CN101842953B - 电网中的短路识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种短路识别的方法，尤其是一种用于电网(4)中的短路的早期识别的方法。为了改进保护装置的开关动作时间而提出：将电流(i)以及电流的第一和第二时间导数分别在同一个时间点(t)和以相同的时间间隔(Δt)连续依次测定，并且分别作为数字的数值序列继续处理；每个数值序列分配有一个预定的极限值(16，18，20)；三个数值序列中的数值与分别分配的极限值(16，18，20)比较；每个超过所分配的极限值(16，18，20)的数值分配有一个加权数(30，32，34)；属于同一个时间点(t)的加权数(30，32，34)分别求和得出第一加权总和；分别针对预定数量的紧邻依次排列的时间点(t)将第一加权总和求和得出第二加权总和(40)；第二加权总和(40)与另一个预定的极限值(42)比较；当第二加权总和(40)超过预定的极限值(42)时，识别为短路。

Description

电网中的短路识别方法

技术领域

本发明涉及一种短路识别方法，尤其是一种用于电网中的短路的早期识别的方法。

背景技术

通常在网络中防止短路使每个电网安全。对此，在私人的室内布线的领域中设有微型断路器。在工业应用中，特别是在电力设备中或者在机械中，防止短路是通过断路器形式的保护装置实现的，这些保护装置通过适合的触发单元

在短路情况下打开。

这样的保护装置为了既保护电力设备(电缆、汇流排(Stromschienen)等)又保护接通的负荷(机器等)在短路情况下首先限制流动的电流。在短路情况下，该电流限制促使在电力设备的动态负荷(通过电流平方给出)和热负荷(通过电流平方的积分给出)的降低。该负荷取决于开关的响应时间，响应时间应该尽可能地小于0.5ms。该响应时间特别取决于这种时间(固有时间)，电子分析评估单元需要该时间以用于识别短路。

电子触发单元的短路识别时间长(远大于100μs)的问题特别也可以从断路器的特性曲线族(Kennlinienfeldern)中看出。如果将两个具有相同的机械结构和不同的触发单元(电子的和热磁的)的断路器的断开特征曲线(Ausschaltkennlinie)进行比较，则因此特别是在高的短路电流中记录了具有电子触发单元的断路器的明显更高的断开时间。由于作用持续时间更长，这导致要保护的设备的自身的高负荷并且由于在开关中转换的高的能量而也对断路器的切换能力产生负面效果。

为了识别短路，在许多电子触发器中将流动电流的瞬时值与阈值相比较，这根据短路的形式可以持续相对较长的时间。

为了缩短直到识别出短路的时间而已经提出了，将电流曲线(电流的第一时间导数(zeitliche Ableitung))的斜率考虑作为可替换的准则。这种形式的触发仅响应于电流曲线的斜率，但是并不响应于所到达的电流强度。该准则首先仅用于在直流电快速开关中缩短断开时间，这是因为在交流电系统或者三相交流电系统中，电流增加速度、短路电流和电压之间的关系取决于短路的时间点和电网的功率因数。

在DE 36 42 136 C2中提出了两个准则的组合、电流的瞬时值和电流斜率。对此，在每条主电路中将传感器、例如Rogowski电流互感器(Wandler)用于确定电流斜率。接下来由电流斜率和电流的瞬时值形成了数字的数值对(Wertepaaren)，并将该电流瞬时值与预定的阈值相比较。这种比较优选地通过轨迹准则来实现。DE 3642 136 C2中所述算法的缺点在于，该算法只能在没有起始电流的情况下实现切换过程的评估。因此，功率因数的改变，例如通过接通或者断开大的机器或者通过其他的电流变化，就可能已经导致触发，尽管该改变仍然在允许的范围之内。

在DE 015 88 096 A中，将电流的第一和第二导数的总和应用作为用于短路识别的准则。其中，第二导数通过LC电路由电流的第一导数产生，因此，该信号通过补偿元件得到保障。此外，该信号基于LC电路而是功率相对较弱的，这使得其分析评估变得困难。对响应值g的测定和因数x和y的确定没有在DE 015 88 096 A中进行说明。

发明内容

本发明的目的在于，提出一种用于改进保护装置的切换时间(Schaltzeit)的方法。

本发明的目的在方法方面通过权利要求1所述的特征来实现。

该方案设计为：将电流以及电流的第一和第二时间导数分别在同一个时间点和以相同的时间间隔连续地、依次测定，并且分别作为数字的数值序列继续处理；每个数值序列分配有一个预定的极限值；三个数值序列中的数值与分别分配的极限值比较；每个超过所分配的极限值的数值分配有一个加权数；属于同一个时间点的加权数分别求和得出第一加权总和；分别针对预定数量的紧邻依次排列的时间点将第一加权总和求和得出第二加权总和；第二加权总和与另一个预定的极限值比较；当第二加权总和超过预定的极限值时，识别为短路。根据本发明的方法能够使得短路识别时间小于100μs并且因此明显改进了相应的电网的电流受限的特性。

如果将第一时间导数分别在同一个时间点和以相同的时间间隔连续地、依次测定；并且，如果由第一时间导数通过积分计算出电流，以及由第一时间导数通过微分计算出电流的第二时间导数，那么这在技术上是简单的。

附图说明

以下借助实施例对本发明进行详细描述。其中示出了：

图1示出了短路电流的时间曲线和该电流的第一和第二导数，

图2示出了欧姆电感电路形式的电网的等效电路图，

图3以标准化的视图示出了根据图2所示电网在接通时间点的电流的第二导数，

图4，图5示出了欧姆电感电路在电压的不同的接通相位角的情况下的接通过程的轨迹，

图6示出了三维的边界立方体(Grenzquader)，

图7示出了用于执行用于短路识别的方法的装置，

图8示出了用于根据图7的装置的方法运行方框图。

具体实施方式

图1示出了在电网4(见图7)中发生短路的情况下，电流的典型的时间曲线100(在时间t上绘出(aufgetragen über)的i：i(t))和其第一和第二时间导数102，104。在图1中可以识别出，第二时间导数104时间上超前于其他两个轨迹100，102。

图2示出了电网4的等效电路图2，该电网近似为欧姆电感电路，该电路带有欧姆电阻R、电抗X和紧凑型断路器(或者称为整体式断路器)，该断路器装配有未示出的电子触发单元。在此，电阻R和电抗X代表需要保护的电力设备。

根据等效电路图2，在额定电压(有效值)UN和作为时间t的函数的电压u的相位角Ψ的情况下，为频率是ω的单相的欧姆电感电路的接通过程推导出以下的微分方程式：

$u\left(t\right)=\sqrt{2}\·U_N\·\sin (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\ψ})=R\·i+L\frac{\∂i}{\∂t}$

利用相移

和额定电流(有效值)I_N，在时间范围内通过以下方程式描述接通电流：

在两次求微分之后，得出电流i的第二时间导数：

图3示出相关于ω²I_N标准化的、在欧姆电感电路t＝0的接通时间点上的电流的第二时间导数106的图示，每个欧姆电感电路带有下功率因数和在不同的相位角Ψ上的上功率因数

带有电压u的不同的接通相位角Ψ的欧姆电感电路中的接通过程的轨迹24和26的示例在图4和图5中示出(其中Ir是取决于电流延迟的电子触发单元的电流设定值)。

通过理论上的分析和简单的模拟，可以通过在限定的功率因数范围和切换角度范围内部的轨迹的叠加来确定轨迹的包络线(Einhüllende)。借助包络线(如后面所示地那样)可推导出极限值，尤其是用于欧姆电感电路。

为了简明起见，极限值(在此是轨迹触发准则)在下面通过包络的立方体(einhüllenden Quader)120，122来近似；因此在下面将该简化的触发准则称为立方体准则。

在电压u的接通相位角Ψmax中：

第二时间导数的最大值共计为

其中接通时间点t＝0

利用作为极限值(触发极限值或者触发阈值)的第二时间导数的该最大值，两个在图6中示出的其他极限值被确定用于立方体准则。其中图6仅示出电流i的值以及其第一和第二时间导数的值并且也因此在三维的(正和负)空间中只有立方体124的八分之一。

图7示意性地示出了用于实施用来快速(早期)识别电网4中的短路的方法。Rogowski线圈46优选地用作为传感器。下游的输入端滤波器56阻止了由电流信号中的谐波引起的错误触发，这能够实现尤其是在带有由变流器/逆变器供给的负荷的工业网中的应用。将电流i的这样滤波的第一导数通过A/D转换器44数字化以用于进一步处理，随后，进行标准化(标准化者x/y)并且由微分器50通过反向减法

来求微分。

$\frac{{\∂}^{2}i\left(t\right)}{{\∂t}^2}\≈\frac{\frac{\∂i\left(z\right)}{\∂t}-\frac{\∂i(z-1)}{\∂t}}{\mathrm{\Δt}}$

以及由积分器48通过使用梯形法则求积分

其中在这里积分产生电流i。

随后，在属于触发单元的分析评估单元60中进行分析评估。

图8示出借助电流i以及其第一和第二时间导数根据时间进行分析评估的流程示意图，电流的第一和第二时间导数分别在同一个时间点t和以相同的时间间隔Δt紧邻地连续依次测定，并且在A/D转换之后分别作为数字的数值序列而存在。显然，A/D转换以及进而数字化也可以在输入端滤波器56之前或者在标准化(标准化者x/y)之后实现。

因为Rogowski线圈46已经提供了第一导数，由此(像上面所述地那样)，第二导数通过数字微分形成并且电流i通过数字积分形成，一方面借助后滤波(低通滤波器52)和另一方面借助前滤波(高通滤波器54)。低通滤波器52使得通过微分而加强的高频率的频率部分衰减。高通滤波器54对在数值积分中由于常数项(Gleichglieder)而引起的错误进行补偿。

随后，三个这样处理的数字的数值序列施加于分析评估单元60的输入端，该分析评估单元将其数字与分配给数值序列的极限值(触发极限值或者触发阈值)16，18，20进行比较。为每个数值序列分配有一个自身的极限值16，18，20(16是电流i的极限值，18是第一导数的极限值，20是第二导数的极限值)。

极限值16，18，20是包络的立方体120，122的上面所述的立方体准则并且相应地进行计算(像上面所述的欧姆电感电路一样)。

因为电网4，尤其是在低电压技术中不能完全通过纯粹的欧姆电感网络描绘，通过响应值(Ansprechwert)28(在取决于电流延迟的触发单元的电流预定值Ir输入之后和在一定情况下在不延迟的触发单元的电流预定值Ii输入之后)进行匹配(匹配于尤其是机器的、变压器的(流瞬间起峰电流)和导线的接通过程以及匹配于电容负荷、例如补偿设备)。对于欧姆电感电路来说，该响应值28对应于数值2。对于其他的用电设备、例如带有高接通电流的机器相应地选择响应值。以这种方式，该方法因此除了能够匹配于欧姆电感网络的全部的频谱之外还能够匹配于别的网络并且因此能够实现更宽广的应用范围。

如果其中一个数值超过属于该数值序列的极限值16，18或20，那就意味着，这个数值在立方体之外并且因此可能存在短路形式的错误。每个这样的超过所属的极限值16，18或20的数值分配有一个加权数30，32，34：当电流i的数值序列的数值超过极限值16，该加权数是1，当第一时间导数的数值序列的数值超过极限值18，该加权数是0.5，当第二时间导数的数值序列的数值超过极限值20，该加权数是0.25。电流i得到最强的加权数，这是因为其值对于当前的短路来说是一个相对可靠的准则。加权数基本实现作为网络配置的函数或者需要保护的用电设备和生产设备的函数。

属于同一时间点的加权数30，32，34分别求和得出第一加权总和并且输送到序列38中以用于缓存，该缓存设计为FIFO存储器，该存储器分别可以储存前10个加权总和。在每个时间间隔Δt之后、也就是说在A/D转换器的每个扫描时间间隔中，将第一加权总和继续推移(durchgeschoben)一个位置，从而使最旧的该第一加权总和退出如果在同一时间点t没有数值超过所属的极限值16或者18或者20，那么FIFO存储器因此在这一位置上保持为空。在正常运行的情况下，三个数值序列的所有数值都处在包络的立方体120，122内部。

FIFO存储器中的属于紧邻连续的时间点的前10个加权总和分别求和得出第二加权总和40并且与另一个预定的极限值42(触发阈值)比较，这里规定数值为3。如果处理器60识别出该第二加权总和、也就是说序列38的总和超过了限定的极限值42，那么其通过电子触发单元促使紧凑型断路器实现触发22。

第一加权数这样选择，即触发不可能单独地通过超过第二导数的极限值20实现。

Claims (2)

1.一种用于识别电网(4)中的短路的方法，

其中，将电流(i)以及所述电流的第一和第二时间导数分别在同一个时间点(t)和以相同的时间间隔(Δt)连续地、依次测定，并且分别作为数字的数值序列继续处理；

其中，每个数值序列分配有一个预定的极限值(16，18，20)；

其中，三个数值序列中的数值与分别分配的所述极限值(16，18，20)比较；

其中，每个超过所分配的所述极限值(16，18，20)的数值分配有一个加权数(30，32，34)；

其中，属于同一个时间点(t)的所述加权数(30，32，34)分别求和得出第一加权总和；

其中，分别针对预定数量的紧邻依次排列的时间点(t)将所述第一加权总和求和得出第二加权总和(40)；

其中，所述第二加权总和(40)与另一个预定的极限值(42)比较；和

其中，当所述第二加权总和(40)超过所述预定的极限值(42)时，识别为短路。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述第一时间导数分别在同一个时间点(t)和以相同的时间间隔(Δt)连续地、依次测定；并且，由所述第一时间导数通过积分计算出所述电流(i)，以及由所述第一时间导数通过微分计算出所述电流的所述第二时间导数。

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