专利名称：用于保护继电器的零序电压极化方向元件的制作方法
本申请是1996年10月18日递交的中国专利申请No.96112787.2(优先权日为1995年10月20日)的分案申请。
本发明总的来说涉及一些用在电力系统保护继电器中的方向元件，用于测定故障相对于继电器装设地点的方向，更确切地说，涉及一种在方向测定中利用零序电压的方向元件。
当在电力系统中检测故障时，识别故障相对于保护继电器装设地点的方向是很重要的，该继电器要判明故障方向。故障方向或者处在继电器的下游侧(在其正向侧)，该故障被称为正向故障，或者处在继电器的上游侧(在其反向侧)，被称为反向故障。保护继电器提供这种方向信息的能力是继电器的所有操作性能中最重要的。
精确的方向信息将保证继电器不会把反向故障判为正向故障，逆之亦真。方向元件用来提供所需的故障方向信息。能够测定在两个方向上的故障的继电器，或者具有单个正向和反向的方向元件，或者是一单个的方向元件，能够提供两个方向的故障信息。
通常在通用的方向元件中公知的是负序极化方向元件和零序极化方向元件。在序号为5349490和5365396的美国专利中介绍了使用负序方向元件的实例，这两项专利均转让给本发明的同一受让人。本发明涉及一种零序方向元件。已知的零序极化方向元件的缺点在于，由于在保护继电器装设点处的零序电压必须具有足够的幅值，在这样的幅值下测量电压角度是可靠的，而当与零序线路阻抗相比，本地的零序电源阻抗相对较小时，例如对于在强电力系统中的远方故障可能产生这种零序电压幅值不高情况，而常规的零序方向元件由于零序电压幅值很低时就不能可靠地判明正向故障状态，这当然是一个缺点。
本发明改进了零序方向元件，克服了常规零序元件的这一缺点，同时在没有采用在5349490和5365390号专利中公开的负序方向元件的情况下，能够判明正确的方向。
因此，本发明是一种用在保护电力系统的继电器中的方向元件，其包含一装置，用于换得作为电力系统的功率不信号的零序电压和零序电流，该电力系统具有已知的本地的零序电源阻抗、零序线路阻抗和远方的零序电源阻抗；一个装置，用于计算代表电力系统零序阻抗的数值；一个装置，用于设立一个比本地的零序电源阻抗大一正值的第一阈值量以及一个比零序线路阻抗加上远方零序电源阻抗小一正值的第二阈值量，其中第一阀值量比第二阈值量小一正值；以及一个装置，用于将所述计算值与第一、第二阈值量比较，以便识别故障点相对继电器的方向，第一阈值量用于正向故障，第二阈值量用于反向故障。
图1是对于相对地故障的正序、负序和零序阻抗网络。
图2是分别表示对于正向和反向故障的阻抗ZSO和ZRO＋ZLO的零序阻抗平面图。
图3是表示在零序阻抗平面中相对正向和反向故障阈值的正向和反向故障区的示意图。
图4是表示本发明的零序电压极化方向元件工作的电路示意图。
图5是表示零序电流极化方向元件工作的电路示意图。
图6是表示负序电压极化方向元件的电路示意图。
图1表示电力传输线上的相对地故障，例如单相线路(A、B或C相)接地时的相序网络。保护继电器通常监测所有的相序网络电流和电压。在图1中远方故障电阻10示为3RF。正序网络包括本地的零序电源阻抗(ZS1)、正序线路阻抗(ZL1)以及远方正序电源阻抗(ZR1)，分别以12、14和16表示。保护继电器17相对网络阻抗的位置如图所示。对于远方接地故障的负序量和零序量也表示在图1中，继电器也监测这些量。
在本发明的方向元件中，仅利用零序量。常规的零序方向元件计算在该元件上形成的“转矩”(torgue)，它是由于故障且根据如下公式产生的T＝Re(S1·S2*)(1)其中*代表复数的共轭值。利用余弦相角比较器来实现转矩的测定。S1输入等于3V0，S2输入等于IRZLO，其中3V0＝VA＋VB＋VC，IR＝IA＋IB＋IC。ZLO是本地的电源阻抗。VA、VB、VC电压是电力系统的每相(A、B和C)在继电器装设点处的信号电压。而IA、IB、IC电流是在继电器装设点的三相电流。
由于如在继电器的正向侧故障零序电流领先零序电压，如果在继电器的反向侧故障，零序电流滞后零序电压，那么，当计算的转矩是负的时，方向元件判明是正向故障状态(假如超过最小转矩阈值)，并且如果该转矩是正的(假如超过最小转矩阈值)，相反则判明是反向故障。
然而，如上所述，这种常规的零序电压极化方向元件在某些情况下是不可靠的，即其中本地的零序电源阻抗ZSO与零序线路阻抗ZLO相比较小，例如，在长传输线路和强电力系统中发生远方故障就可能出现这种情况。在这种情况下，常规的零序方向元件将不能可靠地判明故障状态，因为3V0的数值是那样小，以致不能可靠测量其角度。
本发明虽然也利用零序电压，但它能够保证可靠地指示方向，即使是当零序电源阻抗实际上与零序线路阻抗相比时很小的时候。这是通过调节正向和反向阈值来实现的，当存在正向故障的计算的零序阻抗低于正向阈值，以及当存在反向故障时则在反向阈值之上。
对阈值的调节取决如下对于正向故障状态，S1数值可以增加一个数值KIR·ZLO，其中K为预定的数值，为了对于反向故障具有一个可靠的S1，K值应当小于(ZLO＋ZRO)/ZLO，其中ZLO是零序线路阻抗，ZRO是远方零序电源阻抗。
将转矩值T(由上述方程1)设定等于零，利用新的S1值按下式决定经补偿的方向元件的边界条件Re[(3V0-KZLO·IR)·(ZLO·IR)*]＝0(2)其中*是复数的共轭值。
现在，用ζ∠θLO代替ZLO并设K＝1，其中θLO是零序线路阻抗角，通过解下式可以解出ζ0Re[(3V0-ζ0∠θLOIR)·(ζ0∠θLOIR)*]＝0Re[3V0·(ζ0∠θLOIR)*]-Re[(ζ0∠θLOIR)(ζ0∠θLOIR)*]＝0
Re[(ζ0∠θLOIR)(ζ0∠θLOIR)*]＝Re[3V0·(ζ0∠θLOIR)*]由于ζ0∠θLO·(ζ0∠θLO)*＝ζ02和IR·IR*＝|IR|2，ζ0|IR|2＝ζ0·Re[3V0(1∠θLOIR)*]ζ0＝Re[3V0(1∠θLOIR)*/|IR|2(3)对于正向故障，ζ0＝-|ZSO|，下文称为ζ0F，而对于反向故障，ζ0＝|ZLO＋ZRO|，下文称为ζ0R。在图2的零序阻抗平面图中表示了这一点，其中正向故障值表示为-ZSO(线20)，而反向故障值ZLO＋ZRO表示在线22。ZSO、ZLO和ZROx的数值是已知的。图2的零序阻抗半面具有标为24的电抗轴X0和标为28的电阻轴R0。
将本发明中的计算值ζ0(上述方程3)与经调节的正向阈值ZOF和经调节的反向阈值ZOR相比较。如果ζ0小于ZOF，该元件判明为正向故障状态，而如ζ0大于ZOR，该元件判明为反向故障方向。因此，在本发明中，ZOF值限定了继电器的正向区边界，而ZOR值限定了反向区边界。为了保证正反向区的良好配合，要使两个区不相重合，在所示实施例中ZOR和ZOF的数值分开0.1欧的数值。
将经调节的正向阈值ZOF设定得大于ζ0F和小于反向阈值ZOR减去0.1欧。经调节的反向阈值ZOR设定得小于ζ0R而大于正向阈值ZOF加上0.1。在图3所示的阻抗平面图中，非常清楚地看到正向和反向故障区，其中区30是反向故障区，区32是正向故障区，中间区34是继电器的非动作区。
正如由图3和上述可以看到的，各阈值处在由-ZSO和ZLO和ZRO限定边界的阻抗区内，这样即使电源阻抗为零或接近于零，仍然有足够的余地和范围来选择两个阈值。
图4表示上述零序方向元件的实施方案。图4包括除了上述的基本计算和比较功能以外的几种保护功能。ζ0的计算是根据上面指出的公式(3)利用元件40来完成的。这个计算单元具有3V0和IR的输入量。元件40(S0)的输出利用比较器42和设定的正向阈值ZOF比较，利用比较器44和反向阈值ZOR比较。
计算元件40由AND门46的输出启动计算。当几个条件同时存在时AND门46的输出为高。第一种情况是当净余电流IR的幅值大于正序电流I1的幅值乘以所选择的指定(supervision)系数ao时发生。由比较器48实现这一测定。实现这一比较，以便对于在不对称的传输线路上的三相故障状态下为方向元件保证可靠性。在水平排列的杆塔的结构中ao的一个实例是ao＝0.082。
此外，净余电流IR必须大于50F元件设定值，该50F元件是特定的故障检测元件。在所示实施例中，该50F的阈值对于标称5安的继电器处在0.25-5安的设定范围内。由比较器50实现比较功能。与之相似，净余电流IR必须在50R的阈值之上，以便使方向元件能用于保护反向故障。对于标称5安的继电器该50R的设定范围也处在2.5-5安。由比较器51执行对于50R设定值的比较功能。比较器50和51的输出提供到OR门49，OR门49的输出提供到AND门46。
对AND门46的第3个输入(NOT)来自OR门S2的输出，这个特定的输入包含下文将更详细讨论的本发明的另一个方面，并且假如将零序电压极化元件用作保护继电器中仅有的方向元件，设有这个输入。当OR门52的输出为高时，AND门46的输出为低，计算元件40不会启动进行计算。
正向阈值比较器42的输出施加到AND门54的一个输入端。AND门54的输出提供一个标为32VF的正向故障指示。AND门54的另一个输入是来自OR门58的NOT端输入。当该50F的设定值已经达到时或来自OR门52的输出为低时或当没有指示反向故障时，这个输入才起作用(使得来自比较器42的高输出将产生32VF的正向故障指示)。因此，当顺序指示有反向故障时，OR门56提供一个“清除”或“终止”的功能，用于正向故障指示。
与之相似，对于反向故障比较器44的输出作为一个输入提供到AND门58。AND门58的另一个输入(NOT)来自OR门60。当50R反向阈值设定值已被超过时，或当OR门52的输出为低时，和当没有由AND门54后续指示正向故障时，OR门60的输出为低(使得当比较器44的输出为高时，AND门58的输出为高，指示有反向故障)，当OR门60的输出为低(使得NOT输入为高)以及比较器44输出为高时，AND门58的输出变高以及在线55上提供指示有反向故障的信号(32VR)。如产生后续的正向故障指示，OR门60的输出将变高，闭锁AND门58的“清除”反向故障指示32VR。
因此，图4中的零序电压极化方向元件，由于采用对于正向故障和反向故障的两个单个的改变的阈值，故即使对强本地电源(小的零序电源阻抗)时的远方故障，也能提供故障状态的可靠指示。
根据上面公开的具体的零序电压极化方向元件的一个相关方面，可以将这样一种方向元件与其它方向元件例如零序电流极化方向元件和负序电压极化方向元件相结合，以便提供一种对于不对称故障的自适应或通用方向元件。
图5表示一种能够用在这样一种装置中的零序电流极化方向元件。利用元件70进行计算，即将净余电流IR和外部极化电源电流(IPOL)相乘得到计算值的实部。将形成的这一计算值提供到两个比较器72和74。对于标称5安的继电器，比较器72将计算值与+0.0625伏比较。如果计算值大于该阈值，比较器72的输出提供到AND门75，其在或75上提供32IF的正向故障指示。然而，该正向故障指示可能被来自AND门78的顺序的反向故障指示所清除。
相反，在比较器74，来自计算器70的计算值与-0.625伏的反向阈值相比较。如这个阈值小于计算值(即更负)，比较器74的高输出提供到AND门78。AND门78由来自AND门75的正向故障指示所清除。
计算元件具有几个阈值运算要求。首先，IR的绝对值必须超过预定的设定值。这由比较器84来证实。此外，极化电流IPOL的绝对值必须超过0.25安，这由比较器85来设立。再有，当由比较器88来设立时，同时在平行的相线中必须基本上设有净余电流，应认定没有IMBL输入，这种输入是用于检测零序电源隔离情况的，它可能引起电流极化方向元件的误动作。
在图6中表示了负序方向元件，它适用在上面详细讨论的5349490和5365396号专利中所详细介绍的自适应性或通用方向元件中，这些专利结合本申请可做参改。简而言之，负序电压V2和电流I2作为输入提供到阻抗计算元件90，该元件产生的输出再在比较器92和94中分别与正向和反向阈值相比较。在图6中表示的阻抗计算公式为ζ2＝Re[V2·(I2·1∠θ)*]/|I2|，2比较器96、98和100提供专用的量化保护功能，以便启动计算元件90计算。负序电流必须超过某一最小阈值a2(I1)，其中a2是选择的一个常数，I1是正序电流。负序电流对于正向和反向故障检测还必须分别具有最小值。OR门97和AND门102实现起动保护装置的性能。AND门102也对缺少来自OR门103的信号产生响应。图6中的负序方向元件对于正向和反向输出也具有这样的特征，即通过OR门104、106和AND门108、110能够“清除”输出，这与图4和图5中的电路元件的特征相类似。
在该通用方向元件实施例中，零序电流极化方向元件(图5)排在最先，假如这个单个的元件决定了方向，则其它二个元件不再运行。这种安排的实施，例如通过将32IF和32IR的输入提供到图4中的OR门52和图6中的OR门103可实现，它们有效地闭锁在这些电路中的阻抗计算元件动作。
假如零序电流极化方向元件(图5)没有决定方向，则负序电压极化方向元件(图6)就按上述实施例中的顺序排在紧接的位置。假如负序方向元件决定了方向，则零序电压极化方向元件(图4)由经过OR门52控制的图4中所示的输入32QF和32QR而被闭锁。
假如图6中的负序方向元件没有确定方向，则图4中的零序电压极化方向元件才有机会确定方向。因此，本发明的包括通用方向元件的各单个方向元件的动作顺序是(1)零序电流极化方向元件，(2)负序方向元件，(3)零序电压极化方向元件。
这种顺序安排在很多情况下，例如用于动作一个特定方向元件所需的电压和电流数值在所选择的应用场合下可能得不到时，就具有优点。例如，在这样一种情况下，正序电源由电力系统中脱开，负序电源也会被脱开。如果在继电器中的方向元件是负序元件，则由于不能得到负序电源的各种量，该继电器就不能确定方向。
工业上可使用的继电器仅选择零序或负序量来确定方向；在起动元件选定之后，相同的方向元件必须适用于所有的功率状态。这就要根据具体的应用场合，进行统筹兼顾。
然而，在本发明中，对于所有电力系统状态实际上都能保证方向的确定，这是由于在至少一个单个的方向元件工作所需要的各相序的电量和应用条件按相序几乎总是可以得到的。因此，由于利用按特定顺序排列的3个单个的方向元件，本发明可适当称为不对称故障的自适应或通用的方向元件。然而，应当理解，可以采用与上述不同的顺序，或者在某些情况下，可以采用两个或多于三个的元件。
因此，本申请公开了一种新型的零序方向元件，其相对于常规的零序元件提供方向确定的更大可靠性，同时与负序方向元件比较，也具有某些优点。此外，将不同的各单个方向元件按一定顺序组合起来能具有自适应的或通用的方向元件的能力。
虽然出于说明的目的这里介绍了本发明的一个优选实施例，可以理解，在不脱离由如下权利要求限定的本发明的构思的情况下，可以结合这一实施例，进行各种变化、改进和代换。
权利要求
1.一种自适应、通用的方向元件，包含至少两个分开的按选择的动作顺序配置的单个方向元件，按所述选择顺序中的第一元件提供在所选择的动作参数范围内的正向和反向故障的方向指示；以及一种装置，用于如果第一元件提供方向指示则闭锁其它方向元件的动作，并且用于当第一元件未能提供方向指示时使第二元件能够动作。
2.如权利要求1所述的通用方向元件，包括按选择顺序动作的三个单个的方向元件，一个方向元件是零序电流极化元件，另一个元件是负序电压极化方向元件，再一个元件是零序电压极化方向元件。
3.如权利要求2所述的装置，其中3个单个的方向元件的动作顺序是零序电流极化元件、负序电压极化元件以及零序电压极化元件。
4.如权利要求2所述的装置，其中每个方向元件包括用于在产生反向故障指示时清除正序故障方向的指示或者相反的装置。
5.如权利要求1所述的装置，其中每个单个的方向元件包括用于仅当选择的电流值超过用于正向故障或反向故障的阈值时才使该元件能动作的装置。
全文摘要
一种方向元件由零序电流和经调节的零序电压的数值提供与电力系统的零序电源阻抗相对于方向元件装设点的一个相关量值,然后将该阻抗量值与第一和第二阈值量相比较,以便识别故障方向。此外,可将零序电压极化方向元件与包括零序电流极化方向元件和负序电流极化方向元件的其它单个方向元件相组合构成一个对于不对称故障的通用方向元件,其中各单个方向元件按一定的顺序动作。
文档编号H02H3/08GK1332506SQ00133888
公开日2002年1月23日 申请日期1996年10月11日 优先权日1995年10月20日
发明者杰弗里·B·罗伯茨, 阿芒果·古兹曼－卡西拉 申请人:斯维则工程实验室公司