CN102401869A - 用于快速确定电力系统中的故障的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于快速确定电力系统中的故障的装置，所述装置包括电流互感器、电流确定单元和故障确定单元。所述电流互感器检测供应给电力系统的电流并且输出电流检测电压。所述电流确定单元分别将电流检测电压、电流检测电压的一阶微分电压和电流检测电压的二阶微分电压与预定第一基准电压、预定第二基准电压和预定第三基准电压进行比较。所述故障确定单元基于电流确定单元的比较结果来确定故障是否发生并且当确定故障已经发生时产生跳闸信号。本发明还公开了一种用于快速确定电力系统中的故障的方法。

Description

用于快速确定电力系统中的故障的装置和方法
技术领域
本发明的方案涉及一种用于快速确定发生在电力系统中的短路故障或接地故障的装置和方法。更特别地，本发明的方案涉及一种用于确定在电力系统中使用的继电器是否发生了故障的装置与方法，其中当故障电流因正常负载状态或无负载状态下的电力系统中短路故障或者接地故障的突然发生而流动时，可以快速地感测到故障电流从而保护电力系统。
背景技术
在电力作为能源使用以后，在用户和电力生产及输配电者之间或在单位电力系统中，除了负载的正常使用条件以外，当由于短路故障或者接地故障而产生短路电流或者过电流时，使用各种继电器来保护系统。
已知过电流继电器(OCR)是一种典型的继电器。另外，开发出了具有若干保护元件(包括电压、频率和微分)的继电器，并且这些继电器经由模拟继电器而广泛用作数字继电器。
短路电流或者过电流的保护元件通常使用0.5至1个周期的故障电流的均方根(RMS)值来确定故障的发生，从而精确地确定故障并且防止系统的出错。因此，当通用继电器确定故障发生然后产生跳闸信号时，它需要大约30ms的跳闸输出时间。
然而，跳闸输出时间对于在特定的情况下保护系统来说是稍长的时间。尽管通用继电器的速度足以保护当前电子和数字技术中的系统，但是继电器仍然要花许多的时间来确定故障的发生。
特别地，由于在通用继电器的跳闸输出时间以内难以确定在开关装置或者电力设备的内部发生了电弧故障，因此不可能避免对系统、设备以及人员的伤害。
此外，对于在大的故障电流下要求高速跳闸的继电器来说，通用继电器中的故障确定时间不能满足其所必需的短的确定时间。
发明内容
本发明的实施例提供了一种用于快速确定电力系统中的发生故障的存在的装置和方法。
本发明的实施例还提供了一种用于快速确定电力系统中的故障的装置和方法，在要求高速度确定时间的继电器中，所述装置和方法能够通过在0.125至0.25个周期或更少周期的时间内确定开关装置或者电力设备中的电弧故障的发生来防止系统、设备以及人员受到伤害，无需具有0.5至1个周期的RMS值的输入等候时间。
需要理解的是，由本发明解决的技术问题并不限于前面所述的技术问题，并且通过下面的描述，本发明没有提及的其他技术问题对于本发明所属的技术领域中的普通技术人员来说是显而易见的。
根据本发明的一个方案，提供了一种用于快速确定电力系统中的故障的装置，所述装置包括：电流互感器，其被配置为检测供应给所述电力系统的电流并且输出电流检测电压(current detection voltage)；电流确定单元(current determination unit)，其被配置为分别将所述电流检测电压、所述电流检测电压的一阶微分电压以及所述电流检测电压的二阶微分电压与预定第一基准电压、预定第二基准电压和预定第三基准电压进行比较；以及故障确定单元，其被配置为基于所述电流确定单元的比较结果来确定故障是否发生，并且当确定故障已经发生时产生跳闸信号。
在一些示例性的实施例中，所述电流确定单元可以包括：第一比较器，其被配置为将所述电流检测电压与所述预定第一基准电压进行比较；第一微分器，其被配置为产生所述一阶微分电压，所述一阶微分电压通过对所述电流检测电压进行一阶微分运算而得到；第二比较器，其被配置为将所述第一微分器的所述一阶微分电压与所述预定第二基准电压进行比较；第二微分器，其被配置为产生所述二阶微分电压，所述二阶微分电压通过对所述第一微分器的所述一阶微分电压进行微分运算而得到；以及第三比较器，其被配置为将所述第二微分器的所述二阶微分电压与所述预定第三基准电压进行比较。
当所述电流检测电压等于或大于所述预定第一基准电压，并且所述一阶微分电压等于或大于所述预定第二基准电压时，所述故障确定单元可以确定故障已经发生并且产生跳闸信号。
当所述电流检测电压等于或大于所述预定第一基准电压，并且所述二阶微分电压等于或大于所述预定第三基准电压时，所述故障确定单元可以确定故障已经发生并且产生跳闸信号。
在一些示例性的实施例中，所述装置可以进一步包括：光传感器，其设置在发生电弧故障时产生光的部分处，所述光传感器检测所述光并且输出光信号；以及光信号确定单元，其被配置为将从所述光信号转换的光检测电压与预定第四基准电压进行比较，并且将比较结果输出至所述故障确定单元。所述故障确定单元可以基于所述电流确定单元和所述光信号确定单元的比较结果来确定故障是否发生，并且当确定故障已经发生时产生跳闸信号。
在一些示例性的实施例中，所述光传感器可以是多个点式光传感器。
在一些示例性的实施例中，所述光传感器可以是配置为光缆的环形光传感器，所述光缆的护套部分由透明材料形成。
在一些示例性的实施例中，所述光信号确定单元可以包括：电信号转换器，其被配置为将所述光传感器的光信号转换成作为电信号的光检测电压；以及第四比较器，其被配置为将从所述电信号转换器输出的所述光检测电压与所述预定第四基准电压进行比较。
当所述光传感器的所述光检测电压等于或大于所述预定第四基准电压，并且所述电流检测电压等于或大于所述预定第一基准电压时，所述故障确定单元可以确定故障已经发生并且产生跳闸信号。
当所述光检测电压等于或大于所述预定第四基准电压，所述电流检测电压等于或大于所述预定第一基准电压，并且所述电流检测电压的所述一阶微分电压等于或大于所述预定第二基准电压时，所述故障确定单元可以确定故障已经发生并且产生跳闸信号。
当所述光检测电压等于或大于所述预定第四基准电压，所述电流检测电压等于或大于所述预定第一基准电压，并且所述电流检测电压的所述二阶微分电压等于或大于所述预定第三基准电压时，所述故障确定单元可以确定故障已经发生并且产生跳闸信号。
根据本发明的另一个方案，提供了一种用于快速确定电力系统中的故障的方法，所述方法包括如下的步骤：
(a)接收基于供应给所述电力系统的电流而输入的电流检测电压；
(b)接收设置在发生电弧故障时产生光的部分处的光传感器的光信号，并且从所述光信号产生光检测电压；
(c)通过对所述电流检测电压进行微分运算产生一阶微分电压，并且通过对所述一阶微分电压进行微分运算产生二阶微分电压；
(d)分别将所述电流检测电压、所述一阶微分电压、所述二阶微分电压和所述光检测电压与预定第一基准电压、预定第二基准电压、预定第三基准电压和预定第四基准电压进行比较；以及
(e)基于步骤(d)的比较结果来确定故障是否发生，并且当确定故障已经发生时产生跳闸信号。
当所述电流检测电压等于或大于所述预定第一基准电压，并且所述一阶微分电压等于或大于所述预定第二基准电压时；或者当所述电流检测电压等于或大于所述预定第一基准电压，并且所述二阶微分电压等于或大于所述预定第三基准电压时，所述步骤(e)可以确定故障已经发生并且产生跳闸信号。
当所述光检测电压等于或大于预定第四基准电压，所述电流检测电压等于或大于所述预定第一基准电压，并且所述一阶微分电压等于或大于所述预定第二基准电压时，所述步骤(e)可以确定故障已经发生并且产生跳闸信号。
当所述光检测电压等于或大于所述预定第四基准电压，所述电流检测电压等于或大于所述预定第一基准电压，并且所述二阶微分电压等于或大于所述预定第三基准电压时，所述步骤(e)可以确定故障已经发生并且产生跳闸信号。
附图说明
结合附图，通过下面实施例的描述，本发明的这些和/或其他方案和优点将变得显而易见并且更容易理解，其中：
图1和图2为示出了当短路故障或者接地故障发生时流动的故障电流的示例的曲线图；
图3为示出了简化AC电力系统或者简化电路的图；
图4为示出了在故障发生在相位为nπ/2的电压处时流动的对称正弦曲线故障电流的曲线图；
图5为示出了在故障发生在相位为nπ的电压处时流动的不对称正弦曲线故障电流的曲线图；
图6为示出了通过对故障发生在相位为nπ/2的电压处时流动的对称正弦曲线故障电流进行二阶微分得到的波形的曲线图；
图7为示出了通过对故障发生在相位为nπ的电压处时流动的对称正弦曲线故障电流进行二阶微分得到的波形的曲线图；以及
图8为示出了根据本发明的实施例的用于快速确定电力系统中的故障的装置构造的框图。
具体实施方式
在下文中参照附图对本发明进行了更加全面的描述，其中示出了本发明的实施例。然而，此本发明可以以许多不同的形式实施并且不应当被理解为限于在此所陈述的实施例。更确切的说，提供的这些实施例使得本公开是彻底的，并且向本领域的技术人员全面地表达了本发明的范围。
在电力系统发生短路故障或接地故障的情况下，电流如图1或2所示的流动。
在故障发生在相位是nπ(这里，n为0，1，2...)的电压附近的情况下，DC分量被增加至故障电流，从而故障电流具有如图1所示的不对称的波形。在故障发生在相位是nπ的电压处的情况下，最大的DC分量被增加至故障电流。当故障的发生时间改变到峰值电压即相位是nπ/2的电压(这里，n为1，2，3...)的附近时，DC分量减小，从而故障电流具有如图2所示的对称的波形。
一般地，在用于确定继电器中使用的短路电流和过电流保护元件中的故障的大多数方法中，继电器接收0.5至1个周期中的故障电流的均方根(RMS)值。然后，在RMS值大于预定的基准值的情况下，继电器确定出故障已经发生并且产生跳闸信号。
这里，RMS值对应于图1或图2中示出的曲线图中的波形区域。
可以使用模拟方法进行用于确定故障发生的计算。近来，常常使用数字电子电路来实现该计算。
一般地，用于保护短路电流和过电流的继电器通过接收0.5至1个周期的故障电流的RMS值来确定发生故障的存在，因而确定故障的可靠性是非常高的。然而，尽管继电器由于具有非常出色性能的硬件而以高速度工作，但还是要花许多时间通过接收RMS值来确定故障的发生。包括继电器元件的继电器通常具有大约30ms的跳闸信号输出时间。
因此，不可能将上述方法应用于要求非常高的速度进行工作的开关装置或电力设备或继电器中的电弧故障。
特别地，如果故障能量作为电弧的形式与电弧故障中的非常高的故障电流一起发生，则伴随故障能量的高压和高热在10至15ms内达到最高值。因此，内置式的电力设备和外壳会受到损坏，并且当有人在设备附近时会导致人员伤害。
当考虑到通用过电流保护元件中所要求的大约30ms的工作时间以及断路器的工作时间时，该工作时间对于防止系统、电气设备和人员的损害来说是太晚了。
AC电力系统或电路一般可简化为如图3所示。由线路阻抗ZL、负载的阻抗、系统的电源电压ES确定的负载电流IL在正常负载条件下流动。
如果短路故障或接地故障在任意时刻发生，则仅由线路阻抗IL限定的非常高的故障电流ISC流动。在短路故障或接地故障发生在相位是nπ的电压处的情况下，如图1所示的不对称的正弦曲线故障电流流动。在短路故障或接地故障发生在相位是nπ/2的电压处的情况下，如图2所示的对称的正弦曲线故障电流流动。在短路故障或接地故障发生在相位是在nπ和nπ/2之间的电压处的情况下，包含有DC分量的不对称故障电流与相位角成比例地衰减。
在电弧故障发生的情况下，电弧在大约10至15ms以内达到最大值。因此，用于保护短路电流和过电流的通用继电器不能消除由电弧故障引起的损害。
近来，已经发展出了具有电弧保护元件的继电器来保护设备和人员免于电弧故障。这些继电器在0.5至15ms以内确定电弧故障发生的存在然后产生跳闸信号。
为了以高速度确定故障的发生，必须保持可靠性以及快速的确定时间。
因此，在本发明中，故障的发生不是使用RMS值来确定而是使用电流波形的瞬时值来确定。基于电流波形通过处理信息以高速度确定故障的发生。在本发明中，用于确定故障发生的要素为如下。在根据本发明的用于快速确定电力系统中的故障的装置中，将电流的瞬时值、电流瞬时值的微分值和光信号瞬时值检测作为电压，并且将检测到的电压用于确定故障的发生。
1.故障电流的瞬时值：i(t)
2.故障电流的瞬时值的一阶微分值：
3.故障电流的瞬时值的二阶微分值：
4.由光传感器在电弧故障中检测到的光信号的瞬时值：L(t)
在本发明中，通过分别为上述的四个要素设置适当的基准值(即，基准电压)并且进行四个要素的逻辑和以及逻辑乘运算，可以以非常高的速度进行高可靠性的故障确定。
由于包括在电力系统中的电感组件具有防止电流的突变和不连续性的特性，因此当接地故障发生时要用预定的时间来使电流从正常电流值增加至故障电流的峰值。
因此，如果仅将故障电流的瞬时值i(t)与预定的基准值进行比较从而在0.125个周期或更少的周期中以高速度确定故障的发生，则故障确定的稳定性较低，并且要花费许多时间来确定故障的发生。
为了解决这个问题，提出了一种通过使用作为一阶微分值的
Figure BSA00000573804300081
和故障电流瞬时值来保持高可靠性和减少用于确定故障的时间的方法，一阶微分值通过对故障电流的瞬时值进行一阶微分而得到。
通过将对于故障电流的瞬时值i(t)的基准值设置为略高于正常电流的瞬时值，可减少用于满足故障条件所需要的时间，并且通过将对于瞬时值i(t)的一阶微分值的基准值设置为普通高的值则可以满足可靠性。也就是说，如图4和5所示，通过使用瞬时值i(t)的一阶微分值
Figure BSA00000573804300084
的特性可以确保高可靠性和快速确定时间，该一阶微分值在故障发生时的时刻示出的值高于故障电流的瞬时值i(t)。
在仅使用瞬时值i(t)的一阶微分值
Figure BSA00000573804300086
来确定故障的情况下，由于瞬时电涌而会发生错误。因此，必须通过把下面的逻辑乘(AND)的条件应用于瞬时值i(t)的一阶微分值
Figure BSA00000573804300087
来消除出错的可能性。
(a)
Figure BSA00000573804300088
在故障电流的瞬时值i(t)等于或大于预定第一基准值并且瞬时值i(t)的一阶微分值
Figure BSA00000573804300091
等于或大于预定第二基准值的情况下，确定故障已经发生。
使用一种通过把逻辑乘(AND)的条件应用于故障电流的瞬时值i(t)和瞬时值i(t)的一阶微分值
Figure BSA00000573804300092
来确定故障的方法，可以获得足够快速的故障确定时间。然而，在正常电流和故障电流之间的振幅比不大并且不对称的故障电流流动的情况下，可能会出现这样一种状况：通过把逻辑乘(AND)的条件应用于故障电流的瞬时值i(t)和瞬时值i(t)的一阶微分值
Figure BSA00000573804300093
并不足以以大约1至2ms的高速度来确定故障。
为了解决故障的确定变慢的此类问题，在本发明中，提供如下所述的这样一种用于确定故障的方法：通过不仅把逻辑乘(AND)的条件应用于故障电流的瞬时值i(t)和瞬时值i(t)的一阶微分值
Figure BSA00000573804300094
而且还应用于瞬时值i(t)的二阶微分值
Figure BSA00000573804300095
(b)
Figure BSA00000573804300096
也就是说，在故障电流的瞬时值i(t)等于或大于预定第一基准值，并且瞬时值i(t)的一阶微分值
Figure BSA00000573804300097
等于或大于预定第二基准值的情况下，确定故障已经发生。可选择地，在故障电流的瞬时值i(t)等于或大于预定第一基准值，并且瞬时值i(t)的二阶微分值
Figure BSA00000573804300101
等于或大于预定第三基准值的情况下，确定故障已经发生。
瞬时值i(t)的二阶微分值
Figure BSA00000573804300102
包含了许多如图6和图7所示的不对称的分量，并且当正常电流和故障电流之间的振幅比不大时能够进行故障的快速确定。
同时，在电弧故障发生的情况下，使用光信号和前述的用于确定系统中的故障的条件可以确保故障确定的可靠性和快速性，该系统具有能够将光传感器的光信号转换成电信号并且确定故障发生的硬件。
在使用光信号的情况下，故障的发生如下确定：
(c)L(t)第四基准值ANDi(t)第一基准值
(d)
Figure BSA00000573804300103
(e)
也就是说，在(c)中，当光信号的瞬时值L(t)等于或大于预定第四基准值并且故障电流的瞬时值i(t)等于或大于预定第一基准值时，确定故障已经发生。在(d)中，当光信号的瞬时值L(t)等于或大于预定第四基准值，故障电流的瞬时值i(t)等于或大于预定第一基准值，并且瞬时值i(t)的一阶微分值
Figure BSA00000573804300105
等于或大于预定第二基准值时，确定故障已经发生。在(e)中，当光信号的瞬时值L(t)等于或大于预定第四基准值，故障电流的瞬时值i(t)等于或大于预定第一基准值，并且瞬时值i(t)的一阶微分值
Figure BSA00000573804300106
等于或大于预定第二基准值时，确定故障已经发生。可选择地，在(e)中，当光信号的瞬时值L(t)等于或大于预定第四基准值，故障电流的瞬时值i(t)等于或大于预定第一基准值，并且瞬时值i(t)的二阶微分值
Figure BSA00000573804300111
等于或大于预定第三基准值时，确定故障已经发生。
在本发明中，使用电流的瞬时值和瞬时值的一阶微分值和二阶微分值，可以在故障发生的初始时间快速且可靠地确定故障存在的范围。在备有光传感器和用于确定电弧故障的系统的情况下，使用光传感器的光信号以及电流的瞬时值和瞬时值的一阶微分值和二阶微分值，可以提高故障确定的快速性和可靠性。
图8为示出了根据本发明的实施例的用于快速确定电力系统中的故障的装置的构造的框图。这里，附图标记800表示电流互感器。电流互感器800连接至用于供应电力给负载或电力系统的线路从而将供应给负载或电力系统的电力的电流检测作为电压。因此，第一至第四基准值可以是电压值。在下面的描述中，第一至第四基准值分别被称为第一至第四基准电压。
附图标记810表示电流确定单元，电流确定单元810确定电流互感器800的输出信号、通过对电流互感器800的输出信号进行一阶微分得到的一阶微分值、通过对电流互感器800的输出信号进行二阶微分得到的二阶微分值是否分别等于或大于它们的预定基准值。电流确定单元810包括放大器812、第一比较器814、第一微分器816、第二比较器818、第二微分器820以及第三比较器822。
放大器812对电流互感器800的检测电压进行放大。
第一比较器814确定放大器812的输出电压是否等于或大于预定第一基准电压。
第一微分器816对放大器812的输出电压进行一阶微分。
第二比较器818确定第一微分器816的输出电压是否等于或大于预定第二基准电压。
第二微分器820产生通过对第一微分器816的输出电压进行再次微分而得到的二阶微分电压。
第三比较器822确定第二微分器820的输出电压是否等于或大于预定第三基准电压。
附图标记830表示光传感器，光传感器830可以检测光，例如通过在多个位置处布置多个点式光传感器，点式光传感器在该多个位置处可以检测继电器中的电弧故障等的发生。这里，光传感器检测在指定点处的光。
光传感器830可以是配置为光缆的环形光传感器，光缆的护套部分由透明材料制成。在电弧的强光通过散射效应入射到光缆上的情况下，入射光穿透入光缆的芯线中，从而在光缆的两端检测到光。
附图标记840表示光信号确定单元，光信号确定单元840包括电信号转换器842、放大器844以及第四比较器846。
电信号转换器842将由光传感器830检测到的光信号转换成电信号，即光检测电压。
放大器844对由电信号转换器842输出的光检测电压进行放大。
第四比较器846确定放大器844的输出电压是否等于或大于预定第四基准电压。
附图标记850表示故障确定单元，故障确定单元850基于电流确定单元810和光信号确定单元840的输出信号来确定故障是否发生。在确定故障已经发生的情况下，故障确定单元850产生跳闸信号从而切断供应给负载或电力系统的电力。
尽管图8中已经图示出给装置设置了一个电流互感器800和一个电流确定单元810，但是可以根据用于供应电力给负载或电力系统的线路的数量来给该装置设置多个电流互感器800和多个电流确定单元810。例如，在通过三相四线制系统中的四条线路将电力供应给负载或电力系统的情况下，可给装置设置四个电流互感器800和四个电流确定单元810。在通过三相三线制系统中的三条线路将电力供应给负载或电力系统的情况下，可以给装置设置三个电流互感器800和三个电流确定单元810。
在图8中，已经图示出了作为示例的给装置设置一个光传感器830和一个光信号确定单元840的情况。然而，在多个点式光传感器用作光传感器830的情况下，可以给装置设置多个点式光传感器和多个光信号确定单元840。
在如上所述配置的本发明的装置中，在电力供应给负载或电力系统的情况下，电流互感器800将供应给负载或电力系统的电力的电流检测作为电压。
由电流互感器800检测到的电流检测电压被输入至电流检测单元810的放大器812，并且放大器812对输入的电流检测电压进行放大。由放大器812放大的电流检测电压被输入至第一比较器814。
然后，第一比较器814将从放大器812输入的电流检测电压与预定第一基准电压进行比较，并且输出比较后的结果信号。也就是说，第一比较器814比较放大器812的输出电压是否等于或大于预定第一基准值，并且输出比较后的结果信号。
放大器812的输出电压被输入至第一微分器816，并且对于输入的电压进行一阶微分运算。第一微分器816的一阶微分电压被输入至第二比较器818。
然后，第二比较器818将从第一微分器816输入的一阶微分电压与预定第二基准电压进行比较，并且输出比较后的结果信号。也就是说，第二比较器818比较第一微分器816的一阶微分电压是否等于或大于预定第二基准值，并且输出比较后的结果信号。
第二微分器820产生二阶微分电压，二阶微分电压通过对第一微分器816的一阶微分信号再次进行微分而得到，并且产生的二阶微分电压被输入至第三比较器822。
然后，第三比较器822将从第二微分器820输入的二阶微分电压与预定第三基准电压进行比较，并且输出比较后的结果信号。也就是说，第三比较器822比较第二微分器820的二阶微分电压是否等于或大于预定第三基准电压，并且输出比较后的结果信号。
在发生电弧故障的情况下，光传感器检测光并且产生光信号。产生的光信号被输入至光信号确定单元840的电信号转换器842中，并且电信号转换器842将输入的光信号转换成电信号，即光检测电压。
由电信号转换器842转换的光检测电压被输入至放大器844，并且放大器844对输入的光检测信号进行放大。放大的光检测信号被输入至第四比较器846。
然后，第四比较器846将从放大器844输入的光检测电压与预定第四基准电压进行比较，并且输出比较后的结果信号。也就是说，第四比较器846比较由放大器844放大的光检测电压是否等于或大于第四基准电压，并且输出比较后的结果信号。
同时，故障确定单元850接收分别从电流确定单元810和光信号确定单元840输入的输出信号，并且确定在电力供应中是否发生了故障。
也就是说，在给装置仅设置电流互感器800和电流确定单元810的情况下，故障确定单元850通过应用下面的逻辑表达式确定故障的发生。
Figure BSA00000573804300141
也就是说，在故障电流的瞬时值i(t)等于或大于预定第一基准电压，瞬时值i(t)的一阶微分值
Figure BSA00000573804300142
等于或大于预定第二基准电压的情况下，故障确定单元850确定故障已经发生并且产生跳闸信号。可选择的，在故障电流的瞬时值i(t)等于或大于预定第一基准电压，瞬时值i(t)的二阶微分值
Figure BSA00000573804300143
等于或大于预定第三基准电压的情况下，故障确定单元850确定故障已经发生并且产生跳闸信号。
在给装置设置了所有的电流互感器800、电流确定单元810、光传感器830以及光信号确定单元840的情况下，故障确定单元850接收分别从电流确定单元810和光信号确定单元840输入的输出信号，并且通过应用下面的逻辑表达式确定故障是否发生。
L(t)第四基准电压ANDi(t)第一基准电压
Figure BSA00000573804300151
Figure BSA00000573804300152
也就是说，在光信号的瞬时值L(t)等于或大于预定第四基准电压并且故障电流的瞬时值i(t)等于或大于预定第一基准电压的情况下，故障确定单元850确定故障已经发生并且产生跳闸信号。在光信号的瞬时值L(t)等于或大于预定第四基准电压，故障电流的瞬时值i(t)等于或大于预定第一基准电压，并且瞬时值i(t)的一阶微分值
Figure BSA00000573804300153
等于或大于预定第二基准电压的情况下，故障确定单元850确定故障已经发生并且产生跳闸信号。在光信号的瞬时值L(t)等于或大于预定第四基准电压，故障电流的瞬时值i(t)等于或大于预定第一基准电压，并且瞬时值i(t)的一阶微分值
Figure BSA00000573804300154
等于或大于预定第二基准电压的情况下；或者，在光信号的瞬时值L(t)等于或大于预定第四基准电压，故障电流的瞬时值i(t)等于或大于预定第一基准电压，并且瞬时值i(t)的二阶微分值
Figure BSA00000573804300155
等于或大于预定第三基准电压的情况下，故障确定单元850确定故障已经发生并且产生跳闸信号。
根据本发明，使用电流信号的瞬时值、瞬时值的一阶微分值和二阶微分值作为信息来控制故障电流的瞬时值、一阶微分值和二阶微分值的故障基准电压的振幅，从而可以快速且可靠地确定发生故障的存在。
此外，在备有光传感器和用于确定电弧故障的系统的情况下，使用光信号和光信号的微分值可以提高故障确定的快速性和可靠性。
根据本发明，可以开发出一种用于以超高的速度确定故障发生的继电器。也就是说，可以开发出一种能够在0.125个周期或更少的周期中确定电力系统或电路中发生故障的继电器。
在本发明中，使用数字电路、软件方法或模拟电路可以获得电流瞬时值的一阶微分值和二阶微分值。特别地，当使用罗果夫斯基线圈测量电流时，测得的输出是与电流值的微分值成比例的电压，因而该电压会立即用作为一阶微分值。然而，这对应于使用硬件方法来实施本发明的算法的实施例，而该实施例不能被认为是一项新发明。
尽管本发明已经结合优选实施例进行了描述，但本发明的实施例仅用于阐述性目的而不应当被解释为限制本发明的范围。本领域的技术人员将会理解的是，在所附的权利要求限定的技术精神和范围内可以对实施例进行各种变化和改进。

Claims (15)

1.一种用于快速确定电力系统中的故障的装置，所述装置通过感测供应给所述电力系统的电流来保护所述电力系统，所述装置包括：
电流互感器，其被配置为检测供应给所述电力系统的电流并且输出电流检测电压；
电流确定单元，其被配置为分别将所述电流检测电压、所述电流检测电压的一阶微分电压以及所述电流检测电压的二阶微分电压与预定第一基准电压、预定第二基准电压和预定第三基准电压进行比较；以及
故障确定单元，其被配置为基于所述电流确定单元的比较结果来确定故障是否发生，并且当确定故障已经发生时产生跳闸信号。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述电流确定单元包括：
第一比较器，其被配置为将所述电流检测电压与所述预定第一基准电压进行比较；
第一微分器，其被配置为产生所述一阶微分电压，所述一阶微分电压通过对所述电流检测电压进行一阶微分运算而得到；
第二比较器，其被配置为将所述第一微分器的所述一阶微分电压与所述预定第二基准电压进行比较；
第二微分器，其被配置为产生所述二阶微分电压，所述二阶微分电压通过对所述第一微分器的所述一阶微分电压进行微分运算而得到；以及
第三比较器，其被配置为将所述第二微分器的所述二阶微分电压与所述预定第三基准电压进行比较。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，当所述电流检测电压等于或大于所述预定第一基准电压，并且所述一阶微分电压等于或大于所述预定第二基准电压时，所述故障确定单元确定故障已经发生并且产生跳闸信号。
4.根据权利要求1所述的装置，其中，当所述电流检测电压等于或大于所述预定第一基准电压，并且所述二阶微分电压等于或大于所述预定第三基准电压时，所述故障确定单元确定故障已经发生并且产生跳闸信号。
5.根据权利要求1所述的装置，进一步包括：
光传感器，其设置在发生电弧故障时产生光的部分处，所述光传感器检测所述光并且输出光信号；以及
光信号确定单元，其被配置为将从所述光信号转换的光检测电压与预定第四基准电压进行比较，并且将比较结果输出至所述故障确定单元，
其中，所述故障确定单元基于所述电流确定单元和所述光信号确定单元的比较结果来确定故障是否发生，并且当确定故障已经发生时产生跳闸信号。
6.根据权利要求5所述的装置，其中，所述光传感器是多个点式光传感器。
7.根据权利要求5所述的装置，其中，所述光传感器是环形光传感器，其配置为光缆，所述光缆的护套部分由透明材料形成。
8.根据权利要求5所述的装置，其中，所述光信号确定单元包括：
电信号转换器，其被配置为将所述光传感器的所述光信号转换成作为电信号的光检测电压；以及
第四比较器，其被配置为将所述电信号转换器的输出电压与所述预定第四基准电压进行比较。
9.根据权利要求5所述的装置，其中，当所述光传感器的所述光检测电压等于或大于所述预定第四基准电压，并且所述电流检测电压等于或大于所述预定第一基准电压时，所述故障确定单元确定故障已经发生并且产生跳闸信号。
10.根据权利要求5所述的装置，其中，当所述光传感器的所述光检测电压等于或大于所述预定第四基准电压，所述电流检测电压等于或大于所述预定第一基准电压，并且所述电流检测电压的所述一阶微分电压等于或大于所述预定第二基准电压时，所述故障确定单元确定故障已经发生并且产生跳闸信号。
11.根据权利要求5所述的装置，其中，当所述光传感器的所述光检测电压等于或大于所述预定第四基准电压，所述电流检测电压等于或大于所述预定第一基准电压，并且所述电流检测电压的所述二阶微分电压等于或大于所述预定第三基准电压时，所述故障确定单元确定故障已经发生并且产生跳闸信号。
12.一种用于快速确定电力系统中的故障的方法，所述方法通过感测供应给所述电力系统的电流来保护所述电力系统，所述方法包括如下的步骤：
(a)接收基于供应给所述电力系统的电流而输入的电流检测电压；
(b)接收设置在发生电弧故障时产生光的部分处的光传感器的光信号，并且从所述光信号产生光检测电压；
(c)通过对所述电流检测电压进行微分运算产生一阶微分电压，并且通过对所述一阶微分电压进行微分运算产生二阶微分电压；
(d)分别将所述电流检测电压、所述一阶微分电压、所述二阶微分电压和所述光检测电压与预定第一基准电压、预定第二基准电压、预定第三基准电压和预定第四基准电压进行比较；以及
(e)基于步骤(d)的比较结果来确定故障是否发生，并且当确定故障已经发生时产生跳闸信号。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，当所述电流检测电压等于或大于所述预定第一基准电压，并且所述一阶微分电压等于或大于所述预定第二基准电压时；或者当所述电流检测电压等于或大于所述预定第一基准电压，并且所述二阶微分电压等于或大于所述预定第三基准电压时，所述步骤(e)确定故障已经发生并且产生跳闸信号。
14.根据权利要求12所述的方法，其中，当所述光检测电压等于或大于所述预定第四基准电压，所述电流检测电压等于或大于所述预定第一基准电压，并且所述一阶微分电压等于或大于所述预定第二基准电压时，所述步骤(e)确定故障已经发生并且产生跳闸信号。
15.根据权利要求12所述的方法，其中，当所述光检测电压等于或大于所述预定第四基准电压，所述电流检测电压等于或大于所述预定第一基准电压，并且所述二阶微分电压等于或大于所述预定第三基准电压时，所述步骤(e)确定故障已经发生并且产生跳闸信号。
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