CN1059623A - 用于电力系统保护的方法及装置 - Google Patents

Abstract

电力系统保护装置主回路包括一个断路器和与 其串联的开关，与输电线连接；一限流元件与断路器 并联。当输电线的电流超过第一整定值时，第一过流 检测器立即给断路器发出一跳闸命令。故障电流都 转换到限流元件而被限制，在该断路器上游处的电压 降落也被抑制。当电流超过第二整定值并持续一定 时间后，第二过流检测器给开关发出断开命令，保护 故障线路的上游部分。当该线路的下游子系统故障 时，受端断路器无延时动作。

Description

本发明涉及一个用于电力系统保护的设备，更具体地说是涉及一种电力系统保护的方法及装置。一个电力网或系统中输电线的某处一旦发生故障，此装置可采取适当措施，以保证其他完好线路的安全运行。

通常，电力网的构成包括许多输电线路，或者多条配电线路，在电网的某一条输电线上，一旦发生故障，例如短路故障，发生故障的线路应借助于故障线路受端的断路器跳闸，而与在故障线路“上游”侧的完好的输电线路断开。

就一配电系统来说，通过配电变电站的一个或多个变压器，使高一级电压，如77LV变换到一个较低的配电电压，如6.6KV，而降压后的电力是从变电站的母线分配到若干从变电站母线分支出去的馈线。然后电力通过这些馈线供给用户。在这种形式的配电系统中，当在某一馈线的负荷侧发生故障，如短路故障时，在这馈线上靠近变电站母线那一端的断路器（称之为“馈线断路器”）动作跳闸，以切断该馈线，保证其他正常分支线的供电，从而保护了配电系统。一种称作“和谐的保护”的保护方法也被采用，故障馈线上位于最下游和最靠近故障点的断路器，有选择性地优先开断，可对尽可能广泛的区域供电。例如，馈线断路器的跳闸时限在发生故障的用户受端的断路器跳闸后延迟一个预定时间，如0.2秒。

在所述的常规的保护系统中，当故障点靠近馈线断路器时，在上述延时期间内，会有一个很大的短路电流流过这条馈线。因而与故障线路连接到同一个主变压器的其他正常馈线的供电电压会降低。这样一个电压降落一直未被认为是一个严重的问题。然而，最近几年来，这样一个电压降落的影响，常常是不可忽略的，原因是在一个大容量的近代电力网中，短路电流是很大的，特别是在现代面向信息的社会中，应用大量的电子信息装置，如计算机，一个大的电压降落会引起一种严重情况，例如在信息系统在线控制系统的计算机的终端设备中存储的信息会被清除，尽管这种电压降低的时间是很短的。

另一方面，由于电网容量增加而使短路电流水平增加，要求电网中设备的机械寿命以及断路器的容量增加。因而近年来，拟采用一种限流装置，可以抑制短路电流水平的增加，从而减小所需要的断路器开断容量。例如日本电气工程师协会1987年10月27日的报告SPD-87-43中所指出的。在这种限流装置中，一个限流熔断器和一个限流元件与具有一预定的开断容量的开关元件并联。如果有一短路故障发生，开关元件首先打开，使短路电流先流过限流熔断器，过一会儿，限流熔丝熔断，短路电流将流过限流元件，借此限制短路电流水平。这种限流装置能抑制短路电流水平，从而减小在上述这种故障发生时电网正常部分的电压降落。

然而，在上述的报告中所揭示的技术存在着下列问题，即上述的 限流装置当用作为馈线断路器时，不能设计成完成前述的和谐的保护功能，也就是说，有选择地优先开断馈线下游最靠近故障点的断路器。因此，当短路电流被过分限制时，使最靠近故障点的断路器跳闸的一个过流继电器的瞬时元件不能动作，使得断开故障点所需要的时间不合理地延长了。

本发明的目的是提供电力系统保护的一种方法和装置。一旦在电力系统的某一输电线上发生故障，能有效地抑制在发生故障点上游那些线路处的电压降，并且能执行电力系统的和谐的保护功能，从而克服了先有技术的上述问题。

为此，按照本发明的一个方面，提供了保护具有至少一条输电线的电力系统的方法，包括：当该输电线故障电流被检测出，输电线的电流从输电线路的正常电路转换到一限流电路，从而将该电流限制在这样一个水平，它高于使一个过流继电器的瞬时元件动作所要求的最小动作电流，该过流继电器作用于联结到该输电线下游子系统的保护设备。

若故障在转换后的预定时间内没有消除，最好将输电线断开;反之，当故障在预定时间内消除时，输电线的电流从限流回路被切换回主电路。

按照本发明的另一方面，提供了电力系统保护的一种装置，包括：一个主回路，含有一个开关和与该开关串联的一个断路器，这主回路是与一条输电线串联的;一个限流元件，与该断路器并联;一个电流检测器，用来检测流过输电线的电流;一个第一过流检测器，用来当电流检测器测到的电流水平超过第一整定值时，立即向断路器 发送一跳闸命令;一个第二过流检测器，当电流水平超过第二整定值的状态持续超出一预定时间后，用来给开关发送一个断开信念命令，该装置可以这样构成，当检测的电流水平在预定时间范围内低于第二整定值时，就给断路器发出一个合闸命令。

为发使电压降低的时间减少到例如1/4周波或更短，断路器最好由一种半导体开关元件，例如GTO晶闸管来制造。

具有上述构造的装置在运行中，当由于一种故障例如短路而检测出过电流时，该断路器被断开，借此故障电流转换到与该断路器并联的限流回路或限流元件。因而故障电流被限流元件大大地限制了，借此跳闸断路器上游的输电线路的电压降大大地被限制了。这样，与故障线路联接在同一母线或变压器的其他输电线路的供电压降明显地被抑制，实现了高度可靠的供电。

被限制的电流水平处于这样一个范围之内，能使装设在故障线路下游一子系统，例如一用户子系统中受端断路器内的过流继电器（OCR）的瞬时元件动作。因此，如果故障了生在下游的子系统，该子系统的受端断路器就按照OCR特性曲线跳闸，借此输电线路的完好部分恢复到正常运行状态，从而满足了电力系统和谐保护的要求。如果故障发生在装有本发明保护装置的输电线路上，上述开关按照第二个过流继电器的时限特性断开。

本发明的上述及其他目的、特点和优点，从下面对优选实施例的叙述中将更为清楚。该实施例将结合附图进行说明。

图1是用于电力系统保护的本发明保护装置一个实施例的方框图;

图2是包含在图1所示的实施例中的第一个过流检测器的方框图;

图3是包含在图1所示的实施例中的第二个过流检测器的方框图;

图4是表示一个过流继电器（OCR）的动作特性的曲线图，说明该实施例的运行情况;

图5是包含有本发明装置用于保护一个电力系统的配电系统结线图;

图6是表示在图1所示的实施例中短路电流水平变化方式的时间曲线，与常规装置的时间曲线作比较;

图7，8和9是配电系统的方框图，表明按照本发明的保护装置应用的实例;

图10和11分别是按照本发明的断路器和该断路器的改进方案的示意图。

本发明的优选实施例将参照附图进行说明。

参照图1，这是用于保护电力系统的本发明一个保护装置实施例的方框图，一个正常的主回路具有一串联回路，包括一断路器1和一个与其串联的开关2。一个限流阻抗4与断路器1并联，从而形成了一个限流回路。在图示的实施例中，一个GTO晶闸管用来作为断路器1。为了保护该GTO晶闸管防止过电压，一个限压元件5与该GTO晶闸管并联。该限压元件5具有这样一种特性，当电压增大到或超过一预定的整定电压时，它的电阻会急剧减小。

流过正常的主回路或限流回路的负荷电流I是由一个电流检测 器7检定的。电流检测器7的输出被传送到第一和第二过流检测器8和9。当负荷电流I超过第一整定值I₁时，第一过流检测器8用来传送一跳闸命令给断路器1。该过流检测器8的结构在图2中示出。从这张图可以看到，第一过流检测器8有一个电流监测部分8a，它接受来自电流检测器7的输出信号并执行一预处理步骤，例如滤波处理;一个过流整定装置8b用于可变地整定第一整定值I₁，还有一个比较器8c，当电流监测部分8a的输出超过了整定值I₁时，比较器8c就产生一个信号。第二过流检测器9用来当负荷电流I超过第二整定值I₂的状态持续一个预定的时间时，向串联的开关2发送一个断开命令。第二过流检测器9的结构在图3中示出。从这张图可以看到，第二过流检测器9包括一个电流监测部分9a，用来接受来自电流检测器7的输出信号并执行一预处理步骤，例如滤波功能;一个过电流整定装置9b用于可变地设定第二整定值I₂;一个比较器9c用来当电流监测部分9a的输出超过了过流整定装置9b设定的定值I₂时，输出一个信号;一个故障时间监沿部分9d用来测量来自比较器9c的信号的持续时间;一个故障时间整定装置9e用来可变地设定一个故障整定时间T₁;以及一个比较器9f，当来自故障时间监测部分9d的输出超过了故障时间整定值T₁时，比较器9f就产生一个信号。该第二过流检测器9具有一种恢复功能，当负荷电流I在上述整定时间之内降低到第二整定值I₂以下时，它就向断路器1发送一个合闸命令，尽管这种功能未表示出来。然而，在第一过流检测器8中也可以提供这一功能。第二过流检测器9可以由例如一种感应圆盘式的检测器构成，它具有图4中曲线8所示的特性。

具有所述结构的实施例被用作为如在图5中所示配电系统的一个馈线断路器。从图5可以看到，该配电系统有一个变压器组111，它经过一个一次断路器110连接到上游77KV电力系统;母线113通过一个二次断路器112连接到变压器组111;多条馈线115A至115D从母线113分支出来;用户子系统120连接到各个馈线115上。馈线115A至115D分别具有馈线断路器100A至100D以及分段开关116。每个子系统120包括一个分段开关121，一个受端断路器122，一台变压器123，一个二次断路器124，母线125和断路器126。该受端断路器122用作于当过流继电器127检测到在子系统120中发生故障时由继电器127作用而跳闸。

应用于图5所示配电系统的图1中保护装置的运行将专门参照图4进行描述，图4表示出一个过流继电器（OCR）的运行特性，并且图4是一个时间曲线图，表明负荷电流变化的方式。此处假定故障发生在属于馈线115A的一个用户子系统120中。在这种情况下，产生一个大的短路电流Is，例如12.5KA，它取决于诸如变压器组111的容量等因素，经过串联开关2和断路器1流入馈线115A。这个短路电流Is作用于过流检测器8，从而使断路器立即断开，例如在采用GTO晶闸管情况下在半个周波之内断开;因此短路电流Is被转换流经具有限流阻抗4的线路中。流过这条支路的电流水平是按照阻抗4的值而改变的。该阻抗值的确定也考虑到主变压器的容量，其最大阻抗值不会使供给其他完好馈线的电压下降到一个不可接受的水平。在图4所示的实施例中，该阻抗被定为例如2KΩ。确定该限流阻抗4的阻抗值也要使该电流不会下降到低于过流继电器127的瞬时元件动作电流范围的最小值，其动作特性由图4中的曲线127P示出，以确保用户受端断路器122优先跳闸。在图4所示的实施例中，该过流继电器127的瞬时元件动作电流范围的最小值是400A。此处假定第二过流检测器9的时限特性是按照图4所示的特性曲线8P来整定的。在这种情况下，按照该过流检测器9的时限特性，在一预定时间过去后，该串联开关2打开，借此存在故障的馈线115A被切断。当用户的受端过流继电器（OCR）的瞬时元件在上述时间过去之前动作时，该受端断路器122跳闸，以消除短路电流Is，从而断路器1复归，允许对完好的用户子系统而不是故障子系统继续供电。

因此，短路电流Is以图6中实线曲线所表示的方式变化，它应与同一图中以虚线表示的常规系统中短路电流的变化方式形成对照。从这张图中可见，在常规系统中，一个大的短路电流在时刻t₁和t₂之间流过若干周波，t₁是故障发生的时刻，t₂是受端过流继电器（OCR）动作的时刻;反之，在采用本发明保护装置的系统中，该限流作用在电流的半个周波的时间内起作用，因而显著地抑制了短路电流的水平。

从前面的描述中可以了解，所述的实施例提供了下列优点。

首先，要指出的是，对连接在同一变压器组111的馈线115上所施加的电压降落明显地减小了。特别是由于采用GTO晶闸管作为断路器1可达到极短的跳闸时间。实际上，有可能在1ms左右的非常短的时间内限制故障电流，因此就可能显著地减少配电变电站内电压降落的持续时间，从而可以大大消除对完好的用户变电站产生的所不希望的影响。反之，在使用已有的断路器时，12.5KA左右 的大短路电流在若干个周波内流过，如图6所示，产生了这样的危险，对连接至同一变压器111上的其他馈线115B至115D供电的电压降落会持续相当长的一段时间。

所述实施例提供的另一个优点是在导线和负荷设备上产生的热应力和机械应力可以减小。更准确地说，在具有常规保护装置的配电系统中，导线和负荷设备需要能承受12.5KA的大短路电流持续0.2秒的时间所产生的应力;相反，在具有本发明保护装置的系统中，导线和设备只需要能耐受对应于2KA的电流持续同样时间所产生的应力。而且，由于在故障馈线上引起电弧所造成的损害也减少了。

限流后的电流水平处于这样一个范围内，能使装设在用户受端断路器122上的受端过流继电器（OCR）的瞬时元件协作。断路器122位于故障馈线115A的下游。因此，当故障发生在这个用户子系统中时，该受端断路器122无延时跳闸。另一方面，完好的馈线恢复到正常运行状态，这样就满足了对电力系统提供和谐保护的要求。如果故障发生在馈线115A本身，开关2按照第二过流检测器9的时限特性断开，而其他完好馈线恢复到正常运行状态。

按照本发明，有可能借助于上述限流作用减小受端断路器122的开断容量。更准确地说，在包括所述实施例的系统中，受端断路器122的开断容量可减小到2KA;反之，在具有常规保护装置的系统中，受端所断路器需要有12.5KA这样大的开断容量。

尽管所述实施例采用GTO晶闸管作为断路器1，这仅仅是说明性的;断路器1也可以由其他类型的断路器构成，例如半导体开关，包含具有转换功能的晶闸管开关，或者静电感应晶闸管，以及普通断路器和真空断路器。在本发明的保护装置中也能采用由超导材料制造的开关作为断路器1。

在采用图1所示的装置时，最好串联开关2先闭合，然后再合上断路器1。这种运行方式有效地防止了冲击电流流过串联开关2，因为当串联开关闭合时，限流阻抗已被接入电路，由此就防止了过电压施加到断路器1上。当采用半导体开关作为断路器1时，或获得较高的可靠性。

图7示出了一个系统，其中采用图1所示型式的保护装置，目的是改善配电变电站中变压器的利用率。更准确地说，在图7所示的系统中，若干独立的变压器组111A、111B、111C在其二次侧（6.6KV）通过保护装置200连接起来，每个保护装置具有图1所示的结构。按照这种配置，当短路故障发生在一个变压器的二次侧断器112的母线113上或在馈线断路器114的负荷侧部分时，该保护装置200跳闸以限制短路电流，从而减少了对与故障系统变压器并联运行的其他变压器的影响。因此，在配电变电站母线上的电压降低可以明显地被抑制。作为一个替代的方案如图8所示，保护装置200可以连接在使母线113互相联系的线路上，也可能如图9所示，将保护装置200接入连接母线113A和113B的线路上。

图1所示的断路器1的一个实例采用GTO晶闸管，将参照图10进行描述。该断路器1有一个主开断部分，由GTO晶闸管反向并联电路组成，采用一个GTO10和一个GTO20。通常，GTO晶闸管具有较小的反向绝缘强度。因此，串联二极管11、21和反向并联二极管12、22与每个GTO相连接。此外，一个阻尼电路连接到该GTO晶闸 管GTO₁，该阻尼电路有一个电容器13，一个与电容器13串联的电阻14，以及一个与电阻14并联的二极管15。同样，一个具有电容器23，与电容器23串联的电阻24和一个与电阻24并联的二极管25的阻尼电路连接到GTO晶闸管GTO₂上。为了防止在二极管11和21两端之间产生过电压，阻尼电路与二极管11和21相并联，该阻尼电路分别包括串联连接的电容器16和电阻17，以及串联连接的电容器26和电阻27。断路器1实际结构的例子已被描述。该断路器1在被虚线30围起的区域内所表示的部分被装在一个作为GTO组件外壳的密封的箱体内，并浸入到一种不可燃烧的冷却液体中用于自冷却，以防止半导体元件的过热，否则在负荷电流通过期间在断路内部产生的高温可能引起过热，从而保证半导体元件的安全运行。为了保护主断开部分防止过电压，一个限流装置5和一个低电阻的限流阻抗4与主断开部分并联连接，正如以前关于图1所解释的那样。与断路器1有关一个控制电路系统包括一个门驱动电路31，用来控制GTO晶闸管的接通和关断操作;还有一个过电流检测电路32，包括电流检测器7，用于检测负荷电流水平，并用来检测过电流，同时发送一个门驱动信号。这个过电流检测电路32具有第一过电流检测器8和第二过流检测器9二者的功能，以前曾结合图1对检测器8和9作过叙述。

图11表示断路器1的构造的另一个例子。在这个改型方案中，二极管41、42、43和44连接构成了一个桥，并且一个GTO晶闸管连接在二极管41和42的连接点与二极管43和44的连接点之间。这个实施例只采用了一个GTO晶闸管，它是相当昂贵的，因此与图10所示的电路相比较，费用减少了。

尽管本发明通过其优选型式进行了描述，不言而喻，所描述的实施例仅仅是解释性的，可能对实施方案作出各种变化和改型，而不脱本发明的范围，该范围只由附加的权利要求所限定。

Claims (12)

1、保护一个具有多条输电线路的电力系统的一种方法，当在输电线(115)上一个故障电流被检测出，该线路(115)的电流从该输电线(115)的正常回路(1，2)转换到一限流回路(4)，因而该线路的电流被限制了，其特征在于，该限流回路(4)的限流装置这样来整定，使得被限制电流的水平高于一个过流状电器(127)的瞬时元件动作所要求的最小动作电流，该继电器(127)作用于联结到该输电线(115)下游子系统(120)的保护设备。

2、保护一个具有多条输电线路的电力系统的一种方法，当在输电线（115）上一个故障电流被检测出，该线路（115）的电流从该线路（115）的正常回路（1，2）转换到一限流回路（4），以致该电流受到限制，此后，该线路（115）从上述系统断开，其特征在于，该限流回路（4）的限流装置这样来整定，使得被限制电流的水平高于一个过流继电器（127）的瞬时元件动作所要求的最小动作电流，该继电器（127）作用于联结到该线路（115）的下游系统（120）的保护设备。

3、保护一个具有多条输电线路的电力系统的一种方法，当在输电线路（115）上一个故障电流被检测出，该线路（115）的电流从该线路（115）的正常回路（1，2）转换到一个限流回路（4），以致该电流受到限制，其特征在于，当产生故障电流的故障在转换以后的一个预定时间内消除时，上述输电线（115）的电流从该限流回路（4）被切换回上述正常回路（1，2）;反之，当上述故障电流在上述预定时间内没有消除时，该线路（115）断开。

4、按照权利要求3保护电力系统的一种方法，该限流回路（4）有一限流元件，它被整定得使被限制电流的水平高于一个过流继电器（127）的瞬时元件动作所要求的最小动作电流，该继电器（127）作用于联结到该线路（115）的下游子系统（12）的保护设备。

5、用于保护电力系统的一种保护装置，包括：一个主回路，含有一个开关（2）和与该开关串联的一个断路器（1），该主回路是与输电线（115）串联的;一个限流元件（4），与该断路器（1）并联;一个电流检测器（7）用来检测流过该线路（115）的电流;一个第一过流检测器（8）用来在该电流检测器测到的电流水平超过第一整定值时，立刻向断路器（1）发送一个跳闸命令，还有一个第二过流检测器（9），当该电流水平超过第二整定值的状态持续超出一个预定时间时，用来发送给上述开关（2）一个断开命令。

6、用于保护电力系统的一种保护装置，包括：一个主回路，含有一个开关（2）和与该开关串联的一个断路器（1），此主回路是串联在线路（115）上;一个限流元件（4）与断路器（1）并联;一个电流检测器（7）用来检测流过该线路（115）的电流;一个第一过流检测器（8）用来在该电流检测器检测到的电流水平超过第一整定值时，立刻向断路器（1）发送一个跳闸命令;一个第二过流检测器（9），当上述电流水平超过第二整定值的状态持续超出一个预定时间时，用来发送给开关（2）一个断开命令;以及当检测的电流水平在上述预定时间范围内降低到上述第二整定值以下时，给断路器1发送一个合闸命令的装置。

7、按照权利要求5或6，用于电力系统的一种保护装置，上述限流元件（4）整定为使该限流元件所限制的电流水平在这样一个范围内，能使一个过流继电器（127）的瞬时元件动作，该继电器（127）作用于连接在该线路下游子系统（120）的保护设备。

8、按照权利要求5或6用于电力系统的一种保护装置，该断路器（1）是一个半导体开关。

9、按照权利要求5或6用于电力系统的一种保护装置，上述第二过流检测器（9）包括一个带有定时元件的过流继电器，它在上述第二电流整定值下至少要经过上述预定延时后才能动作。

10、按照权利要求5或6用于电力系统的一种保护装置，上述第二过流检测器（9）包括一个比较器装置（9c），用来将被检沿的电流水平与第二整定值比较，并且当检测的电流水平超出第二整定值时发出信号;还有一个延时装置（9d、9e、9f），当来自上述比较器的信号持续上述预定时间时，向上述开关发出断开命令。

11、在权利要求5或6规定的使用该类型保护装置的一种方法，包含在合上述开关（2）后再合上述断路器（1）。

12、用于具有多个主变压器组类型的配电子系统的一种保护系统，其特征在于，该主变压器组二次侧线路的连接通过在权利要求5或6中所规定的该类型的保护装置。

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