CN107478889B - 一种电磁式短路电流快速识别装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种电磁式短路电流快速识别装置及方法，利用短路电流上升过程时其周围的磁场迅速增强，当该磁场穿过封闭金属环时，金属环中会感应出涡流并在磁场作用下绕转轴发生转动，一旦金属环转动，会与相互接触的导电体分离，通过该触点信号变化可对短路电流进行识别和判断。本发明结构简单，同时可保证短路识别的快速性与准确性，特别适用于为开关及限流设备操作机构发出动作指令，提高电器设备运行的可靠性。

Description

一种电磁式短路电流快速识别装置及方法

技术领域

本发明属于限制和开断高压、中压或低压开关设备中的故障电流技术领域，特别涉及一种电磁式短路电流快速识别装置和方法。

背景技术

随着电力系统容量的逐年增加，电网短路容量和短路电流水平也在不断增长，目前这已成为制约电网运行和发展的一个重要问题。短路电流产生的电动力效应和热效应会对系统内的用电设备及线路造成剧烈的冲击，如果不能在允许的时间内切断短路电流，将会对系统内的电气设备产生永久性损坏，甚至导致整个供电系统的崩溃。尤其对于直流系统，其短路电流上升速度非常快，如何快速准确地识别短路故障，是开关电器可靠动作的前提和关键。

以往的短路电流识别装置多采用电子式短路识别原理，其装置须实现供电、数据采集、A/D转换、数据处理、信号调制输出等主要功能，要在1ms内快速识别短路电流对信号采集与处理速度提出了很高要求。另外，由于整个过程通过弱电信号进行数据传输，而短路检测装置多布置于高电压、大电流的工作环境中，实际中出现过因元器件失效和电磁干扰引起的误动和拒动情况。

发明内容

本发明的目的在于，克服传统电子式短路识别装置的缺陷和不足，提出一种电磁式短路电流快速识别装置与方法，在保证故障识别快速性的前提下，可提高短路识别的准确性及抗干扰能力。

为实现上述目的，本发明提出了一种电磁式短路电流快速识别装置，该装置包括导电排、磁轭、金属环、转轴、导电体和扭簧；其中，所述导电排两端通过接线端子串接于待识别的供电线路中；所述磁轭以固定间隙包围在该导电排的周围且具有断口；所述金属环及转轴均容纳于所述断口处，所述金属环可绕着转轴进行转动；所述转轴上还套装有连接金属环两端并对该金属环进行限位的扭簧；所述扭簧具有一定的弹力，使得在待识别的供电线路正常工作状态下，该金属环与导电保持良好接触；在故障发生时，该弹力小于金属环所受的电磁力，保证金属环在磁场变化下进行转动与导电体脱离接触。

较佳的，上述磁轭与导电排之间的固定间隙不大于5mm。

较佳的，所述间隙内填充有绝缘材料以形成电气隔离。

较佳的，所述磁轭的断口处为圆柱形，所述磁轭沿导电排的方向上的尺寸为圆柱形断口直径的两倍以上。

较佳的，所述金属环所围形状与磁轭圆柱形断口沿轴向的切面形状相当，所述金属环的边框与磁轭之间留有大于0.5mm的空气间隙。

较佳的，所述磁轭采用带有绝缘漆的硅钢片材料压接成型，所述金属环的材料选用铝或铜。

较佳的，所述转轴穿过金属环的相对两边框的通孔，所述金属环可绕转轴接近无阻尼转动，所述金属环所围平面与水平方向初始夹角约取为60°。

较佳的，所述装置还包括控制触发模块，所述导电体、金属环、转轴形成导通电路，所述控制触发模块为上述导通电路提供电流信号，并对导电体与转轴之间的电压进行检测，由此判断待识别的供电线路是否发生短路故障。

较佳的，当检测到发生短路故障时，所述控制触发模块输出触发信号，控制开关电器和限流设备的操作机构进行动作。

本发明采用的短路电流识别方法为：正常工作情况下，额定电流流过导电排，磁轭断口处的磁场强度较小，金属环在扭簧作用下与导电体保持良好接触；发生短路故障时，流过导电排的短路电流快速增加，磁轭断口中的磁场强度也不断增加，金属环在电磁力的作用下发生转动并与导电体分离，通过检测两者的接触情况可对短路电流进行快速识别。

通过上述的技术方案，可见本发明存在如下优点：

1)该识别方法利用了短路电流的磁效应，即当导电排中的电流急剧增加，周围产生的磁场也快速上升，通过在导电排周围设置磁轭可减小周围的磁阻，增强磁轭断口中的磁场强度，同时磁轭采用多层硅钢片压接成型，可防止其内部产生涡流；

2)在磁轭圆柱形断口处安装转轴和金属环，随着断口处的磁场强度快速上升，金属环中会感应出涡流，该带电金属环在磁场的作用下因受到电磁力而发生转动，进而与导电体间形成明显的机械断口，准确对故障进行反应识别；

3)利用短路发生后金属环与导电体之间发生脱离的现象，采用控制触发模块对该触点信号变化进行检测，并快速输出反映短路故障的电平变化信号，可以迅速对开关或限流设备的操作机构进行控制，避免故障带来较大损失；

4)本发明检测部分与流通短路电流的导电排无任何电气连接，可提高该识别方法的抗干扰能力。

附图说明

附图1为本发明实施例1中的电磁式短路电流快速识别装置的整体结构示意图；

附图2为本发明实施例1中装置内部的金属环与导电体的接触示意图；

附图3(a)、图3(b)为本发明实施例2中的电磁式短路电流快速识别装置的工作原理示意图；附图3(a)为正常工作状态下，附图3(b)为短路故障情况下；

附图4为利用本发明实施例2所进行实验测得的短路电流及检测信号波形图；

其中，1为导电排，2为磁轭，3为金属环，4为转轴，5为导电体，6为扭簧。

具体实施方式

以下结合附图，通过具体实施例对本发明做进一步说明。

附图1为本发明实施例1中的电磁式短路电流快速识别装置的整体结构示意图，如图1所示，该电磁式短路电流识别装置主要包括导电排1、磁轭2、金属环3、转轴4、导电体5和扭簧6，其中，导电排1两端通过接线端子串接于待识别的供电线路中，磁轭2以固定间隙包围在该导电排1的周围，且该磁轭2具有一断口，金属环3及转轴4均容纳于该断口处，所述转轴4穿过所述金属环3相对两边框所设的通孔，使得该金属环3可绕着转轴4进行转动，所述转轴4上还套装有连接金属环3两端并对该金属环3进行限位的扭簧6，该扭簧6具有一定的弹力，使得在待识别供电线路正常工作状态下该金属环3与导电体5保持良好接触，且在故障发生时，该弹力小于金属环3所受的电磁力，以保证金属环3在磁场变化下进行转动与导电体5脱离接触。

在一些更为具体的实施例中，对上述装置的各部件及参数进行了更为优化的设计；例如，上述磁轭2与导电排1之间的固定间隙不大于5mm，且在间隙内填充有绝缘材料以形成电气隔离，从而避免该装置对待识别供电线路产生影响。

此外，在一些实施例中，为了适于金属环3的转动，设计所述磁轭2的断口处为圆柱形；再进一步，为增强磁轭2断口处的磁通，可取磁轭2沿导电排1的方向上的尺寸为圆柱形断口直径的两倍以上，同时为避免形成涡流，设计所述磁轭2采用带有绝缘漆的硅钢片材料压接成型。

进一步的，在一些实施例中，为最大程度地提高金属环3中产生的涡流同时不增加其质量，取金属环3所围形状与磁轭2圆柱形断口沿轴向切面形状相当，同时，金属环3边框与磁轭2之间留有大于0.5mm的空气间隙，以防止转动过程中与磁轭相接触；在对金属环3的材料进行选定时，考虑到质量、机械强度、电导率等，可选用铝或铜，优先考虑硬铝，这样可以避免在扭簧6与电磁力作用下发生形变影响寿命。

再进一步的，在一些实施例中，为了提高短路故障识别的灵敏度，转轴4穿过金属环3边框的通孔中，金属环3可绕转轴接近无阻尼转动，同时取金属环3所围平面与水平方向初始夹角约取为60°，这样发生短路时所受到的电动力及转矩最大，可以在磁场变化的瞬间快速产生转动，提高装置的灵敏度；同时，还需要考虑短路故障识别的可靠性，扭簧反力不应太小，应使得额定电流情况下金属环与导电体接触良好，并在一定振动和冲击工况下不会发生脱离。

下面结合附图2对上述电磁式短路电流快速识别装置的工作原理以及短路电流识别的方法进行详细描述：

在待识别供电线路正常通电情况下，额定电流流过导电排1，由于电流较小，则磁轭2断口处的磁场较小，金属环3在扭簧6的弹力限位作用下与导电体5保持良好接触；当待识别的供电线路发生短路故障后，流经导电排1的电流急剧上升，磁轭2的断口中的磁感应强度B快速增加，金属环3中感应出涡流i并受到电磁力的作用，一旦该电磁力超过扭簧所能施加的弹力，则金属环3发生转动从而与导电体5分离；本发明正是通过检测该金属环3与导电体5的接触状态从而对短路电流进行识别。

为了对所述装置进行更加整体化的设计及完善，本发明中提出了更为系统化的实施例2。附图3(a)、图3(b)及附图4是对本发明中实施例2的详细说明以及实验论证，该实施例2是对实施例1的进一步完善化，对如何检测金属环3和导电体5之间的接触状态进行了具体设计，并对检测到短路电流故障后的装置功能进行了完善。

该实施例2具体通过附图3(a)以及附图3(b)进行说明，在该实施例中，增加设计了控制触发模块，所述导电体5、金属环3、转轴4形成导通电路，该控制触发模块为上述导通电路提供电流信号，并对导电体5与转轴4之间的电压进行检测，从而，待识别供电线路是否发生短路故障可通过电压变化来反映；一旦发生故障，电压信号发生跳变，所述控制触发模块根据电压信号的跳变而输出触发信号，控制开关电器和限流设备的操作机构进行动作。

上述实施例2中进行的具体短路电流识别过程如下：如图3(a)所示，待识别供电线路正常通电情况下，额定电流流过导电排1，由于电流较小，则磁轭2断口处的磁场较小，金属环3在扭簧6的反力作用下与导电体5保持良好接触；接着，如图3(b)所示，发生短路故障后，流经导电排1的电流急剧上升，磁轭2断口中的磁场强度快速增加，金属环3中感应出涡流并受到电磁力的作用，一旦该电磁力超过扭簧施加的反力，则金属环3与导电体5分离；继而，通过控制触发模块可检测金属环3与导电体5的接触情况变化，故障发生时，控制触发模块输出触发信号，控制开关电器和限流设备的操作机构动作；最后，待故障切除后，金属环3在扭簧6反力作用下重新恢复至初始位置，并与导电体5保持良好接触。

为了更有力的体现本发明的优势，发明人对上述装置进行试验测试，结果如图4所示，可见，在发生短路故障时，短路电流急剧上升，导电体5与金属环3脱离接触，检测信号由一定电压跳变为0V；在该实验中短路电流的上升变化接近10A/μs时，此时识别时间为350μs。当短路电流上升更快时，所需识别时间更短，足以证明本发明在对短路故障进行识别时的快速准确。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式不受上述实施例的限制，其他的任何违背本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电磁式短路电流快速识别装置，其特征在于：

该装置包括导电排(1)、磁轭(2)、金属环(3)、转轴(4)、导电体(5)和扭簧(6)；其中，

所述导电排(1)两端通过接线端子串接于待识别的供电线路中；

所述磁轭(2)以固定间隙包围在该导电排(1)的周围且具有断口；

所述金属环(3)及转轴(4)均容纳于所述断口处，所述金属环(3)可绕着转轴(4)进行转动；

所述转轴(4)上还套装有连接金属环(3)两端并对该金属环(3)进行限位的扭簧(6)；

所述扭簧(6)具有一定的弹力，使得在待识别的供电线路正常工作状态下，该金属环(3)与导电体(5)保持良好接触；在故障发生时，流经导电排的电流急剧上升，磁轭的断口中的磁感应强度快速增加，金属环中感应出涡流并受到电磁力的作用，该弹力小于金属环(3)所受的电磁力，保证金属环(3)在磁场变化下进行转动与导电体(5)脱离接触，通过检测二者的接触情况对短路电流进行快速识别; 待故障切除后，金属环(3)在扭簧(6)反力作用下重新恢复至初始位置，并与导电体(5)保持良好接触。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：上述磁轭(2)与导电排(1)之间的固定间隙不大于5mm。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述间隙内填充有绝缘材料以形成电气隔离。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述磁轭(2)的断口处为圆柱形，所述磁轭(2)沿导电排(1)的方向上的尺寸为圆柱形断口直径的两倍以上。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：所述金属环(3)所围形状与磁轭(2)圆柱形断口沿轴向的切面形状相当，所述金属环(3)的边框与磁轭(2)之间留有大于0.5mm的空气间隙。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述磁轭(2)采用带有绝缘漆的硅钢片材料压接成型，所述金属环(3)的材料选用铝或铜。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述转轴(4)穿过金属环(3)相对两边框的通孔，所述金属环(3)可绕转轴(4)接近无阻尼转动；所述金属环(3)所围平面与水平方向初始夹角取为60°。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：还包括控制触发模块，所述导电体(5)、金属环(3)、转轴(4)形成导通电路，所述控制触发模块为上述导通电路提供电流信号，并对导电体(5)与转轴(4)之间的电压进行检测，由此判断待识别的供电线路是否发生短路故障。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于：检测到发生短路故障时，所述控制触发模块输出触发信号，控制开关电器和限流设备的操作机构进行动作。

10.利用权利要求1-9中任一项所述的电磁式短路电流快速识别装置进行短路电流识别的方法，其特征在于：正常工作情况下，额定电流流过导电排(1)，磁轭(2)断口处的磁场强度较小，金属环(3)在扭簧(6)作用下与导电体(5)保持良好接触；发生短路故障时，流过导电排(1)的短路电流快速增加，磁轭(2)断口中的磁场强度也不断增加，金属环(3)在电磁力的作用下发生转动并与导电体(5)分离，通过检测两者的接触情况可对短路电流进行快速识别。

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