周國(guó)輝，李紅

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故障快速識(shí)別技術(shù)在電力系統(tǒng)保護(hù)中的應(yīng)用

周國(guó)輝1，李紅2

（1. 中鐵電氣化局集團(tuán)第二工程有限公司，武漢 430071; 2. 武漢地鐵集團(tuán)有限公司，武漢 430030）

本文闡述了一種故障快速識(shí)別的技術(shù)，主要從直流傳感器的選擇，故障檢測(cè)方法研究，濾波器的設(shè)計(jì)等方面對(duì)故障快速識(shí)別技術(shù)進(jìn)行論述，提出了一種故障快速識(shí)別裝置的實(shí)現(xiàn)方法，具有創(chuàng)新性，可操作性強(qiáng)，具有實(shí)用意義。

故障快速識(shí)別 傳感器 故障檢測(cè) 濾波器

0 引言

在電力系統(tǒng)保護(hù)中，故障的快速識(shí)別一直是繼電保護(hù)人員不斷研究和探索的課題，提高故障識(shí)別技術(shù)，可有效降低系統(tǒng)承受故障電流的時(shí)間、降低短路分?jǐn)嗳萘?。特別是近幾年限流技術(shù)的研究，對(duì)故障電流的快速識(shí)別提出了更高的要求，本文針對(duì)10 kV直流電力系統(tǒng)中電流上升率在1～8 A/μs，極限電流上升率在35 A/μs，故障識(shí)別時(shí)間小于100 μs的實(shí)際需求，提出了研究故障電流的快速識(shí)別技術(shù)。

1 基本工作原理

本文設(shè)計(jì)一種基于電流上升率保護(hù)的故障快速識(shí)別裝置，可對(duì)設(shè)定范圍內(nèi)的電流上升率實(shí)現(xiàn)快速檢測(cè)，在100 μs內(nèi)發(fā)出跳閘指令。該跳閘指令具備電氣信號(hào)和光信號(hào)兩種，電氣信號(hào)可用于觸發(fā)晶閘管或斷開混合式斷路器中的主斷路器，光信號(hào)可用于斷開固態(tài)斷路器，以適應(yīng)多用途的要求。其工作原理框圖如圖1所示。

圖1 故障快速識(shí)別裝置工作原理圖

基于上述工作原理，本文從直流傳感器的選擇，故障檢測(cè)方法研究，濾波器的設(shè)計(jì)等方面對(duì)故障快速識(shí)別技術(shù)進(jìn)行論述，并研究故障快速識(shí)別裝置的技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

2 直流電流傳感器的選擇

本文擬采用電流上升率及電流增量?jī)煞N方式來(lái)實(shí)現(xiàn)故障快速識(shí)別，采用羅氏線圈做電流傳感器。

羅氏線圈具有以下優(yōu)點(diǎn)[1]：測(cè)量線圈本身與被測(cè)電流回路沒(méi)有直接的電的聯(lián)系，而是通過(guò)磁場(chǎng)耦合，因此與主回路有良好的電氣絕緣；沒(méi)有鐵芯飽和問(wèn)題，測(cè)量范圍寬，同樣的繞組，電流測(cè)量范圍可以從幾A到數(shù)百kA；頻率范圍寬，一般可設(shè)計(jì)到0.1～100 MHz以上，線圈自身的上升時(shí)間可以做到很小（如ns數(shù)量級(jí)）。缺點(diǎn)時(shí)只能測(cè)量電流變化率，配以積分器，可測(cè)量交流電流、脈沖電流和直流電流的突變量。

3 故障檢測(cè)方法研究

3.1 常用的檢測(cè)方法[2]

1）瞬時(shí)電流值的檢測(cè)：當(dāng)短路電流超過(guò)整定值時(shí)產(chǎn)生跳閘信號(hào)。這個(gè)非常簡(jiǎn)單的方法通常是保護(hù)架空線的首選。這種方法有一些缺點(diǎn)，如：短路之間的差異，短時(shí)過(guò)載和開關(guān)瞬態(tài)等難以分辨。

2）電流上升率檢測(cè)：這種方法可快速識(shí)別最大允許電流下的電流快速變化，但往往會(huì)導(dǎo)致誤跳閘。通常情況下，羅氏線圈被用于監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)的電流上升率（d/d）。

3）檢測(cè)電流上升率持續(xù)在一個(gè)區(qū)間。當(dāng)電流的上升率在一定的時(shí)間間隔Δt（如50 μs）超過(guò)規(guī)定跳閘水平，生成一個(gè)跳閘信號(hào)。這就避免了由于瞬變、短時(shí)過(guò)載和起動(dòng)電流引起的誤跳閘。

4）檢測(cè)方法基于方法1）和方法2）的組合。e.檢測(cè)一段時(shí)間間隔內(nèi)電流增量。在一定的時(shí)間間隔Δ（如50 μs），當(dāng)電流的增量（Δ）超過(guò)跳閘水平，產(chǎn)生跳閘信號(hào)。之后每個(gè)時(shí)間間隔Δ內(nèi)，測(cè)量電流值，并和前一個(gè)時(shí)間間隔Δ內(nèi)測(cè)得的電流值比較，獲取新的Δ。時(shí)間間隔可以自由地選擇，這取決于是否是快速檢測(cè)系統(tǒng)或高可靠性檢測(cè)系統(tǒng)的需求，在這二者之間互相妥協(xié)。在瞬態(tài)干擾頻繁的網(wǎng)絡(luò)中，很顯然，時(shí)間間隔越小，故障檢測(cè)的可靠性將越小。

5）檢測(cè)方法基于方法2）和方法3）的組合。

在國(guó)外文獻(xiàn)[3]中可檢到基于電流上升率的故障快速識(shí)別技術(shù)，采用了數(shù)字化算法，采樣頻率為25 μs，可檢測(cè)5～10 A/μs的電流上升率，故障識(shí)別時(shí)間為65～90 μs。

3.2 本研究擬采用的檢測(cè)方法

本研究擬采用以下2種方案，實(shí)現(xiàn)故障快速識(shí)別算法。

方案一：電流上升率監(jiān)測(cè)計(jì)數(shù)法

利用羅氏線圈做電流傳感器，測(cè)得直流電流變化率，濾波后將其與設(shè)定值比較，得到大于設(shè)定值時(shí)輸出1，小于設(shè)定值時(shí)輸出0的一系列數(shù)字量，每隔10 μs監(jiān)測(cè)該數(shù)字量的變化，100 μs內(nèi)如果該數(shù)字量為1的次數(shù)超過(guò)一定的數(shù)量，則認(rèn)為是故障。原理框圖如圖2.

圖2 電流上升率監(jiān)測(cè)計(jì)數(shù)法故障識(shí)別原理框圖

方案二：電流增量監(jiān)測(cè)計(jì)數(shù)法

利用羅氏線圈做電流傳感器，并經(jīng)積分器獲得脈沖電流值，測(cè)得脈沖電流值，濾波后將其與設(shè)定值比較，得到大于設(shè)定值時(shí)輸出1，小于設(shè)定值時(shí)輸出0的一系列數(shù)字量。每隔10 μs監(jiān)測(cè)該數(shù)字量的變化，100 μs內(nèi)如果該數(shù)字量為1的次數(shù)超過(guò)一定的數(shù)量，則認(rèn)為是故障。原理框圖如圖3.

圖3 電流增量監(jiān)測(cè)計(jì)數(shù)法故障識(shí)別原理框圖

4 濾波器設(shè)計(jì)

本研究主要針對(duì)6脈波整流電源供電的網(wǎng)絡(luò)，因此電源自身的波動(dòng)對(duì)檢測(cè)會(huì)有一定的影響，同時(shí)濾波器的時(shí)延不能超過(guò)30 μs，否則會(huì)影響算法的執(zhí)行時(shí)間。

圖4為6脈波整流電源供電的網(wǎng)絡(luò)中一典型短路故障下分流器測(cè)得的電流波形和羅氏線圈測(cè)得的電流上升率波形。

該波形中，穩(wěn)態(tài)電流最大值為4698 A，時(shí)間常數(shù)為=4.14 ms，電流上升率為1.13 A/μs。由圖6可以看出，短路穩(wěn)態(tài)下，電流的紋波也會(huì)造成羅氏線圈的輸出有很大的變化，這主要是因?yàn)槎搪窢顟B(tài)下，線路的電感較小，本圖中線路電感為30.97 μH，故電流紋波會(huì)導(dǎo)致較大的電流上升率。在直流電網(wǎng)正常工作時(shí)，其電感遠(yuǎn)大于該值，故不會(huì)有較高的電流上升率（在電流上升率監(jiān)測(cè)值以下），進(jìn)而導(dǎo)致故障識(shí)別方法失效的風(fēng)險(xiǎn)。

4.1 濾波器設(shè)計(jì)與分析

本研究中擬采用一階RC阻容低通濾波，為了獲得較好的濾波效果，其上限截止頻率應(yīng)不大于8 kHz，現(xiàn)以8 kHz設(shè)計(jì)并分析濾波器的性能。由公式

可求得時(shí)間常數(shù)=0.02 ms。

依據(jù)圖4所示實(shí)測(cè)波形及羅氏線圈的參數(shù)，在Micro-Cap中對(duì)羅氏線圈建模，將近似為阻尼正弦波信號(hào)的噪聲信號(hào)按同頻率的正弦波信號(hào)建模，模型如圖5所示，輸出波形如圖6所示。

圖5 羅氏線圈電路模型

4.2 RC濾波器參數(shù)的選擇及濾波性能仿真

RC濾波電路的參數(shù)1的阻值可按羅氏線圈內(nèi)阻的整數(shù)倍選取，1的取值依時(shí)間常數(shù)及1的取值選取，并向標(biāo)準(zhǔn)取值近似。仿真模型見圖7。

圖7 濾波器性能仿真模型

4.3 時(shí)間常數(shù)τ=0.02 ms的情況

1）1=13 Ω及其10的整數(shù)倍的情況

取1=13 Ω，1=1.5 μF。然后1阻值按10倍遞增，1容值按0.1倍遞減，仿真濾波器的濾波性能。仿真波形見圖8。

2）1=22 Ω及其10的整數(shù)倍的情況

取1=22 Ω，1=1 μF。然后R1阻值按10倍遞增，C1容值按0.1倍遞減，仿真濾波器的濾波性能。仿真波形見圖9。

3）1=33 Ω及其10的整數(shù)倍的情況

取1=33 Ω，1=0.68 μF。然后R1阻值按10倍遞增，1容值按0.1倍遞減，仿真濾波器的濾波性能。仿真波形見圖10。

綜合上述三種組合，在時(shí)間常數(shù)=0.02 ms的條件下，可見1取值在羅氏線圈內(nèi)阻的10～30倍時(shí)均可獲得較好的濾波效果和較短的濾波器延遲，具體的器件取值，為了適應(yīng)可能更換羅氏線圈的可能，故可取1=220 Ω和1=330 Ω這兩種組合，再依試驗(yàn)情況微調(diào)。

5 故障識(shí)別裝置設(shè)計(jì)

5.1 工作原理

在圖2、圖3工作原理的基礎(chǔ)上，為了濾除瞬態(tài)干擾，可加入采樣保持器，獲得歷史信號(hào)值，用當(dāng)前信號(hào)值與歷史信號(hào)值同給定值比較，結(jié)果經(jīng)與門輸出，可獲得濾除瞬態(tài)干擾的功能。此外增加信號(hào)限值比較器，可去除整定范圍限值以外的信號(hào)，減少誤判的情況。

故障快速識(shí)別裝置內(nèi)置濾波和放大電路、采樣保持電路、比較與限幅電路、跳閘信號(hào)產(chǎn)生電路、整定值設(shè)定電路等[4]。使用羅氏線圈作為電流傳感器，測(cè)得主回路的電流上升率，送入故障快速識(shí)別裝置，裝置依據(jù)整定值和設(shè)定范圍可自動(dòng)識(shí)別短路故障，并發(fā)出跳閘信號(hào)。本裝置可靈活的設(shè)定電流上升率的監(jiān)測(cè)范圍，電流上升率的整定值以及數(shù)字濾波的次數(shù)。通過(guò)設(shè)定數(shù)字濾波的次數(shù)可獲得較高的動(dòng)作準(zhǔn)確性。

5.2 裝置組成

故障快速識(shí)別裝置的組成框圖見圖11，主要由濾波與放大電路單元，采樣保持電路單元、比較與限幅電路單元、跳閘信號(hào)產(chǎn)生電路單元、整定值設(shè)定轉(zhuǎn)換電路單元和MCU通訊接口單元等部分組成。作為兩種實(shí)現(xiàn)方法的對(duì)比，第二種方案中采用了圖中虛線框內(nèi)的積分器。

圖11 故障快速識(shí)別裝置組成原理圖

濾波與放大電路單元：對(duì)經(jīng)由羅氏線圈測(cè)得的電流上升率信號(hào)進(jìn)行低通濾波，獲得較為理想的信號(hào)，后對(duì)該信號(hào)放大，以便獲得合適的電壓信號(hào)和足夠的驅(qū)動(dòng)能力，該電路對(duì)信號(hào)產(chǎn)生的延遲不得超過(guò)30 μs。

采樣保持電路單元：濾波放大后的電流上升率信號(hào)共分兩路，其中一路進(jìn)入采樣保持電路，利用采樣保持電路的記憶功能，可記錄較早時(shí)刻的電流上升率值，采樣脈沖為100 kHz。

比較與限幅電路單元：另一路濾波放大后的電流上升率信號(hào)進(jìn)入限幅電路，限幅電路主要是將超出預(yù)設(shè)的電流上升率監(jiān)測(cè)范圍的信號(hào)濾除，如此可濾掉部分瞬態(tài)干擾，只對(duì)預(yù)設(shè)范圍內(nèi)的電流上升率信號(hào)做故障識(shí)別與保護(hù)；比較器檢測(cè)預(yù)設(shè)范圍內(nèi)的電流上升率信號(hào)，與給定的電流上升率整定值比較，大于整定值時(shí)輸出高電平信號(hào)。

跳閘信號(hào)產(chǎn)生電路單元：比較與限幅電路輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)相應(yīng)的邏輯電路后產(chǎn)生跳閘脈沖信號(hào)，CPU捕獲該脈沖，并數(shù)字濾波，在一段連續(xù)時(shí)間內(nèi)，脈沖數(shù)達(dá)到一定值時(shí)輸出最終的跳閘信號(hào)，本設(shè)計(jì)中要求60 μs內(nèi)超過(guò)4次時(shí)即認(rèn)為是故障，輸出跳閘信號(hào)。

整定值設(shè)定轉(zhuǎn)換電路單元：該單元主要用于設(shè)置各個(gè)比較器的參考值，各整定值通過(guò)MCU的通訊口設(shè)置，后經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換，輸出給比較器，作為比較器的參考電壓。

MCU通訊接口單元：該單元提供故障快速識(shí)別裝置的人機(jī)接口功能，可方便的與PC機(jī)或手持式人機(jī)界面接口，便于裝置整定值和相關(guān)參數(shù)的設(shè)置，記錄信息的讀取。

6 結(jié)論

通過(guò)實(shí)際項(xiàng)目試驗(yàn)，證明了這兩種方法的有效性、可行性和可靠性，該研究提供了一種快速而有效的故障識(shí)別技術(shù)，由于其具備了數(shù)字化接口，因而增強(qiáng)了其功能，可適應(yīng)于多種用途，擴(kuò)展了其使用范圍。

[1] 陳啟明, 喻瑩. 羅氏線圈雷電流傳感器研究. 湖北電力, 2009，vol.33, No.31.

[2] Atmadji, Ali M.S. Direct current hybrid breakers : A design and its realization. Eindhoven: Technische Universiteit Eindhoven, 2000.

[3] Marek Bartosik, Ryszard Lasota, Franciszek Wójcik.Modern dc circuit breakers, 2006.

[4] Atmadji, Ali M.S. Damstra,G.C. Kerkenaar,R.W.P. FACULTEIT DER ELEKTROTECHNIEK. Eindhoven, 1998.

The Application of Quick Fault Identification Technology to Power System Protection

Zhou Guohui1, Li Hong2

(1. The Second Engineering Co., Ltd, China CREC Railway Electrification Bureau Group, Wuhan 430071, China; 2. Wuhan Metro Group Co., Ltd, Wuhan 430030, China)

TM86

A

1003-4862（2013）12-0005-04

2013-06-24

周國(guó)輝(1977-)，男，工程師。研究方向：電氣工程。