CN102077433A - 具有改进的重闭合功能的断路器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于保护电力线(14)的断路器(18)。断路器(18)包括控制单元(26)和将电力线(14)从电源断开的断路元件(20)。该控制单元(26)检测电力线(14)上的故障，断开断路元件(20)，该断开使断开时间间隔开始，注入测试信号(t(f)到电力线中，测量响应(U(f)、(I(f)，从响应(U(f)、(I(f)确定电力线(14)的阻抗，在该时间间隔内基于将该阻抗与参考阈值比较来分析阻抗，基于分析的阻抗确定永久性故障或者临时性故障，如果故障是临时性的，则在该时间间隔之后重闭合断路元件(20)，而如果故障是永久性的，则在该时间间隔之后保持断路元件(20)断开。

Description

具有改进的重闭合功能的断路器
技术领域
本发明一般涉及供电系统的领域。本发明更特别地涉及用于保护电力线的断路器以及操作断路元件并在断路器中执行的方法。
背景技术
当今的在供电系统的电力线上提供的断路器不仅配备有断路元件，即将电力线从电源断开的元件，它们还配备有故障检测能力。从而它们检测电力线上的故障并随后断开断路元件。
此外，断路器经常配备重闭合功能。这意味着在检测到故障例如低阻抗而断开断路元件之后，在过了预定的断开时间间隔之后再次闭合断路元件，其中该时间间隔的长度取决于电源中使用的频率。在50Hz的供电频率的情况下，其通常大约半秒长。如果在那时故障还存在，即是永久性故障，断路元件再次断开并且此后保持断开直到故障被移除。这样的故障移除通常由维修人员执行，并且可能因此而花费较多的时间。这样的重闭合的原因是很多故障是临时性的，即具有瞬态的本质，并且在一段时间之后将消失。这例如在闪电击中电力线的情况下会是如此。为了不让电力失去太长的时间，有利的是重闭合断路元件以使得在故障不再存在时电源可以恢复。
WO2007/114566给出了断路器的一个示例，其可用于这样的常规断路器操作。
然而，如果故障是永久性故障，例如如果电力线掉到了地上，则重闭合将只会导致再次立即断路。在这样的永久性故障的情况下断开和闭合断路器元件对于电力系统中的设备是费力的。它们通常没有被定制用于延长的或者重复的暴露在这样的永久性故障中存在的电流和/或电压水平下，特别是如果故障是接地故障。因而，它们可能由于这样的故障而损坏。这样的永久性故障还可能对供电系统有非常严重的影响。故障可能作为可能触发敏感设备的电压突然降低或者下跌而扩散到电力系统的很大区域上。复原设备和电力网络所需的工作是严重担心的问题。另外，断路器可能损坏。
因此所关心的是，在永久性故障的情况下不执行断路器中的重闭合而对临时性故障仍然使用重闭合功能。
同时在断路元件断开时很难确定故障是永久性的还是临时性的，因为确定故障类型时通常使用电力线的电流和电压。当断路器断开了与电源的连接时，就不可能测量这些电流和电压。
DE 3429150描述了将具有音频的信号注入电力线用于确定在将该电力线投入使用之前不存在安全接地的原理。此处，通过测量电力线返回的信号的功率，来检查电力线的接地。
因此有利的是，提供断路器的改进的重闭合功能，其中有可能将临时性故障与永久性故障区分开来，以便不对电力系统中使用的设备施加不必要的应变。
发明内容
因此，本发明针对提供断路器中改进的断路功能。
本发明基于如下的一般概念，即将在主频率的测试信号注入电力线，该电力线已经由断路元件从电源断开，测量对于该测试信号的响应并将其用于确定电力线的到地阻抗。接着分析该阻抗并基于该分析确定临时性或者永久性故障。如果故障被确定为临时性故障，则进行断路元件的重闭合，否则断路元件保持断开。
因此，本发明的目的之一是提供用于保护电力线的断路器，其具有改进的断路功能。
根据本发明的第一方面，该目的通过一种用于保护电力线的断路器而得以解决，该断路器包括：
用于将电力线从电源断开的断路元件，以及
控制单元，布置为
-检测电力线上的故障，
-基于所述检测到的故障断开断路元件，该断开使预定的断开时间间隔开始，
-向所述电力线中注入在主频率的测试信号，
-测量电力线中的响应电压和响应电流，其中响应电压和响应电流由测试信号引起，
-从响应电压和响应电流确定电力线的到地阻抗，
-在所述断开时间间隔期间分析电力线的到地阻抗，所述分析包括将该到地阻抗与参考阈值比较，
基于分析的到地阻抗，确定电力线的永久性故障或者临时性故障，
如果故障被确定为是临时性故障，则在该断开时间间隔期满之后，重闭合断路元件，以及
如果故障被确定为是永久性故障，则在该断开时间间隔期满之后，保持断路元件断开。
根据本发明的另一方面提供了一种通过断路器来操作提供在电力线中的断路元件的方法，该方法具有改进的断路功能。
根据本发明的第二方面，该目的通过一种操作断路元件并在断路器中执行的方法而得以解决，该方法包括如下步骤：
-检测电力线上的故障，
-断开断路元件，该断开使预定的断开时间间隔开始，
-向所述电力线中注入在主频率的测试信号，
-测量所述电力线中的响应电压和响应电流，其中响应电压和响应电流由测试信号引起，
-从响应电压和响应电流确定电力线的到地阻抗，
-在所述断开时间间隔期间分析电力线的到地阻抗，所述分析包括将该到地阻抗与参考阈值比较，
-基于分析的到地阻抗确定电力线的永久性故障或者临时性故障，
-如果故障被确定为是临时性故障，则在该断开时间间隔期满之后，重闭合断路元件，以及
-如果故障被确定为是永久性故障，则在该断开时间间隔期满之后，保持断路元件断开。
本发明具有若干优点。其提供了一种改进的断路器，其中有可能将永久性故障与临时性故障区分开来。因此，有可能仅在故障为临时性时而不在故障为永久性时重闭合断路元件。这降低了永久性故障引起的供电系统上的应变。同时，在临时性故障的情况下对电力线的使用继续。此外，到地阻抗是自动确定的。
注入的测试信号可以是电压或者电流信号。术语主频率表明测试信号是时变信号，其频谱显示出一个明显主导频率。最简单的实施方式是正弦测试信号。但是只要可以检测到一个主频率，则不同频率的组合也是可用的。
有利的是，选择位于与电源所使用的频率的标称值偏离的值处的主频率，即位于可以与电力线中存在的任何其他谐波清楚地分开的值处的主频率。
根据本发明的一个变体，还确定到故障的距离。通过确定到故障的距离，还容易知道要在何处进行维修动作。这允许更快地应用去除故障的对抗措施。
附图说明
在下面将参考附图来描述本发明，附图中
图1示意性示出经由电力线连接到电源的负载，其中提供有根据本发明的断路器，
图2示意性示出根据本发明的断路器，以及
图3示出根据本发明的在操作断路器的断路元件的方法中采取的多个方法步骤的流程图。
具体实施方式
在下面，将给出对根据本发明的装置和方法的优选实施方式的详细描述。
图1示意性示出其中可以提供根据本发明的断路器18的供电系统10。在图1中，示出负载16，其经由电力线14连接到电源12。在电力线14中，提供根据本发明的断路器18。为了简单起见，在图1中仅示出一根电力线14。然而应当认识到，可以有更多的电力线，例如在三相系统中提供在电源12和负载16之间的三或四根。于是每一相将配备其自己的断路器。还应当理解，除了图1中所示的那个之外，还可以在电力线中提供更多的断路器。
图2示意性示出根据本发明一实施方式的断路器18。断路器18包括断路元件20，例如继电器或者开关，其提供于电力线14中。此外，在断路元件20的两侧上提供有一对测量互感器。在朝向电源方向的电力线14中连接有电流互感器22，而在朝向负载的方向上有连接到电力线14的电压互感器24。此外，还有控制单元26，其接收来自这两个互感器的信号，并基于这些信号检测电流和电压。为此控制单元通常配备有各种信号检测单元，用于检测互感器以及A/D转换器的电压和电流，以便提供这些测量的电压和电流的数字形式。然而，这在领域中是公知的，因而为了简化本发明描述的目的，而将其略去。
现在，将联系图1、图2和图3描述本发明的工作，其中图3示出在根据本发明的用于操作断路器的方法中采取的多个方法步骤的流程图。
在正常工作中，断路器元件20通常是闭合的。当断路器元件20闭合时，电源12经由电力线14向负载16提供功率。在供电期间，断路器18的控制单元26监测电力线14的故障，该监测可以经由电流互感器22、电压互感器24或者两者进行。如果控制单元26检测到故障(步骤28)，其中该故障可以通过具有过高值的电流、具有误差的电压、或者基于具有过低值的电流和电压而确定的阻抗来检测，则控制单元26断开断路元件20(步骤30)。断路元件20然而至少对于预定断开时间间隔的持续时间保持断开。该时间间隔在此处是通常被提供用于重闭合断路器的时间间隔。此处断路元件20的断开使该断开时间间隔开始。在此断开时间间隔期间，也不可能检测源自电力线14中的电源12的任何电流或电压。
在此时间间隔期间，控制单元26生成主频率处于f的测试信号t。在本发明的该实施方式中，而且只有一个测试信号，即以这样的方式生成单个测试信号。该信号是时变信号，如周期性信号，其频谱表现出一个明显主导频率。该测试信号在最简单的情况下可以是正弦信号，即其中主频率f是信号中包含的仅有频率的信号。然而，其还可以具有任何其他适当的形状，包括具有主频率f的多个频率，例如矩形脉冲信号或者锯齿形信号。主频率f可以被选择为与电力线中存在的任何其他谐波异步，以使得该主频率f在电力线14中可测量的信号的频谱中是可分辨的并且可以从中提取。因此，此处的主频率不同于供电系统的频率。此外，其优选在20Hz到1kHz的区间中提供，最优选在47Hz到500Hz之间。
测试信号t(f)由控制单元26在朝向负载16的方向上注入电力线14中。其更具体地应用到电压互感器24的低电压侧。在本发明的此实施方式中，只有一条被测试的线路。因此，注入单个测试信号。经由电压互感器24接收的对测试信号t(f)的响应接着由控制单元26测量(步骤34)。此处，控制单元测量该响应的电压(U(f)和电流I(f))两者。
从测量的电压和电流U(f)和I(f)，确定或者计算电力线14的到地阻抗Z(步骤36)。此处应当了解，到地阻抗Z在断开时间间隔期间持续地基于测试信号的响应而确定。另外在该断开时间间隔期间对这样确定的阻抗Z进行分析(步骤38)。此处的分析包括将阻抗Z与对应的预定参考阈值比较，该预定参考阈值在此处为预定参考值Z0。基于该持续比较，控制单元26确定是存在永久性故障还是存在临时性故障(步骤40)。
在对于断开时间间隔的持续时间内确定的到地阻抗Z保持在预定值Z0之下的情况下，则确定为永久性故障，而如果阻抗在该时间间隔过去之前升到预定值之上，则确定临时性故障。此处时间间隔可以是大约半秒长。阻抗与参考值的比较可以理解为是测量的阻抗的实部与预定电阻值的比较，或者理解为复平面中的阻抗与预定范围的比较，其中该范围可以例如由复平面中的圆圈描述并且其中测量的阻抗必定位于该圆圈之内或之外。这还可以通过将确定的阻抗的绝对值与参考值比较来进行。
如果以这种方式确定了临时性故障(步骤40)，那么控制单元26在断开时间间隔结束时闭合断路元件20(步骤42)。在此情况下，其因而执行断路元件20的常规重闭合。然而，如果其确定该故障为永久性故障(步骤40)，则控制单元26在断开时间间隔结束之后保持断路元件20断开(步骤44)。因而电力线14的断开延长到断开时间间隔结束之后。这意味着阻挡了断路元件20的重闭合。之后保持该阻挡直到已经移除了故障，该故障去除通常由供电系统的维修人员执行。此处很自然有可能永久性故障存在的事实用信号告知网络中的监测设备，例如IED(智能电子设备)。此后，控制单元26确定到故障的距离，步骤46。到故障的距离可以通过将确定的阻抗的虚部(可能用电压互感器的阻抗补偿)与电力线的电抗比较而确定。电力线的电抗是预先已知的属性。因而，该经过补偿的阻抗的虚部接着与电力线的电抗比较。
确定的电力线的阻抗从而可以以下方式来描述：
Z＝RD+jXD，
其中D表示相应的属性是确定的电力线属性，而X根据XD＝j2πfLD而依赖于频率。此处LD为电感值。
同时电力线具有已知的每单位距离的阻抗，其可以表示为
zL＝rL+jxL
其中L表示电力线，小写字母的使用是用于表示其是每单位距离的测量值。此处，当然还有每单位距离的电抗xL中的频率依赖性。
于是将每单位距离的电抗xL例如每公里的电抗与电抗XD一起使用，以根据下式找出到故障的距离d。
d＝XD/xL
从该比较可以容易确定到故障的距离d。
因此本发明提供一种改进的断路器，其中可以将永久性故障与临时性故障区分开。因此，可以仅当故障是临时性的时候重闭合断路元件，而不在故障是永久性的时候重闭合。因此降低了对供电系统的应变。同时在临时性故障的情况下继续使用电力线。超过60％的电力线故障通常是这样临时性的。因此重闭合提供了输电线的快速电力恢复。通过确定到故障的距离，此外还容易知道需要在何处执行维修动作。
断路器的控制单元可以结合程序代码通过处理器来提供，其用于与适当的电压和电流测量单元和A/D转换器，以及例如使用振荡器的生成测试信号的信号发生器一起实施所述功能。在现代的断路器中已经存在很多这样的处理器，这就是正是本发明的断路器可以以很小的额外代价而获得的原因。
可以对本发明进行多种修改。有可能在不用确定到故障的距离的情况下使用本发明。测试信号的注入不限于在断开时间间隔期间执行。还有可能在供应电力的时候使用它。从而测试信号被调制到被供应的功率中。该测试信号还可以用于检测故障的存在。还可能将另一测试信号注入电力线中，从而该另一测试信号将具有与前述测试信号的频率和供电频率都不同的另一频率。该另一测试信号还应当与前述测试信号在相同的频率范围内。该另一测试信号提供分析故障过程中的冗余度。可以省略电流互感器。例如还有可能仅使用在电压互感器处执行的测量来还检测故障。断路器最终还可用于检测被遗忘的安全接地。

Claims (15)

1.一种用于保护电力线(14)的断路器(18)，该断路器包括：
用于将所述电力线(14)从电源(12)断开的断路元件(20)，以及
控制单元(26)，布置为
-检测所述电力线(14)上的故障，
-基于所述检测到的故障断开所述断路元件(20)，该断开使预定的断开时间间隔开始，
-向所述电力线中注入在主频率(f)的测试信号(t(f)，
-测量所述电力线(14)中的响应电压(U(f)和响应电流(I(f)，其中所述响应电压(U(f)和所述响应电流(I(f)由所述测试信号(t(f)引起，
-从所述响应电压(U(f)和所述响应电流(I(f)确定所述电力线(14)的到地阻抗(Z)，
-在所述断开时间间隔期间分析所述电力线的到地阻抗(Z)，所述分析包括将该到地阻抗(Z)与参考阈值(Z0)比较，
-基于分析的所述到地阻抗确定所述电力线的永久性故障或者临时性故障，
-如果所述故障被确定为是临时性故障，则在该断开时间间隔期满之后，重闭合所述断路元件(20)，以及
-如果所述故障被确定为是永久性故障，则在该断开时间间隔期满之后，保持所述断路元件(20)断开。
2.根据权利要求1的断路器(18)，其中在被安排用于分析所述到地阻抗(Z)时，所述控制单元(26)被布置为针对所述电力线在所述断开时间间隔期间分析随时间的到地阻抗，并且当被安排用于确定临时性或者永久性故障时，被布置为基于在所述断开时间间隔期间的所述到地阻抗的变化而确定临时性或者永久性故障。
3.根据权利要求2的断路器(18)，其中所述控制单元被布置为如果对于在所述断开时间间隔期间执行的所有阻抗确定，所述确定的到地阻抗保持在参考阈值(Z0)之下，则确定永久性故障。
4.根据任一前述权利要求的断路器(18)，其中所述控制单元(26)被进一步布置为基于所述确定的到地阻抗(Z)确定到所述电力线(14)中的故障的距离。
5.根据权利要求4的断路器(18)，其中所述到地阻抗(Z)具有实部和虚部，并且所述控制单元(26)布置为通过比较所述阻抗的虚部与所述电力线的电抗，来确定到所述故障的距离。
6.根据任一前述权利要求的断路器(18)，其中所述电源(12)以一频率向所述电力线供应AC电力，而所述测试信号(t)具有频率(f)，其不同于该供电频率。
7.根据任一前述权利要求的断路器(18)，其中所述测试信号(t)的所述频率(f)为处于20Hz到1kHz范围内的频率。
8.根据任一前述权利要求的断路器(26)，其中所述测试信号(t)的频率(f)为处于49Hz到500Hz范围内的频率。
9.一种操作断路元件(20)且在断路器(18)中执行的方法，包括如下步骤：
-检测(28)所述电力线(14)上的故障，
-断开(30)所述断路元件(20)，该断开使预定的断开时间间隔开始，
-向所述电力线(14)中注入(32)在主频率(f)的测试信号(t)，
-测量(34)所述电力线(14)中的响应电压(U(f)和响应电流(I(f)，其中所述响应电压(U(f)和所述响应电流(I(f)由所述测试信号(t1)引起，
-从所述响应电压(U(f)和所述响应电流(I(f)确定(36)所述电力线(14)的到地阻抗(Z)，
-在所述断开时间间隔期间分析(38)所述电力线(14)的到地阻抗(Z)，所述分析包括将所述到地阻抗(Z)与参考阈值(Z0)比较，
-基于分析的所述到地阻抗确定(40)所述电力线的永久性故障或者临时性故障，
-如果所述故障被确定为是临时性故障，则在该断开时间间隔期满之后，重闭合所述断路元件(20)，以及
-如果所述故障被确定为是永久性故障，则在该断开时间间隔期满之后，保持(44)所述断路元件(20)断开。
10.根据权利要求9的方法，其中所述分析到地阻抗的步骤包括针对电力线在所述断开时间间隔期间随时间的到地阻抗(Z)，并且确定临时性或者永久性故障的步骤包括基于在所述断开时间间隔期间所述到地阻抗的变化，来确定临时性或者永久性故障。
11.根据权利要求10的方法，其中所述确定临时性或者永久性故障的步骤包括如果对于在所述断开时间间隔期间执行的所有阻抗确定，确定的所述到地阻抗(Z)保持在参考阈值(Z0)之下，则确定永久性故障。
12.根据权利要求9-11中任一个的方法，进一步包括基于所述确定的到地阻抗(Z)确定(46)到所述电力线中的故障的距离的步骤。
13.根据权利要求12的方法，其中所述到地阻抗(Z)具有实部和虚部，并且所述确定到所述电力线中的故障的距离的步骤包括比较所述阻抗的虚部与所述电力线的电抗。
14.根据权利要求9-13中任一个的方法，其中所述电源(12)以一频率向所述电力线供应AC电力，而所述测试信号(t)具有频率(f)，其不同于该供电频率。
15.根据权利要求14的方法，其中所述测试信号(t)的频率(f)为处于20Hz到1kHz范围内的频率。
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