CN1186867C - 选择性电子断路装置 - Google Patents

Abstract

选择性断路装置的瞬间断路阈值(S)是代表电流达到峰值需要的时间的变量(tc)的递减函数。该变量曲线S(tc)配置在通过实验得到的第一和第二曲线之间并且表示电流的峰值包络。第一曲线是当与选择性断路单元相关的电路断路器隔离时得到的和第二曲线是当与另外的下游电路断路器串联时得到的。

Description

选择性电子断路装置

                           发明背景

本发明涉及一种与电路断路器有关的选择性电子断路装置，并包括：

-测量流过电路断路器的电流的装置；

-处理装置，连接到该测量电流的装置并包括用于确定代表电流峰值的量值的装置和用于比较所述量值与瞬间断路阈值以便当所述量值超过所述阈值时提供一个瞬间断路信号的装置。

已知电子断路装置包括一般具有微处理器的处理单元，具体执行长延迟、短延迟和瞬间断路功能。为了实现在串联或级联连接的两个电路断路器之间的选择性，已知提供给上线路(up-line)电路断路器高额定值和提供给下线路(down-line)电路断路器低额定值。在这种情况下，瞬间断路的选择是电流强度型的，下线路电路断路器的瞬间断路阈值低于上线路电路断路器的阈值。

还已知两个电路断路器之间使用一种基于时间的选择性。在这种情况下，上线路电路断路器的断路装置具有比下线路电路断路器的断路装置的瞬间断路时间大的瞬时短路延迟。当短路电流非常高时，这两种选择性的类型不是始终有效的，因为在两个电路断路器达到高电流阈值并且相关断路器的太长的时间延迟可能导致上线路电路断路器的接点过早地耗损。

为了减小上述的缺点，文献EP-A-128084中已经提出了一种选择性断路装置，该装置包括一个计数器，在短路的情况下，能够计数电路断路器接点的连续开-关周期。

文献EP-A-872939中还提出一种解决方案，如果对低于预置的阈值的主电流检测斥力(repulsion)，则可以使瞬间断路命令无效。

在图3和图4中详细描述的另外一种选择性瞬间断路，当电流超过第一低的阈值时，利用一个时间延迟，而在这个时间延迟以后使用第二较高的阈值。

在所有公知选择性断路装置中，在作出瞬间断路判断前，实际上需要等待至少两个短路电流峰值，这导致电路断路器接点的有害的耗损。

                           发明目的

本发明的目的是提供一种不存在这些缺点的选择性断路装置。按照本发明的选择性断路装置具有比公知选择性断路装置快的特点，同时实现利用下线路电路断路器的选择性，使得在短路发生的情况下接点耗损降低到尽可能地小。

这个目的是通过这样来实现的，即处理装置包括：用于确定代表电流达到峰值所需时间的第二量值的装置；和用于根据该第二量值的递减函数确定瞬间断路阈值的装置。

按照本发明的开发，瞬间断路阈值根据配置在第一和第二之间的代表电流峰值包络的一条曲线按照第二量值改变，当相关的电路断路器不与另外的连接到下线路的电路断路器串联连接时，获得第一曲线，当相关电路断路器与连接到下线路的另外电路断路器串联连接时，获得第二曲线。该第一和第二曲线最好是利用实验确定。

因此，当相关电路断路器与下线路电路断路器串联连接时，按照本发明的断路装置能使相关的断路器在没有情况时不开路。但是，在不存在下线路电路断路器的情况下，在小于一个电流半周期下检测出该电路断路器不存在，这样能使在短路的情况下接点的斥力的破坏影响减到最小。

                           附图简述

从下面仅作为非限制性例子的并结合附图表示的具体实施例的描述中，其它优点和特点将变得更为清楚，其中：

图1以方框图形式表示其中本发明可以实施的已知类型的断路装置；

图2示意性地表示包括其中按照本发明的断路装置可以使用的串联连接的电路断路器的电气安装的一个具体实施例；

图3和4表示利用时间延迟的公知型选择性瞬间断路装置的操作；

图5和6表示具有一定的极限容量的断路装置中预期短路电流的两个不同值(虚线)的主电流Ip(实线)相对于时间的变化；

图7表示代表分别在单一电路断路器(虚线)中和在与位于下线路(实线)的另外的电路断路器串联相连的电路断路器中实验测量的主电流Ip随时间变化的两族曲线；

图8表示当电流Ip的第一峰值出现时，单一电路断路器和利用两个串联相连的电路断路器的分别相对于时间tc的两族曲线的峰值包络E1和E2，曲线E3表示按照本发明的瞬时断路阈值；

图9到12表示代表按照本发明的瞬时断路阈值的S值相对于电流达到峰值所需时间tc的曲线的各种实施例；

图13表示按照本发明在断路装置中测量的电流I相对于时间的变化；

图14是图13的另一个实施例，其中断路装置通过取样执行电流I的测量；

图15和16表示能够用于按照本发明的断路装置的处理流程的两个可替代的实施例；

图17和18表示能够用于本发明的断路装置的已知类型电流传感器的两个具体实施例。

                      优选实施例的详细描述

在图1中，电路断路器的接点1能使在电源系统2的导线中流动的电流被中断，在提供的特定的实施例中该电源系统是三相的。与电路断路器相连的电子断路装置包括连接到馈送代表流过电源系统导线的主电流的信号的电流传感器4a、4b和4c的处理单元3。处理单元3可以执行各种断路功能，并当需要时馈送断路信号到相关的电路断路器的接点1的开路继电器5。在图1表示的处理单元3包括最好是基于微处理器的电路的处理电路6，可以经整形电路7接收代表所测量的电流的信号。整形电路具体执行由电流传感器馈送的信号的整流。

处理单元还包括给处理电路提供适当电源电压Vdc的电源电路8。在图1表示的实施例中，断路装置是自供电的，即，电源电路8是由电流传感器4a、4b和4c经整形电路7馈电的。在电路断路器开路以后，电源电压Vdc不存在。

在图2中表示的电气安装包括第一电路断路器9或上线路电路断路器，其连接到主线路10并馈电到次线路11，次线路连接到两个下线路电路断路器12和13。

如果短路发生在由下线路断路器馈电的线路14，图2中的电路断路器12、上线路电路断路器9检测到这一故障。但是，其应该进行选择，并且在这种情况下，不能立即断路。实际上，下线路电路断路器12也检测到这一故障，开路并消除短路电流。选择性的上线路断路器9不再检测到故障，不进行断路，并继续对诸如电路断路器13的其它断路器或设备供电。

当短路发生在直接由上线路断路器9供电的线路11时，仅由上线路断路器9检测到。在这种情况下，上线路断路器9必须尽可能快地断路。

在现有技术中，上线路断路器的选择性是例如由一种连接到上线路电路断路器的并利用时间延迟的选择性断路装置实现的。参照图3和4对这种断路装置的操作进行简单描述。

选择性断路装置的处理单元6比较电流I与一个低的阈值Sb。当在时间t1(图3)达到这个阈值时，时间延迟信号A改变值。例如，在图4中的时间t1，信号A从0变化到1。在预置时间延迟持续期T，信号A保持这个值1，然后在时间t2复原到其初始值0。在一个优选实施例中，对于工作在50Hz的供电系统，该时间延迟具有持续期T＝8.125ms。

在整个时间延迟持续期中，选择性断路装置不进行断路。然而，如果存在一个下线路断路器，在这段期间选择性断路装置能使下线路断路器清除故障。在该时间延迟结束时，选择性断路装置比较电流I与Sh＞Sb的高阈值。如果下线路电路断路器在t2前的时间延迟期间已经清除了故障，则由选择性断路装置测量的I不超过阈值Sh。另一方面，在时间t2，或者由于不存在下线路电路断路器，或者由于后者的不正常工作，或者由于该故障不影响下线路电路断路器(例如，在图2的线路11短路)，故障可能没有被清除。在这种情况下，如图3所表示，电流I超过高阈值Sh并且选择性断路装置引起上线路电路断路器开路。因此上线路电路断路器的断路被延迟并且例如为14ms的这个延迟引起线路断路器的损伤。在上线路电路断路器中流过的故障电流在其达到它的峰值两倍前是不会断开的。实际上，具体取决于取样频率，在上线路电路断路器发生开路前，经过峰值经常需要等待3个阶段。

本发明的目的是消除这种缺点。如果下线路电路断路器存在并且能够很快地断路，或如果下线路断路器不存在，能够在小于半个周期内很快地断路，按照本发明的选择性断路装置必须能够不断路，使得上线路断路器的接点的斥力(repulsion)破坏影响最小，并增加由该电路断路器能够执行断路操作的次数。

在短路电流事件发生时，本发明取流过上线路电路断路器的主电流的某些部分。

已知在短路发生的情况下，电路断路器具有某种限制能力，这种能力取决于电路断路器的类型。图5和6表示对于预期的短路电流的两种不同值的主电流Ip相对于时间的变化。在图5中，预期的150kA rms的短路电流(虚线)给出峰值为35kA、持续期为3ms的限定电流。另一方面，在图6中，低于图5的例如为100kA rms(虚线)的预期的短路电流，产生峰值略低于前者的峰值为30kA的、持续期大于前者的持续期为6ms的限定电流。

图7表示通过实验获得的并表示在短路情况下电路断路器中主电流Ip相对于时间的变化的两族曲线。以虚线表示的第一族曲线对应于一个单电路断路器。以实线表示的第二族曲线对应于当短路电流流过下线路电路断路器时流过上线路电路断路器的主电流，该上线路电路断路器是与下线路电路断路器串联连接的，产生额定值(rating)比上线路电路断路器低的下线路电路断路器接点的斥力(repulsion)，并限制流过两个电路断路器的短路电流。在每个曲线族中，如图5和6所示，不同预期短路电流值获得不同曲线，当第一峰值电流的幅度降低时，主电流的持续期增加。

还可以看出，对于相同预期短路电流，当下线路电路断路器已经被抑制时(实线)第一峰值出现比当上线路断路器是单独(虚线)时更快。在图7中，两族曲线的峰值的包络已经被粗体线表示出来。

对于每族曲线，进行了测试来修改两族曲线的预期短路电流和测试结束角度(相对于零交叉的偏移)，以便考虑到对于短路设想的各种不同情况(幅度、对称、非对称的短路等)。按照这种方式，当第一峰值出现时，可以对每个电路断路器绘制出相对于时间tc的两族曲线的峰值Ic的包络。在图8中，曲线E1对应于利用单电路断路器获得的包络和曲线E2对应于利用串联连接的上线路和下线路电路断路器获得的包络。因此，当第一峰值出现时，峰值电流幅度Ic的两个值都与时间tc1相关，第一个值Ic1对应于电路断路器是单独的情况(曲线E1)，并且第二个值Ic2对应于电路断路器与下线路电路断路器串联的情况(曲线E2)。当第一峰值出现时，在每个tc1时间，第二个值Ic2低于第一个值Ic1。

本发明利用这种特性使选择性断路装置能够当短路发生时区别电路断路器是单独的情况和下线路电路断路器相串联的情况，从而相应地调整其瞬间断路对策。

为此，定义一个瞬间断路阈值S，当电流信号峰值出现时，它是一个时间tc的递减函数。在图8中，曲线E3代表这个函数S(tc)。曲线E3位于曲线E1和E2之间。因此，包括在曲线E1和E2的相关值(Ic1、Ic2)之间的阈值(S1)(Ic2＜S1＜Ic1)对应于当第一峰值出现时的值(tc1)。

电路断路器额定值之间的距离越大曲线E1和E2之间的距离越大。这个距离还随着下线路电路断路器的极限容量而增加。下线路电路断路器的极限容量越高，对应的峰值越低。利用具有较好的极限容量的下线路电路断路器和容量没有限制的上线路电路断路器，获得最佳的距离，上线路电路断路器的额定值至少是下线路电路断路器的额定值的两倍。

值Ic代表主电流的峰值。选择性断路装置实际上以非常方便的方式使用电流传感器测量的值。

按照本发明的第一实施例，如图9和10所示的函数S(tc)是一种阶梯函数(step function)。这种类型的函数特别适合以表的形式存储在基于微处理器的断路装置中。

在图9中，表示了两个曲线S(tc)，曲线E3b相对于曲线E3a在时间上是交错排列的。曲线E3a被用于自供电断路装置(图1)中，其中处理电路的供电仅经电流传感器提供，即，处理单元是不事先供电的。曲线E3b被用于断路装置被例如由辅助电源始终供电的情况(先对处理单元供电)(或在短路电流出现时电路断路器在额定电流下已经工作)。

在图10中，曲线E3d相对于曲线E3c在幅度上是交错排列的。例如，曲线E3c被用于与额定值250A的电路断路器相关的断路装置，而曲线E3d被用于与例如为630A的较高额定值电路断路器相关的断路装置。对于相同的时间tc值，对应于曲线E3d的阈值大于对应于曲线E3c的阈值。

对应于各种可能选择(有或没有先供电、不同额定值)在选择性断路装置中可以提供多个表，并当进行其安装时，使在断路装置中选择的选项有效。

按照本发明的另一个实施例(图11)，函数S(tc)可以由多个不同斜率的直线段构成的。如图9和10所示，这个函数可以按照各种可能的选择在时间上或在幅度上分级(staggered)。

上述同样适用于图12的实施例的情况，其中函数S(tc)从数学函数得到的。

下面将参照代表馈送到断路装置(在没有断路的情况)的处理电路6的电流I相对于时间变化的图13，说明按照本发明的选择性断路装置的一个具体实施例的操作。

在这个具体实施例中，处理电路将电流I与一个低阈值比较。只要达到这个阈值(时间t3)，断路装置初始化需要达到它的第一峰值Ic(时间t4)的时间Tc的计数。利用上面定义的类型的预定曲线S(tc)，断路装置相应地调整瞬间断路阈值为S(Tc)值。在时间t4，如果电流Ic超过阈值S(Tc)，相关的电路断路器被认为是单独的并且立即产生断路命令。另一方面，在时间t4，如果电流Ic仍然低于阈值S(Tc)，则断路装置认为，相关的电路断路器是与下线路电路断路器串联连接的，并且不进行断路，然后下线路电路断路器清除该故障。

因此，在没有下线路电路断路器的情况下，对于自身连接的电路断路器不存在断路时间延迟，因此降低该电路断路器的耗损。信号的第一峰值(t4)一出现就将被判定没有时间延迟，利用本发明的选择性断路装置，电路断路器对短路能够执行的断路数量可以从现有技术的2或3增加到6到9。

按照一个优选实施例，正如图14所表示，断路装置的处理电路通过取样执行电流测量。电流是利用预置的取样周期Te进行取样的。

按照图15的流程图，处理从初始化步骤F1开始，在这期间代表电流达到峰值的时间的量值Tc被复位为0。然后，处理电路执行(F2)电流样值的测量。然后，比较(F3)这个样值的幅度与低阈值Sb。如果这个幅度低于或等于Sb(F3输出否)，则电路返回步骤F2。如果已经达到该阈值Sb(F3输出是)，处理电路递增Tc的值(F4)：Tc＝Tc+1。因此，当第一样值的幅度(图14置的I1)超过阈值Sb时，量值Tc取值1。然后，处理电路确定(F5)与这个Tc值相关的阈值的值S(Tc)。然后检查(F6)是否已经达到峰值。如果是没有达到的情况(F6输出否)，则在返回步骤F4前，执行新的I的测量(F7)。在每个新的样值情况下，量值Tc被递增并且对应的阈值被确定。当达到峰值(F6输出是)时，处理电路比较最后的样值与阈值S(Tc)。如果该阈值未被超过(F8输出否)，则处理完成，短路电流被下线路断路器处理掉。另一方面，如果该阈值被超过(F8输出是)，则处理电路触发(F9)电路断路器。

在图16的另外一个实施例中，去掉步骤F5，并由在F6和F8之间执行的等效步骤F10替代。因此，在第一实施例中，阈值被不断地适配测量的量值Tc的最后的值。另一方面，在第二实施例中，阈值仅在当峰值已经达到时进行确定，这种方法最小化每个样值的处理时间。

在一个优选实施例中，当电流值下降时，即当最后样值的幅度小于以前的样值时，认为达到了峰值。在图14中，第5样值(I₅)的幅度小于以前的样值(I₅＜I₄)。因此，当量值Tc等于5时认为已经达到峰值，这个5代表取样周期Te的5倍。然后，对应于这时间的阈值被用于进行判断如果要求的话执行瞬间断路。

为了使获得的结果可靠，由传感器提供的电流应当表示主电流。传感器的剩磁(remanence)越小，其越不饱和，结果越可靠。图17和18表示满足这些条件的已知的两种类型的电流传感器。

按照图17的电流传感器是一种线性传感器。它包括一个磁路和一个由线圈16形成的次级绕组。一般，由一叠矽钢片构成的磁路围绕有流过将要测量的主电流的电源系统的导线17。磁路15的部分18通过次级绕组的中心并构成线圈16的铁芯。

在图18中表示的电流传感器的优选实施例是在文献EP-A-704867中描述的具有分路效应(shunt effect)的铁芯传感器。该传感器包括一个磁分路19，分路地连接到次级绕组的磁芯上并包含一个空气隙20。具体，这种类型的电流传感器比其它类型的传感器提供更小的剩磁，使得其能更可靠地测量第一峰值。

但是，本发明并不仅限于一种特定类型的电流传感器。也可以利用其它类型的线性电流传感器。例如，可以利用空气电流传感器、铁芯电流传感器、霍尔效应电流传感器等。

本发明同样可以很好地应用到单相或者多相电源系统。在多相电源系统中，对每个相位分别执行处理。

低阈值Sb(图13和14)最好是不为0。考虑到选择的Sb值对曲线S(tc)进行调整。

Claims (10)

1.一种与电路断路器(9)相关的选择性电子断路装置，包括；

用于测量流过电路断路器的电流的装置(4a、4b、4c)；

处理装置(3)，连接到该电流测量装置，包括：用于确定代表电流峰值的量值的装置(F2、F7)，和用于比较所述量值与瞬间断路阈值S(Tc)以便当所述量值超过所述阈值时提供瞬间断路信号(D)的装置(F8)；

断路装置的特征在于处理装置(3)包括：用于确定代表电流达到峰值需要的时间的第二量值的装置(F4)，和根据该第二量值(Tc)的递减函数，确定瞬间断路阈值的装置(F5、F10)。

2.按照权利要求1的断路装置，其特征在于，瞬间断路阈值S(Tc)按照根据配置在代表电流的各峰值的第一和第二曲线(E1、E2)之间的曲线(E3)的第二量值(Tc)变化，第一曲线(E1)是当相关的电路断路器(9)未与连接到下线路的另外的电路断路器串联连接时得到的，第二曲线(E2)是当相关断路器(9)与连接到下线路的另外的电路断路器(12、13)串联连接时得到的。

3.按照权利要求2的断路装置，其特征在于，第一和第二曲线(E1、E2)是通过实验确定的。

4.按照上述各权利要求的任何一个的断路装置，其特征在于，第二量值(Tc)代表电流从电流超过预置的低阈值(Sb)的瞬间达到峰值需要的时间。

5.按照权利要求1的断路装置，其特征在于所述第二量值(Tc)的递减函数是阶梯函数。

6.按照权利要求1的断路装置，其特征在于所述第二量值(Tc)的递减函数是由多个具有不同斜率的直线段构成的。

7.按照权利要求1或2的断路装置，其特征在于，对于预置的第二量值(Tc)，瞬间断路阈值的幅度随着电路断路器的额定值而增加。

8.按照权利要求1到3的任何一个的断路装置，其特征在于，当处理装置未被事先提供时，所述瞬间断路阈值的变化曲线按时间交错排列。

9.按照权利要求1到3的任何一个的断路装置，其特征在于，用于测量电流的装置包括至少一个线性电流传感器。

10.按照权利要求1到3的任何一个的断路装置，其特征在于，用于测量电流的装置包括至少一个具有分路效应的铁芯传感器。

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