图6中Rw是导引线上的电阻。

在每一端处，调节各个屈兰斯雷型继电器的电阻Rpp使得在每一端处满足Rpp+Rw＝k*R₀，k为可设置常数，各个屈兰斯雷型继电器的k值是一样的。

根据屈兰斯雷型继电器结构并以继电器Relay1端的保护为例，从图6可以计算流经To、Tr及Ro上的电流分别为： 和

根据屈兰斯雷型继电器设计原理，绕组Tt与Ts的电压是同相，Ro上的电压与Ts的电压近似相同，因此相位比较器Tt侧电压满足式（4），其中K_I为计算常数。

${\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_I=K_I*((n*k+1)*{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_1+({\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_2+...+{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_n))---\left(4\right)$

相位比较器T_II侧电压由两个一次绕组To与Tr决定，满足式（5），其中K_II为计算常数。

${\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{II}}=K_{\mathrm{II}}*(((n*k+n)*T_0/\mathrm{Tr}-n+1)*{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_1+({\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_2+...+{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_n))---\left(5\right)$

令即远端电流相量和与本端电流之间的电流比，则有

假设选择合适的k值，当To<Tr，k值满足条件-n*k-1<-1<-(n*k+n)*T₀/Tr+n-1时，或者当To>Tr，k值满足条件-(n*k+n)*T₀/Tr+n-1<-1<-n*k-1时，式（6）中远端电流相量和与本端电流之间的电流比在复平面上的对应的区域是一个如图7所示的圆。

图7是根据本发明第二实施例的应用于多端线路的导引线差动比相保护装置的差动保护的动作轨迹。

系统正常运行或区外故障时，在理想状态下为-1，因此与ρ₁相应的圆的圆内为制动区或稳定区。

并且在区内故障时，与ρ₁相应的圆的圆外为动作区。

通过比较U_I和U_II的相位，就可以判断区内与区外故障了。

具体而言，在实际应用中，当时，系统正常工作或处于区外故障状态；如果不满足时，并且继电器的启动电流大于设定门槛值时，则系统处于区内故障状态。

也即，如果系统出现故障，则判断是否成立，如果不成立，并且继电器的启动电流大于设定门槛值时，则是区内故障，如果成立，则是区外故障。

以上是针对以继电器Relay1端为例进行的说明，也可以使用Relay1、Relay2、Relay3……或Relayn的U_I和U_II的相位差来进行判断。屈兰斯雷型继电器Relay1、Relay2、Relay3……Relayn各自的U_I和U_II的相位差是相互独立的。

同样显而易见的是，系统正常运行或区外故障时，在理想状态下为-1，因此与各个ρ相应的圆的圆内为制动区或稳定区。并且在区内故障时，与各个ρ相应的圆的圆外为动作区。

当屈兰斯雷型继电器Relay1、Relay2、Relay3……Relayn各自的U_I和U_II的相位差中的至少一个相位差不满足时，并且继电器的启动电流大于设定门槛值时，就可以判断系统处于区内故障状态。

当屈兰斯雷型继电器Relay1、Relay2、Relay3……Relayn各自的U_I和U_II的相位差都满足时，就可以判断系统处于正常工作或处于区外故障状态。

当系统处于区内故障状态时，触发用于多端输配电线路的导引线差动保护装置进行保护。

下面描述根据本发明第一实施例和第二实施例的导引线差动比相保护装置的方法。

根据本发明的导引线差动比相保护方法用于上述三端或多端连接的输配电线路，下面以图5的根据本发明第二实施例的应用于多端线路的导引线差动比相保护装置为例进行说明。

在步骤1，测量屈兰斯雷型继电器Relay1、Relay2……Relayn各自的相位比较器Tt侧U_I和相位比较器T_II侧电压U_II的相位；

在步骤2，比较屈兰斯雷型继电器Relay1、Relay2……Relayn各自的U_I和U_II的相位，得到各自的相位差

在步骤3：判断屈兰斯雷型继电器Relay1、Relay2……Relayn各自的U_I和U_II的相位差是否满足

当屈兰斯雷型继电器Relay1、Relay2……Relayn各自的U_I和U_II的相位差均满足时，系统正常工作或处于区外故障状态；

如果屈兰斯雷型继电器Relay1、Relay2……Relayn各自的U_I和U_II的相位差中的至少一个相位差不能满足时，并且继电器的启动电流大于设定门槛值时，则系统处于区内故障状态。

在步骤4：当系统处于区内故障状态时，触发用于多端输配电线路的导引线差动保护装置进行保护。

本发明的应用于三端或多端线路的导引线差动比相保护装置及其方法能够有效判断多端线路的区内与区外故障，扩大了屈兰斯雷型保护装置的应用范围，提高了屈兰斯雷型保护装置的市场价值。

虽然已经图示和描述了所考虑的本发明的示例实施例，但是本领域技术人员可以理解，随着技术的进步，可以作出各种变更和修改并可以用等价物替换其元素而不背离本发明的真实范围。

Claims (8)

1.一种用于包括三个及以上连接端的输配电线路的导引线差动保护装置，包括：

三个及以上的屈兰斯雷型继电器，分别依次连接在输配电线路的相应连接端处，

其中，屈兰斯雷型继电器各自的综合变流器连接到相应的被保护线路连接端的a相、b相、c相和中性点，屈兰斯雷型继电器各自的导引线第一连接端口和第二连接端口分别彼此并联连接，

其中，屈兰斯雷型继电器分别包括相应的相位比较器，比较相应的屈兰斯雷型继电器各自的U_I和U_II的相位，得出相应的相位差其中U_I是相位比较器一侧即继电器二次绕组侧的电压，U_II是相位比较器另一侧即继电器辅助变流器侧电压，根据相应的相位差来判断输配电线路的故障状态，

其中在每一连接端处，调节各个屈兰斯雷型继电器的导引线可调电阻Rpp使得在每一端处满足Rpp+Rw＝k*R₀，k为可设置常数，Rw是导引线上的电阻，Ro为屈兰斯雷型继电器的线性阻抗，

其中，当To<Tr，k值满足条件-n*k-1<-1<-(n*k+n)*T₀/Tr+n-1，或者当To>Tr，k值满足条件-(n*k+n)*T₀/Tr+n-1<-1<-n*k-1，To是屈兰斯雷型继电器的动作绕组的匝数，Tr是屈兰斯雷型继电器的制动绕组的匝数，n是所述屈兰斯雷型继电器的个数。

2.如权利要求1所述的导引线差动保护装置，其中

当屈兰斯雷型继电器各自相位比较器的相位差中的至少一个相位差不满足时，并且继电器的启动电流大于设定门槛值时，就判断输配电线路的系统处于区内故障状态，触发所述导引线差动保护装置进行保护。

3.如权利要求1所述的导引线差动保护装置，其中

当屈兰斯雷型继电器各自的U_I和U_II的相位差都满足时，就判断输配电线路的系统处于正常工作或处于区外故障状态。

4.如权利要求1所述的导引线差动保护装置，其中

相位比较器是模拟相位比较器或数字相位比较器。

5.一种用于权利要求1所述的导引线差动保护装置的方法，包含步骤：

测量相应的屈兰斯雷型继电器各自的U_I和U_II的相位，其中U_I是相位比较器一侧即继电器二次绕组侧的电压，U_II是相位比较器另一侧即继电器辅助变流器侧电压；

屈兰斯雷型继电器的相应的相位比较器比较屈兰斯雷型继电器各自的U_I和U_II的相位，得出相应的相位差

根据相应的相位差来判断输配电线路的故障状态，

其中在每一连接端处，调节各个屈兰斯雷型继电器的导引线可调电阻Rpp使得在每一端处满足Rpp+Rw＝k*R₀，k为可设置常数，Rw是导引线上的电阻，Ro为屈兰斯雷型继电器的线性阻抗，

其中，当To<Tr，k值满足条件-n*k-1<-1<-(n*k+n)*T₀/Tr+n-1，或者当To>Tr，k值满足条件-(n*k+n)*T₀/Tr+n-1<-1<-n*k-1，To是屈兰斯雷型继电器的动作绕组的匝数，Tr是屈兰斯雷型继电器的制动绕组的匝数，n是所述屈兰斯雷型继电器的个数。

6.如权利要求5所述的导引线差动保护装置的方法，其中

当屈兰斯雷型继电器各自相位比较器的相位差中的至少一个相位差不满足时，并且继电器的启动电流大于设定门槛值时，就判断输配电线路的系统处于区内故障状态，触发所述导引线差动保护装置进行保护。

7.如权利要求5所述的导引线差动保护装置的方法，其中

当屈兰斯雷型继电器各自的U_I和U_II的相位差都满足时，就判断输配电线路的系统处于正常工作或处于区外故障状态。

8.如权利要求5所述的导引线差动保护装置的方法，其中

相位比较器是模拟相位比较器或数字相位比较器。