CN101329381A - 利用电流变化率检测短路故障的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电气设备或线路短路故障的检测方法。一种利用电流变化率检测短路故障的方法，利用电流检测装置对线路或用电设备的电流实时进行检测，首先根据正常时线路电流表达式确定线路或用电设备正常情况下的电流和电流变化率，然后建立线路或用电设备短路故障状态下的数学模型，分析对应线路或用电设备短路故障状态下电流波形变化规律，计算出线路或用电设备短路故障状态下的短路电流和短路电流变化率，根据线路或用电设备短路故障状态下的电流波形变化与正常情况下的电流波形变化的区别，对某一时间段内的电流变化率进行连续检测，如果连续检测到的多次电流变化率都超过正常情况下的电流变化率，则认为是用电设备发生了短路故障。

Description

利用电流变化率检测短路故障的方法

一、技术领域：

本发明涉及一种电气设备或线路短路故障的检测方法，特别是涉及一种通过监测线路或用电设备电流变化率进行短路检测的方法。

二、背景技术：

对工农业、供配电、消防等各行业电气设备进行短路保护，是保证设备正常作业及生产安全重要的保护措施之一，进行短路保护首先必需准确的检测到故障信号，再准确、及时的采取保护措施。目前国内外的短路检测技术，主要采用以下几种方式：1、基于检测短路电流大小的过流保护技术，这种过流保护按照躲过电动机的最大启动电流的原则进行整定，在供电线路长，线路末端短路时，短路电流很小，保护的灵敏系数很难达到要求；2、基于相敏原理的短路保护技术，现国内外研究较多，也比较成熟，虽然解决了保护灵敏度的问题，但此种技术只能保护三相短路，两相短路不动作；3、基于载频原理的短路保护技术，国内在煤矿煤电钻综合保护器中应用较多。但此种保护对线路参数(电缆截面、长度和电源变压器等)要求严格，线路参数超出范围误动作，可靠性差。对于一些关键岗位电气设施保护装置的误动作，可能引发的巨大灾难和给工农业生产造成的重大损失。

可见，如果能够研发出一种准确、可靠的短路故障检测及保护技术，对维护正常的工农业生产，保障社会和人民群众的生命财产安全，是多么的重要。

中国发明专利ZL 95108848.3(公告号CN 1053277C，授权公告日2000年6月7日)公开的一种短路故障电流通路的检测方法及故障指示器，通过检测电流变化率ΔI/t＞K，电流下降为零的时间ΔT满足t1≤ΔT≤t2来判别故障，公开了一种有效的短路故障电流通路的检测方法及其故障指示器。该发明的检测方法判别故障通路准确，不会有误动作，按此法设计的故障指示器使用方便，前景广阔。但其存在的一个缺点是，其判断电流短路故障的标准不是真正建立在故障状态下短路电流的电流变化率数学模型基础上，目的是判断线路在继电保护装置控制断开后的故障通路，其前提是线路继电保护装置判断短路故障断开线路后装置动作，因而不是真正意义上的利用电流变化率检测短路故障进行短路保护的方法。

三、发明内容：

本发明针对现有技术不足，提出一种利用电流变化率检测短路故障的方法，利用线路或用电设备发生短路时，线路电流发生突变的原理，建立短路及其他故障(过载)系统数学模型，通过对短路电流波形在不同时段的变化率进行监测，根据短路故障电流波形变化和其他故障电流波形变化规律的不同，准确判断出线路或用电设备的短路故障，作为进一步采取保护措施的依据。

本发明所采用的技术方案：

一种利用电流变化率检测短路故障的方法，利用电流检测装置对线路或用电设备的电流实时进行检测，(1)首先根据正常时线路电流表达式：

计算并确定所述线路或用电设备正常情况下的电流变化率Is，(2)然后建立线路或用电设备短路故障状态下的数学模型，分析对应线路或用电设备短路故障状态下电流波形变化规律：

短路故障状态下的短路电流由正常时线路电流表达式的微分方程

$L\frac{{\mathrm{di}}_s}{d_t}+R\·i_s=U_m\sin (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\θ})$

确定，该微分方程为一阶常系数非齐次微分方程，解为：

短路电流的周期分量随时间按正弦规律变化：

i_s＝I_pemsin(ωt+θ-φ_s)

短路电流的非周期分量随时间按指数规律衰减：

短路回路阻抗角：

根据以上数学模型，计算出所述线路或用电设备短路故障状态下的短路电流变化率，(3)根据线路或用电设备短路故障状态下的电流波形变化与正常情况下的电流波形变化的区别；对某一时间段内的电流变化率进行连续检测，如果连续检测到的多次电流变化率都超过正常情况下的电流变化率

则认为是用电设备发生了短路故障。

所述利用电流变化率检测短路故障的方法，根据干扰信号的特点一般是无规律的短时几个窄脉冲，设计软件滤波程序，在某一时间段内t连续检测5～20次电流变化率，t取0.1ms，当连续检测到的多次电流变化率都超过正常情况下的电流变化率

时，则认为是线路或用电设备发生了短路故障，否则则认为是干扰电流突变。

所述利用电流变化率检测短路故障的方法，通过试验，选择在0.1ms内连续检测10次电流变化率的最佳连续检测次数方案，如果在0.1ms内连续检测到的10次电流变化率都超过正常情况下的电流变化率

则认为是用电设备发生了短路故障。

所述利用电流变化率检测短路故障的方法，采用三相空心电流检测互感器对线路或用电设备的电流进行检测，三相空心电流检测互感器的输出信号经过预处理转换成电压信号接入A/D转换器，经A/D转换器转换成数字信号接入一中央处理器的相应I/O输入端口，所述中央处理器内置电流变化率检测及控制管理程序，中央处理器在系统初始化后，运行自检程序，并接收A/D转换器传送的电流信号，启动定时器并置计数初值，在计时时间内每间隔一定时间依次取电流值，并计算每后一次电流值与之前电流值的绝对值|I_n-I_n-1|，如果 $|I_n-I_{n-1}|>\frac{{\mathrm{di}}_m}{\mathrm{dt}},$ 则计数器设置的计数初值n减去1，反之则不计数，重新启动定时器；在计时器计时时间内如果连续n次的电流变化率都大于正常情况下的电流变化率

则判断线路或用电设备发生了短路故障，中央处理器通过其相应I/O端口发出短路指令信号，n为自然数。

所述利用电流变化率检测短路故障的方法，识别干扰电流突变与短路电流突变，滤除干扰杂波，同时采用硬滤波方法，即在供电主回路设置阻容滤波电路，滤除杂波，排除干扰信号的影响。

本发明的有益积极效果：

1、本发明利用电流变化率检测短路故障的方法，设计合理，科学缜密，故障判断准确。利用线路或用电设备发生短路时，线路电流发生突变的原理，建立短路及其他故障(过载)系统数学模型，通过对短路电流波形在不同时段的变化率进行监测，区分短路故障电流波形变化与其他故障电流波形变化的差别，可以准确识别干扰电流波形突变与短路电流波形突变，判断出线路或用电设备短路故障。

2、本发明利用电流变化率检测短路故障的方法，利用单片机设计开发并通过反复试验优化单片机控制程序逻辑关系，数据采集准确，运算快速，判断线路或用电设备短路故障准确、及时。利用电流变化率的短路检测技术应用在生产实践中，可以使线路或电气设备保障措施准确、及时发挥作用，有效避免线路或用电设备短路故障带来的负面效应，减少经济损失。

3、本发明利用电流变化率检测短路故障的方法，采用全数字化抗干扰设计，综合采用软件滤波和硬件滤波，抗电网污染、电磁干扰能力强，解决了现有短路监测、判断技术精确度低、抗干扰能力差的问题，可以有效避免短路保护装置误动作。

四、附图说明：

图1：本发明利用电流变化率的短路故障检测方法流程方框图

图2：线路或用电设备短路电流暂态过程波形示意图

图3：煤电钻综合保护装置系统接线图

图4：煤电钻短路故障状态电流波形示意图

图5：煤电钻短路故障状态电流波形局部放大示意图

图6：当φ＞90°，即电流处于正半周的下降段短路时，短路电流波形示意图

图7：电流处于正半周的下降段短路时，短路电流波形局部放大示意图

图8：软件滤波波形示意图

五、具体实施方式：

实施例一：本发明利用电流变化率检测短路故障的方法，利用电流检测装置对线路或用电设备的电流实时进行检测，(1)首先根据正常时线路电流表达式：

计算并确定所述线路或用电设备正常情况下的电流变化率

(2)然后建立线路或用电设备短路故障状态下的数学模型：供电网络中，正常时线路电流计算公式为：

当系统发生短路故障，电流由原来的负载电流增大为短路电流i_s，其值可由短路回路的微分方程确定： $L\frac{{\mathrm{di}}_s}{d_t}+R\·i_s=U_m\sin (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\θ}),$ 该方程为一阶常系数非齐次微分方程，解为：

短路电流的周期分量随时间按正弦规律变化：

i_s＝I_pemsin(ωt+θ-φ_s)

短路电流的非周期分量随时间按指数规律衰减：

短路回路阻抗角：

可以看出：短路电流由两部分组成，一是短路电流的周期分量I_msin(ωt+θ-φ_s)，一是非周期分量，两者合成，短路电流将会产生一个冲击，这个冲击电流会产生阶跃突变，其波形的变化率将会很大。如图2所示。

参见图3，以功率为1.5kw煤电钻为例，设：装置经截面积6mm²电缆，长度L＝300m，控制额定电压127V，功率因数cosφ＝0.83，系统正常运行的状态下负荷电流为：

系统在末端短路时，系统阻抗最大，短路电流最小，保护应可靠的动作，设在t_l时刻系统发生短路，短路电流：

查：6mm²电缆R＝1.45Ω忽略电感；最不利的情况下：

系统时间常数T_a＝0.05s，φ_s＝90°，θ＝0°，t＝0.01s，则短路电流的冲击值为：

i_s＝221A

系统电流波形见图4，局部放大波形见图5。

可以看出，短路电流的电流变化率

远远大于其它电流的变化率。

当时间Δt趋近于无穷小时，可以认为 $\frac{{\mathrm{\Δi}}_s}{\mathrm{\Δt}}=\frac{{\mathrm{di}}_s}{\mathrm{dt}},$ 即：

$\frac{{\mathrm{di}}_s}{\mathrm{dt}}=1\underset{\mathrm{\Δt}\→0}{\mathrm{mit}}\frac{{\mathrm{\Δi}}_s}{\mathrm{\Δt}}$

实际系统中我们取Δt＝0.00001s，可即以认为 $\frac{{\mathrm{\Δi}}_s}{\mathrm{\Δt}}=\frac{{\mathrm{di}}_s}{\mathrm{dt}}.$

为使保护可靠，取系统末端短路电流i_s＝100A，Δt＝0.00001s，代入电流表达式

算出各时间的电流值，以此为依据编写程序。

当φ＞90°，即电流处于正半周的下降段短路时，正常的电流瞬时值减少，如此时短路，短路电流会突然大大增大，更有利于对电流变化率的检测与区别。此时电流波形见图6，局部放大图见图7。

以上是电流的正半周短路的波形分析，电流的负半周可以采用全波整流的方式把负半周波形以横轴镜像处理后，按同样方法处理即可。

根据以上数学模型，计算出所述线路或用电设备短路故障状态下的短路电流波形变化率，通过分析试验对应线路或用电设备短路故障状态下电流波形变化规律，区分线路或用电设备短路故障状态下的电流波形变化与正常情况下的电流波形变化的差别；对某一时间段内的电流变化率进行连续检测，如果检测到的多次电流变化率都超过正常情况下的电流变化率

则认为是用电设备发生了短路故障。以此数据为依据开发单片机程序，设计单片机电路，单片机输出通过接口电路控制固态继电器，达到快速开断故障的目的。

本发明利用电流变化率检测短路故障的方法，可以采用软滤波和硬滤波两种方法识别干扰电流突变与短路电流突变。软滤波：就是根据干扰信号的特点一般是无规律的短时几个窄脉冲，如图8所示，设计单片机滤波程序，在某一时间段内t内(根据实验分析数据，t取0.1ms)连续检测5～20次电流变化率，当偶然检测到一次或断续的某几次电流变化率超过正常值时，则认为是干扰电流突变；只有当连续检测到的多次电流变化率都超过正常值时，才认为是线路或用电设备发生了短路故障，并发出执行信号。硬滤波：就是在供电主回路设置阻容滤波电路，滤除干扰杂波，区分干扰电流突变与短路电流突变。

通过试验，选择在0.1ms内连续检测10次电流变化率的最佳连续检测次数方案，如果在0.1ms内连续检测到的10次电流变化率都超过正常情况下的电流变化率Is，则认为是用电设备发生了短路故障。

实施例二：参见图1，为本发明利用电流变化率的短路故障检测方法流程方框图。本实施例利用电流变化率的短路故障检测方法，采用三相空心电流检测互感器对线路或用电设备的电流进行检测，三相空心电流检测互感器的输出信号经过预处理转换成电压信号接入A/D转换器，经A/D转换器转换成数字信号接入一中央处理器的相应I/O输入端口，中央处理器内置电流变化率检测及控制管理程序，中央处理器在系统初始化后，运行自检程序，并接收A/D转换器传送的电流信号，启动定时器并置计数初值n，n为自然数，在计时时间内每间隔一定时间依次取电流值，并计算每后一次电流值与之前电流值的绝对值|In-In-1|，如果 $|\mathrm{In}-\mathrm{In}-1|>\frac{{\mathrm{di}}_m}{\mathrm{dt}},$ 则计数器设置的计数初值n减去1，反之则不计数，重新启动定时器；在计时器计时时间内如果连续n次的电流变化率都大于正常情况下的电流变化率

则判断线路或用电设备发生了短路故障，中央处理器通过其相应I/O端口发出短路指令信号。图1中，I₁为t1时刻电流值，I₂为t2时刻电流值，本实施例初始化时计数器初值赋值n＝10。

Claims (5)

1、一种利用电流变化率检测短路故障的方法，利用电流检测装置对线路或用电设备的电流实时进行检测，其特征是：

(1)首先根据正常时线路电流表达式：

计算并确定所述线路或用电设备正常情况下的电流i_m和电流变化率

(2)然后建立线路或用电设备短路故障状态下的数学模型，分析对应线路或用电设备短路故障状态下电流波形变化规律：

短路故障状态下的短路电流由微分方程

$L\frac{{\mathrm{di}}_s}{d_t}+R\·i_s=U_m\sin (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\θ})$

确定，该微分方程为一阶常系数非齐次微分方程，解为：

短路电流的周期分量随时间按正弦规律变化：

$i_s=I_{\mathrm{pem}}\sin (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\θ}-{\mathrm{\φ}}_s)$

短路电流的非周期分量随时间按指数规律衰减：

短路回路阻抗角：

根据以上数学模型，计算出所述线路或用电设备短路故障状态下的短路电流I_s和短路电流变化率

(3)根据线路或用电设备短路故障状态下的电流波形变化与正常情况下的电流波形变化的区别，对某一时间段内的电流变化率进行连续检测，如果检测到的n次电流变化率都超过正常情况下的电流变化率

则认为是用电设备发生了短路故障，n为自然数。

2、权利要求1所述利用电流变化率检测短路故障的方法，其特征是：根据干扰信号的特点一般是无规律的短时几个窄脉冲，设计软件滤波程序，在某一时间段内t连续检测5～20次电流变化率，t取0.1ms，当连续检测到的多次电流变化率都超过正常情况下的电流变化率时，则认为是线路或用电设备发生了短路故障，否则则认为是干扰电流突变。

3、权利要求2所述利用电流变化率检测短路故障的方法，其特征是：通过试验，选择在0.1ms内连续检测10次电流变化率的最佳连续检测次数方案，如果在0.1ms内连续检测到的10次电流变化率都超过正常情况下的电流变化率

则认为是用电设备发生了短路故障。

4、权利要求2或3所述利用电流变化率检测短路故障的方法，其特征是：采用三相空心电流检测互感器对线路或用电设备的电流进行检测，三相空心电流检测互感器的输出信号经过预处理转换成电压信号接入A/D转换器，经A/D转换器转换成数字信号接入一中央处理器的相应I/O输入端口，所述中央处理器在系统初始化后，运行自检程序，并接收A/D转换器传送的电流信号，启动定时器并置计数初值n，在计时时间内每间隔一定时间依次取电流值，并计算每后一次电流值与之前电流值的绝对值|I_n-I_n-1|，如果 $|I_n-I_{n-1}|>\frac{{\mathrm{di}}_m}{\mathrm{dt}},$ 则计数器设置的计数初值n减去1，反之则不计数，重新启动定时器；在计时器计时时间内如果连续检测的n次电流变化率都大于正常情况下的电流变化率

则判断线路或用电设备发生了短路故障，中央处理器通过其相应I/O端口发出短路指令信号。

5、根据权利要求4所述利用电流变化率检测短路故障的方法，识别干扰电流突变与短路电流突变，滤除干扰杂波，同时采用硬件滤波方法，即在供电主回路设置阻容滤波电路，滤除杂波，排除干扰信号的影响。

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