CN1950918A

CN1950918A - 用于切断交流电网中出现的故障电流的方法和装置

Info

Publication number: CN1950918A
Application number: CNA2005800141954A
Authority: CN
Inventors: L·穆勒; M·斯塔尼克
Original assignee: ABB T&D Technology AG
Current assignee: ABB Technology AG
Priority date: 2004-05-04
Filing date: 2005-04-26
Publication date: 2007-04-18
Also published as: US7450362B2; WO2005106911A1; US20080019063A1; EP1743348A1; DE102004021978A1

Abstract

所述方法和装置用于切断交流电网中出现的故障电流(I)。在执行该方法时，在保护设备(PU)内产生的用于打开功率开关(CB3)的断开命令(OP)供给同步控制设备(ISD)，该命令(OP)在同步控制设备(ISD)中被一直抑制，直到开关(CB3)能够被电网同步地打开。为保证在同步控制设备(ISD)故障时仍能安全切断故障电流，该方法执行下述步骤：监控从保护设备(PU)输出的断开命令(OP)以及故障电流信号或者从开关(CB3)输出的状态信号(S)，并且如果故障电流信号或者状态信号(S)在输出断开命令(OP)后经过延迟时间(t_d＝50ms)之后仍存在，则产生紧急断开命令(OP(b))，所述延迟时间大于开关的固有动作时间和为消除在打开开关时产生的开关电弧的时间的总和。所述装置具有故障保护(BP1，BP2)，其内执行所述步骤。

Description

用于切断交流电网中出现的故障电流的方法和装置

技术领域

本发明涉及根据权利要求1的前序部分的用于切断交流电网中出现的故障电流的方法以及根据权利要求5的前序部分的用于切断该电流的装置。所述方法和装置一般在高压电网中使用，但是也可以毫无困难地在中压或者低压电网中使用。

在电网中出现故障电流时，上述方法在保护设备中产生一个断开命令用于打开开关。然后该命令被供给同步控制设备，在其内该命令被一直抑制，直到能够电网同步(netzsynchron)地打开在电网中所设置的开关。这里电网同步地开关意味着，开关的触点在产生开关电弧的情况下延迟到这样的时刻才打开，从该时刻起在打开时刻和在电流过零中电流的中断之间变换为开关电弧的电功率尽可能小。

在此使用的装置既包括保护设备也包括同步控制设备。

背景技术

利用前序部分，本发明参考用于电网同步地开关故障电流的方法和装置的现有技术，如在CH 443 443 A和EP 938 114 A1中说明的技术。

在CH 443 443 A中说明的切断交流电网中出现的故障电流的方法中，用于打开高压功率开关的断开命令被一直抑制，直到在以电网频率振荡的电流在经过电流最大值之后具有下降的趋势并且降到边界值以下。由此能够切断具有大的电流振幅的短路，不使其发生影响和以不允许的方式对于开关进行机械、电气和/或热的加载。

一种从EP 938 114 A1公知的用于电网同步地切断在高压交流电网中设置的功率开关的装置具有控制电网同步地断开开关的设备以及上级的保护设备，其在出现故障电流时输出用于断开开关的命令。该控制设备能够识别故障电流和在考虑开关的固有动作时间和故障电流的下一电流过零的情况下计算超前时间，在该超前时间经过后把断开命令供给开关，其被电网同步地断开。

发明内容

本发明，如在权利要求1到7中所定义，解决以下任务，即提供在开始时提到的那类方法和装置，它们各自的特征在于高操作安全性。

在根据本发明的方法中，这一高操作安全性通过执行下述给出的方法步骤实现：监控从保护设备输出的断开命令以及故障电流或者从开关输出的状态信号，以及如果故障电流或者状态信号在输出断开命令后经过第一延迟时间之后仍存在，则产生第一紧急断开命令，所述第一延迟时间大于开关的固有动作时间和为消除在打开开关时产生的开关电弧的时间的总和。

使用根据本发明的方法，当同步控制设备故障时仍能安全地断开，因为适当构造的故障保护能够迅速识别故障并且在经过小的第一延迟时间后容易地实现断开。经过第一延迟时间后故障电流中存在的直流部分减小。于是在断开时开关的由于故障电流和开关电弧的作用引起的机械的、热的和电的负载被极大地减小。由此避免开关的极大损坏和其提前老化。

如果故障电流的直流部分如在高压电网中所允许的那样以4ms的时间常数减小，则在大约为30到70ms的延迟时间后电流振幅业已减小到不再对开关施加过高的负载。

建议如下扩展本方法，在经过第一延迟时间后继续监控从保护设备输出的断开命令以及故障电流的振幅，并且如果故障电流在输出断开命令后经过第二延迟时间之后仍存在，则不依赖于第一紧急断开命令产生第二紧急断开命令，所述第二延迟时间大于第一延迟时间。通过这一另外的方法步骤保证一种选择的故障保护，其可以区别同步控制设备故障和开关故障。

利用大约为50到150ms的延迟时间能够实现足够良好的选择。于是电流振幅的最大值业已减小到对于代替故障开关操作的备用开关仅施加很小的负载。

在根据本发明的装置中提供一种故障保护，它通过在同步控制设备故障时输出紧急断开命令保证安全地切断故障电流。该故障保护能够以简单的装置实现，并且能够容易地集成到已经存在的保护设备中。

针对故障的同步控制设备，该故障保护包括第一保护装置，具有下述可简单实现的部件：

用于采集断开命令的第一输入端和用于采集故障电流信号或者状态信号的第二输入端，

在第一输入端后连接的第一延迟元件，其具有第一延迟时间，该第一延迟时间大于开关的固有动作时间和为消除在打开开关时可产生的开关电弧的时间的总和，

彼此逻辑连接被延迟的断开命令和故障电流信号或者状态信号的第一与运算元件，和

对开关产生作用的输出端，其上在经过第一延迟时间后出现紧急断开命令。

针对故障的开关，该故障保护包括第二保护装置，所述第二保护装置具有同样可简单实现的部件。这些部件如下：

用于采集断开命令的第一输入端和用于采集故障电流信号的第二输入端，

在第一输入端后连接的第二延迟元件，其具有第二延迟时间，该第二延迟时间超过开关的固有动作时间和为消除在打开开关时可产生的开关电弧的时间的总和，

彼此逻辑连接被延迟的断开命令和故障电流信号的第二与运算元件，和

对另一个开关产生作用的输出端，其上在经过第二延迟时间后出现紧急断开命令。

附图说明

下面根据附图详细说明本发明的优选实施例和由此可以实现的另外的优点。在此，

图1示出本发明装置的第一实施形式的电路框图，该装置用于切断50Hz的高压供给交流电网中出现的故障电流，具有功率开关CB1、用于产生对所述开关作用的断开命令的保护设备PU、同步控制设备ISD和具有用于同步控制设备的保护装置BP1和用于功率开关的保护装置BP2的故障保护，

图2示出本发明的同步切断装置的第二实施形式的电路框图，它相对于按照图1的实施形式具有被修改过的保护装置BP1，

图3示出在以下情况下在按照图1和2的装置中在出现和切断故障

电流时在时间t的函数中出现的事件的过程，所述情况包括：

(a)完好的同步控制设备ISD的情况，

(b)故障的同步控制设备ISD的情况，以及

(c)故障的功率开关的情况，并且

图4示出一个示意图，其中示出关于时间t[s]的、被导入电网中的故障电流的振幅I[A]，并且给出实现图3所示的事件的时刻。

具体实施方式

在所有的附图中相同的参考符号表示起相同作用的部件。在图1和2中示出的装置用于切断在线L1、L2或者L3中流过的电流。三条线L1、L2以及L3的每一条都通过功率开关CB1、CB2或者CB3与母线BB连接。如从这两幅图可见，在线L3上出现一个用折线箭头表示的故障。该故障导致在图4中示出的故障电流I。从电流传感器CS以及电压传感器VS引出的所检测的电流和电压信号被输入与两个传感器的输出端有效连接的保护设备PU。该保护设备根据所输入的信号识别故障，并产生断开命令OP，它根据故障的种类仅引起开关CB3打开。

可以看到，保护设备PU的输出端与同步控制设备ISD、用于同步控制设备的保护装置BP1和用于开关的保护装置BP2有效连接。从那里断开命令OP既向同步控制设备ISD也向故障保护的两个保护装置BP1和BP2引导。

同步控制设备ISD具有逻辑电路，它在考虑开关固有动作时间和电流过零的情况下一直抑制该断开命令，直到能够电网同步地打开开关。为此要注意避免开关过电压和对于开关不希望的高的机械的、热的和/或电气的加载。为保证尽可能高的操作安全性，同步控制设备ISD具有未示出的自保护，它避免不希望的切断命令到达开关。

故障保护的保护装置BP1在同步控制设备ISD出故障的情况下也引起开关CB3的有效的断开。它具有两个输入端。第一输入端接收断开命令0P。第二输入端要么(如保护设备PU)接收故障电流信号(按照图1的实施形式，其中提供另一个电流传感器以检测故障电流)要么接收开关CB3的状态信号(按照图2的实施形式，其中把连接开关CB3的状态信号供给保护装置BP1)。

在根据图1的实施形式中，导入的故障电流信号在保护装置BP1的检测器ID1中在过阈值方面被监控，并作为故障电流信号I>供给与运算元件A1的一个输入端。与此相对，在根据图2的实施形式中状态信号S无阈值检测器直接供给与运算元件A1的输入端。在与运算元件A1中故障电流I>或者状态信号S分别与从保护设备PU输出的断开命令0P比较。该断开命令事先已经被与第一输入端连接的且在与运算元件A1前面连接的TR1延时。如果在与逻辑连接后在保护装置BP1的输出端上出现一个信号，则该信号作为紧急断开命令OP(b)直接对开关CB3作用，使其打开。时延t_d由开关固有动作时间和为消除在打开开关时产生的开关电弧所需要的时间的总和决定，并且从安全理由出发以50ms稍大于这两个时间的总和。

故障保护还在开关CB3故障时可靠提供根据图1和2的装置的操作安全性。在这种情况下，通过故障保护的保护装置BP2也能够有效地断开。亦即像给保护设备PU那样，也给保护装置BP2供给由电流传感器CS采集的电流信号。该电流信号在保护装置BP2的检测器ID2中在过阈值方面被监控，并向被引导到与运算元件A2的输入端，其内它与由保护设备PU输出的断开命令OP相比较。该断开命令事先在前置于与运算元件A2的TR2中延时。如果在与逻辑连接后在保护装置BP2的输出端上出现一个信号，则该信号作为紧急断开命令OP(c口)或者OP(c)直接对开关CB1和CB2或者在线L3的另一端的开关CB0作用，使它们打开。时延t_d由TR2的延迟时间、开关固有动作时间和电弧时间的总和决定，并从安全理由出发以约100ms稍大于所述总和。

在图3所示的过程中，以保守方式设置20ms的开关固有动作时间(＝opening time开启时间＝输出断开命令和触点打开之间的时间)和在完好的和故障的开关情况下的25ms的最大电弧时间(＝arcingtime＝触点打开和电弧消失之间的时间)。于是上述时延t_d各差一点达到上述总和。在时刻0出现故障电流I。用参考符号CCZ(a)、CCZ(b)或者CCZ(c)表示故障电流在电流过零后消失的时刻。故障电流的消失通过用上述开关CB3或者必要时用位于线L3的另一端的另一个开关CB0切断来实现，在此，按照图1和2的装置根据同步控制设备ISD和/或开关CB3的状态以按照(a)、(b)或者(c)的运行方式工作。

在情形(a)，亦即在完好的同步控制设备和完好的开关的情况下，开关CB3被打开。时刻CCZ(a)由保护设备PU的固有动作时间(relaistime中继时间)、开关CB3的固有动作时间(opening time)以及在其间由断开点燃的开关电弧在CB3的开关路径上燃烧的时间(arcingtime)的总和决定。从时刻CCZ(a)开始开关路径迅速增强，而在开关路径上出现的反转电压可以保持不反向点燃。

从图3中为情况(b)给出的开关特性可知，在同步控制设备出故障的情况下，到切断电流的时刻CCZ(b)由下述时间的总和决定：保护设备PU的固有动作时间(relais time)、延迟元件TR1的时间延迟t_d＝50ms、开关CB3的固有动作时间(opening time)和在其间由断开点燃的开关电弧在CB3的开关路径上燃烧的时间(arcing time)。从该时刻CCZ(b)起开关路径可以重新生成，而于是在开关路径上出现的反转电压可以保持不反向点燃。

对于图3中为情况(c)给出的开关特性，开关CB3是故障的。在线L1和L2中切断电流的时刻CCZ(c’)由下述时间的总和决定：保护设备PU的固有动作时间(relais time)、TR2的时间延迟t_d＝100ms、开关CB1或CB2的固有动作时间(opening time)和在其间由断开点燃的开关电弧在CB1或CB2的开关路径上燃烧的时间(arcing time)。与此不同，线L3中的电流被切断的时刻CCZ(c)由下述时间的总和决定：保护设备PU的固有动作时间(relais time)、TR2的时间延迟t_d＝100ms、到开关CB0的保护设备的传输时间和该保护设备的固有动作时间(tramsmission+relais time)、开关CB0的固有动作时间(opening time)和在其间由断开点燃的开关电弧在CB0的开关路径上燃烧的时间(arcing time)。从该时刻CCZ(c’)或者CCZ(c)起开关CB1、CB2或者开关CB0的开关路径可以重新生成，而且于是在开关路径上出现的反转电压可以保持不反向点燃。

图4示出的故障电流I的电流曲线是非对称的，并通过将由电网提供的具有恒定幅度的交变电流叠加到直流上来产生所述电流曲线，所述直流如在高压电网中尚允许的以大约45ms的时间常数逐渐消失。在该图中，电流过零通过圆圈表示，电流振幅的最大值通过十字表示。用O表示在不提供同步控制设备ISD时开关的触点在最不利的情况下被打开的时刻。该时刻位于第三个电流最大值。与此相对，用O(a)或者O(b)表示开关CB3的触点在操作所述装置的情况下按照(a)或者(b)被打开的时刻。

可见，通过使用完好的同步控制设备ISD保证(情况(a))，通过延迟输出断开命令，触点分开时的故障电流相对于无同步控制设备切断时的故障电流显著减小。由此在开关中通过电磁力引起的机械负载和通过开关电弧产生的高压力以及提前损坏被极大地减小。

在情况(b)，亦即同步控制设备ISD不可用的情况，在最不利的情况下开关CB3的触点在新的电流最大值处打开。于是可见，由于直流电流分量的逐渐消失，直流电流部分已经强烈降低。因为通过电磁力引起的机械负载和通过开关电弧产生的压力与电流的平方成第一近似比例增加，因此于是开关成比例减小机械负载。在上述例子中，亦即当同步控制设备的故障保护作用时，该力减小大约56％(参见在第三和第九电流最大值处的电流)。

当为开关CB3的故障保护作用时，还能够更大地减小开关的机械负载。

即使故障电流自身以60ms的时间常数衰减时，这在将来在高压电网中是可能的，当在断路装置中根据本发明的同步控制设备ISI损坏时，还可以总是以56％的开关负载减小量计算。

参考符号列表

CB1、CB2、CB3、CB0 功率开关

L1、L2、L3 线

BB 母线

CS 电流传感器

VS 电压传感器

PU 保护设备

ISD 同步控制设备

BP1 用于故障保护同步控制设备的保护装置

BP2 用于故障保护开关CB3的保护装置

ID1、ID2 电流边界值检测器

A1、A2 与运算元件

TR1、TR2 延迟元件

I 故障电流

t 时间

OP、OP(b)、断开命令

OP(c)、OP(c’)

O、O(a)、O(b) 开关触点打开的时刻

CCZ(a)、CCZ(b)、故障电流消失的时刻

CCZ(c)、CCZ(c’)

Claims

1.一种用于切断交流电网中出现的故障电流(I)的方法，在该方法中，在保护设备(PU)内产生的用于打开功率开关(CB3)的断开命令(OP)被输入到同步控制设备(ISD)，该开关命令(OP)在所述同步控制设备(ISD)中被一直抑制，直到开关(CB3)能够被电网同步地打开，

其特征在于具有下述步骤：

监控从保护设备(PU)输出的断开命令(OP)以及故障电流或者从开关(CB3)输出的状态信号(S)，以及

如果故障电流或者状态信号(S)在输出断开命令(OP)后经过第一延迟时间(t_d＝50ms)之后仍存在，则产生第一紧急断开命令(OP(b))，所述第一延迟时间大于开关的固有动作时间和为消除在打开该开关时产生的开关电弧的时间的总和。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于，第一延迟时间为30至70ms。

3.根据权利要求1或2之一的方法，其特征在于，从保护设备(PU)输出的断开命令(OP)以及故障电流(I)在经过第一延迟时间(t_d＝50ms)后继续被监控，并且如果故障电流在输出断开命令(OP)后经过第二延迟时间(t_d＝100ms)之后仍存在，则不依赖于第一紧急断开命令(OP(b))产生第二紧急断开命令(OP(c)，OP(c’))，所述第二延迟时间大于第一延迟时间。

4.根据权利要求3的方法，其特征在于，第二延迟时间为50至150ms。

5.一种用于切断交流电网中出现的故障电流的装置，具有用于针对功率开关(CB3)产生断开命令(OP)的保护设备(PU)和采集所述断开命令的同步控制设备(ISD)，在该同步控制设备内开关命令(OP)被一直抑制，直到能够电网同步地打开开关(CB3)，

其特征在于，具有在同步控制设备(ISD)故障和/或开关(CB3)故障时保证安全切断故障电流的故障保护，所述故障保护用于产生紧急断开命令(OP(b)，OP(c)，OP(c’))。

6.根据权利要求5的装置，其特征在于，所述故障保护包括用于同步控制设备(ISD)的第一保护装置(BP1)，所述第一保护装置(BP1)具有：

用于采集断开命令(OP)的第一输入端和用于采集故障电流信号或者状态信号(S)的第二输入端，

在第一输入端后连接的第一延迟元件(TR1)，其具有超过开关的固有动作时间和为消除在打开该开关时可产生的开关电弧的时间的总和的第一延迟时间(t_d＝50ms)，

彼此逻辑连接被延迟的断开命令(OP)和故障电流信号(I＞)或者状态信号(S)的第一与运算元件(A1)，和

对开关产生作用的输出端，其上在经过第一延迟时间后出现紧急断开命令(OP(b))。

7.根据权利要求6的装置，其特征在于，所述故障保护此外包括用于开关(CB3)的第二保护装置(BP2)，所述第二保护装置(BP2)具有：

用于采集断开命令(OP)的第一输入端和用于采集故障电流信号的第二输入端，

在第一输入端后连接的第二延迟元件(TR2)，其具有超过开关的固有动作时间和为消除在打开该开关时可产生的开关电弧的时间的总和的第二延迟时间(t_d＝100ms)，

彼此逻辑连接被延迟的断开命令(OP)和故障电流信号(I＞)的第二与运算元件(A2)，和

对另一个开关(CB1，CB2，CB0)产生作用的输出端，其上在经过第二延迟时间后出现紧急断开命令(OP(c)，OP(c’))。