CN100511906C - 电子跳闸单元、用于其中的保护方法及包含它的选择系统 - Google Patents
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Abstract
用户对电流尖峰灵敏度可调的断路器跳闸单元(22)，它包括用户调节开关(30)、电流传感器(32)、A/D转换器(34)、微处理器(36)和供电电源(37)。微处理器(36)包括多个寄存器(42-48)和内置ROM(50)。ROM(50)内的短路保护算法将阈值寄存器(48)中存储的线路信号与ROM(50)中存储的预置阈值相比较。如果线路信号超过该阈值，微处理器便增加峰值计数寄存器(42)中的峰值计数值。当峰值计数达到峰值计数寄存器(42)内的限定值时，微处理器(36)便产生跳闸信号。
Description
技术领域
本发明通常涉及断路器跳闸单元。具体地讲，本发明涉及一种电流尖峰灵敏度可调的电子跳闸单元。
背景技术
众所周知，电子跳闸单元应用在断路器中。除了其它一些目的外，跳闸单元可用来对配电电路提供短路保护。就该作用而言，跳闸单元从配电系统的输电线中采集电流，以用来检测短路情况。如果检测到短路，跳闸单元便向断路器内的操作机构-如跳闸线圈-发出跳闸信号。在收到跳闸信号后，操作机构分开断路器内的一对触点，使配电电路断开，由此以保护配电电路免遭短路所造成的破坏。
电子跳闸单元的结构亦为人所知。电子跳闸单元典型地包括有电压和/或电流传感器，由这些传感器提供表征输电线信号的模拟信号。模拟信号由A/D(模拟/数字)转换器转换为数字信号，然后由信号处理器进行处理。电子跳闸单元还包括有RAM(随机存取存储器)、ROM(只读存储器)，而且，也可包括有EEPROM(电可擦可编程只读存储器)，所有这些存储器都与信号处理器进行接口。
为了检测配电电路中的短路情况，由跳闸单元监视输电线中的电流峰值。通常，跳闸单元把输电线电流与一些阈值进行比较。例如，该阈值可以是7倍于断路器的额定电流。如果输电线中的电流超过该阈值，即意味发生短路，跳闸单元便产生跳闸信号。
附图1示出了基频电流波形。如波形所示，电流峰值高于阈值，因此，此波形表示电路已短路。如果附图1所示的波形被检测到，跳闸单元就会产生跳闸信号。而附图2示出的电流波形带有电流尖峰，它们是由高次谐波成分或噪声形成的。即便短路并不存在，这种电流尖峰也可能导致断路器跳闸。这些电流尖峰造成的跳闸是无意义的。
为克服这一问题，已尝试过用处理算法来滤除电流尖峰。这在有些地方是非常适用的-如在经常产生电流尖峰的驱动系统中-，而在其它一些应用中-如高频系统(例如400赫兹系统或电阻负载电路)-将会带来问题，因为此时用户希望跳闸单元能够响应这种电流尖峰而跳闸。
发明内容
上述的技术问题通过一种用在电子跳闸单元内的保护方法、一种电子跳闸单元以及一种选择系统得以解决。
该方法包括步骤：a)选择一个限定值；b)复位采样计数；c)复位峰值计数；d)增加所述的采样计数；e)检测电信号，以提供一个表征电信号电学特性的检测信号；f)将该检测信号与阈值比较；g)当该检测信号超过阈值时，增加一个峰值计数；h)如果该检测信号不超过所述的阈值，则将所述的采样计数与最大采样数进行比较；i)如果所述的采样计数小于所述的最大采样数，则返回步骤d)；j)若所述的采样计数不小于所述的最大采样数，则返回步骤b)；k)当峰值计数达到该限定值时，产生跳闸信号；l)如果所述的峰值计数小于所述的限定值，则比较所述的采样计数和所述的最大采样数，并返回步骤i)。
该电子跳闸单元包括：用于选择限定值的开关；用于检测电信号的传感器，以提供一个表征电信号电学特性的检测信号；以及响应该检测信号的信号处理器，该信号处理器具有用于存储所述限定值的第一寄存器、用于存储采样计数的第二寄存器、用于存储峰值计数的第三寄存器、以及用于存储所述检测信号的第四寄存器，所述的信号处理器还具有用于存储信号的存储器，而这些信号包括定义有可执行程序的程序信号，该可执行程序用来将检测信号与阈值进行比较，在每个所述的检测信号时增加所述的采样计数，当该检测信号超出阈值时便增加一个峰值计数，当该峰值计数达到所述的限定值时便产生跳闸信号；如果所述的采样计数小于最大采样数，则重复所述的程序，以及若所述的采样计数不小于最大采样数，则复位所述的采样计数和峰值计数。
该选择系统包括至少一个电子跳闸单元，其中该至少一个电子跳闸单元包括上述的电子跳闸单元。
在本发明的一个实施例中，断路器跳闸单元对电流尖峰的灵敏度由用户进行调节，跳闸单元含有一个微处理器，装设此处理器的目的是用来接收表征配电电路电流的线路信号。微处理器将线路信号与预置阈值进行比较。如果线路信号超过阈值，微处理器则增加一个峰值计数。装设一种用户调节开关，以给微处理器提供一个限定值。当峰值计数达到该限定值时，便由微处理器产生跳闸信号。用户可以调节电流尖峰的灵敏度是有益的，它允许用户根据特定的用途来制定跳闸单元的灵敏度。例如，对于有些应用-如通常产生电流尖峰的驱动系统-，它允许用户降低灵敏度。相反，对于一些应用-如希望有最大灵敏度的高频系统(如400赫兹系统或电阻负载电路)-，用户可以提高灵敏度。
附图说明
参照附图，现在利用一个例子来讲述本发明，其中：
附图1为基频电流波形；
附图2为带有电流尖峰的电流波形；
附图3为电力配电电路的简要框图；
附图4为断路器的简要框图，它带有本发明的电子跳闸单元；
附图5为本发明中短路保护程序的流程图；
附图6为基频电流波形，其每个半周期内带有多个采样；
附图7为带有电流尖峰、并按本发明对每个半周期进行多个采样的电流波形；以及
附图8为本发明短路保护的可选择流程图。
具体实施方式
参照附图3，电力配电电路通常如10所示。配电电路10包括电源12、上游断路器14、下游断路器16和至少一个相应的负载18。也可包括任意数目的其它下游断路器20，它们带有相应的负载22。应当理解，断路器14、16与20可以有相似的结构。
参照附图4，断路器的总体概要如20所示。断路器20包括一个跳闸单元22、操作机构24和触点26，它们都在外壳28内固定。触点26形成配电电路10的一部分，并与操作机构24机械连接。操作机构24用于接收跳闸单元22发来的跳闸信号，该跳闸单元22电气地连接在配电电路10上。收到跳闸信号后，操作机构24分开触点26，以中断配电电路10在此段的电流。
跳闸单元22包括用户调节开关30、电流传感器32、模数(A/D)转换器34、微处理器36和供电电源37。供电电源37典型地由电流传感器32的二次线圈进行馈电。电流传感器32通过线路33与配电电路10电气连接，并通过线路35把配电电路10中测量电流值的模拟信号提供给A/D转换器34。A/D转换器34把模拟信号转换成数字线路信号，并将该数字线路信号通过总线38传送给微处理器36。供电电源37通过线路33与配电电路10电气连接，由此以通过线路41给A/D转换器34、开关30及微处理器36提供操作电源。
装设用户调节开关30的目的为，通过总线40为微处理器36提供一个表征限定值的信号。例如，用户调节开关30可以是一种二-十进制(BCD)编码开关，它允许断路器的用户改变供给微处理器36的限定值。另外，用户调节开关30可包含有一种跳接位，或在诸如ROM(只读存储器)50的非易失存储器中包含一种用户可选的选项。
微处理器36包括多个寄存器42-48以及内置的ROM 50。ROM 50包括有跳闸单元应用码-如主功能固件，该固件包含初始化参数、根码、以及短路保护算法等等。在多个寄存器42-48所包含的寄存器中，寄存器48用来存储A/D转换器34所提供的线路信号，寄存器42用来存储开关30所提供的限定值，而寄存器44和46则被微处理器36用来执行短路保护算法。应当理解，RAM(随机存取存储器)、EEPROM(电可擦可编程只读存储器)、或它们的任何组合都可以被微处理器36用作存储的目的，这是众所周知的。EEPROM将包括譬如应用码等操作参数。还应当理解，ROM 50可以置于微处理器36之外，这是众所周知的。另外，与跳闸单元22内部的通信可通过通信端口I/O 51提供。
参照附图5，短路保护算法(程序)应用在配电电路10的输电线的各个相中。程序可以优选地从起始框52处的根码开始，并立即转至框54。在框54处，程序将存储于寄存器44内的采样计数值重置为零。程序继续运行至框56，在此，存储于寄存器46内的峰值计数值亦重置为零。在框58处，程序使寄存器44内的采样计数值增加。然后，程序在框60处等待一个预定的采样周期，继而转至框62，在此对寄存器48中的线路信号进行采样。采样周期为存于ROM 50内的一个参数，它等于配电电路10的电流频率半周期的若干分之一。例如，采样周期可为半周期的八分之一。因而，线路信号每半个周期要采样八次(参见如附图6与7)。
在框64处，程序将存于寄存器48内的线路信号与ROM 50内存储的阈值(如7倍于额定电流)相比较。如果该表征配电电路10电流的线路信号低于阈值，则程序继续至框66处。在框66处，程序将寄存器44中的采样计数值与ROM 50中存储的最大采样值进行比较。最大采样值等于配电电路中电流频率的每半周期的采样数。在上例中，最大采样值为8。如果寄存器44中的采样计数值小于最大采样值，程序回到框58处，在此，增加寄存器44中的采样计数值(以继续对同一个半周期进行采样)。如果采样计数值等于最大值，程序则回到框54处，在此将寄存器44中的采样计数值重置为零(以开始一个新的半周期)。
再参照框64，如果寄存器48中存储的线路信号大于ROM 50所存储的阈值，程序则运行至框68处，在此增加寄存器46中的峰值计数值。在框70处，程序将寄存器46中的峰值计数值与寄存器42中的峰值限定值进行比较。如果峰值计数值小于峰值限定值，程序则运行至框66处，如上所述，重新对同一个半周期进行采样，或开始新的半周期采样。如果峰值计数值等于峰值限定值，程序则运行至框72处，以发出跳闸信号。程序便在框74处终止。
附图6与7示出了电流信号在半周期内八次采样的例子。附图6表示半周期内有五个线路信号(采样)超出阈值。在附图5的短路检测算法中，如果存储于寄存器42中的峰值限定值-譬如由用户调节开关30设置-等于或小于5，则附图6所示的半周期将使断路器跳闸。如果设置为等于或大于6，则断路器不会跳闸。附图7示出了半周期内有两次线路信号(采样)超出阈值。在这种情况下，如果用户将峰值限定值设为3或更大，断路器将不会跳闸。在所示的这些例子中，用户可通过调节开关30来调整跳闸单元对电流尖峰的灵敏度。
此外，附图8所示的短路保护算法(程序)可以应用于配电电路10的输电线的各个相中。程序优选地从起始框76的根码开始，并立即转至框78。在框78处，程序对寄存器48内的线路信号进行采样。然后程序继续运行至框80，在此，程序将寄存器48中存储的线路信号转移至寄存器46，并继续至框82。在框82处，程序等待一个预定的采样周期，然后转至框84，在此，对寄存器48内的新线路信号进行采样。采样周期为存于ROM 50中的参数，它等于配电电路10中电流频率半周期的若干分之一。例如，采样周期可为半周期的八分之一，这样，每个半周期线路信号要采样8次。
在框86处，程序计算出原寄存器46中与现在寄存器48中线路信号之间的量差。该差值与寄存器42中存储的限定值进行比较-限定值由用户调节开关30提供。例如，限定值可等于7倍额定电流。如果差值大于限定值，程序便回到框80处。如果差值小于限定值，程序则继续至框88处，在此，寄存器48中的线路信号与ROM 50中存储的已知阈值(如7倍于额定电流)进行比较。如果寄存器48中的线路信号小于该阈值，程序便返回至框80。如果寄存器48中的线路信号大于该阈值，程序运行则至框90处，在此产生跳闸信号。然后，程序终止于框92。
附图8的短路保护算法利用了两个连续采样值的增长率来检测电流尖峰。如果增长率太陡，(即当前信号与原信号的差值大于限定值)，就表示有一个电流尖峰。用户可通过用开关30调节限定值来调整跳闸单元对电流尖峰的灵敏度。用户若需要高灵敏度，可以调节开关30增大限定值。灵敏度可以通过减小限定值而降低。
附图5与8的短路保护算法还可以含有起动特性，在起动状态下，将跳闸单元设为高灵敏度，而在运行状态下可降低灵敏度。例如，这种特性可以适用于给电力驱动马达供电的配电系统部分。另外，开关30可以包括一种设置特性，以调整跳闸单元适于在400赫兹下应用-此时需要最大的灵敏度。
上述发明的跳闸单元可允许断路器用户调节跳闸单元对电流尖峰的灵敏度。这种特性可使用户在诸如驱动系统的应用中-有尖峰电流产生-降低灵敏度，而在诸如高频系统的应用中-此时需要最大的灵敏度-增加灵敏度。
以上所有的限定值、设置值或阈值都可以存储于任何非易失存储器或EEPROM中，后者可通过通信端口I/O 51下载所需的设置值而得以改变。在该单元与系统计算机(未示出)连接时，这将包括远程输入这些数据，或更直接些，通过电话线或任何其它合适的联接获得。EEPROM也可优选地包含有快速存储器，这种数据由此便得以加快，这是众所周知的。
Claims (13)
1.用在电子跳闸单元内的保护方法，该方法包括步骤：
a)选择一个限定值；
b)复位采样计数；
c)复位峰值计数；
d)增加所述的采样计数；
e)检测电信号，以提供一个表征电信号电学特性的检测信号；
f)将该检测信号与阈值比较；
g)当该检测信号超过阈值时，增加一个峰值计数；
h)如果该检测信号不超过所述的阈值，则将所述的采样计数与最大采样数进行比较；
i)如果所述的采样计数小于所述的最大采样数，则返回步骤d)；
j)若所述的采样计数不小于所述的最大采样数，则返回步骤b)；
k)当峰值计数达到该限定值时，产生跳闸信号；
l)如果所述的峰值计数小于所述的限定值，则比较所述的采样计数和所述的最大采样数，并返回步骤i)。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，选择限定值包括用开关选择限定值。
3.根据权利要求1的方法，其特征在于，它还包括：
每半个电信号周期多次检测电信号。
4.根据权利要求3的方法，其特征在于，它还包括：
每半个电信号周期复位峰值计数。
5.根据权利要求1的方法，其特征在于，该电学特性包括电流。
6.一种电子跳闸单元，它包括：
用于选择限定值的开关；
用于检测电信号的传感器，以提供一个表征电信号电学特性的检测信号；以及
响应该检测信号的信号处理器，该信号处理器具有用于存储所述限定值的第一寄存器、用于存储采样计数的第二寄存器、用于存储峰值计数的第三寄存器、以及用于存储所述检测信号的第四寄存器，所述的信号处理器还具有用于存储信号的存储器，而这些信号包括定义有可执行程序的程序信号，该可执行程序用来：
将检测信号与阈值进行比较，
为每个所述的检测信号增加所述的采样计数，
当该检测信号超出阈值时便增加一个峰值计数，当该峰值计数达到所述的限定值时便产生跳闸信号，
当该检测信号没有超过所述的阈值时，则将所述的采样计数与最大采样数进行比较，
若所述的采样计数小于最大采样数，则重复所述的可执行程序，
若所述的采样计数不小于最大采样数，则复位所述的采样计数和峰值计数。
7.根据权利要求6的电子跳闸单元，其特征在于，开关包括一种二-十进制编码开关。
8.根据权利要求6的电子跳闸单元，其特征在于，开关包括一种跳接位选项。
9.根据权利要求6的电子跳闸单元，其特征在于，开关包括一种位于非易失存储器内的选项。
10.根据权利要求6的电子跳闸单元，其特征在于，程序信号还对该可执行程序进行了定义，以便每半个电信号周期多次检测电信号。
11.根据权利要求10的电子跳闸单元，其特征在于，程序信号还进一步对可执行程序进行了定义，以便每半个电信号周期复位峰值计数。
12.根据权利要求6的电子跳闸单元，其特征在于，它还包括：
通信端口，用来将电子跳闸单元外部的信号传至信号处理器，以便远程设置阈值和开关中的至少一个，由此，远程设置该开关得以远程选择限定值。
13.一种选择系统，它包括至少一个电子跳闸单元，其特征在于，该至少一个电子跳闸单元包括权利要求6的电子跳闸单元。
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