CN1390376B - 改进的限制式差动继电器 - Google Patents

Abstract

一种差动继电器，用于在电力系统中保护电力系统设备，例如母线，电力系统设备具有输入电力线和输出电力线，在上面分别有输入和输出电流。每相输入和输出电流通过变压器、滤波和标准化电路后作用于差动继电器。差动继电器包括一个检测电路，用于检测外部故障，并通过阻止继电器对所述外部故障发出跳闸动作以保证安全性。而且，继电器还包括一些电路，能对发展成为内部故障的外部故障进行响应，而改变继电器一部分的运转，方法是增加限制电路的增益，启动一个定向单元监控差动继电器，增加限制电流故障后的即时值，并增加一个选定的时间延迟，所有这些装置都用于识别发展成为内部故障的外部故障。

Description

改进的限制式差动继电器

技术领域

本发明涉及一种用于电力系统设备保护的差动继电器，尤其涉及一种在由于对外部故障做出响应而使运转受到限制的时间段内，还能够对电力系统设备内部的故障进行响应的差动继电器。

背景技术

多年以来，差动继电器都被用于保护各种电力系统设备，包括发电机、变压器、电力线、母线和其他设备。在差动继电器的基本运转过程中，电力系统设备的输入电流电力信号的每一相(A、B和C)与输出电流电力信号的每一相进行比较。当这两个电流的各相相等时，电力系统设备就处于正常的运转状态。而当设备发生内部故障(电力系统设备的内部)时，这两个电流就会不相等，通过对这两个电流进行适当的处理，就能对内部故障做出正确判断。随后差动继电器就开始运转(启动一个电流断路器)，电力系统设备从电力系统中脱离下来。

图1显示了一种差动继电器典型的连接方式。图中模块10表示电力系统设备，当然它还可以是各种不同的设备，但在很多情况下它是指母线。电力系统设备分别在电力线11和13上具有输入电流I1和输出电流I2。对于三相电力信号中的某一相，在电力线11上有一个第一电流互感器(CT)12，第二电流互感器14位于电力线13上。这两个电流互感器将电力线上很大的电流降低到适当的水平，适于差动继电器16处理，差动继电器16连续不断地对电流I1和I2进行比较。对用于电力系统设备10的另外两相电力信号也使用了同样的电路装置。

在运行中，如果一个选定比例的被称作I_OP(运行电流值)的电流值大于另一个选定比例的被称作I_RT(限制电流值)的电流值，差动继电器16就会断定处于内部故障状态。I_OP定义为电流I₁和I₂矢量(相量)和的绝对值，公式如下：

I_OP＝|I₁+I₂|

I_RT定义为I₁和I₂绝对值的和，公式如下：

I_RT＝|I₁|+|I₂|

差动继电器是用来区分内部故障和外部故障(电力设备之外)的。图2中的斜线18显示了一个差动继电器典型的运行特性。斜线18将部故障区20与内部故障区22进行区分。正如上文所解释的那样，差动继电器将针对内部故障进行工作(跳闸)，而对于电力设备外部的故障却不跳闸(这种动作被称为阻断)。定义了内部故障的受保护“区域”在两个电流互感器之间延伸。

只要电力线上各电流互感器能在线路上正确地再现一次电流，差动继电器一般情况下对于外部故障作用发挥较好。如果有一个电流互感器未能正确地产生一次电流，不正确的电流—即假电流—就会被引入差动继电器从而产生一个不正确的结果。当故障发生时电流互感器进入饱和是导致电流互感器出现错误一个常见原因。例如，当用于电流I₂(输出)的电流互感器饱和时，I₂的值就不正确，于是差动继电器就会判断处于内部故障状态，随即差动继电器会进行不适当的继电器运转(跳闸)。人们当然非常不希望出现这种过程。

人们已经开发出许多方法来解决电流互感器饱和问题(由于电流互感器饱和而使差动继电器产生误运转)。一种方法使用了电流信号的第二谐波。另一种方法改变了差动继电器的特性(图2中的斜线18)，增加斜率，以对电流互感器饱和进行补偿。但是，这些解决方法虽然能在某些情况下提供改进的运转，可在其他情况下却无法阻止继电器的误运转。此外，在第一种方法中，在第二谐波超出一个设定的门限值的时间段内，差动继电器的跳闸逻辑被完全阻止。在另一种方法中，在检测到处于外部故障状态后，差动继电器在一个固定时间段(例如7个周期)内被阻止。

但是继电器不能识别出发展成内部故障的外部故障，或者在被阻止的时间段内独立产生的内部故障。这不必要地耽误了对内部故障的识别和响应。

另外一种方法还利用了各个电流的相位角信息。即便是在电流互感器饱和条件下，相位角信息仍保持正确。定向继电器是一种非常常用并广为人知的保护性单元，就使用了相位角信息来区分外部和内部故障。差动继电器和定向继电器组合使用可以提供对差动继电器运转的监控，能克服只使用一个差动单元所带来的缺点。但是这种组合装置使差动继电器的运转变慢，实际上如果不使用组合装置差动继电器的运转速度非常快。速度变慢就是因为有定向单元。另外，这种组合不能检测到异相180°的输入和输出电流的高阻抗故障。

因此，很需要设计出这样一种差动继电器，它能识别出外部故障并根据相应的情况阻止继电器的运转。但在另外一方面，这种继电器应能根据设计要求对实际的内部故障做出响应，在任何时候都能正确运转，即使当外部故障发展成为内部故障时也能做出响应。差动继电器的运转要能保持其通常具有的高速度，速度不被附加单元所降低，这一点也很重要。

发明简述

据此，本发明提供一种用于在电力系统中保护电力系统设备的差动继电器，电力系统设备具有一条输入电力线和一条输出电力线，包括：分别用于检测输入电力线和输出电力线上的电力电流信号的装置；用于识别电力系统中电力系统设备外部故障情况的装置；用于在选定的时间段内响应于外部故障情况而阻止产生跳闸信号的装置；以及在所述选定的时间段内识别内部故障并允许在所述选定的时间段内进行跳闸动作的装置，该内部故障包括所述外部故障发展成为内部故障。

附图简述

图1为一个简单原理图，说明了一个差动继电器接入一个电力系统设备的方法；

图2是一个图表，说明了差动继电器相对于运行电流I_OP和限定电流I_RT的工作特性；

图3是本发明的限制式差动继电器的功能块图；

图4是图3所示电路的一部分的功能块图；

图5是图3所示电路的另一实施例的功能块图。

最佳实施例详述

以前的限制式差动继电器在识别到外部故障时会在一个确定的时间段(例如7个周期)内完全阻止差动继电器进行运转(跳闸)，与它们不同，本发明提供的差动继电器在识别到外部故障时，响应于外部故障而阻止继电器运转，但如果外部故障发展成为内部故障，或者在继电器由于外部故障而被阻止的时间段内内部故障独自发生时，仍然允许继电器运转。通过响应于内部故障，而对外部故障却保持安全(避免跳闸)，该继电器实际上对于绝对的阻止处理“不敏感”。

因此本发明是一个根本上不同的限制式差动继电器。图3是本发明所指的新式限制式差动继电器的功能块图。有两个电流输入至继电器，即与受继电器保护的电力设备相关的选定相(A、B或C)的输入或输出电流加到输入线30和31上。这两路电流(I₁、I₂)是由电力线上的电流互感器的输出。随后电流信号被分别施加到滤波、定标和补偿电路(FSC)34和36上。

现在请参阅图4。每个FSC电路包括串联的一个模拟低通滤波器(ALPF)38和一个数字带通滤波器(DBPF)40。随后滤波后的信号根据不同的电力变压器和电流互感器连接，通过补偿电路41进行补偿连接(匹配)。一个TAP乘法器补偿了电力变压器和电流互感器比率间的差异。应当理解这种FSC电路通常为人们所熟知。

FSC电路的输出是输入电流标准化的基波分量，它可以与电力系统设备中其他端子的标准化电流输入进行精确的比较。随后FSC电路34和36的输出施加到一个求和单元43，求和单元43把两个值相加。求和单元43的输出被引入至一个绝对值单元45，绝对值单元45由输入产生一个幅值(magnitude)。绝对值单元45的输出为I_OP，定义如上。而后I_OP的值作为一个输入施加到控制逻辑电路44。

FSC电路34和36的输出还分别施加到幅值电路46和48，幅值电路46和48产生一个幅值，该幅值然后又施加到求和单元50，求和单元50的输出为I_RT，定义如上。而后I_RT的值作为另一个输入施加到控制逻辑电路44。

此外，FSC电路34和36的输出还输入至一个普通电流定向单元56，而求和单元50的输出也施加到一个存储电路52和一个增量电流监视电路53。

控制电路44在增量的基础上对I_OP与I_RT的值进行比较，以检测故障状态。当没有故障时，I_OP与I_RT的增量值为0，控制电路44的输出也是0(低)，因此定向单元未启动。定向单元的输出则设为1(高)。比较器60和62的输出将都为0(低)，因为I_OP是0，低于已确定的启动(Pickup，即PU)标准(比较器62)，此标准在实施例中大约是1.0amp。由于与门64的输入中至少有一个为0，故其输出为0，即没有跳闸信号。

当发生外部故障时，I₂会在一至两个周期内具有一个固有的值(proper value)，随后急剧减小。而I₁将具有一个固有的值(巨大增加)。

控制电路44通过比较I_OP与I_RT的值会判断出发生外部故障。当发生外部故障时，I_RT的增量值将大于一个预定的门限值(通常是正常电流的两倍)，而I_OP的增量值将不会超过预定的门限值。当控制电路判断处于外部故障状态后，就会向实施例中显示的3个不同的电路发出一个信号，即限制值存储电路52、限制值增益电路54和定向单元56。

存储电路52在接收到从控制逻辑电路44发出的信号后进行运转，以在饱和效应之前，扩大在故障产生之后立即产生的电流互感器的输出值，具有一个可设定时间常量的指数衰减，例如2个周期。因此，大约在故障产生后出现1.5个周期的I_RT的值又进一步保持了一个有限的时间段(就像电流互感器未进入饱和)。

作用于增益电路54上的信号将I_RT信号的增益从第一个值K1改变到另一个更高的值K2。在一个实施例中，增益的值从0.6增加0.9。这实际上增大了限制值，使差动单元不敏感。

控制逻辑电路44发出的信号启动定向单元56的运转，并增加了差动单元的安全性。定向单元56将从FSC电路34和36发出的补偿电流信号的相位角进行比较，以区分是发生了内部故障还是外部故障。在运转中，定向单元56计算出一个转矩值Re[I₁I₂ ^*]，并将此转矩值与正、负门限值进行比较。如果计算出来的转矩值大于正门限值，定向单元56将判断处于内部故障状态。而如果计算出来的转矩值小于负门限值，定向单元56将宣布处于外部故障状态。定向单元实际上在一定的时间段内监控差动单元的运转，但只是在继电器检测到外部故障状态之后。

这种装置的优点在于定向单元只在非常特定的情况下才进行运转，不会减慢差动单元的运行速度，而在以前的装置中，定向单元将跟随差动单元持续不断地运行，将减慢差动单元的运行速度。

从图3中可以看出，存储电路52的输出作用于增益电路54。增益电路的输出是一个修正的或者“适配的”I_RT，作用于比较器60的一个输入上。I_RT的这个适配值随后与I_OP的值进行比较。如果I_OP的值较大，当电流互感器处于严重饱和，即发生外部故障状态时，比较器60的输出为1(高)。I_OP还作用于比较器62，比较器62将I_OP的值与一个门限(启动)值进行比较。对于出现电流互感器饱和的外部故障，比较器62的输出也为1(高)。因此与门63的输出也为高，并作用于与门64。

定向单元响应于外部故障状态的输出为0。这将使与门64的输出为0，因此继电器阻止了自身响应外部故障的跳闸动作。

ΔI增量电路53提供了附加的安全性。电路53将来自加法单元50的I_RT的值与一个确定的门限值进行比较。当开关82闭合时，ΔI逻辑电路的输出监控差动单元。当开关82断开时，如图所示，“1”值将作用于与门64。当开关82闭合，并且I_RT的增量值超出门限值时，整个继电器电路启动一个周期，在此瞬间电路53的输出重新变为0。在供电过程中或者在外部故障状态条件下，当电流互感器在具有相对较低的电流和较长的直流时间常数的情况下发生饱和时，ΔI逻辑电路将有特别的作用。

因此，图3所示的装置能以极大的安全性进行运行，保证发生外部故障时不会启动跳闸动作。

但是当发生内部故障，包括当外部故障发展成为内部故障时，电路将产生跳闸动作，并且不用像先前的技术那样需要等待确定的周期数。当发生内部故障时，I_OP远大于I_RT。另外，当I_OP足够大，已经到达增益电路中的变化产生的修正(改变后)内部故障区，因此大于比较器62的启动值。因此两个比较器的输出都为高。此外，由于两个输入电流值同步(对于内部故障)，定向电路56的输出为高。更进一步，如果ΔI电路被选中并开始工作，I_RT的变化超过门限值，因此其输出在一个周期内为1，使与门64的所有输入都为高。与门64的输出将为高，产生一个跳闸信号到断路器。因此，相对于带有常设定向单元监控的传统差动继电器而言，本装置对于内部故障的跳闸动作产生较快。

图5显示了图3所示的实施例的一个变体。这种实施例对于具有快速运行时间的母线保护特别有用。在这种情况下，差动单元使用均方根(RMS)电流值。在另一实施例中可以使用瞬时值。图5还显示了一个自适应计时器84，把计时器在按照图示的方式连接，可以在继电器检测到外部故障之后，通过使跳闸信号延时一个选定的时间，在本实施例中大约是0.25个周期，从而为继电器提供额外的安全保证。图3所示的电路也可以使用自适应计时器84，接在与门64之后。

因此，本发明提供了一种改进型限制式差动继电器，它能够非常迅速地检测到外部故障，并阻止继电器对于外部故障的运转。这种继电器同时还能够识别内部故障，并使继电器运转(跳闸命令)。因此对于内部故障的响应延时很少。

虽然在说明中披露了优选实施例，但应能理解，在不偏离由下面的权利要求书确定的本发明精神的范围内，对实施例的修改和变化是都可以的。

Claims (14)

1.一种用于在电力系统中保护电力系统设备的差动继电器，该差动继电器具有一个输入信号电流I₁和另一个输入信号电流I₂，电力系统设备具有一条输入电力线和一条输出电力线，包括：

分别用于检测输入电力线和输出电力线上的电力电流信号的电流检测装置；

控制电路，对运行电流|I₁+I₂|和限制电流|I₁|+|I₂|的值进行响应，用于判断电力系统中电力系统设备外部的外部故障，并且提供表示外部故障状态的输出信号，该输出信号应用于

(a)存储单元，其响应于所述控制电路的输出信号，在一个选定的时间段内增加限制电流的值，

(b)增益控制电路，其响应于控制电路的输出信号，增加限制电流的增益，以产生一个修正的限制电流值，以及

(c)定向单元，其响应于控制电路的输出信号，确定由继电器识别出来的故障是外部故障还是内部故障，其中该内部故障包括所述外部故障发展成的内部故障，如果是外部故障，则定向单元阻止产生跳闸信号；如果是内部故障，则定向单元允许跳闸动作而不用等待确定数目的周期。

2.根据权利要求1所述的继电器，其中所述差动继电器的敏感度通过响应于内部故障而对外部故障避免跳闸而降低。

3.根据权利要求1所述的继电器，还包括电流互感器，用于将输入和输出电流信号的幅值减少至一个适于所述继电器处理的水平，所述继电器还包括对从电流互感器中输出的已被减小的电流值进行滤波和规格化的装置。

4.根据权利要求3所述的继电器，其中所述滤波装置包括串联的一个模拟低通滤波器和一个数字带通滤波器。

5.根据权利要求1所述的继电器，其中控制电路的输出信号应用于所有三个单元。

6.根据权利要求1中所述的继电器，包括一个比较器输出信号产生装置，在指示外部故障的所述控制电路的输出信号被施加到所述增益控制电路时，当运行电流值大于所述修正的限制电流值时，产生一个第一比较器输出信号，当运行电流值大于一个第一个门限值时，产生一个第二比较器输出信号，其中所述继电器在所述定向电路的输出信号表示故障为内部故障时，在所述第一和第二比较器信号为高时产生一个跳闸信号。

7.根据权利要求6所述的继电器，其中还包括一个增量值比较装置，用于把限制电流的增量值与一第二门限值进行比较，并且如果所述增量值大于所述第二门限值，该装置将启动继电器，使其在一个选定的时间段内产生一个跳闸信号。

8.根据权利要求7所述的继电器，其中还包括一个开关，用于选择性地启动所述增量值比较装置。

9.根据权利要求5所述的继电器，其中还包括一个比较器输出信号产生装置，当运行电流值大于修正的限制电流值时，产生一个第一比较器输出信号，当运行电流值大于一个第一个门限值时，产生一个第二比较器输出信号，当发生内部故障时产生一个指示发生内部故障的定向单元输出信号，其中所述继电器在第一和第二比较器信号与定向单元的输出信号都为高时产生一个跳闸信号。

10.根据权利要求9所述的继电器，其中还包括一个增量值比较装置，用于把限制电流的增量值与一第二门限值进行比较，如果增量值大于第二门限值，该装置将启动继电器，使其在一个选定的时间段内产生一个跳闸信号。

11.根据权利要求1所述的继电器，其中所述电力电流信号被表示为相量值。

12.根据权利要求1所述的继电器，其中所述电力电流信号被表示为均方根值。

13.根据权利要求1所述的继电器，其中所述电力电流信号被表示为瞬时值。

14.根据权利要求1所述的继电器，其中还包含一个计时器装置，用于对继电器的任何跳闸信号的输出进行延时。

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