CN1144338A - 短路故障电流通路的检测方法及指示器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种短路故障电流道路的检测方法及其故障指示器。本发明的方法通过检测电流变化率ΔI/t＞K，电流下降为零的时间ΔT满足t₁≤ΔT≤t₂来判别故障。另外，设计了一种执行此检测方法的故障指示器，通过转换电路(2)、大电流跳变检测电路(3)、掉电检测电路(5)和脉冲宽度与故障判别电路，给出驱动指示体的信号。本发明的检测方法判别故障准确不会有误动作，按此法设计的故障指示器使用方便，前景广阔。

Description

短路故障电流通路的检测方法及指示器

本发明涉及一种短路故障电流通路的检测方法，并据此设计的一种指示短路故障电流通路的故障指示器。

在查找电力线短路故障点时，先要确定故障点所在支线，然后沿该线寻找短路故障点。现有的用于指示故障电流通路的指示器是以过流法为基础的。过流法判断故障的方法是：当线路的电流大于一个预先设定值I_s后，即认为是短路故障。过流法的特征是要求设定的动作值大于正常运行时的最大的负荷电流，小于最小短路电流。参见图1，I_s为设定的动作门坎值，I_ι是负荷电流，而I_ι的值总是小于I_s。图2是某地发生短路故障后，短路故障电流超过设定值I_s 。但当电力系统运行状况发生变化时，线路所带负荷可能比初期增长很多，如增长为I’_ι的负荷曲线，这时就可能需要设定值I_s至I_s′，否则正常运行时，I’_ι就超过I_s，使其误动作。而故障指示器在正常运行过程中要改变设定值是很困难的，有时是不可能的。即使可以将I_s增高至I_s′，但如果最小短路电流没有发生变化，则短路故障时I_f有可能小于I_s′，如图2所示，这样就会使故障指示器，不动作。遇到这种情况故障指示器就没法在这种线路上安装，大大限制了它的使用。另外，为了满足不同用户的需要，生产厂家不得不生产各种电流设定值档次的指示器，会增加厂家库存，提高成本。所以，现有技术的以过流法判断故障的方法及其指示器存在着正常负荷电流与过负荷电流不好区分、生产和使用不方便的缺点。

本发明的目的是提供一种受运行状态影响很小的，有效的短路故障电流通路的检测方法及其故障指示器。

电力系统发生短路故障时，线路电流的一个变化特征是，电流有一个正的跳变，另一个特征是，在发生短路故障后的一个很短的时间间隔内，线路在继电保护装置控制下，故障电流会被出口断路器切断从而线路电流下降为零。本发明提供一种检测短路故障电流通路的电流突变方法是：

(A)检测电流正突变的电流变化率ΔI/Δt＞K；

(B)检测掉电电流下降为零的时间ΔT；

(C)判断时间ΔT是否满足：ΔT≤t₂；

(D)判断时间ΔT是否满足：ΔT≥t₁；

(E)给出故障信号。

其中，t₁是断路器切除故障的最短时间；t₂是断路器切除故障的最长时间。

应用上述突变法实现的故障检测指示器具有I/v转换电路，完成交流电流至直流电压的转换；大电流跳变检测电路执行对I/v转换电路来的短路突变电流的检测，它能够对线路可能出现的最小短路电流突变做出响应；掉电检测电路对线路停电、电流降零进行检测；脉冲宽度及故障判别电路根据接到大电流跳变检测电路和掉电检测电路的脉冲信号，检测线路短路后的电流正突变至降零的脉冲宽度，且只有脉冲宽度ΔT满足t₁≤ΔT≤t₂时做出响应，当此判别电路判定线路有故障时，给出触发信号触发故障指示器动作，同时启动定时电路完成动作/返回驱动及执行电路。

本发明的上述检测短路故障电流通路的电流突变方法的步骤能够正确判别正常负荷电流和过负荷电流。根据本发明的方法实施的故障指示器不会有误动作发生，且能满足不同用户对各种动作值档次的指示器需求，因此使用方便，同时厂家也不需生产各种动作值档次的产品，故成本低。

图1是现有技术的检测短路故障电流通路的过流方法示意图；

图2是运行状况变化时，过流法可能发生误判的示意图。

图3是说明本发明的电流突变方法的示意图。

图4是按电流突变法检测故障的电路原理框图。

图5是本发明的一个实施例的短路故障指示器。

下面参照附图，详细说明本发明的技术内容。

图3是说明本发明的电流突变方法的示意图。线路短路故障时，线路内电流的一个变化特征是：电流有一个正的跳变，如图3所示。另一个特征是：在发生短路故障后的一个很短的时间间隔内，线路在继电保护装置控制下，故障电流会被出口断路器切除，从而线路电流下降为零。

本发明正是利用这两个特征，提出一个有效的故障检测方法：

(A)检测电流正突变的电流变化率ΔI/Δt＞K；

(B)检测掉电电流下降为零的时间ΔT；

(C)判断时间ΔT是否满足：ΔT≤t₂；

(D)判断时间ΔT是否满足：ΔT≥t₁ ；

(E)给出故障信号。

其中，K是预定的电流变化率常数。t₁是断路器切除故障的最短时间，而t₂是断路器切除故障的最长时间。满足上述条件(A)、(B)、(C)时，在线路不会空载时，判为有短路故障。满足上述条件(A)-(D)时，都应判为有短路故障。

使用上述判据时，过流法的缺点可得以克服。当线路结构发生变化时，虽然线路正常工作电流会增高到很高水平，但本发明的方法是以电流变化率为判据，故不会引起误判。当线路中有负荷投切，引起负荷波动时，也可能会满足正突变的条件(A)，但不能满足在ΔT时间内电流下降为零的条件(B)故也不会误判。当线路空载合空载变压器时，虽然大的励磁涌流会满足条件(A)，同时励磁涌流过后，线路电流也降为接近于零，但励磁涌流维持时间很短，其值＜t₁，仍不满足上述条件(D)，因此仍不会误判。当线路投入一个大负荷后，一段时间后，人为停电，条件(A)可满足，但这个突变负荷维持时间＞t₂，条件(C)仍不满足，所以也不会误判。只有当线路发生短路故障时，满足其电流正突变ΔI/Δt＞K的条件(A)，线路故障后继电保护装置的动作时间落在(t₁-t₂)之间，且电流下降到零，即满足条件(B)、(C)、(D)。于是判为故障，触发故障指示器动作，给出故障信号。

图4是按电流突变法检测故障的电路原理框图，图中L是电流感应线圈，用它感应线路电流。I/v转换电路2完成交流电流至直流电压的转换，可采用半波、全波或倍压整流等方式。大电流跳变检测电路3实现对短路突变电流的检测，它必须能够对线路可能出的最小短路电流突变做出响应。掉电检测电路5对线路停电、电流降零进行检测，此电路必须能够在线路停电后做出快速响应。脉冲宽度检测及故障判别电路4检测线路短路后的电流正突变至降零的脉冲宽度。它必须保证也只有在脉冲宽度t₁≤ΔT≤t₂时做出响应。当此判别电路判别线路有故障时给出触发信号，触发动作指示回路6，给出故障信号指示，同时启动电子定时电路7。电子定时电路7完成从故障至自动复归的延时，当预先设定的定时时间到后，定时电路给出复位信号触发指示回路恢复常态，同时使定时电路复归。动作/返回驱动电路6完成故障时触发驱动指示器给出故障信号指示，在延时复位信号来到时，触发驱动指示器复位。电源电路8为上述控制电路提供电源。在线路工作电流较大时，利用电力线路的能量，在线路正常工作电流较小或线路空载时，利用备用电源(如电池)供电。

图5是本发明的一个实施例的短路故障指示器，它可以在电力线路发生故障时，给出信号指示，延时一定时间后，自动复位指示。L1、D1、D2、C1、C2组成I/v变换电路2，对感应电流信号进行倍压整流。D3、C3、R2、C4、R3、U1、R4、C5构成大电流正突变检测3。正常情况下，R3两端无电压，U1(集电极开路反相器或NPN三级管)输出高电平。当线路电流突变时，C4两端电平不能突变，U1输入高电平，C5放电至低电平(从而输出低电平)。由C8和R7串联、Z1和R8并联且Z1正端接地，R7、R8和Z1的结点接U7，U7的输出经U8反相输出，且U7的输出端按R9到VCC和接C9到地组成线路掉电检测电路5。正常运行，线路有电时，U7取得工频周期的输入方波，U7(集电级开路输出，反相器或NPN三极管)周期性导通。适当选择R9、C9的值使C9两端恒为低电平，U8输出高电平。线路失电后，U7输入为低，延时T0(由R9、C9决定)后U8输入高、输出为低。由U2的输出接R5、R5和C6的结点接U3的一个输入端，而另一端接掉电检测电路5的U8输出端和U5的输入端，U3的输出接U4的R端，C7和R6结点接U4的S端，C7另一端接地，U4的Q输出接U5的一输入端，U5的输出接U6组成脉冲宽度检测及故障判别电路4。正常运行时U2输出低，C6两端为低，U3输出高、U4输出高、U5输出低、U6输出高。当电流发生正突变后，U2输出高电平，C6充电，U3一个输入端延时t1获得高电平。适当选择R5、C6使T1＝T0＋t₁，这样当线路突变后，故障持续时间ΔT小于t1时，有ΔT＋T0小于T1，即U3的输入不能同时为高，故U3维持高电平输出。本判别电路无响应。当故障持续时间ΔT＞t1时，ΔT＋T0＞T1(t1＋T0)，当U3的一端从C6处获得高电平时，U8输出高电平尚未变低。U3获得全高输入，输出为低，触发U4的单稳电路，输出低脉冲，脉冲宽度T2，由R6、C7决定。适当选择R6、C7的参数，使T2＝t₂＋T0－T1。这样当故障持续时间ΔT大于t₂时，ΔT＋T0＞T1＋T2，即：U4的单稳低电平恢复为高时，U8尚未变低，故本判别电路仍无响应输出。当故障持续时间ΔT＜t₂，ΔT＋T0＜T1＋T2，U5的输入同时为低，输出为高。经U6反相后输出为低。给出了有效的触发信号。D5、R13、C12、R14、R15、T1、T2、R16、R17、T3、T4、SCR1、SCR2及L2组成动作和返回的驱动电路6，使得L2在动作和返回时获得相反的电流信号。

正常情况下C12经D5、R13充电贮能，桥式电路T1、T2、SCR1及T3、T4、SCR2均处于截止状态，L2无电流。当U6输出为低时，T1、T2导通，同时驱动SCR2导通。电容C12通过T2、L2、SCR2放电。L2获得从a流向b的电流。它可以驱动指示器处于动作状态。当R16处获得低电平时，T3和T4导通，同时驱动SCR1导通、电容通过T3、L2、SCR1放电。 L2获得从b流向a的电流，它可以又驱动指示器恢复为常态指示。

U9、C10、R10、U10、R18、U11及其R11、C11、R12组成定时电路7，正常状态下，U9的Q为低，U11的U_DD无电，U10输入为低，输出为高，当判别电路判为线路有故障时，U6输出为低，双稳触发器U9S端获得有效低电平，其Q输出为高，定时器U11初始化后开始计时，U11的基本时钟源可以是由R11、C11、R12组成的RC振荡器，(或晶体振荡器)，也可以是来自感应电流经整形后的工频50HZ时钟，U11可用4060、4541或4060等计数器组成。当定时时间到后，Q端输出高电平，经U10反相后，输出低电平，它一方面触发动作/返回驱动电路6，使其进行复位操作，另一方面，经延时T3(由C10、R10决定)后，使U9复位，其Q端输出低电平。U11失电后，停止计数，其Q端无输出。整个电路恢复为常态。

图5中D4、R1、Z2、C13、D6、E1组成上述控制电路的电源。当电力线路中正常工作电流较大时，利用其感应电流经倍压整流后的电平V＋经D4、R1给C13充电，Z2稳压，作为控制电路的工作电源，当线路正常工作电流较小或空载时，利用备用电源E1经D6给控制电路供电。

Claims (10)

1、一种短路故障电流通路的检测方法，它包括下列步骤：

(A)检测电流通路的正突变的电流变化率ΔI/t＞K；

(B)检测掉电，电流下降为零的时间ΔT；

(C)判断时间ΔT是否满足ΔT≤t₂；

(E)给出故障信号。

2、根据权利要求1的检测方法，其特征是：在步骤(C)之后执行步骤(D)判断时间ΔT是否满足：ΔT≥t₁。

3、一种执行权利要求1的检测方法的故障指示装置，主要包括卡线机构、逻辑判别和控制电路及指示器，其特征是：所说的逻辑判别和控制电路设有：

一个I/V转换电路(2)，将电流通路的感应电流转换成直流电压；

一个电流跳变检测电路(3)对短路突变电流做出响应，输出ΔI/Δt＞K的信号；

一个掉电检测电路(5)，检测电流通路的电流降零；

一个脉冲宽度及故障判别电路(4)对来自所说电流跳变检测电路(3)和所说掉电检测电路(5)的检测输出信号进行判别，判别为故障时，给出驱动指示器的驱动信号。

4、根据权利要求3的故障指示装置，其特征是：所说的指示器还有由桥式电路组成的动作和返回的驱动电路(6)。

5、根据权利要求3的故障指示装置，其特征是：所说的指示器还有定时电路，当定时时间到后，去触发动作和返回驱动电路(6)进行复位操作，且使整个电路恢复为常态。

6、根据权利要求2的故障指示装置，其特征是：电源(8)是通过I/V转换电路(2)获得电能，或利用电源EI经二极管D6向逻辑判别和控制电路供电。

7、根据权利要求5或6的故障指示装置，其特征是：所说的动作和返回驱动及执行电路(6)利用C12经二极管D5和电阻R13充电储能，作为动作或返回主要能量。

8、根据权利要求3的故障指示装置，其特征是：所说的动作和返回驱动执行电路(6)中的执行电路L2是电磁线圈、继电器或光电发射器件。

9、根据权利要求2的故障指示装置，其特征是：所说的脉冲宽度及故障判别电路(4)是由反相器U2的输出接电阻R5，电阻R5和电容C6的结点接与非门U3的一输入端，而其另一输入端则接掉电检测电路(5)的反相器U8的输出端和或非门U5的一输入端，与非门U3的输出接单稳态触发器U4的R端，电容C7负端接地，其与电阻R6的结点接S端，而Q端接电阻R6和或非门U5的输出接反相器U6组成。

10、根据权利要求2的故障指示装置，其特征是：所说的掉电检测电电路(5)是由电容C8，和电阻R7串联，而电阻R7接正端接地的稳压管Z1、电阻R8和反相器U7输入端，反相器U7的输出经反相器U8输出，而接电阻R9到电源VCC，接电容C9到地组成。

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