CN1005227B - 采用有效值取样技术的过流电路断路器 - Google Patents

Abstract

一种电子式过流电路中断器利用了一个数字处理器来进行电路电流的ＲＭＳ取样以便与诸被存贮的长时间和短时间的电流值以及在断路器跳闸以前的诸延迟时间进行比较。为了对数字处理器提供一个输出电流信号，使用了一种有磁芯的电流互感器。当检测到磁芯饱和时，这是在大电流时发生的情况，一个模似检测电路就中断ＲＭＳ取样而使数字处理器在断路器跳闸之前暂停一个最短的预选时间。

Description

采用有效值取样技术的过流电路断路器

为了测定过流情况并在这种过流情况持续预定时间间隔就断开受保护的电路，目前可利用使用数字逻辑电路的电子式电路断路器。标题为《断路器和继电器保护单元》、申请日为1984年6月29日的第626，341号美国专利申请中描述了这样一种断路器，描述在这里以供参考。为了检测流过三相工业电力系统中的各相电流，可装配电流互感器。在任何给定时间由数字处理器对电流互感器的次级电流进行连续不断地取样，以确定三相中的每一相在任何给定时间的最大有效（RMS）电流。众所周知，在电路保护工业中，为中断电路所需的过流时间参数是根据整个电力系统所用的各种导线上的发热影响来整定的。长时间过流状态将导致电力母线发热，有时候，在电路切断前是允许这种过流状态存在的。短时间的过流状态是与电力母线之间电连接处的发热有关的。由于在这些连接处的所谓“接触电阻”会随着温度的升高而迅速增大，所以过流状态就应在较短的时间内切断。最终，一旦检测到短路故障，就应切断由短路故障所引起的高过流状况。这种过流的持续时间相对于电路开始切断前的长时间过流延迟和短时间过流延迟来说，是瞬时的。用来检测流过受保护电路的电流的电流互感器采用了会在高故障电流状况下饱和的磁心。虽然在电流互感器的磁心饱和后仍然可以精确地确定电流的峰值，但是精确的电流有效值确定所必需的被测的有效值电流会随着真实有效值电流继续增加而减小。因此为了确保精确的过流判定，在电流互感器的磁心已经发生饱和后，应由数字处理器来分析所检测到电流的峰值。由于根据电流峰值和有效值之间的数学关系，过流状态的峰值判定是关于实际电流有效值的一种近似方法，对于长时间和短时间的过流判定来说，峰值电流的确定并非很精确，且可能导致所谓的“多余”跳闸（“nuisance”tripping）。这种影响在1985年6月10日提交的题目为“倍频电路”的美国专利申请743，337中已作了描述。那项申请在本文中也作了介绍，以供参考，为了很好地描述有效值电流波形畸变时电容性和电感性电路元件的性质，应该研究那项申请，在低电流的长时间和短时间过流条件下采用峰值电流取样技术就会发生不准确的结果。有效值电流取样技术可在电流互感器磁芯未饱和时对被保护的电路发热影响提供一种极其准确的测定，而峰值电流取样技术可在电流互感器磁芯已经饱和时提供准确的发热影响指示值。

本发明的目的是要提供一种用于确定电流互感器磁芯饱和情况的发生的装置和用于在一个电子式电路断路器中指令数字处理器在启动电路中断程序之前暂停一个最短预定延迟时间的装置。

本发明包括一个电子式电路断路器，该断路器使用了用于检测被保护的电路中的电流的磁芯电流互感器以及一个用于确定过流情况的发生和在预定延迟时间以后中断流过电路的电流的数字处理器。该电路另外还包括用于确定电流互感器的磁芯饱和的开始和用于指令数字处理器在电路中断之前暂停一个最短预定的延迟时间的模拟电路装置。

图1是根据本发明的使用由一个数字信号处理器与电流互感器饱和检测电路组合在一起的电子式电路断路器的原理说明图。

图2是在图1的数字处理器中所用的时间-过流参数曲线的说明图。

图3是在图1的电流互感器饱和检测电路的原理说明图。

图4是图1所绘出的数字处理器中所使用的均方根取样算法的流程说明图。

图5是在图1所绘出的数字处理器中所使用的过流保护算法的流程说明图。

图6是在图4的流程说明所绘出的过流时间算法的流程说明图。

图1示出了一个与前述标题为《断路器和继电器保护单元》的美国专利申请中所描述的相似的断路器控制器10，图中电流互感器11-13从三相工业电力电路的每相中取样，和一个接地障碍电流互感器被经过一对多路转换器15、21和取样保持放大器16、22而输入到双多路转换器17以便在线23上的A-D转换器中进行数字化。该A-D转换器经过一个数据总线输入到微处理器30，在该数据总线上接有一个用于操作电路中断机构的输出控制电路26、一个用于暂时贮存输入数据RAM28以及一个用于贮存时间-过流比较算法的ROM29。一个收发讯机27把专用的微处理器30与多个相似的断路器控制器连接起来，每个断路器控制器具有它们自己独立的、用于在整个工业电力输送电路上的区域选择联锁功能的微处理器。一个非易失性存储器31，根据各自的用户所选择的习惯方案将各预选的时间-过流设定点输入到微处理器。测量用变压器18-20被接在三相中的每一相中为了用类似的方法将电压数据供到微处理器，以便于测量和计算电功率。本发明的电流互感器磁芯饱和检测电路25（以后称“检测电路”）除与数据总线连接外，还用导线32-34直接和三相电流互感器11-13的每一个相连接。在双导线35上将一个输入连接到微处理器30，并在线71上与输出控制电路接通。在描述检测电路25的工作之前，先涉及到在图2中绘出的时间-过流断路数据表示法9是有帮助的。对于长时间区域8、以虚线表示的短时间斜坡7以及短时间平的区域6的一个很好的解释可在标题为《电子式断路器断路功能调节电路》、申请日为1985年7月29日的美国第760，224号专利申请中找到。这个专利申请引用在这里以供参考。正如前述申请中所描述的那样，时间-过流断路曲线提供了许多代表为长时间区A和短时间区B的时间值。为公开起见，短时间区扩展到接近10倍于通过被保护的电路的额定电流，并称之谓断路器置定断路的10X区域。正如早前所述，诸如图1中的11-14的电流互感器在接近10倍于额定电流或在断路曲线的10X区域的末端处开始饱和。该检测电路25被设计成可在检测到的电流达到10X区域时，中断在微处理器30内的电流取样算法程序，而使微处理器能开始暂停一个贮存在非易失性存储器31内的短的延迟时间。瞬间断路区域5被以虚线在接近15X处示出。

在检测电路25内的组成元件被示于图3，其中导线32-34通过线性二极管D₁-D₃连接到运算放大器38的一个输入端36。发生在导线32-34上的最高峰值电流可在运算放大器的输入端看到，该运算放大器被用反馈线37接成一个非反相增益为一的缓冲器。输入端36通过一个拉曳电阻R₁接地以对运算放大器提供合适的信号输入。滤波电容C可阻止杂散信号干扰出现在线39上的输出信号，线39接到作为一个瞬间断路选择的比较器70的测试输入端。该比较器的基准输入端经过导线72、D/A转换器73而接到数据总线，以便接收与线39上的信号进行比较的瞬间断路设定点值，以及在导线71上产生输出断路信号;正如在图1中所示，导线71与输出控制电路26直接连接，以使断路器跳闸。出现在线39上的信号通过限流电阻R₂、线40和41接到第二比较器43的测试输入端。第二比较器的基准输入端经过线42、偏置电阻R₅而接到一个5伏电源，并经过偏置电阻R₃、R₄而接到第二个5伏电源。电阻R₃、R₄的中点经过导线74而接到第二比较器的输出端，第二比较器可在线41上的输入信号超出加到基准输入端上的基准值时，经过双导线35，把输出送回给微处理器。电阻R₃-R₅配置得可对第二比较器提供滞后作用以保证该比较器在两个输入电压都相等时不致振荡。第二比较器43的目的是：当加到测试输入端上的电压超过代表10X额定电流、并且是使电流互感器磁芯开始饱和的电流的基准电压时，可取代微处理器内的电流取样算法。在双导线35上收到一个中断信号之际，微处理器就立即利用一个预定的最大电流值以确定过流检测点值，并开始暂停一个短的延迟时间间隔，以便在过流延续一个短的延迟时间的情况下使断路器跳闸。一个输出信号被从双导线35上的微处理器，经过一个限流电阻R₆发送到双极性晶体管44的基极，该晶体管44的射极是接地的。该晶体管的集电极接到第二比较器的测试输入端，并通过线40上的限流电阻R₂接到运算放大器的输出端。当在线36上的运算放大器的输入电流信号超过15X额定电流（它表明短路故障）时，于是在线39上的输出就超过了瞬间跳闸基准值（即从线72上的A/D转换器供到基准输入端的瞬间跳闸基准值），并且比较器70就在线71上产生跳闸信号输出以立即中断电路。

微处理器的RMS取样算法在图4中以流程图46绘出，其中A、B、C相电流被连续地取样（47），A相电流被取样（48），确定A相电流平方和（49）;B相电流被取样（50），再确定B相电流平方和（51）;C相电流被取样（52），再确定C相电流平方和（53）;接地故障电流被取样（54），再确定接地故障电流平方和（55）。这些电流每一周被取样27次，并由图5中给出的过流算法流程图56在取样（46）后做出关于是否已经过半周（58）的决定。如果是未经过半周，则微处理器就进行一个自试算法（61）。如果是已经过半周，则微处理器就进行时间-过流保护算法（59）和其他所指明那样的保护功能（60）。电流互感器饱和算法在图6所示的流程图（57）绘出并操作如下。在完成时间过流保护算法（59）以后，就要判断是否已设置电流互感器饱和的标记（62）;如果没有，则被微处理器所使用的最大电流就是最大的实际相电流（63）。如果已设置了电流互感器饱和标记，则微处理器就把最大电流用作决定过流的、预定的、最大可能的电流（64）。RMS值就被计算出来（65），于是就判断RMS电流值是否超过了短时间的检测点值;而如果是超过的话，则采用RMS短的时间延迟（67）。如果RMS电流值并不超过短时间的检测点值，则要判断RMS电流是否超过了长时间的检测点值的决定（68）;如果是超过的话，则采用长时间RMS延迟时间值（69）。

因此，可以从图1和3中所示的检测电路25的工作看出：在微处理器内能够利用极其准确的RMS电流值做出准确的时间-过流的判断，以避免在长时间和短时间的检测点值下的错误跳闸影响。电流互感器磁芯饱和的开始就可被检测到，并且微处理器就可被指令把预定的中断延迟时间运用到短时间-过流的情况。在被设有瞬间过流选择电路的电路断路器场合下，峰值电流被用来确定瞬间过流情况的存在，而断路器可被直接跳闸而不用等待从微处理器发出的指令。

Claims (17)

1、一种电子式电路断路器包括：

确定被保护电路内电流有效值的电流检测装置，所述电流检测装置包括若干电流互感器;

连接在所述被保护电路内，按照指令切断所述受保护电路的输出控制电路;

与所述电流检测装置相连接的数字信号处理器装置，该装置将所述电流值与被存储的预定的过流值相比较，该数字信号处理器装置还与所述输出控制电路相连接，以便在所述电流值超过所述被存储的预定的过流值并持续了一段预定的时间之后，切断所述被保护电路，所述数字信号处理器装置对所述电流值的第一个值进行处理直至达到第一量级，并在超过第一量级的第二量级下处理所述电流值的第二个电流值，

其特征在于，一峰值电流检测装置与所述电流互感器和所述输出控制电路相连接，以确定超过所述第二量级的峰值过流值，所述峰值电流检测装置与作为一缓冲器的运算放大器的一个输入端相连接，

第一比较器，其输入端与所述缓冲器的输出端和所述数字信号处理器装置相连接，用以将所述缓冲器的输出与一个来自所述数字信号处理器的基准峰值进行比较，并且当所述缓冲器输出超过所述基准峰值时，输出一个跳闸信号，

第二比较器，其输入端与所述缓冲器输出端相连接，用以将所述缓冲器输出与所述电流互感器的磁心饱和基准值进行比较，并且当所述缓冲器的输出超过所述磁芯饱和基准值时，向所述数字信号处理器装置输出一个中断信号，

当所述缓冲器的输出超过所述磁心饱和基准值时，所述第二比较器向所述数字信号处理器输出中断信号，从而向所述数字信号处理器提供关于所述电流互感器磁心已经饱和的指示。

2、根据权利要求1的电子式电路断路器，其特征在于，所述第二量级是所述磁心饱和基准值。

3、一种电子式电路断路器包括：

确定被保护电路内电流有效值的电流检测装置，所述电流检测装置包括若干电流互感器;

连接在所述被保护电路内，按照指令而切断所述受保护电路的输出控制电路;

与所述电流检测装置相连接的信号处理器装置，该装置将所述电流值与被存储的预定的过流值相比较;该信号处理器装置还与所述输出控制电路相连接，用以在所述电流值超过所述被存储的预定的过流值并持续了一段预定的时间之后，切断所述被保护电路，所述信号处理器装置对所述电流值的第一个值进行处理直至达到第一量级，并且在超过第一量级的第二量级下处理所述电流值的第二个电流值，

其特征在于，一峰值电流检测装置与所述电流互感器和所述输出控制电路相连接，以确定超过所述第二量级的峰值过流值，并且当所述峰值过流值超过所述第二量级时切断所述被保护电路，所述峰值电流检测装置包括三个线性二极管，三相电路的每一相有一个这样的二极管，所述三个二极管的输出端都与作为一缓冲器的运算放大器的一个输入端相连接，

第一比较器，其输入端与所述缓冲器的输出端和所述信号处理器装置相连接，用以将所述缓冲器的输出与一个来自所述信号处理器的基准峰值进行比较，并且当所述缓冲器输出超过所述基准峰值时，输出一个跳闸信号，

第二比较器，其输入端与所述缓冲器输出端相连接，用以将所述缓冲器的输出与所述电流互感器的磁心饱和基准值进行比较，当所述缓冲器的输出超过所述磁心饱和基准值时，所述第二比较器向所述信号处理器输出中断信号，从而向所述信号处理器提供关于所述电流互感器磁心已经饱和的指示，

一个晶体管，其集电极与所述缓冲器的输出端和所述第二比较器的输入端共同相连，其发射极接地，所述晶体管的基极与所述信号处理器相连，所述信号处理器从而对所述晶体管提供基极驱动使该晶体管导通，以及消除从所述第二比较器输出的所述中断信号。

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