一种冶金供电网络快速切断短路电流的方法

摘要

本发明公开了一种冶金供电网络快速切断短路电流的方法，属于冶金供电力系统领域。该方法由微机保护装置接受电流互感器采集的故障电流信号，并对电流信号进行逻辑判断，当故障电流超过微机保护装置的整定值，微机保护装置出口接点接通真空断路器的跳闸回路，真空断路器的跳闸线圈得电，使真空断路器跳闸，快速断开故障回路。本发明能在三相短路时速断保护跳闸时间短于低电压保护开启时间，快速切断故障，避免对供电网络上其它设备的影响，提高系统的持续供电能力。

权利要求

1.一种冶金供电网络快速切断短路电流的方法，其操作步骤为：

①由电流互感器(3)采集故障电流信号到微机保护装置(4)中；

②微机保护装置(4)接受电流互感器(3)的电流信号，并对电流信号进行逻辑判断，当故障电流超过微机保护装置(4)的整定值，微机保护装置(4)出口接点接通真空断路器(1)的跳闸回路；

③真空断路器(1)的跳闸线圈(2)得电，使真空断路器(1)跳闸，快速断开故障回路；

所述微机保护装置(4)保护启动后由电流瞬时值和电流半波有效值联合判别来实现区内故障的识别；微机保护装置(4)电流瞬时值和电流半波有效值联合判别的方法为：瞬时值判别逻辑，在连续的10ms内，如果超过5ms时间其电流采样瞬时值超过0.95倍整定值，且在连续3ms始终满足，即判为瞬时值判据满足要求；

有效值判别逻辑，如果半波傅里叶滤波后得到的电流有效值在持续3ms内满足超过整定值，即判为有效值满足要求；

如果故障电流的瞬时值判据和有效值判据同时满足上述条件，则微机保护装置(4)立即发速断跳闸信号。

2.根据权利要求1所述的一种冶金供电网络快速切断短路电流的方法，其特征在于：所述的微机保护装置(4)采样数据窗宽度为10ms，采用半周傅里叶算法。

3.根据权利要求2所述的一种冶金供电网络快速切断短路电流的方法，其特征在于：所述微机保护装置(4)根据电压突变量触发保护启动判别逻辑，根据电流突变量确认保护的开启。

4.根据权利要求1所述的一种冶金供电网络快速切断短路电流的方法，其特征在于：断开故障电流的真空断路器(1)由永磁操作机构带动，永磁操作机构接受微机保护装置(4)的跳闸信号，带动真空断路器(1)的真空开关断开故障线路。

5.根据权利要求4所述的一种冶金供电网络快速切断短路电流的方法，其特征在于：所述的真空断路器(1)的分闸时间为10ms，灭弧时间小于15ms。

说明书

一种冶金供电网络快速切断短路电流的方法

技术领域

[0001] 本发明属于冶金供电力系统领域，涉及一种快速切断短路电流的方法，尤其是一种冶金供电网络快速切断短路电流的方法。

背景技术

[0002] 随着电力系统的不断发展，发电容量的不断上升，电力系统发生短路引起的短路电流随之增大；短路电流的增大，对电力系统稳定、对设备安全有很大危害。尤其在冶金行业，冶金供电网络有着供电距离短、供电负荷集中等特点，供电网络中任何一点出现三相短路故障时，会出现电压凹陷，在故障切除的电压凹陷期间，电压有效值的大幅度下降，由于低电压保护的存在，如果不能够及时的断开故障电路，将造成主线厂矿自动控制系统和低压控制部分敏感负荷的停运，给主线生产造成重大损失。

[0003] 目前冶金供电网络中发生短路故障时，采用继电保护装置和真空开关组合在一起，发生短路故障时断开故障电流时间一般在80ms左右，但是供电网络中低压敏感负荷和自动控制系统低电压保护时间一般为50ms，要小于保护跳闸时间，从而会导致短路故障切除前，系统中低压接触器和自动控制系统低电压保护已经介入，导致非故障设备因电压凹陷停运，主线设备停产。为了降低三相短路故障时电压凹陷造成主线厂矿停产的事故，现有技术是从采用延时动作的低压接触器，解除低压系统低电压保护和在自动控制系统中采用大容量不间断电源等方法来间接解决，这些方法一定程度上减少了短路故障涉及的范围，但并没有从根本上解决问题。

[0004] 现有技术中已有相关的专利申请，如中国专利申请号为：201010192105.3，公开日为：2010年9月1日的专利文献，公开了一种切断短路电流的装置及方法，它可改善断路器灭弧性能，提高断路器切断容量和缩短断路器灭弧时间。它包括一只断路器，一只高压开关，一只磁饱和电抗器，高压开关与磁饱和电抗器并联后，与断路器串联；切断短路电流的装置串联在供电回路，电力系统正常运行时，切断短路电流的装置的高压开关是闭合的，断路器也是闭合的；电力系统正常运行时切断短路电流的装置损耗为零；当电力系统发生短路，需要切断短路电流时，先跳装置的高压开关,把磁饱和电抗器投入短路电流回路；磁饱和电抗器减小短路电流过零点处周围区段的电流值、加长电流过零点处周围小电流区段的时间；然后跳开断路器，切断短路电流。该方案的缺点在于：发生短路时，磁饱和电抗器介入之前，必须断开高压开关，高压开关的动作速度是方案实施的关键技术，该关键技术在专利文献中没有说明，如高压开关动作速度达不到低压敏感负荷和自动控制系统的要求，故障范围将会扩大，其不适用与冶金供电网络。

发明内容

[0005] 1、要解决的问题

[0006] 针对现有冶金供电网络发生短路故障时，由于低电压保护的存在，故障范围扩大，导致主线厂矿停产的问题，本发明提供了一种冶金供电网络快速切断短路电流的方法，在三相短路时速断保护跳闸时间短于低电压保护开启时间，快速切断故障，避免对供电网络上其它设备的影响，提高系统的持续供电能力。

[0007] 2、技术方案

[0008] 为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。

[0009] 一种冶金供电网络快速切断短路电流的方法，其操作步骤为：

[0010] ①由电流互感器采集故障电流信号到微机保护装置中；

[0011] ②微机保护装置接受电流互感器的电流信号，并对电流信号进行逻辑判断，当故障电流超过微机保护装置的整定值，微机保护装置出口接点接通真空断路器的跳闸回路；

[0012] ③真空断路器的跳闸线圈得电，使真空断路器跳闸，快速断开故障回路。

[0013] 进一步地，所述的微机保护装置采样数据窗宽度为10ms，采用半周傅里叶算法。

[0014] 进一步地，所述微机保护装置根据电压突变量触发保护启动判别逻辑，根据电流突变量确认保护的开启。

[0015] 进一步地，所述微机保护装置保护启动后由电流瞬时值和电流半波有效值联合判别来实现区内故障的识别。

[0016] 进一步地，所述微机保护装置电流瞬时值和电流半波有效值联合判别的方法为：

[0017] 瞬时值判别逻辑，在连续的10ms内，如果超过5ms时间其电流采样瞬时值超过0.95倍整定值，且在连续3ms始终满足，即判为瞬时值判据满足要求；

[0018] 有效值判别逻辑，如果半波傅里叶滤波后得到的电流有效值在持续3ms内满足超过整定值，即判为有效值满足要求；

[0019] 如果故障电流的瞬时值判据和有效值判据同时满足上述条件，则微机保护装置立即发速断跳闸信号。

[0020] 进一步地，断开故障电流的真空断路器由永磁操作机构带动，永磁操作机构接受微机保护装置的跳闸信号，带动真空断路器的真空开关断开故障线路。

[0021] 进一步地，所述的真空断路器的分闸时间为10ms，灭弧时间小于15ms。

[0022] 3、有益效果

[0023] 相比于现有技术，本发明的有益效果为：

[0024] (1)本发明缩短故障造成速断保护动作情况下切除短路电流的时间，降低由于短路造成的电压跌落对系统的影响；

[0025] (2)本发明在继电保护故障判断中，采用半波傅里叶算法，即准确反映故障信号，又缩短了故障采样时间；

[0026] (3)本发明的微机保护装置同时对电压突变量与电流突变量采集，综合判别启动逻辑，实现对保护启动的可靠判断。

附图说明

[0027] 图1为本发明实施例中快速切处故障装置的电路原路图；

[0028] 图2为本发明应用例1中冶金供电网络故障时电压和电流波形图；

[0029] 图3为本发明应用例2中冶金供电网络故障时电压和电流波形图；

[0030] 图4为本发明应用例3中冶金供电网络故障时电压和电流波形图；

[0031] 图中：1、真空断路器；2、跳闸线圈；3、电流互感器；4、微机保护装置。

具体实施方式

[0032] 为了解决传统微机保护和真空开关组合在一起，在冶金供电网络发生短路故障时速断保护跳闸时间一般在80ms左右的状况，本发明提供一种冶金供电网络快速切断短路电流的方法，使冶金供电网络发生三相短路故障时的短路电流切除时间小于50ms，提高供电系统运行可靠性。下面将结合实施例及附图进行详细说明。

[0033] 实施例

[0034] 如图1所示，为实现本实施例的一种冶金供电网络快速切断短路电流的方法所采用的快速切处故障装置的电路原理图，它由电流互感器3和微机保护装置4以及真空断路器1组成，电流互感器1串接在主回路中，其二次线圈连接微机保护装置4，当所送线路出现三相短路时，电流互感器3接受故障电流信号，并将该电流信号输送到微机保护装置4中，微机保护装置4对该电流信号进行逻辑判断，当故障电流超过微机保护装置4的整定值，微机保护装置4出口接点接通真空断路器1的跳闸回路，使跳闸线圈2得电，使真空断路器1跳闸，快速断开故障回路。

[0035] 本实施例中，采用高可靠性，动作速度快的永磁操作机构带动断路器1进行合闸或分闸。微机保护装置4采样数据窗宽度为10ms，并采用半波傅里叶算法，避免全波傅里叶算法响应时间长的缺点；微机保护装置4同时接受电流突变量及电压突变量信号，综合判别后快速启动保护，提前开放微机保护装置4的出口继电器工作电源；微机保护装置4采集电流瞬时值和电流半波有效值，联合判别来实现区内故障的可靠识别，如果故障电流的瞬时值判据和有效值判据同时满足上述持续3ms的时间要求，则微机保护装置4立即发速断跳闸指令。此时通过电压电流突变量辨别已经预先发出了微机保护装置4的启动命令，则立即出口使跳闸线圈2得电，断路器1跳闸断开故障回路。

[0036] 在一个标准正弦波中，瞬时值的绝对值有一半时间是大于有效值的(45°～135°，225°～315°)，所以如果发现在标准正弦波的半个周波的时间内，出现了至少1/4个周波的瞬时值大于整定值，基本可以认定其有效值也大于整定值。为了保证可靠性，采用半波算法得到的幅值大于整定值，同时至少出现5个瞬时值的绝对值大于整定值来综合判断，可以避免因为外部干扰导致可能出现不超过4点的采样异常而使得半波傅里叶算法得到的幅值超过整定值而导致保护误动的情况。但是当正弦波在135°～225°及-45°～45°之间时，即便幅值大于整定时，其瞬时值也可能小于整定值，因而这种方法会导致保护动作时间比纯粹的半波算法(动作延时10ms)会慢一个采样间隔(小于1ms)，但仍然会快于全部傅里叶算法所需的20ms的延时。

[0037] 但是短路故障时由于存在的非周期分量，采用半波傅里叶算法联合瞬时算法，仍然可能存在故障前几个周波，故障电流超过整定值，而之后故障电流却小于整定值的临界故障区域。这个临界故障区域有可能会造成保护越级动作，因此，采用半波傅里叶算法联合瞬时算法，可直接用于末端设备的保护，或者仅在故障发生后的一个周波内使用，一个周波后即切换成全波算法。而在这故障发生的第一个周波内，再通过适当提高动作值(1.5倍整定值)来躲过可能发生越级动作。

[0038] 中压系统故障切除时间由继电保护装置动作时间和断路器跳闸时间共同组成。本发明从这二个方面同时入手降低故障切除时间：

[0039] 1、采用高可靠性，动作速度快的永磁操作机构

[0040] 永磁操动机构是一种用于高压真空断路器1的永磁保持，电磁控制的操作机构。与传统操动机构相比较，具有主要部件少，是传统断路器操作机构零部件的7％，无需机械脱扣锁扣装置，故障点少，高可靠性，使用寿命长，其中永磁操作机构寿命可达10万次以上，适于频繁操作及高可靠变电站应用。永磁机构克服了传统弹簧机构和电磁机构的不足，同时通过永磁材料实现真空断路器分、合闸位置的保持及操作过程，本实施例采用美国ABB公司的VM1-T型断路器，采用真空灭弧室和浇注极柱，分闸时间10ms，灭弧时间小于15ms，该开关具有机构零部件少，高可靠性的优点，其额定电流开断寿命可以达到20000次。

[0041] 2、创新继电保护装置数据处理方式，降低保护出口时间

[0042] 2.1、减小数据窗宽度

[0043] 微机保护装置4采样数据窗宽度影响速断保护对故障的识别时间，进而影响保护的整组动作时间。数据窗越宽，故障量的测量越准确，保护的动作可靠性也越高。本实施例保证速断保护整组动作时间在20ms之内，对工频故障量来说，10ms为半个周波，可以比较准确的反应故障信号，小于10ms的数据窗，虽然可以一定程度上提高动作速度，但冶金企业周边环境的电磁干扰及电网故障时产生的高次谐波都将对故障量的提取产生明显影响，其动作可靠性将比10ms大大降低。考虑到微机保护装置4内部的出口继电器的动作时间约为5ms，因此本实施例微机保护装置4采样数据窗宽度为10ms。对于10ms的数据窗，本发明中采用滤波效果比较好的半波傅里叶算法(公知算法)。

[0044] 2.2、采用电流突变量及电压突变量综合判别快速启动保护，提前开放微机保护装置的出口继电器工作电源

[0045] 传统微机保护设计时，继电保护为提高可靠性，出口继电器电源必须经启动继电器的触点来控制，这样启动继电器与出口继电器形成“与”逻辑，以降低保护的误动概率。但是由于出口继电器的电源由启动继电器控制，因此即便CPU系统同时发出指令触发这两个继电器，实际动作时序上，也是启动继电器先闭合，然后出口继电器得到控制电源再闭合。如果这两个继电器的动作速度均为5ms，实际从保护装置启动到出口继电器闭合也至少需要10ms。因此，必须采取措施来使得启动继电器在故障发生后5ms内启动，才能保证启动继电器的动作不影响出口继电器的动作时间。

[0046] 本实施例中采用电压突变量与电流突变量综合判别启动逻辑，保证微机保护装置4在不到5ms内可靠启动。在严重故障时，因系统阻抗的存在，电压的变化往往较电流变化更为剧烈，但由于速断保护中，故障电流的大小是保护逻辑的主判据，因此电流变化量较电压变化量更为可靠。因此本实施例中，微机保护装置4同时接受故障电路电压突变量和电流突变量，电压突变量触发保护启动判别逻辑，电流突变量确认保护是否应该启动，从而实现保护装置达到快速、可靠启动兼顾。

[0047] 2.3、采用电流瞬时值和电流半波有效值联合判别来实现区内故障的可靠识别[0048] 由于设计要求数据窗仅10ms，而追求保护的动作速度又要求保护装置仅能故障发生10ms后再连续判别不到3ms就必须发出跳闸指令(10ms数据窗+3ms连续判别+5ms出口继电器动作时间＝18ms)。因此，微机保护装置4对外部干扰及谐波信号将变得非常敏感。为提高保护装置的动作可靠性，本实施例采用电流瞬时值和半波有效值的联合判别方法，来提高保护的可靠性。电流瞬时值具有判别速度快的特点，但动作值门槛附近有一定误差，不便于定值整定判别，而电流半波有效值则有利于定值整定，二者结合起来便一方面使动作判据具有快速性，另一方面也便于定值整定计算，减小定值误差。

[0049] 瞬时值判别逻辑，在连续的10ms内，如果超过5ms时间其电流采样瞬时值超过0.95倍整定值，且上述情况在连续3ms始终满足要求，即判为瞬时值判据满足要求(一个有效值为1的正弦波，在任何连续的10ms内其瞬时值不小于1的累计时间恰好为5ms)。

[0050] 有效值判别逻辑，如果使用半波傅里叶滤波(公知技术)后得到的电流有效值在持续3ms内满足超过整定值，即判为有效值满足要求

[0051] 如果故障电流的瞬时值判据和有效值判据同时满足上述持续3ms的时间要求，则微机保护装置4立即发速断跳闸信号。此时已经预先发出了微机保护装置4的启动命令，则该速断保护将立即出口。

[0052] 由上述可知，本实施例中，断路器1动作时间为10ms，微机保护装置4在三相短路故障时动作时间在30ms以内，当发生三相短路故障时，切断故障电流控制在50ms以内，缩短了故障时电压凹陷时间，提高了连续供电能力。

[0053] 下面给出几个应用例对以上方案进行验证，具体如下。

[0054] 应用例1

[0055] 上述实施例1的方法应用在马鞍山钢铁股份有限公司的能源管控中心62#变电所6221#出线柜上，实施以来该出线柜发生多次速断保护动作的短路故障，该方案均取得了很好的效果：

[0056] 2014年1月1日，6221#线路速断保护动作，保护整定值为(2000A、0S)，故障录波图显示6221#柜跳闸时间为34ms(见附图2)，故障没有对H型钢生产造成影响。故障后，通过对线路巡检，故障原因为6221#线路25#点-支1#点用户变压器引线烧断短路导致。

[0057] 应用例2

[0058] 2015年3月3日，6221#线路速断保护动作，保护整定值为(2000A、0S)，故障录波图显示故障切除时间为36ms(见图3)，由于跳闸时间快，对62#变电所10KV I段母线电压凹陷时间短，故障没有对H型钢生产造成影响。通过对线路的检查，跳闸原因为线路10#--11#点间线路下方违建房屋玻璃钢瓦翘起造成架空导线短路造成。

[0059] 应用例3

[0060] 2015年12月12日，6221#线路速断保护动作，保护整定值为(2000A、0S)，故障切除时间为34ms(见图4)，由于跳闸时间快，对62#变电所10KV I段母线电压凹陷时间短，故障没有对H型钢生产造成影响。通过对线路的检查，跳闸原因为线路18#点柱上开关接线烧断短路造成。

[0061] 图2、图3或图4中，VA、VB、VC分别表示为三相的电压，IA、IB、IC对应分别表示为三相的电流，以及I0表示三相平均电流。

[0062] 以上三起故障由于开关断开故障时间快，三起短路故障在电压凹陷期间均没有对H型钢厂生产造成任何影响，该发明通过一年多的实践证明对提高连续供电能力具有很好的效果。