CN1691449A - 用于自动断路器的自供电电子保护装置 - Google Patents

Abstract

本发明描述了一种用于自动断路器的电子自供电保护装置，包括：从被所述断路器保护的电网段获得能量的电源装置；包括至少两个工作级的控制装置，所述至少两个工作级中的第一级与防止瞬时短路SCinst的功能相关联，第二和可能的其他工作级与所述保护装置的其它功能相关联；包括用于调节电源的装置的选择接口装置，用于调节电源的装置在第一步骤中，紧随于断路器闭合电路之后，为所述第一工作级供电，并且在一段被控制时间之后，也为所述控制装置的所述第二和可能的其他工作级供电。

Description

用于自动断路器的自供电电子保护装置

本发明涉及应用于自动断路器(以下简称为断路器)的带有自供电系统和微控制器的电子保护装置(该电子保护装置以下简称为继电器)。

“自供电继电器”是指不需要专门的辅助电源也能够工作的继电器，对于继电器的工作，使用经由电源装置直接从被断路器保护的电网段中获得的能量。继电器的电源装置典型地包括一个或多个变流器(变流器从被断路器保护的电网段中获得能量)，并且包括电子电路(电子电路将充足的电力提供给继电器)。

由现有技术可知，在继电器的众多功能中，最主要的是检测故障和通过断路器控制电路的断路。特别地，在所有可能的故障当中，存在启动瞬间短路(表现为电流Iinst)，它能够在几毫秒的时间内造成巨大的不可逆的破坏。“启动瞬间短路”，以下简写为SCinst，是指断路器闭合电路那一瞬间已经出现的，或者伴随着电路闭合的短路。这种短路是非常严重的，因为它要求断路器和继电器当电路一闭合就马上断开。

然而，应该想到，断路器一旦处于闭合状态，为了保证继电器能够正常工作，必须等待一段短暂但重要的启动时间，期间电气元件和电子元件经历使其进入稳态状态的瞬变。这个时间一旦过去，继电器就能够执行正常的保护作用并通过断路器控制电路的开断。

继电器的一个特征数据就是继电器自身的启动时间Tsu。

启动时间Tsu是基于以下多个因素：

-上述继电器电源装置的电源启动时间(Tps)，该电源装置的输入为被断路器保护的电网段，而输出为对于继电器特征充足的电源；

-微控制器(例如，振荡器)工作所必需的继电器硬件部件的稳定特征时间(Thw)；

-微控制器中的软件的初始化特征时间(Tsw)；

-计算电流的时间(Tc)，即将来自电流传感器的信号处理为用于产生保护启动信号的形式所必需的时间。

忽略任何可能的局部重合，可以认为，启动时间Tsu为这些部分时间的总和，即，Tsu＝Tps+Thw+Tsw+Tc。因此，不带有任何附加策略的断路器，在时间Tsu内事实上是不可能提供任何保护的。因此，断路器保护下的系统的部分中在时间Tsu内可能发生的任何故障，不能被继电器彻底解决。

在现有技术中，已经有越来越多的更快速的系统和部件被研究和引入，他们能够把时间Tsu的值减少到15ms的范围内。在现有技术的当前情况下，如果出现瞬时短路的情况，仅仅减少Tsu是不足以将断路器置于安全状态。实际上，在瞬时短路(SCinst)的情况下，应该在2ms内跳闸。

现有技术中的其它系统是通过在主保护装置旁提供其它附加保护装置来解决瞬时短路(SCinst)的保护问题，这些其他的附加保护装置启动瞬态很快，并且能够进行具有对主保护装置显著预期的跳闸。现有技术中所采用的用于执行SCinst保护功能的附加保护装置是基于以下两种方案之一：

i)磁力方案，例如由设置在导体附近的传感器和制动器获得；以及

ii)使用简易元件(例如无源比较器)的电子方案，这些简单元件不带有微控制器，因此只受制于Tps。

从校准的精确和可能性的角度看，基于上述两种方案的附加保护装置比主保护器差，但是相较于后者，它的的优点是能够在短得多的时间间隔内反应。它们通常用固定的方法校准，使得它们在危险的电流水平下跳闸，即，当在比上述定义的时间Tsu短的时间内缺少主电路的中断可能使被断路器保护的电网段或者断路器自身暴露在永久的危险当中。

本发明的主题是一种配备有微控制器的新型保护装置，这种保护装置在很短的时间内提供SCinst保护功能、并利用微控制器的全部潜力，而不需要使用附加保护装置。

本发明的实现是通过使继电器具有至少两种不同的工作级，即，第一工作级(其中快速地提供SCinst保护功能)以及至少一个第二工作级(其中还实现继电器的其它功能)。

上述两种工作级能够借助于独立的微控制器(比如，至少一个微控制器用于执行SCinst保护功能，至少一个微控制器用于执行继电器的其它保护功能)中立地实现，或者只由一个微控制器来实现，其中这个微控制器具有至少一个具有优先启动权的、用于执行SCinst功能的部分，以及至少一个用于执行继电器其它功能的其他部分。

在由断路器保护的电路闭合的时候，使用能够从电网得到的全部能量启动与第二工作级相比具有优先权的第一工作级。

与继电器的其它功能(从立即可用的角度来说，它具有较次的重要性)相对应的第二工作级被随后启动。

这种方案在于，使用自供电继电器利用能够至少显著减少Tsn时间的策略即刻传输所有能量，从而也并且更重要地使得能够直接在微控制器上实现瞬时保护。

在微控制器执行瞬时保护具有很多优点，其中，复杂算法的复杂度仅受微控制器运算能力或者操作者可用的功能数量的限制。使用其它方案不能以低成本获得的这样的算法和功能的例子是：

-与使断路器更复杂、可靠性差的传统继电器相比，排除对附加装置的需要；

-根据连续或离散函数将跳闸阈值Iinst程式化的可能性；

-由操作者以精确、简单的方式(用数字而不是机械形式，或用借助于调整器)借助于任何类型的接口修改运算的所述阈值或其它参数；

-用与其相关联的电子设备对断路器的特征(典型地是跳闸阈值)进行采样，使得继电器自动适应其被安装在上面的断路器；

-与其它继电器进行数字交换，比如为了联锁功能；以及

-在RAM或非易失性存储器中记录和保存检测到的现象，从而通过本地或远程接口为操作者提供对于检测到的故障的更好的诊断，典型地是用传统系统不能检测的SCinst故障。

能够得到的其它优点是，例如，利用其它保护已经用到的同一H/W，降低成本。

根据本发明的用于自动断路器的电子自供电保护装置具有在以下描述中将更清楚得知的以上以及其他优点，其特征在于，它包括：

-电源装置，它从被所述断路器保护的电网段中获得能量；

-控制装置，包括至少两个工作级，所述至少两个工作级中的第一工作级与防止瞬时短路SCinst的功能相关联，第二和可能的其他工作级与所述保护装置的其他功能相关联；以及

-选择接口装置，包括用于调节电源的装置，用于调节电源的装置在第一步骤里、紧随在被断路器保护的电路闭合之后，为所述第一工作级供电，而在一段受控的时间之后，它还为所述控制装置的第二和可能的其他工作级供电。

根据本发明的电子自供电保护装置中，控制装置可以包括微控制器，其包括两个被分别供电的部分，第一部分与所述至少两个工作级的第一级相关联，而第二部分与所述至少两个工作级的第二级相关联。

可选地，根据优选实施方式，所述控制装置可以包括第一微控制器和第二微控制器，第一微控制器与所述至少两个工作级的第一级相关联，而第二微控制器与所述至少两个工作级的第二级相关联。在这种情况下，所述第一微控制器优选地是低功率型的，具有减少了的达到稳态状态的时间。

在至少两个微控制器的情况下，所述第一微控制器优选地与防止瞬时短路SCinst的功能和内部时钟的功能相关联。为此，能够使用带有内部振荡器的微控制器。

根护本发明的电子自供电保护装置中，电源装置优选地包括一个或多个变流器，变流器从被断路器保护的电网段的导体中得到能量。

优选地，根据本发明的电子自供电保护装置中，所述调节装置包括用于为所述第一工作级供电的第一供电调节器，并且更为优选地包括也为所述第二和可能的其他工作级供电的第二供电调节器。“用于为所述第一工作级供电”和“用于也为所述第二和可能的其他工作级供电”表示所述第一和第二供电调节器分别用于为与所述第一、第二和可能的其他工作级相关联的硬件部分供电。

根据本发明的电子自供电保护装置的特定实施方式，所述第一工作级包括当能量供电功能可用时至少管理所述两个工作级的启动。

优选地，根据本发明的所述电子自供电保护装置的控制装置与高速电流传感器相关联，其优选是由Rogowski线圈组成。

一般来说，本发明涉及一种用于自动断路器的电子自供电保护装置，其特征在于，它包括SCinst功能启动时间少于或等于2ms的电子控制装置。

由借助于附图对根据本发明的用于编程和对话的装置及方法的优选但不唯一的实施例的描述(以指示并且非限制的例子的方式说明)，我们将更加清楚地看出其他特征和优点，其中

-图1是根据本发明的电子自供电保护装置的实施例的框图。

参考图1，根据根据本发明的电子自供电保护装置(作为整体用参考序号1来表示)包括电源装置2，其从由保护装置自身与其相关联的断路器所保护的电网段获得能量。优选地，电源装置2包括一个或更多的变流器21，它从被断路器保护的电网段的导体得到能量。

根据本发明的装置还包括控制装置3，控制装置3包括至少两个工作级，所述至少两个工作级中的第一级与防止瞬时短路SCinst的功能相关联，第二和可能的其他工作级与所述保护装置的其它功能相关联。这里还包括选择接口装置4，它包括用于调节所述电源的装置41和42，这些调节装置在第一步骤中，紧随被断路器保护的电路闭合之后，为所述第一工作级供电，并且，在一段被控制的时间之后，也为所述控制装置的所述第二和可能的其他工作级供电。

根据本发明的电子自供电保护装置1的第一实施例，控制装置3可以包括微控制器，微控制器具有能够被分别供电的两个部分31和32，第一部分31与所述至少两个工作级中的第一级相关联，而第二部分32与所述至少两个工作级中的第二级相关联。

可选地，根据优选实施例，所述控制装置3可以包括第一微控制器31和第二微控制器32，第一微控制器31与所述至少两个工作级中的第一级相关联，第二微控制器32与所述至少两个工作级中的第二级相关联。而且，第一微控制器31可以优选地与防止瞬时短路SCinst的功能和内部时钟的功能相关联。为此，可以使用带有内部振荡器的微控制器。

根据本发明的电子自供电保护装置的图1中的实施例，调节装置4包括用于为所述第一工作级供电的第一供电调节器41，以及更为优选地包括也为所述第二和可能的其他工作级供电的第二供电调节器42。第一供电调节器41通常是功率较低而速度更快，通常适用于单独的低功率微控制器。第二供电调节器42却是功率更大，并且当其执行所有功能时(在只有一个控制器的情况下)适用于微控制器的高吸收水平，或是适用于第二微控制器32，它执行第二工作级特有的功能(如图1所示)。

调节装置4还包括调节框44，当电路断开时，它在第一供电调节器41和地之间产生高电压，这个高电压为所述第一供电调节器41所利用。而当电路闭合时，它使得能够为第二供电调节器42提供更多功率。

根据本发明的电子自供电保护装置的特定实施例，根据可用的电源能量，第一微控制器31通过框43至少管理第二微控制器32的启动。

本发明采用的考虑使用两个工作级的方案，通过优化组成本发明的装置的所有部件使得能够显著减少启动时间，具体方法是：

a)使用电源2和接口4，这将使得能够从用作外部供电源的变流器尽可能快地获得能量、利用开路的传感器以及使电压穿过它们；相同电源提供启动器所必需的电压，以便由断路器断开电路；

b)使用带有内部振荡器的微控制器31，这使得能够大大减少达到稳态状态的时间，甚至在10μs之内；同一微控制器保证了与自供电一致的低吸收水平(正常工作状态下在2mA的范围内)；

c)由于微控制器31的调整在于很少数量的功能(典型地是SCinst和时钟)，所以显著减少了微控制器启动的时间，这实际上受到SCinst保护功能所必须使用的H/W特征(外设)和S/W特征(运算的数据结构)的限制；以及

d)使用Rogowsky线圈作为电流传感器，其通过产生与电流导数成比例的信号，实际上以90°(50Hz时对应5ms)来预期电流信号，以这种方式使得保护算法能够早期干预。

依据所述方案，根据本发明的装置能够以大概1.5ms的时间实现瞬时保护，其中典型地是1ms用于a)，而500μs用于b)和c)。从这点开始，微控制器准备跳闸，并且跳闸时间取决于算法。因此可以说，根据本发明的用于自动断路器的电子自供电保护装置的特征在于它包括电子控制装置，电子控制装置的SCinst功能启动时间少于或等于2ms。

根据本发明的电子自供电保护装置一般应用于自动断路器，特别是低电压自动断路器。

实际上已经看到了根据本发明的装置如何实现预置任务以及预置目的。由此设计的装置可以进行多种改进和变化，它们都落入本发明构思的领域中；而且，所有部件可以被其它技术等同物替换。实际上，材料以及尺寸可以是根据要求和本领域现状的任何材料和尺寸。

Claims (13)

1.一种用于自动断路器的电子自供电保护装置，其特征在于，所述电子自供电保护装置包括：

从被所述断路器保护的电网段获得能量的电源装置；

包括至少两个工作级的控制装置，所述至少两个工作级中的第一级与防止瞬时短路SCinst的功能相关联，第二和可能的其他工作级与所述保护装置的其它功能相关联；以及

包括用于调节所述电源的装置的选择接口装置，其中，所述用于调节所述电源的装置在第一步骤中，紧随于断路器接通所述电路之后，为所述第一工作级供电，而在被控制的一段时间之后，也为所述控制装置的所述第二和可能的其他工作级供电。

2.根据权利要求1的电子自供电保护装置，其特征在于，所述控制装置包括微控制器，所述微控制器包括能够被分别供电的两个部分，第一部分与所述至少两个工作级中的所述第一级相关联，而第二部分与所述至少两个工作级中的所述第二级相关联。

3.根据权利要求1的电子自供电保护装置，其特征在于，所述控制装置包括第一微控制器和第二微控制器，所述第一微控制器与所述至少两个工作级中的第一级相关联，所述第二微控制器与所述至少两个工作级中的第二级相关联。

4.根据权利要求3的电子自供电保护装置，其特征在于，所述第一微控制器是具有减短的达到稳态状态的时间的低功率型微控制器。

5.根据权利要求3或4的电子自供电保护装置，其特征在于，所述第一微控制器与防止瞬时短路SCinst的功能和内部时钟功能相关联。

6.根据一个或多个前述权利要求的电子自供电保护装置，其特征在于，所述供电装置包括一个或多个变流器。

7.根据一个或多个前述权利要求的电子自供电保护装置，其特征在于，所述调节装置包括用于为所述第一工作级供电的第一供电调节器。

8.根据权利要求7的电子自供电保护装置，其特征在于，所述调节装置包括用于为所述第二和可能的其他工作级供电的第二供电调节器。

9.根据一个或多个前述权利要求的电子自供电保护装置，其特征在于，所述第一工作级包括根据可用的供电能量至少管理所述第二工作级的启动。

10.根据一个或多个前述权利要求的电子自供电保护装置，其特征在于，所述控制装置与高速电流传感器，特别是Rogowski线圈电流传感器相关联。

11.一种用于自动断路器的电子自供电保护装置，其特征在于，所述电子自供电保护装置包括SCinst功能启动时间少于或等于2ms的电子控制装置。

12.一种自动断路器，包括根据一个或多个前述权利要求的电子自供电保护装置。

13.一种低电压自动断路器，包括根据权利要求1-11中一个或多个的电子自供电保护装置。