CN1238460A - 检测短路状态的方法和采用该方法的装置 - Google Patents

Abstract

一种快速检测电网中短路状态的方法和装置。该方法是基于短路负载电特征的估算和根据瞬时电流i(t)N次连续取样计算电流的峰值而进行的。如果通常是在电流实际获得该值之前就计算的值大于预先建立的阈值Icc，发射出信号(C)，表示短路故障。峰值计算可以在开关接通时或者在瞬时电流i(t)超过保护阈值时自动进行。另外，本方法可以同时确定短路的功率因素值cosΦ和短路瞬间电压的相位。

Description

检测短路状态的方法和采用该方法的装置

本发明涉及一种快速检测电路网络中产生短路状态的方法，以及采用这一方法的装置。

本发明的描述针对的是低压配电网中的应用。但是应当理解，本发明的应用并非仅限于此。本发明既可以应用于中电压网，也可以应用于低电压网。

在现代的低、中电压断路器中，检测故障的装置与断路器集成一体，并且这种故障检测经常是借助于电子型装置进行的。

然而，这种以极大电流并且需要很快采取的动作从而消除故障为特征的短路检测，现在仍由基于电动效应的机电装置来执行的。

这些短路检测装置的校准很困难，并且是根据经验来进行的，导致断路器动作次数的确定精度较低。

另外，采用这些机电装置，无法在短路故障的情况下收集有关故障的详细信息，例如表征故障的峰值电流、故障刚消失时电路的复阻抗或电压的相角。这些信息在诊断或统计时是有用的。

最后，在基于已知短路检测机理的自动断路器中，一旦检测到故障，无法防止断路器的开路。然而，在许多情况下，例如，在断路器是含有其他断路器的配电网的一部分的时候，即使故障是由几个断路器同时检测的，也希望用其中的一个断路器使电路开路。

因此，由于开路操作会影响其他参数并且/或者被指定给网络中出现的其他断路器，所以，技术上需要断路器能够检测短路故障而无需使所述断路器开路。

本发明的目的是解决上述技术课题，方法是克服现有技术的局限性，对网络中的短路状态进行快速检测，同时计算短路的功率因素值(cosφ)和短路瞬间电压的相位值。

上述目的是借助于本发明检测电网中短路状态的方法来实现的，该电网包含至少一个电压源，该电压源与至少一个负载相连。该方法的特征是，它包含下述操作阶段：

a)测量负载中的瞬时电流值i(t)及其第一微分值di(t)/dt；

b)对瞬时电流值i(t)进行N次连续取样；

c)估算由所述电压源观察的负载R、L的有效值；

d)当估算的负载值使得稳态峰值电流超过指定的阈值Icc时，产生短路检测信号C。

另外，本发明涉及一种检测电网中短路状态的装置，该电网包含与至少一个负载相连的至少一个电压源，所述装置的特征是，它包含：

模拟差分装置，该装置接收与瞬时电流i(t)成正比的信号作为输入，并送出代表第一微分di(t)/dt的信号作为输出；

两个模/数转换器，其输入与所述信号i(t)和所述差分装置的输出相连；

处理和检测装置，它与所述转换器的输出相连，并能够输出代表短路状态C的信号。

另外，本发明涉及一种检测电网中短路状态的装置，该电网包含与至少一个负载相连的至少一个电压源，所述装置的特征是，它包含接收正比于瞬态电流i(t)的信号作为输入的数/模转换器、与所述转换器的输出相连的数字差分装置(或滤波器)，以及与所述转换器和数字差分装置的输出相连的处理和检测装置，所述装置能够输出代表短路状态C的信号。

按照本发明，短路状态的检测基于在短路状态下对负载的电特性(特别是其阻抗)的估算。电流峰值通常是在电流实际达到所述峰值之前根据电特性的估算来计算的。如果该峰值比所要求的阈值Icc高，则该故障检测为短路。

也可以定义更复杂的故障状态，这时的阈值Icc取决于cosφ的值。

按照本发明的方法可以在几个毫秒的时间内很快地完成检测工作。

按照本发明的方法，优点是可以同时确定故障瞬间时的其它电路特征，比如，短路时的功率因素(cosφ)和短路瞬间电压的相位。

下面参照附图通过较佳但为非限定的实施例来描述本发明，其中，

图1示意描绘的是按照本发明的检测装置的结构；

图2描绘的是该装置的另一个实施例；

图3是描绘本发明原理的网络的示意图；

图4是短路状态的特性图。

首先参照图3描述本发明方法的原理。

该图中，应用本发明的电网用电压源装置10和由电抗元件L(感性)和电阻元件R组成的负载来表示。例如，源10是一个正弦波发生器(Ⅴ)，它具有已知频率(例如50Hz)和已知峰值(例如 伏)。应当强调的是，源10在图3中是一个电压发生器，这实际上是网络中不同源和发生器的示意表示。网络可以是单相、三相或在一般情况下是一个多相网络。

按照本发明的装置用一个方框装置11来表示，配备一个串联插在发生器10和负载(即，网络的其余部分)之间的断路器12。断路器的开路受电路(未图示)控制，该电路含有合适的传感器，并采用本发明的方法检测可能的短路状态。

参照图4，按照另一个实施例，本发明的方法用Is定义了第一“保护”阈值。换言之，监测流入负载中的瞬态电流i=i(t)，并判断其是否超过第一阈值。按照另一种更一般的形式，本方法没有这样一种限制，如下面描述的那样，从向网络供电的时刻开始，或者在某些其他预先建立的事件开始连续地并且/或者周期地直接进入这些阶段。

如果提供有保护阈值，那么在超过该阈值时，即形成短路的开始或形成部分瞬态，则以预先建立的时间间隔，例如图4中的时刻t1,t2,t3等表示的时间间隔，开始对连续的电流值进行取样。根据这些值重新构筑或预计电流i(t)的特性图，并从中得出负载参数。将这些参数与参考值比较，从而确立是否出现短路。如果没有保护阈值，则可以连续进行取样。

重要的是要注意，按照本发明，短路状态(即，当峰值电流阈值为＞Icc时)的检测通常不是从测量中得到的，这是因为本发明的方法能够预先根据预存储值估算或预测电流的特性图，所以也能预测是否逼近超过阈值Icc。甚至在很快的短路瞬态下，如果以很短或实际上为零的时间进行检测，那么本发明的方法可以获得有关该短路的信息。

按照将在下面详述的较佳实施例，取样电流特性图的估算是通过最小二乘方方法并用电流的归一化值获得的，以便简化处理。所以，按照本发明的检测短路的方法提出下面的步骤：

当归一化电流I(t)的瞬态值超过归一化阈值Is时，即Is=3时，计算归一化电流I(t)的特性。

在图3所示的电路中，归一化电流I(t)可以用下面的关系来表述：

I(t)=+αI’(t)+βcos(wt)+γsin(wt)    (1)

这里：

α=-tanφ；            (2)

β=kicosθ/cosφ；     (3)

γ=kisinθ/cosφ；     (4)

φ=arctan(L/R)

Io=归一化常数(通常是表征断路器特征的标称电流)；

Vo=标称峰值电压(例如 $\mathrm{VO}=220\sqrt{2}V$ )

w=电网的标称角频率(例如50Hz),w=2πf

I(t)=i(t)Io

I’(t)=[di(t)/dt],(1/wIo)

θ=电压的相位。

参数ki是电流i(t)稳定时的峰值和值Io之间的比值，而kiIo代表电流稳定时的峰值。Ki可以表述为：

Ki=[(Vo)/R²+W²L²)^1/2]/Io

或者考虑到上述给出的定义：

ki=(β²+γ²)/(1+α²)]^1/2

从上面可以清楚地看到，为了估算电路(R,L)的有效参数，估算参数Ki的值就足够了。

电压的相位θ是这样一个参数，它具有固定的时间原点，图3所示的正弦波发生器10的电压时间曲线v(t)可以定义为：

v(t)=Vocos(wt+θ)

正如所指出的那样，图3是所考虑的电网的等效表述(“戴维南等效”)，从而元件10、R、L不必是实际元件，而是由装置11观察的“等效发电机”和“等效负载”。

参数N可按如下确定：如果Dt是取样时间间隔的时间区间(例如100毫秒)，并且Tr是检测所需的时间(例如3毫秒)，则N可以表述为：

N=Tr/Dt。

关系1可以表述为下面的矢量形式：

[I(t)]=[ε’][φ(t)]

这里，矢量φ(t)定义为 $\mathrm{\Φ}\left(t\right)=\left[\begin{array}{c}{I}^{\′}\left(t\right)\\ \sin \mathrm{\ωt}\\ \cos \mathrm{\ωt}\end{array}\right]$

并且假设φ(t)’是φ(t)的转置矩阵。

矢量ε’是矢量 $\mathrm{\ϵ}=\left[\begin{array}{c}\mathrm{\α}\\ \mathrm{\β}\\ \mathrm{\γ}\end{array}\right]$ 的转置。

矢量ε计算为 ${\mathrm{\ϵ}}^{*}=\[\underset{t=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Φ}\left(t\right)\mathrm{\Φ}{\left(t\right)}^{\′}\]\·\[\underset{t=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Φ}\left(t\right)I\left(t\right)\]$

并且，ε^*的诸元定义为： ${\mathrm{\ϵ}}^{*}=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\α}}^{*}\\ {\mathrm{\β}}^{*}\\ {\mathrm{\γ}}^{*}\end{array}\right]$ 从而ki^*由下式表示：

ki^*=(β^*2+γ^*2)/(1+α^*2)]^1/2

将ki^*值与阈值k0比较。短路状态最好定义为这样一种情况，即ki值超过一预置值ko，但通常不超过ko=12。

如果ki^*＞k0，则不存在短路状态；否则，从监测电流的步骤起重复本方法。符号^*表示这些值是通过估算得到的。

从上述矢量ε，还可以用下面的公式计算参数cosφ的估算值cosφ^*和参数θ的估算值θ^*：

cosφ^*=1/(1+α^2*)^1/2

θ^*=arccos(cosφ^*/ki^*)

如前所述，其他的替换方法，比如平均二次方值(其缩写形式LMS是本领域中所熟知的)等可以用来估算短路电流。

图1描绘的是按照本发明的装置的一个实施例，它包含一个合适的计算电流瞬时微分的模拟差分滤波器。

模拟差分装置1例如通过传感器5接收正比于瞬时电流i(t)的信号作为输入，并输出代表其第一微分即“dt(t)/dt”的信号。另外，该装置分别包含两个模/数转换器2和3，将差分装置1输出的信号i(t)及其微分转换成数字形式。将转换器的输出馈送到处理和检测块4，处理和检测块4用本发明的方法检测短路状态，并输出信号C以及代表角相位和消失(extinction)角度的信号sin中和0。

尽管块4中的处理可以采用模拟的或数字的类似分立装置执行，但最好采用编程的微处理器系统执行。

另一方面，在采用相同的标号表示相应的部件的图2所示变异实施例中，配备了接收信号i(t)作为输入的A/D转换器2和与该转换器的输出相连的数字差分装置(或滤波器)6。采用与上述类似的方法，将块2和6的输出与块4相连。

上述描述是针对单相系统进行的，然而本发明也可以用来检测二相或三相系统中的短路状态。在有几个相的系统中，本发明可以独立地应用于不同的相。上文中参照特定的和较佳的实施例描述了本发明，但这些描述是非限定的，还可以包含各种变异和修改形式，这对本领域的技术人员是很明显的。

Claims (10)

1．一种检测电网中短路状态的方法，所述电网包含与至少一个负载相连的至少一个电压源(10)，其特征在于，所述方法包含下述几个操作阶段：

a)测量流入所述负载的瞬时电流值i(t)及其第一微分di(t)/dt；

b)对瞬时电流值i(t)进行N次连续取样；

c)估算由所述源(10)观察的电路(R,L)的有效参数；

d)当估算的负载值使得稳定峰值电流超过所赋予的阈值Icc时，产生短路检测信号(C)。

2．如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述阶段(b)可以通过瞬时电流值i(t)获得另一个阈值Is。

3．如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述瞬时电流值i(t)的连续取样次数N是固定的，并且定义为N=Tr/Dt，这里，Tr是检测所需的时间，而Dt是取样时间间隔的持续时间。

4．如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述电路(R,L)的有效参数是通过最小二乘方方法获得的。

5．如前述任何一个权利要求所述的方法，其特征在于，所述源(10)是一个正弦波电压发生器。

6．检测电网中短路状态的装置，所述电网包含与至少一个负载相连的至少一个电压源(10)，其特征在于，所述装置(11)包含：

模拟差分装置(1)，它接收正比于瞬时电流i(t)的信号作为输入，并输出代表第一微分dt(t)/dt的信号；

其输入与所述信号i(t)及所述差分装置的输出相连的两个模/数转换器(2,3)；以及

与所述转换器(2,3)的输出相连并输出代表短路状态信号(C)的处理和检测装置(4)。

7．检测电网中短路状态的装置，所述电网包含与至少一个负载相连的至少一个电压源(10)，其特征在于，所述装置(11)包含接收正比于瞬时电流i(t)的信号作为输入的数/模转换器(2)、与所述转换器的输出相连的数字差分装置(6)以及与所述转换器(2)和数字差分装置(6)的输出相连的处理和检测装置(4)，所述装置(4)能够输出代表短路状态的信号(C)。

8．如权利要求6或7所述的装置，其特征在于，所述处理和检测装置(4)还能够输出代表短路的功率因素值cosφ和短路瞬间电压的相位的信号。

9．如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述配电网是一个低电压或中电压的网络。

10．如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述网络是一个三相网络，而i(t)是每相中的电流。

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