CN1323476C - 直流系统短路保护装置 - Google Patents

Abstract

本发明直流系统短路保护装置，适应于发电厂、变电站直流220伏，±110伏系统短路故障在线保护，本发明的目的是这样实现的，它是支路短路检测电路经数据采集电路、A/D转换电路与工业控制计算机联接；母线电压检测电路经数据采集电路、A/D转换电路与工业控制计算机联接；断路器状态检测电路经光隔离输入电路与工业控制计算机联接；工业控制计算机运用电流判据：直流支路电流I≥短路故障识别的电流定值I_dz、电压判据：直流母线电压U≤短路故障识别的电压定值U_dz进行计算判定，同时满足电流、电压判据，则判定直流系统出现短路故障，再经选择性逻辑判据发出控制信号经继电器输出电路输出给断路器保护跳闸控制电路。

Description

直流系统短路保护装置

技术领域

本发明涉及一种短路保护装置，属于一种适应于发电厂、变电站直流220伏，±110伏系统短路故障在线保护的直流系统短路保护装置。

背景技术

直流系统是电力系统中控制、保护、信号及自动装置等的电源，它的可靠性直接关系到电力系统的安全。但由于目前对直流系统短路后的故障切除，仍采用传统的熔断器法，而由于熔断器存在的分散性和热脆性等一系列遗留问题，屡次发生熔断器越级动作到直流电源总保险熔断，造成直流供电电源消失，导致电力系统事故迅速蔓延扩大，造成电力系统灾难性的设备损坏和系统事故。近年来采用的热脱扣直流断路器和利用电流互感器的CT恒流源特性，在直流电源消失后去跳开断路器(仅限于6KV断路器)方法，仍未能很好地解决直流系统短路故障引发的问题。直流系统可靠性较低是电力系统存在的一个普遍性的问题，近年来全国各地的变电站、发电厂频频出现的直流电源消失而引发主设备损坏的事故，给电力系统造成很大的经济损失。就某电力公司而言，1988年发生过一电厂#5机变因6KV高压开关柜内部短路，本应该是该柜或者最多是该段的直流保险熔断即可切除该短路故障，但该段的熔断器未断，而是主控室的直流总保险发生熔断，导致了主控室直流电源消失。由于失去了直流电源，#5发电机严重烧损，#5变压器烧损，#5机出线小室3000安培的大容量隔离开关严重烧损，该出线小室内墙壁上的水泥被电弧烧的熔化。1996年某供电局水川变发生了一次因35KV高压开关柜内部短路，结果导致整个变电站直流电源消失，远后备保护动作才将该事故切除，结果造成一台110kV额定容量为120MVA的变压器烧损。目前，作为直流系统短路开断的主要保护有两种：

1、熔断器仍作为直流系统的短路保护的主要手段，至今在电力行业仍然大量使用。就短路故障开断而言，有其很科学的一面。其优点是：熔断器具有良好的短路开断性能，开断过程无需其它操作电源，可根据容量搭配获得比较合理的时间配合，运行维护简单。其主要缺点是：熔断器的热脆性问题。由于多次、长期的合闸、短路等冲击电流影响，其容量易发生变化；分散性大，虽然是同一容量、同一品牌的熔断器，其实际熔断电流亦存在比较大的差异；由于管理上的问题，易造成错用；无法实现直流回路电源的自动切换，改变运行方式，供电的可靠性较差。因直流系统自身存在上述难以克服的不足之处，所以易出现保护动作顺序上的紊乱，越级动作，造成直流电源消失，引发更大事故。全国每年因此发生烧坏大型电力设备事故3-4起，直接经济损失上千万元。

2、带热脱扣的直流断路器法此方法是近年来出现的比较先进的直流系统短路保护方法，其利用直流断路器的热脱扣器整定电流倍数和延时来整定断路器的跳闸时间及顺序。用于交流具有选择性好，运行维护简单等优点；用于直流电流及时间整定困难，切除故障时间较长，不能实现运行方式的自动调整。

发明内容

本发明的目的是提供一种能对直流系统短路事故的快速识别与保护的直流系统短路保护装置。

本发明的目的是这样实现的，它是支路短路检测电路经数据采集电路、A/D转换电路与工业控制计算机联接：母线电压检测电路经数据采集电路、A/D转换电路与工业控制计算机联接；断路器状态检测电路经光隔离输入电路与工业控制计算机联接；工业控制计算机运用电流判据：直流支路电流I≥短路故障识别的电流定值I_dz、电压判据：直流母线电压U≤短路故障识别的电压定值U_dz进行计算判定，同时满足电流、电压判据，则判定直流系统出现短路故障，再经选择性逻辑判据发出控制信号经继电器输出电路输出给断路器保护跳闸控制电路。

本发明所述的支路短路检测电路和母线电压检测电路是由装在直流系统的工作电源和备用电源中的霍尔传感器构成，直流系统工作电源至少为三级，第一级母线上装有一个支路，第二级母线上装有至少二个支路，在第一级与第二级母线之间是备用电源，备用电源上的支路与第三级母线联接。

本发明所述的支路短路检测电路是在第一级母线、第二级母线、第三级母线的各支路的正或负支线上和备用电源的各支路的正或负支线上装直流霍尔传感器，所述的母线电压检测电路是在第一级母线上装电压霍尔传感器，直流断路器是装在三级母线的各支路的支线上和备用电源的各支路的支线上。

经实验与现场运行表明了本发明能迅速的诊断直流系统的短路故障和有效的切除故障组件，并及时投入备用直流回路，提高了直流系统供电的可靠性。仿真实验原理结构按图3设计，采用交流整流电源为直流系统电源，以直流断路器(最大合闸冲击电流6A)模拟冲击负荷，为防止直接短路时故障电流过大损坏设备，以10Ω感性负载模拟系统短路故障，同时将保护装置的电流定值减小，增加电压定值，分别在27-32支路末端做冲击负荷和短路故障实验。冲击负荷实验时，各级开关均不动。表1给出了模拟27-32支路短路故障，其相应开关跳闸或人为使开关拒动的实验结果，其它支路的实验结果同表1结果相似，满足直流系统三级式电流保护设计要求。

表1末端支路短路实验结果

故障末端支路	保护跳闸开关	保护出口时限ms	人为拒动开关	保护跳闸开关	保护出口时限ms	人为拒动开关	保护跳闸开关	保护出口时限ms	投入备用支路	自投开关时限ms
											3级	32	20	32
2级				26	50	26
											1级							20	80	2122	100102

本发明利用霍尔传感器件测量直流系统回路电流、母线电压，采用短路电流、母线电压作综合判据，快速识别高压开关合闸冲击电流和短路故障电流，在直流系统保护中首次采用了微机保护原理和运行状态在线检测。在上述试验中，装置正确及时地反映了直流供电系统的运行状况，对短路故障能实施快速识别和有效地保护与报警，并能根据系统状况，进行运行方式的自动调整，达到了保护装置可靠性、选择性、快速性、灵敏性的要求，克服了现有熔断器法因越级熔断造成直流电源消失，引发事故迅速蔓延扩大，造成电力系统灾难性的设备损坏和系统事故问题，提高了直流系统供电的可靠性。

附图说明

图1为直流系统短路时电流、电压波形图

图2为本发明区分直流系统冲击电流与短路电流的波形图

图3为本发明实施例的电路结构的方框图

图4为本发明实施例的短路检测电路的原理图

图5为本发明实施例的程序流程图

具体实施方式

在说明本发明实施例前，对电流、电压判据先详细说明：电流、电压判据是由以下背景技术提供，直流系统最大的特点是供电线路短，各分支的短路电流和电源首端的短路电流差别较小，短路电流较大，短路点及母线电压很低，其动态过程见图1所示。图中纵坐标为电流及电压坐标，横标为时间坐标。直流支路电流I的曲线在短路初期迅速上升，之后进入稳定状态。直流母线电压U的曲线在短路初期迅速降低，之后也进入稳定状态。根据目前国内蓄电池组的容量和内阻，对短路时支路电流I_d和短路时母线电压U_d的稳态值可按

式1

$I_d=\frac{E}{r+R+Z}\≈\frac{E}{r}\≈10~20\left(\mathrm{kA}\right)$

式2

U_d≈10～20(V)

进行估算，其动态过程与图1相似。

式中：

r-蓄电池内阻    E-直流系统蓄电池电势

R-供电线路直流电阻    Z-短路点等值阻抗

经过对实际直流系统的试验测试和分析，确定出实现直流短路保护的关键是正确区分直流系统短路电流与大负荷冲击电流。如图2所示，图中纵坐标为电流及电压坐标，横标为时间坐标。图中曲线I_d代表短路时支路电流，曲线I_dz代表保护装置动作电流即短路故障识别电流定值，曲线I_max.r代表高压开关冲击负荷电流，曲线I_g为系统正常工作电流，曲线U_gz代表工作电压，曲线U_d代表短路时母线电压，曲线U₀为电压门槛值，曲线U_c为系统在大负荷冲击电流作用下母线电压。大负荷冲击电流与短路电流的区分：从图2中可以看出，如果系统单台开关合闸，短路判据的电流判据和电压判据不满足短路条件；如果是两台以上的开关合闸，这时短路判据的电流判据满足条件，但是电压判据不满足条件；如果直流系统出现短路故障，电流、电压判据同时满足。根据短路电流与冲击负荷电流的不同特性，在直流电源处加装一个测量母线电压霍尔传感器，在每条供电支路的正(或负)支线上套一个直流霍尔传感器，测量回路电流，构成直流系统短路故障的快速识别判据，可表示为：

式3

I≥I_dz

式4

U≤U_dz

式中：

I_dz＝KI_cmax为短路故障识别电流定值；

U_dz—短路故障识别的电压定值；

K—可靠系数；

I_cmax—冲击负荷电流最大值；

此外，对I，U采用均值平滑处理，通过数字滤波提高了装置的抗干扰性能，可表示为：

式5

$I={\mathrm{\Σ}}_{N=1}^{N=6}\frac{I_N}{6}$

式6

$U={\mathrm{\Σ}}_{N=1}^{N=6}\frac{U_N}{6}$

本实施例直流系统短路保护装置的电路方框图如图3所示。短路检测电路是包括支路短路检测电路34、母线电压检测电路36。支路短路检测电路34经数据采集电路39(PCLD8115  16通道)、A/D转换电路43(PCL818L)将信号输出给工业控制计算机45；母线电压检测电路36经数据采集电路40(PCLD811516通道)、A/D转换电路44(PCL818L)将信号输出给工业控制计算机45；断路器状态检测电路37经光隔离输入电路41(PCLD-782)将信号输出给工业控制计算机45；工业控制计算机45将采集的信号运用电流电压判定、再经选择性逻辑判据发出控制信号经继电器输出电路42(PCLD-785)输出给断路器保护跳闸控制电路38。参照图4，直流系统工作电源设置至少为三级，第一级母线1上装有一个支路，第二级母线3上至少装二个支路，第三级母线4-6上至少装二个支路，在工作电源外装设备用电源2，备用电源2上的支路的末端可与第二级母线3或第三级母线4-6联接，备用电源2上的支路与第二级母线3、第三级母线4-6上的支路数相等，第一级母线1上的支路末端是联接在第二级母线3上，第二级母线3的各支路末端是联接第三级母线4-6上，第三级母线4-6的各支路末端是联接直流供电回路负载：支路短路检测电路34是在第一级母线1、第二级母线3、第三级母线4-6的各支路的正或负支线上和备用电源2的各支路的正或负支线上装直流霍尔传感器7-19，直流断路器20-32是装在三级母线1、3、4-6的各支路和备用电源2的各支路，第一级母线1和第二级母线3支路的直流断路器20-26是带电动分合闸操作机构的直流断路器，备用电源2支路的断路器21-23是带电动分合闸操作机构的直流断路器，母线电压检测电路是在第一级母线1上装电压霍尔传感器33，继电器输出电路是装在三级母线1、3、4-6的各支路和备用电源2的各支路上的直流断路器20-32的分合闸操作回路的辅助接点，断路器状态检测电路37是装在三级母线1、3、4-6的各支路和备用电源2的各支路上的直流断路器20-32上的与断路器分合闸位置相对应的辅助接点。断路器跳闸控制电路38是装在三级母线1、3、4-6的各支路和备用电源2的各支路上的直流断路器20-32上的分合闸线圈。由霍尔传感器测出的回路电流信号和母线电压信号经数据采集电路39、40、A/D转换电路43、44输出给工业控制计算机45，工业控制计算机45运用电流判据I≥I_dz(见式3)、电压判据U≤U_dz(见式4)进行计算判定，若同时满足电流、电压判据，则直流系统出现短路故障，确定短路后，再用下述的逻辑判据选择性地对短路点进行判定及切除；逻辑判据设置具体构成方法如下：

1)第三级：速断电流保护，断路器27-32。如系统发展需要可在本级扩展，增加支路：本级故障，直接动作于跳闸；

2)第二级，限时速断电流保护，断路器24-26。本级故障，直接动作于跳闸；第三级有保护动作和短路信号，但第三级开关动作失败，且短路仍存在，此时延时Δt跳闸；

3)第一级，定时限电流保护，断路器20。本级故障，直接动作于跳闸：第二级有保护动作和短路信号，但开关动作失败，且短路仍存在，此时延时Δt跳闸：第三级有保护动作和短路信号，但第二级近备用电源保护开关动作失败，且短路仍存在，此时延时2Δt跳闸：

备用电源供电回路自投，断路器21-23。

当第一级保护动作切除故障时，及时合上第二级或第三级的备用电源自投开关21-23，其它正常支路的供电。

按上述方法构成的逻辑判据的编程，属本领域技术人员所熟悉的，故在此不再详述。

图5的流程指示在短路检测步骤46是对系统进行的第一轮短路检测，再进入短路判定步骤47，若同时满电流判据I≥I_dz(见式3)、电压判据U≤U_dz(见式4)则判定出现短路故障，再进入报警步骤52和跳闸步骤53：若无短路故障，再执行短路检测步骤48、判别步骤49进行的第二轮短路检测，若检测中出现短路故障，则进入报警步骤52并进入跳闸步骤53有选择地切除短路故障：若第二轮短路检测无故障，再执行短路检测步骤50、判别步骤51执行的第三轮短路检测，若有短路故障，则按第一轮方法切除短路故障。在第一至三轮确定有短路故障后，根据逻辑判据的判定结果切除故障，并确定是否进入备用电源投入判别步骤54、备用电源投入步骤55；在进行第三轮短路检测后，进入中断控制步骤56，决定是否继续执行程序步骤46，或者退出步骤57。上述流程图中的步骤的编程，属本领域技术人员所熟悉的，故在此不再详述。

Claims (3)

1、一种直流系统短路保护装置，其特征是：它的支路短路检测电路(34)经第一数据采集电路(39)、第一A/D转换电路(43)与工业控制计算机(45)联接；母线电压检测电路(36)经第二数据采集电路(40)、第二A/D转换电路(44)与工业控制计算机(45)联接；断路器状态检测电路(37)经光隔离输入电路(41)与工业控制计算机(45)联接；工业控制计算机(45)运用电流判据：直流支路电流I≥短路故障识别的电流定值I_dz、电压判据：直流母线电压U≤短路故障识别的电压定值U_dz进行计算判定，同时满足电流、电压判据，则判定直流系统出现短路故障，再经选择性逻辑判据发出控制信号经继电器输出电路(42)输出给断路器保护跳闸控制电路(38)，上述故障识别电流定值I_dz＝KI_cmax，式中K-可靠系数，I_cmax-冲击负荷电流最大值。

2、根据权利要求1所述的直流系统短路保护装置，其特征是：所述的支路短路检测电路(34)和母线电压检测电路(36)是由装在直流系统的工作电源和备用电源中的霍尔传感器构成，直流系统工作电源至少为三级，第一级母线(1)上装有一个支路，第二级母线(3)上装有至少二个支路，第三级母线(4)上装有至少二个支路，在工作电源外装设备用电源(2)，备用电源(2)上的支路的末端与第二级母线(3)或第三级母线(4-6)联接。

3、根据权利要求2所述的直流系统短路保护装置，其特征是：支路短路检测电路(34)是在第一级母线(1)、第二级母线(3)、第三级母线(4-6)的各支路的正或负支线上和备用电源(2)的各支路的正或负支线上装直流霍尔传感器(7-19)，母线电压检测电路(36)是在第一级母线(1)上装电压霍尔传感器(33)，在三级母线(1、3、4-6)的各支路和备用电源(2)的各支路装直流断路器(20-32)。

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