动作特性曲线（精选3篇）
动作特性曲线 篇1
0 引言
传统的模拟式继电保护利用继电器识别和清除电力系统故障[1]。继电器的动作特性为继电特性,它具有独特的优势:开关性能好,闭合时阻抗小、断开时阻抗大;抗雷击性能强;无噪声;受周围环境温度影响小等[2]。
数字技术的进步,颠覆了许多传统观念和做法,出现了许多模拟时代想得出而做不到的新技术。继电保护逐渐演化,历经多代,发生了巨大的变化,但时至今日,仍遗留有模拟时代的“基因”,其动作特性仍然具有过量欠量特性,即简单的“是”“非”划分。对于一些简单的问题,继电保护的处理原则一直是坚持反对复杂化,因而仍沿用过量欠量特性。例如:对于过电流保护,电流大于定值就动作,电流小于定值乘返回系数就返回;圆特性、四边形特性的距离保护,在动作区内就动作,在动作区外就不动作等等。相对复杂的是具有反时限特性的电流保护,它是反映热稳定电流的保护,是时间的函数,相对于定时限电流保护复杂得多,而且反时限特性有多种。
继电保护面临的许多问题,比起电流反时限要复杂得多,存在着可靠性与灵敏性、快速性与选择性的矛盾。利用简单的过量欠量特性和反时限特性仍不能很好地解决这类问题和矛盾。近些年,数字式/微机型继电保护的应用,为更好地解决此类问题提供了技术条件和物质基础。因此,本文跳出传统继电器“过量欠量特性”的束缚,充分利用数字式保护灵活、智能的优势[3],提出柔性继电保护的概念,希望能借此更好地解决现有保护的问题,促进保护的原理、动作特性、动作行为更科学、更合理。
1 传统继电保护的刚性
传统继电保护的刚性体现在其继电动作特性上,下面予以简单介绍。
1.1 过量欠量特性
继电器的过量欠量特性就是其输出只处于开或关两个状态中的一个,当输入量达到一定值时,输出量发生突变,从一个状态变为另一个状态。以常开触点为例,如图1所示,设继电器接点S的开、关的状态分别为0和1,初始状态为0。在继电器线圈L回路输入电流I,当I从零增加到某一定值I2时,继电器接点闭合,状态改变并保持为1;直到线圈L中电流减小到I1时,继电器接点打开,状态由1变为0,并保持。
继继电电器器这这种种根根据据输输入入量量值值不不同同,,输输出出在在““00””和和““11””两两个个状状态态之之间间转转换换的的特特性性就就是是过过量量欠欠量量特特性性,,也也是传统继电保护的动作特性。它非常干脆———不是“是”就是“非”,是刚性的,适用于解决过流这种简单、明确的问题。但是电力系统的故障特征一般不是非常明确的,经常会受不平衡电流、负荷等各种因素的影响,导致刚性的过量欠量特性不能准确识别故障。为此,继电保护的学者和专家们进行了各种探索性研究,提出了继电保护的自适应特性。
1.2 继电保护的自适应特性
继电保护自适应特性的内涵是:根据预定的动作方程,其动作行为随某些因素变化而变化。以变压器差动保护为例,比率制动的差动保护就具有自适应的继电特性[3],其比率制动部分的动作量与制动量关系如式(1)所示。
式中:Id为动作量;Ir为制动量;K为制动系数。
Id按照K随Ir的变化而变化,制动量增大、动作量也随之增大,动作特性如图2所示。图中,Iset为动作量整定值。自适应特性的另一个典型例子是浮动门槛值整定,即输入的不平衡增大,动作定值也随之增大,如图3所示。
另一个自适应特性的经典例子是阻抗保护的零序电抗[4],如图4所示。图中,ZF和Zm分别为不考虑和考虑过渡性电阻情况下保护安装处到故障点的测量阻抗,ΔZ为过渡电阻造成的附加阻抗,Zset为零序电抗线的阻抗整定值。零序电抗线与水平线的夹角β是变数,会随着过渡电阻产生的附加阻抗的角度变化,也就是零序电抗线有了一定的自适应能力。
由上述例子可见,具有自适应特性的继电器仍是过量欠量特性,只不过动作的定值———划分“是”与“非”的界线随条件变化。这一界线一旦定下来,它的动作特性仍然是刚性的。这样,对于某些更复杂的如变压器励磁涌流、系统振荡、电流互感器饱和等情况下的故障,由于它们的故障特征趋于模糊,很难找到一条明确区分故障与非故障的界线,也就无法利用自适应特性处理。对于这种情况,就需对保护特性进行“柔性化”处理,以更准确地判别故障。
2 柔性动作特性的概念
继电保护的柔性动作特性完全不同于过量欠量特性和自适应特性,其动作特性根据保护对象的故障特征确定,而不是由简单的“是”与“非”来划分。
继电保护的判据就是寻找故障与非故障、区内故障与区外故障的差异。若差异鲜明则采用“刚”性动作特性;若差异不明确,存在一个混沌区则采用“柔”性动作特性。具体来说,对于过流等简单故障,其特征很明确,因而适用于刚性的继电特性;对于存在不平衡电流等复杂情况,可以通过自适应特性调节门槛值来躲过不平衡电流;而对于更复杂的难以识别的故障特征情况,无法找到明确的故障与非故障的界线,继电特性不能保证准确识别故障,则需要采用柔性的动作特性。相对于传统继电保护采用单一判据的刚性特性或自适应特性,本文将继电保护多种判据的复杂组合视为其柔性特性。
3 动作特性的柔性化方法
如果故障特征与非故障特征不存在交集,理论上就能明确区分故障特征和非故障特征,这是刚性的继电特性。然而,当两个特征越来越接近,越来越分不清楚时,就不能简单处理了。本文将特征不明确的区域单独划分出来,称为混沌区。这样由原来界线明确的故障和非故障两个区变成三个区:故障区、非故障区和混沌区,如图5所示。故障区和非故障区就是明确处于故障特征或非故障特征的区域,而在故障特征不明确的混沌区,需要进行柔性化处理,根据具体的故障特征决定其动作特性。
处理混沌区之前,在寻找、研究主判据时,就尽可能地缩小混沌区,让它鲜明起来,对确实难以区分的混沌区才进行柔性化处理。
处理混沌区时,首先权衡利弊,针对混沌区制定原则性的指导建议———倾向故障或倾向非故障,或者说,倾向可靠或倾向灵敏,倾向开放或倾向闭锁,倾向误动或倾向拒动。其次,应考虑付出的代价,包括资源代价、时间代价、程序复杂程度代价及补救措施。最后,根据技术水平,从根本上、原理上制定技术路线和解决问题的方法。
4 动作特性的柔性化案例分析
系统中存在很多混沌的、不明确的故障特征,譬如变压器空载充电时的励磁涌流与变压器匝间短路[5,6,7,8]、外部短路的电流互感器饱和与内部短路、系统振荡与短路故障[9]、外部短路初始阶段的暂态超越与内部短路等等。如何处理这些混沌区域,将继电特性柔性化,这在模拟保护时代非常困难,但对数字式保护就相对容易得多。事实上,数字式保护经过多年的进化,采用的许多技术正在逐步对刚性的动作特性柔性化。只是还没有提出这样一个概念,并系统地论述。
案例一:以变压器励磁涌流为例。变压器空载充电时,变压器差动保护要区分是变压器励磁涌流,还是变压器内部故障。整定导则[10]给出了15%~20%二次谐波闭锁的指导建议。事实上,这个建议没有起到指导性作用,相反地约束了合理的定值。因为几乎所有的整定都按照15%进行,说明指导性定值定得太高。运行和实验中都出现了不少二次谐波低于15%的涌流。更麻烦的是,系统中不但有二次谐波较小的涌流,还出现了二次谐波较大的故障,这是典型的混沌事件,单靠二次谐波条件判别涌流并不充分。
针对这个混沌事件,可以做这样的柔性化处理:二次谐波低于5%直接判定故障,高于20%直接判定为涌流,如图6所示,图中,Idφ2为二次谐波电流,Idφ为基波励磁电流。在5%~20%的混沌区,引入其他量(如直流量)参与判断,增加很多相关性的运算,二次谐波越大越倾向涌流,反之倾向故障,等等。因此,可把这样的处理称之为柔性化处理。
案例二:另一个更典型的例子是振荡闭锁逻辑中的静态稳定电流。启动前的负荷电流的大小直接影响振荡闭锁逻辑。当负荷电流大于静态稳定电流定值直接进入振荡闭锁,小于静态稳定电流定值经短时开放后进入振荡闭锁[9]。如此重要、复杂的问题简单化、刚性化的处理很不恰当,用户反映这个定值很难确定,因此,存在很多不恰当、不合理的整定。
下面来柔性化处理这个特性。如图7(a)所示,将原来大于或小于定值这两个区变为三个区:大于定值的150%进入振荡闭锁,小于定值的50%短时开放后进入振荡闭锁,在定值的50%~150%之间为混沌区。在混沌区引入电压计算Ucosφ,如图7(b)所示[6],图中,tKF为开放时间,根据Ucosφ的大小改变短时开放时间,在功角φ接近0时,Ucosφ接近1,系统不容易失稳,开放时间延长至160ms;在功角φ接近90°时,Ucosφ接近0.7左右,系统容易失稳,开放时间缩短至30 ms,这一改进极大地简化了用户的整定。
案例三:解决继电保护“快”与“准”之间的矛盾。
先说快,导致正序电压迅速降低的故障必须快速切除。最需要快速切除的是出口三相短路,其次是两相短路接地,而单相接地故障快的要求有所降低[11,12,13,14,15]。所幸的是,需要快速切除的故障,其故障特征十分明显,非常容易快速地检测到故障,如通过突变量距离保护切除。
再说准,经高阻的单相接地故障与正常的负荷难以区分,就属于混沌区。这样的故障其特征近似于负荷,切除时间稍长并不会造成稳定问题,不必过于强调快速动作。如果一定要强调这时快的好处,可勉强提出两条:一是为上一级后备保护提供配合的基础,二是提供重合闸的机会。但这样做的好处似乎微不足道,不如求准,将“准”上升为首位,“快”退居到次位。
另外,对于处于动作定值附近的故障,进入严重的混沌区,这时是不能轻易动作出口的,更为合理的做法是以时间换准确性,使用复杂算法,反复算,力求准确;而对于远离动作定值的故障,故障特征十分鲜明,这时应果断地快速动作出口。可见,时间是重要的资源,在遇到“快”与“准”的矛盾时,进入混沌区,柔性化处理动作时间和处理方式可化解很多矛盾。反时限特性的保护便是一个很好的例子。
5 结语
本文阐述了传统继电保护的继电特性和自适应特性,它们是刚性的,适用于故障特征比较明确的情况。但对于某些难以判断的故障,存在安全与灵敏、快与准的矛盾,为解决此类问题,充分利用数字式保护灵活、智能的优势,提出继电保护柔性动作特性的概念。其应用前景体现在如下方面。
1)改进现有保护。利用柔性动作特性,对如励磁涌流、振荡、电流互感器饱和等条件下故障特征不明确的情况,进行专门的柔性化处理,可以更准确地识别故障,减少误动。
2)定值自动整定。根据继电保护柔性动作特性理论,对于难以确定准确动作定值的情况,由保护程序根据既定策略和被保护对象的原始参数、运行参数和故障特征自动设定定值。
本文旨在提出继电保护柔性动作特性的概念。后续将详细分析继电保护的柔性动作特性在不同场景的应用,包括振荡闭锁混沌区的处理、励磁涌流识别等。总之,希望这个概念能够得到广泛接受,在标准制定、试验检测、装置开发、运行维护等方方面面能够形成共识,促进继电保护原理、动作特性、动作行为更科学、更合理。
巧用电源伏安特性曲线解题 篇2
例1现有一个电源, 电动势为3 V, 内阻为0. 5Ω; 有一个灯泡, 它的伏安特性曲线如图1中b所示. 试求:
( 1) 将此灯泡和R = 1Ω的定值电阻分别接到该电源上, 它们的功率分别为多少? 若将此灯泡和定值电阻串联接到该电源上, 则它们的功率又为多少?
( 2) 将两个同样的灯泡分别串联与并联接到该电源上, 则它们的功率分别为多少?
解析: ( 1) 由已知条件E = 3 V, 内阻r = 0. 5Ω, 根据闭合电路欧姆定律, 定值电阻的电流
求定值电阻功率容易, 而求灯泡的功率就难了. 因灯泡接入电路中时的实际电阻不能确定, 无法直接用欧姆定律求出灯泡的电压与电流, 所以我们只能根据伏安特性曲线来求解.
作出电源的伏安特性曲线C, 如图1所示. 由伏安特性曲线的特点可知, b与c的交点为灯泡与电源构成回路后的实际工作状态, 此时灯泡两端电压0. 9 V, 流过灯泡的电流I' = 4. 2A, 则小灯泡 的实际功 率P' = U' I'= 3. 78 W.
同样也可以用伏安特性曲线来求定值电阻的功率, 如图1中a为定值电阻的伏安特性曲线, 则a与c的交点为定值电阻与电源构成回路后的实际工作状态, 此时定值电阻两端的电压U = 2 V, 电流I = 2 A, 所以定值电阻的功率为P = UI = 4 W, 结论与欧姆定律求解一致.
若将灯泡和定值电阻串联在电路中, 仍因灯泡的电阻不确定, 致使电路中电流与各部分电路的电压不能确定, 而此时b与c的交点又并非灯泡的实际工作状态, 其功率自然难求了. 其实我们可以变通一下, 将定值电阻等效到电源内阻上组成一个新电源, 其电动势E' = E, 内阻r' = r + R, 根据新电源的伏安特性曲线d与灯泡的伏安特性曲线b的交点, 就可确定此时灯泡两端的电压与电流了. 由图1可知UL= 0. 2 V, IL= 2. 2 A, 则灯泡和电阻功率分别为
以此类推, 若求灯泡和定值电阻并联接入该电源的功率时, 可将定值电阻与电源内阻并联后等效为新电源, 然后作出伏安特性曲线得到电压与电流即可求出各自功率.
( 2) 如将两灯泡串联接入电路, 也因电阻未知而无法确定电流、电压关系, 若采用第一问中的解法也因灯泡电阻不确定而无法等效到电源中去求另一灯泡的电压与电流. 此问可巧妙地将电源拆分为两个相同电源而分别对两个灯泡供电, 拆分后的电动势E' = 1. 5 V, 内阻r = 0. 25Ω, 作出新电源的伏安特性曲线e, 如图2中虚线所示, 根据e与b的交点确定灯泡此时的实际电压0. 6 V, 电流3. 5 A , 解得功率P = UI = 2. 1 W.
同样道理, 两灯泡并联时也将电源拆分为如图3所示的两个电路分别对灯泡供电, 拆分后的电源电动势E″ = 3 V, 内阻r″= 1Ω, 再次作出新的电源伏安特性曲线f, 根据f与b的交点确定灯泡此时的实际电压U = 0. 3 V, 电流I = 2. 6 A, 其功率P = UI= 0. 78 W.
断路器异常特性曲线分析 篇3
关键词：特性曲线,预击穿,燃弧,合闸速度,分闸速度
1 概述
随着科技技术的不断发展, 高压开关特性测试设备越来越先进, 现在高压开关行业常用的HVSOP型全自动高压开关测试系统 (俗称KOCOS) 完全可以测试出高压开关设备的各项基本特性, 如:分闸时间、速度, 合闸时间、速度, 合分时间, 控制电流等等。研究高压开关操作特性曲线能帮助我们了解高压开关的各项性能, 对解决高压开关设备故障、质量缺陷有很大帮助。
这里以110KV三相联动断路器特性曲线为例, 做简单说明。
图中A、B、C黄绿红三条曲线是A、B、C三相断路器的通断线, 细实线代表断路器动静触头处在分离状态, 粗实线代表断路器动静触头处在接通状态;A1蓝色曲线是断路器动触头行程曲线, 它一般通过安装在断路器拐臂轴上的位移传感器测量;A2曲线是断路器合闸控制电流线, 它是通过断路器操动机构中合闸线圈中的电流。分闸特性曲线与此相识, 这里不再赘述。
2 异常特性曲线分析
异常特性曲线主要有:通断线异常、电流线异常、行程曲线异常, 这里我们针对常见的异常特性曲线进行分析。
2.1 分合闸断口通断线异常
断路器动、静触头的通断线可以显示动、静触头的接触、断开情况, 见图二所示。时间t表示合闸同期性, 若t时间过长会影响到电力系统运行的稳定性, 造成断路器误动作, 通过调节三相本体的起始位置、三相机构的合闸时间可以减小t, 使其满足设计和使用要求。
弹跳时间t1, 可以反映出本体动静触头的对中性和灵活性, 弹跳时间t1偏大, 则可能是因为动静触头对中性不好, 严重的话会造成动静触头的碰撞损坏, 现在断路器动静触头的对中性都靠设计工装保证, 一般不会影响到断路器机械寿命, 所以没有相关标准对此进行特别规定。
图2中A相接通后一段时间动静触头又分开了, 表示断路器机构合闸后没有保持住 (简称机构合分故障) , 这种情况在变电站会影响成功送电, 因此需要及时检修断路器机构。
2.2 分合闸控制电流线异常
其次常出现的异常特性曲线为电流线异常, 见图3所示为某断路器A、C相机构分闸控制电流线。分闸控制电流线也就是通过分闸线圈内的电流曲线, 它的切断主要靠辅助开关的切换完成。辅助开关在切断控制信号的过程中可能会造成拉弧现象, 如果辅助开关容量不足, 无法切断控制信号, 会造成断路器机构控制回路长时间带电, 烧坏机构线圈或辅助开关。辅助开关拉弧时间的影响因素很多, 主要有分合闸速度、辅助开关切换容量、控制回路设计等。图中黄色曲线表示辅助开关已无法切断控制信号, 我们通过提高分闸速度、选用大容量辅助开关、分合闸控制回路错层分布均有利于解决该问题。
2.3 合闸行程曲线异常
分合闸行程曲线直接反映着断路器的机械性能, 因此试验过程中需对分合闸行程曲线进行重点关注。图四为某断路器A、B相的合闸行程曲线, A点为动静触头刚刚接触位置 (刚合点) , AB段的平均速度为断路器的合闸速度, 由于AB段曲线内动静触头即将接触, 在电力系统运行过程中会产生预击穿, 产生击穿电流, 若这段时间内合闸速度过低, 动静触头间长时间放电产生大量热量, 将动静触头焊接在一起, 造成断路器无法分闸, 引起重大电力事故。根据不同的产品对合闸时间的定义也不同, 有的规定为合闸前10ms动触头的平均速度为合闸速度, 有的规定为合闸前一段距离内 (应大于预击穿距离) 动触头的平均速度为合闸速度, 不管那种定义方法可以肯定B点应在预击穿距离外。
图4中B相合闸启动速度低 (即BC段平均速度低) , 表示合闸启动过程中阻力大, 可能是转动部分有卡滞, 或部分零部件装配过紧转动不灵活。若在电站运行一段时间后, 由于润滑油 (脂) 的流失, 部分零部件的锈蚀, 造成机构启动阻力更大, 严重的会造成断路器合闸不到位, 使断路器处在半分半合状态, 此时断路器一般无法分闸、也无法继续合闸, 直接影响到电力系统的安全运行。
图4中D段合闸终止时出现曲线异常, 出现该问题的一般为断路器弹簧操动机构内超越离合器 (单向轴承) 失效所致, 通常情况下该机构也会出现储能时间长、未储能指示牌不正等问题。当机构出现这种情况时, 需要及时检修机构超越离合器及其配合零部件, 否则会严重降低操作机构的机械寿命。
由于断路器必须能够切断异常电流 (如短路电流) , 因此对断路器的分闸特性要求更为严格, 图五为某断路器分闸行程曲线。A为动静触头刚刚分离位置 (即刚分点) , B为分闸后10ms位置, AB段内动触头的平均速度为断路器分闸速度, 之所以如此定义, 是因为这段时间内断路器要拉弧, 这段时间内速度的高低直接决定着断路器的灭弧能力。图中所示断路器分闸到位后有过冲10mm, 这要根据断路器本身设计判断是否存在隐患, 若过冲超出了断路器本身设计要求, 有可能会造成将断路器本体拐臂盒 (或底座) 打坏。
3 结论
我们借助先进的试验设备, 通过研究断路器特性曲线可以帮助我们了解产品性能。只要平时注意研究, 不断积累, 对异常特性曲线进行深入分析, 对改进产品, 提高产品性能有很大帮助。
参考文献
[1]白桂欣.电气工程常用数据速查手册[M].北京.机械工业出版社, 2007.[1]白桂欣.电气工程常用数据速查手册[M].北京.机械工业出版社, 2007.