专利名称：电力线路的保护的制作方法
技术领域：
本发明涉及电力线路的保护的改进。
背景技术：
申请人在本领域的在先专利申请已经公开，例如已公布的英国专利申请GB2 341 738A和GB2 341 737A，读者可以查阅这些专利申请作为本专利申请的必要的背景技术。
GB2 341 738A(“发明A”)涉及使用已知的远距离保护技术的电力线路保护，但根据发明A的改进是按两种不同的模式操作，即瞬时操作模式和延迟操作模式。用适当的算法，发明A使电力线路保持设备(所谓的‘继电器’)能够根据系统和故障的状态，确定是用瞬时操作或在一个延迟之后操作相关的断路器。
另一方面，GB2 341 737A(“发明B”)涉及使用已知的定向过电流技术的电力线路保护，但是，按照发明B的改进是按加速模式操作。用适当的算法，发明B使继电器能够根据系统和故障的状态确定使用加速操作，因此在已知的定向过电流继电器不能达到令人满意的表现的地方明显地缩短了操作时间。为了达到成功识别包含故障的电力线路段，算法中要考虑每一相中的负载电流电平。
本发明还对这两件在前的发明进行了改进，它克服了具有在区域内分接负载的电力线路和电缆所存在的问题。
发明内容
根据本发明的一方面，提供一种保护三相电力线路中的一段的方法，包括响应电力线路至少一相中的故障使用电力线路中的叠加电流分量来检测远端断路器的操作。
根据本发明的另一方面，提供一种保护第一段三相电力线路的方法，所述的第一段具有本地端和远程端，并与至少一个第二段在远程端相连接，在所述本地端和远程端分别提供本地故障保护设备和第一远端故障保护设备，以在其间建立保护区，并且至少提供第二远端故障保护设备以保护所述的第二段，每个故障保护设备包括断路器；用来输出指示所述断路器附近线路中的电压和/或电流的线路状态信号的测量装置，和用于处理线路状态信号以有选择地产生故障信号的信号处理装置，该故障信号用于响应线路中的故障断开断路器，通过至少是本地故障保护设备的信号处理装置执行该方法，其特征是包括以下步骤(A)监视线路状态信号，以检测故障是在保护区内或是在保护区外；和(B)断开本地故障保护设备的断路器，(i)如果在保护区内检测到故障，则立即断开；或者(ii)如果在保护区外检测到故障，则在第一延迟或较短的第二延迟之后断开，通过监视线路状态信号确定第一和第二延迟，并根据线路状态信号是符合第一或是第二预定标准分别选择第一或第二延迟。
第一标准检测第一段是否平衡地工作，可包括电流或电压比值返回到紧接在故障发生之前所存在的值，比值最好在相对于正序量变化的零序量和负序量中变化。
第二标准检测远端断路器的操作，可包括电流在阈值上下偏移的变化值。电流变化值最好是确定无故障(即‘正常’)相的叠加的电流分量，并且最好是由公式Is＝I-Id导出的，式中Is是无故障相的叠加的电流分量，I是一个电源周期中在瞬间测到的无故障相电流，Id是在电源的在前一个周期期间的对应瞬间测到的无故障相电流。
根据本发明的方法最好包括定义时间窗口的附加步骤，在该时间窗口中能预期远端保护设备的断路器的操作，而且忽略在时间窗口外边的无故障相电流量的大小变化。这样便于正确检测远端断路器的操作。
本发明还包括适合于执行上述方法的故障保护设备。
通过对下文和附图的仔细阅读将能更好地理解本发明的其它方面。
现在仅参见附图用举例的方式说明根据本发明的实施例，附图中图1是具有区域内分接负载的多段并联连接的电力线路系统的等效电路图，用于相对于电力线路保护的瞬时和延迟模式说明本发明；
图2是是具有区域内分接负载的多段串联连接的电力线路系统的等效电路图，用于相对于电力线路保护的加速模式说明本发明；图3(a)是说明叠加的电流信号的导出方法的示意图；图3(b)(1)和图3(b)(2)是说明由于断路器的操作在电力线路段中单相电流波形的变化曲线图；和图4到图9都是显示各种相到接地和相间故障对所选择的电流和电压量的均方根值的影响的曲线图。
具体实施例方式
本发明对具有图1和图2所示结构的具有区域内分接负载的电力线路系统有利。图1特别涉及具有根据本发明的瞬时操作模式和延迟操作模式的电力线路故障保护设备，图2特别涉及具有根据本发明的加速操作模式的电力线路故障保护设备。
瞬时和延迟操作模式图1中，多段并联连接的电力线路系统具有保护线段LINE1，在它的相对端‘S’和‘R’都具有母线。‘S’端的母线连接到电源，电力线路故障保护设备R11和R12安装在线段LINE1的每一端。为了简便，这种故障保护设备将被称作‘继电器’。继电器R11和R12以来自电流互感器CT的线电流形式和来自电压互感器VT的线电压形式接收线路状态信号。B11和B12是用符号×表示的三相断路器。所述三相断路器用于保护线段LINE1，并且被认为是通过它们有效地连接继电器R11和R12上而构成它们各自继电器R11和R12的一部分，其用于接收跳闸信号。同样地，继电器R21用它自身的电流和电压互感器和它自身的三相断路器B21保护线段LINE2。线段LINE2与线段LINE3和LINE4并联连接到在R端的母线。
值得注意的是，两个负载LOAD1和LOAD2从线段LINE1分接，每个这样的负载都具有它自身的保险丝或断路器BL1，BL2。这两个负载都设置在保护区内，因此叫做“区域内分接负载”。
继电器R11、R12、R21设置成远距离保护继电器。正如从LINE1的S端测试的，继电器R11具有第一和第二远距离保护区ZONE1和ZONE2，在其中可以检测到电力线路中的故障。ZONE1能覆盖线段LINE1的80％，而ZONE2不仅覆盖保护区ZONE1和保护区ZONE1以外的LINE1的一部分，而且覆盖最短的相邻线段的50％。注意，继电器R11的区域ZONE1与继电器R12的相同的第一区域(未示出)重叠，继电器R12的第一区域从线段LINE1的R端向S端延伸。因此，用继电器R11和继电器R12的第一区域保护线段LINE1的总长度，并且称该总长度为保护区。
考虑到故障F2或F3发生在靠近虽在继电器R11的区域ZONE1外边，但在区域ZONE2里边的线路的一端。继电器R12、R21靠近故障点，将迅速检测到故障，并因为线段LINE1上的故障F2使断路器B12瞬间跳闸(即，断开)，或因为线段LINE2上的故障F3使断路器B21瞬间跳闸(即，断开)。当然，如果故障发生在一个分接负载上，具有快速操作时间设置的断路器BL1，BL2将跳闸。但是，根据相对于保护继电器的时间设置的负载的相对位置，断路器B12或B21的操作时间可以延迟时间Δt，以允许在保护区内的分接负载上的故障。
与在前的发明A(GB2 341 738A)一样，本发明的瞬时操作模式依赖于电压信号测试，本发明的延迟操作模式依赖于电流信号测试。关于图1中所考虑的保护区，在电力线路‘S’端的继电器R11首先要估计故障对电力线路系统所造成的影响的严重性，和确定对于该故障状态要用的操作模式，即，确定是使相关的断路器B11瞬时跳闸，或者是延迟跳闸。
瞬时操作模式在瞬时操作模式中，在保护继电器R11的距离区ZONE2中检测到任何故障F1、F2、F3时，保护继电器R11将使它的相关的断路器B11瞬间跳闸。相关的断路器B11断开后，继电器R11通过识别远端或分接负载断路器的操作将开始检测故障是否在LINE1的保护区内。
如果在在‘R’端的保护线路上的断路器B12断开，并且该故障状态在该操作后仍然持续，则可以假定故障是在保护区内。这实际上是意味着远端继电器R12在保护区内检测到故障，并发出跳闸信号以隔离有故障的线段LINE1。在这种状态下，禁止继电器R11立即重新闭合的操作，使线段LINE1保持隔离。
或者，断开在保护区外的其它远端断路器(例如B21)，或负载断路器(例如，BL1)将使故障与线段LINEI隔离，电压将回到平衡的运行状态，这种状态下，继电器R11将发出重新闭合命令，并闭合与其相关的断路器B11。与在前的发明A比较，区域内分接负载的存在不影响对系统的不平衡状态的检测。因此，在前的发明A的原理不必改进就能用在本发明中。
如上所述，可以在继电器R11的本操作模式中引入时间延迟Δt，给负载断路器例如BL1提供时间，以对于分接负载段上的故障进行操作。
延迟操作模式在这种模式中，在‘S’端的继电器R11将等待，并检测在线段LINE1的远端的断路器B12是否跳闸。如果在保护段上的远端断路器B12操作，则继电器R11将向它的断路器B11发出跳闸命令，以隔离保护线段LINE1，但是在保护段上仍然存在故障，例如，F1或F2。然而，如果在保护区外的远端断路器(例如，在B21)或负载断路器(例如，在BL1)操作，则继电器R11将不向它的断路器B11发出跳闸命令，以隔离故障和保护线段LINE1。
如果在前的发明A用于没有区域内分接负载的系统中，保护继电器的保护区内的远端断路器的全部相都断开，将使线路从一端断开，这将造成在正常相上流动的电流减小到零。但是，在保护区内存在分接负载将维持连续电流在从‘S’端的电源到区域内的分接负载的正常相上的流动。为了解决该问题，本发明改进了在前的发明A的方法，改进的方法是检测正常相电流的大小和正常相叠加电流量的变化。
为了进一步说明，通过切断远端区域内断路器B12来断开在一端的线段LINE1，将会完全改变电路结构，造成正常相电流电平和角度的显著变化。同时还造成故障后序电流之间的信号关系的变化，该变化将在从故障开始起的短时间内发生。本发明正是依赖这些变化来检测远端断路器的操作。
从出现故障开始到远端断路器断开的时间延迟是远端继电器和远端断路器的响应时间之和，如果考虑上述时间Δt，则加上时间Δt(这里，Δt是负载保护继电器或保险丝检测故障和断开与它相关的断路器所用的时间，该时间比远端继电器检测故障所用的时间周期长)。由于该延迟在一定程度上取决于继电器和断路器对于不同故障状态的响应时间，所以，能预定时间窗口，在该时间窗口中能预期远端断路器的操作。可以忽略该预定的时间窗口外边的正常相电流电平的任何变化，这将能保证远端断路器操作的准确检测。
加速操作模式现在参见图2和使用定向过电流继电器的时间分级故障保护原理来描述加速操作模式。图2中，多段串联连接的电力线路系统在其两个末端都有电源的环形分布电路形式，在四个保护线段LINE1到LINE4中的每个线段的每一端都安装有继电器。这些继电器设置成定向过电流继电器。因此，定向过电流继电器R1F和R1R安装在保护线段LINE1的每一端，并从电流互感器CT以线电流的形式接收线路状态信号。用三相断路器B1F和B1R保护线段LINE1，如图1一样，其被认为是通过它们有效地连接到继电器R1F和R1R上，而形成它们各自继电器R1F和R1R的一部分，以用于接收跳闸信号。同样地，其它的电力线段LINE2等设置有各自的继电器R2F和R2R等，而每个继电器有它自身的电流互感器和它自身的三相断路器B2F和B2R等。
值得注意的是，除了连接到连续的线段LINE1到LINE4之间的每个接点处的母线上的负载之外，图2中的每个线段都具有区域内分接负载，每个这样的负载本身设置有保险丝或断路器B1L，B2L等。
如图2所示，继电器设置成在不同的时间延迟Δt之后操作，以允许适当的断路器断开，在与更靠近电源的相邻线段相关的继电器启动它的断路器断开操作之前，就在故障所在的线段上将故障清除。因此，Δt随着保护段的级别而增大。这就考虑了网络上不同位置中出现故障时流过的电流电平之间的少量差别的情况。继电器也可监视电流的流动方向，因此，响应在电力线路的不同的保护段中产生的故障而能够选择继电器操作。
图2所示的继电器分成两组。第一组由定向电流继电器R1R、R2R、R3F和R4F组成，它是在在前的发明B(GB2 341 737A)的优选权日之前的已知技术。这些定向电流继电器R1R、R2R、R3F和R4F位于时间分级模式的更快速操作时间位置，并设置成分别在固定的时间延迟Δt为0.1、0.5、0.5和0.1秒处操作。第二组继电器R1F、R2F、R3R和R4R由在前的发明B的继电器组成，但是，考虑到存在区域内的分接负载，根据本发明对操作进行进一步的改进，。该第二组继电器位于时间分级模式的较慢速操作时间位置，并设置成分别在额定的时间延迟Δt为1.3、0.9、0.9和1.3秒处操作。但是，根据发明B和本发明，可以根据电力线路系统和故障状态按加速模式操作。
因此，根据本发明操作的继电器与已知的定向过电流继电器一起使用，该已知的定向过电流继电器负责检测故障的产生，而根据本发明操作的继电器负责识别故障段并且促进断路器的加速模式。为了能成功地识别故障段，根据本发明的继电器必须能检测每相负载电流量。
就按加速模式操作而言，时间延迟将加到时间分级故障保护模式中的每个继电器的操作时间上，以满足当在分接负载段上出现故障时例如B1L的负载断路器的操作。该时间延迟的长短取决于连接到负载的线段、和受保护的负载线段的级别等。基本的原理是允许在出现故障的负载段的负载断路器首先操作。当对例如线段LINE1的任一线段进行检验时，可以获得类似于上述的延迟操作模式的响应。为了解决这个问题，本发明也要依靠检测正常相的电流的大小和角度，和与它们相关的序电流。此外，在前的发明B(GB2 341 737A)中提供的定时控制技术被与用于检测和识别出现了故障的线段的技术相结合，这将在以下给出的例子中进行说明。
算法推导本发明使用了用以下的两个算法推导出的比值信号与序电流量。在由GEC ALSTHOM Protection & Control Limited 1987年6月出版的第三版“保护性继电器应用指南(Protective Relays ApplicationGuide)”和专利说明书GB2 341 738 A中详细说明了顺序量和比值信号的推导。
首先，如公式(1)给出的比值信号用作第一标准，用于检测系统是否是平衡运行，比值是相对于正序量的变化在零序量和负序量中的变化。
Ratio=S2+S0S1-----(1)]]>式中S0、S1和S2是顺序量。这些顺序量既可以是序电流也可以是序电压。注意，用顺序分量的数学概念分析三相电源中的故障电流和故障电压，其本身在工业上是众所周知的，见上述的“保护性继电器应用指南(Protective Relays Application Guide)”。
其次，本发明用叠加的电流分量信号作为第二标准，用于检测正常相的大小和角度的变化，以确定远端断路器的操作。如图3(a)所示，通过将取样的电流值I在存储器中保持一个周期，然后减去来自最近的采样中的延迟的采样来推导出叠加的电流。该方案假设取样频率是电力系统频率f0的整数倍，所以每个电源周期将取整数个采样。如果是这样，则可以通过延迟在固定数量的存储器位置中的采样实现一个周期的延迟。叠加的电流信号定义如下Is＝I-Id(2)式中I是正常相电流，Id是延迟一个周期的正常相电流，Is是正常相的叠加的电流信号。这些值是从断路器操作前后的角度差导出的。理论上的叠加值在一些文献中有记载，读者可以参见例如由theElectricity Council of Great Britain出版的“电力系统保护(PowerSystem Protection)”，Vol.4，“数字保护和信号装置(DigitalProtection and Signalling)”ISBN 0852968388。
断路器操作效果图3(b)显示出单相电力线路上断路器的操作效果。图3(b)(1)中，连续线显示在断路器不操作的周期中用传感器检测的线段中的电流信号波形。虚线显示在时间Ts断路器操作之后的电流信号的波形，该波形的大小和角度相对于“不操作状态”的波形有了变化。点线显示正如图3(a)中推导出的叠加的电流信号的波形，它具有基本上是零的值，直到断路器操作为止，在电力系统的一个周期后再回到零。图3(b)(2)中，画出了按均方根(RMS)值画的“断路器不操作”、“断路器操作后”和“叠加的”电流信号的波形曲线。可以看到，叠加的电流信号的RMS值在时间T期间上升到基本电平零以上，时间T等于电力系统频率f0的倒数。
以下参见图4到9提供的各个例子中，根据本发明的延迟操作的故障检测性能是根据其对于不同的故障状态的响应考察的。图4到9的曲线中，标有“比值”的曲线表示比值信号(对本例子来说是电流或是电压)，该比值信号是从上述的公式(1)推导出的，曲线Ibs和Ics分别是‘b’和‘c’相的叠加的电流信号，正如从公式(2)推导出的。而且，Ia、Ib和Ic表示三相电流；I1、I0和I2分别表示正序、零序和负序电流；Va、Vb和Vc分别表示三相电压；以及V1、V0和V2分别表示正序、零序和负序电压。所有的这些参数都是用它们的均方根(RMS)值表示。
延迟操作模式的例子图4a到图4e和图5a到图5e是显示采用断路器的三相操作的按延迟操作模式的本发明的性能的示意图。图4a到图4e显示单相(‘a’相)到接地故障的各种信号，图5a到图5e是显示相到相(‘a’与‘b’相)之间故障的各种信号。
情况1单相接地故障·区域外故障图4a中，单相‘a’到地故障F3是在图1的保护区外，在线段LINE2上的母线‘R’附近，如图1所示，T1是故障开始时间，T2是三相断路器B21断开时的时间。图4a(1)显示出三相电流信号的电平，图4a(2)显示序电流信号，图4a(3)显示电流比值信号和正常相叠加的电流信号。
在故障开始前的正常平衡的操作中，三相电流信号Ia、Ib和Ic的大小相同，零序和负序电流I0、I2保持在零。在时间T1故障开始后，故障相电流Ia明显增大，因此零序电流I0和负序电流I2和比值信号都明显增大。在‘R’端的线段LINE2上的继电器R21检测故障，并发出断开相关断路器B21的跳闸命令。在时间T2断路器B21断开后，故障与保护线段LINE1隔离，系统恢复平衡操作。随后，故障相电流Ia回到故障前电平，负序电流和零序电流和与它们相关的比值信号下降回到零，如图4a(2)和(3)所示。这就阻止了在‘S’端的继电器R11对该区域外故障状态作出跳闸决定。该情况下，尽管由于远端断路器操作使叠加电流Ibs和Ics增大到高电平，如图4a(3)所示，但是比值信号回到零，表明系统又回到平衡操作。因此，故障是在保护区外边。
同样，在区域内分接负载线段上发生故障，如LOAD1，保护负载段的断路器BL1的操作将使故障与保护线段隔离，继电器R11将不操作。
这里要说明的是，对于上述的区域外状态，故障前的电流不影响继电器性能。然后，对于区域内故障状态，如以下要说明的，由于继电器依赖于故障后电流电平的检测，以检测远端的区域内断路器的操作，所以，故障前的电流对继电器的操作有明显的影响。
·区域内故障，故障前电流从‘S’流到‘R’图4b显示在断路器操作前后，继电器对在图1中的线段LINE1上的保护区内、母线‘R’附近的相到接地(‘a’到‘e’)的故障F2的典型信号的相应的响应。本例中，故障前电流流动的方向是从‘S’端到‘R’端。T1是故障开始时间，T2是三相断路器B12断开时的时间，T3是三相断路器B11断开时的时间。
图4b(1)和图4b(2)分别显示相电流信号和序电流信号。图4b(3)显示在时间T1故障开始后的比值信号和叠加的电流信号。在时间T2远端断路器B12断开后，线段LINE1的‘b’相和‘c’相变成在‘R’端开路。随后，由于负载状态变化(由于B12断开使在远端‘R’的电源和负载与LINE1断开)，所以，Ib和Ic下降到低电平。但是，由于故障是在保护区里边，所以在‘a’相上的故障还没有被远端断路器的操作清除。故障相电流信号Ia、负序电流信号I2、零序电流信号I0、和与它们相关的比值信号都保持在高电平。该变化还产生正常相‘b’和‘c’的叠加电流信号Ibs和Ics，如图4b(3)所示。在‘S’端的继电器R11通过设置图4b(1)和图4b(3)中显示的阈值来检测无故障相电流和叠加的电流信号的大小的变化。这时，比值信号保持在高电平，这表示系统仍然处于不平衡的操作状态。因此，继电器R11能检测保持区内的远端断路器B12对于该区域内故障状态的操作。然后，继电器发出跳闸命令，断路器B12断开，在时间T3隔离有故障的线段LINE1。
在本发明中，在故障开始后，继电器R11在短时间窗口ΔT内检测远端断路器B12的操作，如图4b所示，该短时间窗口ΔT是在不考虑Δt或预定的Δt的情况下远端继电器B12的响应时间，或是断路器的响应时间。继电器不会考虑预定时间窗口外的各种原因引起的任何干扰，以保证在各种系统和故障状态下能进行正确的操作。
如图4b所示，从在时间T1故障开始到在时间T3断路器B11断开的时间延迟主要由两个时间周期t12和t23组成。
时间周期t12可以是从故障开始到断路器B12操作的时间，这是继电器R12检测故障存在所需的时间(这通常是一个电源频率周期)，或者是预定的Δt，该预定的Δt认为是断路器B12断开所需的时间(根据所用的断路器，该时间通常是在一到三个电源频率之间的时间)。
t23由继电器R11识别断路器B12断开所需的时间加上断路器B11的响应时间组成。如果断路器操作无延迟，从故障开始到在‘S’端的断路器B11断开所需的时间与时间周期t12相同。因此，延迟操作模式的总时间延迟是t23，根据所用的断路器t23大约是2到4个电源周期。
·区域内故障，故障前电流从‘R’流到‘S’图4c中，接地故障是在图1中的保护区内，具有从‘R’端流到‘S’端的故障前电流，其中T1是故障开始的时间，T2是三相断路器B12断开时的时间，T3是三相断路器B11断开时的时间。
图4c显示与上述例子一样在区域内故障状态的设备的响应。本例与上述例子的差别是，在本例中故障前的电流的方向是从‘R’端流到‘S’端。如图4c(1)所示，远端区域内断路器B12断开后，无故障的相电流Ib和Ic再下降到低电平。这是由于电源从远端‘R’除去的缘故。因此，与前面的情况相比，序电流中的信号电平与它的角度的变化稍有不同。但是，无故障相电流和和叠加电流信号的大小变化大于预定的阈值，如图所示，它使继电器R11能够检测内部故障状态，然后发出跳闸命令，在时间T3断开断路器B11以隔离故障线段LINE1。
·区域内故障，故障前电流从‘S’端和‘R’端流到区域内分接负载图4d显示当接地故障是在图1中的保护区内时的继电器的响应，故障前的电流从‘S’端和‘R’端流到区域内的分接负载，其中T1是故障开始的时间，T2是三相断路器B12断开时的时间，T3是三相断路器B11断开时的时间。
如图4d(1)所示，与上述的例子相反，远端区域内断路器B12断开后无故障的相电流Ib和Ic增大。在故障前周期中，电流从‘S’端和‘R’端流到区域内的分接负载。在‘R’端的远端断路器B12断开后，电源随着从‘R’端除去，电流将只从‘S’端流到区域内的分接负载。因此，从‘S’端看的电流将增大，以补偿来自‘R’端的电流损失，并且序电流的电平和它的角度变化有轻微差别。这种情况下，由于电源流动状态造成叠加电流信号的大小可能不是图4d(3)所示的那么高。但是，无故障相电流的大小的变化明显而且高出图4d(1)所示的阈值很多；继电器R11检测该变化和提供准确的响应。
·区域内故障远端断路器断开后在‘S’端的电流大小不变图4e显示当接地故障在图1中的保护区内时保护继电器的响应，其中T1是故障开始的时间，T2是三相断路器B12断开时的时间，T3是三相断路器B11断开时的时间。
这是图4b和图4c中给出的多个例子的特殊情况。在远端断路器断开之前，电流从‘S’流到‘R’，或者从‘R’流到‘S’。在远端断路器断开之后，电流只从‘S’流到负载。与上述的任何情况不同，远端区域内断路器B12断开之后无故障相电流Ib和Ic的电平几乎没有变化。如图4e(1)所示，如果该检测是以为无故障相电流设置的阈值为基础，就不可能检测到远端断路器的操作。但是，叠加电流信号的大小明显地高，如图4e(2)和图4e(3)所示。其原因是，远端断路器断开后电流状态有显著变化。因此，电流信号的角度变化了。叠加信号高出阈值很多，如图4e(3)所示，它使继电器R11能够检测远端区域内断路器B12的断开，并在时间T3断开它的相关的断路器B11，以隔离有故障的线段LINE1。
情况2相间故障·区域外故障图5a显示图1中的保护区外边靠近线段LINE2上的母线‘R’的相间(相‘a’到相‘b’)故障的响应，其中T1是故障开始的时间，T2是三相断路器B21断开时的时间。
如图5a(1)所示，在时间T1故障开始后系统进入不平衡操作状态。如图5a(1)所示，有故障的相电流Ia和Ib明显增大，Ia和Ib的曲线基本一致。正如所预计的，由于故障与接地无关，图5a(2)中的零序电流I0保持在零。在时间T2断路器B21断开，清除在线段LINE2上的故障，该故障与线段LINE1隔离，与故障相关的负序电流I2下降到零。尽管由于断路器B21的操作使叠加电流Ics增大到高电平，但是比值回到零，如图5a(3)所示，并且系统回到平衡操作状态，它阻止在‘S’端的继电器R11作出跳闸决定。
·区域内故障，故障前电流从‘S’端流到‘R’端图5b中，相间故障是在图1的保护区里边，具有从‘S’端流到‘R’端的故障前电流，T1是故障开始的时间，T2是三相断路器B12断开时的时间，T3是三相断路器B11断开时的时间。
如图5b(1)所示，在时间T2断路器B12的操作没有清除线段LINE1上的故障，由于断路器B12的断开，无故障的相电流Ic降低到预定的阈值以下。同时，比值信号保持高电平，叠加电流也高出阈值很多，这清楚地在图5b(3)示出。因此，继电器R11检测到该区域内故障状态，并发出跳闸命令，在时间T3断开断路器B11，以隔离有故障的线段LINE1。
·区域内故障，故障前电流从‘R’端流到‘S’端图5c中，相间故障是在图1中的保护区内，具有从‘R’端流到‘S’端的故障前电流，T1是故障开始的时间，T2是三相断路器B12断开时的时间，T3是三相断路器B11断开时的时间。
本例中，如图5c(1)和图5c(3)所示，在时间T2远端断路器B12断开后无故障相电流Ic大小的变化和叠加电流的出现都在阈值以上。因此继电器R11检测远端断路器B12的断开，并通过在时间T3断开与之相关的本地断路器B11来响应。
·区域内故障，故障前电流从‘S’和‘R’端流到区域内分接负载图5d显示相间故障是在图1中的保护区内，具有从‘S’端和‘R’端流到区域内分接负载的故障前电流，其中T1是故障开始的时间，T2是三相断路器B12断开时的时间，T3是三相断路器B11断开时的时间。
如图5d(1)所示，远端断路器R12断开后无故障相电流Ic增大。本例中，指示远端CB操作的叠加电流信号Ics可能没有如图5d(3)所示的那么高。但是，图5d(1)所示的Ic的大小的变化高出阈值很多。因此，R11能正确检测远端区域内断路器的断开并提供该故障状态的正确响应。
·区域内故障远端断路器断开后在‘S’端的电流大小不变图5e显示相间故障在图1中的保护区内，具有从‘R’端流到‘S’端的故障前电流，其中T1是故障开始的时间，T2是三相断路器B12断开时的时间，T3是三相断路器B11断开时的时间。
还是如图5e(1)所示，尽管在远端区域内断路器B12断开后无故障的相电流Ic的大小几乎没有变化(与图4e中显示的状态相同)，图5e(3)中清楚地显示出由于信号角度的变化而使叠加的电流信号Ics增大。因此，继电器R11能检测远端断路器的断开，并能通过断开与之相关的断路器B11和隔离有故障的线段LINE1来正确响应。
以上只是延迟操作模式的典型例子，它们描述了在实践中遇到的主要情况。系统结构、故障前电流和故障状态当然可能与所述例子相比有各种变化，但是，无论是无故障相电流大小的变化，还是序电流的角度关系都将在全部不同的故障类型中存在。因此，根据本发明的继电器能够在检测这些变化的基础上正确地作出响应。
瞬时操作模式的例子某些系统配置和故障状态不允许使用延迟操作模式。这种情况下，设备既可以只有当需要的时候采用瞬时操作模式，也可以通过适应系统和故障状态在线决定使用何种模式。在瞬时操作模式中，在‘S’端的断路器B11的瞬时断开将在该端断开电路，并在该端将检测不到电流。因此，在该操作模式下，本发明借助电压信号的测量来检测和识别远端断路器的操作。这由通过在断路器的线路侧安装电压传感器帮助实现，这是工业中的正常作业。
图6到图7是显示按瞬时操作模式使用电压测量的本发明继电器的特性的例子。
情况3具有三相断路器操作的相间故障状态图6a和6b是显示采用断路器三相操作和瞬时操作模式的本发明继电器对分别在图1的保护区内和保护区外的相间(相‘a’-‘b’)故障的响应。T1是故障开始的时间，T2是三相断路器B11和B12断开时的时间，T3是三相断路器B11闭合时的时间。
图6a(1)、6a(2)、6b(1)和6b(2)显示在‘S’和‘R’端断路器操作的故障前后的相电压和序电压。以在区域内故障为例，如图6a(2)所示，在时间T1故障开始后的正序电压有明显下降。在时间T2保护线段LINE1的两端的断路器B11和B12断开后，序电压信号下降到接近零的电平。如图6a(3)所示，故障开始后电压比值信号增大到阈值以上的电平，并且在断路器断开后进一步增大到极高的电平。因此，对于该区域内故障状态，‘S’端的继电器R11被阻止重新闭合。
如图6b显示的区域外故障的例子，远端断路器B21断开，使故障与线段LINE1隔离，系统返回到平衡操作状态。在该期间，正序电压在故障发生后下降，并在断路器断开后回到接近它的故障前电平。负序电压V2在故障发生后增大，并在断路器断开后降回。因此，电压比值信号下降到阈值电平以下，使继电器R11能够检测远端断路器操作，并在时间T3重新闭合在‘S’端的它的断路器B11。
情况4用单相断路器操作的单相接地故障图7a和7b显示出本发明继电器对分别在图1的保护区内和保护区外的单相(‘a’相)接地故障的响应。在两个例子中都使用断路器的单相操作。T1是故障开始时间，T2是有故障的相电流断路器B11和B12断开时的时间，T3是有故障的相电流断路器B11闭合时的时间。
如图7a(2)和7b(2)所示，在时间T2，在区域内故障情况下有故障的相电流断路器B11和B12闭合，在区域外故障情况下断路器B11和B12断开。
关于图7a(2)的区域内故障，由于在线段LINE1上仍然存在故障，因此造成明显高的负序电压和零序电压，以及具有持续的高电平的比值信号，如图7a(3)所示。因此，继电器R11被阻止作出重新闭合的决定。
相反，如图7b(2)所示，清除区域外故障后系统再回到平衡状态。因此，继电器R11检测该情况，并发出重新闭合命令，在时间T3闭合断路器B11，系统重新开始正常操作。
G.加速操作模式例子根据图2中给出的系统结构，用以下图8和9所示的例子说明按加速操作模式的本发明继电器的特性。下文中，继电器所用的参考符号用下划线表示，R1F，这表示该继电器是根据本发明构成的。
情况5对单相故障的响应图8a和8b分别显示图2中的保护继电器R1F和R1R对于线段LINE1上的单相(相‘a’)接地故障的响应。对于该故障位置，继电器R1F、R1R、R2R、R3R和R4R将检测该故障作为相对于安装这些继电器的位置的正方向的故障。在时间T1故障开始后，如图8a(1)和图8b(1)所示，有故障的相电流Ia明显增大。因此，负序电流I2和零序电流I0也明显增大，如图8a(2)和图8b(2)所示。
继电器R1R设置有最快的操作时间，在0.1+Δt秒作出跳闸决定，然后在时间T2断路器B1R断开。断路器B1R断开后，线段LINE2、LINE3和LINE4与故障隔离。因此，这些继电器测量的电流回到平衡操作状态，负序电流和零序电流和与它们相关的比值信号下降回到零，所以继电器R2R、R3R和R4R将不操作触发它们的断路器。注意，由于断路器B1R断开后电路状态的变化，所以电流信号的电平可能回到与它们的故障前的电平值稍有不同的电平。
断路器B1R断开后，线段LINE1在一端变成开电路，在继电器R1F位置的无故障相‘b’和‘c’的电流下降到低于预定阈值，如图8b(1)所示，而且没有从线段LINE1清除相‘a’接地的故障，使比值信号的电平停留在高电平。同时，存在显著的正常相叠加电流Ibs、Ics，如图8b(3)所示。因此继电器R1F检测断路器B1R的断开，并且作出跳闸决定，在时间T3断开相关的断路器B1F。按该方式能明显减少继电器R1F的操作时间。
如图8b所示，从在时间T1故障开始到在时间T3断路器B1F断开的时间延迟主要由两个时间周期t12和t23组成。第一周期t12由从故障开始到断路器B1R断开的时间周期组成。由于断路器的断开只需几个电源频率周期，所以该时间周期主要取决于继电器设置的固定时间。在该故障状态下，设置0.1+Δt秒延迟用于继电器R1R的操作。第二时间周期t23由设备R1F识别断路器B1R操作(它可以在半个到一个电源频率周期内完成)所用的时间，加上断路器B1F的响应时间组成，根据所用的断路器，断路器的响应时间大致是2到4个电源周期。因此，从故障开始在0.2+Δt到0.3+Δt秒的时间内能实现全部操作，而按先前已知的模式操作的在R1F的位置的继电器直到1.3+Δt秒才能跳闸。
情况6对相间故障的响应图9a和9b分别显示图2中的保护继电器R2F和R2R对于在线段LINE2上的相‘a’到相‘b’间的故障的响应。在该故障位置内，继电器R1F、R2F、R2R、R3R和R4R检测正向故障。如图示的，在时间T1故障发生后，故障相电流信号Ia、Ib和负序电流信号I2明显增大，见图9a(1)、9a(2)和9b(1)、9b(2)。由于故障与接地无关，所以不存在零序电流。
具有最快时间设置0.5+Δt秒的继电器R2R首先操作，并在时间T2断开断路器B2R。然后，故障与线段LINE3和LINE4隔离，继电器R3R和R4R不操作它们的断路器。
如图2所示，对于线段LINE1上的故障，在故障发生后0.5+Δt秒内继电器R1R操作断开断路器B1R，实际上是在0.1+Δt秒内断开断路器B1R。但是，对于线段LINE2上的故障，在故障发生后0.5+Δt秒时间周期内断路器B1R不操作，而0.5+Δt秒时间延迟后继电器R2R将操作。只有当在0.5+Δt秒时间周期内继电器R1F检测断路器B1R的断开，则继电器R1F才设置成加速操作，在0.5+Δt秒时间延迟后将制止加速操作。如果无故障相电流Ic没有变化，则继电器R1F在故障开始后0.5+Δt秒时间周期内检测断路器B1R没有断开，并且阻止继电器R1F加速操作。
但是，继电器R2F通过故障发生后它的预定阈值0.5+Δt秒，检测无故障相电流Ic和叠加的电流Ics，断路器B2R已经由继电器R2R跳闸。然后，继电器R2F作出跳闸决定并在时间T2断开与它相关的断路器B2F。按该方式，有故障的线段LINE2在两端都跳闸。同时，线段LINE1与故障隔离并限制R1F的操作。
注意，本发明的继电器对电流方向的变化的响应，如上所述，也可以用于它的多段线路的加速模式。
评论如上述所有例子的图所示的相电流、序电流和相电压、序电压的电平都是为了说明的目的的标称值。相信本发明继电器可以在系统电压、电源参数和故障前后的负载流量状态的所有值下工作。
以上的公式(1)和(2)只是数字算法的例子，用来计算作为第一和第二标准导出的比值信号和叠加电流信号，以确定系统的操作状态。本发明也可以基于以不同形式表示的算法和标准。
与在前的发明A和B一样，无论继电器是按瞬时模式、延迟模式或者加速模式操作，本发明都与继电器之间的任何通信信道上的故障检测无关。例如，图1中继电器R11通过与其连接的传感器CT和VT只接收从线段LINE1上它自身位置测量的线电流和线电压。与在前的发明中的情况一样，操作模式通常以适当的编程微处理器形式结合到继电器中，该编程微处理器执行实现这些操作模式的必需的信号处理。尽管如此本发明也能方便地用其它形式的继电器执行，例如机电继电器或静态继电器。可以用机电或电子电路执行该算法。
如果检测故障的远端继电器失效，或响应区域外故障的断路器失效，那么本发明的继电器具有备份保护功能。在瞬时操作模式下，由于断路器已经断开，它将延迟重新闭合操作直到远端备份保护隔离区域外故障为止。在延迟操作模式下，由于故障仍然在线路上，在多数情况下，继电器使线路断开并等待进一步的机会，当远端区域外故障被备份保护清除的时候使线路重新接通。或者，可以设置成进一步的延迟，以等待远端继电器的备份保护工作。这将能够检测故障是在保护区内还是在保护区外，然后能够采取正确的操作。
尽管这里提供的瞬时操作和延迟操作的例子是基于单电路系统结构的，但是，本发明也可以用于不同的系统结构，例如，并联电路或多端馈电线。
这里提供的例子只以用固定时间的过电流继电器为基础。但是，本行业的技术人员会发现，本发明也能方便地用于在时间分段坐标中使用IDMT过电流继电器的方案中。
尽管这里提供的加速操作模式的例子是以四段单电路系统结构为基础的，但是，本发明也能用于具有多段和不同结构的系统中。
本发明用于具有或不具有与负载相关的断路器或保险丝的分接负载系统中。
权利要求
1.一种保护三相电力线路中的一段(LINE1)的方法，其特征是，响应电力线路中至少一相上的故障使用电力线路中的叠加电流分量(Ibs、Ics)检测远端断路器(B12，B21)的操作。
2.一种保护三相电力线路的第一段(LINE1)的方法，所述的第一段具有本地端和远程端(S，R)，并与至少一个第二段LINE2在远程端(R)相连接，在所述本地端和远程端分别提供本地故障保护设备(R11，R1F)和第一远端故障保护设备(R12，R1R)，以在其间建立保护区，并且至少提供第二远端故障保护设备(R21，R2F)以保护所述的第二段(LINE2)，每个故障保护设备包括断路器(B11、B12、B21、B1F、B1R、B2F)，用于输出指示断路器附近的线路中的电压和/或电流的线路状态信号的测量装置(CT，VT)，和用于处理线路状态信号以有选择地产生故障信号的信号处理装置，该故障信号用于响应线路中的故障断开断路器，通过至少是本地故障保护设备(R11，R1F)的信号处理装置执行该方法，其特征是包括以下步骤(A)监视线路状态信号，以检测故障是在保护区内或是在保护区外；和(B)断开本地故障保护设备的断路器，(i)如果在保护区内检测到故障，则立即断开；或者(ii)如果在保护区外检测到故障，则在第一延迟或较短的第二延迟之后断开，通过监视线路状态信号确定第一和第二延迟，并根据线路状态信号是符合第一或是第二预定标准分别选择第一或第二延迟。
3.按照权利要求2所述的方法，其中，第一标准检测第一段(LINE1)是否是平衡工作。
4.按照权利要求3所述的方法，其中，第一标准包括返回电流或电压比值到紧接在故障之前存在的值。
5.按照权利要求4所述的方法，其中，电流或电压比值是相对于正序量的变化在零序量和负序量中的变化。
6.按照权利要求2到5中任一项所述的方法，其中，第二标准检测第一远端保护设备(R12)的断路器(B12)的操作，或者第二远端保护设备(R21)的断路器(B21)的操作。
7.按照权利要求6所述的方法，其中，第二标准包括在阈值上下的电流变化值。
8.按照权利要求7所述的方法，其中，电流变化值是为无故障相确定的叠加电流分量。
9.按照权利要求1或8所述的方法，其中，叠加的电流分量是从公式Is＝I-Id导出的，式中Is是无故障相的叠加电流分量，I是在一个电源周期中的任何瞬间测到的无故障相的电流，Id是在一个在前的电源周期中的对应瞬间测到的无故障相的电流。
10.按照在前的任何一项权利要求所述的方法，包括如下附加步骤定义时间窗口，在该时间窗口内能预期远端故障保护设备的断路器的操作，以及忽略该时间窗口外的无故障相电流的任何大小上的变化，由此便于正确检测所述断路器的操作。
11.适合于执行根据上述任何一项权利要求所述的方法的故障保护设备。
全文摘要
一种保护三相电力线路中一段(LINE1)的方法，该方法使用电力线路中的叠加电流分量(Ibs，Ics)，以使得本地继电器(R11)能够响应电力线路中至少一相上的故障以检测远端继电器(R12，R21)的远端断路器(B12，B21)的操作。线路信号转换器(CT，VT)输出指示断路器附近的线路中的电压和/或电流的线路状态信号，本地继电器(R11)中的信号处理器处理该线路状态信号，以在考虑远端断路器的操作后选择地产生用于断开本地继电器(R11)中的断路器(B11)的故障信号。
文档编号H02H3/44GK1505862SQ02809193
公开日2004年6月16日 申请日期2002年5月3日 优先权日2001年5月3日
发明者薄志谦 申请人:阿尔斯通公司