專利名稱：直流系統(tǒng)短路保護裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種短路保護裝置，屬于一種適應(yīng)于發(fā)電廠、變電站直流220伏，±110伏系統(tǒng)短路故障在線保護的直流系統(tǒng)短路保護裝置。
背景技術(shù)：
直流系統(tǒng)是電力系統(tǒng)中控制、保護、信號及自動裝置等的電源，它的可靠性直接關(guān)系到電力系統(tǒng)的安全。但由于目前對直流系統(tǒng)短路后的故障切除，仍采用傳統(tǒng)的熔斷器法，而由于熔斷器存在的分散性和熱脆性等一系列遺留問題，屢次發(fā)生熔斷器越級動作到直流電源總保險熔斷，造成直流供電電源消失，導(dǎo)致電力系統(tǒng)事故迅速蔓延擴大，造成電力系統(tǒng)災(zāi)難性的設(shè)備損壞和系統(tǒng)事故。近年來采用的熱脫扣直流斷路器和利用電流互感器的CT恒流源特性，在直流電源消失后去跳開斷路器(僅限于6KV斷路器)方法，仍未能很好地解決直流系統(tǒng)短路故障引發(fā)的問題。直流系統(tǒng)可靠性較低是電力系統(tǒng)存在的一個普遍性的問題，近年來全國各地的變電站、發(fā)電廠頻頻出現(xiàn)的直流電源消失而引發(fā)主設(shè)備損壞的事故，給電力系統(tǒng)造成很大的經(jīng)濟損失。就某電力公司而言，1988年發(fā)生過一電廠#5機變因6KV高壓開關(guān)柜內(nèi)部短路，本應(yīng)該是該柜或者最多是該段的直流保險熔斷即可切除該短路故障，但該段的熔斷器未斷，而是主控室的直流總保險發(fā)生熔斷，導(dǎo)致了主控室直流電源消失。由于失去了直流電源，#5發(fā)電機嚴(yán)重?zé)龘p，#5變壓器燒損，#5機出線小室3000安培的大容量隔離開關(guān)嚴(yán)重?zé)龘p，該出線小室內(nèi)墻壁上的水泥被電弧燒的熔化。1996年某供電局水川變發(fā)生了一次因35KV高壓開關(guān)柜內(nèi)部短路，結(jié)果導(dǎo)致整個變電站直流電源消失，遠后備保護動作才將該事故切除，結(jié)果造成一臺110kV額定容量為120MVA的變壓器燒損。目前，作為直流系統(tǒng)短路開斷的主要保護有兩種1熔斷器仍作為直流系統(tǒng)的短路保護的主要手段，至今在電力行業(yè)仍然大量使用。就短路故障開斷而言，有其很科學(xué)的一面。其優(yōu)點是斷器具有良好的短路開斷性能，開斷過程無需其它操作電源，可根據(jù)容量搭配獲得比較合理的時間配合，運行維護簡單。其主要缺點是熔斷器的熱脆性問題。由于多次、長期的合閘、短路等沖擊電流影響，其容量易發(fā)生變化；分散性大，雖然是同一容量、同一品牌的熔斷器，其實際熔斷電流亦存在比較大的差異；由于管理上的問題，易造成錯用；無法實現(xiàn)直流回路電源的自動切換，改變運行方式，供電的可靠性較差。因直流系統(tǒng)自身存在上述難以克服的不足之處，所以易出現(xiàn)保護動作順序上的紊亂，越級動作，造成直流電源消失，引發(fā)更大事故。全國每年因此發(fā)生燒壞大型電力設(shè)備事故3-4起，直接經(jīng)濟損失上千萬元。
2.帶熱脫扣的直流斷路器法此方法是近年來出現(xiàn)的比較先進的直流系統(tǒng)短路保護方法，其利用直流斷路器的熱脫扣器整定電流倍數(shù)和延時來整定斷路器的跳閘時間及順序。用于交流具有選擇性好，運行維護簡單等優(yōu)點；用于直流電流及時間整定困難，切除故障時間較長，不能實現(xiàn)運行方式的自動調(diào)整。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種能對直流系統(tǒng)短路事故的快速識別與保護的直流系統(tǒng)短路保護裝置。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的，它是支路短路檢測電路經(jīng)數(shù)據(jù)采集電路、A/D轉(zhuǎn)換電路與工業(yè)控制計算機聯(lián)接；母線電壓檢測電路經(jīng)數(shù)據(jù)采集電路、A/D轉(zhuǎn)換電路與工業(yè)控制計算機聯(lián)接；斷路器狀態(tài)檢測電路經(jīng)光隔離輸入電路與工業(yè)控制計算機聯(lián)接；工業(yè)控制計算機運用電流判據(jù)I≥Id式3、電壓判據(jù)U≤Ud式4進行計算判定，同時滿足電流、電壓判據(jù)，則判定直流系統(tǒng)出現(xiàn)短路故障，再經(jīng)選擇性邏輯判據(jù)發(fā)出控制信號經(jīng)繼電器輸出電路輸出給斷路器保護跳閘控制電路。
本發(fā)明所述的支路短路檢測電路和母線電壓檢測電路是由裝在直流系統(tǒng)工作電源中的霍爾傳感器構(gòu)成，直流系統(tǒng)的工作電源設(shè)置為三級，第一級母線上有一個支路，第二級母線上至少二個支路，第三級母線上有至少二個支路，在第一級與第二級母線之間是備用電源，備用電源上的支路與第三級母線聯(lián)接。
本發(fā)明所述的支路短路檢測電路是在第一級母線、第二母線、第三級母線的各支路的正或負(fù)支線上和備用電源的各支路的正或負(fù)支線上裝直流霍爾傳感器，所述的母線電壓檢測電路是在第一級母線上裝電壓霍爾傳感器，直流斷路器是裝在三級母線的各支路的支線上和備用電源的各支路的支線上。
經(jīng)實驗與現(xiàn)場運行表明了本發(fā)明能迅速的診斷直流系統(tǒng)的短路故障和有效的切除故障組件，并及時投入備用直流回路，提高了直流系統(tǒng)供電的可靠性。仿真實驗原理結(jié)構(gòu)按圖3設(shè)計，采用交流整流電源為直流系統(tǒng)電源，以直流斷路器(最大合閘沖擊電流6A)模擬沖擊負(fù)荷，為防止直接短路時故障電流過大損壞設(shè)備，以10Ω感性負(fù)載模擬系統(tǒng)短路故障，同時將保護裝置的電流定值減小，增加電壓定值，分別在27-32支路末端做沖擊負(fù)荷和短路故障實驗。沖擊負(fù)荷實驗時，各級開關(guān)均不動。表1給出了模擬27-32支路短路故障，其相應(yīng)開關(guān)跳閘或人為使開關(guān)拒動的實驗結(jié)果，其它支路的實驗結(jié)果同表1結(jié)果相似，滿足直流系統(tǒng)三級式電流保護設(shè)計要求。
表1 末端支路短路實驗結(jié)果

本發(fā)明利用霍爾傳感器件測量直流系統(tǒng)回路電流、母線電壓，采用短路電流、母線電壓作綜合判據(jù)，快速識別高壓開關(guān)合閘沖擊電流和短路故障電流，在直流系統(tǒng)保護中首次采用了微機保護原理和運行狀態(tài)在線檢測。在上述試驗中，裝置正確及時地反映了直流供電系統(tǒng)的運行狀況，對短路故障能實施快速識別和有效地保護與報警，并能根據(jù)系統(tǒng)狀況，進行運行方式的自動調(diào)整，達到了保護裝置可靠性、選擇性、快速性、靈敏性的要求，克服了現(xiàn)有熔斷器法因越級熔斷造成直流電源消失，引發(fā)事故迅速蔓延擴大，造成電力系統(tǒng)災(zāi)難性的設(shè)備損壞和系統(tǒng)事故問題，提高了直流系統(tǒng)供電的可靠性。


圖1為直流系統(tǒng)的短路電流、電壓波形2為本發(fā)明區(qū)分直流系統(tǒng)沖擊電流與短路電流的波形3為本發(fā)明實施例的電路結(jié)構(gòu)的方框4為本發(fā)明實施例的短路檢測電路的原理5為本發(fā)明實施例的程序流程圖具體實施方式
在說明本發(fā)明實施例前，對電流、電壓判據(jù)先詳細說明電流、電壓判據(jù)是由以下背景技術(shù)提供，直流系統(tǒng)最大的特點是供電線路短，各分支的短路電流和電源首端的短路電流差別較小，短路電流較大，短路點及母線電壓很低，其動態(tài)過程見圖1所示。圖中縱坐標(biāo)為電流及電壓坐標(biāo)，橫標(biāo)為時間坐標(biāo)。短路電流曲線I在短路初期迅速上升，之后進入穩(wěn)定狀態(tài)。短路電壓曲線U在短路初期迅速降低，之后也進入穩(wěn)定狀態(tài)。根據(jù)目前國內(nèi)蓄電池組的容量和內(nèi)阻，對短路電流Id和母線電壓Ud的穩(wěn)態(tài)值可按式1Id=Er+R+Z≈Er≈10~20(kA)]]>式2Ud≈10～20(V)進行估算，其動態(tài)過與圖1相似。
式中r-蓄電池內(nèi)阻 E-直流系統(tǒng)蓄電池電勢
Ud-短路時母線電壓 R-供電線路直流電阻Z-短路點等值阻抗經(jīng)過對實際直流系統(tǒng)的試驗測試和分析，確定出實現(xiàn)直流短路保護的關(guān)鍵是正確區(qū)分直流系統(tǒng)短路電流與大負(fù)荷沖擊電流。如圖2所示，圖中縱坐標(biāo)為電流及電壓坐標(biāo)，橫標(biāo)為時間坐標(biāo)。圖中曲線Id代表短路電流，曲線Idz代表保護裝置動作電流，曲線Imax.r代表高壓開關(guān)沖擊負(fù)荷電流，曲線Ig為系統(tǒng)正常工作電流，曲線Ugz代表工作電壓，曲線Ud代表短路電壓，曲線U0為電壓門檻值，曲線Uc為系統(tǒng)在大負(fù)荷沖擊電流作用下母線電壓。大負(fù)荷沖擊電流與短路電流的區(qū)分從圖2中可以看出，如果系統(tǒng)單臺開關(guān)合閘，短路判據(jù)的電流判據(jù)和電壓判據(jù)不滿足短路條件；如果是兩臺以上的開關(guān)合閘，這時短路判據(jù)的電流判據(jù)滿足條件，但是電壓判據(jù)不滿足條件；如果直流系統(tǒng)出現(xiàn)短路故障，電流、電壓判據(jù)同時滿足。根據(jù)短路電流與沖擊負(fù)荷電流的不同特性，在直流電源處加裝一個測量母線電壓霍爾傳感器，在每條供電支路的正(或負(fù))支線上套一個直流霍爾傳感器，測量回路電流，構(gòu)成直流系統(tǒng)短路故障的快速識別判據(jù)，可表示為式3I≥Id式4U≤Ud式中Id＝KIcmax為故障識別電流定值；Ud-短路故障識別的電壓定值；
K-可靠系數(shù)；Icmax-沖擊負(fù)荷電流最大值；此外，對I，U采用均值平滑處理，通過數(shù)字濾波提高了裝置的抗干擾性能，可表示為式5I=ΣN=1N=6IN6]]>式6U=ΣN=1N=6UN6]]>本實施例直流系統(tǒng)短路保護裝置的電路方框圖如圖3所示。短路檢測電路是包括支路短路檢測電路34、母線電壓檢測電路36。支路短路檢測電路34經(jīng)數(shù)據(jù)采集電路39(PCLD8115 16通道)、A/D轉(zhuǎn)換電路43(PCL818L)將信號輸出給工業(yè)控制計算機45；母線電壓檢測電路36經(jīng)數(shù)據(jù)采集電路40(PCLD811516通道)、A/D轉(zhuǎn)換電路44(PCL818L)將信號輸出給工業(yè)控制計算機45；斷路器狀態(tài)檢測電路37經(jīng)光隔離輸入電路41(PCLD-782)將信號輸出給工業(yè)控制計算機45；工業(yè)控制計算機45將采集的信號運用電流電壓判定、再經(jīng)選擇性邏輯判據(jù)發(fā)出控制信號經(jīng)繼電器輸出電路42(PCLD-785)輸出給斷路器保護跳閘控制電路38。參照圖4，直流系統(tǒng)工作電源設(shè)置至少為三級，第一級母線1上裝有一個支路，第二級母線3上至少裝二個支路，第三級母線4-6上至少裝二個支路，在工作電源外裝設(shè)備用電源2，備用電源2上的支路的末端可與第二級母線3或第三級母線4-6聯(lián)接，備用電源2上的支路與第二級母線3、第三級母線4-6上的支路數(shù)相等，第一級母線1上的支路末端是聯(lián)接在第二級母線3上，第二級母線3的各支路末端是聯(lián)接第三級母線4-6上，第三級母線4-6的各支路末端是聯(lián)接直流供電回路負(fù)載；支路短路檢測電路34是在第一級母線1、第二級母線3、第三級母線4-6的各支路的正或負(fù)支線上和備用電源2的各支路的正或負(fù)支線上裝直流霍爾傳感器7-19，直流斷路器20-32是裝在三級母線1、3、4-6的各支路和備用電源2的各支路，第一級母線1和第二級母線3支路的直流斷路器20-26是帶電動分合閘操作機構(gòu)的直流斷路器，備用電源2支路的斷路器21-23是帶電動分合閘操作機構(gòu)的直流斷路器，母線電壓檢測電路是在第一級母線1上裝電壓霍爾傳感器33，繼電器輸出電路是裝在三級母線1、3、4-6的各支路和備用電源2的各支路上的直流斷路器20-32的分合閘操作回路的輔助接點，斷路器狀態(tài)檢測電路37是裝在三級母線1、3、4-6的各支路和備用電源2的各支路上的直流斷路器20-32上的與斷路器分合閘位置相對應(yīng)的輔助接點。斷路器跳閘控制電路38是裝在三級母線1、3、4-6的各支路和備用電源2的各支路上的直流斷路器20-32上的分合閘線圈。由霍爾傳感器測出的回路電流信號和母線電壓信號經(jīng)數(shù)據(jù)采集電路39、40、A/D轉(zhuǎn)換電路43、44輸出給工業(yè)控制計算機45，工業(yè)控制計算機45運用電流判據(jù)I≥Id式3、電壓判據(jù)U≤Ud式4進行計算判定，若同時滿足電流、電壓判據(jù)，則直流系統(tǒng)出現(xiàn)短路故障，確定短路后，再用下述的邏輯判據(jù)選擇性地對短路點進行判定及切除；邏輯判據(jù)設(shè)置具體構(gòu)成方法如下1)第三級速斷電流保護，斷路器27-32。如系統(tǒng)發(fā)展需要可在本級擴展，增加支路；本級故障，直接動作于跳閘；2)第二級，限時速斷電流保護，斷路器24-26。本級故障，直接動作于跳閘；第三級有保護動作和短路信號，但第三級開關(guān)動作失敗，且短路仍存在，此時延時Δt跳閘；3)第一級，定時限電流保護，斷路器20。本級故障，直接動作于跳閘；第二級有保護動作和短路信號，但開關(guān)動作失敗，且短路仍存在，此時延時Δt跳閘；第三級有保護動作和短路信號，但第二級近備用電源保護開關(guān)動作失敗，且短路仍存在，此時延時2Δt跳閘；備用電源供電回路自投，斷路器21-23。
當(dāng)?shù)谝患壉Ｗo動作切除故障時，及時合上第二級或第三級的備用電源自投開關(guān)21-23，其它正常支路的供電。
按上述方法構(gòu)成的邏輯判據(jù)的編程，屬本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟悉的，故在此不再祥述。
圖5的流程指示在短路檢測步驟46是對系統(tǒng)進行的第一輪短路檢測，再進入短路判定步驟47，若同時滿電流判據(jù)I≥Id式3、電壓判據(jù)U≤Ud式4則判定出現(xiàn)短路故障，再進入報警步驟52和跳閘步驟53；若無短路故障，再執(zhí)行短路檢測步驟48、判別步驟49進行的第二輪短路檢測，若檢測中出現(xiàn)短路故障，則進入報警步驟52并進入跳閘步驟53有選擇地切除短路故障；若第二輪短路檢測無故障，再執(zhí)行短路檢測步驟50、判別步驟51執(zhí)行的第三輪短路檢測，若有短路故障，則按第一輪方法切除短路故障。在第一至三輪確定有短路故障后，根據(jù)邏輯判據(jù)的判定結(jié)果切除故障，并確定是否進入備用電源投入判別步驟54、備用電源投入步驟55；在進行第三輪短路檢測后，進入中斷控制步驟56，決定是否繼續(xù)執(zhí)行程序步驟46，或者退出步驟57。上述流程圖中的步驟的編程，屬本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟悉的，故在此不再祥述。
權(quán)利要求
1.一種直流系統(tǒng)短路保護裝置，其特征是它是支路短路檢測電路(34)經(jīng)數(shù)據(jù)采集電路(39)、A/D轉(zhuǎn)換電路(43)與工業(yè)控制計算機(45)聯(lián)接；母線電壓檢測電路(36)經(jīng)數(shù)據(jù)采集電路(40)、A/D轉(zhuǎn)換電路(44)與工業(yè)控制計算機(45)聯(lián)接；斷路器狀態(tài)檢測電路(37)經(jīng)光隔離輸入電路(41)與工業(yè)控制計算機(45)聯(lián)接；工業(yè)控制計算機(45)運用電流判據(jù)I≥Id式3、電壓判據(jù)U≤Ud式4進行計算判定，同時滿足電流、電壓判據(jù)，則判定直流系統(tǒng)出現(xiàn)短路故障，再經(jīng)選擇性邏輯判據(jù)發(fā)出控制信號經(jīng)繼電器輸出電路(42)輸出給斷路器保護跳閘控制電路(38)，式3中Id＝KIcmax為故障識別電流定值，K—可靠系數(shù)；式4中Ud—短路故障識別的電壓定值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直流系統(tǒng)短路保護裝置，其特征是所述的支路短路檢測電路(34)和母線電壓檢測電路(36)是由裝在直流系統(tǒng)的工作電源和備用電源中的霍爾傳感器構(gòu)成，直流系統(tǒng)工作電源至少為三級，第一級母線(1)上裝有一個支路，第二級母線(3)上裝有至少二個支路，第三級母線(4)上裝有至少二個支路，在工作電源外裝設(shè)備用電源(2)，備用電源(2)上的支路的末端與第二級母線(3)或第三級母線(4-6)聯(lián)接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直流系統(tǒng)短路保護裝置，其特征是支路短路檢測電路(34)是在第一級母線(1)、第二級母線(3)、第三級母線(4-6)的各支路的正或負(fù)支線上和備用電源(2)的各支路的正或負(fù)支線上裝直流霍爾傳感器(7-19)，母線電壓檢測電路(36)是在第一級母線(1)上裝電壓霍爾傳感器(33)，在三級母線(1、3、4-6)的各支路和備用電源(2)的各支路裝直流斷路器(20-32)。
全文摘要
本發(fā)明直流系統(tǒng)短路保護裝置，適應(yīng)于發(fā)電廠、變電站直流220伏，±110伏系統(tǒng)短路故障在線保護，本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的，它是支路短路檢測電路經(jīng)數(shù)據(jù)采集電路、A/D轉(zhuǎn)換電路與工業(yè)控制計算機聯(lián)接；母線電壓檢測電路經(jīng)數(shù)據(jù)采集電路、A/D轉(zhuǎn)換電路與工業(yè)控制計算機聯(lián)接；斷路器狀態(tài)檢測電路經(jīng)光隔離輸入電路與工業(yè)控制計算機聯(lián)接；工業(yè)控制計算機運用電流判據(jù)I≥Id式3、電壓判據(jù)U≤Ud式4進行計算判定，同時滿足電流、電壓判據(jù)，則判定直流系統(tǒng)出現(xiàn)短路故障，再經(jīng)選擇性邏輯判據(jù)發(fā)出控制信號經(jīng)繼電器輸出電路輸出給斷路器保護跳閘控制電路。
文檔編號H02H7/26GK1402404SQ0212665
公開日2003年3月12日 申請日期2002年7月23日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月23日
發(fā)明者張忠元, 趙登福, 董繼民, 馮書安, 李世偉, 彭夕嵐 申請人:甘肅省電力公司, 西安交通大學(xué)