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以虚拟电流作为保护判据重要元素的微机母线保护

基本信息

  • 申请号 CN00111450.6 
  • 公开号 CN1306330A 
  • 申请日 2000/01/17 
  • 公开日 2001/08/01 
  • 申请人 李元龙  
  • 优先权日期  
  • 发明人 李元龙  
  • 主分类号  
  • 申请人地址 200233上海市桂平路680号创业中心7楼李元龙 
  • 分类号  
  • 专利代理机构  
  • 当前专利状态 发明专利申请公布 
  • 代理人  
  • 有效性 发明公开 
  • 法律状态
  •  

摘要

本发明是一种分散式微机型母线保护,适用于发电厂和变电所中的各类母线。
工作原理是:在与母线连接的各个电力回路分别设一个检测元件,根据发生短路故障后电力回路电流波形的变化,及与设计的虚拟电流相比较的结果,判断是否母线方向的短路故障。
综合各检测元件的判断,由“主机”确定短路故障是否在母线保护区内。
按其工作原理,母线短路故障保护判据完成时间在(3ms~5ms)之间。
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权利要求书

1.以虚拟电流作为保护判据重要元素的微机母线保护,为利用连接于母线上 的各电力线路和元件在发生短路故障时电流的变化来鉴别是否母线短路故障, 其特征在于连接于母线上的各个电力元件均设置一个检测元件,每个检测元件 以采集的电流量作为主要变量,设计的各相虚拟电流是构成判据的重要元素, 一个相间母线电压为时间、相位的参考量,发生短路故障后,各检测元件比较 短路电流对时间的积分值和短路电流与对应相的虚拟电流之差对时间的积分值 的大小,按照已知的规律,判断是否母线方向短路故障,“主机”综合各个检测 元件的判断结果,及是否存在短路过电流,最后确定是否母线保护区内发生短 路故障。
2.根据权利要求1所述的保护,其特征在于母线上的各个电力元件设置的 微机型检测元件,其主要功能是:a.微机记忆并运行设计的虚拟电流时间函数; b.在发生短路故障时,采集短路电流并计算出对时间的积分值;c.在发生短路故 障时,计算出短路电流与对应相虚拟电流的差对时间的积分值;d.比较前述两个 积分值的大小;e.对照故障区间判别表,判断是否母线方向短路故障。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的保护,其特征在于设计的虚拟电流, 在三相短路时,三相虚拟电流为正弦波形,幅值可小于短路电流交流对称分量 幅值,在假定电流正方向为指向母线,相位分别可为电压量Uab移相约-90°, -210°,+30°。
4.根据权利要求1或权利要求2、3所述的保护,其特征在于保护判据如 下:如果积分时间区间相同,比较短路电流对时间的积分值和短路电流与对应 相的虚拟电流之差对时间的积分值的大小,以及在短路故障发生后(0~5ms)时间 内,如果存在短路电流时间曲线和短路电流与对应相的虚拟电流之差对时间的 曲线的交点,比较该交点对应的时间和积分时间区间的时间大小,或者该交点对 应的时间大于5ms,均可以正确判断各种类型短路故障的区间。
5.根据权利要求1所述的保护或权利要求2、3、4、所述的特征,可以形 成另一个实施方案:如果电力线路两端均装设了检测元件,检测元件均判断为 “母线保护区外故障”,那么短路故障就在该电力回路,应当使该电力回路两端 断路器不经延时或者短延时跳闸。
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说明书

本发明是一种分散式微机型母线保护,主要适用于发电厂和变电所中所连接 的电力回路均为电源线的各类母线。
本发明属于电力系统继电保护技术领域。
母线保护是电力系统最重要的保护设备之一。
由于人们对该种保护的正确 动作率有更高的期望,所以许多年来,探讨和研制新原理的母线保护的工作一 直持续进行着。
其中最主要的工作,1.是处理电流互感器铁芯饱和引起的暂态 误差;2.是降低母线差动保护的不平衡电流,提高保护动作的选择性和可靠 性。
本发明采用了新的原理,从原理上,排除了电流互感器铁芯饱和的影响。
保护定值也不是传统概念上的差回路电流的大小。
此外,分散式母线保护,由 于不需要将各个电力元件的电流回路集中在一起,大大降低了由于电流回路断 线、极性接错引起的保护误动作。
本发明母线保护在动作的可靠性和动作速度 上有很大的改进。
电力系统发生故障时,本发明使用微机反应母线连接的各个电力线路和元 件及母线联络的电流量在故障后的变化,并且与预先构造的虚拟电流进行比 较,进而判别是否母线故障。
本发明主要由以下几个部分组成:连接于电力回路电流互感器的检测 元件〔1〕,主机〔2〕,通信网〔3〕,各个部件之间的连接线〔4〕,如图一所 示。
图一中其它项如下:电力线路〔5〕,变压器〔6〕,断路器〔7〕,电流互 感器〔8〕。
1.检测元件1是一个单片机,接入的电流量为5安培或者1安培,电压 量为100V。
内含有两个继电器,其中之一继电器动作,代表“母线保护区内故 障”;另外一个继电器动作,代表“母线保护区外故障”。
有节点出口,与主机 相连。
如果“母线保护区外故障”继电器动作之后,“母线保护区内故障”继电 器也动作,则后一个继电器动作的同时闭锁前一个继电器,这说明短路故障已 经由区外故障转为区内故障。
检测元件有检测该回路是否有短路过电流的功 能,以电流的积分量和相同时间内的最大回路电流对应的数值相比。
电压量为 相间电压Uab瞬时值表示为:uab=A1*Sin(ω*t)。
三相短路时,保护判据 需要的三相“虚拟电流”ixa、ixb、ixc为正弦波形,令幅值约等于短路电流 交流对称分量幅值的(1/3~3/4)。
其相位分别为电压量Uab移相约-90°, -210°,+30°。
此时A,B,C相虚拟电流瞬时值表示为:ixa=A2*Sin(ω*t-90), ixb=A2*Sin(ω*t-210),ixc=A2*Sin(ω*t+30)。
本文假定所有电流正方向均 为指向母线。
同时微机记忆了虚拟电流的时间曲线。
2.主机2是一个单片机,由通讯网与各个检测元件相连接,另外可通过小 母线或者通过电缆与各个检测元件相连接,可双向传递信息。
主机的主要功能 是: a.与各检测元件进行时钟同步校准。
以便于故障时间纪录,检测元件作积 分计算时也需要时钟。
b.接收各检测元件关于短路故障地点的报告。
说明是“母线方向短路故 障”还是“母线区外短路故障”。
c.综合接收到的各检测元件关于短路故障地点的报告以及各电力回路是否 有短路过电流,作出最终判断:是母线区内故障,还是母线区外故障。
d.如果是区内故障,则瞬时跳开故障母线上连接的各个电力元件,由主机 2发出“跳闸”的指令。
e.如果接收到的信息有“短路过电流”及“保护区外故障”。
但之后“保 护区外故障”信息消失,而转为“保护区内故障”,同时“短路过电流”依然存 在,则说明短路故障由保护区外故障转为区内故障,由主机2发出“跳闸”的 指令。
f.短路故障发生后,经延时,向各个检测元件发出“复归”指令。
g.在电力系统正常运行时,检测各个检测元件的工作状态是否正常。
如果 发现某个检测元件工作不正常,则立即报警。
检测元件工作状态是否正常的判 据是,正弦波电压Uab,虚拟电流ixa,ixb,ixc,负荷电流ifa,ifb,ifc的周期是 否一致。
3.通信网,应选用速度快、可靠性高的。
4.为成对小母线或者电缆线。
本发明母线微机保护的工作方式描述如下: 1.电力系统没有出现短路故障的正常运行方式下。
a.初始状态,主机发出“复归”指令。
主机和检测元件完成时钟同步校 准。
b.检测元件电流值采样速率:36点/20ms。
c.检测元件检测母线电压Uab: 1.将电压Uab波形上升段的“0”点,作为时间的起点。
由主机时钟同步 校准确定; 2.计算各个正弦波Uab,ixa、ixb、ixc并予以时间定位; 3.确定各个正弦波基波的周期T(ms); 4.电压Uab的记忆和刷新周期为40ms。
d.检测元件检测负荷电流ifa,ifb,ifc计算并定位: 1.检测、计算负荷电流的正弦波形曲线ifa,ifb,ifc
并予以时间定位; 2.确定各电流量正弦波基波的周期T(ms)。
; 3.负荷电流ifa,ifb,ifc的记忆和刷新周期为40ms。
e.检查各个电流、电压量正弦波基波的周期是否一致。
发现不一致立即报 警。
2.发生短路故障后,保护启动: a.按电流量突变20%额定电流为启动点。
把这点作为故障后(0+)的第一 个采样点,时间标记为t0
b.故障采样同正常采样。
采样速率:36点/20ms。
c.检测元件检测故障短路电流,计算并记忆在(t0~(t0+5ms))区间内短路电 流对时间的关系曲线,记为:ika,ikb,ikc
d.作短路电流ika,ikb,ikc的瞬时值绝对值对时间的积分。
分别以 Jka1,Jkb1,Jkc1命名。
积分的时间区间(t1,t2)为:t1=t0,t2=(t0+3ms)。
e.如果Jka1(Jkb1,Jkc1)≥(K1*Ie),则说明该回路存在短路过电流。
式 中,Ie为回路电流额定值的有效值,K1为常数系数,如 取:K1=1.2~2.0。
f.作短路电流ika,ikb,ikc的瞬时值对时间的积分。
分别以Jka,Jkb,Jkc命 名。
积分的时间区间为(t1~t2)。
t1,t2的取值如本条“k.”项所述。
g.计算ik0=(ika+ikb+ikc)根据是否存在零序短路电流及“e”项的计算 结果,判断短路故障的性质:1.单项接地短路;2.两相短路;3.两相接 地短路;4.三相短路。
h.对于各种短路故障类型,A,B,C三相虚拟电流的定义如下: 短路类型
A相虚拟电流iax=
B相虚拟电流ibx=
C相虚拟电流iex=
单项接地短路
三相短路
    ixa

    ixb

    ixc

两相
短路
A,B相短路
0.86*ixa∠(+30°)
0.86*ixb∠(-30°)
B,C相短路
0.86*ixb∠(+30°)
 0.86*ixc∠(-30°)
C,A相短路
0.86*ixa∠(-30°)
0.86*ixc∠(+30°)
两相
接地
短路
A,B相短路
ixa∠(-5°)
ixb∠(+5°)
B,C相短路
ixb∠(-5°)
ixc∠(+5°)
C,A相短路
ixa∠(5°)
ixc∠(+5°)
i.定义新的电流函数iba=ika-iax,ihb=ikb-ibx,ihc=ikc-icx,作电流函数 iha,ihb,ihc的瞬时值对时间的积分。
分别记为:Jha,Jhb,Jhc。
j.计算在(t0~(t0+5ms))时间区间内,短路电流对时间的曲线和短路电 流与对应相的虚拟电流之差的时间曲线的交点,分别记为tma,tmb,tmc; 如果在此时间区间不存在“交点”,则tma,tmb,tmc均记为大于 (t0+3ms)。
k上述电流函数iha,ihb,ihc和1ka,ikb,ikc的瞬时值对时间的积分的时 间区间(t1~t2)铷确定方法如下: 1.如tma,tmb,tmc为:t0≤tma(tmb,tmc)<(t0+1ms), 则:t1=(t0+1ms),t2=(t0+3ms): 2.如tma,tmb,tmc为:(t0+1ms)≤tma(tmb,tmc)≤(t0+2ms), 则:t1=(t0+2ms),t2=(t0+4ms); 3.如tma,tmb,tmc为:(t0+2ms)≤tma(tmb,tmc)≤(t0+3ms), 则:t1=t0,t2=(t0+2ms); 4.如tma,tmb,tmc为:tma(tmb,tmc)≥(t0+3ms), 则:t1=(t0+1ms),t2=(t0+3ms)。
对于各种短路故障类型,短路电流和短路电流与虚拟电流之差两条曲线的 交点对应的时刻,亦可按下式计算: 如虚拟电流为:ix=A∠β° 则:在(t0~(t0+5ms))区间,“交点”对应的时刻tm=    (ms): 如果:(t0+β/18)%20>10,则:tm=20-(t0+β/18)%20 如果:(t0+β/18)%20<10,则:tm=10-(t0+β/18)%20 例如: 短路类型
A相虚拟电流iax=
B相虚拟电流ibx=
C相虚拟电流icx=
单项接地短路
三相短路
ixa=A2∠-90°

ixa=A2∠-210°

ixa=A2∠+30°

在(t0
(t0+5ms))区
间,“交点”对
应的时刻:

tm=

(ms)



如果:
(t0-90/18)%20>10
则:tm=

20-(t0-90/18)%20

如果:

(t0-90/18)%20<10
则:tm=
10-(t0-90/18)%20
如果:
(t0-21O/18)%20>10
则:tm=

20-(t0-210/18)%20

如果:

(t0-210/18)%20<10
则:tm=
10-(t0-210/18)%20
如果:
(t0+30/18)%20>10
则:tm=

20-(t0+30/18)%20

如果:

(t0+30/18)%20<10
则:tm=
10-(t0+30/18)%20
1.根据表一:故障区间对照表,以计算值Jha,J11b,Jhc,分别与Jka,Jkb,Jkc 进行比较。
比较结果,确定“母线方向短路故障”还是“母线区外短路故障”, 并启动相应出口继电器。
m.各个检测元件将检测结果,通过网络或者连接线(小母线、电缆线)发 送到主机。
n.主机综合接收到的各检测元件关于短路故障地点的报告、以及各电源回 路是否有“短路过电流”,按表二:母线短路故障的判断,作出最终判断:是母 线保护区内故障,还是母线保护区外故障。
o.如果是母线保护区内故障,则瞬时向该母线连接的各个进线回路发出 “跳闸”的指令。
p.短路故障发生后,经延时,向各个检测元件发出“复归”指令。
本发明微机保护属于分散式母线保护。
和一般的电磁型继电器相比,除了 具有快速、灵敏的特点,其可靠性亦较好。
不象电磁型继电器那样,任何一只 继电器误动或拒动,即造成继电保护误动或拒动的后果。
在发生短路故障时, 非电源线路的检测元件有可能不向主机提出“母线方向短路故障”的报告,但 是,这并不影响主机对故障点位置的判断,如果是“区内故障”,仍然能正常地 发出跳闸指令。
按其工作原理,保护判据完成时间在(3ms~5ms)之间。
表一:故障区间对照表 单相短路故障时的积分区间

判断
序号


各相Jh和Jk
比大小
母线方向
短路故障
母线区外
短路故障
t0≤tma(tmb,tmc)<(t0+1ms)
t1=(t0+1ms),t2=(t0+3ms)
 10≤(t0/18+2)%20<20
 1.



Jha>Jka
 ∨
 Jhb>Jkb
 Jhc>Jkc
 2



Jha<Jka
 ∨
 Jhb<Jkb
 Jhc<Jkc
t0≤tma(tmb,tmc)<(t0+1ms)
t1=(t0+1ms),t2=(t0+3ms)
0≤(t0/18+2)%20<10
 3.




Jha>Jka
 Jhb>Jkb

 ∨
 Jhc>Jkc
 4.



Jha<Jka
 ∨
 Jhb<Jkb
 Jhc<Jkc
(t0+1ms)≤tma(tmb,tmc)<
(t0+2ms)
t1=(t0+2ms),t2=(t0+4ms)
10≤(t0/18+3)%20<20
 5.



Jha>Jka
 ∨
 Jhb>Jkb
 Jhc>Jkc
 6.



Jha<Jka
 ∨
 Jhb<Jkb
 Jhc<Jkc
(t0+1ms)≤tma(tmb,tmc)<
(t0+2ms)
t1=(t0+2ms),t2=(t0+4ms)
0≤(t0/18+3)%20<10
 7.



Jha>Jka
 ∨
 Jhb>Jkb
 Jhc>Jkc
 8.



Jha<Jka
 ∨
 Jhb<Jkb
 Jhc<Jkc
(t0+2ms)≤tma(tmb,tmc)<
(t0+3ms)
t1=t0,t2=(t0+2ms)
 10≤(t0/18+1)%20<20
 9.
    
 任
    一
    相
Jha>Jka
 ∨
 Jhb>Jkb
 Jhc>Jkc
 10.



Jha<Jka
 ∨
 Jhb<Jkb
 Jhc<Jkc
(t0+2ms)≤tma(tmb,tmc)<

(t0+3ms)
t1=t0,t2=(t0+2ms)
0≤(t0/18+1)%20<10
 11.




Jha>Jka
 ∨
 Jhb>Jkb

 Jhc>Jkc
 12.



Jha<Jka
 ∨
 Jhb<Jkb
 Jhc<Jkc
单相短路故障时的积分区间

判断
序号


各相Jh和Jk
比大小
母线方向
短路故障
母线区外
短路故障
tma(tmb,tmc)≥(t0+3ms)
t1=(t0+1ms),t2=(t0+3ms)
 10≤(t0/18+2)%20<20
 13.



Jha>Jka
 ∨
 Jhb>Jkb
 Jhc>Jkc
 14.



Jha<Jka
 ∨
 Jhb<Jkb
 Jhc<Jkc
 tma(tmb,tmc)≥(t0+3ms)
t1=(t0+1ms)。
t2=(t0+3ms)
0≤(t0/18+2)%20<10
 15.



Jha>Jka
 ∨
 Jhb>Jkb
 Jhc>Jkc
 16.



Jha<Jka
 ∨
 Jhb<Jkb
 Jhc<Jkc
注:1.对于多相短路故障,短路电流及相关计算结果构成的判据,一相或多相 的数据均可作为是否母线故障的判据。
2.符号“a%b”为求余运算符。
例如246.5%20=6.5。
表二:母线短路故障的判断 母线保护区内短
路故障
母线保护区外短
路故障
1








 1.母线连接的电力回路的检测元件报
告,为:
“母线方向短路故障”
2.各电力回路或者几个回路报告:有
    “回路短路过电流”
3.没有任何一个检测元件报告:
    是“母线区外短路故障”
4.有可能某电力回路检测元件不发报
告,不影响根据前三项作出判断。










2



 1.任意一个电力回路的检测元件报告:
是“母线区外短路故障”
2.不管其他检测元件是否报告有“母线
    方向短路故障”

    ∨


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