专利名称：用于电连接的差动保护的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及针对接地故障的电连接的差动保护。
背景技术：
原则上差动电流保护比较关于量值和相角两者的来自电线末端的测量电流。对于操作而言，在线路末端继电器之间必须存在互连通道，经由该互连通道传递电流信息的互换。根据基尔霍夫(Kirchhoff)定律，当这些电流的矢量和不同于零时，表明保护线路中有故障。这样的差动电流保护是线路保护的最简单形式，典型地关于保护线路的特性只需要输入几个设定值。传统上已根据相位隔离或组合序列原理实施了线路差动电流保护。在相位隔离方案中，在每相电流的基础上实施差动电流保护功能。相电流差动计算确定故障是否已发生， 并且识别故障涉及哪一相或哪些相。在组合序列方案中，为了减少通信容量需求同时维持足够的操作速度和操作的可靠性，在线路末端之间仅互换一个单一的信号而不是全部三相电流。这个信号是线路正序列、负序列和零序列电流的适当组合。差动电流计算然后基于这个组合的序列电流信号。相位隔离方案的基本原理是，电流差动功能中的差动(操作)量是局部和远程相电流的相量总和的量值。这样一来，操作量对于内部故障就等于总故障电流，而对于外部故障则等于零(忽略线路分布电容充电电流)。对于相A可以写为Iopph4 = I I,phA + I RphA (方程 01)方案必须受到限制，以便在没有错误操作的风险的情况下，可以允许一定水平的例如由CT和与测量相电流的量值成比例的其它测量误差导致的明显操作电流。针对相A的约束(稳定)电流例如可以计算如下
「 πI LphA + U RphA 、加 、j F I F (方稈 02)
1 RESphA 一2其中，1_是表示相电流A的局部末端相量,并且是表示相电流A的远程末端相量。方程01和02假定在两个线路末端中从汇流条朝向线路的正电流流动。类似的方程适用于相B和C。方案也可以基于组合序列电流，其为相A对称分量电流的加权和。令I；表示这个组合电流，并且令C1、C2和CO表示用于正、负和零序列分量的加权系数，则Ir可以被描述如下Jt = C1 Ii + C2Ii 十 C0 Zo (方程 03)
其中，I、JjPjfl分别表示相A正序列、负序列和零序列电流。对于组合序列方案，操作和约束电流可以用类似于上面的方式写为I1 ()p - Itl + Itr (方程 04)r — Itl + ~h α (方程 05)
1TRES —2其中，Jra是表示组合序列电流的局部末端相量，并且1^是表示组合序列电流的远程末端相量。
通过以下方程给出最简单形式的传统解决方案的操作原理Iqp > k · I艦 + Z5 (方程 06)其中，Iqp是计算的操作电流，Ikes是计算的约束电流，k是特征斜率设定值，并且Ib是基本开始电流阈值设定值。操作标准表明，约束电流越高，则需要越高的操作电流阈值以操作继电器。这两个电流量之间的一致性由斜率设定值k给出。一般而言，传统方案的灵敏度的限制基本上由保护线路的充电电流的幅度规定。这个充电电流是由于保护线路的分布电容(相对相和相对地电容)，并且被看成是通过继电器进行的明显差动电流。一般说来，差动电流保护的设定值必须是这样的它超越了充电电流的效果。为了减轻这个问题，一些制造商已引入了所谓的充电电流补偿功能，以稍微增加保护的灵敏度。这个特征典型地与相位隔离方案一起使用，并且对于各种继电器制造商而言是众所周知的。例子以文件的方式给出Siemens AG, “SIPROTEC, LineDifferential Protection with Distance Protection7SD52/53, V 4. 60，Manual，，以及ABB AB Substation Automation Products, SE-721 59 Vasteras, Sweden, “Applicationmanual Line differential protection IED RED 670”，December 2007。充电电流补偿功能的主要目的是启用低阻抗或稳固接地网络中的长传输线和线缆的足够灵敏的差动电流保护，要不然充电电流的量值会要求传统方案的基本开始电流阈值设定值增加太多。充电电流的量值直接成比例于系统电压电平以及保护线路的分布电容的量值。在组合序列方案中，灵敏度另外受到加权系数的选择的影响。在其中接地故障电流低于三相故障电流的情况下，增加加权系数C2 (方程03)可以增加接地故障灵敏度，并且减少三相故障和接地故障之间的灵敏度差异。为了增加接地故障的灵敏度并同时保持相故障的灵敏度不受影响，可以使用非零加权系数Ctl (方程03 )。一般说来，通过上面的方案可以实现的最大灵敏度取决于如下的基本开始电流阈值水平的设定值使用中没有充电电流补偿特征
· Ib ^ 2. 5*Icharge使用中有充电电流补偿特征· Ib 3 I. 0*ICHARGE其中，I·-是取决于应用的方案根据其正(负)或零序列电容计算的保护线路的相应充电电流分量。当在未接地和补偿网络中考虑它们的应用时上述方案的基本问题在于，为了确保足够的灵敏度，基本开始电流阈值设定值水平将不得不设置得远低于保护线路的充电电流，而这使用上面的方案无法进行。可以说，因为这个原因，这些方案不能检测接地故障，至少当在故障中牵涉故障电阻时不能。因此，这样的传统解决方案的灵敏度典型地仅针对低阻抗和稳固接地网络中的接地故障和针对短路故障才足够，其中接地故障电流的量值典型地总是高于三相短路电流的 25%。考虑到高阻抗接地和未接地网络中的接地故障，接地故障电流的量值可以低至几安培。因此明显的是，传统的解决方案不能用于这样的网络中的接地故障保护。然而，对于其中针对短路应用线路差动电流保护的线路而言，总是也需要选择性的接地故障保护。因此会高度有价值的是，具有针对接地故障具有高灵敏度的专用差动电流保护功能。图I示出了典型的网络布置，其中线路差动电流保护被施加作为主要保护。因为图I的网络布置被高度网格化，并且也可以包含分布式发电，所以线路差动电流保护的施加被很好地调整，但基本问题是如何照顾这些线路的专用接地故障保护，使得操作是选择性的、灵敏的和足够快的，而不管由日常操作引起的变化的网络配置。JP 2002186165描述了一种解决方案以提供差动电流继电器，其适合于具有网格化分布线路的未接地系统，并且不需要在单独的终端处收集的数据当中的同步。根据这种解决方案，通过基于分别来自线路末端A和B的测量结果确定零序列电流和零序列电压的复共轭的乘积的虚部Imp M V OAI与Ιηι〖 0β 之和的符号，可以判断在差动电流继电器A和相邻差动继电器B之间的区段中是否发生接地故障。描述的解决方案的缺点在于，它只能应用于未接地的网络中。
发明内容
本发明的目的是要提供一种方法和用于实施所述方法的设备，以便克服上面的问题或至少缓解所述问题。本发明的目的通过由在独立权利要求中表述的那些所表征的方法、计算机程序产品和设备来实现。在从属权利要求中公开了本发明的优选实施例。本发明基于如下思想基于第一点和第二点处剩余电流之差或指示它的量以及指示电连接的剩余电压与第一点和第二点处剩余电流之差之间的角度的系数，来使用操作量。本发明的优点在于，保护线路的零序列充电电流并不限制尤其是在未接地和补偿网络中的保护的灵敏度。因此，可以获得高灵敏度，亦即可以检测具有故障电阻的接地故障。本发明的解决方案可以在未接地和补偿网络中使用。也可以在低阻抗和稳固接地的网络中使用，以提高检测接地故障中的灵敏度。
在下文中，参考附图借助于优选实施例来更加详细地描述本发明，其中图I示出了具有线路差动电流保护的网络布置的例子；图2示出了根据一些实施例的布置的例子；
图3不出了根据一些实施例的相量图的例子；图4示出了用于表示站A和B之间的连接中的接地故障的电路图的例子；图5示出了在站A和B之间的馈线中有故障的情况下用于计算接地故障量的序列分量等效电路图的例子；图6示出了根据实施例的作为故障电阻的函数的保护的操作量和剩余差动电流的量值；图7示出了根据实施例的操作特性的例子；图8示出了根据实施例的操作特性的转换的例子；以及图9示出了局部和远程连接末端中的测量剩余差动电流的相角误差的形成和效果的例子。
具体实施例方式本发明的应用并不限于任何特定的系统，但是可以结合各种三相电力系统使用，以检测电力系统的三相电连接中的相对地故障。电连接可以是比如像馈线之类的电线，并且可以是架空线或线缆或二者的组合。电连接还可以是电线的一部分，或者包括连接在一起的几个电线。在其中实施本发明的电力系统例如可以是电力传输或分布网络或其组成部分，并且可以包括几个馈线或区段。此外，本发明的使用并不限于使用50Hz或60Hz基本频率的系统或任何特定的电压电平。本发明可以单独地使用，或者作为针对传统线路差动电流保护功能的补充功能。图2示出了根据一些可能实施例的布置。选择对象A示出了这样一种布置，在所述布置中，电连接20由两个末端处的差动保护单元10A+11A+12A和10B+11B+12B保护。这个例子中的差动保护单元每个包括标准差动保护单元(3 Δ 1>) IlA和11B、方向剩余差动电流保护单元(Λ I IOA和IOB以及发射器接收器单元(Tx/Rx) 12A和12B。这三个单元10A/10B、11A/11B和12A/12B可以被实施为一个单元或装置，或者实施为包括多于一个的分立单元或装置的系统。还可以将不同连接末端的至少一些单元组合成相同的物理单元或装置。电连接20的末端已被标识为“局部末端”和“远程末端”。对于第一个差动保护单元10A、11A、12A而言，“局部末端”是局部末端，并且“远程末端”是远程末端。然而对于第二个差动保护单元10B、11B、12B而言，标记为“局部末端”的连接末端是远程末端，而标记为“远程末端”的连接末端则是局部末端。在每个连接末端处，剩余电流和37、剩余电压%￡和％ 以及三相电流4、4、^和^、4' U尤选地由一个或多个差动保护单元IOA和/或IlA和IOB和/或IlB确定。优选地假定在远程和局部末端两者处，正电流流动是从连接末端朝向连接20。电流值然后优选地由发射器接收器单元12A和12B在不同末端的差动保护单元之间互换。如果适当的测量变压器在两个连接末端中可用，则剩余电压优选地基于局部测量。代替地，使用与用于互换电流值相同的通信介质/接口，可以将在一个末端中测量的剩余电压传送到另一个连接末端。当根据本发明的各种实施例的解决方案被实施为针对连接的标准差动电流保护方案的补偿功能时，如图2中的例子所示，已经需要相电流相量信息在连接末端之间的传递，针对这个新功能的需要，可以容易地使用/扩展相同的已经存在的通信介质/接口。为了使方案的灵敏度最大化，对于剩余电流的测量而言推荐线缆电流互感器(环芯电流互感器)。然而，同样可以使用例如来自由相电流互感器或Rogowski传感器测量的相电流的数值计算的剩余电流或相电流互感器的和连接。除了电流量之外，还需要系统的剩余电压。剩余电压可以从电压变压器的开放三角形绕组中测量，如示出的那样，或者例如可以从由电压变压器或电阻分压器测量的相对地电压中数值地计算。剩余电压可以由不同点处的不同末端的差动保护单元单独地确定，如图2的选择对象A中示出的那样。代替地，剩余电压可以仅由两个差动保护单元中的一个确定，然后被传递到另一个差动保护单元，如图2的选择对象B中示出的那样，该选择对象B另外对应于图2的选择对象A。根据实施例，方向剩余差动电流保护单元10AU0B的操作如下。首先，确定操作量的值。操作量优选地基于局部末端(第一点)和远程末端(第二点)处剩余电流之差或指示它的量以及指示电连接20的剩余电压与局部末端和远程末端处剩余电流之差之间的角度的系数。根据实施例，通过以下方程来限定操作量
Iammm——emmIop = IdSIo gain = 3/oi + 31m · gam (方程 07)其中， /j 7。是剩余差动电流相量，是局部末端剩余差动电流相量，使得正电流流动朝向远程末端，并且 ^/心是远程末端剩余差动电流相量，使得正电流流动朝向局部末端。如果从连接的两个末端测量剩余电压，则对于局部末端而言增益(gain)为gainL = cos(anglc(-U οιΜ31(方程 08a)而对于远程末端而言则为gainR = cos(angle(-Um/d3~Io、-<Pb)人方程 08b)其中，约是特性角设定值(基角)，G0i是局部末端剩余电压相量，并且Owi是远程末端剩余电压相量。典型地极化量是剩余电压(·％)、方程08a和08b，但是代替地，可以代替使用从弓I入变压器的中性点和接地之间的连接测量的中性电流。代替地，极化量可以仅在连接20的一个末端处测量，然后被传送到另一个末端。在这种情况下，在连接的两个末端处使用相同的方程08a或08b计算增益。这样一来，如果仅在连接的一个点处测量剩余电压，则增益为gain = cos(angle(- U(/d31 ο)-御),(方程08c)其中，O；是剩余电压相量。针对特性角设定值Φ)3的选择取决于网络的接地布置。优选地，特性角被选择成使得保护连接之内的故障期间的增益的值尽可能接近于一，这导致最好可能的保护灵敏度。以类似的方式，在保护连接之外的故障期间的增益的值应当尽可能接近于零，乃至为负，这导致最好可能的保护稳定性。图3示出了使用剩余电压作为极化量并且使用对应于选择对象a、b和c的特性角设定值(K的三个不同值$b=
度的操作量
= #4/37』*的计算原理。根据实施例，特性角设定值优选地对于补偿电力系统为零度，对于高电阻接地电力系统为-30度，并且对于未接地电力系统为-90度。根据实施例，特性角设定值在-90和90度之间可自由设置。特性角设定值可以基于电连接内部的接地故障期间的剩余电压和剩余电流之间的角度来设置。根据可以使用一般网络演算来计算的从故障点来看的源的总零序列阻抗的确定角度，也可以设置特性角设定值。针对内部故障条件期间的站SA (测量点A^P SB (测量点B)之间的单个馈线，图4和图5展示了这一点。图5中使用的符号
ι Α Β =从保护馈线测量的正序列电流，局部/远程末端I2 aib =从保护馈线测量的负序列电流，局部/远程末端 0 Λ/Β =从保护馈线测量的零序列电流，局部/远程末端
Tofd =保护馈线的零序列电流G jm=网络的正序列电压，局部/远程末端网络的负序列电压，局部/远程末端U、A!B =网络的零序列电压，局部/远程末端A =故障电阻Iis aib =正序列源阻抗，局部/远程末端hAIB =负序列源阻抗，局部/远程末端Zos aib =零序列源阻抗，局部/远程末端Zli=正序列线路阻抗Z2i=负序列线路阻抗I0i =零序列线路阻抗d=从局部末端以p. U.计的故障距离Cobg_A/B=背景网络的零序列电容，局部/远程末端C0fd=保护馈线的零序列电容Lcc a7b=补偿线圈的电感，局部/远程末端Rcibg M=对应于背景网络的损耗的电阻，以及补偿线圈的并联电阻器，局部/远程S =源电压，相LI，局部/远程末端因为在内部故障期间，两个馈线末端中的剩余电流测量结果仅看到从相应背景网络供应的电流，并且当忽略串联阻抗时，从图5可以看到
权利要求
1.ー种用于电カ系统的三相电连接的差动保护的方法，所述方法包括确定操作量的值，所述操作量基于所述电连接(20)的第一点和第二点处的电流量之间的差；以及如果所述操作量的值超过预定阈值量的值，则检测所述第一点和所述第二点之间的所述电连接(20)中的故障，其特征在于，所述操作量基于所述第一点和所述第二点处的剩余电流之差或指示它的量以及指示所述电连接(20)的剰余电压与所述第一点和所述第二点处的剩余电流之差之间的角度的系数。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述操作量由以下方程来限定
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述特性角设定值对于补偿的电カ系统为O，对于高电阻接地的电カ系统为-30，并且对于未接地的电カ系统为-90。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，基于所述电连接中的接地故障期间的剩余电流和负剩余电压之间的角度来设置所述特性角设定值。
5.根据权利要求I至4中任何一项所述的方法，其特征在于，所述预定阈值量当Ires ^ Ικνεε_ο时为P。，并且当 Ires〉Ικνεε— 时为 Pq+Sci* (Ires-Ikneej3)，其中，
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在干，Ptl=保护的基本灵敏度，S0=50%,IfflEE—0_lP· U·。
7.ー种包括计算机程序代码的计算机程序产品，其中，所述程序代码在计算机中的执行使所述计算机执行根据权利要求I至6中任何一项所述的方法的步骤。
8.ー种用于电カ系统的三相电连接的差动保护的设备，所述设备包括用于确定操作量的值的装置(10Α，10Β)，所述操作量基于所述电连接(20)的第一点和第二点处的电流量之间的差；以及用于如果所述操作量的值超过预定阈值量的值则检测所述第一点和所述第二点之间的所述电连接(20)中的故障的装置(10Α，IOB)，其特征在于，所述操作量基于所述第一点和所述第二点处的剩余电流之差或指示它的量以及指示所述电连接(20)的剰余电压与所述第一点和所述第二点处的剩余电流之差之间的角度的系数。
9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述操作量由以下方程来限定
10.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，所述特性角设定值对于补偿的电カ系统为0，对于高电阻接地的电カ系统为-30，并且对于未接地的电カ系统为-90。
11.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，基于所述电连接(20)中的接地故障期间的剩余电流和负剩余电压之间的角度来设置所述特性角设定值。
12.根据权利要求8至11中任何一项所述的设备，其特征在于，所述预定阈值量当Ires ^〗μεε—。时为P。，并且当 Ires〉Ικνεε— 时为 Pq+Sci* (Ires-Ikneej3)，其中，
13.根据权利要求12所述的设备，其特征在干，Ptl=保护的基本灵敏度，S0=50%,IfflEE—0_lP· U·。
14.根据权利要求8至13中任何一项所述的设备，其特征在于，所述设备包括保护继电器。
全文摘要
一种用于电力系统的三相电连接的差动保护的方法和设备，所述设备包括用于确定操作量的值的装置(10A，10B)，所述操作量基于所述电连接(20)的第一点和第二点处的电流量之间的差；以及用于如果所述操作量的值超过预定阈值量的值则检测所述第一点和所述第二点之间的所述电连接(20)中的故障的装置(10A，10B)，其中，所述操作量基于所述第一点和所述第二点处的剩余电流之差或指示它的量以及指示所述电连接(20)的剩余电压与所述第一点和所述第二点处的剩余电流之差之间的角度的系数。
文档编号H02H3/28GK102834993SQ201180018396
公开日2012年12月19日 申请日期2011年3月22日 优先权日2010年4月12日
发明者阿里·瓦尔罗斯, 扬内·阿尔托宁 申请人:Abb技术有限公司