專利名稱：平行饋電線方向性過流保護(hù)及其改進(jìn)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種避免方向性過流保護(hù)繼電器意外動作的裝置，所述繼電器設(shè)置在多相尤其是三相(但不絕對)交流電力系統(tǒng)的每一相的平行饋電線中。
已知的過流保護(hù)系統(tǒng)中(見
圖1)，多相電源(通常為三相)10通過各自的電源和負(fù)荷母線12、13以及第一饋電線20和連接這些母線30的并聯(lián)第二饋電線30的裝置饋給相應(yīng)的多相負(fù)荷11。這些繼電器組21/31、22/32和23/33連接在饋電線20/30中。每個饋電線20和30分別具有非方向性過流保護(hù)繼電器21和31，方向性過流繼電器21和31分別在電源母線12的負(fù)荷側(cè)，同時非方向性過流繼電器23和33分別在負(fù)荷母線13的電源側(cè)。在作為具有兩種不同特性(見下文)的單個一組設(shè)備的情況下，后者的兩組繼電器是可以實現(xiàn)的。在另一種可替代的裝置中(圖2)，饋電線20/30分別連接到變壓器25/35的次級線圈24，初級線圈26/36分別從非方向性繼電器組21/31的相應(yīng)側(cè)饋給。
參考圖3解釋一般意義上的過流繼電器動作模式，其中以單線形式簡化地示出了三相饋電線，在本例中，所述單線包括三部分，每一部分具有非方向性繼電器40/41/42和相關(guān)的電流變壓器50/51/52以及斷路器設(shè)備60/61/62。繼電器動作于從交流電源到故障位置F的減小的過流設(shè)置并具有類似的減小的響應(yīng)時間，在典型系統(tǒng)中，從一個繼電器到下一個繼電器的該響應(yīng)時間大約相差0.4s。當(dāng)出現(xiàn)所示故障F時，只需要在相關(guān)部分中斷路器62跳閘，其余的斷路器繼續(xù)提供閉合路徑以在變電站A，B，C保持供電，變電站可以是所示的饋電負(fù)荷63。這樣，由于與該故障位置有關(guān)的較低的故障電流電平(饋電線的阻抗較大)和上面所說的根據(jù)電流和響應(yīng)時間的繼電器之間的分級，僅有繼電器42會對故障電流作出響應(yīng)而動作，導(dǎo)致斷路器62跳閘。以同樣的方式，如果在中間部分中出現(xiàn)故障，故障電流會更大并用于動作繼電器41，從而斷路器61跳閘，諸如此類。
繼電器可以具有三種響應(yīng)特性之一，即瞬間(假設(shè)不是圖3的情況)，變時和定時。圖4示出了后兩種特性，畫出了時間“t”對電流“I”的曲線。曲線70表示變時特性，曲線71表示定時特性。曲線70提供了根據(jù)繼電器所檢查到故障電流電平而變化的響應(yīng)時間，在較低電流值的響應(yīng)比較高電流值的響應(yīng)慢。對曲線71來說，當(dāng)故障電流超過特定值I1時，響應(yīng)時間是不變的。
這樣實現(xiàn)繼電器的方向性用參考量，通常為系統(tǒng)電壓，與電流相比較，由這兩個量間的相對相位確定電流的“方向”。繼電器僅在方向為其所設(shè)置的響應(yīng)方向時才作出響應(yīng)。因此方向性繼電器具有兩個輸入電壓和電流。通常將參考電壓稱為“極化電壓”。
參考圖5(a)和5(b)，它們分別表示圖1和2的簡化圖，三相系統(tǒng)用單線框圖表示，該框圖中包括兩個并聯(lián)的饋電線和相關(guān)的方向性及非方向性繼電器。如果假設(shè)在交流系統(tǒng)中未出現(xiàn)故障且該系統(tǒng)以滿容量工作，饋電線20/30中每一個將通過總額定負(fù)荷電流IL的二分之一。但是，繼電器的設(shè)計是在超過假設(shè)其中一個饋電線不工作的情況下的最大負(fù)荷電流IL時具有最小安全過流設(shè)置。在其中一個饋電線上出現(xiàn)故障的情況下，可能超過了一個或多個繼電器的電流設(shè)置，造成那一個或那些個繼電器注冊(及“拾取”)故障電流電平，在時間延遲之后，使其相關(guān)的斷路器跳閘(即“中止連接”)。當(dāng)然，只是如果沒有在繼電器的時間延遲到期之前清除故障，才出現(xiàn)“中止連接”。
在圖5的情況中，假設(shè)在圖中所示的位置F處在一個饋電線上發(fā)生故障。故障或者是相-對-相，或者是相-對-地。在沒有故障時，功率流從電源到負(fù)荷，因此方向性繼電器80、81對因此流過的正常負(fù)荷電流通常是不敏感的。但是，在F1出現(xiàn)故障時，電流流向改變，如果故障電流用IF1表示，則使得部分電流(例如IF1/2)經(jīng)非方向性繼電器82流入故障支路，其余的(IF1/2)經(jīng)非方向性繼電器83和方向性繼電器81流入故障支路。每個支路中故障電流的實際值取決于故障位置并且沒有必要在支路之間等分開。在這些情況下，繼電器81中的電流處于使其動作的正確方向。實際上要提供動作，首先是故障電流超過其故障電流閾值，其次，其設(shè)定響應(yīng)時間短于故障的持續(xù)時間。圖5(b)的變壓器饋電線裝置原理與此類似。
圖6(a)和6(b)示出了用于圖5所示各種繼電器的兩種可能的繼電器配合圖。在第一種情況下，繼電器是具有圖4中曲線70所示特性的變時繼電器，但具有根據(jù)故障電流IF2響應(yīng)時間分級的非方向性繼電器84、85和86。繼電器83和85的電流閾值設(shè)置是相同的；(順便說以下，這些設(shè)置是存儲在繼電器中的非易失性存儲器中)。正是繼電器83和85設(shè)置相同這個原因，導(dǎo)致了最初的問題(該問題利用方向性過流繼電器來解決)，即在F1處的故障問題，繼電器85在繼電器83之前動作，由于繼電器82也動作，有效地隔離了負(fù)荷。方向性繼電器80、81在較低電流電平下動作(使它們相關(guān)的斷路器跳閘)，通常它們的設(shè)置不受負(fù)荷電流值的限制。圖6(b)的情況也是相似的，只是所有繼電器特性為定時型。
正如前面簡要提到的，將繼電器81和83的功能合并在一個單元中是可能的，這可以是具有隔開的兩組過流保護(hù)元件的基于微處理器的繼電器或者數(shù)字繼電器。
人們已經(jīng)知道，在每個支路中使用方向性繼電器是用最小系統(tǒng)中斷來隔離所有饋電線故障的有效方法。此外，也已經(jīng)認(rèn)識到需要將方向性繼電器的電流閾值設(shè)置在正常額定負(fù)荷電流以下，因為這有助于以圖3所示的方式對系統(tǒng)中存在的不同繼電器的配合(分級)。但是，時至今日，對于這種繼電器設(shè)置在負(fù)荷電流以下多大而同時能保持動作可靠性這一問題，尚未提供任何的指導(dǎo)。實際上，人們甚至已經(jīng)認(rèn)為方向性保護(hù)在非動作方向上根本不響應(yīng)負(fù)荷電流，關(guān)于有效設(shè)置所使用的實際設(shè)置的問題也便不復(fù)存在。另外一些權(quán)威人士暗示按經(jīng)驗規(guī)則來說，負(fù)荷電流的50％是比較合適的。
由于在饋電線上可能出現(xiàn)特定類型的故障，所以對于方向性繼電器來說使用過低的電流設(shè)置是危險的，本發(fā)明正是發(fā)明人對此作出正確評價后得出的結(jié)果。本發(fā)明使得設(shè)置現(xiàn)實可靠的電流閾值成為可能，同時也提供了一種在不遵守該閾值的情況下避免方向性繼電器可能的錯誤動作的裝置。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，設(shè)有避免一個或多個方向性過流保護(hù)繼電器的意外動作的裝置，所述繼電器設(shè)置在多相交流電力系統(tǒng)的多個平行饋電線的每個饋電線的每一相中，所述饋電線從交流電源饋給并依次饋送負(fù)荷，繼電器位于所述饋電線的負(fù)荷端并響應(yīng)指向所述電源的功率流，其特征在于，在一相中繼電器的動作狀態(tài)僅在至少另一相中的繼電器也處于相同動作狀態(tài)時才生效。
交流系統(tǒng)是三相系統(tǒng)，對于每個饋電線來說，所述裝置包括從與那一饋電線相關(guān)的繼電器輸出饋送的3取2決定裝置。
繼電器可以是定時繼電器或變時繼電器。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，包含在多相交流電力系統(tǒng)的多個平行饋電線的每個饋電線的每一相中的方向性過流保護(hù)繼電器，饋電線是從交流電源饋給的變壓器饋電線并且依次向負(fù)荷供電，繼電器位于各自變壓器次級側(cè)所述饋電線的負(fù)荷端并響應(yīng)指向所述電源的功率流，其特征在于，繼電器的最小安全動作電流電平的設(shè)置最小為與所述饋電線有關(guān)的額定負(fù)荷電流的大約85％。
最小安全動作電流電平設(shè)為額定負(fù)荷電流的86％和87％之間，最好是額定負(fù)荷電流的86.7％。
下面參考附圖通過舉例的方式描述本發(fā)明，在附圖中圖1是三相普通平行饋電線裝置的原理圖，該裝置包括非方向性和方向性過流繼電器；圖2是圖1的等價圖，只是涉及到變壓器饋電線；圖3示出了通常用在沿饋電線位于不同部分的繼電器之間的分級；圖4是變時繼電器特性和定時繼電器特性的比較圖；圖5(a)和5(b)簡化地分別表示了在饋電線故障下的普通和變壓器平行饋電線裝置；圖6(a)和6(b)分別示出了圖5(a)和5(b)中所示裝置的典型變時和定時響應(yīng)分級；圖7是顯示B-C相電源故障的單個三相變壓器饋電裝置的原理圖；圖8是涉及出現(xiàn)圖7中所示B-C相電源故障之前和之后的變壓器初級線圈和初級線圈的電壓和電流矢量圖組；圖9示出了關(guān)于繼電器特性的動作和抑制區(qū)的電壓和電流矢量圖；圖10、11和12與普通饋電線情況下的圖7、8和9相對應(yīng)，圖12示出了所有三相繼電器的繼電器動作特性，以及圖13示出了根據(jù)本發(fā)明的一個方面包含3取2決定電路的三相普通平行饋電裝置。
圖7顯示在變壓器饋電情況下(見圖2和圖5(b))的故障狀態(tài)，發(fā)明人想排除其對低電流設(shè)置的方向繼電器的可靠動作的威脅。圖7中，僅示出了一對三相平行饋電線，因為它是對本發(fā)明有意義的方向繼電器的一般動作特性。從Dyn11變壓器的星形連接的次級線圈24饋送到所示方向過流繼電器22。
在這種情況下，在故障不出現(xiàn)在圖5中位置F1，而是出現(xiàn)在兩相即相B和C之間的電源10本身。圖8示出了故障前和故障后在變壓器初級線圈(高壓[HV]電路)和次級線圈(低壓[LV]電路)中流動的不同電流。可見，故障期間兩相上的LV負(fù)荷電流電平為故障前電平的86.7％，剩余相上基本為零。
圖9的曲線是在HV故障期間檢查大電流的兩個特定LV方向性元件的動作特性?？梢钥闯?，C相方向性元件檢查了極化電壓和動作電流之間的關(guān)系，這種關(guān)系可能導(dǎo)致意外的保護(hù)動作。如果LV方向性保護(hù)電流設(shè)置低于故障前負(fù)荷電流的86.7％，這種意外動作才可能。
對于平行變壓器饋電線來說，標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計準(zhǔn)則是在一個饋電線退出運行時必須使用其中一個承載最大系統(tǒng)負(fù)荷。在兩個平行饋電線的情況下，在對某些短期過負(fù)荷容量沒有任何留量的情況下，每個饋電線的最大故障前負(fù)荷電流為額定電流的50％。如果應(yīng)用這種準(zhǔn)則并且兩個饋電線都得到使用，則負(fù)荷總線端的方向性繼電器就可安全地設(shè)置為低至額定電流的43.3％，以便在HV故障期間提供安全保護(hù)。
當(dāng)為了維護(hù)目的有意不使用其中一個平行饋電線時，變壓器LV方向性繼電器所檢查的故障前的負(fù)荷電流就會大至額定電流的100％。為了提供防止HV相-對一相故障的最大安全性，方向性保護(hù)的設(shè)置不應(yīng)當(dāng)?shù)陀陬~定電流的86.7％，不過設(shè)置得稍微再低一些(例如85％左右，更準(zhǔn)確地說是在86％和87％之間)使邊界的安全性降低。當(dāng)僅有兩個平行饋電線時，當(dāng)然，當(dāng)一個饋電線不工作時不需使用方向性保護(hù)。在設(shè)有三個三相饋電線時，在使用全部饋電線情況下的故障前負(fù)荷電流為額定電流的66.7％，因此LV方向性保護(hù)不應(yīng)設(shè)置為低于額定電流的57.7％以確保方向性保護(hù)可靠。
圖10至12與圖7至9所示狀況相類似，不過涉及的是普通的平行饋電線(圖1和圖5(a)中的)。在圖11中，電源故障期間其中兩相上的負(fù)荷電流電平為故障前電平的50％，在第三相上為100％。圖12中的曲線示出了電源故障期間三個負(fù)荷端方向性元件的動作特性。A-相方向性繼電器的B-C相極化電壓為零。一般來說，這會阻止很多機(jī)電或者甚至靜態(tài)方向性繼電器完成A-相的方向性測定。但是，在包含存儲器裝置的情況下是可以使用繼電器的，所述存儲器裝置記錄故障前極化電壓電平(典型的存儲器持續(xù)時間為大約3秒左右)，因此就能夠考慮具有B-C極化電壓存儲器的A-相元件動作特性。
從圖12可以看出，C-相方向性繼電器元件檢查可能導(dǎo)致該繼電器的意外動作的極化電壓和動作電流關(guān)系。如果負(fù)荷端方向性繼電器電流設(shè)置低于故障前負(fù)荷電流電平的50％，則這種意外動作才可能。從該圖可見，對于這里所考慮的單位功率因數(shù)負(fù)荷狀況來說，A-相方向性繼電器受到限制。對滯后功率因數(shù)或者甚至稍微超前功率因數(shù)負(fù)荷來說，也存在限制。需要＜0.867的超前負(fù)荷功率因數(shù)來產(chǎn)生使A-相方向性繼電器動作的邊界條件，這會構(gòu)成極不可靠的條件。
當(dāng)考慮前面討論的平行饋電線的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計準(zhǔn)則時，在饋電線之一退出運行而必須承載最大系統(tǒng)負(fù)荷時，在兩個平行饋電線上方向性繼電器的最小安全電流設(shè)置為額定電流的25％，對三個饋電線來說為額定電流的33％。
如前所述，發(fā)明人已經(jīng)認(rèn)識到了本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員所沒有想到的潛在問題，即如果不實現(xiàn)特定動作電流閾值，電源故障能在負(fù)荷總線端導(dǎo)致方向性繼電器的意外動作。時至今日，這一問題被兩個常見狀況所掩蓋第一，一般不常使用很低的電流設(shè)置；第二，不常見過流保護(hù)饋電線的最大負(fù)荷。甚至在故障電流稍微超過最小安全設(shè)置閾值時，變時繼電器特性的應(yīng)用常常導(dǎo)致在繼電器實際動作之前有足夠的繼電器響應(yīng)時間清除故障。但是正是這種情況，對于世界上某些地方的電力系統(tǒng)來說，電廠的短缺可能意味著即使在所有電廠都投入使用時，平行饋電線組中的每一個饋電線也都負(fù)荷到滿容量附近。在這種狀況下，采用前述變壓器饋電線額定電流85％(額定為86.7％)左右或普通饋電線50％左右的最小方向性繼電器電流設(shè)置是十分必要的。采用這些變時繼電器尤其必須遵守的準(zhǔn)則使得這種繼電器錯誤動作的時間小于電源故障的清除時間。
在本發(fā)明的另一方面中，提供了一種可替換的方法來觀察上述限制電流閾值的準(zhǔn)則。這涉及到3-相系統(tǒng)、3取2(2-out-of-3)邏輯裝置的應(yīng)用，使得只有在從3-相系統(tǒng)中存在的三個方向性繼電器中有兩個已經(jīng)動作并要求它們各自的斷路器跳閘時，才從電路中退出一饋電線部分。該方法的基本原理可以從圖9和12看出，顯然，在由電源故障引起的誤動作狀態(tài)下，用于三相的三個方向性繼電器中只有一個繼電器動作。在這兩個圖中，該繼電器是C-相繼電器。然而，當(dāng)故障出現(xiàn)在電源下游時，這種狀況就期望方向性繼電器應(yīng)當(dāng)動作，與至少兩相相關(guān)的方向性繼電器應(yīng)當(dāng)動作。
3取2(2-out-of-3)級的硬件實施見圖13。在圖13中，與第一平行饋電線20相關(guān)的方向性繼電器22的輸出(更精確地說是三相A、B、C的22-A、22-B、22-C)引入各自的與門93，它們的輸出用于使各自的斷路器95跳閘。相同的繼電器輸入也被引入3取2級91，該級的輸出用作與門93的共同起動輸入。類似的狀況適用于第二饋電線30。
動作中，當(dāng)三個方向性繼電器22中有任意兩個或者三個繼電器32中有任意兩個動作時，用于特定饋電線的與門傳遞來自那些已經(jīng)動作的繼電器的跳閘信號給各自斷路器95和96。但是在上述在電源故障的情況下，由于每個饋電線僅有一個繼電器動作，不起動與門，相關(guān)的斷路器就不會跳閘。
當(dāng)然，實際上圖13所示的邏輯功能也可以用軟件實現(xiàn)，而不用硬件實現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.避免一個或多個方向性過流保護(hù)繼電器(22，32)意外動作的裝置，所述繼電器設(shè)置在多相交流電力系統(tǒng)的多個平行饋電線(20，30)的每個饋電線的每一相(A，B，C)中，所述饋電線從交流電源(10)饋給并依次饋送負(fù)荷，繼電器(22，32)位于所述饋電線(20，30)的負(fù)荷端并響應(yīng)指向所述電源(10)的功率流，其特征在于，在一相中繼電器的動作狀態(tài)僅在至少另一相中的繼電器也處于相同動作狀態(tài)時才生效。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述交流系統(tǒng)是三相系統(tǒng)，對于每個饋電線(20，30)來說，所述裝置包括從與那一饋電線相關(guān)的繼電器輸出饋送的3取2決定裝置(91)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，繼電器是定時繼電器。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，繼電器是變時繼電器。
5.包含在多相交流電力系統(tǒng)的多個平行饋電線(20，30)的每個饋電線的每一相(A，B，C)中的方向性過流保護(hù)繼電器(22，32)，饋電線是從交流電源(10)饋給的變壓器饋電線并且依次向負(fù)荷供電，繼電器(22，32)位于各自變壓器次級側(cè)所述饋電線(20，30)的負(fù)荷端并響應(yīng)指向所述電源(10)的功率流，其特征在于，繼電器的最小安全動作電流電平的設(shè)置最小為與所述饋電線有關(guān)的額定負(fù)荷電流的大約85％。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的繼電器，其特征在于，所述最小安全動作電流電平設(shè)為額定負(fù)荷電流的86％和87％之間。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的繼電器，其特征在于，所述最小安全動作電流電平設(shè)為額定負(fù)荷電流的86.7％。
全文摘要
當(dāng)方向性過流保護(hù)繼電器(22,32)包括在從交流電源(10)饋給的一組平行饋電線(20,30)的負(fù)荷端時,基于電源上的相—對—相電勢指定最小故障電流閾值,從而導(dǎo)致誤動作。對普通(無變壓器的)饋電線來說,該閾值大約為額定故障前負(fù)荷電流的50%,對于變壓器饋電線來說,大約為額定故障前負(fù)荷電流的85%(正常為86.7%)。但是,根據(jù)本發(fā)明的第二方面,如果在3取2電路(91)中處理繼電器輸出,這些閾值就可以被忽略,使得在一相上的繼電器在另一相上的繼電器也已經(jīng)動作時才能動作其相關(guān)的斷路器,在電源故障的情況下就不能發(fā)現(xiàn)已經(jīng)得到的條件。
文檔編號H02H7/26GK1241057SQ99111270
公開日2000年1月12日 申請日期1999年6月18日 優(yōu)先權(quán)日1999年6月18日
發(fā)明者P·J·欣德爾, J·W·賴特, G·J·勞埃德 申請人:阿爾斯托姆英國有限公司