專利名稱：距離保護繼電器和方法
技術領域：
本發明涉及配電系統領域，并且尤其涉及這種系統中的保護繼電器。 本發明還涉及對應的方法。
背景技術：
配電系統包括距離保護系統，其被設置成保護、監視和控制形成該配
電系統的一部分的i殳備的功能。該保護系統尤其防止配電系統的電力線中 的短路、過流和過壓。
保護繼電器在配電系統的各處被用于提供這種保護和控制。保護繼電 器通過斷開和閉合斷路器來檢測并且隔離輸電和配電線上的故障，并且它 們通過電流互感器(CT)來工作，其中電流互感器被設置成感測故障電 流并且相應地起作用。簡言之，可基于對配電系統中的電壓和電流狀況的 觀測結果來確定故障方向。對電流和電壓波形進行分析，以便確定阻抗。 如果阻抗在特定值以上或以下，則可以確定故障是否存在。而且，也可以 例如通過確定電壓的相位和電流的相位之間的角度來確定故障的方向。
在一個半斷路器系統(breaker-and-a-half system)中，來自兩組電 流互感器的電流信號凈皮相加，以獲得在電力線上輸出的電流。如果存在外 部故障，而大電流通過兩個電流互感器，則它們中的一個將飽和。根據哪 個電流互感器達到飽和，保護繼電器可能做出錯誤的方向判定。
而且，當電流互感器飽和時，其電感下降，于是，除了上述做出不正 確的方向判定的風險之外，還有損害其它負載設備的風險。必須小心處理 以避免這種芯飽和，并且應該依賴于其期望的用途而適當地選擇電流互感 器絲。
目前，這種飽和問題被忽視。因此，沒有用于應對電流互感器飽和的 故障方向檢測算法和設備。
鑒于以上所述，期望提供一種改進的保護繼電器來應對電流互感器的 飽和。而且，也期望提供對應的方法。
發明內容
本發明的一個目的是提供一種改進的保護繼電器，其具有改進的裝 置，用于防止與電流互感器的飽和有關的問題，從而克服或者至少減輕現 有4支術的上述缺點。
本發明的另 一 目的是提供一種改進的保護繼電器，其能夠處理電流互 感器的飽和。具體地，本發明的一個目的是提供一種保護繼電器，通過該 繼電器，即使在電流互感器達到飽和的情況下，也可以提供正確的故障方 向。
本發明的又一目的是提高配電系統中的保護繼電器的可靠性。具體 地，本發明的一個目的是提高根據故障方向獲得的結果的可靠性。
這些目的尤其通過如權利要求1所述的保護繼電器和如權利要求11 所述的方法來實現。
根據本發明，提供了一種用于配電系統的保護繼電器。配電系統包括
一個或多個電力線。保護繼電器包拾沒置成感測流入電力線的相應電流的 第一和第二電流互感器。而且，設置電壓感測設備來感測電力線的電壓。
保護設備的特征在于第一設備，用于基于來自第一電流互感器的電流信 號和來自電壓感測裝置的電壓信號來確定系統中的故障的方向；第二設 備，用于基于來自第二電流互感器的電流信號和來自電壓感測裝置的電壓 信號來確定系統中的故障的方向；第三i殳備，用于基于來自第一和第二電 流互感器的電流信號之和以及來自電壓感測裝置的電壓信號來確定系統 中的故障的方向；以及控制器裝置，用于基于第一、第二和第三設備所確 定的故障方向來確定故障是內部的還是外部的。通過本發明，克服了由于 電流互感器的飽和而引起的問題。本發明的保護繼電器甚至能夠應對電流 互感器之一真正達到飽和的情況。提供了改進的故障方向的確定，從而提 高了配電系統的可靠性。可以以更高的確定性來確定故障方向，并且更快 地定位故障，從而便于維護并且降低了電力故障的持續時間。
根據本發明的一個實施例，如果第一、第二和第三設備中的一個或多 個指示外部故障，則確定故障為外部故障。由此提高了所確定的故障方向
的可靠性。
才艮據本發明的一個實施例，包括了用于設置電流電平的裝置，其中， 第 一和第二設備被設置成在相應設備中的電流信號低于設置電流電平的 情況下被忽略。電流電平優選地設置成低于存在電流互感器之一飽和的風 險時的電流電平。而且，該電流電平優選地"&置成高于系統的最大負載電 流。這同樣提高了對電流互感器的飽和所引起的問題的安全性。
根據本發明的一個實施例，第一、第二和第三設備是方向元件
(directional element )。因此，可以使用市場上容易得到的設備，從而便 于本發明的實施，并且降低成本。
根據本發明的一個實施例，保護繼電器還包括若干斷路器。于是，保 護繼電器優選地包括用于響應于所確定的故障來使斷路器跳閘的裝置。由 此提高了使斷路器跳閘的判定為正確判定的安全性。
本發明還包括這樣的方法，其中實現了與以上相對應的優點。
在閱讀以下具體描述時，本發明的更多特征、優點和目的將變得明顯。
圖1示意性示出了其中可以實現本發明的典型配電系統。
圖2示意性示出了確定電力系統中的故障的存在的現有技術方法。
圖3示意性示出了本發明的一個實施例。
圖4是圖3中示出的實施例的另一圖示。
具體實施例方式
通常，保護繼電器祐i殳置成保護配電系統的某個部分。就此而言，外 部故障是發生在特定保護繼電器的保護區之外的故障，而內部故障AiL生 在其保護區之內的故障。于是，依賴于所確定的故障方向，故障的方向可 以指示為內部故障或外部故障。上游通常定義為斷路器的源側(例如變電 站)，而下游或前向通常定義為斷路器的負載側。
圖1示意性示出了包括保護繼電器并且其中可以有利地實現本發明 的典型配電系統。輸電系統l的圖示部分示出為包括第一和第二母線2、 3以及一個或多個電力線4、 5。該圖僅示出了兩個電力線；但是，應該認 識到，可以有任意數目的電力線。而且，應該i人識到，母線可以包括任意 適合數目的母線，例如三個母線。從兩個方向、即從兩個母線向電力線4、 5饋電，并且設置電流感測裝置如電流互感器來感測每個相應的饋線上的
電流，由此通過將來自兩個電流互感器的電流相加來獲得在電力線4、 5 上輸出的電流。
保護繼電器6被設置成感測故障并且啟動斷開命令，也稱為啟動跳 閘。為便于保護繼電器檢測故障，系統l包括上述用于感測電流的裝置， 該裝置典型地包括電流互感器CIV CT2。電流互感器C1V CT2祐 沒置 成提供與流入電力線4、 5的電流I^d成比例的信號。而且，還提供了用 于感測電力線4、 5上的電壓的裝置7，典型地是用于將電力系統的高電 壓降為《更于繼電器6處理的適宜電平的電壓互感器。系統1還包括若干斷 路器CBp CB2和CB3，其被設置成基于從保護繼電器6接收的命令來斷 開或閉合輸電系統l。
保護繼電器6還包括控制電路，用于確定故障是內部的還是外部的， 并且命令各個斷路器CBp CB2、 CB3相應地斷開。
為了透徹地理解本發明，參考圖2對確定故障方向的公知方式進行簡 要的描述。在多斷路器設置如環形母線設置或一個半斷路器設置中，來自 兩組電流互感器C1V CT2的電流信號I (CTJ、 1(CT2)在加法器8中 相加，以便獲得與電力線上的電流成比例的電流信號。該信號,皮提供g 護繼電器6，電力線上的電壓通過電壓感測裝置如電壓互感器7也提供給 保護繼電器6。可通過確定阻抗來檢測故障。這可以例如通過將來自前一 電力周期的電流釆樣與來自當前周期的電流采樣進行比較并且確定采樣 之間的差的符號來實現。此后，將電壓的符號與電流的符號進行比較，于 是可以確定故障方向的指示。但是，如本說明書的開頭部分所述，電流互 感器CTp CT2之一可能達到飽和，這又可導致做出不正確的方向判定。
圖3示意性示出了本發明的一個實施例。在適用時，圖1和圖2中所 使用的相同標號也用于圖3。
與現有技術中類似，來自第一和笫二電流互感器C1V CT2的電流在 加法器8中相加。相加的電流以;5L^示電力線上的電壓的電壓信號被提供 給方向元件ll。然后可以以常規方式確定故障的方向。
根據本發明，故障的方向還通過單獨確定通過保護繼電器6的每個電 流互感器d和CT2的相應電流I (CTJ、 I (CT2)的方向來確定。即， 電流信號I ( )和I ( CT2)也分別提供給方向元件10和12。指示電 力線上的電壓的電壓信號Vt也提供給丙個方向元件10和12,并且相應 的故障方向得以確定。
在本發明的一個實施例中，如果電流互感器Cl或CT2之一通過其
相應的方向元件io、 12指示外部故障，那么，故障祐:認為是外部的。對
于應被認為是內部故障的故障，所有三個設備IO、 11和12必須指示該故 障確實是內部的，否則該故障被認為是外部的。
但是，盡管上述方案在大多數情況下起到良好的作用，但是，這種方 案在高電阻故障下會引起問題。在伴隨從第 一母線到電力線或者到第二母 線的高通過負載(high through load)的高電阻故障下，電流互感器CT^ 或CT2之一的電流方向可能實際上與電力線上的電流方向相反。
為了克服這種情形，并且根據本發明的另一實施例，引入電流電平 Isetting，在其以下的來自設備10和12的輸出信號被忽略。僅來自設備ll 的輸出信號即相加電流的方向被用于確定故障的存在和方向。
電流電平Isetting被選擇為高于系統l的最大負載電流。優選地，其也
可以設置為低于存^飽和的風險時的電流。
作為一個優選實施例，圖4中概括了對本發明保護裝置的操作的上述 描述。第一設備10基于來自第一電流互感器d的電流信號和表示電力 線上的電壓的電壓信號來確定故障方向。如果故障方向被指示為內部的， 并且如果電流信號在設置值以下，則第一設備10指示內部故障。這些要 求由^卜充輸入邏輯門(complemented input logic gate) 13示出。如上戶斤 述，電流值應該i殳置成〗吏電流互感器飽和的風險最小。
類似地，第二設備12基于來自第二電流互感器CT2的電流信號和表 示電力線上的電壓的電壓信號來確定故障方向。如果故障方向凈皮指示為內 部的，并且如果電流信號在設置值以下，則第二設備12指示內部故障。 這些要求由補充輸入邏輯門14示出。
最后，第三設備11械二沒置成基于來自相應電流互感器CIV CT2中 的每個電流互感器的單獨電流信號之和來確定故障方向。電流信號之和I
(CTJ +1 (CT2)應該在最小工作電流電平lMinOp以上。如果這兩個要
求均滿足(如"與"門15所示)，則第三設備ll指示內部故障。
如果所有三個i殳備10、 11、 12都指示內部故障，則確定故障為內部 的。這在圖中由"與"門16示出。
這樣，在該優選實施例中，如上所述，僅在相應電流互感器d和 CT2的電流信號I (CTJ和I (CT2)符合設置電流電平的情況下4吏用故
障方向確定設備10和12。在圖中，該設置電流電平指示為飽和電流Isat。
而且，在該優選實施例中，故障方向確定設備ll應該具有大于最小工作
電流I隱Op 的總電流I(CTJ +I(CT2)。如本領域所公知的那樣，該工
作電流lMinOp可以例如依賴于噪聲電平以常規方式來選擇。如果故障確定
設備IO、 11或12中的一個或多個指示外部故障，則故障被確定為外部故 障。當且僅當所有啟動的設備IO、 11和12指示內部故障的情況下，故障
被確定為內部故障。即，設備10與12之一可以具有設置電流電平Isat以
下的電流信號，在這種情況下，兩個其余的設備，即11和10與12之一， 被用于確定故障方向。設置成確定電流互感器之和的設備11因此總pl被 用于確定。
借助上述保護設備，即使電流互感器之一達到飽和，也可以確定故障 的方向。在這種情況下，使用由非飽和的電流互感器所提供的故障方向。 與常規情況下僅使用 一個方向元件相比，根據本發明的保護繼電器需要略 微多一些的處理能力。
上述發明特別適合于在釆用如下設置的距離保護中使用，該設置用于 處理這種系統中的CT飽和問題，如一個半斷路器設置或環形母線設置。
總之，通過本發明，克服了由于電流互感器的飽和而引起的問題。根 據本發明，保護繼電器甚至能夠應對電流互感器之一真正達到飽和的情 況。提供了改進的故障方向的確定，從而提高了配電系統的可靠性。可以 以更高的確定性來確定故障方向，并且可以更快地定位并處理故障，從而 ^t于維護并且降低了電力故障的持續時間。
在以上具體描述中，參考本發明的特定示例性實施例描述了本發明。 可以在權利要求書所限定的本發明的范圍內對本發明進行各種修改和變 化。因此，說明書和附圖應被認為是示例性的而不是限制性的。
權利要求
1.一種用于配電系統(1)的保護繼電器，所述配電系統(1)包括一個或多個電力線(4、5)，所述保護繼電器包括設置成感測流入電力線(4、5)的相應電流的第一和第二電流互感器(CT1、CT2)，以及設置成感測所述電力線(4、5)的電壓的電壓感測設備(7)，其特征在于-第一設備(10)，用于基于來自所述第一電流互感器(CT1)的電流信號和來自所述電壓感測裝置(7)的電壓信號來確定所述系統(1)中的故障的方向，-第二設備(12)，用于基于來自所述第二電流互感器(CT2)的電流信號和來自所述電壓感測裝置(7)的電壓信號來確定所述系統(1)中的故障的方向，-第三設備(11)，用于基于來自所述第一與第二電流互感器(CT1、CT2)的電流信號之和以及來自所述電壓感測裝置(7)的電壓信號來確定所述系統(1)中的故障的方向，以及-控制器裝置，用于基于所述第一、第二和第三設備(10、11、12)所確定的故障方向來確定故障是內部的還是外部的。
2. 根據權利要求l所述的保護繼電器，其中，如果所述第一、第二 和第三i殳備(10、 11、 12)中的一個或多個指示外部故障，則確定所述故 障為外部故障。
3. 根據權利要求1或2所述的保護繼電器，還包括用于設置電流電 平Iset的裝置，其中，所述第一和第二i殳備(10、 12) 4皮i殳置成在相應設備(IO、 12)中的電流信號低于所述設置電流電平Iset時被忽略。
4. 根據權利要求3所述的保護繼電器，其中，所述電流電平I^被設 置成低于存在所述電流互感器(CIV CT2)飽和的風險時的電流電平。
5. 根據權利要求3或4所述的保護繼電器，其中，所述電流電平Iset 被設置成高于所使用的最大負載電流。
6. 根據任一前述權利要求所述的保護繼電器，其中，所述第一、第 二和第三i殳備(10、 11、 12)是方向元件。
7. 根據任一前述權利要求所述的保護繼電器，其中，所述保護繼電 器進一步包括許多斷路器。
8. 根據權利要求7所述的保護繼電器，其中，所述保護繼電器進一 步包括用于響應于所確定的故障來使斷路器跳閘的裝置。
9. 根據任一前述權利要求所述的保護繼電器，其中，所述保護繼電 器在一個半斷路器系統中使用。
10. —種配電系統(1 )，包括一個或多個如權利要求1到9中任一項 所述的保護繼電器。
11. 一種關于配電系統(l)的保護繼電器的方法，所述配電系統(l) 包括一個或多個電力線(4、 5)，所述保護繼電器包拾沒置成感測流入電 力線(4、 5)的相應電流的第一和第二電流互感器(CIV CT2)，以及設 置成感測所述電力線(4、 5)的電壓的電壓感測設備(7)，其特征在于如 下步驟-在第一"i殳備(lO)中，基于來自所述第一電流互感器(CT》的電 流信號和來自所述電壓感測裝置(7)的電壓信號來確定所述系統(1)中 的故障的方向，-在第二設備(12)中，基于來自所述第二電流互感器(CT2)的電 流信號和來自所述電壓感測裝置(7)的電壓信號來確定所述系統(1)中 的故障的方向，-在第三設備(ll)中，基于來自所述第一與第二電流互感器(CL 、 CT2)的電流信號之和以及來自所述電壓感測裝置(7)的電壓信號來確 定所述系統(1)中的故障的方向，以及-在控制器裝置中，基于所述第一、第二和/或第三設備(10、 11、 12)所確定的故障方向來確定故障是內部的還是外部的。
12. 根據權利要求11所述的方法，其中，如果所述第一、第二和第 三i殳備(10、 11、 12)中的一個或多個指示外部故障，則確定所述故障為 外部故障。
13. 根據權利要求11或12所述的方法，進一步包括設置電流電平Iset 的步驟，其中，如果相應設備(IO、 12)中的電流信號低于所述設置電流 電平Iset，則斷開所述第一和第二i殳備(10、 12)。
14. 根據權利要求13所述的方法，其中，所述電流電平U^L設置成 低于存在所述電流互感器(CT" CT2)之一飽和的風險時的電流電平。
15. 根據權利要求13或14所述的方法，其中，所述電流電平I^被 設置成高于最大負載電流。
16. 根據權利要求11-15中的任一項所述的方法，其中，所述第一、 第二和第三設備(IO、 11、 12)是方向元件。
17. 根據權利要求11-16中的任一項所述的方法，其中，所述保護 繼電器進一步包^^午多斷路器。
18. 根據權利要求17所述的方法，其中，所述保護繼電器響應于所 確定的故障來使斷路器跳閘。
全文摘要
本發明涉及用于配電系統的保護繼電器。保護繼電器包括設置成感測流入電力線的相應電流的第一和第二電流互感器，以及設置成感測電力線的電壓的電壓感測設備。保護繼電器還包括用于基于來自第一和第二電流互感器的電流信號以及來自電壓感測裝置的電壓信號來確定系統中的故障方向的第一和第二設備。保護繼電器還包括用于基于來自第一與第二電流互感器的電流信號之和以及來自電壓感測裝置的電壓信號來確定故障方向的第三設備。控制器裝置基于第一、第二和第三設備所確定的故障方向來確定故障是內部的還是外部的。本發明還涉及對應的方法。
文檔編號H02H7/22GK101097818SQ200710123589
公開日2008年1月2日 申請日期2007年6月29日 優先權日2006年6月29日
發明者佐蘭·加吉克, 塞瑟拉曼·加內桑, 托爾比約恩·埃納爾松 申請人:Abb技術有限公司