專利名稱：識別低壓電網(wǎng)中短路的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種采用所選開關(guān)標(biāo)準(zhǔn)來識別低壓電網(wǎng)中短路的方法，其中尤其是采集瞬時電流值和電流曲線斜率，并將其用作為切斷標(biāo)準(zhǔn)，為此將電流曲線斜率表示為電流的函數(shù)，并且在軌跡圖中導(dǎo)出包括所有在額定工作狀態(tài)中可能的軌跡圖的包絡(luò)線。此外，本發(fā)明還涉及實施該方法的所屬裝置，它們具有模擬式或數(shù)字式或混合式的測圖手段(Auswertemittel)。
低壓(NS)設(shè)備中的短路現(xiàn)象不僅與諸如導(dǎo)線、電纜、母線系統(tǒng)等相接設(shè)備部件的高電動負(fù)荷和熱負(fù)荷有關(guān)，而且也與實施斷路的功率開關(guān)的高電動負(fù)荷和熱負(fù)荷有關(guān)。負(fù)荷值由從短路出現(xiàn)到其切斷的時間所決定。該時間的一部分為純粹探測不允許的工作狀態(tài)所要求，而且被稱為所謂的短路識別時間。力求得到一種針對不同電網(wǎng)參數(shù)的、尤其是針對功率因子的所允許的方法，該方法可對短路進(jìn)行快速識別。
迄今已提出一系列用于短路識別的方法-常規(guī)法，通過磁斷路器和/或熱跳閘器來評價電流i的值，而且在電流值超過一極限值時觸發(fā)切斷(i-標(biāo)準(zhǔn))。由于電流因電網(wǎng)電感而連續(xù)，因此在電流升至超過極限值并由此來識別短路前始終持續(xù)一定的時間。另一缺點是根據(jù)沖擊因子k的原理，必須對一個遠(yuǎn)高于額定有效電流(實際中因子≥3)的極限值進(jìn)行調(diào)整，以便防止不希望的斷路。由此有可能永遠(yuǎn)識別不到“弱”短路。由于觸發(fā)器的機(jī)械慣性和尤其熱慣性，會產(chǎn)生附加的延遲。為對上述現(xiàn)象進(jìn)行補(bǔ)償，僅根據(jù)電流評價的原理(i-標(biāo)準(zhǔn))則要設(shè)計許多電子觸發(fā)器，它們能對實際電流和觸發(fā)極限值進(jìn)行小慣性或無慣性的比較。
-在etz112(1991)的第718～722頁中提出了一種算法，它除了利用電流i外還利用了電流曲線斜率di/dt來識別短路。當(dāng)滿足下述被稱為外插標(biāo)準(zhǔn)的條件時，則發(fā)生觸發(fā)
式中IN額定電流(有效值)；N額定電流回路的相移；τN額定電流回路的時間常數(shù)＝tan(N)/(2πf)；GExtra觸發(fā)極限值。
在一張橫坐標(biāo)為電流i和縱坐標(biāo)為電流曲線斜率di/dt的圖中，上述等式(1)表現(xiàn)為一條直線。
與所有其它公知的并采用電流i和電流曲線斜率di/dt的短路識別方法相比，外插標(biāo)準(zhǔn)在諸如識別時間、電流熱積分、識別時刻的電流等識別性能方面是最佳的。與在許可極限值范圍內(nèi)電流強(qiáng)度的轉(zhuǎn)換相比，該外插標(biāo)準(zhǔn)的反應(yīng)是穩(wěn)定的。
該方法的缺點是為適應(yīng)該方法，待保護(hù)電網(wǎng)的功率因子在額定工作狀態(tài)必須是已知的。這便要求有已知和恒定的電網(wǎng)參數(shù)，因為交變負(fù)荷會使該方法變得不適合，有時可能引起不當(dāng)觸發(fā)。
-一種對在確定的間隔界限中不同的功率因子不敏感的方法，它同樣采用電流和電流曲線斜率來進(jìn)行短路識別，這種方法由DE 36 42 136 C1公知。把在具有諸如cos＝0.2…0.95的功率因子的電路接通(所謂的直接接通)過程中可能出現(xiàn)的電流和電流曲線斜率的所有可能狀況畫在一張共同的軌跡圖中，圖中電流i為橫坐標(biāo)而電流曲線斜率di/dt為縱坐標(biāo)。由于在DE36 42 136 C2中全部的軌跡圖是在縱坐標(biāo)軸上從i等于零時開始，因此必須有以下前提條件在開關(guān)操作之前無電流流過，因此也就沒有預(yù)電流存在。在這現(xiàn)有技術(shù)中，圍繞所產(chǎn)生的曲線簇有一包絡(luò)線，它被稱為所謂的閾值函數(shù)。然而在DE 3642136C1中卻沒有給出有關(guān)包絡(luò)線的設(shè)計規(guī)則。如果一個由數(shù)值對(電流/電流曲線斜率)所表達(dá)的觀察點離開了由該閾值函數(shù)所包圍的區(qū)域，那么便導(dǎo)致觸發(fā)。
DE 36 42 136 C1可能對如下開關(guān)過程沒加注意，在這些過程中有一預(yù)電流，亦即發(fā)生一種所謂的轉(zhuǎn)換，其中功率因子和/或電流由于開關(guān)操作而在所允許的限值之內(nèi)變化。這些在實際中有很高出現(xiàn)概率的運行狀況在一定條件下在某切斷相角時會使DE 36 42 136 C1中用于實施其中所述方法而給出的開關(guān)裝置無緣無故地觸發(fā)。
此外，在ABB技術(shù)裝備(Technik)4/1997，第41頁中提出通過合適的算法來進(jìn)一步發(fā)展低壓開關(guān)切斷標(biāo)準(zhǔn)，以便在微秒時間內(nèi)探測到發(fā)生的短路現(xiàn)象。其中的目標(biāo)為當(dāng)在具有低壓設(shè)備的配電網(wǎng)中出現(xiàn)一故障情況時，盡可能快地分離該故障并僅僅分離開設(shè)備中具有故障的部件，并將故障時間和損壞降至最小程度。
因此本發(fā)明的目的是提出一種在所有可想到的運行條件下確保識別短路時的穩(wěn)定工作方式的方法。此外也提供一種相應(yīng)的裝置。
根據(jù)本發(fā)明，該目的通過在上述類型的方法中采用如下措施來實現(xiàn)通過疊加所有在正常運行狀況下可能出現(xiàn)的包絡(luò)線來形成一條包絡(luò)線，它除考慮不同的開關(guān)時刻和功率因子外還考慮在正常運行范圍內(nèi)的任意預(yù)電流，由此使切斷標(biāo)準(zhǔn)與功率因子和預(yù)電流無關(guān)，且當(dāng)值超出該如此形成的包絡(luò)線時顯示短路。
用所述方法來制作一種算法，該算法有利地在所有可想到的運行方式下有效，而且既與待保護(hù)電網(wǎng)的功率因子又與前述的開關(guān)操作無關(guān)。由此顯著地取得較之常規(guī)方法好得多的性質(zhì)。
用于實施本發(fā)明方法的附屬裝置可以選擇性地采用模擬的、數(shù)字的或混合的測圖手段來工作。尤其在一種有利的裝置中提供一種用于測量電流曲線斜率的傳感器，在其后面連接有一濾波器、一模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、一種電平匹配裝置。由該電平匹配裝置將一針對電流曲線斜率的第一信號和經(jīng)一加法器將一針對電流瞬時值的第二信號輸?shù)揭粩?shù)字式工作的測圖裝置。由該測圖裝置來控制一用于所用開關(guān)的觸發(fā)器。
以下根據(jù)附圖來說明實施例，并結(jié)合其它權(quán)利要求來給出本發(fā)明的其它細(xì)節(jié)和優(yōu)點，附圖中

圖1以圖形示出不同功率因子時的軌跡圖包絡(luò)線；圖2示出所容差的軌跡圖標(biāo)準(zhǔn)的合成包絡(luò)線；圖3示出由一多邊形連線給出的簡化切斷標(biāo)準(zhǔn)；圖4示出一種采用容差軌跡圖標(biāo)準(zhǔn)(Tolerantes Ortskurven-Kriterium)來實現(xiàn)短路早期識別的電路裝置。
對這些圖將部分地一起加以敘述。其中圖1和圖2尤其用來描述新方法和說明對現(xiàn)有技術(shù)的改進(jìn)之處，而圖3給出一簡化的切斷標(biāo)準(zhǔn)，圖4則給出了本方法的實際應(yīng)用。
應(yīng)用本發(fā)明的前提條件是待保護(hù)電網(wǎng)的功率因子在額定工作狀態(tài)時保持在一定的范圍(例如cos＝0.1…0.9)內(nèi)。
圖1示出用于接通具有功率因子下限(例如cos＝0.1)和功率因子上限(例如cos＝0.9)的額定電流電路的首先相互獨立的包絡(luò)線1和2。圖1中橫坐標(biāo)表示i/In，縱坐標(biāo)表示1/(ω·In)·di/dt。
如果接著考慮電流和電流曲線斜率的所有可能的狀況(i-di/dt圖中的軌跡圖)，即它們出現(xiàn)-在不同功率因子之下額定電流電路接通時，-在額定工作狀況功率因子下限改變時，-在額定工作狀況下電流強(qiáng)度改變，亦即轉(zhuǎn)換時，以及通過上述要點的組合而出現(xiàn)，那么就得到了所有實際可能的運行情況且會產(chǎn)生一作為軌跡圖的外部界限的合成包絡(luò)線。該合成包絡(luò)線示出在圖2中，從而在一條共同的包絡(luò)線上既考慮所有在任意切斷相角時的軌跡圖又考慮由此產(chǎn)生的適用于不同功率因子的合成包絡(luò)線。
若在設(shè)備工作時i-di/dt工作點位于這樣形成的包絡(luò)線之外，那么必定出現(xiàn)短路現(xiàn)象。由于在此在預(yù)定的界限中所具有的與功率因子和預(yù)電流無關(guān)的獨立性的緣故，該判斷特征進(jìn)一步被稱為容差軌跡圖標(biāo)準(zhǔn)(TOK標(biāo)準(zhǔn))。
深入的研究表明，該TOK標(biāo)準(zhǔn)具有如下性質(zhì)-在所有范圍內(nèi)，TOK標(biāo)準(zhǔn)均好于i標(biāo)準(zhǔn)。
-在短路電流強(qiáng)度增加時，該用于所有功率因子的TOK標(biāo)準(zhǔn)接近于外插標(biāo)準(zhǔn)。
-對在TOK標(biāo)準(zhǔn)的測量值上限處的功率因子和Ik＞2·IN的短路電流，TOK標(biāo)準(zhǔn)與外插標(biāo)準(zhǔn)幾乎沒有兩樣。
在已知具體的電網(wǎng)參數(shù)時，可通過縮小可能的功率因子的范圍來使TOK標(biāo)準(zhǔn)接近外插標(biāo)準(zhǔn)。
電網(wǎng)中諧波的影響可通過對包絡(luò)線的擴(kuò)張(然而同時犧牲了識別特性)來加以補(bǔ)償。一種專門用于控制電流峰值的方法是當(dāng)電路的工作點位于TOK標(biāo)準(zhǔn)之外的一段時間或一系列的采樣值位于TOK標(biāo)準(zhǔn)之外時才將其識別為短路。
通過擴(kuò)張外插標(biāo)準(zhǔn)可得到TOK標(biāo)準(zhǔn)的一個簡化形式。僅當(dāng)用于功率因子間隔的兩個極限值比如cos＝0.1和0.9的外插標(biāo)準(zhǔn)被超過時，才可認(rèn)為出現(xiàn)了短路。這一情況可總結(jié)為下述公式
在原始TOK標(biāo)準(zhǔn)的正常區(qū)域位于一較為復(fù)雜的圖像之內(nèi)時，該簡化TOK標(biāo)準(zhǔn)僅需考慮兩根極限直線。然而這種簡化卻略為使稍識別性能有所惡化。
為實現(xiàn)這種簡化的TOK標(biāo)準(zhǔn)，圖2的合成包絡(luò)線32由一多邊形連線來近似。圖3示出一種這樣的多邊形近似圖的上半平面，通過將此上半平面中心對稱映射到下平面而得到完整近似圖。
圖3示出的多邊形連線4包括多個特征點。在此-與額定電流有關(guān)的點31或34的電流值由最大/最小可能的電流所給出，且各個電流值可通過應(yīng)用有關(guān)功率因子下限的沖擊因子K來得到，-點32是產(chǎn)生于兩外插標(biāo)準(zhǔn)的直線的交點；點32處的電流值為
點32處的電流曲線率為
式中(dI/dt)2點32處的電流曲線斜率；I2點32處的電流值；u在功率因子下限時的相移；o在功率因子上限時的相移。
-點33是最大電流上升點，其電流曲線斜率為當(dāng)2cosu≥coso時，
當(dāng)2cosu＜coso時，
且其電流值為
式中(dI/dt)3點33處的電流曲線斜率；I3點33上的電流值；ψmax具有后續(xù)最大電流曲線斜率且與電網(wǎng)電壓有關(guān)的切斷相角，其值為
圖4中詳細(xì)示出一種用于任意開關(guān)裝置的采用TOK標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行短路識別的裝置?？稍谄胀ǖ拈_關(guān)裝置實現(xiàn)上述方法。相應(yīng)的裝置工作方式可以是純模擬的、純數(shù)字的、或者也可以是混合的，其中常采用最后一種工作方式。
圖4中示出一用于測量電流曲線斜率di/dt或電流強(qiáng)度i的傳感器41，比如是一個Rogowski線圈、一前面接有抗混濾波器42的A/D轉(zhuǎn)換器43、一用于同時調(diào)整額定電流強(qiáng)度的電平匹配器44、一用于根據(jù)電流曲線斜率di/dt來計算電流i的加法器45或者也可以為一用于根據(jù)電流i來計算電流曲線斜率di/dt的微分器，以及一數(shù)字式測圖裝置46，它將所測到的值與TOK標(biāo)準(zhǔn)相比較且在識別到有一短路時控制觸發(fā)器47。
圖4所示裝置可與任意的開關(guān)一起用來快速識別低壓電網(wǎng)中的短路現(xiàn)象。
權(quán)利要求
1.一種在采用所選開關(guān)標(biāo)準(zhǔn)條件之下來識別低壓電網(wǎng)中短路的方法，其中尤其對電流(i)的瞬時值和電流曲線斜率(di/dt)進(jìn)行采集，并用其作為切斷標(biāo)準(zhǔn)，為此將電流曲線斜率(di/dt)表示為電流(i)的函數(shù)，并且在該軌跡圖中導(dǎo)出包括所有在正常工作狀態(tài)下可能的軌跡圖的包絡(luò)線，其特征在于通過疊加所有在正常工作狀態(tài)下可能的包絡(luò)線來形成一根包絡(luò)線，它除考慮不同的開關(guān)時刻和功率因子外還考慮在正常工作范圍中的任意預(yù)電流，由此使切斷標(biāo)準(zhǔn)與功率因子和預(yù)電流無關(guān)，且當(dāng)值超出該如此所形成的包絡(luò)線時顯示出短路。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于-首先，一方面來形成用于功率因子下限的各獨立包絡(luò)線，另一方面則形成功率因子上限的各包絡(luò)線，其中各自包括所有的切斷相角，-再則，計算另一根包絡(luò)線，它考慮了兩個極限功率因子之間的額定電流轉(zhuǎn)換，-將如此得到的包絡(luò)線匯總并疊加為一新的包絡(luò)線，它體現(xiàn)了切斷標(biāo)準(zhǔn)。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于該切斷標(biāo)準(zhǔn)通過擴(kuò)展外插標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行簡化，然后當(dāng)用于功率因子兩極限值的外插標(biāo)準(zhǔn)被滿足時才可識別到一個短路，其中適用下述公式
式中IN額定電流(有效值)；N額定電流電路的相移；τN額定電流電路的時間常數(shù)＝tan(N)/(2πf)；GExtra觸發(fā)極限值。
4.如權(quán)利要求1和3所述的方法，其特征在于簡化的切斷標(biāo)準(zhǔn)由一根多邊形連線狀的包絡(luò)線構(gòu)成。
5.如權(quán)利要求1和4所述的方法，其特征在于該多邊形連線由切線的交點形成，這些交點位于包絡(luò)線的重要點上。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于重要點為最大電流值、由極限功率因子合成的外插標(biāo)準(zhǔn)的交點、最大電流上升的交點、最大電流及其鏡面對稱投影的交點。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于最大和最小電流值的坐標(biāo)由
給出，其中K為與功率因子下限有關(guān)的沖擊因子。
8.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于由極限功率因子合成的外插標(biāo)準(zhǔn)的交點由下述關(guān)系式加以計算
式中(di/dt)2兩外插直線交點處的電流曲線斜率；I2兩外插標(biāo)準(zhǔn)交點處的電流；ω電網(wǎng)圓周頻率；u在采用功率因子下限時電流和電壓間的相移；o在采用功率因子上限時電流和電壓間的相移。
9.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于最大電流上升的點由下述關(guān)系式來計算-當(dāng)2cosu＜coso時
-當(dāng)2cosu≥coso時
式中(dI/dt)3最大電流曲線斜率；I3最大電流曲線斜率處的電流；ψmax具有后續(xù)最大電流曲線斜率且與電壓有關(guān)的切斷相角，其值為
10.一種用于實施根據(jù)權(quán)利要求1或者權(quán)利要求2～9之一方法的裝置，它具有被設(shè)計成模擬的或數(shù)字的或混合式的測圖手段，其特征在于有一個用于測量電流曲線斜率的傳感器(41)，在它后面接有一濾波器(42)、一模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(43)、一電平匹配裝置(44)，由它們將用于電流曲線斜率(di/dt)的第一信號和經(jīng)一加法器(45)將用于電流(i)瞬時值的第二信號輸出到一數(shù)字式測圖裝置中。
11.如權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于用于測量電流曲線斜率的傳感器是一個Rogowski線圈(41)。
12.如權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于濾波器為一抗混濾波器(42)。
13.如權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于由測圖裝置(6)來控制一觸發(fā)器(47)。
全文摘要
一種識別低壓電網(wǎng)中短路的方法和裝置。在公知方法中,采用所選的尤其如電流(i)和電流隨時間的變化率(di/dt)之類的開關(guān)標(biāo)準(zhǔn)來識別短路。曾經(jīng)提出將電流曲線斜率,亦即電流隨時間的變化率(di/dt)表示為電流(i)的函數(shù),并且在這種軌跡圖中導(dǎo)出一包括所有在正常工作狀況下可能的軌跡圖的包絡(luò)線。根據(jù)本發(fā)明則導(dǎo)出這樣一種包絡(luò)線,它涵蓋一預(yù)定的功率因子范圍以及一任意的切斷相角,由此使切斷標(biāo)準(zhǔn)與功率因子和預(yù)電流無關(guān),而且值在超出如此形成的軌跡圖時顯示短路。所屬的裝置的工作方式既可模擬的、數(shù)字的,也可以是混合式的。
文檔編號H02H3/44GK1262802SQ98807059
公開日2000年8月9日 申請日期1998年7月8日 優(yōu)先權(quán)日1997年7月10日
發(fā)明者格爾德·格里彭特羅格 申請人:西門子公司