CN106066447B - 整流变压器阀侧直流系统短路故障的判别方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种整流变压器阀侧直流系统短路故障的判别方法和系统，方法包括：通过在整流柜的输出端的直流正极线路上的监测点TA₁、TA₂……TA_N，获取整流柜的输出端的直流正极线路上的在线测量直流电流I₁、I₂……I_n；通过在负载的输入端正极线路上监测点TA_j，获取负载的输入端的直流正极线路上的在线测量直流电流I_j；计算整流柜输出端的直流正极线路上的在线测量直流电流绝对值之和I_∑；计算整流柜电流比I_∑*，计算负载电流比I_j*，根据整流柜电流比I_∑*与负载电流比I_j*之间的差值判断直流差动保护是否动作。

Description

整流变压器阀侧直流系统短路故障的判别方法和系统

技术领域

本发明涉及电力工程的继电保护领域，尤其是指一种整流变压器阀侧直流系统短路故障的判别方法和系统。

背景技术

当前国内外化工冶炼企业整流变压器阀侧直流系统的保护装置几乎都采用逆流保护。逆流保护的性能较差，它只能保护整流阀短路、直流电流互感器TA至三相整流桥之间的正负极短路及两点接地短路，它不能保护直流电流互感器至电解槽之间广大直流系统的正负极短路及两点接地短路。

见图1，当前国内外化工冶炼企业整流变压器阀侧直流系统判别故障的方法几乎都采用在各个直流电流互感器TA₁、TA₂……TA_N处装设各自独立的“逆流保护”，其动作判据理论上为：

其中I₁、I₂……I_n为图1中TA₁、TA₂……TA_N处安装的各自逆流保护装置的在线测量直流电流。当直流电流由TA的正极性端流入时，电流I为正，逆流保护不动作；当直流电流由TA的负极性端流入时，电流I为负，发生逆流，逆流保护动作。由此可见，逆流保护实质上是判别直流电流流动方向的“直流电流方向保护”。在实际应用中，为了增强逆流保护不误动的可靠性，其整定值Iset不为零，而为一个具有负值的门限值。

以TA₁处安装的逆流保护为例(其他节点TA处的逆流保护同理)，分析在各种短路故障情况下该逆流保护的动作特性，见图1：

(1)在直流电流互感器TA₁处至整流柜1的区间内任一点(例如图1中的短路点1)发生直流正负极之间短路时，流经直流电流互感器TA₁的电流I₁为其他整流柜(整流柜2～n)输送至短路点1的短路电流，由直流电流互感器TA₁的负极性端流入，此时I₁＜0，由此可知此时电流为负是发生了逆流，直流电流互感器TA₁的逆流保护动作。

(2)而当整流柜1发生阀短路时，其特征表现为交流两相短路、三相短路及直流短路，直流电流互感器TA₁的逆流保护动作特性同上述第(1)项，直流电流互感器TA₁的逆流保护动作。

(3)直流电流互感器TA₁另一端的广大直流系统中的任一点(例如图1中的短路点2或短路点3)发生正负极之间短路时，流经图1中直流电流互感器TA₁的电流I₁为整流柜1送至短路点的短路电流，电流I₁由直流电流互感器TA₁的正极性端流入，电流I₁为正，TA₁的逆流保护不动作。

(4)如果图1中的两个故障点4发生直流系统两点接地短路的故障，其中一个接地的故障点4位于直流电流互感器TA₁前端的正极线路上，另一个接地的故障点4位于直流系统负极线路的任一点，流经直流电流互感器TA₁的电流I₁为其他整流柜(整流柜2～n)输送到接地点的短路电流，电流I₁由直流电流互感器TA₁的负极性端流入，此时该电流I₁为负说明发生了逆流，直流电流互感器TA₁的逆流保护动作。

(5)如果图1中的故障点5发生直流系统两点接地短路的故障，其中一个接地的故障点5位于直流电流互感器TA₁后端的直流系统正极性线路的任一点，另一个接地的故障点5位于直流系统负极性线路的任一点，流经直流电流互感器TA₁的电流I₁为整流柜1输送到接地点的短路电流，电流I₁由直流电流互感器TA₁的正极性端流入，电流I₁为正，直流电流互感器TA₁的逆流保护不动作。

由上述分析可以看出：

(1)逆流保护只能保护直流电流互感器TA₁、TA₂……TA_N至各相应整流柜之间线路的正负极短路、整流柜的阀短路以及直流系统的较小区间的两点接点短路；也就是说必须其中的一个接地点位于直流电流互感器TA₁、TA₂……TA_N至各相应整流柜之间的正极线路上，逆流保护才能动作。

(2)直流电流互感器TA₁、TA₂……TA_N之后至电解槽之间的广大直流系统范围内发生正负极短路或者两点接地短路时，各直流电流互感器的逆流保护均不动作，也就是在这个广大直流系统范围内无任何保护，对企业安全运行造成重大危害。

由上述分析可以看出，现有的逆流保护存在重大缺陷，这也是国内外电力系统继电保护领域中急待解决的一个空白。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明要解决的技术问题是提供一种更好的整流变压器阀侧直流系统短路故障的判别方法和系统，其保护性能应显著优于传统的逆流保护。

为了解决上述问题，本发明实施例提出了一种整流变压器阀侧直流系统短路故障的判别方法，包括：

通过在整流柜输出端的直流正极线路上的监测点TA₁、TA₂……TA_N，获取整流柜输出端的直流正极线路上的在线测量直流电流I₁、I₂……I_n；

通过在负载输入端的正极线路上监测点TA_j，获取负载输入端的直流正极线路上的在线测量直流电流I_j；

计算整流柜输出端的直流正极线路上的在线测量直流电流绝对值之和I_∑，

I_∑＝|I₁|+|I₂|+......+|I_n|；

计算整流柜电流比I_∑*，整流柜电流比I_∑*为各整流柜在线测量直流电流绝对值之和与正常运行状态下电解槽输入的额定直流电流的比值，

计算负载电流比I_j*，负载电流比I_j*为流经负载的输入端正极线路上TA_j的在线测量直流电流与正常运行状态下电解槽输入的额定直流电流的比值，

n为整流变压器的总台数(即整流柜的总台数)，I_e为每个整流柜正常运行时输出的额定直流电流。

根据整流柜电流比I_∑*与负载电流比I_j*之间的差值判断直流差动保护是否动作。

其中，所述方法中根据整流柜电流比I_∑*与负载电流比I_j*之间的差值判断直流差动保护是否动作，具体包括：

判断整流柜电流比I_∑*与负载电流比I_j*之间的差值是否大于预设阈值，如果是则直流差动保护动作，否则直流差动保护不动作。

其中，所述预设阈值为0.2～0.4；即判断以下公式(1)是否成立

|I_∑*-I_j*|>0.2～0.4 (1)

如果是则直流差动保护动作，否则直流差动保护不动作。

同时，本发明实施例还提出了一种整流变压器阀侧直流系统短路故障保护系统，包括：

设置在整流柜输出端的直流正极线路上的监测点TA₁、TA₂……TA_N，所述监测点TA₁、TA₂……TA_N用于获取整流柜输出端的直流正极线路上的在线测量直流电流I₁、I₂……I_n；

设置在负载的输入端正极线路上监测点TA_j，所述监测点TA_j用于获取负载输入端的直流正极线路上的在线测量直流电流I_j；

故障判断机构，用于执行以下操作：

计算整流柜输出端的直流正极线路上的在线测量直流电流绝对值之和I_∑，I_∑＝|I₁|+|I₂|+......+|I_n|

计算整流柜电流比I_∑*，整流柜电流比I_∑*为各整流柜在线测量直流电流绝对值之和与正常运行状态下电解槽输入的额定直流电流的比值，

计算负载电流比I_j*，负载电流比I_j*为流经负载的输入端正极线路上TA_j的在线测量直流电流与正常运行状态下电解槽输入的额定直流电流的比值，

根据整流柜电流比I_∑*与负载电流比I_j*之间的差值判断直流差动保护是否动作。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：本发明实施例提出的直流差动保护，能保护化工冶炼企业整流变压器阀侧广大直流系统全部区域内任一地点的正负极短路、同一地点及不同地点的两点接地短路以及阀短路而且动作灵敏度高。本发明“直流差动保护”能保护传统的“逆流保护”所不能保护的区域(即弥补“逆流保护”的死区)，而且也能保护“逆流保护”能保护的区域，显然本发明的特性优于“逆流保护”的特性。本发明“直流差动保护”单独应用或者与“逆流保护”联合应用可显著提高冶炼企业及电力系统运行的安全性。

附图说明

图1为现有的逆流差动保护的原理示意图；

图2为本发明实施例的直流差动保护的原理示意图；

图3-图6为四种不同故障状态下的本发明实施例的工作原理。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

如图2所示的，本发明实施例的整流变压器阀侧直流系统短路故障的判别系统包括连接在整流柜输出端的直流正极线路上的直流电流互感器TA₁、TA₂……TA_N；还包括安装在负载输入端正极线路上的负载直流电流互感器TA_j。在本发明实施例中，该负载可以为电解槽。TA₁、TA₂……TA_N、TA_j组成了本发明实施例的直流差动保护系统，保护的动作判据方程为：

|I_∑*-I_j*|>0.2～0.4 (1)

其中I₁、I₂……I_n为各整流柜输出端的直流正极线路上的在线测量直流电流；

I_e为正常运行状态下的各整流柜输出的额定直流电流；

I_j为流经负载的输入端正极线路上TA_j的在线测量直流电流；

nI_e为正常运行状态下电解槽输入的额定直流电流；n为整流变压器的台数(即整流柜的台数)。

其中I_∑为整流柜输出端的直流正极线路上的在线测量直流电流绝对值之和，I_∑＝|I₁|+|I₂|+......+|I_n|

I_∑*为整流柜电流比，即各整流柜输出端正极的在线测量直流电流绝对值之和与正常运行状态下电解槽输入的额定直流电流的比值。

I_j*为负载电流比，即流经负载的输入端正极线路上TA_j的在线测量直流电流与正常运行状态下电解槽输入的额定直流电流的比值。

以下论述在正常运行及各种短路故障情况下，以式(1)为动作判据的直流差动保护的动作特性。

(1)正常运行

如图2所示的，在正常运行时，各个监测点的电流I₁、I₂……I_n及负载的电流I_j都由相应的监测点TA的正极性端流入，各电流为正。

I_∑＝|I₁|+|I₂|+......+|I_n|

理论上I_∑＝I_j，I_∑*＝I_j*，动作量I_∑*-I_j*＝0；

但实际上，由于各TA的变比误差及各种测量误差，动作量不为零，为一个较小的不平衡电流，|I_∑*-I_j*|<0.2～0.4，式(1)动作判据不满足，直流差动保护不动作。

(2)TA₁、TA₂……TA_N与各整流柜之间所包围的区域内任一点正负极短路，或是整流柜阀短路；

如图3所示的，假设其中一个监测点TA₁与整流柜1之间发生正负极短路，流经监测点TA₁的电流I₁由负极性端流入，I₁为负值：

I₁＝-(I₂+......+I_n) (2)

而流经非故障线路TA₂……TA_N的电流I₂……I_n都由正极性端流入，I₂……I_n均为正值；

I_∑＝|I₁|+|I₂|+……+|I_n|＝2|I₂+……+I_n|＝2|I₁| (3)

由于电流I₂……I_n为正而电流I₁为负，因此即I_∑等于流过非故障线路监测点TA₂……TA_N电流总和的2倍，也等于流过故障线路TA₁电流幅值的2倍。由于I_∑很大，I_∑*很大，而此时短路点的电压为零，电解槽端部正负极之间的电压仅为端部至短路点之间的线路压降，此压降很小，故流过电解槽的负载电流I_j*很小(图3中未画出I_j)。可见，式(1)中的动作量|I_∑*-I_j*|很大，直流差动保护灵敏动作。

此外，整流柜中的阀短路时，表现的特征为交流两相短路三相短路及直流短路。故阀短路时，与上述正负极短路同理，直流差动保护灵敏动作。

需要指出的是：在现有技术中根本无式(1)所示的直流差动保护系统，也根本无I_∑、I_∑*值。以下为论证本发明原理更加深入清晰，假若动作判据式(1)中的I_∑采用I_∑＝I₁+I₂+......+I_n，即I_∑假若采用各整流柜输出正极线路的在线测量电流的向量和，不是绝对值之和，则当图3所示的正负极短路故障时，I_∑＝I₁+I₂+......+I_n＝-(I₂+......+I_n)+I₂+......+I_n＝0，I_∑*＝0，又负载电流I_j*也极小，势必式(1)中的动作量|I_∑*-I_j*|极小，式(1)所示的直流差动保护必然拒动，无法完成直流差动保护担当的保护任务。这是本发明式(1)中的I_∑为何不采用I_∑＝I₁+I₂+......+I_n向量之和方程而采用I_∑＝|I₁|+|I₂|+......+|I_n|绝对值之和方程的理由。

(3)监测点TA₁、TA₂……TA_N与负载(电解槽)之间所包围的区域内任一地点正负极短路

如图4所示的，直流母线某处正负极短路，通过监测点TA₁、TA₂……TA_N的电流I₁、I₂……I_n都由各自的检测点TA的正极性端流入，电流I₁、I₂……I_n均为正值。

由于I_∑＝|I₁|+|I₂|+......+|I_n|，因此I_∑大，I_∑*大，而由于电解槽的端电压很低，因此电解槽的负载电流I_j很小，I_j*很小。公式(1)的动作量|I_∑*-I_j*|大，直流差动保护动作。

(4)同一地点两点接地短路

同一地点两点接地短路与上述第(2)、第(3)的原理相同，直流差动保护动作。

(5)不同地点两点接地短路，如图5所示，正极接地点位于TA与整流柜之间区域内任一点，负极接地点位于直流系统负极的任一点。

见图5，假设整流柜1的正极线路上和整流柜2的负极线路上都接地短路；此时整流柜1的正极线路上的电流I₁由监测点TA₁的负极性端流入，

I₁＝-(I₂+......+I_n) (4)

电流I₂……I_n都由各自的整流柜的正极性端流入，因此I₂……I_n均为正值，则

I_∑＝|I₁|+|I₂|+......+|I_n|＝2|I₂+......+I_n|＝2|I₁| (5)

可见，I_∑很大，I_j为很小的负荷电流，直流差动保护灵敏动作。式(4)、式(5)分别与式(2)、式(3)同。

(6)不同地点两点接地短路，如图6所示，正极接地点位于TA与电解槽之间区域内任一点，负极接地点位于直流系统负极的任一点。

见图6，电流I₁、I₂……I_n分别由对应的监测点TA₁、TA₂……TA_N的正极线路流入，电流I₁、I₂……I_n均为正值，则

I_∑＝|I₁|+|I₂|+......+|I_n|

因此I_∑很大，I_j为很小的负荷电流，直流差动保护灵敏动作。

结论：

综上所述，本发明实施例提出的直流差动保护，能保护化工冶炼企业整流变压器阀侧广大直流系统全部区域内任一地点的正负极短路、同一地点及不同地点的两点接地短路以及阀短路而且动作灵敏度高。本发明“直流差动保护”能保护传统的“逆流保护”所不能保护的区域(即弥补“逆流保护”的死区)，而且也能保护“逆流保护”能保护的区域，显然本发明的特性优于“逆流保护”的特性。本发明“直流差动保护”单独应用或者与“逆流保护”联合应用可显著提高冶炼企业及电力系统运行的安全性。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的权利要求保护的范围。

Claims (4)

1.一种整流变压器阀侧直流系统短路故障的判别方法，其特征在于，包括：

通过在整流柜输出端的直流正极线路上的监测点TA₁、TA₂……TA_N，获取整流柜输出端的直流正极线路上的在线测量直流电流I₁、I₂……I_n；

通过在负载输入端正极线路上监测点TA_j，获取负载输入端的直流正极线路上的在线测量直流电流I_j；

计算整流柜输出端的直流正极线路上的在线测量直流电流绝对值之和I_∑；I_∑＝|I₁|+|I₂|+......+|I_n|；

计算整流柜电流比整流柜电流比为各整流柜在线测量直流电流绝对值之和I_∑与正常运行状态下电解槽输入的额定直流电流nI_e的比值，

计算负载电流比负载电流比为流经负载的输入端正极线路上TA_j的在线测量直流电流I_j与正常运行状态下电解槽输入的额定直流电流nI_e的比值，

n为整流变压器的总台数，且整流变压器的总台数＝整流柜的总台数，I_e为每个整流柜正常运行时输出的额定直流电流；

根据整流柜电流比与负载电流比之间的差值判断直流差动保护是否动作。

2.根据权利要求1所述的整流变压器阀侧直流系统短路故障的判别方法，其特征在于，根据整流柜电流比与负载电流比之间的差值判断直流差动保护是否动作，具体包括：

判断整流柜电流比与负载电流比之间的差值是否大于预设阈值，如果是则直流差动保护动作，否则直流差动保护不动作。

3.根据权利要求2所述的整流变压器阀侧直流系统短路故障的判别方法，其特征在于，包括：

所述预设阈值为0.2～0.4；即判断以下公式(1)是否成立

如果是则直流差动保护动作，否则直流差动保护不动作。

4.一种整流变压器阀侧直流系统短路故障保护系统，其特征在于，包括：

设置在整流柜的输出端的直流正极线路上的监测点TA₁、TA₂……TA_N，所述监测点TA₁、TA₂……TA_N用于获取整流柜的输出端的直流正极线路上的在线测量直流电流I₁、I₂……I_n；

设置在负载的输入端正极线路上监测点TA_j，所述监测点TA_j用于获取负载的输入端的直流正极线路上的在线测量直流电流I_j；

计算整流柜输出端的直流正极线路上的在线测量直流电流绝对值之和I_∑；I_∑＝|I₁|+|I₂|+......+|I_n|；

计算整流柜电流比整流柜电流比为各整流柜在线测量直流电流绝对值之和与正常运行状态下电解槽输入的额定直流电流的比值，

其中n为整流变压器的总台数，且整流变压器的总台数＝整流柜的总台数，I_e为每个整流柜正常运行时输出的额定直流电流；

计算负载电流比负载电流比为流经负载的输入端正极线路上TA_j的在线测量直流电流与正常运行状态下电解槽输入的额定直流电流的比值，

根据整流柜电流比与负载电流比之间的差值判断直流差动保护是否动作。