CN105027373A - 过电流保护装置和方法 - Google Patents
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Abstract
描述电力线保护系统和方法，其中具有用于监测被保护电力线(10)中的电流(i)的电流表和断路器(13-1、13-2、13-3)，电流表包括用于监测所传送的电流(i)中的直流分量(i(tr))的传感器(15)、具体是光纤电流传感器(FOCS)以及用于测试直流分量(i(tr))并且生成断路器(13-1、13-2、13-3)的故障信号的分析器(141、16)。
Description
技术领域
本发明涉及用于在故障情况下保护电力网络段、具体是变电站的装置和方法。
背景技术
在配电系统中，必须保护输电线和发电设备免于故障和短路事件。否则，这类故障和短路能够引起系统的崩溃、设备损坏和/或人身伤害。相应地，典型电力系统采用一个或多个保护继电器来监测被保护输电线上的阻抗以及其他AC电压和电流特性，以便感测这种被保护线路上的故障和短路，并且通过使一个或多个被保护线路上的预先定位断路器跳闸将这类故障和短路与电力系统的其余部分适当地隔离。
为了执行其任务，继电器接收对通过电流变换器(CT)与被保护线路分隔的二次电路所执行的电流测量。电流变换器形成实际电力系统与几乎所有测量装置、例如保护继电器之间的基本互连。CT将一次电流降低到二次电平以供测量装置使用。
由于其作为具有通过可饱和铁芯中的磁通量所耦合的一次和二次绕组的装置的本质性质，CT具有在其所指定规范之外的故障事件期间再现一次电流的已知问题。如例如在R.Hunt的“Impact of CT errors on protective relays - case studies and analyses”(IEEE Transactions Industry Applications，vol. 48，no. 1，第52-61页，2012年)中所述，这些问题的主要来源通常识别为饱和效应、DC效应和剩余磁通量。为了避免二次电流的再现中的误差，CT通常按照考虑典型误差及其估计幅值的精心起草规范来设计。作为替代或补充，饱和效应能够通过使用如本领域已知的补偿算法来补偿。
如例如在美国专利No.6397156中所述，还已知的是，在未补偿和补偿电力系统中，除了基频之外，故障电路波形还将包含指数衰减DC偏移分量。DC偏移电流量取决于故障初始角以及诸如网络配置、输电线的数量和长度、补偿百分比、功率流、发电机和变换器阻抗等的系统参数。在CT测量中，DC偏移电流通常被看作是误差，以及设计了多种算法来补偿电流变换器中的DC偏移。一些算法使用微分技术，其消除故障电流波形中的DC偏移和斜坡分量的影响。也采用了模拟电路和余弦滤波器。
在SEAPAC 2011 34 (或59)第1-18页P. Schaub等人的“Test and Evaluation of Non Conventional Instrument Transformers and Sampled Value Process Bus on Powerlink’s Transmission Network”中，描述市场销售的光纤电流传感器(FOCS)，其与CT共同链接到电力线，以便测试和评估。在CIGRE 2012 B3-101中由D.F. Peelo等人所发表的论文“Real-time Monitoring and Capture of Power System Transients”论述使用光学电压和电流变换器的瞬时测量。
US2006/170410 A1公开一种用于电力网络中的光纤法拉第效应电流传感器(FOCS)的校准方法。这种校准方法利用电流测量信号中存在的DC分量。为了校准传感器，将所测量AC值的DC分量与所存储DC信号值(其先前在系统的校准期间被测量)进行比较，以及把来自校准DC分量的百分比变化与AC分量相乘。此外，所测量DC信号分量从FOCS测量信号中提取，并且然后从FOCS测量信号中减去并且因而被去除。因此，校准FOCS传感器信号是只有AC的，并且不能用来测量DC信号分量。
发明内容
本发明的一个目的是提供用于监测被保护电力线中的电流的改进装置和方法，其中这类装置和方法能够减少生成断路器的控制或跳闸信号所需的时间。这个目的通过独立权利要求的主题来实现。在从属权利要求及其组合以及在以下描述和附图中给出示范实施例。
因此，按照本发明的第一方面，提供一种电力线保护系统，其具有用于监测被保护电力线中的电流的电流表以及断路器，其中电流表包括用于监测所传送电流中的直流分量的传感器以及测量DC分量并且生成断路器的故障信号的分析器。
如本文所使用的术语“被保护电力线”包括任何类型的电导体，例如高功率导体、馈电线、变换器绕组等。
在本发明的这个方面的优选变体中，传感器包括光纤电流传感器(FOCS)。
在本发明的这个方面的另一优选变体中，分析器编程为使用所传送电流中的DC分量的开始来生成断路器的控制或跳闸事件。该开始能够很快地检测，使得有可能使分析器在少于电力系统的一个周期时间、即50 Hz电力系统中少于20 ms、优选地甚至少于周期时间的一半以及甚至更优选地瞬时地发出跳闸命令，因为DC电流的开始能够在无需测量全波形或者甚至仅波形的一部分的情况下被测量。这是优于使用在测量系统中使用CT的系统的显著优点。
在另一个优选变体中，分析器与传感器的控制电路相集成，从而使传感器能够向定位在传感器与(一个或多个)断路器之间的电路中的继电器或其他装置或者直接向(一个或多个)断路器传送所测量数据之外还有或者只有跳闸命令或者跳闸命令的前体。分析器到传感器电子器件中的这种集成对简化连接到传感器的任何继电器的设计以及潜在地缩短故障的发生与(一个或多个)断路器的激活之间的延迟是有用的。
在实施例中，分析器能够是电流传感器模块的部分，其接收和处理来自光纤电流传感器FOCS的模拟输入。
在实施例中，分析器是连接到经由宽带数据传输链路接收来自光纤电流传感器FOCS的模拟输入的电流传感器模块的继电器的部分。
在实施例中，上述系统集成到以35 kV或以上的电位连接到电力线的变电站的保护系统中。
在优选变体中，保护变电站的电流测量装备没有六氟化硫(SF6)，并且因而比许多现有装备是更为环境友好的。
按照本发明的第二方面，提供一种保护电力线的方法，包括下列步骤：监测电力中的电流的DC分量的存在，以及在DC分量出现时，直接或间接激活断路器。在优选变体中，该方法包括下列步骤：分析如例如从直接测量和/或使用电流的模型的测量和外推所得出的DC偏移电流的波形。
在以下描述和附图中更详细描述本发明的上述及其他方面连同本发明的其他有利实施例和应用。
附图说明
图1A是具有被保护线路的电力系统的示意图；
图1B示出按照本发明的示例、链接到继电器的电流传感器；
图2是按照本发明的示例的步骤的流程图；
图3是电力线的简化表示；
图4A-4C示出故障期间的电压和电流；以及
图5示出按照本发明的装置与已知装置相比的性能。
具体实施方式
典型电力系统在图1A中示出，图1A示出在位于一个或多个位置的一个或多个发电机11-1、11-2与通常也位于一个或多个位置的一个或多个电力用户或负载12-1、12-2之间传输电力的电力线10的网络。输电线(图1A中的主要水平线)将电力从发电机分配到二次线路或母线(图1A中的主要垂直线)，并且这类母线最终通向电力负载12-1、12-2。电力线10常常按照其工作电压(其范围从工作在低于1 kV的民用线路到低于35 kV的工业或小配电线到工作在高于100 kV的高压输电线)来分组。升压和降压变换器(未示出)用来在不同电压电平之间转换电压电平以供传输电力。
通常保护网络上的发电机、变换器、配电站和负载免于网络上的故障，使得网络的有故障部分能够与其余部分分隔。对于较高电压配电线，这个分隔通过一个或多个断路器13-1、13-2进行。断路器13-1、13-2、13-3通过一个或多个保护继电器14-1、14-2、14-3来控制或跳闸，保护继电器监测被保护输电线10上的阻抗以及其他AC电压和电流特性，以感测这种被保护线路10上的故障和短路，并且通过使这类被保护线路10上的预定位置断路器13-1、13-2、13-3跳闸将这类故障和短路与电力系统的其余部分隔离。
如所看到，典型电力系统能够大区域上来连接，并且包括不同位置的多个发电机11-1、11-2和负载12-1、12-2。继电器14-1、14-2、14-3和断路器13-1、13-2、13-3经过适当定位，以执行如上所述的隔离操作。
按照本发明的示例、具有保护继电器14-1的电流传感器15在图1B中示出。电流传感器15包括三个FOCS探头，其各定位成测量经过电力线10的三相之一的电流。FOCS是市场销售的，并且例如在从www.abb.com网站可得到的ABB?手册“FOCS - Fiber-Optic Current Sensor. Make light work of DC current measurement”中描述。
FOCS系统利用法拉第效应来测量电流。探头包括缠绕电力线、电力电缆或过程条（process bar）的光纤环路。FOCS系统取代常规换能器、例如霍耳效应CT的复杂笨重传感器头。当偏振光波遭受磁场时，能够观察到法拉第效应。因此，波累积相位差。在FOCS系统中，右和左圆偏振光波穿过感测光纤的线圈。在光纤末端，它们被反射(并且交换其偏振方向)，并且然后经由光缆151折回其到传感器电子模块16的光路。传感器模块16包含光源、光学相位检测电路和数字信号处理器(DSP)。模块16中的数字信号处理器将光学相位差直接转换为数字信号，其然后能够传送给继电器14-1供分析。
如果电流正在流动，则波累积相位差，其与沿感测光纤的磁场的线积分成比例。这个差因此是电流、在这里具体是经过电力线10所传送的电流的直接和准确量度。
传感器模块16经由数据传输线161连接到继电器14-1。在这个示例的变体中，数据传输线161是高速或宽带传输线，以便不限制将要传递给继电器14-1的取样数量。传感器模块16与继电器14-1之间的高速传输线161的容量设计成允许例如以30 kHz或以上的取样率、即相当于每60 Hz周期超过500个样本或者以100 kHz或以上的取样的高速取样结果的传输。为了加速向继电器的数据传递，高速传输线161能够设计成允许1 MHz取样或以上，以确保它不是FOCS 15的取样与继电器14-1中执行的信号处理之间的瓶颈。
除了对应被保护线路10上的电流波形之外，继电器14-1还能够连接到伏特计17以记录电压。附加电压信号能够用来确定例如故障的位置。
基于单独从电流传感器15或者从电流和电压传感器15、17所接收的输入，保护继电器14-1中的处理器141能够判定是否使关联断路器13-1跳闸，由此隔离电力系统的一部分。为此，继电器14-1通过‘TRIP’输出(图1B中的TRIP 1)发出命令，其由断路器13-1作为输入来接收。继电器14-1然后可在感测到故障已经清除之后或者在以其他方式被指示这样做之后，通过经由‘RESET’输出(图1B中的RESET 1)发出这种命令(其由断路器13-1作为输入来接收)，来重置断路器13-1。
继电器14-1能够控制若干断路器(图1B中仅示出一个)，如通过图1B中的TRIP 2和RESET 2输出线所示。另外，断路器可设置成控制电力线的一个或多个特定相而不是如所示的线路10的全部相。由于电力系统能够延伸的较大距离，继电器与其关联断路器的一个或多个之间的距离能够是充分的。因此，来自继电器的输出可由(一个或多个)断路器通过任何可行方法(包括硬连线线路、无线电传输、光链路、卫星链路等)来接收。
虽然该示例的上述变体使用传感器电子模块16与继电器14-1之间的高速数据链路161，但是有可能包括传感器模块16中的数据压缩系统(未示出)，因而减少传感器模块16与继电器14-1之间的数据业务。数据压缩能够用于例如其中继电器没有配置成以高传输速率来接收数据的传统系统中。作为这个变体的示例，传感器模块16中的信号处理单元例如能够适合监测所测量电流中的DC分量的存在，因而承担按常规在继电器14-1的信号处理单元141中执行的处理的至少部分。取决于采用传感器模块16所执行的处理程度或量，送往继电器的数据业务在故障的情况下能够减少到指示这种故障的存在的简单信号。在其他变体中，模块16中的处理单元能够适合使用标准数据压缩方法来压缩取样信号，以改进甚至经由窄带传输线向继电器的数据传递。
上述保护系统特别适合于具有工作在35 kV或以上的电位的所连接电力线10的一次变电站保护。能够在没有常规电流变换器所需的笨重安装的情况下安装传感器15。具体来说，有可能在高于35 kV以及甚至高于100 kV的电位电平使用没有六氟化硫(SF6)的装备围绕电力线来安装传感器头。与例如实现为真空断路器的无SF6的断路器13-1相组合，因而有可能具有用于一次变电站的保护系统或者没有SF6的其他高压装备。电力网的高压部分的这种无SF6保护系统表示对环境的较大有益效果。
为了便于本公开，电气装备中、例如断路器中使用的介电流体能够是SF6气体或者任何其他介电绝缘介质(如果它可以是气体和/或液体)，并且具体来说能够是介电绝缘气体或灭弧气体。这种介电绝缘介质例如能够包含其中包括有机氟化合物的介质，这种有机氟化合物从由下列项所组成的组中选取：氟代醚、环氧乙烷、氟代胺、氟酮、氟烯烃以及它们的混合物和/或分解产物。本文中的术语“氟代醚”、“环氧乙烷”、“氟代胺”、“氟酮”和“氟烯烃”表示至少部分氟化化合物。具体来说，术语“氟代醚”包含氢氟代醚和全氟代醚，术语“环氧乙烷”包含氢氟环氧乙烷和全氟环氧乙烷，术语“氟代胺”包含氢氟代胺和全氟代胺，术语“氟酮”包含氢氟酮和全氟酮，以及术语“氟烯烃”包含氢氟烯烃和全氟烯烃。由此能够优选的是，氟代醚、环氧乙烷、氟代胺和氟酮经过完全氟化、即全氟化。
在实施例中，介电绝缘介质从由下列项所组成的组中选取：(一个或多个)氢氟代醚、(一个或多个)全氟酮、(一个或多个)氢氟酮及其混合物。
具体来说，如本发明的上下文中使用的术语“氟酮”将被广义地理解，并且将包含氟一酮和氟二酮或者一般的氟聚酮。由碳原子所包围的多于单羰基可存在于分子中。该术语还将包含饱和化合物和不饱和化合物，其中包括碳原子之间的双和三键。氟酮的至少部分氟化烷基链能够是线性或分支的，并且可选地能够形成环形。在实施例中，介电绝缘介质包括作为氟酮的至少一个化合物，其可选地还可包括结合到分子的碳骨架中的杂原子，例如下列至少一个：氮原子、氧原子和硫原子，取代对应数量的碳原子。更具体来说，氟一酮、具体来说是全氟酮能够具有从3至15或者从4至12个碳原子并且具体从5至9个碳原子。最优选地，它可包括正好5个碳原子和/或正好6个碳原子和/或正好7个碳原子和/或正好8个碳原子。
在实施例中，介电绝缘介质包括作为氟烯烃的至少一个化合物，其从由下列项所组成的组中选取：包含至少三个碳原子的氢氟烯烃(HFO)、包含正好三个碳原子的氢氟烯烃(HFO)、反-1,3,3,3-四氟-1-丙烯(HFO-1234ze)、2,3,3,3-四氟-1-丙烯(HFO-1234yf)、反-1,2,3,3,3五氟-1-丙烯(HFO-1225ye (E型异构体))、顺-1,2,3,3,3五氟-1-丙烯(HFO-1225ye (Z型异构体))及其混合物。
介电绝缘介质还能够包括与有机氟化合物不同的(具体来说与氟代醚、环氧乙烷、氟代胺、氟酮和氟烯烃不同的)背景气体或载流子气体，并且实施例中能够从由下列项所组成的组中选取：空气、N2、O2、CO2、惰性气体、H2；NO2、NO、N2O；碳氟化合物以及具体来说是全碳氟化合物，例如CF4；CF3I、SF6；及其混合物。
用于电力线的上述保护系统还能够用于包括如图2的流程图所示的步骤的方法。
该方法包括取样被保护电力线10上的AC电流波形的步骤21。取样率设置成跟随AC电流中的快速变化或瞬变。适当的取样率是例如30 kHz、100 KHz、1 MHz或以上。获取步骤通过如上所述直接在传感器电子模块中或者在继电器的处理单元(例如微控制器或数字信号处理器(DSP))中对如经由数据传输线从传感器模块所传送的样本所执行的对应分析步骤22来实现。分析包括测试条件，其使TRIP信号在后一步骤23被发送给(一个或多个)断路器。换言之，分析器141、16对测试条件(其使控制信号TRIP1、TRIP2在后一步骤23被发送给断路器13-1、13-2、13-3)来测试直流分量i(tr)。换言之，分析器141、16测试直流分量i(tr)是否满足测试条件(即，预定测试条件)，然后生成作为测试条件的满足或者不满足的函数的控制信号，以及在后一步骤23向断路器13-1、13-2、13-3发送控制信号TRIP1、TRIP2。
适当的测试条件能够定义为例如DC分量的存在(至少高于某个阈值)。作为替代或补充，分析能够包括DC偏移电流信号的完全或部分波形重构22'的步骤，如以下更详细描述。DC偏移波形的知识能够用来执行仅DC分量的存在的测试之外的其他测试或比较。例如，通过比较DC偏移电流波形与表示已知故障或非故障事件的特征波形，有可能使该方法更为灵敏并且不太可能触发基于非故障事件的TRIP命令。
电力线电流中的DC分量的更详细分析能够例如基于如图3所示的等效电路。图3中，被保护线路从例如由同步发电机所提供的电压源v(其中v = sqrt(2)×V×sin(ωt+a))来馈电，其中sqrt(2)×V是电压的幅度值。输电线能够通过如所示的集总电阻-电感R-L串联电路来表示，其中具有可忽略的线电容。为了简化分析，能够假定短路在线路空载时发生。在这些条件下，总电流i是两个分量i(ss)和i(tr)之和。稳态对称短路电流i(ss)能够通过i(ss) = sqrt(2)×V/(|Z|×sin(ωt+α-θ))以数学方式来表示，其中Z是通过Z = sqrt(R2+ω2L2)和θ = tan-1(ωL/R)所表示的线阻抗。相位滞后α或故障初始角表示故障相对于电压周期发生的时间的量度。
第二分量是瞬时DC电流，又称作DC偏移电流i(tr)，其能够通过i(tr) = sqrt(2)×V/(|Z|×sin(θ-α)exp(-Rt/L))以数学方式来表示。因此，能够预计DC偏移电流随与比率R/L成比例的时间常数指数地衰减。
上述波形在图4A、图4B、图4C中的故障的情况下进一步示出。AC电压v和对称短路电流i(ss)在图4A中示出。随时间的衰减DC偏移电流在图4B中示出，以及总电流i在图4C中示出。最大瞬时短路在第一峰值发生。以及能够易于表明，它在α=0达到最大数。因此，稳态的短路电流因对称短路电流i(ss)与指数衰减DC偏移分量i(tr)的叠加而增加。
通过DC偏移电流的这种模型的知识，有可能在短取样期间仅产生如所示的曲线上的几个(初始点)之后得出全波形或者至少全波形的时间段的表示。通常，所需测量能够在小于周期时间的一半或者与周期时间相比实际上瞬时地来执行。
dc偏移分量是在正常电力系统操作期间不存在而仅在短路期间出现的参数。因此，dc偏移和/或其波形的存在的测量能够用来监测电力系统故障。
但是，在已知CT系统中，dc偏移分量可使CT磁芯饱和，如图5所示，其如上述R.Hunt所发表、在故障过电流期间使用CT再现电流测量i(CT)。比较曲线i和i(CT)，图5示出CT电流i(CT)能够如何偏离总电流i的真实波形，特别是在故障开始，其中DC偏移电流为最大数。i(CT)仅反映DC偏移电流已经衰减之后的真实波形。
因此，常规CT信号没有提供被保护电力线中的故障的发生的良好和早期量度。另一方面，FOCS甚至在突然过电流的情况下也能够准确测量AC电流的波形，以及图5中的电流i的取样产生与实际曲线i的密切匹配。
虽然示出和描述本发明的当前优选实施例，但是要理解，本发明并不局限于此，而是可在以下权利要求书的范围之内以不同方式来实施和实践。具体来说，能够在没有CT饱和所引入的失真的情况下测量被保护线路中的电流的AC波形的任何电流探头能够用来代替FOCS。
参考标号列表
电力线 10
发电机 11-1、11-2
负载 12-1、12-2
断路器 13-1、13-2、13-3
继电器 14-1、14-2、14-3
信号处理单元 141
电流传感器 15
光缆 151
传感器电子模块 16
数据传输线 161
伏特计 17
步骤 21、22、22'、23
线电阻 R
线电感 L
线电压 v
线电流 i
对称短路电流 i(ss)
DC偏移电流 i(tr)
电流变换器电流 i(CT)。
Claims (18)
1. 一种具有用于监测被保护电力线(10)中的电流的电流表(15)并且具有断路器(13-1，13-2，13-3)的电力线保护系统，其特征在于，所述电流表(15)包括用于监测传送的所述电流(i)中的直流分量(i(tr))的传感器，并且包括对于使控制信号(TRIP1，TRIP2)在后一步骤(23)被发送给所述断路器(13-1，13-2，13-3)的测试条件来测试所述直流分量(i(tr))的分析器(141，16)。
2. 如权利要求1所述的电力线保护系统，其中，用于监测所述直流分量(i(tr))的所述传感器是光纤电流传感器(FOCS，15)。
3. 如以上权利要求中的任一项所述的电力线保护系统，其中，所述分析器(141，16)对所述DC电流(i(tr))的开始是敏感的，以及具体来说，所述分析器(141，16)编程为使用所述传送的电流中的所述DC分量的开始来生成所述断路器(13-1，13-2，13-3)的控制或跳闸事件。
4. 如以上权利要求中的任一项所述的电力线保护系统，其中，所述分析器(141，16)适合确定所述DC电流(i(tr))的波形的表示。
5. 如以上权利要求中的任一项所述的电力线保护系统，其中，所述分析器(141，16)包括DC偏移电流信号的完全或部分波形重构(22')的步骤。
6. 如权利要求5所述的电力线保护系统，其中，将所述DC偏移电流波形与表示已知故障或者非故障事件的特征波形进行比较。
7. 如权利要求2或者从属于权利要求2时的权利要求3-6中的任一项所述的电力线保护系统，其中，所述分析器(141，16)是电流传感器模块(16)的部分，其接收和处理来自所述光纤电流传感器(FOCS，15)的模拟输入。
8. 如权利要求2或者从属于权利要求2时的权利要求3-7中的任一项所述的电力线保护系统，其中，所述分析器(141，16)是连接到电流传感器模块(16)的继电器(14-1)的部分，其经由宽带数据传输链路(161)从所述光纤电流传感器(FOCS，15)接收模拟输入。
9. 如以上权利要求中的任一项所述的电力线保护系统，其中，所述系统适合在一个周期时间或以下之内生成所述断路器(13-1，13-2，13-3)的故障信号(TRIP1，TRIP2)。
10. 如权利要求9所述的电力线保护系统，其中，所述系统适合在一个周期时间的一半或以下之内生成所述断路器(13-1，13-2，13-3)的故障信号(TRIP1，TRIP2)。
11. 如以上权利要求中的任一项所述的电力线保护系统，集成到用于连接到工作在至少35 kV的电压的电力线(10)的主变电站的保护系统中。
12. 如以上权利要求中的任一项所述的电力线保护系统，其中，所述电流传感器(15)安装在无六氟化硫(SF6)壳体中。
13. 如以上权利要求中的任一项所述的电力线保护系统，其中，所述电流传感器(15)安装在包含介电绝缘介质、具体是包含从由下列项所组成的组中选取的有机氟化合物的介电绝缘气体的壳体中：氟代醚、环氧乙烷、氟代胺、氟酮、氟烯烃以及它们的混合物和/或分解产物。
14. 如以上权利要求中的任一项所述的电力线保护系统，其中，所述分析器(141，16)测试所述直流分量(i(tr))是否满足所述测试条件，然后生成作为所述测试条件的满足或者不满足的函数的控制信号，以及在后一步骤23向所述断路器(13-1，13-2，13-3)发送所述控制信号(TRIP1，TRIP2)。
15. 如以上权利要求中的任一项所述的电力线保护系统，其中，所述测试条件通过DC分量的存在、具体通过高于阈值的所述DC分量的存在来定义。
16. 一种保护电力线(10)的方法，包括监测所述被保护电力线(10)中的电流(i)的步骤(21)，其特征在于检测传送的所述电流(i)中的直流分量(i(tr))的步骤(22)，并且其特征在于对测试条件分析所述直流以及在于基于所述测试条件来生成断路器(13-1，13-2，13-3)的故障信号(TRIP1，TRIP2)的步骤(23)。
17. 如权利要求16所述的方法，包括分析所述直流分量(i(tr))的波形的表示的步骤(22')。
18. 如权利要求16或17所述的方法，其中，所述电流(i)以100 kHz或以上的取样率来取样。
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