CN107846002B - 一种利用快速断路器限制短路电流的方法 - Google Patents

Abstract

本发明针对系统短路时不断增大的故障电流对现有电力系统的不利影响，公开了一种利用快速断路器限制系统短路电流的方法，利用快速断路器作为母联断路器的快速动作性能，在正常运行时快速断路器处于合闸状态；在变电站母线连接的馈线上发生故障时，快速断路器快速动作跳闸，改变系统的拓扑结构来限制短路电流；在故障被隔离后又将快速断路器合闸，提高系统供电的可靠性。同时，通过设计定时器使得快速断路器有效地和故障线路的故障重合闸配合。该方案既能够在正常运行时提高系统供电的可靠性，又能够保证在系统发生故障时限制短路电流，且不受故障线路重合闸的影响，大大增加了系统运行的可靠性、安全性和灵活性，具有很好的应用前景。

Description

一种利用快速断路器限制短路电流的方法

技术领域

本发明属于快速断路器应用领域，具体涉及一种利用快速断路器限制短路电流的方法。

背景技术

随着交流电网规模的不断扩大，系统等值阻抗越来越小，导致系统短路时的故障电流越来越大，较大的故障电流在一定程度上造成了现有的断路器开断困难，进而导致变压器等电力设备承受较长时间的短路冲击，影响设备安全，同时由于短路电流超标，变电站被迫采用母线分段运行方式，降低了供电可靠性。另一方面，随着快速断路器关键技术的不断进步和成熟，新型的快速断路器可实现在一个周波内可靠安全地开断短路电流，其应用将会给电网运行带来根本改变，其中一个重要的应用场景就是快速断路器可以作为母线连接断路器，通过迅速动作改变系统的拓扑结构，从而能够有效地限制故障时的短路电流。因此，研究利用快速断路器限制短路电流的方法具有非常重要的意义。

在传统的断路器应用场景下，为了提高供电可靠性，变电站通常采用双母线并列运行方式。在一条母线所连接的馈线上发生故障时，不仅仅该条母线上所连接的电源会给其提供短路电流，另一条母线上所连接的电源也会通过母线连接断路器给该故障提供短路电流，导致系统短路时的故障电流很大。

例如对于图1所示的变电站，BUS1和BUS2是变电站的两条并列运行的母线，在正常运行情况下，为了提高供电可靠性，通常采用双母线并列运行方式，母线连接断路器QF是闭合的。当连接在BUS2上的馈线L1发生故障时，不仅连接在BUS2上的电源S2可以提供短路电流，连接在BUS1上的电源S1也能通过母线连接断路器QF向故障点提供短路电流。这样导致在馈线L1上发生故障时，流过馈线L1的短路电流很大，从而造成开断断路器BK的开断困难。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用快速断路器限制短路电流的方法，以克服上述现有技术存在的缺陷，本发明能够实现在变电站母线馈线上发生故障时，利用作为母线连接断路器的快速断路器的快速动作性能，迅速跳开快速断路器，限制短路电流；在故障被隔离后将快速断路器合闸，提高系统供电可靠性。并且考虑后续故障线路的故障重合闸，设计快速断路器的跳闸和合闸策略。既能够在正常运行时提高供电可靠性，又能够保证在系统发生故障时限制短路电流，不受故障线路重合闸的影响，大大增加了系统运行的可靠性、安全性和灵活性。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种利用快速断路器限制短路电流的方法，包括以下步骤：

步骤1、当双母线接线的变电站馈出线、联络线发生故障时，快速断路器的控制器检测到电流增大的信息，此时启动短路电流识别及预测程序；

步骤2、各馈出线、联络线的控制器根据A、B、C三相电流录波数据进行滤波和短路电流基频相量的预测，得到A、B、C三相电流预测基频相量的幅值；

步骤3、各馈出线、联络线的控制器将A、B、C三相电流预测基频相量的幅值与事先设定的整定值比较，若预测值大于整定值，则向快速断路器的控制器发送跳闸信号；

步骤4、快速断路器控制器接收到馈出线、联络线的跳闸信号后，启动断路器跳闸回路，断开电路，双母线并列运行方式转化为两条单母线运行方式；

步骤5、故障线路的断路器按照事先设定的整定值启动跳闸回路，隔离故障；

步骤6、故障线路被隔离后，故障馈出线、联络线的控制器根据断路器节点转换信号和电压、电流测量值判断跳闸成功，向快速断路器的控制器发送合闸信号；

步骤7、快速断路器的控制器接收到合闸信号后，启动快速断路器合闸回路，闭合电路，两条单母线运行方式转化为双母线并列运行方式；

步骤8、快速断路器的控制器启动第一定时器，该第一定时器的定值至少要大于各馈出线、联络线的最大的故障重合闸整定时间；

步骤9、若第一定时器时间到，且快速断路器的控制器未检测到电流增大的信息，则执行步骤12；若第一定时器时间未到，且快速断路器的控制器检测到电流增大的信息，则无延时地启动快速断路器跳闸回路，断开电路，将双母线并列运行方式转化为两条单母线运行，限制短路电流，同时故障线路的断路器检测到重合闸不成功时，无延时地启动跳闸回路；

步骤10、快速断路器的控制器启动第二定时器，该第二定时器的定值需大于快速断路器在跳闸后又快速合闸所需要的最小准备时间；

步骤11、若第二定时器时间到，且快速断路器的控制器接收到合闸信号，快速断路器的控制器启动合闸程序，闭合电路，两条单母线运行转化为双母线并列运行方式；

步骤12、本次动作时序结束。

采用矩阵束算法对步骤2中三相电流进行预测，假定预测的电流信号形式为：

其中，R_i为模态i的复幅值，z_i＝exp(s_iT_s)为系统响应信号的极点，T_s为采样间隔，M为最大模态数，k＝0,1,...,N-1；

通过构造2个矩阵Y₁和Y₂，矩阵束Y₂-λY₁的广义特征值即为信号的极点z_i，矩阵Y₁和Y₂的表达式如下所示，其中L为矩阵束参数：

得到所有信号的极点z_i后，复幅值R_i即可通过求解以下方程得到：

利用矩阵束算法，得到电流信号的预测值序列x(n)之后，则电流信号基频相量的幅值I_pre为预测基频相量信号所对应的复幅值R_f的绝对值，其中，n＝1,2,3,…

I_pre＝|R_f|。

进一步地，步骤3中预测基频相量的幅值与整定值的比较公式如下：

I_pre＞I_set

其中，I_pre为检测到突变量时，利用矩阵束算法预测的短路电流的基频分量的幅值；I_set为保护算法的整定值。

进一步地，步骤4和步骤5中系统发生故障时快速断路器与故障线路断路器的跳闸配合如下所述：当母线连接的馈线或者联络线上发生故障，相应的继电保护发出跳闸信号后，快速断路器控制器将首先控制快速断路器跳开，将双母线并列运行方式转化为两条单母线运行方式，有效降低短路电流；然后，故障线路的断路器根据继电保护的跳闸信号启动跳闸回路，隔离故障。

进一步地，步骤6和步骤7中当馈出线或联络线上的故障被隔离后，快速断路器的合闸策略如下所述：在故障线路被隔离，故障馈出线或联络线的控制器根据断路器节点转换信号和电压、电流等测量值判断跳闸成功后，向快速断路器的控制器发出合闸信号；快速断路器的控制器接受到合闸信号后，启动快速断路器合闸回路，将两条单母线运行方式转换为双母线并列运行方式，保证供电的可靠性。

进一步地，步骤8、步骤9中重合闸于瞬时性故障后，快速断路器的动作策略如下所述：故障线路被隔离后，通常会在经过一定的延时后启动线路的重合闸，所以快速断路器在第一次合闸后需要等待重合闸之后是否检测到电流增大的信息，故在快速断路器第一次合闸之后控制器启动第一定时器，该第一定时器的定时需要和各个馈出线或联络线的故障重合闸整定时间进行配合，即该定时器的整定时间至少要大于各个馈出线或联络线的最大的重合闸整定时间。若第一定时器的整定时间已走完，快速断路器的控制器还未检测到电流增大的信息，说明馈出线或联络线的故障重合闸成功，本次动作时序结束；重合闸于永久性故障后，快速断路器与故障线路断路器的动作策略如下所述：若第一定时器的整定时间还未走完，快速断路器的控制器检测到电流增大的信息，则说明此时馈出线或联络线的故障重合闸不成功，相当于系统再次发生了故障。此时快速断路器和故障线路的断路器均无延时地快速跳开，隔离故障。

进一步地，步骤10和步骤11中重合闸于永久性故障且故障被隔离后，快速断路器的合闸策略如下所述：当重合闸于永久性故障且故障线路再次被隔离后，快速断路器的控制器启动第二定时器，该第二定时器的定值考虑快速断路器在跳开后再次闭合所需要的最小准备时间。当第二定时器的时间已到，快速断路器的控制器同时又接受到了来自故障馈出线或联络线的控制器发出的合闸信号，快速断路器的控制器则启动合闸程序，闭合电路，将两条单母线运行转化为双母线并列运行方式，本次动作时序结束。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提出的利用快速断路器限制短路电流的方法，快速断路器作为母线连接断路器，在正常运行时快速断路器闭合，在母线连接的馈线或者联络线上发生故障时，快速断路器快速跳闸，将双母线并列运行方式转化为两条单母线运行方式，限制短路电流。并且通过设定定时器使得快速断路器能够有效地和故障线路的故障重合闸配合。结果表明，该方法既能够在正常运行时提高系统供电的可靠性，又能够保证在系统发生故障时通过迅速跳开快速断路器，改变系统的拓扑结构来限制短路电流，且不受故障线路重合闸的影响，大大增加了系统运行的可靠性、安全性和灵活性，具有很好的应用前景。

附图说明

图1传统断路器场景下变电站双母线并列运行示意图；

图2快速断路器场景下正常运行时变电站双母线并列运行示意图；

图3快速断路器场景下在线路L3发生故障时，母联断路器跳闸后变电站两条单母线运行示意图；

图4利用快速断路器限制短路电流方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施过程作进一步详细描述：

一种利用快速断路器限制短路电流的方法，具体包括以下步骤：

在正常运行情况下，变电站通常以双母线并列运行方式运行，如图2所示，母线连接断路器QF处于闭合状态，电源和负荷平均分配在两组母线上，提高供电的可靠性。

一、当双母线接线的变电站馈出线、联络线发生故障时，假设在图2中的BUS2相连接的L3发生故障，快速断路器的控制器检测到电流增大的信息，此时启动短路电流识别及预测程序；

二、对A、B、C三相电流录波数据进行滤波，得到A、B、C三相电流的采样值；

三、采用矩阵束算法对A、B、C三相电流进行预测，并对A、B、C三相电流预测值进行基频相量提取，得到A、B、C三相电流的基频相量的幅值I_preA，I_preB，I_preC；

四、比较三相电流的基频相量预测幅值和设定的整定值，若预测的幅值大于整定值，则向作为母联断路器的快速断路器的控制器发送跳闸信号；

如图3所示，在和BUS2相连接的L3上发生故障时，利用矩阵束算法预测的流过线路L3的三相电流的基频相量的幅值I_preA，I_preB，I_preC，和设定的整定值比较后可以得出该线路是否发生故障。

I_pre＞I_set

其中，I_pre为检测到突变量时，利用矩阵束算法预测的流过线路L3的电流值的基频分量的幅值；I_set为保护算法的整定值。

五、快速断路器控制器接收到馈出线、联络线的跳闸信号后，启动快速断路器跳闸回路，断开电路，如图3所示，在和BUS2相连接的L3发生故障时，QF跳开，双母线并列运行方式转化为两条单母线运行方式；同时，故障线路L3的断路器BK按照事先设定的整定值启动跳闸回路，隔离故障。

六、故障线路被隔离后，故障馈出线、联络线的控制器根据断路器节点转换信号和电压、电流等测量值判断跳闸成功，向快速断路器的控制器发送合闸信号；快速断路器的控制器接手到合闸信号后，启动快速断路器合闸回路，通过闭合QF，两条单母线运行方式转化为双母线并列运行方式。

七、快速断路器的控制器启动定时器1，该定时器的定值需与各馈出线、联络线的故障重合闸整定时间相配合，即该定时器的整定时间至少要大于各个馈出线或联络线的最大的重合闸整定时间。若定时器1的整定时间已走完，快速断路器的控制器还未检测到电流增大的信息，说明馈出线L3的故障重合闸成功，本次动作时序结束；

若定时器1时间未到，且快速断路器的控制器检测到电流增大的信息，说明馈出线L3的故障重合闸不成功，无延时地启动快速断路器跳闸回路，跳开QF，将双母线并列运行方式转化为两条单母线运行，限制短路电流。同时故障线路L3的断路器检测到重合闸不成功时，无延时地启动跳闸回路，跳开BK。

八、当重合闸于永久性故障且故障线路L3再次被隔离后，快速断路器的控制器启动定时器2，该定时器的定值考虑快速断路器在跳开后再次闭合所需要的最小准备时间。当定时器2的时间已到，快速断路器的控制器同时又接收到了来自故障馈出线或联络线的控制器发出的合闸信号，快速断路器的控制器则启动合闸程序，闭合母联断路器QF，将两条单母线运行转化为双母线并列运行方式，本次动作时序结束。

Claims (3)

1.一种利用快速断路器限制短路电流的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、当双母线接线的变电站馈出线、联络线发生故障时，快速断路器的控制器检测到电流增大的信息，此时启动短路电流识别及预测程序；

步骤2、各馈出线、联络线的控制器根据A、B、C三相电流录波数据进行滤波和短路电流基频相量的预测，得到A、B、C三相电流预测基频相量的幅值；

步骤3、各馈出线、联络线的控制器将A、B、C三相电流预测基频相量的幅值与事先设定的整定值比较，若预测值大于整定值，则向快速断路器的控制器发送跳闸信号；

步骤4、快速断路器控制器接收到馈出线、联络线的跳闸信号后，启动断路器跳闸回路，断开电路，双母线并列运行方式转化为两条单母线运行方式；

步骤5、故障线路的断路器按照事先设定的整定值启动跳闸回路，隔离故障；

步骤6、故障线路被隔离后，故障馈出线、联络线的控制器根据断路器节点转换信号和电压、电流测量值判断跳闸成功，向快速断路器的控制器发送合闸信号；

步骤7、快速断路器的控制器接收到合闸信号后，启动快速断路器合闸回路，闭合电路，两条单母线运行方式转化为双母线并列运行方式；

步骤8、快速断路器的控制器启动第一定时器，该第一定时器的定值大于各馈出线、联络线的最大的故障重合闸整定时间；

步骤9、若第一定时器时间到，且快速断路器的控制器未检测到电流增大的信息，则执行步骤12；若第一定时器时间未到，且快速断路器的控制器检测到电流增大的信息，则无延时地启动快速断路器跳闸回路，断开电路，将双母线并列运行方式转化为两条单母线运行，限制短路电流，同时故障线路的断路器检测到重合闸不成功时，无延时地启动跳闸回路；

步骤10、快速断路器的控制器启动第二定时器，该第二定时器的定值需大于快速断路器在跳闸后又快速合闸所需要的最小准备时间；

步骤11、若第二定时器时间到，且快速断路器的控制器接收到合闸信号，快速断路器的控制器启动合闸程序，闭合电路，两条单母线运行转化为双母线并列运行方式；

步骤12、本次动作时序结束。

2.根据权利要求1所述的一种利用快速断路器限制短路电流的方法，其特征在于，采用矩阵束算法对步骤2中三相电流进行预测，假定预测的电流信号形式为：

其中，R_i为模态i的复幅值，z_i＝exp(s_iT_s)为系统响应信号的极点，T_s为采样间隔，M为最大模态数，k＝0,1,...,N-1；

通过构造2个矩阵Y₁和Y₂，矩阵束Y₂-λY₁的广义特征值即为信号的极点z_i，矩阵Y₁和Y₂的表达式如下所示，其中L为矩阵束参数：

得到所有信号的极点z_i后，复幅值R_i即可通过求解以下方程得到：

利用矩阵束算法，得到电流信号的预测值序列x(n)之后，则电流信号基频相量的幅值I_pre为预测基频相量信号所对应的复幅值R_f的绝对值，其中，n＝1,2,3,…

I_pre＝|R_f|。

3.根据权利要求2所述的一种利用快速断路器限制短路电流的方法，其特征在于，步骤3中预测基频相量的幅值与整定值的比较公式如下：

I_pre＞I_set

其中，I_pre为检测到突变量时，利用矩阵束算法预测的短路电流的基频分量的幅值；I_set为保护算法的整定值。