專利名稱：防止耦合電容變壓器瞬態(tài)引起的非期望保護(hù)繼電器的系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及輸電線上帶有保護(hù)繼電器系統(tǒng)的電容耦合變壓器的使用，并且更著重涉及檢測(cè)這種電容變壓器瞬態(tài)輸出的邏輯電路。
背景技術(shù)：
本申請(qǐng)是1995年10月20日提交的申請(qǐng)?zhí)枮?8/546,226的申請(qǐng)之部分繼續(xù)申請(qǐng)。
帶有保護(hù)繼電器的耦合電容變壓器(CCVT)的使用在輸電線路保護(hù)中已眾所周知。它們作為電壓降壓系統(tǒng)的一部分，將輸電線上相—相間電壓(約為132.8KV)降至66.4V，這被保護(hù)繼電器用來監(jiān)控輸電線上的電壓狀態(tài)。簡(jiǎn)單地說，耦合電容變壓器(CCVT)的電容器部分完成初步的降壓作用，一般降壓至5KV至15KV之間，而CCVT的變壓器部分完成其余的降壓作用，將電壓降至相—相115V或相—地66.4V。
過去，當(dāng)CCVT同常規(guī)的機(jī)電繼電器一起使用時(shí)，其效果是令人滿意的。然而，隨著高速、固態(tài)和數(shù)字化繼電器的出現(xiàn)及如今相當(dāng)廣泛的使用，許多CCVT的主要缺點(diǎn)，例如相對(duì)較差的瞬態(tài)反應(yīng)，就顯得尤為突出。由于CCVT中的能量貯存元件(電容器和電感器)需要一定的時(shí)間才能散逸掉其貯存的能量，所以CCVT的瞬態(tài)反應(yīng)就顯得遲緩，CCVT的輸出(這里指變壓器部分的次級(jí))跟不上其輸入電壓。
當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，從輸電線到CCVT的輸入電壓會(huì)明顯地下降到相對(duì)低的電壓。然而，CCVT的輸出卻不是準(zhǔn)確地相應(yīng)產(chǎn)生成比例的輸入電壓(理想CCVT二次輸出)，而是產(chǎn)生一個(gè)瞬態(tài)反應(yīng)(一個(gè)與理想二次輸出不能精確匹配的輸出)。只有經(jīng)過一定的時(shí)間后，CCVT的輸出才再次與比例的輸入電壓一致。
高速保護(hù)繼電器，比如目前市售的固態(tài)繼電器，能夠敏感地響應(yīng)這種瞬態(tài)。如果輸電線上的故障位于繼電器的規(guī)定區(qū)1(典型的保護(hù)繼電器有數(shù)個(gè)保護(hù)區(qū))的范圍之外，與1區(qū)保護(hù)對(duì)應(yīng)的繼電器中的特定距離元會(huì)隨該瞬態(tài)而延長(zhǎng)動(dòng)作時(shí)間并產(chǎn)生非期望的輸出。解決這種延長(zhǎng)動(dòng)作時(shí)間問題的一種方法是減小1區(qū)范圍，雖然在某些情況下CCVT瞬態(tài)足夠大或持續(xù)時(shí)間足夠長(zhǎng)，以致1區(qū)的減小會(huì)導(dǎo)致1區(qū)保護(hù)不再有效。因?yàn)?區(qū)元件主要是保護(hù)輸電線，所以最希望1區(qū)元件能夠保護(hù)盡可能長(zhǎng)的輸電線。因此，大幅度地減小1區(qū)范圍從而減少由1區(qū)元件保護(hù)的輸電線段是不可取的。
CCVT瞬態(tài)減小了故障電壓的一次諧波分量，它反過來導(dǎo)致計(jì)算故障電阻減小。并且，如果CCVT的輸出由于瞬態(tài)的出現(xiàn)而明顯失真，那么，遠(yuǎn)距繼電器在瞬態(tài)失真期間就測(cè)量不出準(zhǔn)確的故障線路電阻。CCVT瞬態(tài)的結(jié)果是距離元的動(dòng)作延長(zhǎng)，而1區(qū)元件動(dòng)作延長(zhǎng)帶來了最不期望有的結(jié)果，因?yàn)檫@些元件通常都是瞬時(shí)作用的。
因此，盡管CCVT具有某些優(yōu)點(diǎn)(高壓裝置中成本低)，使它在使用保護(hù)繼電器時(shí)能發(fā)揮作用，但其作用被新的固態(tài)和微處理機(jī)保護(hù)繼電器的快速響應(yīng)削弱，以至它在瞬態(tài)時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的任何結(jié)果都是不可靠的。
發(fā)明概述因此，本發(fā)明是利用保護(hù)繼電器來提高電力系統(tǒng)可靠性的系統(tǒng)。該繼電器具有設(shè)定(預(yù)先設(shè)置的)范圍的1區(qū)距離元，繼電器響應(yīng)來自耦合電容變壓器次級(jí)的信號(hào)輸出，該次級(jí)信號(hào)有一瞬態(tài)，其中本系統(tǒng)包括確定保護(hù)繼電器原始1區(qū)范圍的SIR值的手段；利用該SIR值和令SIR值與減小范圍值相關(guān)的圖表來確定1區(qū)范圍減少的手段；根據(jù)發(fā)生在電力系統(tǒng)電力線路部分的故障，確定該故障是否位于減小后的1區(qū)范圍內(nèi)的手段；如該故障經(jīng)確定位于減小后的1區(qū)范圍內(nèi)時(shí)，提供無故意延遲斷路信號(hào)的手段；以及當(dāng)故障經(jīng)確定雖然超出減小后的1區(qū)范圍，但是仍在原始1區(qū)范圍內(nèi)時(shí)，延長(zhǎng)斷路信號(hào)至某一選定時(shí)間量的手段。
附圖簡(jiǎn)要說明

圖1是典型耦合電容變壓器的示意圖。
圖2是關(guān)于發(fā)生在電力系統(tǒng)電壓零交叉處的故障的CCVT瞬態(tài)響應(yīng)與比例輸入電壓的比較圖。
圖3是當(dāng)故障發(fā)生于電力系統(tǒng)電壓峰值點(diǎn)時(shí)CCVT的瞬態(tài)響應(yīng)與比例輸出電壓的比較圖。
圖4a是CCVT鐵磁共振電路部分的示意圖。
圖4b是圖4a中電路的備選電路圖。
圖5是兩個(gè)具有不同鐵磁共振抑制電路的CCVT的瞬態(tài)示意圖。
圖6是本發(fā)明的瞬態(tài)檢測(cè)電路的示意圖。
圖7是據(jù)不同實(shí)施方案將1區(qū)范圍分為兩部分的示意圖。
圖8是圖7實(shí)施方案中SIR值與1區(qū)距離元范圍的減少量相關(guān)的圖表。
圖9是圖7實(shí)施方案系統(tǒng)的操作流程圖。
最佳實(shí)施例說明圖1表示的是一個(gè)典型的耦合電容變壓器(CCVT)，可用來降低輸電線路上的電壓以便保護(hù)變電站、控制與監(jiān)控設(shè)備，例如保護(hù)繼電器。CCVT將輸電線路上信號(hào)的電壓降至這些設(shè)施可使用的電位。圖1中的CCVT(一般以10表示)包括耦合電容器12和14。每個(gè)耦合電容器12和14可能各自包含多個(gè)單獨(dú)的電容器，但無論如何，在輸電線路電壓與大地之間都會(huì)形成一個(gè)分壓器。
由電容器12和14形成的分壓器一般起初步降壓作用，使電壓降至5-15KV范圍內(nèi)。一般有鐵芯的補(bǔ)償電抗器(即電感器16)從電容器12和14間的一點(diǎn)連接到常規(guī)降壓變壓器18(一般也有鐵芯)的初級(jí)。補(bǔ)償電抗器1實(shí)際上消除了位于電力系統(tǒng)基頻的耦合電容器12和14的電阻，并防止在該頻率下初級(jí)和次級(jí)電壓之間的相位轉(zhuǎn)換。一般情況下，降壓變壓器18的次級(jí)電壓為適合于后面保護(hù)繼電器的電壓，即相—相為115V，或相—地為66.4V。
然而，補(bǔ)償電感器16和降壓變壓器18帶來了許多特定的損耗，包括銅和鐵芯的損耗。電容器和電感器的組合也可能產(chǎn)生鐵磁共振效應(yīng)。為了補(bǔ)償可能發(fā)生的鐵磁共振效應(yīng)，在變壓器18的次級(jí)兩端連接一鐵磁共振抑制電路20。鐵磁共振抑制電路20(后面將詳細(xì)闡述)對(duì)于防止由鐵磁共振產(chǎn)生的過壓是不可少的，但可能會(huì)產(chǎn)生加劇CCVT瞬態(tài)響應(yīng)的負(fù)面影響，這視使用的特定抑制電路而定。
如前面的簡(jiǎn)要闡述，盡管CCVT有其優(yōu)點(diǎn)，但是也會(huì)在某些變化，特別是在明顯的變化后，在輸入電壓上發(fā)生一瞬態(tài)。該瞬態(tài)是當(dāng)輸電線路上發(fā)生故障并且電力線電壓從標(biāo)稱值迅速變?yōu)檩^低值時(shí)產(chǎn)生的。確切地說，CCVT的輸出不是在線電壓上隨著作恰當(dāng)?shù)母淖儯前艘粫簳r(shí)瞬態(tài)，多少就象一直流補(bǔ)償，在輸入線電壓變化后的特定時(shí)間內(nèi)保持不變。該瞬態(tài)的發(fā)生是因?yàn)轳詈想娙萜?2和14以及補(bǔ)償電感器16都是能量貯存元件，不能立刻改變它們的電荷或通量。
CCVT瞬態(tài)的實(shí)際形狀在一定程度上取決于故障發(fā)生時(shí)電壓波形的確定點(diǎn)。圖2和圖3分別表示的是當(dāng)故障發(fā)生于輸入信號(hào)的電壓零交叉處和電壓峰值時(shí)的CCVT的輸出響應(yīng)，包括瞬態(tài)。值得注意的是，電壓為零交叉時(shí)故障的瞬態(tài)23明顯差于產(chǎn)生于電壓峰值時(shí)故障的瞬態(tài)25。對(duì)于發(fā)生于零交叉和峰值之間的電壓波形上的點(diǎn)的故障而言，其瞬態(tài)響應(yīng)介于圖2和圖3所示的兩種響應(yīng)之間。真實(shí)輸出電壓在相應(yīng)的圖上以27和29表示。
CCVT瞬態(tài)響應(yīng)的一次諧波分量決定了繼電器中1區(qū)距離元的延長(zhǎng)動(dòng)作時(shí)間，這就是說，故障發(fā)生在1區(qū)距離元無法正常工作時(shí)由1區(qū)元件保護(hù)的線路部分之外。顯然，延長(zhǎng)動(dòng)作時(shí)間越長(zhǎng)，繼電器的性能越差，越不可靠。因此，最好是將瞬態(tài)幅度減到最小、使CCVT輸出盡可能與真實(shí)、非瞬態(tài)輸出一致。然而，保護(hù)繼電器并不能控制瞬態(tài)，必須留有瞬態(tài)誤差并且將由于瞬態(tài)而產(chǎn)生的延長(zhǎng)動(dòng)作時(shí)間減到最小。
圖1中所示的CCVT的各元件都會(huì)對(duì)CCVT的瞬態(tài)響應(yīng)產(chǎn)生一些影響。例如，電容器12和14的總電容量影響瞬態(tài)響應(yīng)。一般來說，電容量越大，瞬態(tài)響應(yīng)越好，兩者都利用減小幅度和周期來實(shí)現(xiàn)。而且較大的電容量還會(huì)影響瞬態(tài)響應(yīng)的一次諧波分量。較大電容量還會(huì)產(chǎn)生電容補(bǔ)償所需的高電阻值，從而對(duì)電抗器損失有較高的補(bǔ)償。然而，電容量的增大意味著設(shè)備總的成本要高。
瞬態(tài)中也有差別，視鐵磁共振抑制電路20是有源電路還是無源電路而定。圖4a為有源電路的示例。該電路包含由電容器22和電感器24組成的并聯(lián)電感電容電路。在電感器24的中點(diǎn)和CCVT變壓器次級(jí)的一側(cè)之間連接加感電阻26。選擇電感電容電路是為了在電力系統(tǒng)信號(hào)頻率下產(chǎn)生共振并在該頻率下對(duì)電力信號(hào)電壓呈現(xiàn)出高電阻。加感電阻26將衰減那些含有非一次諧波電力系統(tǒng)頻率的電壓。
無源抑制電路如圖4b所示，包括永久加感電阻30和連接于變壓器次級(jí)的中點(diǎn)到其一側(cè)之間的并聯(lián)可飽和電感器32。次級(jí)兩端間連有空氣間隙加感電阻34。在正常操作條件下，次級(jí)電壓不夠高，還達(dá)不到接通空氣間隙或使電感器飽和的程度。這樣，加感電阻30對(duì)變壓器的性能無任何影響。然而，一旦產(chǎn)生鐵磁共振振蕩，次級(jí)上出現(xiàn)的附加電壓就會(huì)立刻接通與電阻34相連的空隙，從而使電阻34衰減振蕩。電感器32在高出額定次級(jí)電壓值約50％時(shí)飽和，這就有助于避免持續(xù)的鐵磁共振振蕩現(xiàn)象。
圖5為有源抑制電路35和無源抑制電路37各自與真實(shí)輸出電壓39相比較的CCVT瞬態(tài)。對(duì)于相同故障，無源抑制電路的CCVT響應(yīng)明顯地要好得多。有源鐵磁共振電路的有源貯能元件就象一帶通濾波器，在CCVT次級(jí)產(chǎn)生附加時(shí)間遲延，從而加劇CCVT瞬態(tài)。無源共振電路一般對(duì)瞬態(tài)響應(yīng)幾乎沒有負(fù)面影響，因?yàn)楫?dāng)鐵磁共振未發(fā)生時(shí)，其大多數(shù)元件與CCVT輸出是相互分離的。
與CCVT次級(jí)相連的負(fù)荷或負(fù)載，例如保護(hù)繼電器，對(duì)CCVT瞬態(tài)特性也有影響。當(dāng)瞬態(tài)響應(yīng)隨著電阻負(fù)荷的增加而在幅度和周期上都確實(shí)增加時(shí)，這種增加不會(huì)導(dǎo)致相應(yīng)的繼電器延長(zhǎng)動(dòng)作時(shí)間特性也相應(yīng)地增加。因此，就通常同CCVT瞬態(tài)特性相關(guān)的延長(zhǎng)動(dòng)作時(shí)間問題而言，每秒的電阻負(fù)荷看來并不重要。
如上所述，過去曾嘗試了用各種方法或補(bǔ)償來調(diào)節(jié)CCVT瞬態(tài)響應(yīng)及其對(duì)有延長(zhǎng)動(dòng)作時(shí)間反應(yīng)的1區(qū)元件的相應(yīng)的影響。在某些情況下，解決方法一直是減小1區(qū)的距離。一般地說，已證明在延長(zhǎng)動(dòng)作時(shí)間長(zhǎng)的情況下這種方法不太有效，因?yàn)檫@將使1區(qū)距離減小到無足輕重的地步。
另一種方法是延遲1區(qū)距離元的作用。如果延時(shí)超過瞬態(tài)響應(yīng)周期，那么瞬態(tài)響應(yīng)可基本上被調(diào)整，而無任何直接不利后果。然而，用這種方法就要犧牲以快速固態(tài)、微處理器為基礎(chǔ)的繼電器反應(yīng)速度快這一優(yōu)點(diǎn)。
在本發(fā)明中，通過使用自動(dòng)計(jì)算出來的臨界電壓和電流，時(shí)間延遲與用許多不同對(duì)比功能來確定的瞬態(tài)響應(yīng)一起使用，如果某些選定的條件得到滿足，表明故障發(fā)生在1區(qū)范圍之內(nèi)，而不是1區(qū)范圍外的故障(由于CCVT瞬態(tài)的原因，這種故障看起來象是發(fā)生在1區(qū)之內(nèi))，配合允許在時(shí)間延遲周期內(nèi)發(fā)生斷路信號(hào)的監(jiān)控性決定。
能達(dá)到這些效果的電路如圖6所示。圖6中電路的基本目的之一就是識(shí)別CCVT的瞬態(tài)狀況并防止由于瞬態(tài)而出現(xiàn)的距離元延長(zhǎng)動(dòng)作時(shí)間。然而，對(duì)于實(shí)際的1區(qū)故障來說，僅允許最小的時(shí)間延遲(比瞬態(tài)時(shí)間延遲小很多)。對(duì)于使用的方便及可靠性而言，圖6所示電路適用性強(qiáng)，可使用戶不必為了電路的操作而進(jìn)行任何特別的設(shè)定。
然而，圖6所示電路在下列情況下由于缺少邏輯啟動(dòng)設(shè)置而不起作用。首先，當(dāng)特定繼電器沒有使用CCVT時(shí)，電路不起作用，這就是說，圖6中電路僅用于具有CCVT和由此而產(chǎn)生的瞬態(tài)響應(yīng)的繼電器。其次，當(dāng)CCVT使用無源鐵磁共振抑制電路時(shí)該電路也不起作用。如前面所指出的，這種無源抑制電路將會(huì)產(chǎn)生瞬態(tài)響應(yīng)，它不會(huì)產(chǎn)生其它CCVT電路延長(zhǎng)動(dòng)作時(shí)間特性。第三，當(dāng)某一特定應(yīng)用中源—線電阻率(SIR)總是小于5時(shí)，該電路不起作用。
圖6中電路的作用前提是SIR為5或大于5。應(yīng)該理解的是選擇其它SIR值也是可以的。圖6所示電路可在大范圍的SIR值內(nèi)起作用而在性能方面不會(huì)有明顯損失。這個(gè)特征在臨界值的自動(dòng)計(jì)算上很重要，因?yàn)橛脩魺o需提供輸入設(shè)置。
圖6中，檢測(cè)了電力系統(tǒng)的低電壓狀態(tài)。當(dāng)電力系統(tǒng)的電壓低并且所有的極點(diǎn)(斷路器)都閉合時(shí)，繼電器輸入電壓就可能包括CCVT瞬態(tài)。確立一低電壓臨界值并將每個(gè)相—地電壓(A，B和C相)和相—相電壓(AB，BC和CA)都同臨界值相比較。如果這些電壓中的任何一個(gè)比規(guī)定的臨界值小，那么，就可對(duì)結(jié)合有特定低電壓電路的常規(guī)相—地低電壓元件或相—相低電壓元件進(jìn)行認(rèn)定，這就是說，該特定元件產(chǎn)生高輸出。
圖6表示用于A相的相—地電壓比較器40。比較器40將A相電壓的絕對(duì)值與一低電壓臨界值(稱作Fset27CVT)進(jìn)行比較。數(shù)字″27″是低壓元件的標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)術(shù)語。其中的CVT部分是任意值，可以改變。
本發(fā)明中的低電壓臨界值是基于源—線電阻率(SIR)為5的徑向輸電線來確定的。當(dāng)短路故障發(fā)生在徑向線的末端(超出1區(qū)范圍的故障)時(shí)，臨界電壓實(shí)際上就是預(yù)期的繼電器電壓。該臨界電壓值可以用后面討論的臨界電流值與特定輸電線的已知復(fù)制線電阻的乘積來計(jì)算。計(jì)算相—地低電壓元件的電壓臨界值的另一種方法是用額定電壓(66.4V)除以源電阻和線電阻。當(dāng)SIR為5時(shí)，得到的臨界值為11.1V。該臨界值計(jì)算的突出優(yōu)點(diǎn)在于它可以自動(dòng)完成，無需用戶作任何定義設(shè)置。
如上所述，該臨界值要同A相電壓的實(shí)際值相比較，如果A相電壓小于臨界值，或門42就會(huì)被賦予一個(gè)高輸出?；蜷T42的其它輸入是B相和C相的電壓使用類似臨界電壓值的類似比較器的輸出?；蜷T42的輸出(稱為27PG)加于保護(hù)繼電器(圖中未示)的常規(guī)相—地低電壓元件并作為與門60的輸入。或門42的高輸出將導(dǎo)致對(duì)低電壓元件的認(rèn)定。如上所述，數(shù)字″27″是繼電器低電壓元件的標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)術(shù)語?！錚G″是本說明書用于相—地低電壓元件的任意符號(hào)。1區(qū)距離元的認(rèn)定輸出被分別稱為信號(hào)M1P(相距)和信號(hào)Z1G(地距)。
相—相電壓(AB，BC和CA)的低電壓狀態(tài)的確定可以用類似的方法。圖中表示了VAB電壓值用的比較器44。VBC值和VCA值也使用類似的比較器。將上面40中相—地低電壓的已經(jīng)確定的臨界值乘以31/2后就可作為比較器44的臨界值。將A相對(duì)B相(AB)電壓的絕對(duì)值同該臨界值相比較。如果VAB值小于臨界值，就給或門46一個(gè)高輸出，或門46也接收來自BC和CA電壓比較器的輸入。如果這三個(gè)輸入中的任何一個(gè)值為高，那么或門46的輸出(27PP)也為高，它將加于低電壓相—相元件，并且也用作與門61的輸入。或門46的27PP符號(hào)識(shí)別相—相低電壓狀態(tài)。
然而，只是由其中一個(gè)低電壓元件所認(rèn)定的低電壓狀態(tài)還不足以可靠地表明CCVT瞬態(tài)情況及其遲延1區(qū)斷路，這是因?yàn)榈碗妷籂顟B(tài)也是實(shí)際故障(例如近距離故障)的跡象。為了可靠地顯示瞬態(tài)情況，低電壓確定要與過流元件結(jié)合使用或由它們監(jiān)控。圖6表示了相—地電流IA和A相對(duì)B相電流IAB與臨界值的比較。當(dāng)與低電壓比較時(shí)，對(duì)應(yīng)的臨界值與每個(gè)相—地電流、相—相電流以及圖示的A相和AB相—相電流也要進(jìn)行比較。
圖6中，A相的相—地電流(IA)與標(biāo)為Fset50CVTG的臨界值進(jìn)行比較。數(shù)字″50″是標(biāo)出過流情況或元件的工業(yè)符號(hào)。該符號(hào)的其它部分是任意并可變的。IA的比較在比較器50中進(jìn)行。
比較器50的臨界電流由下式確定IA＝I1+I2+I0＝3Vnom/6(2ZL1+ZL0＝Vnom/2·(2ZL1+ZL0)式中I1為順序電流，I2為逆序電流，I0為無序電流，Vnom為標(biāo)稱電壓，即約為66.4VLN，ZL1為順序復(fù)制線電阻，ZL0為無序復(fù)制線電阻。這些電阻是用戶輸入的值，用于特定距離元所用線路和故障定位功能。這些電阻的值是用戶已知的并且是唯一的輸入值。如果IA大于臨界值，那么比較器50的輸出為1或者更高的值，它與來自IB和IC比較器的輸入一起被用作或門54的輸入。如果或門54的任何一個(gè)輸入值為高的話，或門54的輸出也高，這就導(dǎo)致需對(duì)過流元50PGH進(jìn)行認(rèn)定。并且，符號(hào)″50″也是瞬時(shí)過流元的工業(yè)術(shù)語，而申請(qǐng)者則使用術(shù)語″PGH″來表示相—地過流元。
使用比較器56進(jìn)行的相—相比較采用了臨界值50CVTP，對(duì)IAB的計(jì)算如下IAB＝|A2-A|·|I1I2|＝31/2·(2I1)＝31/2·Vnom/ZL1·6如果IAB大于臨界值，則比較器56的輸出為高，它被加于或門58。或門58的其它輸入來自類似IBC、ICA值的比較器。這些比較器的臨界值與上述用于IAB比較的相同。或門58的輸出(50PPH)賦予與門61。
仍看圖6，信號(hào)50PGH和信號(hào)27PG如上所述賦予與門60，而信號(hào)50PGH則被加于與門60的一個(gè)″非″輸入。并且，1區(qū)相—地距離元的輸出Z1G也賦予與門60。與門60的輸出在正常情況為低值，只有當(dāng)?shù)碗妷褐付?信號(hào)27PG)、″非″高電流指定(信號(hào)50PGH不存在)和1區(qū)相—地距離元認(rèn)定(信號(hào)Z1G)一致時(shí)才變高。
如上所述，存在1區(qū)接地距離元認(rèn)定信號(hào)的出現(xiàn)意味著繼電器將斷開電路斷路器，除非該信號(hào)被延遲或被取消。然而當(dāng)上述條件滿足時(shí)，與門60的輸出就為高并賦予或門62，或門62的輸出(包括標(biāo)作信號(hào)SOFTE和信號(hào)SPO+3PO的″非″輸入)賦予與門64。
信號(hào)SOFTE(轉(zhuǎn)換到故障啟動(dòng)(switch onto fault enable))在先前斷開的斷路器再閉合后的短時(shí)間內(nèi)為高。其余時(shí)間則為低。因此，除非斷路器剛剛再閉合，這個(gè)與門64的輸入為高。當(dāng)或者出現(xiàn)單極開信號(hào)(SPO)(就是說打開一個(gè)相斷路器)，或者所有三個(gè)極均為開(3PO信號(hào))時(shí)，與門64的其它輸入(SPO+3PO)為高。如果所有的極均閉合，那么相應(yīng)的″非″輸入也為高，并且當(dāng)出現(xiàn)信號(hào)Z1P時(shí)，就在計(jì)時(shí)器66上加一個(gè)信號(hào)。計(jì)時(shí)器66在其輸入信號(hào)從0轉(zhuǎn)到1時(shí)啟動(dòng)，啟動(dòng)時(shí)間為零。計(jì)時(shí)器66運(yùn)轉(zhuǎn)1.375周，在一般情況下已足以包括CCVT瞬態(tài)的周期。計(jì)時(shí)器66的輸出賦予與門68，同時(shí)還在其″非″輸入上加上一個(gè)稱作m計(jì)算順利信號(hào)的信號(hào)?！癿計(jì)算”一詞指的是下式中的故障電阻確定?！屙樌宕_定是指故障發(fā)生后計(jì)算故障電阻值還原到正常值所需的穩(wěn)定時(shí)間。還原或順利的速度可從CCVT瞬態(tài)中分辨出近距離故障。順利確定由一系列比較器來執(zhí)行；比較器72是ASB相的m計(jì)算的范例。
比較器72將數(shù)量0.15·mab(k)+0.135與mab(k)-mab(k-1)的絕對(duì)值進(jìn)行比較，這里mab是AB相的m計(jì)算(只檢測(cè)出現(xiàn)于繼電器的故障所需距離元的最小范圍)，k是這個(gè)值最近的確定值，k-1是最接近最近值(k)的值。每次電力信號(hào)循環(huán)可執(zhí)行8次的mab計(jì)算。在本發(fā)明的精神下，其它過程間隔當(dāng)然也可以使用。該m計(jì)算是故障電阻的確定，可根據(jù)下式m＝Re(V·VP*)/Re(ZIVP*)式中V等于輸電線路上的測(cè)量電壓，VP*為極化電壓的復(fù)合共軛值，Z為復(fù)制線電阻，I為電力系統(tǒng)的測(cè)量電流。極化電壓是繼電器內(nèi)用于故障方向和其它故障測(cè)量的參考電壓。
將比較器72正(+)輸入的m值表達(dá)式同最近計(jì)算出的m值與下一個(gè)最近m值之差進(jìn)行比較。如果比較器72正(+)輸入的m值表達(dá)式大于“負(fù)(-)”輸入處的m值時(shí)，比較器72的輸出就賦予與門74。與門74的其它輸入為圖6中所示的信號(hào)mAB1。MAB1為比較器76對(duì)mab值與1區(qū)AB相距離元臨界值進(jìn)行比較后的結(jié)果。如果該mab值小于臨界值，則比較器76的輸出為高并被賦予與門74。mab值小于1區(qū)臨界值意味著繼電器在1區(qū)相距離元的范圍內(nèi)檢測(cè)到一故障。
與門74的輸出作為一個(gè)輸入加于或門78?；蜷T78的其它輸入是B相與C相、C相與A相故障電阻m計(jì)算順利的類似比較結(jié)果。類似的比較器74和與門77的組合如圖所示，與mcg電阻值同選定的臨界值相比較的結(jié)果一起用于C相對(duì)地的檢測(cè)。A相對(duì)地和B相對(duì)地也使用類似的比較器和與門的組合。這些輸出也賦予或門78作為其輸入。
或門78的輸出賦予計(jì)時(shí)器80。如果上述的任何m計(jì)算的比較產(chǎn)生例如來自與門74或其它可比較與門的高輸出，這說明故障電阻值在與CCVT瞬態(tài)相反的近距離故障表征率下已穩(wěn)定或正常。當(dāng)或門78的輸出變高時(shí)，計(jì)時(shí)器80的輸出從其開始升高時(shí)起被延遲3/8周；隨后只要或門78的輸出保持高值，則它也保持為高值。
計(jì)時(shí)器80的高輸出賦予與門68以減損或消除計(jì)時(shí)器66的阻塞信號(hào)輸出。如果m計(jì)算順利系數(shù)不表明可立即還原為正常時(shí)，則計(jì)時(shí)器80的輸出將繼續(xù)保持為低值，與門68的輸出將為高值。該輸出作為″非″輸入賦予與門82。與門82的其它輸入為1區(qū)距離元的1區(qū)相或地的認(rèn)定。如果1區(qū)距離元認(rèn)定存在(否則該認(rèn)定會(huì)引起斷路信號(hào))，并且這些情況已滿足表明CCVT瞬態(tài)的存在，以至計(jì)時(shí)器66運(yùn)轉(zhuǎn)了1.375周，如果m計(jì)算順利不足以使用計(jì)時(shí)器80的輸出來消除計(jì)時(shí)器66的輸出，那么與門82的輸出仍保持低值并且沒有斷路信號(hào)，這引起1區(qū)斷路信號(hào)使計(jì)時(shí)器66遲延1.375周。
然而，如果計(jì)時(shí)器80有輸出，說明導(dǎo)入計(jì)時(shí)器80的電路消除或監(jiān)控功能已經(jīng)滿足，則在3/8周和從1區(qū)距離元有連續(xù)信號(hào)后，與門82會(huì)有一高輸出，導(dǎo)致1.375周延遲的消除以產(chǎn)生一快速斷路信號(hào)(在整個(gè)1.375周之前)。因此，當(dāng)實(shí)際故障引起延遲時(shí)，會(huì)對(duì)CCVT瞬態(tài)測(cè)定電路產(chǎn)生的斷路起到保護(hù)作用。
因此，本發(fā)明不僅提供了一種考慮了CCVT瞬態(tài)的可控?cái)嗦沸盘?hào)，并且提供了在發(fā)生可識(shí)別真實(shí)故障時(shí)(由m計(jì)算得出)的快速斷路。同時(shí)，電路也便于用戶操作，因?yàn)樵赟IR值大于5的CCVT應(yīng)用中，基本上不需要用戶定義。僅需要設(shè)定線電阻值，并且在距離保護(hù)時(shí)需要進(jìn)行這些設(shè)定。然后所有檢測(cè)的臨界值都自動(dòng)計(jì)算出來。
上述方案的確優(yōu)于以前的系統(tǒng)，那些系統(tǒng)試圖通過加入一延伸超過瞬態(tài)周期的延遲時(shí)間來補(bǔ)償CCVT次級(jí)的CCVT瞬態(tài)輸出。然而，當(dāng)在系統(tǒng)1區(qū)范圍內(nèi)恰好發(fā)生實(shí)際故障時(shí)，那種方案會(huì)遇到斷路延遲。然而，對(duì)于與保護(hù)繼電器相當(dāng)靠近并在1區(qū)內(nèi)的故障(近距離故障)，則不會(huì)有任何預(yù)先準(zhǔn)備斷路時(shí)間延遲。圖7-9中的系統(tǒng)消除了圖1-6中1區(qū)近距離區(qū)域故障的預(yù)先準(zhǔn)備時(shí)間延遲。
該系統(tǒng)(圖7-9所示)自動(dòng)地將保護(hù)系統(tǒng)1區(qū)范圍分為兩部分，分別稱為瞬時(shí)部分和延時(shí)部分。1區(qū)瞬時(shí)部分的延展或″范圍″可通過先計(jì)算原始1區(qū)的SIR(系統(tǒng)電阻率)值，然后用該SIR值在標(biāo)有1區(qū)范圍減少與SIR值的對(duì)應(yīng)換算表來確定。
對(duì)于任何被確定位于該瞬時(shí)區(qū)間內(nèi)的故障(例如近距離故障)而言，都會(huì)立刻發(fā)生無延遲斷路，因?yàn)閷?duì)于這些故障而言，延長(zhǎng)動(dòng)作時(shí)間不成問題，而對(duì)于位于最大瞬時(shí)區(qū)間1范圍與原始1區(qū)范圍之間的故障而言，當(dāng)從1區(qū)元產(chǎn)生一斷路信號(hào)時(shí)，需同時(shí)使用時(shí)間延遲和m順利(前面方案中得到的)定義來確定。因此，本發(fā)明在防止由于CCVT瞬態(tài)而產(chǎn)生的1區(qū)元延長(zhǎng)動(dòng)作時(shí)間方面具有優(yōu)點(diǎn)，如上述系統(tǒng)所完成的那樣；并且在產(chǎn)生無延長(zhǎng)動(dòng)作時(shí)間現(xiàn)象的近距離故障(即1區(qū)范圍瞬時(shí)部分內(nèi)的故障)的非延時(shí)斷路信號(hào)方面更進(jìn)一步具有優(yōu)點(diǎn)。這樣就提高了保護(hù)系統(tǒng)的可靠性。
圖7所示為一在線路兩端裝有兩個(gè)斷路器102和104的電力線路100的簡(jiǎn)單示意圖。圖7也表示出1區(qū)范圍106，它從繼電器103位置延伸到稍前于斷路器104一點(diǎn)，或線路的末端(典型的線電阻為85％)。如上所述，CCVT變壓器一般情況下會(huì)由1區(qū)元產(chǎn)生一不期望的1區(qū)延長(zhǎng)動(dòng)作時(shí)間。圖1-6的方案提出了一種補(bǔ)償或克服該延長(zhǎng)動(dòng)作時(shí)間的特別方法。在那種方案中，假定有一個(gè)大于5的固定的SIR。而在本方案中，即圖7中，1區(qū)范圍106分為兩部分，瞬時(shí)部分110從原點(diǎn)或正常1區(qū)范圍的起始點(diǎn)(即繼電器的位置)到距常規(guī)1區(qū)范圍末端前一定距離的一點(diǎn)。在該區(qū)域內(nèi)，延長(zhǎng)動(dòng)作時(shí)間不成問題。1區(qū)的其余部分，從瞬時(shí)部分110的末端到正常1區(qū)范圍的末端，在圖7中示為1區(qū)范圍的時(shí)間延遲部分114。
1區(qū)瞬時(shí)部分106的范圍根據(jù)系統(tǒng)的SIR(系統(tǒng)電阻率)的不同而有所變化。利用1區(qū)范圍電阻ZR1和源電阻ZS1(兩者均已知或很容易計(jì)算出來)可自動(dòng)計(jì)算該系統(tǒng)電阻率。在顯示的方案中(參照?qǐng)D9)，順序源電阻(ZS1)在步驟116時(shí)第一個(gè)被計(jì)算出來。該順序源電阻的計(jì)算為常規(guī)計(jì)算，這里就不作詳細(xì)介紹了。其次，在步驟118，第二個(gè)被計(jì)算出來的SIR是根據(jù)公式SIR＝ZS1/ZR1得到的，這里ZR1為原始1區(qū)的范圍電阻。
下一步驟中，如步驟120所示，確定了減小后的范圍，即原始1區(qū)的瞬時(shí)部分110。這是根據(jù)圖8圖表中信息使用設(shè)備中的自動(dòng)計(jì)算來完成的。該圖表將前面提到的計(jì)算SIR值與分?jǐn)?shù)表示的范圍值(1區(qū)范圍的分?jǐn)?shù))就有源CCVT和無源CCVT設(shè)置，即兩類用途進(jìn)行了比較。這些標(biāo)定在圖8中以線122(有源CCVT)和線124(無源CCVT)表示。對(duì)于特定SIR值，適當(dāng)?shù)臉?biāo)定線將會(huì)提供1區(qū)范圍內(nèi)的減少量。例如，對(duì)于SIR為10的有源CCVT，分?jǐn)?shù)范圍為0.4。因此，原始1區(qū)瞬時(shí)部分為原始1區(qū)的0.4。從圖表中得到的分?jǐn)?shù)乘以原始ZR1值就得到減小后1區(qū)(即瞬態(tài)部分110)的實(shí)際電阻。這在下文中被稱作減小的范圍值。
當(dāng)線100上發(fā)生故障時(shí)，恰好檢測(cè)故障所需的最小范圍被計(jì)算出來，如步驟126所示。這樣做是為了確定故障是否位于瞬時(shí)部分110內(nèi)。這個(gè)范圍計(jì)算(這里稱作m范圍計(jì)算)在由本發(fā)明受讓人所有的題為″電力輸電線計(jì)算有效距離繼電器″美國(guó)專利第5,325,061號(hào)中有所閘述，并在這里列作參考文獻(xiàn)。在前面相關(guān)的方案中也談到過m計(jì)算。這能方便地確定故障的大致距離。也可使用其它的計(jì)算方法。然后m范圍值(以電阻表示)與1區(qū)瞬時(shí)部分(減小后的范圍)的電阻進(jìn)行比較。如果m范圍值小于或等于減小后的范圍值，則系統(tǒng)電路斷路器就斷路，如步驟132所示。這樣，實(shí)際上對(duì)于1區(qū)瞬時(shí)部分內(nèi)的故障(即近距離故障)而言，實(shí)際上會(huì)立刻發(fā)生斷路，就是說，在保護(hù)系統(tǒng)中無故意的延遲。
然而，如果最小范圍值大于減小后的范圍(即故障不在1區(qū)瞬時(shí)部分內(nèi))，則會(huì)在步驟134中與1區(qū)的整個(gè)范圍作進(jìn)一步的比較。如果最小范圍大于原始1區(qū)(大于ZR1)，數(shù)據(jù)處理循環(huán)就可結(jié)束。這意味著故障發(fā)生于原始1區(qū)范圍之外，繼電器103不工作。然而，如果最小范圍值(M)小于或等于1區(qū)范圍(但大于減小后的范圍值)，則意味著故障位于圖7的時(shí)間延遲部分中。
此時(shí)，計(jì)時(shí)器啟動(dòng)，累計(jì)時(shí)間T。計(jì)時(shí)器T在設(shè)定值(T＝0)時(shí)啟動(dòng)，然后每次數(shù)據(jù)處理循環(huán)發(fā)生時(shí)就累計(jì)一附加的時(shí)間。累計(jì)下的時(shí)間T在步驟138中同設(shè)定值進(jìn)行比較。設(shè)定值的一個(gè)例子是電力系統(tǒng)信號(hào)的1.5周。如果時(shí)間T大于設(shè)定值，此處設(shè)定值的設(shè)定是為了使其大于CCVT瞬態(tài)的時(shí)間(見圖5)，則會(huì)產(chǎn)生一斷路信號(hào)。如果累計(jì)時(shí)間T小于設(shè)定值，則在步驟140進(jìn)行順利的比較。這種順利確定已在圖1-6所示方案中討論過。若順利準(zhǔn)則未能滿足，則數(shù)據(jù)處理循環(huán)結(jié)束。如果順利可滿足已定準(zhǔn)則，則意味著瞬態(tài)已消失，然后會(huì)產(chǎn)生一斷路信號(hào)。
因此，在本方案中，SIR值是在確定1區(qū)瞬態(tài)范圍部分和延時(shí)范圍部分的同時(shí)加以計(jì)算和使用的。如果經(jīng)確定故障實(shí)際位于瞬時(shí)部分內(nèi)，則立刻完成斷路動(dòng)作。同采用第一種方案一樣，本方案的優(yōu)點(diǎn)在于所有的步驟都是自動(dòng)進(jìn)行的。
雖然這里闡述了本發(fā)明的優(yōu)先實(shí)施方案，但應(yīng)該理解的是，各種變化、改進(jìn)和替換都以包含在方案中而不違背本發(fā)明的實(shí)質(zhì)，這些都規(guī)定在權(quán)利要求中。
權(quán)利要求
1.使用具有1區(qū)距離元和設(shè)定范圍的保護(hù)繼電器來增強(qiáng)電力系統(tǒng)可靠性的系統(tǒng)，繼電器響應(yīng)來自耦合電容變壓器次級(jí)的信號(hào)輸出，該次級(jí)信號(hào)有一瞬態(tài)，其中所述系統(tǒng)包括確定保護(hù)繼電器原始1區(qū)范圍SIR值的手段；使用該SIR值確定1區(qū)范圍內(nèi)減少量的手段；對(duì)應(yīng)發(fā)生在電力系統(tǒng)電力線部分的故障，確定該故障是否位于減小后的1區(qū)范圍內(nèi)的手段。當(dāng)故障經(jīng)確定位于減小后的1區(qū)范圍內(nèi)時(shí)，提供無故意延時(shí)斷路信號(hào)的手段；以及當(dāng)故障經(jīng)確定超出減小的1區(qū)范圍但位于原始1區(qū)范圍內(nèi)時(shí)，將斷路信號(hào)延遲一段選定的時(shí)間的手段。
2.按照權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述選定的時(shí)間大約為電力線上電力信號(hào)的1.5周。
3.按照權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，包括確定恰好檢測(cè)故障所需最小范圍的手段和比較該最小范圍與減小范圍值的手段。
4.按照權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述減小的范圍足以包含近距離故障。
5.按照權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中如果選定的順利基準(zhǔn)符合來自變壓器的次級(jí)信號(hào)，所述斷路信號(hào)延遲則被超越。
全文摘要
確定保護(hù)繼電器原始1區(qū)距離元范圍的系統(tǒng)電阻率(SIR)。然后使用SIR值和已知的減少值圖表來確定原始1區(qū)范圍內(nèi)的減少量。當(dāng)故障被確認(rèn)后,確定恰好檢測(cè)故障的最小范圍。如果最小范圍小于或等于減小后的范圍,提供無任何延遲的斷路信號(hào)。如果最小范圍大于減小后的范圍但不大于原范圍的話,斷路被延遲一選定時(shí)間。
文檔編號(hào)H02H3/40GK1244964SQ98801542
公開日2000年2月16日 申請(qǐng)日期1998年10月13日 優(yōu)先權(quán)日1997年10月17日
發(fā)明者阿曼德·蓋茨曼－卡西羅斯, 杰弗里·B·羅伯茨 申請(qǐng)人:史懷哲工程實(shí)驗(yàn)室公司