CN109782163A - 一种针对磁通约束型限流开关的短路检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种针对磁通约束型限流开关的短路检测装置及方法，包括：电压检测电路和电流检测电路；当电路发生短路故障时，电感线圈的两端产生的感应电压突变；电压检测电路并联在电感线圈两端，用于检测电感线圈两端的电压，电压检测电路对检测的电感线圈两端的电压进行稳压和降压处理，电压检测电路判断稳压和降压处理后的电压值是否超过了预设电压阈值，若超出预设电压阈值，则产生短路报警信号，并启动磁通约束型限流开关进行限流；电流检测电路用于检测磁通约束型限流开关所在电路的电流，当电流超过预设电流阈值时，判断电路产生短路故障，启动磁通约束型限流开关进行限流。本发明能快速有效地检测出短路故障。

Description

一种针对磁通约束型限流开关的短路检测装置及方法

技术领域

本发明涉及电力技术应用领域，更具体地，涉及一种针对磁通约束型限流开关的短路检测装置及方法。

背景技术

我国电力系统的保护技术经历了从上世纪年代的晶体管继电保护到年代的集成电路保护，再到90年代的计算机继电保护的发展过程。但由于电力系统的飞速发展对其保护技术不断提出新的要求，现有的保护装置表现出了它的不足。

电力系统中的短路故障是系统最为严重的故障之一，短路故障引起的系统短路电流可达上百千安，如果不能及时对故障线路采取应对措施，会直接导致电力系统的崩溃，造成大面积的停电以及不可估量的经济损失。但是目前的电力系统断路器容量有限，且考虑经济效益问题，无法用于切断较大线路故障电流。因此为了能给线路断路器减小开端压力，减小其开断容量，有研究工作者提出了磁通约束性限流器这种新型限流器。在启动线路断路器之前先对短路电流进行限流，限流之后再进行断路操作可以有效地降低断路器的开断容量。

要及时启动此限流开关进行限流，需要快速地检测出线路的短路故障。随着计算机和数字信号处理技术的快速发展，现在有很多继电保护技术都采用了现代的数字检测和处理技术。但是大部分的检测方法的原理依然是根据线路电流的幅值来判断线路是否发生了短路故障，但是由于受到线路阻抗、短路初始状态的影响，短路故障初期的电流上升速度不会很快，就导致达到判定线路发生故障的阈值电流需要较长的时间，因此这种检测方法的检测速度比较慢。若通过此种方法检测短路故障来启动限流器，会导致限流操作滞缓，影响限流速度。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于解决现有检测线路短路故障的方法根据线路电流的幅值来判断线路是否发生了短路故障，受到线路阻抗、短路初始状态的影响，导致达到判定线路发生故障的阈值电流需要较长的时间，导致限流操作滞缓，影响限流速度的技术问题。

为实现上述目的，第一方面，本发明提供一种针对磁通约束型限流开关的短路检测装置，所述磁通约束型限流开关所在电路包含电感线圈，该装置包括：电压检测电路和电流检测电路；

当所述磁通约束型限流开关所在电路发生短路故障时，所述电感线圈的两端产生的感应电压突变；

所述电压检测电路并联在所述电感线圈两端，用于检测电感线圈两端的电压，所述电压检测电路对检测的电感线圈两端的电压进行稳压和降压处理，以免短路故障时，突变电压损坏电压检测电路的器件，所述电压检测电路判断稳压和降压处理后的电压值是否超过了预设电压阈值，若超出预设电压阈值，则产生短路报警信号，并启动所述磁通约束型限流开关进行限流；

所述电流检测电路用于检测所述磁通约束型限流开关所在电路的电流，当电流超过预设电流阈值时，判断电路产生短路故障，启动所述磁通约束型限流开关进行限流。

具体地，该电感线圈为超导线圈。

可选地，所述电流检测电路包括：分流器和信号调理单元；

所述分流器用于采集电路的电流并将电路的电流转化为对应的电压；

所述信号调理单元用于将所述对应的电压放大、整流，以缩短短路检测时长。

可选地，所述电压检测电路将检测到的电感线圈两端的电压稳定在预设范围内，输出对应比例的电压，通过判断对应比例的电压是否超过预设电压阈值，判断所述电路是否发生短路故障。

可选地，所述电压检测电路包括：稳压设备、整流桥和分压电路；

所述稳压设备用于将检测到的电感线圈两端的电压稳定在预设范围内；

所述整流桥用于对稳定在预定范围内的所述电感线圈两端的电压整流，使得所述电感线圈两端的电压单向流入所述分压电路；

所述分压电路用于接收单向流入的电感线圈两端的电压，并输出对应比例的电压。

可选地，所述分压电路包括串联的两个分压电阻和限流电阻，所述分压电路输出的对应比例的电压为其中一个分压电阻上的电压。

第二方面，本发明提供一种针对磁通约束型限流开关的短路检测方法，所述磁通约束型限流开关所在电路包含电感线圈，该方法包括以下步骤：

检测电感线圈两端的电压，所述磁通约束型限流开关所在电路发生短路故障时，所述电感线圈的两端产生的感应电压突变；

对电感线圈两端的电压进行稳压和降压处理，避免短路故障时，电感线圈的两端产生突变电压损坏检测电压的器件；

判断稳压和降压处理后的电压值是否超过了预设电压阈值，若超出预设电压阈值，则产生短路报警信号，并启动所述磁通约束型限流开关进行限流；

检测所述磁通约束型限流开关所在电路的电流，当电流超过预设电流阈值时，判断电路产生短路故障，启动所述磁通约束型限流开关进行限流。

可选地，检测所述磁通约束型限流开关所在电路的电流，具体包括如下步骤：

采集磁通约束型限流开关所在电路的电流并将电路的电流转化为对应的电压；

将所述对应的电压放大、整流，以缩短短路检测时长。

可选地，检测电感线圈两端的电压，具体包括如下步骤：

将检测到的，输出对应比例的电压，通过判断对应比例的电压是否超过预设电压阈值，判断所述电路是否发生短路故障。

可选地，将检测到的电感线圈两端的电压稳定在预设范围之后，输出对应比例的电压之前，还包括如下步骤：

对稳定在预定范围内的电感线圈两端的电压整流，使得所述电感线圈两端的电压单向输出。

可选地，通过分压电阻输出所述对应比例的电压。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

(1)本发明与传统的短路检测方法不同之处在于，首先本发明包括了两种检测方法，将电力元件的电压与线路中的电流同时作为判断发生短路故障的依据，主检测电路部分能够实现快速地检测出短路故障，为避免主检测部分的不稳定性工作，采用辅助检测的方案来提高短路检测系统的可靠性，进而实现了该检测系统快速可靠的设计目标。

(2)本发明与传统的短路检测方案不同之处还在于，本发明中的短路故障主检测方案，是根据磁通约束性限流开关的工作特性来进行设计的。这种针对电力元件的工作特性来设计短路检测平台的方法，虽然无法应用于其他系统的短路故障检测，但是在使用了磁通约束性限流开关的系统中却能快速有效地检测出短路故障。

(3)本发明中辅助检测方案虽然也使用了以线路电流作为故障判据，但跟传统的使用线路电流作为故障判据的方案依然有所不同。本发明中的辅助检测方案使用了纯硬件电路来搭建短路检测平台，不需要进行A/D转换，信号调理部分也由硬件直接完成，最后直接产生报警信号，不需要软件的接入进行分析处理，很大程度上减少了故障检测时间。

综上，本发明所提供的短路故障检测平台，较传统检测方案能够实现快速且可靠的检测出短路故障。

附图说明

图1本发明提供的磁通约束型限流开关的原理结构图；

图2本发明提供的磁通约束型限流开关的电压电流仿真结果；

图3本发明提供的磁通约束型限流开关的电压电流实验结果；

图4本发明提供的利用限流线圈的电压信号作为短路检测信号的程序图；

图5本发明提供的利用限流线圈的电压信号检测短路故障的电路拓扑图；

图6本发明提供的使用线路电流作为短路检测信号的程序图；

图7本发明提供的使用整流装置与不使用两种情况下的短路检测结果对比图；

图8本发明提供的主检测电路的测试结果示意图；

图9本发明提供的辅检测电路的测试结果示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

为了实现在发生短路故障后及时启动限流器，需要保证短路检测平台快速检测出短路故障。本发明根据磁通约束性限流开关的工作特性，设计并研制了一套新型的短路检测平台。以提取限流开关中电感单元的电压信号来检测短路故障作为主检测方案，同时为了保证检测系统的可靠工作，也采用了检测线路电流来判断短路故障的辅助方案，即只有通过线圈电压检测故障的方案失效时，才会根据线路电流来判断是否发生了短路故障。此套检测系统为磁通约束性限流开关准确可靠的运行提供了基础保障。

本发明通过提取限流开关的电压值来判断线路是否发生短路故障。经过磁通约束性限流开关的样机实验以及MATLAB建模仿真结果，可以看出当没有发生短路故障且限流开关未启动时，其串连在线路中近乎于短路；而由于磁通约束性限流开关本质上是两个大电感并联起来，所以当发生短路故障时，流过电感的电流近乎瞬时发生急剧变化，从而导致限流器中电感两端会产生较大的感应电压，该过程通过公式(1)可以推出。其中U_L为电感的感应电压，L为其电感值，i(t)为流过其的电流。

综上，本发明共包含两个组成部分：利用磁通约束性限流开关的端电压进行故障判断的主检测部分，以及使用线路电流来检测短路故障的辅助检测部分。主检测部分能够实现快速地检测出故障，辅助检测部分能够保证系统更可靠的运行。

图1所示，是磁通约束型限流开关的原理结构图。其中，U_s表示线路电压，Z_s表示线路阻抗，I_s表示线路电流，S_load表示负载，SFCL表示超导限流器，分析其短路故障下的瞬态过程，计算并联电感线圈两端的电压，可以得到以下电压推导公式。

其中U是线圈L₁和L₂在短路故障发生时，限流开关启动前的电压；L₁和L₂为上下两个线圈的电感值，且系统正常工作时这两个值较为接近，使得限流开关工作与高度耦合的状态；M为它们之间的互感值；i₁(t)和i₂(t)分别为流过上下两个线圈的电流，在L₁和L₂高度耦合的工作情况下，二者十分接近，此处做近似处理，即并联电感两端的电压可以化简为(3)。

在实际制作该限流开关时，由于制作工艺、造价以及工作环境等一系列因素影响，不可能保证两个电感L₁和L₂参数完全相同。加之在发生短路故障时，线路电流都是呈几倍甚至十倍的工作电流增长，并且此过程是在非常短的时间内完成，所以导致i₁(t)和i₂(t)的变化率非常大，因此，尽管(L₁-M)和(L₂-M)较小，并联电感线圈两端也会产生比较大的电压。通过仿真模型的计算结果以及实验结果如图2和图3所示，也验证了此理论，实验和仿真都表明在线路电流突然增大时，在限流线圈上产生了一个较高的脉冲电压。

基于以上的理论分析，基于限流开关端电压的短路检测方案设计思路见图4所示。在获取限流开关并联电感上的电压信号之后，无法直接用于判断是否发生短路故障，因为发生短路故障时并联电感线圈上产生的感应电压过高，电子器件往往无法承受，因此需要先对该电压进行适当的稳压和降压处理。之所以选择先用稳压设备进行处理，而不直接进行分压还有以下原因。虽然在发生短路故障时线圈两端会产生感应电压，但是由于短路电流等级的不同，会导致线圈两端的感应电压值不固定。因此如果不进行稳压而直接进行分压处理，就会导致没有合适的分压比来使得后续操作继续进行。因为后续判断是否发生短路故障时，是利用比较器比较并联电感上的电压值是否超过了阈值电压，因此使用单一的大分压比会导致当故障引起的线圈感应电压较小时，无法判断出发生了故障，而小的分压比又会导致线圈电压比较高时，分压之后的电压仍然很高后续仍无法处理。

基本处理方法如图5所示，先用稳压设备将线圈的电压稳定在某一电压值，然后再进行后续的分压和信号处理。因此实际传到后续操作的电压值可以用一下表达式求解。

其中U为线圈电压经过稳压器件之后的输出电压，U₂为分压电路输出，R₂₂，R₃₃为分压电阻，R₁₁为限流电阻，用于保护电路不被烧坏。

如图5中还使用了整流桥，因为电感上产生的感应电压有时会是负的，为了便于后续处理，才使用整流桥将其变成正电压。

同时经样机实验和仿真结果可以看出，线圈的感应电压持续时间非常短，对此方案的实施有着很大的影响。本设计方案的解决方法是搭建单稳态电路，该稳态电路常态输出为低电平，当其接收到一个足够高的电压脉冲时输出会转变为高电平，并持续一段可调的时间，如此就将检测一个脉冲电压转变成检测一个高电平电压，极大程度地降低了检测难度。

在得到单稳态电路的输出信号后，将此信号传输到比较器电路中跟阈值电压进行比较，若高于该阈值电压，则判断限流开关所在线路发生了短路故障并产生报警信号，启动限流开关进行限流，否则认为线路出正常工作状态。

上所述内容就是主检测系统工作流程，系统来讲，可以分两种情况来说明。首先是第一种情况，限流开关所在线路真实地发生了短路故障。此时并联电感线圈两端产生一个持续时间很短的、可正可负的高电压脉冲，即使为负脉冲，在经过整流桥后将其变成直流信号。通过分压电路将该信号转变成便于使用的、稳定的低压信号，随后将其通过一个单稳态电路转变成固定电压值的高电平信号。最后，将此信号送入比较器中与阈值电压相比较，若高于阈值电压，则比较器输出高电平信号启动限流开关。

第二种情况是由于工作环境的不稳定或者线路电流有少许的变动，引起限流开关并联电感上产生了感应电压。此种情况跟上述第一种情况比起来最大的不同之处在于，感应电压值很小，无法启动稳压器件进行稳压。此时相当于跳过稳压器件直接对该电压进行分压后送入单稳态电路，由于电压较低也无法触发单稳态电路，因此单稳态电路输出为低电平，到最后将稳态电路的低电平输出送入比较器后，由比较器判断系统未发生短路故障。

此种检测方法的优势在于当发生短路故障时，可以在极短的时间(1ms)内检测到故障，从而及时启动限流开关避免造成更大的经济损失。从上述两种情况可以看出来，该技术的关键点是需要给限流开关的并联电感，设定合适的故障阈值电压，本发明中使用仿真和样机实验的方法来确定该电压值。

为保证该检测系统在主检测方案失效的情况下仍能可靠工作，本发明还为此系统设计了辅助检测方案，即提取线路电流来判断线路是否发生短路故障，若线路的电流上升到超过了阈值电流则判断线路发生了故障，其技术路线如图6所示。

本发明中，选用定制的分流器作为电流采集设备。信号调理包括分流器输出信号的放大、整流。分流器的电阻往往是mΩ级的，所以其输出电压是mV级别的，为了后续方便检测步骤的进行，本方案中选用了信号放大器对该电压信号进行放大处理。本方案仍用到了整流技术，是因为用了整流技术和不引进整流技术的检测时间有时会差半个工频周期，用图来详细描述如图7所示。假定系统设定为当电流值高于I₁时判断为发生了短路故障，图7中的上图是未经整流的电流波形，下图为整流之后的电流波形，设定系统发生故障的时间点为t1时刻。显然，如果用未经整流的电流来检测线路故障，即使在t1时刻发生了短路故障，检测系统也必须等到t3时刻才能检测到。但是如果采用整流之后的电流来检测，那么在t2时刻就可以检测到短路故障，第二种方式明显缩短了半个周期的检测时长。顺便一提的是，若使用本发明中的主检测方法，在t1时刻发生短路故障之后，几乎同时就能检测到故障，所以主辅检测方法的检测时长差为t2-t1。

辅助检测方案最终在判断是否有短路故障时，采用与上述一样的比较器方法。将电流转换成的电压信号与设定的跟阈值电流对应的电压进行比较，从而输出短路故障报警信号。辅助检测方法与传统的短路故障检测设计理念相同，所不同的是本发明中只使用了硬件来搭建平台，没有使用任何软件技术。本发明的实施例的实验结果如图8和图9所示。

图8中当检测平台识别到线圈电压出现高脉冲电压时，立刻发出报警信号。其中，脉冲电压的持续时间约为500us，将稳态电路延迟恢复时间设置为1.75s，因此从结果中可以看出，该检测平台在检测到持续时间很短的高脉冲电压后，系统输出了一个持续1.75s的高电平短路故障报警信号。该报警信号可以直接用于启动限流器，从结果中看出，虽然短路故障时并联线圈上的脉冲电压持续时间很短，但该主检测方案仍能完成对故障的检测，从而证明了该平台的有效性。同样，将短路检测平台的阈值电流设置为40A，即当线路电流高于40A时发出短路故障报警信号。图9中线路短路时刻发生在t1时刻，但由于此时电流仍低于40A，因此直到t2时刻时线路电流大于40A时检测系统才发出报警信号。综合上述结果证明了了本发明提出的检测装置的有效性及可靠性。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种针对磁通约束型限流开关的短路检测装置，所述磁通约束型限流开关所在电路包含电感线圈，其特征在于，该装置包括：电压检测电路和电流检测电路；

当所述磁通约束型限流开关所在电路发生短路故障时，所述电感线圈的两端产生的感应电压突变；

所述电压检测电路并联在所述电感线圈两端，用于检测电感线圈两端的电压，所述电压检测电路对检测的电感线圈两端的电压进行稳压和降压处理，以免短路故障时，突变电压损坏电压检测电路的器件，所述电压检测电路判断稳压和降压处理后的电压值是否超过了预设电压阈值，若超出预设电压阈值，则产生短路报警信号，并启动所述磁通约束型限流开关进行限流；

所述电流检测电路用于检测所述磁通约束型限流开关所在电路的电流，当电流超过预设电流阈值时，判断电路产生短路故障，启动所述磁通约束型限流开关进行限流。

2.根据权利要求1所述的短路检测装置，其特征在于，所述电流检测电路包括：分流器和信号调理单元；

所述分流器用于采集磁通约束型限流开关所在电路的电流并将电路的电流转化为对应的电压；

所述信号调理单元用于将所述对应的电压放大、整流，以缩短短路检测时长。

3.根据权利要求1所述的短路检测装置，其特征在于，所述电压检测电路将检测到的电感线圈两端的电压稳定在预设范围内，输出对应比例的电压，通过判断对应比例的电压是否超过预设电压阈值，判断所述电路是否发生短路故障。

4.根据权利要求3所述的短路检测装置，其特征在于，所述电压检测电路包括：稳压设备、整流桥和分压电路；

所述稳压设备用于将检测到的电感线圈两端的电压稳定在预设范围内；

所述整流桥用于对稳定在预定范围内的所述电感线圈两端的电压整流，使得所述电感线圈两端的电压单向流入所述分压电路；

所述分压电路用于接收单向流入的电感线圈两端的电压，并输出对应比例的电压。

5.根据权利要求4所述的短路检测装置，其特征在于，所述分压电路包括串联的两个分压电阻和限流电阻，所述分压电路输出的对应比例的电压为其中一个分压电阻上的电压。

6.一种针对磁通约束型限流开关的短路检测方法，所述磁通约束型限流开关所在电路包含电感线圈，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

检测电感线圈两端的电压，所述磁通约束型限流开关所在电路发生短路故障时，所述电感线圈的两端产生的感应电压突变；

对电感线圈两端的电压进行稳压和降压处理，避免短路故障时，电感线圈的两端产生突变电压损坏检测电压的器件；

判断稳压和降压处理后的电压值是否超过了预设电压阈值，若超出预设电压阈值，则产生短路报警信号，并启动所述磁通约束型限流开关进行限流；

检测所述磁通约束型限流开关所在电路的电流，当电流超过预设电流阈值时，判断电路产生短路故障，启动所述磁通约束型限流开关进行限流。

7.根据权利要求6所述的短路检测方法，其特征在于，检测所述磁通约束型限流开关所在电路的电流，具体包括如下步骤：

采集磁通约束型限流开关所在电路的电流并将电路的电流转化为对应的电压；

将所述对应的电压放大、整流，以缩短短路检测时长。

8.根据权利要求6所述的短路检测方法，其特征在于，检测电感线圈两端的电压，具体包括如下步骤：

将检测到的，输出对应比例的电压，通过判断对应比例的电压是否超过预设电压阈值，判断所述电路是否发生短路故障。

9.根据权利要求8所述的短路检测方法，其特征在于，将检测到的电感线圈两端的电压稳定在预设范围之后，输出对应比例的电压之前，还包括如下步骤：

对稳定在预定范围内的电感线圈两端的电压整流，使得所述电感线圈两端的电压单向输出。

10.根据权利要求8所述的短路检测方法，其特征在于，通过分压电阻输出所述对应比例的电压。