專利名稱：用于保護繼電器的零序電壓極化方向元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的來說涉及一些用在電力系統(tǒng)保護繼電器中的方向元件，用于測定故障相對于繼電器裝設(shè)地點的方向，更確切地說，涉及一種在方向測定中利用零序電壓的方向元件。
當(dāng)在電力系統(tǒng)中檢測故障時，識別故障相對于保護繼電器裝設(shè)地點的方向是很重要的，該繼電器要判明故障方向。故障方向或者處在繼電器的下游側(cè)(在其正向側(cè))，該故障被稱為正向故障，或者處在繼電器的上游側(cè)(在其反向側(cè))，被稱為反向故障。保護繼電器提供這種方向信息的能力是繼電器的所有操作性能中最重要的。
精確的方向信息將保證繼電器不會把反向故障判為正向故障，逆之亦真。方向元件用來提供所需的故障方向信息。能夠測定在兩個方向上的故障的繼電器，或者具有單個正向和反向的方向元件，或者是一單個的方向元件，能夠提供兩個方向的故障信息。
通常在通用的方向元件中公知的是負(fù)序極化方向元件和零序極化方向元件。在序號為5349490和5365396的美國專利中介紹了使用負(fù)序方向元件的實例，這兩項專利均轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的同一受讓人。本發(fā)明涉及一種零序方向元件。已知的零序極化方向元件的缺點在于，由于在保護繼電器裝設(shè)點處的零序電壓必須具有足夠的幅值，在這樣的幅值下測量電壓角度是可靠的，而當(dāng)與零序線路阻抗相比，本地的零序電源阻抗相對較小時，例如對于在強電力系統(tǒng)中的遠(yuǎn)方故障可能產(chǎn)生這種零序電壓幅值不高情況，而常規(guī)的零序方向元件由于零序電壓幅值很低時就不能可靠地判明正向故障狀態(tài)，這當(dāng)然是一個缺點。
本發(fā)明改進(jìn)了零序方向元件，克服了常規(guī)零序元件的這一缺點，同時在沒有采用在5349490和5365390號專利中公開的負(fù)序方向元件的情況下，能夠判明正確的方向。
因此，本發(fā)明是一種用在保護電力系統(tǒng)的繼電器中的方向元件，其包含一裝置，用于換得作為電力系統(tǒng)的功率不信號的零序電壓和零序電流，該電力系統(tǒng)具有已知的本地的零序電源阻抗、零序線路阻抗和遠(yuǎn)方的零序電源阻抗；一個裝置，用于計算代表電力系統(tǒng)零序阻抗的數(shù)值；一個裝置，用于設(shè)立一個比本地的零序電源阻抗大一正值的第一閾值量以及一個比零序線路阻抗加上遠(yuǎn)方零序電源阻抗小一正值的第二閾值量，其中第一閥值量比第二閾值量小一正值；以及一個裝置，用于將所述計算值與第一、第二閾值量比較，以便識別故障點相對繼電器的方向，第一閾值量用于正向故障，第二閾值量用于反向故障。


圖1是對于相對地故障的正序、負(fù)序和零序阻抗網(wǎng)絡(luò)。
圖2是分別表示對于正向和反向故障的阻抗ZSO和ZRO+ZLO的零序阻抗平面圖。
圖3是表示在零序阻抗平面中相對正向和反向故障閾值的正向和反向故障區(qū)的示意圖。
圖4是表示本發(fā)明的零序電壓極化方向元件工作的電路示意圖。
圖5是表示零序電流極化方向元件工作的電路示意圖。
圖6是表示負(fù)序電壓極化方向元件的電路示意圖。
圖1表示電力傳輸線上的相對地故障，例如單相線路(A、B或C相)接地時的相序網(wǎng)絡(luò)。保護繼電器通常監(jiān)測所有的相序網(wǎng)絡(luò)電流和電壓。在圖1中遠(yuǎn)方故障電阻10示為3RF。正序網(wǎng)絡(luò)包括本地的零序電源阻抗(ZS1)、正序線路阻抗(ZL1)以及遠(yuǎn)方正序電源阻抗(ZR1)，分別以12、14和16表示。保護繼電器17相對網(wǎng)絡(luò)阻抗的位置如圖所示。對于遠(yuǎn)方接地故障的負(fù)序量和零序量也表示在圖1中，繼電器也監(jiān)測這些量。
在本發(fā)明的方向元件中，僅利用零序量。常規(guī)的零序方向元件計算在該元件上形成的“轉(zhuǎn)矩”(torgue)，它是由于故障且根據(jù)如下公式產(chǎn)生的T＝Re(S1·S2*)(1)其中*代表復(fù)數(shù)的共軛值。利用余弦相角比較器來實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的測定。S1輸入等于3V0，S2輸入等于IRZLO，其中3V0＝VA+VB+VC，IR＝IA+IB+IC。ZLO是本地的電源阻抗。VA、VB、VC電壓是電力系統(tǒng)的每相(A、B和C)在繼電器裝設(shè)點處的信號電壓。而IA、IB、IC電流是在繼電器裝設(shè)點的三相電流。
由于如在繼電器的正向側(cè)故障零序電流領(lǐng)先零序電壓，如果在繼電器的反向側(cè)故障，零序電流滯后零序電壓，那么，當(dāng)計算的轉(zhuǎn)矩是負(fù)的時，方向元件判明是正向故障狀態(tài)(假如超過最小轉(zhuǎn)矩閾值)，并且如果該轉(zhuǎn)矩是正的(假如超過最小轉(zhuǎn)矩閾值)，相反則判明是反向故障。
然而，如上所述，這種常規(guī)的零序電壓極化方向元件在某些情況下是不可靠的，即其中本地的零序電源阻抗ZSO與零序線路阻抗ZLO相比較小，例如，在長傳輸線路和強電力系統(tǒng)中發(fā)生遠(yuǎn)方故障就可能出現(xiàn)這種情況。在這種情況下，常規(guī)的零序方向元件將不能可靠地判明故障狀態(tài)，因為3V0的數(shù)值是那樣小，以致不能可靠測量其角度。
本發(fā)明雖然也利用零序電壓，但它能夠保證可靠地指示方向，即使是當(dāng)零序電源阻抗實際上與零序線路阻抗相比時很小的時候。這是通過調(diào)節(jié)正向和反向閾值來實現(xiàn)的，當(dāng)存在正向故障的計算的零序阻抗低于正向閾值，以及當(dāng)存在反向故障時則在反向閾值之上。
對閾值的調(diào)節(jié)取決如下對于正向故障狀態(tài)，S1數(shù)值可以增加一個數(shù)值KIR·ZLO，其中K為預(yù)定的數(shù)值，為了對于反向故障具有一個可靠的S1，K值應(yīng)當(dāng)小于(ZLO+ZRO)/ZLO，其中ZLO是零序線路阻抗，ZRO是遠(yuǎn)方零序電源阻抗。
將轉(zhuǎn)矩值T(由上述方程1)設(shè)定等于零，利用新的S1值按下式?jīng)Q定經(jīng)補償?shù)姆较蛟倪吔鐥l件Re[(3V0-KZLO·IR)·(ZLO·IR)*]＝0(2)其中*是復(fù)數(shù)的共軛值。
現(xiàn)在，用ζ∠θLO代替ZLO并設(shè)K＝1，其中θLO是零序線路阻抗角，通過解下式可以解出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)對于正向故障，ζ0＝-|ZSO|，下文稱為ζ0F，而對于反向故障，ζ0＝|ZLO+ZRO|，下文稱為ζ0R。在圖2的零序阻抗平面圖中表示了這一點，其中正向故障值表示為-ZSO(線20)，而反向故障值ZLO+ZRO表示在線22。ZSO、ZLO和ZRO的數(shù)值是已知的。圖2的零序阻抗半面具有標(biāo)為24的電抗軸X0和標(biāo)為28的電阻軸R0。
將本發(fā)明中的計算值ζ0(上述方程3)與經(jīng)調(diào)節(jié)的正向閾值ZOF和經(jīng)調(diào)節(jié)的反向閾值ZOR相比較。如果ζ0小于ZOF，該元件判明為正向故障狀態(tài)，而如ζ0大于ZOR，該元件判明為反向故障方向。因此，在本發(fā)明中，ZOF值限定了繼電器的正向區(qū)邊界，而ZOR值限定了反向區(qū)邊界。為了保證正反向區(qū)的良好配合，要使兩個區(qū)不相重合，在所示實施例中ZOR和ZOF的數(shù)值分開0.1歐的數(shù)值。
將經(jīng)調(diào)節(jié)的正向閾值ZOF設(shè)定得大于ζ0F和小于反向閾值ZOR減去0.1歐。經(jīng)調(diào)節(jié)的反向閾值ZOR設(shè)定得小于ζOR而大于正向閾值ZOF加上0.1。在圖3所示的阻抗平面圖中，非常清楚地看到正向和反向故障區(qū)，其中區(qū)30是反向故障區(qū)，區(qū)32是正向故障區(qū)，中間區(qū)34是繼電器的非動作區(qū)。
正如由圖3和上述可以看到的，各閾值處在由-ZSO和ZLO和ZRO限定邊界的阻抗區(qū)內(nèi)，這樣即使電源阻抗為零或接近于零，仍然有足夠的余地和范圍來選擇兩個閾值。
圖4表示上述零序方向元件的實施方案。圖4包括除了上述的基本計算和比較功能以外的幾種保護功能。ζ0的計算是根據(jù)上面指出的公式(3)利用元件40來完成的。這個計算單元具有3V0和IR的輸入量。元件40(S0)的輸出利用比較器42和設(shè)定的正向閾值ZOF比較，利用比較器44和反向閾值ZOR比較。
計算元件40由AND門46的輸出啟動計算。當(dāng)幾個條件同時存在時AND門46的輸出為高。第一種情況是當(dāng)凈余電流IR的幅值大于正序電流I1的幅值乘以所選擇的指定(supervision)系數(shù)ao時發(fā)生。由比較器48實現(xiàn)這一測定。實現(xiàn)這一比較，以便對于在不對稱的傳輸線路上的三相故障狀態(tài)下為方向元件保證可靠性。在水平排列的桿塔的結(jié)構(gòu)中ao的一個實例是ao＝0.082。
此外，凈余電流IR必須大于50F元件設(shè)定值，該50F元件是特定的故障檢測元件。在所示實施例中，該50F的閾值對于標(biāo)稱5安的繼電器處在0.25-5安的設(shè)定范圍內(nèi)。由比較器50實現(xiàn)比較功能。與之相似，凈余電流IR必須在50R的閾值之上，以便使方向元件能用于保護反向故障。對于標(biāo)稱5安的繼電器該50R的設(shè)定范圍也處在2.5-5安。由比較器51執(zhí)行對于50R設(shè)定值的比較功能。比較器50和51的輸出提供到OR門49，OR門49的輸出提供到AND門46。
對AND門46的第3個輸入(NOT)來自O(shè)R門S2的輸出，這個特定的輸入包含下文將更詳細(xì)討論的本發(fā)明的另一個方面，并且假如將零序電壓極化元件用作保護繼電器中僅有的方向元件，設(shè)有這個輸入。當(dāng)OR門52的輸出為高時，AND門46的輸出為低，計算元件40不會啟動進(jìn)行計算。
正向閾值比較器42的輸出施加到AND門54的一個輸入端。AND門54的輸出提供一個標(biāo)為32VF的正向故障指示。AND門54的另一個輸入是來自O(shè)R門58的NOT端輸入。當(dāng)該50F的設(shè)定值已經(jīng)達(dá)到時或來自O(shè)R門52的輸出為低時或當(dāng)沒有指示反向故障時，這個輸入才起作用(使得來自比較器42的高輸出將產(chǎn)生32VF的正向故障指示)。因此，當(dāng)順序指示有反向故障時，OR門56提供一個“清除”或“終止”的功能，用于正向故障指示。
與之相似，對于反向故障比較器44的輸出作為一個輸入提供到AND門58。AND門58的另一個輸入(NOT)來自O(shè)R門60。當(dāng)50R反向閾值設(shè)定值已被超過時，或當(dāng)OR門52的輸出為低時，和當(dāng)沒有由AND門54后續(xù)指示正向故障時，OR門60的輸出為低(使得當(dāng)比較器44的輸出為高時，AND門58的輸出為高，指示有反向故障)，當(dāng)OR門60的輸出為低(使得NOT輸入為高)以及比較器44輸出為高時，AND門58的輸出變高以及在線55上提供指示有反向故障的信號(32VR)。如產(chǎn)生后續(xù)的正向故障指示，OR門60的輸出將變高，閉鎖AND門58的“清除”反向故障指示32VR。
因此，圖4中的零序電壓極化方向元件，由于采用對于正向故障和反向故障的兩個單個的改變的閾值，故即使對強本地電源(小的零序電源阻抗)時的遠(yuǎn)方故障，也能提供故障狀態(tài)的可靠指示。
根據(jù)上面公開的具體的零序電壓極化方向元件的一個相關(guān)方面，可以將這樣一種方向元件與其它方向元件例如零序電流極化方向元件和負(fù)序電壓極化方向元件相結(jié)合，以便提供一種對于不對稱故障的自適應(yīng)或通用方向元件。
圖5表示一種能夠用在這樣一種裝置中的零序電流極化方向元件。利用元件70進(jìn)行計算，即將凈余電流IR和外部極化電源電流(IPOL)相乘得到計算值的實部。將形成的這一計算值提供到兩個比較器72和74。對于標(biāo)稱5安的繼電器，比較器72將計算值與+0.0625伏比較。如果計算值大于該閾值，比較器72的輸出提供到AND門75，其在或75上提供32IF的正向故障指示。然而，該正向故障指示可能被來自AND門78的順序的反向故障指示所清除。
相反，在比較器74，來自計算器70的計算值與-0.625伏的反向閾值相比較。如這個閾值小于計算值(即更負(fù))，比較器74的高輸出提供到AND門78。AND門78由來自AND門75的正向故障指示所清除。
計算元件具有幾個閾值運算要求。首先，IR的絕對值必須超過預(yù)定的設(shè)定值。這由比較器84來證實。此外，極化電流IPOL的絕對值必須超過0.25安，這由比較器85來設(shè)立。再有，當(dāng)由比較器88來設(shè)立時，同時在平行的相線中必須基本上設(shè)有凈余電流，應(yīng)認(rèn)定沒有IMBL輸入，這種輸入是用于檢測零序電源隔離情況的，它可能引起電流極化方向元件的誤動作。
在圖6中表示了負(fù)序方向元件，它適用在上面詳細(xì)討論的5349490和5365396號專利中所詳細(xì)介紹的自適應(yīng)性或通用方向元件中，這些專利結(jié)合本申請可做參改。簡而言之，負(fù)序電壓V2和電流I2作為輸入提供到阻抗計算元件90，該元件產(chǎn)生的輸出再在比較器92和94中分別與正向和反向閾值相比較。在圖6中表示的阻抗計算公式為ζ2＝Re[V2·(I2·1∠θ)*]/|I2|2，比較器96、98和100提供專用的量化保護功能，以便啟動計算元件90計算。負(fù)序電流必須超過某一最小閾值a2(I1)，其中a2是選擇的一個常數(shù)，I1是正序電流。負(fù)序電流對于正向和反向故障檢測還必須分別具有最小值。OR門97和AND門102實現(xiàn)起動保護裝置的性能。AND門102也對缺少來自O(shè)R門103的信號產(chǎn)生響應(yīng)。圖6中的負(fù)序方向元件對于正向和反向輸出也具有這樣的特征，即通過OR門104、106和AND門108、110能夠“清除”輸出，這與圖4和圖5中的電路元件的特征相類似。
在該通用方向元件實施例中，零序電流極化方向元件(圖5)排在最先，假如這個單個的元件決定了方向，則其它二個元件不再運行。這種安排的實施，例如通過將32IF和32IR的輸入提供到圖4中的OR門52和圖6中的OR門103可實現(xiàn)，它們有效地閉鎖在這些電路中的阻抗計算元件動作。
假如零序電流極化方向元件(圖5)沒有決定方向，則負(fù)序電壓極化方向元件(圖6)就按上述實施例中的順序排在緊接的位置。假如負(fù)序方向元件決定了方向，則零序電壓極化方向元件(圖4)由經(jīng)過OR門52控制的圖4中所示的輸入32QF和32QR而被閉鎖。
假如圖6中的負(fù)序方向元件沒有確定方向，則圖4中的零序電壓極化方向元件才有機會確定方向。因此，本發(fā)明的包括通用方向元件的各單個方向元件的動作順序是(1)零序電流極化方向元件，(2)負(fù)序方向元件，(3)零序電壓極化方向元件。
這種順序安排在很多情況下，例如用于動作一個特定方向元件所需的電壓和電流數(shù)值在所選擇的應(yīng)用場合下可能得不到時，就具有優(yōu)點。例如，在這樣一種情況下，正序電源由電力系統(tǒng)中脫開，負(fù)序電源也會被脫開。如果在繼電器中的方向元件是負(fù)序元件，則由于不能得到負(fù)序電源的各種量，該繼電器就不能確定方向。
工業(yè)上可使用的繼電器僅選擇零序或負(fù)序量來確定方向；在起動元件選定之后，相同的方向元件必須適用于所有的功率狀態(tài)。這就要根據(jù)具體的應(yīng)用場合，進(jìn)行統(tǒng)籌兼顧。
然而，在本發(fā)明中，對于所有電力系統(tǒng)狀態(tài)實際上都能保證方向的確定，這是由于在至少一個單個的方向元件工作所需要的各相序的電量和應(yīng)用條件按相序幾乎總是可以得到的。因此，由于利用按特定順序排列的3個單個的方向元件，本發(fā)明可適當(dāng)稱為不對稱故障的自適應(yīng)或通用的方向元件。然而，應(yīng)當(dāng)理解，可以采用與上述不同的順序，或者在某些情況下，可以采用兩個或多于三個的元件。
因此，本申請公開了一種新型的零序方向元件，其相對于常規(guī)的零序元件提供方向確定的更大可靠性，同時與負(fù)序方向元件比較，也具有某些優(yōu)點。此外，將不同的各單個方向元件按一定順序組合起來能具有自適應(yīng)的或通用的方向元件的能力。
雖然出于說明的目的這里介紹了本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，可以理解，在不脫離由如下權(quán)利要求限定的本發(fā)明的構(gòu)思的情況下，可以結(jié)合這一實施例，進(jìn)行各種變化、改進(jìn)和代換。
權(quán)利要求
1.一種使用在保護電力系統(tǒng)的繼電器中的方向元件，包含一個用于獲得在電力系統(tǒng)的功率信號的零序電壓和電流數(shù)值的裝置，該電力系統(tǒng)具有已知數(shù)值的本地的零序電源阻抗、零序線路阻抗和遠(yuǎn)方的零序電源阻抗；一個用于計算代表電力系統(tǒng)的零序阻抗的數(shù)值的裝置，一個用于確立一個第一閾值量和一個第二閾值量的裝置，其第一閾值量比本地的零序電源阻抗大一正值；第二閾值量比零序線路阻抗加上遠(yuǎn)方零序電源阻抗小一正值，其中第一閾值量比第二閾值量小一正值；以及一個用于將所述計算值與第一和第二閾值量相比較，以便識別故障相對繼電器設(shè)點的方向的裝置，第一閾值量用于判定正向故障，第二閾值量用于判定反向故障。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，包括用于提供指示正向故障和反向故障的輸出的裝置。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中的第一和第二閾值分開至少0.1歐。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中根據(jù)如下的公式Re[3VO(I∠θLOIR)*]/|IR|2計算所述的零序阻抗值。
5.如權(quán)利要求1所述的裝置，包括一個裝置，用于如凈余電流與正序電流幅值乘以預(yù)選值相比較小，不啟動計算裝置進(jìn)行計算。
6.如權(quán)利要求1所述的裝置，包括一個裝置，用于如凈余電流超過用于正向故障判別的第一閾值和用于反向故障判別的第二閾值，才啟動計算裝置進(jìn)行計算。
7.如權(quán)利要求2所述的裝置，包括一個裝置，用于當(dāng)確定出現(xiàn)反向故障時清除正向故障指示，或者相反。
8.一種自適應(yīng)、通用的方向元件，包含至少兩個分開的按選擇的動作順序配置的單個方向元件，按所述選擇順序中的第一元件提供在所選擇的動作參數(shù)范圍內(nèi)的正向和反向故障的方向指示；以及一種裝置，用于如果第一元件提供方向指示則閉鎖其它方向元件的動作，并且用于當(dāng)?shù)谝辉茨芴峁┓较蛑甘緯r使第二元件能夠動作。
9.如權(quán)利要求8所述的通用方向元件，包括按選擇順序動作的三個單個的方向元件，一個方向元件是零序電流極化元件，另一個元件是負(fù)序電壓極化方向元件，再一個元件是零序電壓極化方向元件。
10.如權(quán)利要求9所述的裝置，其中3個單個的方向元件的動作順序是零序電流極化元件、負(fù)序電壓極化元件以及零序電壓極化元件。
11.如權(quán)利要求9所述的裝置，其中每個方向元件包括用于在產(chǎn)生反向故障指示時清除正序故障方向的指示或者相反的裝置。
12.如權(quán)利要求8所述的裝置，其中每個單個的方向元件包括用于僅當(dāng)選擇的電流值超過用于正向故障或反向故障的閾值時才使該元件能動作的裝置。
全文摘要
一種方向元件由零序電流和經(jīng)調(diào)節(jié)的零序電壓的數(shù)值提供與電力系統(tǒng)的零序電源阻抗相對于方向元件裝設(shè)點的一個相關(guān)量值，然后將該阻抗量值與第一和第二閾值量相比較，以便識別故障方向。此外，可將零序電壓極化方向元件與包括零序電流極化方向元件和負(fù)序電流極化方向元件的其它單個方向元件相組合構(gòu)成一個對于不對稱故障的通用方向元件，其中各單個方向元件按一定的順序動作。
文檔編號H02H3/08GK1154586SQ9611278
公開日1997年7月16日 申請日期1996年10月18日 優(yōu)先權(quán)日1995年10月20日
發(fā)明者杰弗里·B·羅伯茨, 阿芒多·古茲曼-卡西拉 申請人:斯維則工程實驗室公司