故障快速識別技術在電力系統保護中的應用

周國輝，李紅

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故障快速識別技術在電力系統保護中的應用

周國輝1，李紅2

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

本文闡述了一種故障快速識別的技術，主要從直流傳感器的選擇，故障檢測方法研究，濾波器的設計等方面對故障快速識別技術進行論述，提出了一種故障快速識別裝置的實現方法，具有創新性，可操作性強，具有實用意義。

故障快速識別 傳感器 故障檢測 濾波器

0 引言

在電力系統保護中，故障的快速識別一直是繼電保護人員不斷研究和探索的課題，提高故障識別技術，可有效降低系統承受故障電流的時間、降低短路分斷容量。特別是近幾年限流技術的研究，對故障電流的快速識別提出了更高的要求，本文針對10 kV直流電力系統中電流上升率在1～8 A/μs，極限電流上升率在35 A/μs，故障識別時間小于100 μs的實際需求，提出了研究故障電流的快速識別技術。

1 基本工作原理

本文設計一種基于電流上升率保護的故障快速識別裝置，可對設定范圍內的電流上升率實現快速檢測，在100 μs內發出跳閘指令。該跳閘指令具備電氣信號和光信號兩種，電氣信號可用于觸發晶閘管或斷開混合式斷路器中的主斷路器，光信號可用于斷開固態斷路器，以適應多用途的要求。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，故障檢測方法研究，濾波器的設計等方面對故障快速識別技術進行論述，并研究故障快速識別裝置的技術實現。

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兩種方式來實現故障快速識別，采用羅氏線圈做電流傳感器。

羅氏線圈具有以下優點[1]：測量線圈本身與被測電流回路沒有直接的電的聯系，而是通過磁場耦合，因此與主回路有良好的電氣絕緣；沒有鐵芯飽和問題，測量范圍寬，同樣的繞組，電流測量范圍可以從幾A到數百kA；頻率范圍寬，一般可設計到0.1～100 MHz以上，線圈自身的上升時間可以做到很小（如ns數量級）。缺點時只能測量電流變化率，配以積分器，可測量交流電流、脈沖電流和直流電流的突變量。

3 故障檢測方法研究

3.1 常用的檢測方法[2]

1）瞬時電流值的檢測：當短路電流超過整定值時產生跳閘信號。這個非常簡單的方法通常是保護架空線的首選。這種方法有一些缺點，如：短路之間的差異，短時過載和開關瞬態等難以分辨。

2）電流上升率檢測：這種方法可快速識別最大允許電流下的電流快速變化，但往往會導致誤跳閘。通常情況下，羅氏線圈被用于監測實時的電流上升率（d/d）。

3）檢測電流上升率持續在一個區間。當電流的上升率在一定的時間間隔Δt（如50 μs）超過規定跳閘水平，生成一個跳閘信號。這就避免了由于瞬變、短時過載和起動電流引起的誤跳閘。

4）檢測方法基于方法1）和方法2）的組合。e.檢測一段時間間隔內電流增量。在一定的時間間隔Δ（如50 μs），當電流的增量（Δ）超過跳閘水平，產生跳閘信號。之后每個時間間隔Δ內，測量電流值，并和前一個時間間隔Δ內測得的電流值比較，獲取新的Δ。時間間隔可以自由地選擇，這取決于是否是快速檢測系統或高可靠性檢測系統的需求，在這二者之間互相妥協。在瞬態干擾頻繁的網絡中，很顯然，時間間隔越小，故障檢測的可靠性將越小。

5）檢測方法基于方法2）和方法3）的組合。

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

3.2 本研究擬采用的檢測方法

本研究擬采用以下2種方案，實現故障快速識別算法。

方案一：電流上升率監測計數法

利用羅氏線圈做電流傳感器，測得直流電流變化率，濾波后將其與設定值比較，得到大于設定值時輸出1，小于設定值時輸出0的一系列數字量，每隔10 μs監測該數字量的變化，100 μs內如果該數字量為1的次數超過一定的數量，則認為是故障。原理框圖如圖2.

圖2 電流上升率監測計數法故障識別原理框圖

方案二：電流增量監測計數法

利用羅氏線圈做電流傳感器，并經積分器獲得脈沖電流值，測得脈沖電流值，濾波后將其與設定值比較，得到大于設定值時輸出1，小于設定值時輸出0的一系列數字量。每隔10 μs監測該數字量的變化，100 μs內如果該數字量為1的次數超過一定的數量，則認為是故障。原理框圖如圖3.

圖3 電流增量監測計數法故障識別原理框圖

4 濾波器設計

本研究主要針對6脈波整流電源供電的網絡，因此電源自身的波動對檢測會有一定的影響，同時濾波器的時延不能超過30 μs，否則會影響算法的執行時間。

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

該波形中，穩態電流最大值為4698 A，時間常數為=4.14 ms，電流上升率為1.13 A/μs。由圖6可以看出，短路穩態下，電流的紋波也會造成羅氏線圈的輸出有很大的變化，這主要是因為短路狀態下，線路的電感較小，本圖中線路電感為30.97 μH，故電流紋波會導致較大的電流上升率。在直流電網正常工作時，其電感遠大于該值，故不會有較高的電流上升率（在電流上升率監測值以下），進而導致故障識別方法失效的風險。

4.1 濾波器設計與分析

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，其上限截止頻率應不大于8 kHz，現以8 kHz設計并分析濾波器的性能。由公式

可求得時間常數=0.02 ms。

依據圖4所示實測波形及羅氏線圈的參數，在Micro-Cap中對羅氏線圈建模，將近似為阻尼正弦波信號的噪聲信號按同頻率的正弦波信號建模，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濾波器參數的選擇及濾波性能仿真

RC濾波電路的參數1的阻值可按羅氏線圈內阻的整數倍選取，1的取值依時間常數及1的取值選取，并向標準取值近似。仿真模型見圖7。

圖7 濾波器性能仿真模型

4.3 時間常數τ=0.02 ms的情況

1）1=13 Ω及其10的整數倍的情況

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，在時間常數=0.02 ms的條件下，可見1取值在羅氏線圈內阻的10～30倍時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，再依試驗情況微調。

5 故障識別裝置設計

5.1 工作原理

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

故障快速識別裝置內置濾波和放大電路、采樣保持電路、比較與限幅電路、跳閘信號產生電路、整定值設定電路等[4]。使用羅氏線圈作為電流傳感器，測得主回路的電流上升率，送入故障快速識別裝置，裝置依據整定值和設定范圍可自動識別短路故障，并發出跳閘信號。本裝置可靈活的設定電流上升率的監測范圍，電流上升率的整定值以及數字濾波的次數。通過設定數字濾波的次數可獲得較高的動作準確性。

5.2 裝置組成

故障快速識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、跳閘信號產生電路單元、整定值設定轉換電路單元和MCU通訊接口單元等部分組成。作為兩種實現方法的對比，第二種方案中采用了圖中虛線框內的積分器。

圖11 故障快速識別裝置組成原理圖

濾波與放大電路單元：對經由羅氏線圈測得的電流上升率信號進行低通濾波，獲得較為理想的信號，后對該信號放大，以便獲得合適的電壓信號和足夠的驅動能力，該電路對信號產生的延遲不得超過30 μs。

采樣保持電路單元：濾波放大后的電流上升率信號共分兩路，其中一路進入采樣保持電路，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進入限幅電路，限幅電路主要是將超出預設的電流上升率監測范圍的信號濾除，如此可濾掉部分瞬態干擾，只對預設范圍內的電流上升率信號做故障識別與保護；比較器檢測預設范圍內的電流上升率信號，與給定的電流上升率整定值比較，大于整定值時輸出高電平信號。

跳閘信號產生電路單元：比較與限幅電路輸出的信號經過相應的邏輯電路后產生跳閘脈沖信號，CPU捕獲該脈沖，并數字濾波，在一段連續時間內，脈沖數達到一定值時輸出最終的跳閘信號，本設計中要求60 μs內超過4次時即認為是故障，輸出跳閘信號。

整定值設定轉換電路單元：該單元主要用于設置各個比較器的參考值，各整定值通過MCU的通訊口設置，后經D/A轉換，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別裝置的人機接口功能，可方便的與PC機或手持式人機界面接口，便于裝置整定值和相關參數的設置，記錄信息的讀取。

6 結論

通過實際項目試驗，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別技術，由于其具備了數字化接口，因而增強了其功能，可適應于多種用途，擴展了其使用范圍。

[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

周國輝(1977-)，男，工程師。研究方向：電氣工程。