故障快速识别技术在电力系统保护中的应用

周国辉，李红



故障快速识别技术在电力系统保护中的应用

周国辉1，李红2

（1. 中铁电气化局集团第二工程有限公司，武汉 430071; 2. 武汉地铁集团有限公司，武汉 430030）

本文阐述了一种故障快速识别的技术，主要从直流传感器的选择，故障检测方法研究，滤波器的设计等方面对故障快速识别技术进行论述，提出了一种故障快速识别装置的实现方法，具有创新性，可操作性强，具有实用意义。

故障快速识别 传感器 故障检测 滤波器

0 引言

在电力系统保护中，故障的快速识别一直是继电保护人员不断研究和探索的课题，提高故障识别技术，可有效降低系统承受故障电流的时间、降低短路分断容量。特别是近几年限流技术的研究，对故障电流的快速识别提出了更高的要求，本文针对10 kV直流电力系统中电流上升率在1～8 A/μs，极限电流上升率在35 A/μs，故障识别时间小于100 μs的实际需求，提出了研究故障电流的快速识别技术。

1 基本工作原理

本文设计一种基于电流上升率保护的故障快速识别装置，可对设定范围内的电流上升率实现快速检测，在100 μs内发出跳闸指令。该跳闸指令具备电气信号和光信号两种，电气信号可用于触发晶闸管或断开混合式断路器中的主断路器，光信号可用于断开固态断路器，以适应多用途的要求。其工作原理框图如图1所示。

图1 故障快速识别装置工作原理图

基于上述工作原理，本文从直流传感器的选择，故障检测方法研究，滤波器的设计等方面对故障快速识别技术进行论述，并研究故障快速识别装置的技术实现。

2 直流电流传感器的选择

本文拟采用电流上升率及电流增量两种方式来实现故障快速识别，采用罗氏线圈做电流传感器。

罗氏线圈具有以下优点[1]：测量线圈本身与被测电流回路没有直接的电的联系，而是通过磁场耦合，因此与主回路有良好的电气绝缘；没有铁芯饱和问题，测量范围宽，同样的绕组，电流测量范围可以从几A到数百kA；频率范围宽，一般可设计到0.1～100 MHz以上，线圈自身的上升时间可以做到很小（如ns数量级）。缺点时只能测量电流变化率，配以积分器，可测量交流电流、脉冲电流和直流电流的突变量。

3 故障检测方法研究

3.1 常用的检测方法[2]

1）瞬时电流值的检测：当短路电流超过整定值时产生跳闸信号。这个非常简单的方法通常是保护架空线的首选。这种方法有一些缺点，如：短路之间的差异，短时过载和开关瞬态等难以分辨。

2）电流上升率检测：这种方法可快速识别最大允许电流下的电流快速变化，但往往会导致误跳闸。通常情况下，罗氏线圈被用于监测实时的电流上升率（d/d）。

3）检测电流上升率持续在一个区间。当电流的上升率在一定的时间间隔Δt（如50 μs）超过规定跳闸水平，生成一个跳闸信号。这就避免了由于瞬变、短时过载和起动电流引起的误跳闸。

4）检测方法基于方法1）和方法2）的组合。e.检测一段时间间隔内电流增量。在一定的时间间隔Δ（如50 μs），当电流的增量（Δ）超过跳闸水平，产生跳闸信号。之后每个时间间隔Δ内，测量电流值，并和前一个时间间隔Δ内测得的电流值比较，获取新的Δ。时间间隔可以自由地选择，这取决于是否是快速检测系统或高可靠性检测系统的需求，在这二者之间互相妥协。在瞬态干扰频繁的网络中，很显然，时间间隔越小，故障检测的可靠性将越小。

5）检测方法基于方法2）和方法3）的组合。

在国外文献[3]中可检到基于电流上升率的故障快速识别技术，采用了数字化算法，采样频率为25 μs，可检测5～10 A/μs的电流上升率，故障识别时间为65～90 μs。

3.2 本研究拟采用的检测方法

本研究拟采用以下2种方案，实现故障快速识别算法。

方案一：电流上升率监测计数法

利用罗氏线圈做电流传感器，测得直流电流变化率，滤波后将其与设定值比较，得到大于设定值时输出1，小于设定值时输出0的一系列数字量，每隔10 μs监测该数字量的变化，100 μs内如果该数字量为1的次数超过一定的数量，则认为是故障。原理框图如图2.

图2 电流上升率监测计数法故障识别原理框图

方案二：电流增量监测计数法

利用罗氏线圈做电流传感器，并经积分器获得脉冲电流值，测得脉冲电流值，滤波后将其与设定值比较，得到大于设定值时输出1，小于设定值时输出0的一系列数字量。每隔10 μs监测该数字量的变化，100 μs内如果该数字量为1的次数超过一定的数量，则认为是故障。原理框图如图3.

图3 电流增量监测计数法故障识别原理框图

4 滤波器设计

本研究主要针对6脉波整流电源供电的网络，因此电源自身的波动对检测会有一定的影响，同时滤波器的时延不能超过30 μs，否则会影响算法的执行时间。

图4为6脉波整流电源供电的网络中一典型短路故障下分流器测得的电流波形和罗氏线圈测得的电流上升率波形。

该波形中，稳态电流最大值为4698 A，时间常数为=4.14 ms，电流上升率为1.13 A/μs。由图6可以看出，短路稳态下，电流的纹波也会造成罗氏线圈的输出有很大的变化，这主要是因为短路状态下，线路的电感较小，本图中线路电感为30.97 μH，故电流纹波会导致较大的电流上升率。在直流电网正常工作时，其电感远大于该值，故不会有较高的电流上升率（在电流上升率监测值以下），进而导致故障识别方法失效的风险。

4.1 滤波器设计与分析

本研究中拟采用一阶RC阻容低通滤波，为了获得较好的滤波效果，其上限截止频率应不大于8 kHz，现以8 kHz设计并分析滤波器的性能。由公式

可求得时间常数=0.02 ms。

依据图4所示实测波形及罗氏线圈的参数，在Micro-Cap中对罗氏线圈建模，将近似为阻尼正弦波信号的噪声信号按同频率的正弦波信号建模，模型如图5所示，输出波形如图6所示。

图5 罗氏线圈电路模型

4.2 RC滤波器参数的选择及滤波性能仿真

RC滤波电路的参数1的阻值可按罗氏线圈内阻的整数倍选取，1的取值依时间常数及1的取值选取，并向标准取值近似。仿真模型见图7。

图7 滤波器性能仿真模型

4.3 时间常数τ=0.02 ms的情况

1）1=13 Ω及其10的整数倍的情况

取1=13 Ω，1=1.5 μF。然后1阻值按10倍递增，1容值按0.1倍递减，仿真滤波器的滤波性能。仿真波形见图8。

2）1=22 Ω及其10的整数倍的情况

取1=22 Ω，1=1 μF。然后R1阻值按10倍递增，C1容值按0.1倍递减，仿真滤波器的滤波性能。仿真波形见图9。

3）1=33 Ω及其10的整数倍的情况

取1=33 Ω，1=0.68 μF。然后R1阻值按10倍递增，1容值按0.1倍递减，仿真滤波器的滤波性能。仿真波形见图10。

综合上述三种组合，在时间常数=0.02 ms的条件下，可见1取值在罗氏线圈内阻的10～30倍时均可获得较好的滤波效果和较短的滤波器延迟，具体的器件取值，为了适应可能更换罗氏线圈的可能，故可取1=220 Ω和1=330 Ω这两种组合，再依试验情况微调。

5 故障识别装置设计

5.1 工作原理

在图2、图3工作原理的基础上，为了滤除瞬态干扰，可加入采样保持器，获得历史信号值，用当前信号值与历史信号值同给定值比较，结果经与门输出，可获得滤除瞬态干扰的功能。此外增加信号限值比较器，可去除整定范围限值以外的信号，减少误判的情况。

故障快速识别装置内置滤波和放大电路、采样保持电路、比较与限幅电路、跳闸信号产生电路、整定值设定电路等[4]。使用罗氏线圈作为电流传感器，测得主回路的电流上升率，送入故障快速识别装置，装置依据整定值和设定范围可自动识别短路故障，并发出跳闸信号。本装置可灵活的设定电流上升率的监测范围，电流上升率的整定值以及数字滤波的次数。通过设定数字滤波的次数可获得较高的动作准确性。

5.2 装置组成

故障快速识别装置的组成框图见图11，主要由滤波与放大电路单元，采样保持电路单元、比较与限幅电路单元、跳闸信号产生电路单元、整定值设定转换电路单元和MCU通讯接口单元等部分组成。作为两种实现方法的对比，第二种方案中采用了图中虚线框内的积分器。

图11 故障快速识别装置组成原理图

滤波与放大电路单元：对经由罗氏线圈测得的电流上升率信号进行低通滤波，获得较为理想的信号，后对该信号放大，以便获得合适的电压信号和足够的驱动能力，该电路对信号产生的延迟不得超过30 μs。

采样保持电路单元：滤波放大后的电流上升率信号共分两路，其中一路进入采样保持电路，利用采样保持电路的记忆功能，可记录较早时刻的电流上升率值，采样脉冲为100 kHz。

比较与限幅电路单元：另一路滤波放大后的电流上升率信号进入限幅电路，限幅电路主要是将超出预设的电流上升率监测范围的信号滤除，如此可滤掉部分瞬态干扰，只对预设范围内的电流上升率信号做故障识别与保护；比较器检测预设范围内的电流上升率信号，与给定的电流上升率整定值比较，大于整定值时输出高电平信号。

跳闸信号产生电路单元：比较与限幅电路输出的信号经过相应的逻辑电路后产生跳闸脉冲信号，CPU捕获该脉冲，并数字滤波，在一段连续时间内，脉冲数达到一定值时输出最终的跳闸信号，本设计中要求60 μs内超过4次时即认为是故障，输出跳闸信号。

整定值设定转换电路单元：该单元主要用于设置各个比较器的参考值，各整定值通过MCU的通讯口设置，后经D/A转换，输出给比较器，作为比较器的参考电压。

MCU通讯接口单元：该单元提供故障快速识别装置的人机接口功能，可方便的与PC机或手持式人机界面接口，便于装置整定值和相关参数的设置，记录信息的读取。

6 结论

通过实际项目试验，证明了这两种方法的有效性、可行性和可靠性，该研究提供了一种快速而有效的故障识别技术，由于其具备了数字化接口，因而增强了其功能，可适应于多种用途，扩展了其使用范围。

[1] 陈启明, 喻莹. 罗氏线圈雷电流传感器研究. 湖北电力, 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

周国辉(1977-)，男，工程师。研究方向：电气工程。