CN101340075B - 用于三相输电线的自动开关控制系统及其控制电源的方法 - Google Patents

Abstract

一种自动开关，在只有单相发生故障的情况下，在一相上跳闸；当两相发生故障时，在两相上跳闸；当三相发生故障时，在所有相上跳闸。在电流输送的过程中，自动开关监测输电线的所有三相(例如，A相、B相和C相)。如果在一相上检测到故障，计时器启动，数值逐渐减少。如果计时器倒数计时结束，而故障仍然存在，那么将确定是否其它两相的任一相也在对故障计时。如果是，那么这些发生故障的相将跳闸。因此，只有发生故障的相跳闸。

Description

用于三相输电线的自动开关控制系统及其控制电源的方法

本申请是2002年3月15日提交的、申请号为02107433.X、发明名称为“仅限所选相的自动开关控制”的专利申请的分案申请。

技术领域

本发明总体上涉及电力配送系统领域，特别是，本发明涉及自动开关。

背景技术

在几乎所有电力配送系统中都存在的一个普遍问题是电力设备的瞬时断电，如由于瞬时短路造成的断电。例如，在电线杆之间成排的输电线在风力作用下发生摆动，可能造成瞬时的相互接触，或者与地面上的导体发生接触；或者可能会有物体落在几根裸露的电线之上，产生电弧；或者其它暂时事件可能造成瞬时的电力线的短路或电流冲击，这些都有可能烧断保险丝，或者使断路开关跳闸。这些故障中的大多数都可以自行更正，而无须永久性的保险丝或者断路开关保护，因为这些故障很快就能结束。如果需要烧断保险丝或者需要电路断路器跳闸，输电线将断开，用户将无法用电，必须请求更换保险丝或者重置断路开关的服务，这将增加用户的开支。

自动开关是一种故障中断设备，用来检测电流、电压和/或频率，并且将输电支流的故障部分隔离。自动开关通过自动开关控制设备进行操作，该设备可以是一个电子控制电路。自动开关插在输电线之间，保护电力配送系统。

自动开关检测所传输的电流值，在保险丝烧断之前通过断开或者使自动开关跳闸而中断电流。经过一个时间间隔，自动开关闭合，恢复向系统供电，并一直保持闭合直到检测到下一次故障。

保险丝烧断和电流中断的速度是可熔元件加热量的函数。加热率与故障产生的功率成比例。每根保险丝具有一个时间电流特性，这种特性描述中断故障电流所需的时间间隔。通常这个时间间隔与故障电流的均方根值近似成反比。实际中希望自动开关与其所保护的保险丝能协调工作，以使自动开关可以在所保护的保险丝烧断之前将瞬时故障电流切断。一般情况下，以所测电流峰值近似故障电流的均方根值，来完成上述要求。

也必须承认出现在电力配送系统中的一些故障是暂时的，例如那些由于树枝暂时落在线路上导致的故障；一些故障则具有更长久的性质，如那些由于输电线坠落在地面上而造成的故障。因此，自动开关预先已编好程序，以便在锁定开启之前的短时期内，仅作有限次的跳闸。

在故障电流的某些量值上，希望自动开关能够很快断开，而不是在一个时间电流特性之后才断开，以保护输电线。在需立即断开的故障等级上，从电力配送系统的角度来看，可能希望延迟断开自动开关，以允许故障自行恢复，或者使保险丝工作。许多自动开关具有另外的时间电流特性，可以实现这个目标。典型情况下，在锁定启动之前，允许自动开关在一个快速的时间电流特性之后进行两次断开或者跳闸操作；在一次某种程度上较慢的时间电流特性之后，允许另外两次断开。

传统的三相系统的自动开关在任一相上检测到故障时，都同时断开所有三相；其它三相系统安装有三个单相自动开关，每相上一个。在这些系统中，每一单相自动开关单独控制，这使得成本昂贵，且不允许相与相之间发生响应。

因此，在典型结构中，每发生一次故障，自动开关将断开以排除故障。注意到对任何故障，例如相-地故障、相-相故障、相-相-地故障，以及三相之间的故障，典型的自动开关将断开所有三相。对于单相支流，由于一相故障而断开所有三相将导致更多的用户不必要地停电。然而如果电力公司在其送电系统中使用传统的单相保护，将安装三个单相机械式自动开关——每相一个，这使每相均可处理单相故障。但如果存在一个仍在发展的故障，例如，两相或更多相发生故障，那么这种跳闸和随后的闭合，也将总是在单相上进行。总的来说，在竞争的条件下，独立的单相设备也将加入其中。对于相-相之间的故障，如果一相够较另一相更快地操作，自动开关将不能正确地将第二故障相隔离开来。

因此，希望提供一种自动开关控制，能够克服前述工艺存在的问题，这样，仅使用同一自动开关就能在发生单相、两相以及三相故障时保护系统。

发明内容

本发明针对解决普遍存在的故障情况的自动开关操作。一种“仅限所选相(OPUP)”技术使得自动开关只对发生故障的相跳闸(就是说，发生单相故障的情况下，只有一相跳闸；发生两相故障的情况下，两相发生跳闸；发生三相故障的情况下，三相发生跳闸)。

根据本发明范围内的一个实施例，控制三相电力输电线自动开关的一种方法包括：监测输电线的所有三相，确定哪一相发生故障，以及断开输电线中发生故障的一相。

根据本发明的一个方面，确定三相中的哪一相发生故障包括：将通过三相中的每一相线路的电流与一个预定电流值相比较，当某一相的线路中电流超过了预定电流值，则该相出现故障。

根据本发明的另一方面，确定三相中哪一相发生故障包括：检测到三相中的至少一相发生故障，启动与每一故障相相连接的倒数计时器，以及确定在一个连接的倒数计时器到时后故障仍然存在。

根据本发明的另一方面，断开输电线发生故障的某相包括：如果确定只有一个故障发生，则只断开一相，该相与所发生的故障相联系；如果确定只有两个故障发生，则只断开两相，该两相与所发生的两个故障相联系；如果确定有三个故障发生，则断开所有相。

根据本发明范围内的另一个实施例，三相电力输电线的自动开关控制系统包括一个具有三个电极的自动开关，每一电极对应所连接的输电线三相中的一相，能够断开或闭合所连接相的输电线，以及一个自动开关控制器与自动开关相连，按照输电线路中各相的线路电流控制电极的配置。一个电极断开输电线中它所连接的一相，如果只有所连接相的线路电流超过相关的预定电流值；两个电极断开输电线中它所连接的两相，如果只有其所连接的两相的线路电流超过相关的预定电流值；所有电极断开输电线中它所连接的所有相，如果所连接所有相的线路电流超过其相关的预定电流值。

根据本发明的另一方面，自动开关控制器包括一个倒数计时器，用来确定进入选取状态的一相是否应当跳闸。

根据本发明的另一方面，一种用于三相输电线的自动开关控制系统，该自动开关控制包括：自动开关，其具有三个电极，每个电极对应于输电线的三相的相关联的一相，并能够打开或关闭输电线的该相关联的相，以及自动开关控制器，其耦合到该自动开关，用于控制电极的设置，该自动开关控制器可操作来检测输电线的相中的故障，并包括用于每个相的计时器，其中对于每个相，相关联的计时器当在该相中检测到故障时开始运行，并且当计数器结束预定时间计数而故障依然存在时，该自动开关控制器断开与该相相关联的电极，并断开其计时器正在运行的其他两个电极的任何一个。

根据本发明的另一方面，一种控制在三相输电线中的电源的方法，该方法包括：提供用于输电线的每相的计时器；监测输电线的各相的故障；当在一个相中检测到故障时，启动与该发生故障的相相关联的计时器；当用于该发生故障的相的计时器结束预定计数时，确定其他计时器是否在运行；以及断开发生故障的相和其计时器正在运行的每个其他相。

本发明的上述和其它方面将从以下结合附图的本发明的详述中变得清楚。

附图说明

图1为一实施本发明的系统的简化示意图；以及

图2为本发明所述示范的操作方法的流程图。

具体实施方式

本发明针对控制自动开关的系统及方法，从而在只有单相发生故障的情况下，单相跳闸；或在多相发生故障的情况下，所有相都跳闸。

图1示出实施本发明的系统的简化示意图，自动开关10的开关使线路5断开或闭合(例如在分电站和负载之间)，它通过一个自动开关控制装置20，如电子控制电路，进行操作。应当理解术语“自动开关”包含自动开关、分段隔离开关、电路断路器等等的各种组合，这些也可在本发明的范围内使用。输电线5为三相输电线。自动开关10包括三个电极15。每个电极15与输电线5中的一个相关线连接，因而由相关相供电。自动开关10可以监测系统的电流和电压。

自动开关10的基本组件是高速电路断路器、过电流保护器、触发逻辑电路和带有操作计时器的自动闭合逻辑电路。当足够量值(即大于预定电流量)的过电流流经自动开关10时，启动跳闸操作并且电极15内的中断电路触点断开，同时操作计时器开始计时。经过一个预定的时间延迟，自动开关触点自动闭合，输电线5重新通电。如果仍然存在故障，这种跳闸和再闭合序列重复由控制器20设定的预定的次数，直到切断功能启动。如果故障是暂时的，在自动开关10断开的任何时期内得到消除，那么自动开关控制器20将在一个短的时间延迟后，重置为初始状态，准备下一次的操作，并且一直保持闭合。

本发明使用的自动开关的一个范例是VR-3S自动开关，由北卡罗莱纳州罗利的ABB电力T&D公司制造并提供。由磁性致动器断开并闭合自动开关的主要触点。

自动开关10由基于微处理器的控制器20控制。基于微处理器的控制器20具有两个基本设计领域。物理元件如集成电路、电阻、电容、显示器、开关等等，称作硬件。一旦制成不易改变。微处理器的第二个设计领域包括计算机程序和文件。这些元件称为软件，因为它们可以方便地改动。

在自动开关控制器20中使用基于微处理器的微机和相关内存及接口组件用来按适合于自动开关控制的基本要求的方式处理输入信号。微处理器执行控制中不同的数学及逻辑功能。具体地，典型地包括所需的逻辑电路和维护功能。

典型地，在自动开关控制系统中提供电力，对于控制系统的其它组件，也需要提供电力；并且包括电力存储装置，以便在受保护线路中断后提供电力。当微机不能影响自动开关中的跳闸操作时，微机控制功能中的第二过电流跳闸电路独自工作。一个保护性输入网络保护控制器的低功率设备，使其免受电力配送系统的恶劣环境的侵害，并且在需要精确度时计时装置用来允许微机和相关的电路在输入信号幅度的范围内更精确地发挥作用，同时允许在输入信号的较广的范围内与有限数量的组件一起发挥控制作用。

内存用来提供暂时的和/或永久的数据存储。例如在自动开关10中，这些信息应当包括线路电流量。只读存储器优选地具有可电子编程的功能，以便于修改并存储程序信息。例如在自动开关控制器20内，内存模块包含命令信息，其中包括多重时间电流特性曲线。

自动开关控制器20的前面板可以包括一个显示器，用来显示信息。可以使用键盘或其它输入设备来输入信息。指示灯可提供状态信息，如自动开关开、自动开关关、控制器锁定、超过最小跳闸等级、功能故障和锁死。

通过使用以上提到的开关和键盘，该设备可以通过命令信息来控制。自动开关控制器典型的命令信息包括相电流和地电流的第一时间电流特性，它通常导致自动开关10较为快速地跳闸；以及相电流和地电流的第二时间电流特性，它通常导致自动开关10在故障情况下保持较长时间的闭合。其它命令信息包括相电流和地电流的最小跳闸等级，它在自动开关控制器中根据时间电流特性、在相故障和地故障中导致锁定的开启次数、以及随后的时间电流特性的次数开启计时程序。其它的命令信息可以包括一个重置的时间间隔，它确定计时器记录开启次数并保留这一信息的持续时间，以及多次再闭合的时间间隔，它确定自动开关10保持断开的时间。另外的命令信息可以包括一个高电流恒定时间特性，它允许自动开关10在一定故障电流的量值下，只在一个固定的时间段内保持闭合。因此，如果出现一个故障，输电线5断开一段较短的时间。在输电线5断开的这段时间结束后，自动开关10重新使输电线5闭合。如果异常情况仍然存在，自动开关10重新断开和闭合输电线5。

应当理解许多种微处理器都可以用来达到上述的效果。每一制造商都要求其设备的特殊性得到满足。对于自动开关控制器20中的微机部分，这里不可能足够详细地描述其功能控制以及足够全面地详细描述可选设备的细节。对于本领域技术人员能够通过阅读生产商提供的其它设备的一般技术资料，轻易地扩展和修改所提供的描述，使其应用于其它生产商的设备。再者，试图将软件中所包含的微小细节描述清楚将造成极大的混乱，所以只对最一般的软件模块和程序作了描述，因为对于本领域技术人员可以轻易地对所提供的框架进行更新。

控制单元的一个范例是PCD2000电力控制设备，由北卡罗莱纳州罗利的ABB电力T&D公司制造并提供。这种控制设备可以通过使用MODBUS RTU、MODBUS ASC和DMP3.0协议，提供一个与SCADA系统进行远程交流的界面。控制器可以编程实现其它协议。其端口可实现外部连接，例如可以连接收音机、调制解调器或者直接进行光纤通讯。

按照本发明，每一单相单独监控，而且可以在探测到故障电流时(即电流高于所选阈值)，通过该相上的保护元件，启动电极15断开，实现跳闸。在确定是否某单相发生故障时，保护单元进入选择状态，当超过预定时间，就执行跳闸操作。在跳闸确定后，可以实现任一或所有处于被选状态相跳闸。根据本发明，在仅限所选相处理过程中，如果探测到单相故障或者一个电极被选，那么将发生单相跳闸；如果有两相被选或被探测到发生故障(通过相或中性探测)，那么有两个电极和所连接相将发生跳闸；如果三相都被选或者探测到发生故障，那么控制器将指示所有电极跳闸。

图2为根据本发明的一种示范的操作方法的流程图。在电力输送过程中，自动开关10监测输电线5(例如A相、B相和C相)。如果在步骤100A相上检测到故障，则在步骤110计时器被控制器启动，随后在步骤120量值减小。步骤130确定计时器是否结束了倒计时。如果没有，则在步骤140确定故障是否仍然存在。如果故障已经不存在(即已经排除)，那么计时器在步骤145清空(即重置)，监测重新启动。如果在步骤140仍然存在故障，那么计时器在步骤120继续减少。

如果计时器在步骤130结束了它预先设定的计时时间，而故障仍然存在，那么在步骤150确定是否其它两相也在故障计时。如果是，那么这些存在故障相(即被选或被选超时)将在步骤160跳闸，否则，只有故障相(这里是A相)在步骤170跳闸。

同样，对于B相和C相，如果探测到故障(分别在步骤200和步骤300)，其所连接的计时器启动(步骤210和步骤310)，随后量值减小(220、230)。确定计时器是否结束其倒计时(230、330)。如果没有，则确定故障是否仍然存在(240、340)。如果故障已经不存在(即已经排除)，那么所连接的计时器清空(245、345)，监测重新启动。如果故障仍然存在，那么计时器继续减少。

与A相相同，如果计时器结束了它预先设定的计时时间，而故障仍然存在，那么在步骤150确定另两相的任一相是否也在故障计时。如果是，那么这些存在故障相(即被选或被选超时)将在步骤160跳闸，否则，只有故障相在步骤170跳闸。

因此，按照本发明，只有自动开关上那些有故障的相才跳闸。这将非常有利。例如如果故障只存在A相和B相，在这种情况下，只有连接在A相和B相上的负载(用户)将遭遇断电，而其它相(如C相)的用户将不会遭遇电流中断，而能持续用电。

再者，如果控制器检测到故障只在三相种的某一相上发生，控制器上的每个电极将独立跳闸(断开)。这将非常有利。例如如果只在A相上发生故障，这种情况下，只有连接在A相上的负载(用户)将遭遇断电，而其它相(如B相和C相)的用户将不会遭遇电流中断，而能持续用电。

本发明提供一种自动开关跳闸、再闭合和/或锁定的控制功能，在一相上探测到故障可独立进行；在两相上探测到故障可顺序进行；在三相上探测到故障可同时进行。这种自动开关控制技术允许电力公司在发生独立的单相暂时事件时，或两相事件时，避免不必要的三相断电。在这种方式下，所有故障相将被隔离。

再者，本发明提供一种保护等级，那样，如果独立的单相暂时事件发展成为其它相或多相事件，自动开关控制方法识别这种情况，并激活这些相的自动开关中受到影响的(就是说，发生了故障)自动开关。如果存在多于一相的故障(例如从开始检测到单相故障发展成为两相或三相故障)，自动开关控制可以识别出来。然后本发明开启两相或三相跳闸，随后再闭合或锁定，因为故障已经发展或者从一相转移至另一相，从而增加了设备损坏的可能性。

本发明的自动开关控制技术允许电力公司在其输电网络中避免高昂的三相断电事件，而这种灾难性的断电事件是由于单相暂时性故障发展成为严重的两相或三相故障造成的。本发明提高了电力系统的可靠性(例如，在灾难性事件如飓风、龙卷风、暴风雨和地震中)，从而减小了支路设备的电力和机械损失，节省了电力公司的时间、财力和资源。

根据本发明，所有相都应当一起工作，而不是在相与相之间有暂时的延迟，那样可能导致出现单个设备之间的微小时差。

因此，本发明允许所有相同时工作，按照故障类型进行单相、两相或三相跳闸。可以预期，跳闸和锁定都可以在单相和两相上实现。

对于单相跳闸，可以避免三分之二的输电线-地面之间的故障造成的断电。例如，控制器只在A相跳闸，并只在该相上锁定。对于两相跳闸，可以避免三分之一的输电线-地面之间的故障造成的断电。例如，控制器只在A相和B相跳闸，并只在这两相上锁定。本发明提供更好的系统可靠性和服务的连续性。

本发明可以以适当的计算机软件的形式，或者以适当的硬件形式或适当的硬件和软件相结合的形式得以实施，而不偏离本发明的实质和范围。关于这些硬件和/或软件的细节，相关的普通公众很清楚。所以，关于这些硬件和/或软件的进一步描述相信是不必要的。

尽管这里参照某些具体实施例作了一些图示和描述，本发明无论如何都不限于这里所示的细节。相反，在权利要求书的等同体的范围内，可以进行各种细节上的修改，而不会偏离本发明。

Claims (9)

1.一种用于三相输电线的自动开关控制系统，该自动开关控制系统包括：

自动开关，其具有三个电极，每个电极对应于输电线的三相的相关联的一相，并能够打开或关闭输电线的该相关联的相，以及

自动开关控制器，其耦合到该自动开关，用于控制电极的设置，该自动开关控制器可操作来检测输电线的相中的故障，并包括用于每个相的计时器，其中对于每个相，相关联的计时器当在该相中检测到故障时开始运行，并且当计时器结束预定时间计数而故障依然存在时，该自动开关控制器断开与该相相关联的电极，并断开其计时器正在运行的其他两个电极的任何一个。

2.根据权利要求1的自动开关控制系统，其中如果在该相中的电流超出与该相相关联的预定电流阈值，则该自动开关控制器确定在该相中发生故障。

3.根据权利要求1的自动开关控制系统，其中计时器包括倒数计时器。

4.根据权利要求3的自动开关控制系统，其中对于每个相具有作为该相中故障的结果而运行的计时器，在计时器的每次计数减少后该自动开关控制器确定在该相中是否还存在故障。

5.一种控制在三相输电线中的电源的方法，该方法包括：

提供用于输电线的每相的计时器；

监测输电线的各相的故障；

当在一个相中检测到故障时，启动与该发生故障的相相关联的计时器；

当用于该发生故障的相的计时器结束预定计数时，确定其他计时器是否在运行；以及

断开发生故障的相和其计时器正在运行的每个其他相。

6.根据权利要求5的方法，还包括如果在该相中的电流超出与该相相关联的预定电流阈值，则确定在该相中发生故障。

7.根据权利要求6的方法，其中计时器包括倒数计时器。

8.根据权利要求7的方法，其中对于具有运行作为在该相中的故障的结果的计时器的每一相，在计时器的每次计数减少后确定在该相中是否还存在故障。

9.根据权利要求8的方法，其中如果在该相中的故障被确定不再存在时，重置计时器。

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