CN108539710A - 一种过流保护系统 - Google Patents

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刘志学
王庆红
李广凯
陈柔伊
张志彬
段力勇
郑金
孔菁
曾森
黄秋爽
龚余婧
韦嵘晖
张自锋
王乐
丁应平
王杰锋
王湃
徐小龙
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Abstract

本发明公开了一种过流保护系统，本申请在进行短路故障诊断时依据的是电气主设备电流的瞬时值，由于采集电阻上的电压与流过其上的电流是成正比的，通过在采集电阻上的电压来间接地判断电气主设备的电流是否过流，而由于电压采集装置的采集传输延时、处理模块的处理延时通常都很短，总的延时与周波的延时相比基本可以忽略不计，从而实现了对短路故障的快速诊断，进而使得在电气主设备发生短路故障时能够进行快速切除，提高了电气主设备的安全性和可靠性。

Description

一种过流保护系统
技术领域
本发明涉及电气保护技术领域，特别是涉及一种过流保护系统。
背景技术
随着对线路、变压器等电气主设备的用电安全性及可靠性的要求的提高，对电气主设备进行过流保护的研究也越来越多。目前电气主设备的过流保护主要通过微机或者电磁继电器来实现。
具体地，通过微机来进行过流保护时主要是通过判断过流电流(通常为短路故障的故障电流)的有效值来判断电气主设备是否发生故障。通过电磁继电器来进行故障判断时，由于电磁继电器需要触发能量也即过流电流积累到一定程度时才能被触发，因此，通过电磁继电器是否被触发的本质也是通过过流电流的有效值来判断电气主设备是否发生故障。上述两种方案均是通过过流电流的有效值来进行故障判断的，因此，这两种方案从短路故障发生到发出跳闸命令一般至少需要一个周波以上的延时，这将造成电气主设备的短路故障不能得到快速判断，进而使得电气主设备的短路故障不能进行快速切除，降低了电气主设备的安全性和可靠性。
因此，如何提供一种解决上述技术问题的方案是本领域技术人员目前需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种过流保护系统，实现了对短路故障的快速诊断，进而使得在电气主设备发生短路故障时能够进行快速切除，提高了电气主设备的安全性和可靠性。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种过流保护系统，包括：
一次侧与电气主设备连接、用于采集电气主设备的电流的电流互感器；
并联在所述电流互感器的二次侧两端、用于在流过所述电流时两端生成电压的采集电阻；
输入端与所述采集电阻的两端连接的电压采集装置；
输入端与所述电压采集装置的输出端连接的处理模块，用于在所述电压采集装置采集的电压的绝对值大于预设值时控制保护模块动作，以切除短路故障；
输入端与所述处理模块的输出端连接、输出端与所述电气主设备连接的所述保护模块。
优选地，所述电压采集装置为运算放大器。
优选地，所述处理模块包括：
输入端作为所述处理模块的输入端的模数转换器，用于将所述电压采集装置采集的电压的绝对值由模拟量电压转换为数字量电压；
输入端与所述模数转换器的输出端连接、输出端作为所述处理模块的输出端的处理器，用于在所述数字量电压大于预设值时控制所述保护模块动作。
优选地，所述处理模块包括：
输入端作为所述处理模块的输入端的电压电平转换模块，用于在所述电压采集装置采集的电压的绝对值大于预设值时生成控制电平；
输入端与所述电压电平转换模块的输出端连接、输出端与所述保护模块连接的基本RS触发器，用于在接收到所述控制电平时控制所述保护模块动作。
优选地，所述电压电平转换模块包括第一光耦、第二光耦、第一电阻及第二电阻，其中：
所述第一光耦的发光二极管的阴极与所述第二光耦的发光二极管的阳极连接，其公共端作为所述电压电平转换模块的输入端，所述第一光耦的发光二极管的阳极与所述第二光耦的发光二极管的阴极连接，其公共端通过第一电阻接地，所述第一光耦的光敏三极管的集电极与所述第二光耦的光敏三极管的集电极连接，其公共端与直流电源连接，所述第一光耦的光敏三极管的发射极分别与所述第二光耦的光敏三极管的发射极、所述第二电阻的第一端连接，其公共端作为所述电压电平转换模块的输出端，所述第二电阻的第二端接地。
优选地，所述基本RS触发器为由两个或非门构成的基本RS触发器，所述基本RS触发器的S端与所述电压电平转换模块的输出端连接，所述基本RS触发器的R端与第三电阻的第一端连接，所述基本RS触发器的Q端与所述保护模块连接，所述第三电阻的第二端接地。
优选地，还包括可控开关，所述可控开关的第一端与所述直流电源连接，所述可控开关的第二端与所述基本RS触发器的R端连接。
优选地，所述可控开关为按钮。
优选地，所述保护模块包括断路器本体及断路器控制电路，所述断流器本体与所述电气主设备连接，所述断路器控制电路的输入端与所述处理模块的输出端连接，所述断路器控制电路的输出端与所述断路器本体的控制端连接。
优选地，还包括与所述处理器模块连接的报警模块，用于在所述电压采集装置采集的电压的绝对值大于预设值时发出警报。
本申请提供了一种过流保护系统，本申请在进行短路故障诊断时依据的是电气主设备电流的瞬时值，由于采集电阻上的电压与流过其上的电流是成正比的，通过在采集电阻上的电压来间接地判断电气主设备的电流是否过流，而由于电压采集装置的采集传输延时、处理模块的处理延时通常都很短，总的延时与周波的延时相比基本可以忽略不计，从而实现了对短路故障的快速诊断，进而使得在电气主设备发生短路故障时能够进行快速切除，提高了电气主设备的安全性和可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的一种过流保护系统的结构示意图；
图2为本发明提供的另一种过流保护系统的结构示意图；
图3为本发明提供的另一种过流保护系统的结构示意图。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种过流保护系统，实现了对短路故障的快速诊断，进而使得在电气主设备发生短路故障时能够进行快速切除，提高了电气主设备的安全性和可靠性。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参照图1，图1为本发明提供的一种过流保护系统的结构示意图，该系统包括：
一次侧与电气主设备连接、用于采集电气主设备的电流的电流互感器CT；
并联在电流互感器CT的二次侧两端、用于在流过电流时两端生成电压的采集电阻R0；
输入端与采集电阻R0的两端连接的电压采集装置1；
输入端与电压采集装置1的输出端连接的处理模块2，用于在电压采集装置1采集的电压的绝对值大于预设值时控制保护模块3动作，以切除短路故障；
输入端与处理模块2的输出端连接、输出端与电气主设备连接的保护模块3。
首先需要说明的是，本申请中涉及的电气主设备可以为变压器、电容器、电抗器、母线等，具体根据实际情况来定。另外，电气主设备上没有短路故障时，其流过的电流不大，一般仅为负荷电流。当电气主设备上有短路故障时，其流过的电流会变得非常大，为极大地短路电流。
电流互感器CT的一次侧设置在与电气主设备的线路(可以为输入线或者输出线等)上，图中I表示流过电气主设备的一次电流，电流互感器CT的二次侧的两端与采集电阻R0(通常阻值较小)连接，图中I,表示流过采集电阻R0的电流，电流互感器CT的二次侧的电流I,与一次侧电流I呈线性关系，电流互感器CT的二次侧电流流经采集电阻R0，在采集电阻R0两端产生电压，采集电阻R0两端的电压与电流互感器CT的二次侧电流成正比。当电气主设备上没有短路故障时，采集电阻R0两端的电压会比较小，不会达到预设值(根据实际情况来定)；当电气主设备上有短路故障时，采集电阻R0两端的电压会增大，会达到预设值。电压采集装置1会采集采集电阻R0两端的电压，处理模块2会判断电压采集装置1采集到的电压是否大于预设值，如果大于预设值，则说明此时电气主设备发生了短路故障，则输出控制信号至保护模块3，使保护模块3动作，以使电气主设备切除短路故障。如果判断得到电压采集装置1采集到的电压小于预设值，则说明此时电气主设备没有发生电路故障，则不会输出控制信号至保护模块3。
本申请在进行短路故障诊断时依据的是电气主设备电流的瞬时值，由于采集电阻R0上的电压与流过其上的电流是成正比的，通过在采集电阻R0上的电压来间接地判断电气主设备的电流是否过流，而由于电压采集装置1的采集传输延时、处理模块2的处理延时通常都很短，总的延时与周波的延时相比基本可以忽略不计，从而实现了对短路故障的快速诊断，进而使得在电气主设备发生短路故障时能够进行快速切除，提高了电气主设备的安全性和可靠性。
请参照图2和图3，其中，图2和图3均为本发明提高的另一种过流保护系统的结构示意图，在上述实施例的基础上：
作为一种优选地实施例，电压采集装置1为运算放大器AP。
具体地，由于电流互感器CT的二次侧的电流比较小，且采集电阻R0通常也比较小，因此，本申请采用运算放大器AP作为电压采集装置1，运算放大器AP能够对采集电阻R0两端的电压进行比例放大，从而便于后续处理模块2的判断，提高了判断的准确性，另外，运算放大器AP还具有成本低、体积小的优点。
由于电气主设备上的电流可以为交流电，因此，运算放大器AP的输出电压可能为正，也可能为负，具体根据实际情况来定。
作为一种优选地实施例，处理模块2包括：
输入端作为处理模块2的输入端的模数转换器21，用于将电压采集装置1采集的电压的绝对值由模拟量电压转换为数字量电压；
输入端与模数转换器21的输出端连接、输出端作为处理模块2的输出端的处理器22，用于在数字量电压大于预设值时控制保护模块3动作。
具体地，本实施例提供了一种处理模块2的具体实现方式，模数转换器21会将电压采集装置1采集到的电压进行模数转换，将模拟量电压转换为数字量电压，处理器22对数字量电压进行判断，在数字量电压大于预设值时输出控制信号至保护模块3，使保护模块3动作。
这里的模数转换器21为ADC(Analog-to-Digital Converter)，处理器22可以但不仅限为单片机。本实施例采用模数转换器21和处理器22的组合来实现处理模块2的功能，具有电路结构简单的优点。
作为一种优选地实施例，处理模块包括：
第一输入端与电压采集装置的输出端连接，第二输入端与输出预设值的电压模块连接的比较器。
比较器通过比较电压采集装置采集到的电压及预设值，从而改变输出相应的电平信号。
作为一种优选地实施例，处理模块2包括：
输入端作为处理模块2的输入端的电压电平转换模块，用于在电压采集装置1采集的电压的绝对值大于预设值时生成控制电平；
输入端与电压电平转换模块的输出端连接、输出端与保护模块3连接的基本RS触发器，用于在接收到控制电平时控制保护模块3动作。
具体地，本实施例采用电压电平转换模块和基本RS触发器的组合来实现处理模块2的功能，电压电平转换模块会根据电压采集装置1采集的电压的绝对值的大小来决定是否生成控制电平，具体地，当电压采集装置1采集的电压的绝对值(考虑到电气主设备上的电流可能为交流电)大于预设值时会生成控制电平，当电压采集装置1采集的电压的绝对值不大于预设值时不会生成控制电平。另外，为了防止信号抖动，减少保护模块3的误触发，控制电平并不会直接传送至保护模块3，而会传送至基本RS触发器，基本RS触发器在接收到控制电平后才会控制保护模块3动作。
本实施例可以在对电气主设备进行保护的基础上，能够有效减少保护模块3的误触发，提高了电气主设备保护的可靠性。
作为一种优选地实施例，电压电平转换模块包括第一光耦IC1、第二光耦IC2、第一电阻R1及第二电阻R2，其中：
第一光耦IC1的发光二极管的阴极与第二光耦IC2的发光二极管的阳极连接，其公共端作为电压电平转换模块的输入端，第一光耦IC1的发光二极管的阳极与第二光耦IC2的发光二极管的阴极连接，其公共端通过第一电阻R1接地，第一光耦IC1的光敏三极管的集电极与第二光耦IC2的光敏三极管的集电极连接，其公共端与直流电源连接，第一光耦IC1的光敏三极管的发射极分别与第二光耦IC2的光敏三极管的发射极、第二电阻R2的第一端连接，其公共端作为电压电平转换模块的输出端，第二电阻R2的第二端接地。
作为一种优选地实施例，基本RS触发器为由两个或非门构成的基本RS触发器，基本RS触发器的S端与电压电平转换模块的输出端连接，基本RS触发器的R端与第三电阻R3的第一端连接，基本RS触发器的Q端与保护模块3连接，第三电阻R3的第二端接地。
首先需要说明的是，本实施例选用两个反极性(头尾相接)的并联光耦的原因是考虑到流经电气主设备上的电流可能为交流电，在电压采集装置1为运算放大器(也可以为其他类型的电压采集装置1)时，其输出的电压可能为正，可能为负。
另外，基本RS触发器满足：
R＝1，S＝0时，Q＝0
R＝0，S＝1时，Q＝1
R＝0，S＝0时，Q的状态保持不变
具体地，这里假定采集电阻R0上的瞬时电流绝对值在主设备无短路故障时和有短路故障时的分界值为iset；第一光耦IC1及第二光耦IC2的发光二极管的开启电压Uth已确定。则采集电阻R0和运算放大器AP的增益A只要满足下面的关系，便可实现快速过流保护。
A*iset*R0＝Uth
上述关系式可变形为A*R0＝Uth/iset
电气主设备正常运行时，采集电阻R0流过的瞬时电流绝对值|I,(t)|始终小于iset，则
A*iset*R0＜Uth
也即此时第一光耦IC1及第二光耦IC2内的发光二极管均不发光，光敏三极管均截止。则基本RS触发器的S端接收到0(低电平)，而基本RS触发器的R端接收到的也是0，则根据基本RS触发器的基本原理可知，此时基本RS触发器不会动作，也就是说其输出端Q输出为0(低电平)。
当主设备发生故障时，采集电阻R0支路的电流瞬时值会快速增大，|I,(t)|在极短的时间内会超过瞬时电流绝对值的分界值iset，第一光耦IC1(运算放大器AP的输出电压uout为负时)或者第二光耦IC2(运算放大器AP的输出电压uout为正时)内的发光二极管两端的电压迅速超过开启电压Uth，第一光耦IC1或第二光耦IC2内的发光二极管亮，相应光敏三极管导通，第二电阻R2上端的电压变高电平，也就是说基本RS触发器的S端变高电平。根据基本RS触发器的原理可知，其输出端Q会输出高电平信号(也即控制信号)并保持。
本实施例提供的过流保护系统的时间主要由三部分组成，运算放大器AP的传输延时、光耦的传输延时、基本RS触发器的动作时间，但各部分的时间都很小，可达毫秒或者纳秒级，总的时间与周波的延时相比基本可以忽略不计，从而实现了对短路故障的快速诊断，进而使得在电气主设备发生短路故障时能够进行快速切除，提高了电气主设备的安全性和可靠性。需要说明的是，这里的基本RS触发器还可以为由两个与非门构成的基本RS触发器，本申请在此不作特别的限定，根据实际情况来定。
作为一种优选地实施例，还包括可控开关，可控开关的第一端与直流电源连接，可控开关的第二端与基本RS触发器的R端连接。
具体地，短路故障处理完毕后、电气主设备投运前，需要对基本RS触发器进行复位，恢复基本RS触发器的初始状态。具体地，由于短路故障处理完毕后，基本RS触发器(以基本RS触发器为由两个或非门构成的基本RS触发器为例)的S端为0，则此时需要将R端接低电平，本申请中在R端与直流电源之间设置了可控开关，通常情况下，可控开关是断开的，当需要对基本RS触发器复位时，只需闭合一下可控开关即可。
作为一种优选地实施例，可控开关为按钮FA。
则在短路故障处理完毕后、电气主设备投运前，手动按按钮FA一下，即可恢复基本RS触发器的初始状态。
当然，这里的可控开关还可以为其他类型的可控开关，本申请在此不作特别的限定。
作为一种优选地实施例，保护模块3包括断路器本体及断路器控制电路，断流器本体与电气主设备连接，断路器控制电路的输入端与处理模块2的输出端连接，断路器控制电路的输出端与断路器本体的控制端连接。
具体地，本实施例中的保护模块3可以包括断路器本体及断路器控制电路，这里的断路器本体可以为一个，也可以为多个，根据实际情况来定，在处理模块2控制保护模块3动作时，断路器控制电路在接收控制信号后会控制相应的断路器本体断开，以使电气主设备迅速跳闸，使得短路故障可以快速切除。
作为一种优选地实施例，还包括与处理器22模块连接的报警模块4，用于在电压采集装置1采集的电压的绝对值大于预设值时发出警报。
具体地，本申请设置了与处理模块2连接的报警模块4，在电压采集装置1采集的电压的绝对值大于预设值时，处理模块2会控制报警模块4发出警报，以使后台电网运行人员及时获知故障的发生，便于后续的故障切除及电气主设备的恢复处理。
另外，这里的报警模块4可以为声音报警装置和/或显示报警装置，本申请在此不作特别的限定。
需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种过流保护系统，其特征在于，包括：
一次侧与电气主设备连接、用于采集电气主设备的电流的电流互感器；
并联在所述电流互感器的二次侧两端、用于在流过所述电流时两端生成电压的采集电阻；
输入端与所述采集电阻的两端连接的电压采集装置；
输入端与所述电压采集装置的输出端连接的处理模块，用于在所述电压采集装置采集的电压的绝对值大于预设值时控制保护模块动作，以切除短路故障；
输入端与所述处理模块的输出端连接、输出端与所述电气主设备连接的所述保护模块。
2.如权利要求1所述的过流保护系统，其特征在于，所述电压采集装置为运算放大器。
3.如权利要求1所述的过流保护系统，其特征在于，所述处理模块包括：
输入端作为所述处理模块的输入端的模数转换器，用于将所述电压采集装置采集的电压的绝对值由模拟量电压转换为数字量电压；
输入端与所述模数转换器的输出端连接、输出端作为所述处理模块的输出端的处理器，用于在所述数字量电压大于预设值时控制所述保护模块动作。
4.如权利要求1所述的过流保护系统，其特征在于，所述处理模块包括：
输入端作为所述处理模块的输入端的电压电平转换模块，用于在所述电压采集装置采集的电压的绝对值大于预设值时生成控制电平；
输入端与所述电压电平转换模块的输出端连接、输出端与所述保护模块连接的基本RS触发器，用于在接收到所述控制电平时控制所述保护模块动作。
5.如权利要求4所述的过流保护系统，其特征在于，所述电压电平转换模块包括第一光耦、第二光耦、第一电阻及第二电阻，其中：
所述第一光耦的发光二极管的阴极与所述第二光耦的发光二极管的阳极连接，其公共端作为所述电压电平转换模块的输入端，所述第一光耦的发光二极管的阳极与所述第二光耦的发光二极管的阴极连接，其公共端通过第一电阻接地，所述第一光耦的光敏三极管的集电极与所述第二光耦的光敏三极管的集电极连接，其公共端与直流电源连接，所述第一光耦的光敏三极管的发射极分别与所述第二光耦的光敏三极管的发射极、所述第二电阻的第一端连接，其公共端作为所述电压电平转换模块的输出端，所述第二电阻的第二端接地。
6.如权利要求5所述的过流保护系统，其特征在于，所述基本RS触发器为由两个或非门构成的基本RS触发器，所述基本RS触发器的S端与所述电压电平转换模块的输出端连接，所述基本RS触发器的R端与第三电阻的第一端连接，所述基本RS触发器的Q端与所述保护模块连接，所述第三电阻的第二端接地。
7.如权利要求6所述的过流保护系统，其特征在于，还包括可控开关，所述可控开关的第一端与所述直流电源连接，所述可控开关的第二端与所述基本RS触发器的R端连接。
8.如权利要求7所述的过流保护系统，其特征在于，所述可控开关为按钮。
9.如权利要求1-8任一项所述的过流保护系统，其特征在于，所述保护模块包括断路器本体及断路器控制电路，所述断流器本体与所述电气主设备连接，所述断路器控制电路的输入端与所述处理模块的输出端连接，所述断路器控制电路的输出端与所述断路器本体的控制端连接。
10.如权利要求9所述的过流保护系统，其特征在于，还包括与所述处理器模块连接的报警模块，用于在所述电压采集装置采集的电压的绝对值大于预设值时发出警报。
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