CN103618296B - 断路器失灵保护闭锁方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种断路器失灵保护闭锁方法，要解决的技术问题是线路支路发生故障时，母线断路器失灵保护无失灵电压闭锁定值灵敏度的问题。本发明包括以下步骤：母线保护装置计算各支路的零序电流的标量值、标量和，监测支路失灵开入状态，对失灵启动接点被接通的支路，满足零序电流门槛值、满足零序比率判据判断，连续3个采样点满足，开放断路器失灵保护闭锁元件。本发明与现有技术相比，依据系统发生单相或两相故障后的零序电流、负序电流与其它支路的零序电流、负序电流的关系进行判断，防止失灵保护误动，摆脱使用电压这一单一电气量作为断路器失灵保护闭锁元件的依赖，提高断路器失灵保护闭锁元件的灵敏度与可靠性。

Description

断路器失灵保护闭锁方法

技术领域

本发明涉及一种电力系统母线保护方法，特别是一种电力系统母线断路器失灵保护方法。

背景技术

断路器失灵保护是指在相应的断路器跳闸失败的情况下通过启动其他断路器跳闸来切除电力系统(系统)故障的一种保护方法。在220kV及以上电压等级的母线保护中，一般均配置有断路器失灵保护功能，作为断路器由于各种原因不能切除故障的后备保护。断路器失灵保护的误动或拒动将引起严重的后果，轻则造成断路器爆炸、变电站全停，重则会影响系统的稳定运行，使系统瓦解。

为了防止失灵保护误动，中国专利申请号CN98116830.2，名称为一种双母线系统微机型失灵保护方法，提出了如下方法：采样读取每段母线上的零序电压，负序电压和相电压，若哪段母线满足下述任一条件：零序电压大于定值、负序电压大于定值、相电压小于定值，则表明哪段母线满足失灵电压闭锁判据开放条件，开放哪段母线的断路器失灵保护闭锁元件，否则闭锁该母线的断路器失灵保护闭锁元件。

式(1)中：U_a为母线A相电压，U_b为母线B相电压，U_c为母线C相电压，U_set为断路器失灵保护相电压门槛值，3U₀为母线零序电压，U_0set为断路器失灵保护零序电压门槛值，U₂为母线负序电压，U_2set为母线负序电压门槛值。

目前国内绝大部分母线断路器失灵保护(一个半接线除外)均采用该电压闭锁方法防止失灵保护误动。电压闭锁方法经过实践检验具有简单、可靠的特点，能有效地防止断路器失灵保护误动。但随着电力系统的日益坚强，出现了越来越多与系统强联系的变电站，当该变电站的较长线路末端发生故障时，母线电压降落不明显，出现了电压闭锁定值没有灵敏度的现象，进而引起失灵保护拒动。运行经验表明这种情况已经发生过，并且发生的概率呈上升趋势，给电网设备和稳定运行带来极大的威胁。

电网发生故障时，各节点电压量的大小与电网的结构密切相关，这也是某些电网结构下造成电压闭锁没有灵敏度的根本原因，通过简单的降低电压定值方法不能从根本上解决问题。在这种情况下，电力系统用户迫切希望能够摆脱使用电压这一单一电气量作为闭锁元件的依赖，在系统故障时，能够快速开放断路器失灵保护闭锁元件，防止断路器失灵保护拒动，在正常情况下，又能可靠闭锁，防止断路器失灵保护误动。

发明内容

本发明的目的是提供一种断路器失灵保护闭锁方法，要解决的技术问题是线路支路发生单相或两相故障时，母线断路器失灵保护无失灵电压闭锁定值灵敏度的问题。

本发明采用以下技术方案：一种断路器失灵保护闭锁方法，包括以下步骤：

一、母线保护装置按每周波48点的频率采样,计算母线上各支路的零序电流的标量值，零序电流标量和；

二、对当前采样点，监测支路失灵开入状态，支路失灵开入状态分为失灵启动接点被接通的支路、失灵启动接点断开的支路；

三、对失灵启动接点被接通的支路，进行满足零序电流门槛值判据判断；零序电流门槛值判据为：支路的零序电流标量值≥零序电流门槛值240A；

四、进行满足零序比率判据判断，零序比率判据为：0.4≤支路的零序比率系数≤0.6；支路的零序比率系数为该支路的零序电流标量值与零序电流标量和之比；

五、支路在连续3个采样点同时满足零序电流门槛值判据和零序比率判据时，开放断路器失灵保护闭锁元件。

本发明的方法对步骤二失灵启动接点断开的支路，在下一个采样点，继续监测支路失灵开入状态。

本发明的方法步骤五支路在连续3个采样点不满足零序比率判据，在下一个采样点重新开始进行计算各支路的零序电流的标量值、零序电流标量和。

本发明的方法步骤三零序电流标量值＜零序电流门槛值240A，判断连续96个采样点不满足零序电流门槛值判据，闭锁断路器失灵保护闭锁元件；所述步骤四不满足：0.4≤支路的零序比率系数≤0.6，判断连续96个采样点不满足零序比率判据，闭锁断路器失灵保护闭锁元件。

本发明的方法不足连续96个采样点不满足零序电流门槛值判据或零序比率判据，在下一个采样点重新计算各支路的零序电流的标量值、零序电流标量和。

一种断路器失灵保护闭锁方法，包括以下步骤：

一、母线保护装置按每周波48点的频率采样,计算母线上各支路的负序电流的标量值，负序电流标量和；

二、对当前采样点，监测支路失灵开入状态，支路失灵开入状态分为失灵启动接点被接通的支路、失灵启动接点断开的支路；

三、对失灵启动接点被接通的支路，进行满足负序电流门槛值判据判断；负序电流门槛值判据为：支路的负序电流标量值≥负序电流门槛值240A；

四、进行满足负序比率判据判断，负序比率判据为：0.4≤支路的负序比率系数≤0.6；支路的负序比率系数为该支路的负序电流标量值与负序电流标量和之比；

五、支路在连续3个采样点同时满足负序电流门槛值判据和负序比率判据时，开放断路器失灵保护闭锁元件。

本发明的方法对步骤二失灵启动接点断开的支路，在下一个采样点，继续监测支路失灵开入状态。

本发明的方法步骤五支路在连续3个采样点不满足负序比率判据，在下一个采样点重新开始进行计算各支路的负序电流的标量值、负序电流标量和。

本发明的方法步骤三负序电流标量值＜负序电流门槛值240A，判断连续96个采样点不满足负序电流门槛值判据，闭锁断路器失灵保护闭锁元件；所述步骤四不满足：0.4≤支路的负序比率系数≤0.6，判断连续96个采样点不满足负序比率判据，闭锁断路器失灵保护闭锁元件。

本发明的方法不足连续96个采样点不满足负序电流门槛值判据或负序比率判据，在下一个采样点重新计算各支路的负序电流的标量值、负序电流标量和。

本发明与现有技术相比，依据系统发生单相或两相故障后的零序电流、负序电流与其它支路的零序电流、负序电流的关系进行判断，若符合故障特征则开放断路器失灵保护闭锁元件，否则认为是误开入进行闭锁，防止失灵保护误动，摆脱使用电压这一单一电气量作为断路器失灵保护闭锁元件的依赖，提高断路器失灵保护闭锁元件的灵敏度与可靠性。

附图说明

图1为线路故障系统的零序电流、负序电流潮流图。

图2为含近距离双回线系统的零序电流、负序电流潮流图。

图3为本发明实施例的零序电流闭锁流程图。

图4为本发明实施例的负序电流闭锁流程图。

图5为实时数字仿真仪电路图。

图6为本发明实施例用实时数字仿真仪得到的故障录波波形图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。本发明的断路器失灵保护闭锁方法，在母线保护装置(保护装置)中增加零序电流、负序电流闭锁控制字来选择保护投退。本实施例中，选定系统220kV母线连接的线路支路(支路或线路)，失灵启动接点包括三相失灵启动接点和分相失灵启动接点。当连接在该母线上的线路支路发生单相故障或两相故障时，会产生零序电流、负序电流，本发明的方法用零序电流、负序电流作为观测量进行判断(“零序电流”判断方法、“负序电流”判断方法)。因为零序电流能够反映接地故障，负序电流能够反映相间不对称故障。因此，本发明的方法利用零序电流、负序电流的大小和比率关系作为断路器失灵保护闭锁判据。

在本发明的方法中，可以用“零序电流”、“负序电流”或“零序电流”加“负序电流”判断方法进行判断。“零序电流”判断方法和“负序电流”判断方法的步骤、判据的参数相同，以下对“零序电流”判断方法的具体过程进行说明，“负序电流”判断方法的具体过程与“零序电流”判断方法相同，为方便对“负序电流”判断方法的阅读理解，将“负序电流”判断方法括于括号之中。

如图3和4所示，本发明的断路器失灵保护闭锁方法，包括以下步骤：

一、计算各支路的零序电流的标量值(负序电流的标量值)，零序电流标量和(负序电流标量和)。

与母线连接的各支路的三相电流通过电流互感器CT，将一次电流转换为二次电流接入到母线保护装置中，保护装置按每周波48点的频率对各二次电流进行采样,根据采样得到各采样点的采样值，保护装置采用全周傅氏算法分别计算母线上各支路的零序电流标量值(负序电流标量值)，并计算零序电流标量和(负序电流标量和)。零序电流标量和(负序电流标量和)是指除母联支路(母线经隔离开关和断路器连接的另一母线)外，母线上所有支路的零序电流标量值(负序电流标量值)之和。

二、实时监测支路失灵开入状态。

支路的失灵启动接点包括支路的三相失灵启动接点和分相失灵启动接点。

线路支路保护装置的三相跳闸接点接入到母线保护装置的支路三相失灵启动接点上，线路支路保护装置的分相跳闸接点接入到母线保护装置的支路分相失灵启动接点上。当线路支路保护装置动作后，线路支路保护装置的跳闸继电器向母线保护装置发送三相失灵启动接点和分相失灵启动接点的信号，母线保护装置根据跳闸继电器发送来的信号采集得到支路失灵启动接点的开入状态，当支路的失灵启动接点断开设为开入状态为0，支路的失灵启动接点接通设为开入状态为1。

对当前采样点，支路的失灵启动接点的开入状态为1，表示该支路有失灵启动接点被接通，对于有失灵启动接点被接通的支路，保护装置才进入步骤三，进行满足零序电流门槛值判断。

若支路的失灵启动接点开入状态为0，表示该支路失灵启动接点断开，对失灵启动接点断开的支路，则在下一个采样点，继续判断支路失灵开入状态。

三、保护装置针对当前采样点，对支路的失灵启动接点开入状态为1的支路进行满足零序电流门槛值(负序电流门槛值)判据判断。零序电流门槛值(负序电流门槛值)判据为：支路的零序电流标量值(负序电流标量值)≥零序电流门槛值(负序电流门槛值)。

若支路的零序电流标量值(负序电流标量值)≥零序电流门槛值(负序电流门槛值)，进入步骤四，进行满足零序电流比率判据(负序比率判据)判断。

若支路的零序电流标量值(负序电流标量值)＜零序电流门槛值(负序电流门槛值)，进行连续96点不满足零序电流门槛值(负序电流门槛值)判据判断。

为减少用户整定计算量，且不影响断路器失灵保护的原有逻辑、定值，零序电流门槛值(负序电流门槛值)应大于正常运行时最大不平衡电流，与线路保护零序过流Ⅳ段配合，该门槛值免整定，因此，对一次回路，零序电流门槛值(负序电流门槛值)为240A。

四、保护装置在当前采样点，对满足零序电流门槛值(负序电流门槛值)判据的支路，进行满足零序比率判据(负序比率判据)判断。零序比率判据(负序比率判据)为：0.4≤支路的零序比率系数(负序比率系数)≤0.6。

保护装置计算支路的零序比率系数(负序比率系数)，支路的零序比率系数(负序比率系数)为该支路的零序电流标量值(负序电流标量值)与零序电流标量和(负序电流标量和)之比。I_m0、I_m2分别为连接在母线上的第m支路的零序电流标量值、负序电流标量值，I_r0、I_r2分别为零序电流标量和、负序电流标量和，则第m支路的零序比率系数为K₀＝I_m0/I_r0，负序比率系数为K₂＝I_m2/I_r2。

若满足0.4≤支路的零序比率系数(负序比率系数)≤0.6，支路的零序比率系数(负序比率系数)在预定零序比率系数(预定负序比率系数)范围内，表明该支路满足零序比率判据(负序比率判据)，进入步骤五，判断连续3点满足零序电流门槛值判据和零序比率判据。

若不满足0.4≤支路的零序比率系数(负序比率系数)≤0.6，支路的零序比率系数(负序比率系数)不在预定零序比率系数(预定负序比率系数)范围内，表明该支路不满足零序比率判据(负序比率判据)，进行连续96点不满足零序比率判据(负序比率系数)判断。

预定零序比率系数(预定负序比率系数)设置为0.4～0.6，考虑了以下因素：

1、理想情况，在理想情况下，支路发生故障时，零序潮流、负序潮流分布如图1所示。当第m支路失灵时，母线上各支路的电流互感器CT误差忽略不计，则可以得到K₀＝0.5，K₂＝0.5，要保证断路器失灵保护可靠动作，必须满足K₀＞K_0set，即零序比率系数预定值为K_0set<0.5，负序比率系数预定值为K_2set<0.5。考虑可靠性后，K_0set、K_2set取值为0.45。

2、含近距离双回线，对于含有近距离双回线的母线，当非近距离双回线支路的断路器失灵时，零序电流(负序电流)有可能在双回线中形成环流，系统的零序电流(负序电流)潮流分布如图2所示。此时近距离双回线支路有零序电流(负序电流)流入母线，若考虑某线路支路断路器失灵时，非断路器失灵支路流入母线的零序电流(负序电流)占断路器失灵支路零序电流(负序电流)的比例为δ，令I_m0＝1，则I_r0＝2+2δ。要保证断路器失灵保护可靠动作，必须满足K₀＞K_0set，即1/(2+2δ)＞K_0set，负序计算与零序计算类似。一般情况δ不会超过10％，按20％考虑，为保证该情况下失灵比率判据能动作，K_0set<0.417，K_2set<0.417。考虑可靠系数，K_0set，K_2set可取值为0.4。综合理想情况、近距离双回线这两种情况，K_0set，K_2set可取值为0.4。

3、检修试验，保护装置在检修第m支路时，加三相不平衡实验电流或单相CT断线时，将出现I_r0＝I_m0，I_r2＝I_m2，可以得到，K₀＝1＞K_0set，K₂＝1＞K_2set，可能满足零序电流门槛值(负序电流门槛值)判据，并满足零序比率判据(负序比率判据)，此时该支路若有失灵启动接点误开入，母差保护装置满足断路器失灵保护动作条件，导致断路器失灵保护误动。为防止该情况发生，K_0set、K_2set应增加上限判断。理想情况下，母线上零序电流(负序电流)为平衡状态，K_0set、K_2set的最大值为0.5。考虑可靠系数，K_0set、K_2set上限值可取值为0.6。

4、线路非全相运行情况，在系统运行期间，系统内线路有可能出现短暂的非全相运行情况。尽管在这种情况下，可能满足零序电流门槛值(负序电流门槛值)判据以及零序比率判据(负序比率判据)，会导致断路器失灵闭锁元件开放，但考虑到非全相运行时间较为短暂，并且在系统电压波动时，也可能出现满足失灵电压闭锁判据开放条件的情况，因此，预定零序比率系数(预定负序比率系数)设置为0.4～0.6，并不会给系统运行增加新的风险。

预定零序比率系数(预定负序比率系数)取值范围综合考虑了理想情况、近距离双回线、CT断线及检修、线路非全相运行的情况，综上几种情况考虑，当只有一个支路失灵时，K_0set、K_2set的下限可取值为0.4，上限可取值为0.6。

五、保护装置判断该支路在连续3个采样点满足零序电流门槛值判据和零序比率判据，开放断路器失灵保护闭锁元件。

若保护装置判断该支路在连续3个采样点不满足零序电流门槛值判据和零序比率判据，在下一个采样点重新进行计算各支路的零序电流的标量值(负序电流的标量值)、零序电流标量和(负序电流标量和)，然后实时监测支路失灵开入状态、进行满足零序电流门槛值(负序电流门槛值)判据判断、满足零序比率判据(负序比率判据)判断，再判断该支路在连续3个采样点满足零序电流门槛值判据和零序比率判据。

保护装置进行连续96点不满足零序电流门槛值或零序比率判据(负序电流门槛值或负序比率判据)判断，判断有失灵启动接点开入状态的支路在连续96个采样点内均不满足零序电流门槛值判据(负序电流门槛值判据)，或零序比率判据(负序比率判据)，闭锁断路器失灵保护闭锁元件。

若保护装置判断不足连续96个采样点不满足零序电流门槛值判据(负序电流门槛值判据)或零序比率判据(负序比率判据)，在下一个采样点重新进行计算各支路的零序电流的标量值(负序电流的标量值)、零序电流标量和(负序电流标量和)，然后实时监测支路失灵开入状态、进行满足零序电流门槛值(负序电流门槛值)判据判断、满足零序比率判据(负序比率判据)判断，再判断该支路在连续3个采样点满足零序电流门槛值判据(负序电流门槛值判据)和零序比率判据(负序比率判据)。

在本实施例中，母线保护装置采用德州仪器TI公司的的微处理器DSP(TMS320C33)，使用TI公司的Composer V4.10编译工具，用于辽宁电网220kV电压等级的母线保护。

计算母线上各支路的零序电流的标量值的指令：

计算零序电流标量和的指令：

CalFailIr0Ir2Value:

监测支路失灵开入状态的指令：

判断满足零序电流门槛值判据的指令：

判断满足零序比率判据的指令：

开放断路器失灵保护闭锁元件的指令：

对本发明的方法利用实时数字仿真仪RTDS(Real Time Digital Simulator)进行仿真验证。如图5所示，RTDS由加拿大曼尼托巴RTDS公司开发制造，是一种专门用于研究电力系统中电磁暂态现象的装置。故障点f1设置在与母线Ⅱ连接的第7线路L7末端。其中L1为母联支路，第2线路L2、第3线路L3与发电机G相连，第4线路L4与电力系统S2相连，第6线路L6、第7线路L7与电力系统S1相连。L2、L3长度分别为5.6kM；L4长度为87.7kM；L6、L7长度分别为67.3kM；发电机G机组容量3000MW；电力系统S1的正序等值阻抗为20Ω，零序等值阻抗为20Ω；电力系统S2的正序等值阻抗为0.7Ω，零序等值阻抗为0.5Ω。

仿真L7支路断路器失灵的情况，在故障点f1处仿真A相单相接地故障，得到的RTDS仿真波形如图6所示。在图6中，UⅡA、UⅡB、UⅡC分别代表母线Ⅱ的三相电压；I7A、I7B、I7C分别代表L7支路的三相电流；I0-2～I0-7分别代表L2～L7支路的零序电流；IR-0代表各支路合成的零序电流标量和；K0代表计算得到的L7支路的零序比率系数；TZ1代表母联支路L1的跳闸信号；TZ7代表L7支路的跳闸信号。由于通道数较多，图中省略了其他支路的各相电流及跳闸信号，仅保留了与本仿真实验直接相关的各路录波。如图6所示，分析录波数据可得，L7支路的零序电流标量值大于零序电流门槛值，L7支路也满足零序比率判据。采用本发明的方法，断路器失灵保护闭锁元件迅速开放，因此，断路器失灵保护能够及时、可靠动作。而采用失灵电压闭锁判据方法，在L7支路末端故障时，母线Ⅱ电压降落不明显，不满足失灵电压闭锁判据开放条件，断路器失灵保护闭锁元件不开放，断路器失灵保护无法动作。

用同样的方法在f1点分别进行单相接地故障、两相接地故障、两相相间故障、经过渡电阻接地故障的仿真测试，结果表明采用本发明的方法，母线断路器失灵保护均能及时、可靠动作。

本发明的断路器失灵保护闭锁方法基于零序电流，负序电流，可以按照支路选择是否使用该方法，并可以通过控制字选择投退，不影响原失灵电压闭锁判据以及原断路器失灵保护流程。

Claims (10)

1.一种断路器失灵保护闭锁方法，包括以下步骤：

一、母线保护装置按每周波48点的频率采样,计算母线上各支路的零序电流的标量值，零序电流标量和；

二、对当前采样点，监测支路失灵开入状态，支路失灵开入状态分为失灵启动接点被接通的支路、失灵启动接点断开的支路；

三、对失灵启动接点被接通的支路，进行满足零序电流门槛值判据判断；零序电流门槛值判据为：支路的零序电流标量值≥零序电流门槛值240A；

四、进行满足零序比率判据判断，零序比率判据为：0.4≤支路的零序比率系数≤0.6；支路的零序比率系数为该支路的零序电流标量值与零序电流标量和之比；

五、支路在连续3个采样点同时满足零序电流门槛值判据和零序比率判据时，开放断路器失灵保护闭锁元件。

2.根据权利要求1所述的断路器失灵保护闭锁方法，其特征在于：对步骤二失灵启动接点断开的支路，在下一个采样点，继续监测支路失灵开入状态。

3.根据权利要求1所述的断路器失灵保护闭锁方法，其特征在于：所述步骤五支路在连续3个采样点不满足零序比率判据，在下一个采样点重新开始进行计算各支路的零序电流的标量值、零序电流标量和。

4.根据权利要求1所述的断路器失灵保护闭锁方法，其特征在于：所述步骤三零序电流标量值＜零序电流门槛值240A，判断连续96个采样点不满足零序电流门槛值判据，闭锁断路器失灵保护闭锁元件；所述步骤四不满足：0.4≤支路的零序比率系数≤0.6，判断连续96个采样点不满足零序比率判据，闭锁断路器失灵保护闭锁元件。

5.根据权利要求4所述的断路器失灵保护闭锁方法，其特征在于：不足连续96个采样点不满足零序电流门槛值判据或零序比率判据，在下一个采样点重新计算各支路的零序电流的标量值、零序电流标量和。

6.一种断路器失灵保护闭锁方法，包括以下步骤：

一、母线保护装置按每周波48点的频率采样,计算母线上各支路的负序电流的标量值，负序电流标量和；

二、对当前采样点，监测支路失灵开入状态，支路失灵开入状态分为失灵启动接点被接通的支路、失灵启动接点断开的支路；

三、对失灵启动接点被接通的支路，进行满足负序电流门槛值判据判断；负序电流门槛值判据为：支路的负序电流标量值≥负序电流门槛值240A；

四、进行满足负序比率判据判断，负序比率判据为：0.4≤支路的负序比率系数≤0.6；支路的负序比率系数为该支路的负序电流标量值与负序电流标量和之比；

五、支路在连续3个采样点同时满足负序电流门槛值判据和负序比率判据时，开放断路器失灵保护闭锁元件。

7.根据权利要求6所述的断路器失灵保护闭锁方法，其特征在于：对步骤二失灵启动接点断开的支路，在下一个采样点，继续监测支路失灵开入状态。

8.根据权利要求6所述的断路器失灵保护闭锁方法，其特征在于：所述步骤五支路在连续3个采样点不满足负序比率判据，在下一个采样点重新开始进行计算各支路的负序电流的标量值、负序电流标量和。

9.根据权利要求6所述的断路器失灵保护闭锁方法，其特征在于：所述步骤三负序电流标量值＜负序电流门槛值240A，判断连续96个采样点不满足负序电流门槛值判据，闭锁断路器失灵保护闭锁元件；所述步骤四不满足：0.4≤支路的负序比率系数≤0.6，判断连续96个采样点不满足负序比率判据，闭锁断路器失灵保护闭锁元件。

10.根据权利要求9所述的断路器失灵保护闭锁方法，其特征在于：不足连续96个采样点不满足负序电流门槛值判据或负序比率判据，在下一个采样点重新计算各支路的负序电流的标量值、负序电流标量和。