專利名稱:母線差動(dòng)繼電器的制作方法
本發(fā)明涉及到電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中母線段的保護(hù)，更具體地說(shuō)，涉及到一種母線差動(dòng)繼電器。該繼電器的行為取決于與母線段連接的多條饋電線的電流互感器產(chǎn)生的電流信號(hào)，借助于切斷流過(guò)多條饋電線的電流來(lái)保護(hù)母線段免受內(nèi)部故障的危害，並要防止饋電線電流由于外部故障所造成的內(nèi)部故障誤指示而被切斷;該外部故障發(fā)生于多條饋電線中的至少有一條上，該饋電線上相應(yīng)的電流互感器在電流交變周期的一段時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)了飽和。
一些繼電器制造廠已經(jīng)對(duì)繼電器的設(shè)計(jì)提出了建議，以克服上述關(guān)于在一條饋電線上發(fā)生外部故障時(shí)電流互感器飽和帶來(lái)的弊病。這種建議的一個(gè)例子在美國(guó)第4，502，086號(hào)專利中曾公開，標(biāo)題是“差動(dòng)保護(hù)繼電器”，在1985年2月26日發(fā)表在Toshinobu Ebisaka。Ebisaka專利建議饋電線電流互感器輸出端采用二極管和電阻網(wǎng)絡(luò)，以提供三個(gè)分量來(lái)確定是存在內(nèi)部故障還是外部故障。一個(gè)分量是流入到母線電流的總和;另一個(gè)分量是流出母線電流的總和;第三個(gè)分量是這兩個(gè)電流的總和或者是通過(guò)母線段的合成電流。實(shí)現(xiàn)Ebisaka的建議多少有些過(guò)分復(fù)雜，在它的設(shè)計(jì)中，采用了在無(wú)故障或外部故障/電流互感器飽和時(shí)禁止發(fā)出跳閘信號(hào)且在真正內(nèi)部故障情況下將禁止信號(hào)閉鎖基本原理。
本發(fā)明的主要目的是克服Ebisaka建議的繼電器的復(fù)雜性，用一個(gè)簡(jiǎn)單得多的實(shí)施方案來(lái)區(qū)別電流互感器出現(xiàn)飽和時(shí)的外部故障情況和真正內(nèi)部故障情況。
為了以下的目的將本發(fā)明用于一個(gè)電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，該網(wǎng)絡(luò)包括一個(gè)母線段及與其連接的多條饋電線，饋電線通過(guò)上述的母線段傳送交流電流;每一條饋電線包括一個(gè)電流互感器，用作測(cè)量流過(guò)它的交流電流並產(chǎn)生一個(gè)代表電流幅值和周波二者的信號(hào);每個(gè)電流互感器有一個(gè)測(cè)量電流幅值的限制容量，超過(guò)該容量就發(fā)生飽和，其結(jié)果使在飽和期間它所產(chǎn)生的饋電線路電流信號(hào)失真;一個(gè)母線差動(dòng)繼電器的行為取決于上述多條饋電線所產(chǎn)生的電流信號(hào)，借助于切斷流過(guò)上述多條饋電線的電流來(lái)保護(hù)上述母線段免受內(nèi)部故障的危害，並防止饋電線路電流由于外部故障所造成的內(nèi)部故障誤指示而切斷;該外部故障發(fā)生于上述多條饋線中的至少一條上，該饋電線上相應(yīng)的電流互感器在電流交變周期的一段時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)了飽和。上述母線差動(dòng)繼電器包括第一個(gè)電路裝置，用來(lái)把所產(chǎn)生的相應(yīng)于與母線段連接的饋電線的電流信號(hào)瞬時(shí)相加，並且產(chǎn)生一個(gè)電流差動(dòng)信號(hào)，該差動(dòng)信號(hào)代表上述瞬時(shí)電流信號(hào)的總和;第二個(gè)電路裝置，用來(lái)產(chǎn)生兩個(gè)參考幅值電平，它們形成了一個(gè)幅值窗口;第三個(gè)電路裝置，用來(lái)根據(jù)上述電流差動(dòng)信號(hào)的幅值超出上述形成的幅值窗口來(lái)產(chǎn)生第一指示，並根據(jù)上述電流差動(dòng)信號(hào)的幅值落到上述形成的幅值窗口內(nèi)而產(chǎn)生第二指示。第一計(jì)時(shí)電路靠產(chǎn)生第一指示使之開始在第一時(shí)間周期內(nèi)的計(jì)時(shí)。經(jīng)過(guò)上述第一時(shí)間周期的計(jì)時(shí)后產(chǎn)生一個(gè)跳閘信號(hào)，切斷通過(guò)上述多條饋電線的電流。第二個(gè)計(jì)時(shí)電路靠產(chǎn)生第二指示使之開始在第二時(shí)間周期內(nèi)的計(jì)時(shí)，經(jīng)過(guò)上述第二時(shí)間周期計(jì)時(shí)后，產(chǎn)生一個(gè)復(fù)歸信號(hào)。上述第二計(jì)時(shí)電路，可以在上述第二計(jì)時(shí)周期內(nèi)，被產(chǎn)生的第一指示復(fù)歸，以防止產(chǎn)生上述復(fù)歸信號(hào)。上述第一計(jì)時(shí)電路可以在上述第一計(jì)時(shí)周期內(nèi)被產(chǎn)生的復(fù)歸信號(hào)復(fù)歸，以防止產(chǎn)生上述跳閘信號(hào)。上述第一計(jì)時(shí)周期比第二計(jì)時(shí)周期要長(zhǎng)。
從以下有關(guān)附圖的典型說(shuō)明中，本發(fā)明將更容易理解。
圖1是一個(gè)和多條饋電線相連的母線段遭到內(nèi)部故障的示意圖。
圖2是一個(gè)母線段和多條饋電線中一條遭到外部故障的示意圖。
圖3包括的波形A、B和C為舉例說(shuō)明在一條饋電線上發(fā)生外部故障且其上的電流互感器在電流交變周期的部分區(qū)段內(nèi)飽和時(shí)的電流狀況。
圖4是一個(gè)適合體現(xiàn)本發(fā)明原理的母線差動(dòng)繼電器電路圖。
圖5是一個(gè)適于在圖4的實(shí)施方案中采用的動(dòng)態(tài)地調(diào)整幅值窗口參考電平的電路圖。
圖6是一個(gè)適于在圖4的實(shí)施方案中采用的動(dòng)態(tài)地調(diào)整幅值窗口參考電平的另一個(gè)電路圖。
圖7描述了時(shí)間波形A到E，用來(lái)說(shuō)明圖4的母線差動(dòng)繼電器實(shí)施方案在母線內(nèi)部故障情況下的工況。
圖8描述了時(shí)間波形A到E以及X，用來(lái)說(shuō)明圖4的母線差動(dòng)繼電器實(shí)施方案在母線外部故障且饋電線電流互感器飽和期的工況。
圖9是一個(gè)適于在圖4中描述的母線差動(dòng)繼電器中采用的變化檢測(cè)器的實(shí)施方案方框圖。
在一個(gè)電力系網(wǎng)絡(luò)中，用母線段來(lái)傳送連接在其上的多條饋電線之間的交流電流，這樣的布置由圖1進(jìn)行描述。實(shí)線10表示母線段，實(shí)線11-16表示饋電線。11-16的每一條饋電線都分別包括一個(gè)電流互感器17-22，用來(lái)瞬時(shí)地測(cè)量流過(guò)各饋電線的交流電流。每一個(gè)電流互感器都產(chǎn)生一個(gè)代表它相應(yīng)的饋電線的交流電流的幅值和周波二者的信號(hào)，但是它有一個(gè)測(cè)量電流幅值的限制容量，超過(guò)該容量，就發(fā)生飽和，其結(jié)果使它產(chǎn)生的信號(hào)失真。11-16的每一條饋電線還分別包括常規(guī)的開關(guān)設(shè)備23-28，當(dāng)開關(guān)動(dòng)作時(shí)，分別切斷其上的電流。
實(shí)現(xiàn)母線差動(dòng)保護(hù)典型的辦法是把所有與母線段連接的饋電線的電流信號(hào)進(jìn)行比較。例如，如果從電流互感器17-22來(lái)的所有電流信號(hào)總和等于零或接近于零，也就是沒(méi)有差動(dòng)信號(hào)，則母線段10被認(rèn)為是平衡的，其上沒(méi)有故障。但是，如果母線段10遭到如在30處的對(duì)地短路的內(nèi)部故障時(shí)，其電流總和就不再平衡，而產(chǎn)生出足夠幅值的差動(dòng)信號(hào)，指示存在內(nèi)部故障。
如在圖2中饋電線16上32處所示的在饋線上的外部故障，差動(dòng)電流信號(hào)在理想情況下應(yīng)該為零或接近于零，因?yàn)槟妇€段10的饋電線11-16的電流保持平衡。但是，實(shí)際上饋電線電流互感器在其電流幅值的測(cè)量容量方面受到限制。例如，由于它要通過(guò)所有與母線段10連接的其它饋電線綜合的短路電流，因此，在故障饋電線上的電流互感器22要發(fā)生飽和，這種情況由圖3描繪的波形A、B和C來(lái)說(shuō)明。
參見圖3，波形A表示饋電線11-15電流信號(hào)的合成，而波形B表示故障饋電線16的電流信號(hào)。波形B中為零或接近于零的部分40表示電流互感器在發(fā)生飽和時(shí)的部分。波形C是電流波形A和B的總和，也是用于檢測(cè)內(nèi)部故障的差動(dòng)信號(hào)。與電流互感器發(fā)生飽和時(shí)的時(shí)間40相對(duì)應(yīng)，差動(dòng)信號(hào)的幅值偏離零或接近零的狀態(tài)，如42處的波形所示。如果不對(duì)幅值偏離42校正，就會(huì)造成內(nèi)部故障誤指示，使開關(guān)設(shè)備23-28動(dòng)作，接著就切斷通過(guò)母線段10的電流。
根據(jù)本發(fā)明的披露，母線差動(dòng)繼電器的行為取決于多條饋電線上所產(chǎn)生的電流信號(hào)，借助于切斷流過(guò)多條饋電線的電流來(lái)保護(hù)母線段免受內(nèi)部故障的危害。該繼電器還能夠防止饋電線電流由于外部故障所造成的內(nèi)部故障誤指示而切斷;這個(gè)外部故障至少發(fā)生在其中一條饋電線上，該饋電線相應(yīng)的電流互感器在電流交變周期的一段時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)了飽和。
該母線差動(dòng)繼電器包括的第一個(gè)電路用來(lái)把所產(chǎn)生的電流信號(hào)瞬時(shí)相加，產(chǎn)生一個(gè)電流差動(dòng)信號(hào)供給窗口比較器電路。當(dāng)電流差動(dòng)信號(hào)的幅值超出所形成的參考幅值窗口時(shí)，該窗口比較器電路產(chǎn)生第一指示;當(dāng)差動(dòng)信號(hào)的幅值落入上述所形成的參考幅值窗口范圍以內(nèi)時(shí)，該電路還產(chǎn)生第二指示。所產(chǎn)生的第一指示使第一個(gè)計(jì)時(shí)電路開始在第一個(gè)時(shí)間周期內(nèi)的計(jì)時(shí)。如果計(jì)時(shí)能通過(guò)第一個(gè)時(shí)間周期，第一個(gè)計(jì)時(shí)電路就產(chǎn)生一個(gè)跳閘信號(hào)，切斷流過(guò)多條饋電線的電流，所產(chǎn)生的第二指示使第二個(gè)計(jì)時(shí)電路開始在第二個(gè)時(shí)間周期內(nèi)的計(jì)時(shí)。如果計(jì)時(shí)能通過(guò)第二個(gè)時(shí)間周期，這第二個(gè)計(jì)時(shí)電路將產(chǎn)生一個(gè)復(fù)歸信號(hào)。第二個(gè)計(jì)時(shí)電路在第二個(gè)計(jì)時(shí)周期內(nèi)可以被產(chǎn)生的第一指示復(fù)歸，以防止產(chǎn)生復(fù)歸信號(hào)。第一個(gè)計(jì)時(shí)電路在第一個(gè)計(jì)時(shí)周期內(nèi)可以被產(chǎn)生的復(fù)歸信號(hào)復(fù)歸，以防止產(chǎn)生跳閘信號(hào)。第一個(gè)計(jì)時(shí)周期比第二個(gè)計(jì)時(shí)周期要長(zhǎng)。
包括在母線差動(dòng)繼電器中還有第四個(gè)電路，其作用是按照一個(gè)代表電流差動(dòng)信號(hào)平均值的信號(hào)來(lái)改變所形成的參考幅值窗口的幅值電平。在一個(gè)實(shí)施方案中，對(duì)每個(gè)幅值電平增加一個(gè)與平均信號(hào)成比例的同極性信號(hào)，以使幅值電平以相同的方向改變。在另一個(gè)實(shí)施方案中，對(duì)一個(gè)電平增加一個(gè)正極性信號(hào)，而對(duì)另一個(gè)電平增加一個(gè)負(fù)極性信號(hào)，正極性和負(fù)極性信號(hào)都與平均信號(hào)成比例，這樣來(lái)使幅值電平以相反的方向改變。
一個(gè)變化檢測(cè)器電路可以連接到每個(gè)電流互感器上，根據(jù)所產(chǎn)生的電流信號(hào)檢測(cè)可能的故障開始時(shí)刻。依據(jù)這種檢測(cè)，該變化檢測(cè)器產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)脈沖，它控制第五個(gè)電路，在該信號(hào)脈沖的持續(xù)時(shí)間內(nèi)把第一個(gè)計(jì)時(shí)周期縮短，因此，第一個(gè)計(jì)時(shí)電路經(jīng)過(guò)被縮短了的計(jì)時(shí)周期之后，就可以產(chǎn)生一個(gè)跳閘信號(hào)。
本發(fā)明用于區(qū)別伴隨有饋電線電流互感器飽和的外部故障和內(nèi)部故障的基本原理在于對(duì)于交流電流的每一周都存在著一個(gè)區(qū)間，在這一區(qū)間故障饋電線的電流互感器脫離了飽和狀態(tài)至少有幾個(gè)毫秒。在圖3的典型波形B中描繪出了這一區(qū)間44。圖3中的合成電流波形C表明，在故障饋電線電流互感器脫離飽和狀態(tài)的時(shí)間間隔內(nèi)，所有饋電線電流信號(hào)的總和為零或接近于零，參照波形C中的46部分。了解到故障饋電線電流波形的每半周期中都會(huì)出現(xiàn)飽和，電流波形的總和在每半周期中呈現(xiàn)為零或接近零的部分46(平坦的部分)可能具有的最小寬度預(yù)計(jì)大約為2毫秒。因此，一個(gè)零值或接近零值的合成電流和或者在每半周期中周期性地持續(xù)在零值或接近零值(平坦部分)的合成電流可以分別看作為“無(wú)故障”狀態(tài)或者“外部故障”狀態(tài)，這兩種都是不跳閘的狀態(tài)。另一方面，由于“內(nèi)部故障”所產(chǎn)生的合成電流在通常呈現(xiàn)出正弦波的形狀，在波形中沒(méi)有持續(xù)的“平坦部分”存在。因此，對(duì)合成電流或差動(dòng)信號(hào)波形的持續(xù)的“平坦部分”進(jìn)行分析就成為故障檢測(cè)方案的一個(gè)重要的組成部分。
當(dāng)合成電流信號(hào)在幅值上增加的程度表示出明顯的故障狀態(tài)時(shí)，一個(gè)跳閘信號(hào)定時(shí)器被起動(dòng)達(dá)一個(gè)預(yù)定的時(shí)間間隔;如果到該時(shí)間間隔末了連至少一個(gè)持續(xù)的“平坦部分”都沒(méi)有被檢測(cè)出來(lái)，就發(fā)出一個(gè)跳閘信號(hào)。該跳閘信號(hào)的延遲時(shí)限可以調(diào)整到這樣一個(gè)時(shí)間間隔，例如從檢測(cè)出明顯的故障開始時(shí)起大約10到12毫秒。適合于實(shí)現(xiàn)上述功能的一個(gè)母線差動(dòng)繼電器的電路圖示于圖4。
參照?qǐng)D4，若干輔助的常規(guī)電流互感器CT1、CT2、…，CTn可用來(lái)連接由饋電線電流互感器所產(chǎn)生的電流信號(hào)，例如與被保護(hù)的母線段10相聯(lián)系的電流互感器17至22。相應(yīng)的電流信號(hào)利用一個(gè)常規(guī)的加法放大器電路相加，該電路具有電阻R1、R2、…Rn，分別從它們所對(duì)應(yīng)的電流互感器CT1、CT2、…CTn共同連接到一個(gè)運(yùn)算放大器50的反相(-)輸入端。該運(yùn)算放大器50的同相(+)輸入端連接到繼電器的公共電位上。在運(yùn)算放大器50的輸出端得到的合成電流信號(hào)或差動(dòng)信號(hào)DIFF，經(jīng)反饋電阻Rf把放大器的輸出端和(-)輸入端相連接。
差動(dòng)信號(hào)DIFF可以通過(guò)一個(gè)RC濾波電路稍許濾波，該濾波電路包括電阻51和電容52，串聯(lián)在放大器50的輸出端和繼電器的公共電位之間;取自電容52的濾波后的DIFF信號(hào)54提供給一個(gè)窗口比較器電路，包括比較器56和58，它們可以具有開路的集電極(open collector)輸出級(jí)，例如與具有LM339型號(hào)的比較器相類似。DIFF信號(hào)54可連接到56的(-)輸入端和58的(+)輸入端。56和58的輸出級(jí)的發(fā)射極可共同連接到負(fù)電位V-上。
表示為L(zhǎng)IMIT1和LIMIT2的兩個(gè)參考幅值電平可利用電阻60、61、62和63組成的串聯(lián)電阻網(wǎng)絡(luò)來(lái)產(chǎn)生，這些電阻連接在正電壓源V+和負(fù)電壓源V-之間。LIMIT1產(chǎn)生在電阻60和61的連接點(diǎn)處，該點(diǎn)連接到比較器56的(+)輸入端。類似地，LIMIT2產(chǎn)生在電阻62和63的連接點(diǎn)處，該點(diǎn)連接到比較器58的(-)輸入端。電阻61可以是一個(gè)可變電阻，以允許對(duì)參考幅值電平進(jìn)行少許調(diào)整。
對(duì)上面描述的包括產(chǎn)生兩個(gè)參考幅值電平的窗口比較器電路假定所產(chǎn)生的DIFF信號(hào)具有零值或接近零值的平均值，也就是說(shuō)，具有很小或沒(méi)有直流偏移。實(shí)際上可能并不總是這樣的情況，如果直流偏移出現(xiàn)在DIFF信號(hào)中，DIFF信號(hào)可能連續(xù)地超出一個(gè)或另一個(gè)參考幅值電平，而該電平確定了“平坦部分”的幅值窗口。很明顯，需要對(duì)幅值窗口參考電平進(jìn)行某些動(dòng)態(tài)調(diào)整，以避免上述的情形發(fā)生。圖5和圖6示出了兩個(gè)合用的電路，用來(lái)根據(jù)DIFF的作用動(dòng)態(tài)地改變參考窗口幅值電平。
參照?qǐng)D5，DIFF信號(hào)連接到一個(gè)常規(guī)的平均值電路66，在其輸出端68產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)，代表了DIFF信號(hào)的平均值。更準(zhǔn)確地說(shuō)，該DIFF信號(hào)通過(guò)電阻72連接到一個(gè)運(yùn)算放大器70的(-)輸入端?？缃釉诜糯笃?-)輸入端和輸出端68之間的是由電阻74和電容76組成的一個(gè)并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。放大器70的(+)輸入端可連接到繼電器的公共電位上。此外，輸出端68可連接到一個(gè)倒相放大器電路80上，電路80包括一個(gè)運(yùn)算放大器82，82的(-)輸入端通過(guò)電阻84連到輸出端68;其(+)輸入端連接到繼電器的公共電位上。反饋電阻86連接在放大器82的(-)輸入端和它的輸出端88之間。在這個(gè)實(shí)施方案中，電阻90和91共同連接到輸出端88，把88處的電壓信號(hào)變換為同極性的分開的電流信號(hào)，分別提供給電阻網(wǎng)絡(luò)60-63的兩點(diǎn)LIMIT1和LIMIT2。
在運(yùn)行時(shí)，電路66在68點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)DIFF信號(hào)的平均值或直流偏移信號(hào)，該信號(hào)由電路80倒相并經(jīng)由電阻90和91變換為分開的電流信號(hào)。此分開的電流信號(hào)經(jīng)過(guò)90和91供給電阻網(wǎng)絡(luò)60-63，用來(lái)在同一方向分別改變參考幅值電平LIMIT1和LIMIT2。通過(guò)把正比于在88點(diǎn)輸出信號(hào)的分開的同極性電流信號(hào)加至LIMIT1和LIMIT2每一點(diǎn)，來(lái)實(shí)現(xiàn)這一電路功能。因此，如果直流偏移為正，整個(gè)參考幅值窗口將相對(duì)于繼電器的公共電位向正幅值方向移動(dòng);同樣，如果直流偏移為負(fù)，該過(guò)程將以相反的方向進(jìn)行。
圖6所示的另一個(gè)實(shí)施方案包括一個(gè)與圖5所描述的實(shí)施方案相類似的電路，只是電阻91從輸出端68連接到電阻網(wǎng)絡(luò)60-63的LIMIT2點(diǎn)。在運(yùn)行中，圖6的實(shí)施方案在相反的方向動(dòng)態(tài)地改變了參考幅值電平LIMIT1和LIMIT2，方法是把一個(gè)正極性電流信號(hào)加至一個(gè)電平，而把一個(gè)負(fù)極性電流信號(hào)加至另一個(gè)電平，正和負(fù)極性的電流信號(hào)二者都與DIFF信號(hào)的平均值成比例。
再參照?qǐng)D4，窗口比較器電路的輸出端，即比較器56和58的輸出公共連接端，通過(guò)電阻92和電容94的并聯(lián)組合網(wǎng)絡(luò)連接到正電壓源V+;該輸出公共連接端還接到另一個(gè)比較器96的(+)輸入端，比較器96也可以象LM339型的電路一樣，具有開路集電極類型的輸出級(jí)。比較器96的輸出端可通過(guò)電阻98接到電源V+，其輸出級(jí)的發(fā)射極接到電源V-。比較器96的(-)輸入端可以用繼電器的公共電位作為基準(zhǔn)。在運(yùn)行時(shí)，當(dāng)窗口比較器56、58的輸出級(jí)是閉合電路時(shí)，電容器94迅速充電到接近于電源V-;當(dāng)輸出級(jí)是斷開電路時(shí)，該電容器通過(guò)電阻92放電。當(dāng)比較器96的(+)輸入端的電平基本上處在V-電源電位時(shí)，它的輸出端也近似為V-電源電位;但是當(dāng)窗口比較器56、58的輸出級(jí)開路時(shí)，比較器96的輸出端保持在V-電平直到比較器96的(+)輸入端電位達(dá)到繼電器的公共電位為止。此后，比較器96的輸出端轉(zhuǎn)換到近似為V+的電平。照這樣，比較器96和電阻電容組合92和94對(duì)于窗口比較器輸出級(jí)的電壓電平從V-到V+的轉(zhuǎn)變分別提供了時(shí)間延遲。
接下去，在圖4的繼電器電路中，比較器96的輸出端經(jīng)過(guò)電阻102連接到另一個(gè)比較器100的(-)輸入端，電阻102與一個(gè)二極管104相并聯(lián)，該二極管的負(fù)極連接到比較器100的(-)輸入端。電容器106連接在電源V+和比較器100的(-)輸入端之間。比較器100的(+)輸入端可接到繼電器的公共電位上。比較器100也可以是類似于LM339的開路集電極輸出級(jí)的類型;它的輸出級(jí)的集電極通過(guò)電阻108連接到電源V+，其發(fā)射極連接到電源V-。此外，電容器110可從輸出級(jí)的集電極連接到電源V-。
在運(yùn)行中，當(dāng)比較器96的輸出級(jí)導(dǎo)通時(shí)，電容器106通過(guò)電阻102充電。電阻102和電容106的時(shí)間延遲可以這樣來(lái)調(diào)整，使得比較器100(-)輸入端的電壓電平衰減到繼電器公共電位將延續(xù)大約10至12毫秒。相反地，當(dāng)比較器96的輸出級(jí)開路時(shí)，電容器106通過(guò)電阻98和二極管104更快地放電。當(dāng)然，當(dāng)比較器100的(-)輸入端的電壓電平降低到繼電器的公共電位以下時(shí)，它的輸出級(jí)將導(dǎo)通，反過(guò)來(lái)也是如此。
關(guān)于圖4所描述的繼電器實(shí)施方案的運(yùn)行舉例將在下面用圖7和圖8的波形進(jìn)行敘述。圖7和圖8的時(shí)間波形A-E代表圖4所示繼電器電路中在同樣的字母參考點(diǎn)的電位。圖7的這組波形A-E代表內(nèi)部故障時(shí)繼電器電路的運(yùn)行情況。波形A表示在窗口比較器56、58輸入端的DIFF信號(hào)。假設(shè)在時(shí)刻t0時(shí)，開始了一個(gè)內(nèi)部故障。當(dāng)波形A在t1時(shí)刻超出了由幅值電平LIMIT1和LIMIT2所確定的參考幅值窗口時(shí)，窗口比較器56、58的輸出級(jí)和比較器96的輸出級(jí)開始導(dǎo)通，如波形B和C所示;這使得電容器106開始充電，如波形D所示。當(dāng)波形A在t2時(shí)刻又落回到參考幅值窗口以內(nèi)時(shí)，窗口比較器56、58的輸出級(jí)停止導(dǎo)通，允許電容器94開始放電，如同波形B中所示。然而，在比較器96的(+)輸入端的電壓電平達(dá)到繼電器的公共電位之前，DIFF信號(hào)在t3時(shí)刻又超出了參考幅值窗口的界限，使得窗口比較器56、58的輸出級(jí)重新導(dǎo)通，引起電容器94充電。這樣，由于比較器96的(+)輸入端的電壓電平從未達(dá)到比較器的參考電平(對(duì)于較佳的實(shí)施方案該參考水平設(shè)定為繼電器的公共電位)，比較器96的輸出級(jí)就維持導(dǎo)通狀態(tài)。同樣的運(yùn)行順序?qū)⒊霈F(xiàn)在交叉點(diǎn)t4、t5和t6等處。由于比較器96的輸出級(jí)(C點(diǎn))維持導(dǎo)通，電容器106繼續(xù)充電，如同波形D所示;在這種情況下，經(jīng)過(guò)大約10或12毫秒以后，它達(dá)到了比較器100的參考電平，對(duì)于較佳實(shí)施方案，該電平也設(shè)定為繼電器的公共電位。當(dāng)這一情況出現(xiàn)時(shí)，比較器100的輸出端E點(diǎn)就被轉(zhuǎn)變到跳閘信號(hào)狀態(tài)，如波形E所示。
圖8的波形表示相應(yīng)于一條饋電線中發(fā)生外部故障時(shí)繼電器電路的運(yùn)行情況;故障饋電線電流互感器在電流交變周期的部分時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)了飽和現(xiàn)象，在波形X中舉例示出。參照?qǐng)D8，仍然假定外部故障在t0時(shí)刻開始。注意在故障饋電線電流互感器尚未飽和的時(shí)間區(qū)段內(nèi)DIFF信號(hào)保持為零值或接近零值。只有當(dāng)電流互感器飽和時(shí)，如圖示在t1時(shí)刻開始飽和，使得DIFF信號(hào)超出了參考幅值窗口的界限，引起B(yǎng)和C處的比較器輸出級(jí)導(dǎo)通。這種運(yùn)行情況表示在圖8的波形A、B和C中。此外，當(dāng)C點(diǎn)在t1時(shí)刻轉(zhuǎn)變?yōu)榻芕-電平時(shí)，電容器106開始通過(guò)電阻102充電，其運(yùn)行狀態(tài)由波形D舉例示出。當(dāng)電流互感器在t′2時(shí)刻脫離飽和狀態(tài)時(shí)，DIFF信號(hào)返回到零值或接近零值的狀態(tài)，且而后持續(xù)足夠的時(shí)間以允許電容器94放電，使得比較器96的(+)輸入端的電壓電平大于其參考電平，在t3時(shí)刻使其輸出級(jí)停止導(dǎo)通。上述運(yùn)行過(guò)程在圖8的波形A、B和C中被描繪出來(lái)。當(dāng)比較器96的輸出級(jí)停止導(dǎo)通時(shí)，電容器106快速地通過(guò)電阻98和二極管104放電，使D點(diǎn)電位回升到近似電源V+的電平。這樣，就不會(huì)讓D點(diǎn)的電壓電平因充電而低于比較器100的參考電平，以致在E點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)跳閘信號(hào)。類似的運(yùn)行情況出現(xiàn)于圖8的時(shí)間間隔t4、t5和t6等后續(xù)的飽和點(diǎn)上。照這樣，借助于對(duì)DIFF信號(hào)平坦部分的分析，對(duì)于外部故障，繼電器禁止產(chǎn)生跳閘信號(hào);而DIFF信號(hào)的平坦部分對(duì)應(yīng)于故障饋電線電流互感器沒(méi)有飽和的那段時(shí)間。
上述繼電器電路產(chǎn)生了一個(gè)大約為10到12毫秒的跳閘響應(yīng)時(shí)間，這對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合來(lái)說(shuō)是完全適用的。然而，在某些應(yīng)用中，希望能有5毫秒或更短的跳閘延遲時(shí)間。實(shí)現(xiàn)較短的跳閘延遲時(shí)間的一個(gè)方法是根據(jù)饋電線的信號(hào)檢測(cè)出故障電流出現(xiàn)的確切瞬間，并在故障開始后2毫秒左右鑒定合成電流的信號(hào)，這是因?yàn)椋?jīng)驗(yàn)表明電流互感器在故障開始后的前3、4毫秒內(nèi)一般不會(huì)飽和。申請(qǐng)人這方面的發(fā)明示于圖4的實(shí)施方案中;圖中有多個(gè)變化檢測(cè)器CD1、CD2、…、CDn，它們分別連接到相應(yīng)的電流互感器CT1、CT2、…、CTn，用于檢測(cè)任何饋電線電流之故障開始的瞬時(shí)。
一個(gè)合用的變化檢測(cè)器的方塊圖示于圖9。參照?qǐng)D9，電流互感器的信號(hào)連接到一個(gè)微分器120和一個(gè)積分器122。微分信號(hào)121在一個(gè)常規(guī)的除法器電路124中被信號(hào)ω除，ω代表電流信號(hào)的角頻率。另外，積分信號(hào)126在一個(gè)常規(guī)的乘法器128中與信號(hào)ω相乘。從除法器124和乘法器128的運(yùn)算中產(chǎn)生的商信號(hào)和積信號(hào)在一個(gè)常規(guī)的加法器130中相加，由此產(chǎn)生的合成信號(hào)提供給“與”門132的一個(gè)輸入端?！芭c”門132的輸出既供給一個(gè)大約2毫秒的單穩(wěn)觸發(fā)電路134，又供給一個(gè)大約100毫秒的單穩(wěn)觸發(fā)電路136。單穩(wěn)觸發(fā)器134的輸出即為該變化檢測(cè)器電路的輸出，而單穩(wěn)觸發(fā)器136的輸出反饋到“與”門132的一個(gè)倒相輸入端，用以禁止其工作。
上述變化檢測(cè)電路的工作原理是無(wú)故障時(shí)的電流信號(hào)基本上呈現(xiàn)為正弦波;而在故障開始時(shí)會(huì)發(fā)生相對(duì)于這個(gè)正弦波的短暫偏移。在運(yùn)行中，微分器120使正弦波超前移相90°，而積分器122則使其滯后移相90°。因此，通過(guò)元件128和124分別產(chǎn)生的積信號(hào)和商信號(hào)在采用適當(dāng)?shù)谋壤禂?shù)時(shí)通?；ゲ?80°。因此在無(wú)故障條件下，元件130的求和將產(chǎn)生一個(gè)實(shí)際上為零電平的信號(hào)供給“與”門132。在故障開始時(shí)，輸入的電流信號(hào)與正弦波不一致，在加法器130的輸出端產(chǎn)生了一個(gè)非零信號(hào)輸入到“與”門132，“與”門132因此而被觸發(fā)。隨之，單穩(wěn)觸發(fā)器134在其輸出端產(chǎn)生了一個(gè)大約2毫秒的脈沖;單穩(wěn)觸發(fā)器136在其輸出端產(chǎn)生了一個(gè)大約100毫秒的脈沖，在這100毫秒脈沖的持續(xù)期間內(nèi)禁止“與”門132進(jìn)一步工作。照這樣，在故障開始的瞬間，變化檢測(cè)器按照檢測(cè)到的該瞬間，就可產(chǎn)生一個(gè)持續(xù)時(shí)間為2毫秒左右的脈沖。
再回來(lái)參照?qǐng)D4，電阻140和一個(gè)電子開關(guān)SW的串聯(lián)組合在C點(diǎn)和D點(diǎn)之間并聯(lián)跨接在電阻102上。電阻140設(shè)置的阻值使得電容器106從它放電后的V+電源電平值充電到比較器100的參考電平值所需時(shí)間約為2毫秒左右。變化檢測(cè)器CD1-CDn連接到一個(gè)“或”門142的輸入端，“或”門142用來(lái)起動(dòng)電子開關(guān)SW，使之呈閉合狀態(tài)。這樣，來(lái)自任何變化檢測(cè)器CD1-CDn的脈沖，代表一個(gè)故障的開始，都可以閉合該電子開關(guān)，使得電阻140與電阻102相并聯(lián)，導(dǎo)致了一個(gè)縮短了的跳閘延遲時(shí)間。電子開關(guān)SW可以只閉合2毫秒左右脈沖寬度，如果電容器106在這個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)沒(méi)有充電，電子開關(guān)SW將重新斷開，繼電器電路恢復(fù)到它的最初狀態(tài)。因此，對(duì)于任何故障，在緊接著故障開始后的2毫秒時(shí)間窗口內(nèi)才允許進(jìn)行跳閘判斷，而此后電路就回復(fù)到原來(lái)對(duì)總的故障持續(xù)時(shí)間計(jì)時(shí)的狀態(tài)。
附圖中所用的參考號(hào)的識(shí)別符號(hào)說(shuō)明 參照號(hào)數(shù) 圖號(hào)變化檢測(cè)器 CDn 4變化檢測(cè)器 CD1 4變化檢測(cè)器 CD2 4微分器 120 9積分器 122 92毫秒單穩(wěn)觸發(fā)器 134 9100毫秒單穩(wěn)觸發(fā)器 136 9
權(quán)利要求
1.在一個(gè)電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中包括一個(gè)母線段[圖1、2(10)]和多條連接到母線段上用以通過(guò)上述母線段傳送交流電流的饋電線路(11、12、…、16)；每個(gè)饋電線包括一個(gè)電流互感器(17、18、…、22)，用來(lái)測(cè)量所流過(guò)的交流電流并產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)[圖3(A)]，該信號(hào)代表電流的幅值和周波；每個(gè)電流互感器有一個(gè)測(cè)量電流幅值的限制容量，超過(guò)這個(gè)容量就會(huì)發(fā)生飽和[圖3(B，40)]，結(jié)果導(dǎo)致在飽和期間互感器產(chǎn)生的饋電線電流信號(hào)的失真；一個(gè)母線差動(dòng)繼電器(圖4)的行為取決于上述多條饋線所產(chǎn)生的電流信號(hào)，借助于切斷流過(guò)上述多條饋電線的電流(23、24、…、28)來(lái)保護(hù)該上述母線段免受內(nèi)部故障的危害，并防止饋電線電流由于外部故障所造成的內(nèi)部故障的誤指示而被切斷，該外部故障發(fā)生于上述多條饋線中的至少一條上，該饋電線上相應(yīng)的電流互感器在上述電流交變周期內(nèi)的一段時(shí)間出現(xiàn)了飽和；上述母線差動(dòng)繼電器的特征在于包括第一個(gè)電路裝置[圖4(R1、R2、…、Rn、50)]，用來(lái)把所產(chǎn)生的相應(yīng)于連接到該母線段的饋電線的電流信號(hào)瞬時(shí)相加，并產(chǎn)生一個(gè)電流差動(dòng)信號(hào)(DIFF)，該差動(dòng)信號(hào)代表上述瞬時(shí)電流信號(hào)總和；第二個(gè)電路系統(tǒng)[圖5、6]，用來(lái)產(chǎn)生兩個(gè)參考幅值電平(LIMIT1、LIMIT2)，它們形成了一個(gè)幅值窗口；第三個(gè)電路裝置[圖4(56、58)]，用來(lái)根據(jù)上述電流差動(dòng)信號(hào)的幅值超出上述形成的幅值窗口來(lái)產(chǎn)生第一指示[圖7(B)]，並根據(jù)該電流差動(dòng)信號(hào)的幅值落到該幅值窗口內(nèi)而產(chǎn)生第二指示；第一個(gè)計(jì)時(shí)電路[圖4(100、106、102)]靠產(chǎn)生第一指示而起動(dòng)，使之開始在第一時(shí)間周期內(nèi)計(jì)時(shí)，經(jīng)過(guò)上述第一時(shí)間周期的計(jì)時(shí)后，產(chǎn)生一個(gè)跳閘信號(hào)，切斷通過(guò)上述多條饋電線的電流；第二個(gè)計(jì)時(shí)電路[圖4(96、92、94)]靠產(chǎn)生第二指示起動(dòng)，使之開始在第二時(shí)間周期內(nèi)的計(jì)時(shí)，在經(jīng)過(guò)上述第二時(shí)間周期計(jì)時(shí)后，產(chǎn)生一個(gè)復(fù)歸信號(hào)；上述第二個(gè)計(jì)時(shí)電路可以在上述第二時(shí)間周期內(nèi)被產(chǎn)生的第一指示復(fù)歸，以防止產(chǎn)生上述復(fù)歸信號(hào)；上述第一個(gè)計(jì)時(shí)電路可以在上述第一計(jì)時(shí)周期內(nèi)被產(chǎn)生的復(fù)歸信號(hào)復(fù)歸，以防止產(chǎn)生上述跳閘信號(hào)；上述第一計(jì)時(shí)周期比第二計(jì)時(shí)周期要長(zhǎng)。
2.如權(quán)利要求
1中所要求的母線差動(dòng)繼電器，其中第二個(gè)電路裝置包括產(chǎn)生兩個(gè)幅值電平的裝置〔圖4(60、61、62、63)〕，一個(gè)電平高于零幅值電平，另一個(gè)低于零幅值電平。
3.如權(quán)利要求
1或2中所要求的母線差動(dòng)繼電器，它包括第四個(gè)電路系統(tǒng)(圖5、6)，用來(lái)改變由第二個(gè)電路系統(tǒng)產(chǎn)生的兩個(gè)幅值電平，上述第四個(gè)電路系統(tǒng)包括一個(gè)平均值電路(66)，用來(lái)產(chǎn)生一個(gè)代表電流差動(dòng)信號(hào)平均值的信號(hào);以及另一個(gè)電路(圖6)，用來(lái)以相反的方向改變兩個(gè)幅值電平，方法是把一個(gè)正極性信號(hào)(V+)加到一個(gè)電平上，而把一個(gè)負(fù)極性信號(hào)(V-)加到另一個(gè)電平上，正負(fù)極性的信號(hào)二者都與上述平均值信號(hào)成比例。
4.如權(quán)利要求
1或3中所要求的母線差動(dòng)繼電器，它包括一個(gè)變化檢測(cè)器電路〔圖9〕，該電路連接到每個(gè)電流互感器，根據(jù)所產(chǎn)生的電流信號(hào)檢測(cè)可能發(fā)生的故障開始時(shí)刻并依據(jù)這個(gè)檢測(cè)產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)脈沖(134);以及第五個(gè)電路系統(tǒng)〔圖4(5W，140)〕由上述信號(hào)脈沖所控制，用來(lái)在上述信號(hào)脈沖的持續(xù)時(shí)間內(nèi)把第一個(gè)計(jì)時(shí)電路的第一計(jì)時(shí)周期縮短;在經(jīng)過(guò)縮短了的時(shí)間周期計(jì)時(shí)后，一個(gè)跳閘信號(hào)可由第一個(gè)計(jì)時(shí)電路產(chǎn)生。
5.如權(quán)利要求
4中所要求的母線差動(dòng)繼電器，其中上述第五個(gè)電路系統(tǒng)包括一個(gè)電子開關(guān)〔圖4(SW)〕和另一個(gè)電阻(140)的串聯(lián)組合，它們并聯(lián)跨接在第二個(gè)電阻-電容網(wǎng)絡(luò)的電阻上，上述另一個(gè)電阻比上述它所并聯(lián)的電阻具有較低的阻值，上述電子開關(guān)由上述信號(hào)脈沖所控制，在該脈沖持續(xù)期間內(nèi)接通。
6.如權(quán)利要求
1、2或4中所要求的母線差動(dòng)繼電器，其中第三個(gè)電路系統(tǒng)包括一個(gè)窗口比較器(56、58)，隨電流差動(dòng)信號(hào)的幅值而工作，在第一和第二個(gè)狀態(tài)之間產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)(B);第一指示是從上述第一個(gè)狀態(tài)到第二個(gè)狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，而第二指示是從上述第二個(gè)狀態(tài)到第一個(gè)狀態(tài)的轉(zhuǎn)變;其中第二個(gè)計(jì)時(shí)電路包括第二個(gè)比較器電路(96)和一個(gè)并聯(lián)的電阻一電容網(wǎng)絡(luò)(92、94)，它們共同連接到第二個(gè)比較器電路和第三個(gè)電路系統(tǒng);其中第一個(gè)計(jì)時(shí)電路包括第三個(gè)比較器電路(100)和第二個(gè)電阻-電容網(wǎng)絡(luò)(106、102)，一個(gè)二極管(104)并聯(lián)跨接在上述電阻上，上述第二個(gè)電阻-電容網(wǎng)絡(luò)連接在第二個(gè)計(jì)時(shí)電路和上述第三個(gè)比較器電路之間。
專利摘要
一種母線差動(dòng)繼電器具有區(qū)分母線內(nèi)部和饋電線上的外部故障的能力，且外部故障所在的饋電線電流互感器在交流周期的一部分出現(xiàn)飽和。該繼電器根據(jù)饋電線電流互感器產(chǎn)生的信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)合成電流信號(hào)或差動(dòng)信號(hào)。內(nèi)部故障時(shí)，該信號(hào)幅值超出故障電流限定值而產(chǎn)生跳閘信號(hào)，切斷流到母線的電流。外部故障且電流互感器飽和時(shí)，該信號(hào)包括交流周期中超出故障限定值的幅值部分及幅值為零或接近零的不飽和部分；若不飽和部分持續(xù)一段時(shí)間，就禁止產(chǎn)生跳閘信號(hào)。
文檔編號(hào)H02H7/00GK86105973SQ86105973
公開日1987年7月1日 申請(qǐng)日期1986年9月6日
發(fā)明者希莫爾·薩勞, 羅伯特·特拉?！ぐ柲匪? 理查德·阿瑟·約翰遜 申請(qǐng)人:西屋電氣公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan