CN112952782A - 配电系统的限流保护方法和限流保护装置 - Google Patents

配电系统的限流保护方法和限流保护装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种配电系统的限流保护装置，包括监测电路，其用于监测连接至所述配电系统的多个支路的每一个的电流，所述多个支路的每一个中设置有电子开关元件；限流保护电路，其设置在所述配电系统的干路或者支路上以限制支路电流，和控制电路，其被配置为基于所述监测电路的监测结果控制所述电子开关元件和所述限流保护电路以执行如下步骤：步骤一：当所述多个支路中的一个支路的电流增加时，将所述支路的电流限制为低于第一限流点并持续第一限流时间以确定所述支路是否短路；以及步骤二：如果所述支路短路，将所述支路的电流进一步限制为低于第二限流点并持续第二限流时间，切断所述支路的电子开关元件。

Description

配电系统的限流保护方法和限流保护装置
技术领域
本发明属于电力电子领域，尤其涉及配电系统的限流保护装置和限流保护方法。
背景技术
配电系统是由多种配电设备(或元件)和配电设施所组成的变换电压和直接向终端用户分配电能的电力网络系统。
基于转换时间的考量，配电系统通常采用继电器来实现市电、电池供电的控制切换，另外还需要采用专门的断路器(例如空气开关)来实现短路故障时电路的切断。但是，当市电模式下某路输出发生短路故障时，由于支路断路器存在一定的脱扣延迟，在此延迟时间内继电器将不得不承受此短路电流，而短路电流的大小取决于配电线路的阻抗，其变化范围较大且不受控，这导致继电器可能会承受上千安培的瞬态短路电流从而损坏。因此，解决输出短路情况下继电器的可靠性是亟待解决的问题。
发明内容
因此，本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种配电系统的限流保护装置，包括：
监测电路，其用于监测连接至所述配电系统的多个支路的每一个的电流，所述多个支路的每一个中设置有电子开关元件；
限流保护电路，其设置在所述配电系统的干路或者支路上以限制支路电流，和
控制电路，其被配置为基于所述监测电路的监测结果控制所述电子开关元件和所述限流保护电路以执行如下步骤：
步骤一：当所述多个支路中的一个支路的电流增加时，将所述支路的电流限制为低于第一限流点并持续第一限流时间以确定所述支路是否短路，其中，所述第一限流点被设置为不超过所述支路的电子开关元件的稳态过流能力，所述第一限流时间被设置为不低于所述配电系统的用电设备正常工作状态下瞬态电流的持续时间；以及
步骤二：如果所述支路短路，将所述支路的电流进一步限制为低于第二限流点并持续第二限流时间，切断所述支路的电子开关元件，其中，所述第二限流点被设置为不超过所述支路的电子开关元件的安全切换电流，所述第二限流时间被设置为不低于所述支路的电子开关元件的安全切换时间。
根据本发明的限流保护装置，优选地，所述电子开关元件为继电器。
根据本发明的限流保护装置，优选地，在所述步骤一中，所述正常工作状态包括用电设备的启动。
根据本发明的限流保护装置，优选地，在所述步骤一中，将所述支路的电流限制为低于第一限流点并高于第三限流点，所述第三限流点不小于所述第一限流点的40％。
根据本发明的限流保护装置，优选地，在所述步骤二中，将所述支路的电流进一步限制为低于第二限流点并高于第四限流点，所述第四限流点不小于所述第二限流点的40％。
根据本发明的限流保护装置，优选地，所述第一限流时间和所述第二限流时间之和小于所述支路的设备所能接受的总断电时间。
根据本发明的限流保护装置，优选地，所述限流保护电路包括第一双向可控开关组件、第二双向可控开关组件、电感和电容，所述第一双向可控开关组件和所述电感L1依次串联在火线输入端和火线输出端之间，所述第二双向可控开关组件连接在所述第一双向可控开关组件和所述电感L1之间的节点和零线之间，所述电容连接在火线输出端和零线输出端之间。在交流电的正半周期输入时，第一和第二双向可控开关能够在第一电流方向导通，而在交流电的负半周期输入时，第一和第二双向可控开关能够在相反的第二电流方向导通。
根据本发明的限流保护装置，优选地，所述第一双向可控开关组件包括反向串联的第一MOS管和第二MOS管以及分别与所述第一MOS管和所述第二MOS管反向并联的第一二极管和第二二极管，所述第二双向可控开关组件包括反向串联的第三MOS管和第四MOS管以及分别与所述第三MOS管和所述第四MOS管反向并联的第三二极管和第四二极管。
本发明还提供了一种配电系统的限流保护方法，包括如下步骤：
步骤一：监测连接至所述配电系统的多个支路的每一个的电流，所述多个支路的每一个中设置有电子开关元件；
步骤二：当所述多个支路的一个支路的电流增加时，将所述支路的电流限制为低于第一限流点并持续第一限流时间以确定所述支路是否短路，其中，所述第一限流点被设置为不超过所述支路的电子开关元件的稳态过流能力，所述第一限流时间被设置为不低于所述配电系统的用电设备正常工作状态下瞬态电流的持续时间；以及
步骤三：如果所述支路短路，将所述支路的电流进一步限制为低于第二限流点并持续第二限流时间，切断所述支路的电子开关元件，其中，所述第二限流点被设置为不超过所述支路的电子开关元件的安全切换电流，所述第二限流时间被设置为不低于所述支路的电子开关元件的安全切换时间。
根据本发明的限流保护方法，优选地，所述电子开关元件为继电器。
与现有技术相比，本发明的优点在于：可远程控制、体积小、成本低、重量轻。
附图说明
以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：
图1为根据本发明实施例的用于配电系统的限流保护方法的流程图；
图2为根据本发明实施例的限流过程中支路电流I随时间t的变化；
图3为根据本发明实施例的限流保护电路的一个示例的电路结构；以及
图4-图8示出图3所示的限流保护电路在不同的工作模式下电流的流动方向和开关管的开关状态。
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，以下结合附图通过具体实施例对本发明进一步详细说明。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。
本发明的实施例提供了一种用于配电系统的限流保护方法，参见图1所示的流程图，其包括如下步骤：
步骤一：监测多个支路的每一个的电流，多个支路的每一个设置有电子开关元件；
步骤二：当某一支路电流增加(发生短路或过流)时，将该支路的电流限制在低于第一限流点并持续第一限流时间以在不对电子开关元件造成损害的前提下确定该支路是否发生短路，优选地，将该支路的电流限制在第一限流点和第三限流点之间，第三限流点小于第一限流点，优选地，第三限流点大于等于第一限流点的40％。第一限流点被选择为不超出该支路的电子开关元件的稳态过流能力，优选地为用电设备的瞬态电流的最大值的100％、95％、90％，例如，用电设备的瞬态电流的最大值为150A,如果按照用电设备的瞬态电流的最大值的100％，则第一限流点为150A。电子开关元件的稳态过流能力可以理解为电子开关元件所能承受的瞬态过载电流，因此，将电流限制为低于第一限流点不会造成对电子开关元件的损害。第一限流时间根据实际用电设备正常工作状态下的最大瞬态电流(例如启动电流)的持续时间来设定(如果启动电流明显小于第一限流点则无需考量)，以防止较大的瞬态启动电流引起的误判，因此，第一限流时间至少要长于实际用电设备正常工作状态下的最大瞬态电流的持续时间。
步骤三：如果确定所述支路发生短路，将支路电流降低至低于第二限流点并持续第二限流时间并切断该支路的电子开关元件，优选地，将支路电流限制在第二限流点和第四限流点之间，第四限流点小于第二限流点，优选地，第四限流点大于等于第二限流点的40％。同时切断该支路的电子开关元件从而断开发生短路的支路。第二限流点被选择为不超出电子开关元件的安全切换能力，优选地，第二限流点不超出电子开关元件的额定电流的100％、95％或90％，例如，如果电子开关元件的额定电流为30A，若选择第二限流点不超出电子开关元件的额定电流的100％，则第二限流点为30A。第二限流时间至少是控制器发出开关切换命令至电子开关元件实际与系统电隔离的间隔时间。因此，在第二限流时间，能够安全地切断短路支路。
另外，当某一支路发生短路时，限流保护电路之后的电压将可能下降至接近0V，这会对用电设备，特别是其他支路的用电设备造成断电风险，因此限流时间还需考量因短路造成的总断电时间,也即，需要在用电设备因断电造成工作异常之前完成短路支路的切断。在发生输出短路的情况下，短路保护电路产生的断电时间包含两个部分：其一为第一限流时间，其二是后面提到的第二限流时间，这两个时间之和必须小于其他支路上用电设备允许的总断电时间的设定值。以台式电脑作为负载来举例，台式电脑可以接受15ms的市电断电时长，超过15ms的市电断电将可能导致电脑工作异常。假设将总断电时间设定为15ms，则必须在15ms之内安全地切断短路支路，即第一限流时间和第二限流时间的总和不超过15ms。
参见图2所示的该实施例的限流过程中支路电流I随时间t的变化。在t1时刻，支路电流I迅速上升，在t2时刻达到第一限流点I1，将电流I限制在第一限流点I1和第三限流点I1’之间，电流I在I1和I1’之间波动，一直持续到t3时刻，t2～t3的时间间隔长于用电设备启动电流的持续时间。例如，如果该支路的负载的启动电流超过限流值I1，但启动电流的持续时间为10ms，那么为了避免短路保护电路误动作，则t2～t3的间隔时间必须大于10ms。这样能够排除例如设备的瞬态启动电流的非短路因素造成的电流突增，从而确定支路的短路故障。然后，进一步降低电流I，将其限制在第二限流点I2和第四限流点I2’之间，从而安全地切断该支路的电子开关元件。将电流限制在I2和I2’之间的时间从t4持续到t5，实际电路中电流在限流期间，电流从第一限流点I1下降到第四限流点I2’的时间间隔t3～t4非常短(例如为40us)，因此忽略不计。其中，在t4时刻发出切断电子开关元件的命令，至少在t5时刻，电子开关元件已经切断。本领域技术人员能够理解，也可以在t4之后的某个时刻发出切断电子开关元件的命令，只要保证解除电流限制时电子开关元件已经切断即可。
在该实施例中，通过将电流限制在低于第一限流点第一限流时间，解决了电子开关元件的短路失效问题，还可以防止误判；基于此，通过将电流限制在第二限流点第二限流时间，能够通过电子开关元件切断短路支路，无需设置专门的断路器，节约了成本；另外，在短路故障被排除后，用户或维护人员可以通过远程控制电子开关元件来恢复该支路的供电，这是传统的断路器无法实现的。因此，基于本发明的方法，仅需要在电路支路中设置一个电子开关元件就能够实现电源切换、电路切断、恢复供电等多个功能。
本发明的实施例还提供一种用于配电系统的限流保护装置，其包括监测电路、限流保护电路和控制电路，所述监测电路用于监测连接至所述配电系统的多个支路的每一个的电流，所述多个支路的每一个中设置有电子开关元件，所述限流保护电路设置在配电系统的干路上用于限制通过其的电流，所述控制电路被配置为基于所述监测电路的监测结果控制所述电子开关元件和所述限流保护电路以执行如下步骤：
步骤一：当某一支路电流增加(发生短路或过流)时，将该支路的电流限制在低于第一限流点并持续第一限流时间以在不对电子开关元件造成损害的前提下确定该支路是否发生短路，优选地，将该支路的电流限制在第一限流点和第三限流点之间，第三限流点小于第一限流点，优选地，第三限流点大于等于第一限流点的40％。第一限流点被选择为不超出该支路的电子开关元件的稳态过流能力，优选地为用电设备的瞬态电流的最大值的100％、95％、90％，例如，用电设备的瞬态电流的最大值为150A，如果按照用电设备的瞬态电流的最大值的100％，则第一限流点为150A。电子开关元件的稳态过流能力可以理解为电子开关元件所能承受的瞬态过载电流，因此，将电流限制为低于第一限流点不会造成对电子开关元件的损害。第一限流时间根据实际用电设备正常工作状态下的最大瞬态电流(例如启动电流)的持续时间来设定(如果启动电流明显小于第一限流点则无需考量)，以防止较大的瞬态启动电流引起的误判，因此，第一限流时间至少要长于实际用电设备正常工作状态下的最大瞬态电流的持续时间；
步骤二：如果确定所述支路发生短路，将支路电流降低至低于第二限流点并持续第二限流时间并切断该支路的电子开关元件，优选地，将支路电流限制在第二限流点和第四限流点之间，第四限流点小于第二限流点，优选地，第四限流点大于等于第二限流点的40％。同时切断该支路的电子开关元件从而断开发生短路的支路。第二限流点被选择为不超出电子开关元件的安全切换能力，优选地，第二限流点不超出电子开关元件的额定电流的100％、95％或90％，例如，如果电子开关元件的额定电流为30A，若选择第二限流点不超出电子开关元件的额定电流的100％，则第二限流点为30A。第二限流时间至少是控制器发出开关切换命令至电子开关元件实际与系统电隔离的间隔时间。因此，在第二限流时间，能够安全地切断短路支路。
具体地，该实施例的限流保护电路的一个示例的电路结构如图3所示，其包括第一至第四MOS管Q1-Q4、第一至第四二极管D1-D4、电感L1和电容C1，第一MOS管Q1的集电极连接至火线L输入端，第一MOS管Q1的发射极连接至第二MOS管Q2的发射极，第二MOS管Q2的集电极经由电感L1连接至火线L输出端，第一二极管D1与第一MOS管Q1反并联，第二二极管D2与第二MOS管Q2反并联，第三MOS管Q3的集电极连接至第二MOS管Q2的集电极和电感L1之间的节点，第三MOS管Q3的发射极连接至第四MOS管Q4的发射极，第四MOS管Q4的集电极连接至零线N，电容C1连接在火线L输出端和零线N输出端之间，第三二极管D3与第三MOS管Q3反并联，第四二极管D4与第四MOS管Q4反并联。Q1-Q4的基极连接至另外的开关控制电路以控制Q1-Q4的开关状态。该示例的限流保护电路设置在L总线上，当短路发生时，总线电流等于支路电流，因此可以通过电感L1的电流监测支路的短路情况。
市电正常模式下，第一和第二MOS管Q1和Q2持续导通，第三和第四MOS管Q3和Q4持续断开，如图4所示的电路结构示意图，箭头表示电流方向，市电正常模式下，火线电路双向导通，在交流电的正半周期，电流方向从火线输入端LI至火线输出端LO，在交流电的负半周期，电流方向从火线输出端LO至火线输入端LI。
继续参见图2，在t1时刻，某一支路发生短路，电流突升。
a)若此时为正半周期，当电感L1电流达到设定的第一限流点I1时，例如通过开关控制电路先开通Q4，然后关闭Q1，保持Q2导通,再开通Q3，如图5所示的电路结构示意图，箭头表示电流方向。由于供电被切断，电流下降。当电流降至I1’时先关闭Q3(Q4持续开通)再打开Q1，如图6所示的电路结构示意图，箭头表示电流方向。由于供电被接入，电流增加。当电流增加至I1时继续采用前述方式限制。如此反复执行限流操作。若设定的第一限流时间为5ms，则当限流持续发生5ms后(t3时刻)，例如通过控制器(例如MCU)自动地将限流点降低至I2,并将电流限制在I2和I2’之间，限流动作也是通过与前述一样的控制各个MOS管的导通和关闭来实现的，具体地，当电流达到I2时，先开通Q4，然后关闭Q1，保持Q2导通,再开通Q3，当电流降至I2’时先关闭Q3(Q4持续开通)再打开Q1，如此反复。同时，在t4时刻控制器发送断开短路支路的电子开关元件的命令，t5时刻电子开关元件完成切换，此时短路支路与系统断开连接。至此，输出短路被解除。限流点将重新调整为I1。此后Q1～Q4恢复到市电正常模式下的工作状态。在整个过程中，二极管D1-D4起反向导通的作用，电感L1用于限制电流的上升斜率或下降斜率。
b)若此时为负半周期，当L1电流达到设定的第一限流点I1时，例如通过开关控制电路先开通Q3,然后关闭Q2，保持Q1导通,再开通Q4，如图7所示的电路结构示意图，箭头表示电流方向。由于供电被切断，电流下降。当电流降至I1’时先关闭Q4(Q3持续开通)再打开Q2，如图8所示的电路结构示意图，箭头表示电流方向。由于供电被接入，电流增加。当电流增加至I1时继续采用前述方式限制。如此反复执行限流操作。若设定的限流时间为5ms，则当限流持续发生5ms后(t3时刻)，例如通过控制器(例如MCU)自动地将限流点降低至I2,并将电流限制在I2和I2’之间，限流动作也是通过与前述一样的控制各个MOS管的导通和关闭来实现的，具体地，当电流达到I2时先开通Q3,然后关闭Q2，Q1持续导通,再开通Q4，当电流降至I2’时先关闭Q4(Q3持续开通)再打开Q2，如此反复。同时，在t4时刻控制器发送断开短路支路的电子开关元件的命令，t5时刻电子开关元件完成切换，此时短路支路与系统断开连接。至此，输出短路被解除。限流点将重新调整为I1。此后Q1～Q4恢复到市电正常模式下的工作状态。同样，在整个过程中，二极管D1-D4起反向导通的作用，电感L1用于限制电流的上升斜率或下降斜率。
在本发明中，限流保护电路中的开关管和支路中的电子开关元件可以采用相同或不同的控制装置来控制。也即，前述示例中的开关控制电路和控制器可以是同一个控制装置，也可以是独立的控制装置。
当系统进入限流保护时，通过各支路的电流采样来识别出发生短路的支路并识别短路现象是否解除，当前的智能配电系统很容易实现支路的电流采样。
本发明的限流保护电路除了可以安装在输入总线(干路)上供所有的支路使用，还可以几个支路共用一个限流保护电路。如果限流保护电路安装在输入总路上，只要一个支路发生短路，则所有支路的输出电压都有可能降至零伏。假设支路1、2、3共用一个限流保护电路，支路4、5、6共用另一个限流保护电路，若此时支路1发生短路，则支路2、3的输出电压都有可能降至零伏，而支路4、5、6不受影响。
当输入交流电从正半周期转换为负半周期时，市电电压会过零，而过零前后所采用的限流保护电路的工作逻辑是不同的。对此，系统也可以通过采样短路保护电路前端的市电电压来判断市电过零点。当短路过程跨越市电过零点时，系统将会相应的调整Q1～Q4的工作逻辑来适配市电的相位。
根据本发明的其他实施例，限流保护电路中的MOS管可以用本领域公知的其他开关管替代，例如IGBT。本领域技术人员能够理解，本发明的示例中的反向串联/并联的第一至第四MOS管Q1-Q4和第一至第四二极管D1-D4用于实现电路的双向导通和断开，从而能够实现交流电的正半周期输入和负半周期输入时的限流，因此，本领域公知的任何双向可控开关组件都适用于本发明，具体地，在交流电的正半周期输入时，双向可控开关能够在第一电流方向导通，而在交流电的负半周期输入时，双向可控开关能够在相反的第二电流方向导通。
在本发明中，各个支路中设置的电子开关元件可以是继电器。
本发明的方案能将输出短路电流限制在电子开关元件(例如继电器)的静态耐流范围内，从而解决了继电器的短路失效问题。当发生短路时，本发明的方案先将电流限制在继电器的切换耐流范围内，然后再进行短路支路的切断分离，从而实现了短路下自动切断支路的新功能，同时系统将发送故障信息给用户会设备维护人员以便及时排除短路故障。在短路故障被排除后，用户或维护人员可以通过远程控制来恢复该支路的供电，这是传统的断路器短路保护方案无法实现的功能。本发明的方案利用继电器取代专门设置的用于短路时的电路切断的断路器，缩小了产品尺寸、降低了产品的成本、减轻了产品的重量。
虽然本发明已经通过优选实施例进行了描述，然而本发明并非局限于这里所描述的实施例，在不脱离本发明范围的情况下还包括所作出的各种改变以及变化。

Claims (10)

1.一种配电系统的限流保护装置，包括：
监测电路，其用于监测连接至所述配电系统的多个支路的每一个的电流，所述多个支路的每一个中设置有电子开关元件；
限流保护电路，其设置在所述配电系统的干路或者支路上以限制支路电流，和
控制电路，其被配置为基于所述监测电路的监测结果控制所述电子开关元件和所述限流保护电路以执行如下步骤：
步骤一：当所述多个支路中的一个支路的电流增加时，将所述支路的电流限制为低于第一限流点并持续第一限流时间以确定所述支路是否短路，其中，所述第一限流点被设置为不超过所述支路的电子开关元件的稳态过流能力，所述第一限流时间被设置为不低于所述配电系统的用电设备正常工作状态下瞬态电流的持续时间；以及
步骤二：如果所述支路短路，将所述支路的电流进一步限制为低于第二限流点并持续第二限流时间，切断所述支路的电子开关元件，其中，所述第二限流点被设置为不超过所述支路的电子开关元件的安全切换电流，所述第二限流时间被设置为不低于所述支路的电子开关元件的安全切换时间。
2.根据权利要求1所述的限流保护装置，其中，所述电子开关元件为继电器。
3.根据权利要求1或2所述的限流保护装置，其中，在所述步骤一中，所述正常工作状态包括用电设备的启动。
4.根据权利要求1或2所述的限流保护装置，其中，在所述步骤一中，将所述支路的电流限制为低于第一限流点并高于第三限流点，所述第三限流点不小于所述第一限流点的40％。
5.根据权利要求1或2所述的限流保护装置，其中，在所述步骤二中，将所述支路的电流进一步限制为低于第二限流点并高于第四限流点，所述第四限流点不小于所述第二限流点的40％。
6.根据权利要求1或2所述的限流保护装置，其中，所述第一限流时间和所述第二限流时间之和小于所述支路的设备所能接受的总断电时间。
7.根据权利要求1或2所述的限流保护装置，其中，所述限流保护电路包括第一双向可控开关组件、第二双向可控开关组件、电感和电容，所述第一双向可控开关组件和所述电感L1依次串联在火线输入端和火线输出端之间，所述第二双向可控开关组件连接在所述第一双向可控开关组件和所述电感L1之间的节点和零线之间，所述电容连接在火线输出端和零线输出端之间。
8.根据权利要求7所述的限流保护装置，其中，所述第一双向可控开关组件包括反向串联的第一MOS管和第二MOS管以及分别与所述第一MOS管和所述第二MOS管反向并联的第一二极管和第二二极管，所述第二双向可控开关组件包括反向串联的第三MOS管和第四MOS管以及分别与所述第三MOS管和所述第四MOS管反向并联的第三二极管和第四二极管。
9.一种配电系统的限流保护方法，包括如下步骤：
步骤一：监测连接至所述配电系统的多个支路的每一个的电流，所述多个支路的每一个中设置有电子开关元件；
步骤二：当所述多个支路的一个支路的电流增加时，将所述支路的电流限制为低于第一限流点并持续第一限流时间以确定所述支路是否短路，其中，所述第一限流点被设置为不超过所述支路的电子开关元件的稳态过流能力，所述第一限流时间被设置为不低于所述配电系统的用电设备正常工作状态下瞬态电流的持续时间；以及
步骤三：如果所述支路短路，将所述支路的电流进一步限制为低于第二限流点并持续第二限流时间，切断所述支路的电子开关元件，其中，所述第二限流点被设置为不超过所述支路的电子开关元件的安全切换电流，所述第二限流时间被设置为不低于所述支路的电子开关元件的安全切换时间。
10.根据权利要求9所述的限流保护方法，其中，所述电子开关元件为继电器。
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