專利名稱：智能型斷路器的新型故障保護(hù)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電工電能技術(shù)領(lǐng)域，涉及電力系統(tǒng)中用于電能分配和電機(jī)拖動(dòng)控制的斷路器所采用的新型故障保護(hù)方法，同時(shí)在工作頻率為1500Hz及以下的產(chǎn)品中也有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
背景技術(shù)：
斷路器是電力系統(tǒng)中重要的控制和保護(hù)用的電器設(shè)備，用途廣泛。傳統(tǒng)斷路器通常采用具有熱雙金屬片脫扣器(限于塑殼式低壓斷路器)、過電流脫扣器和欠壓脫扣器以實(shí)現(xiàn)長延時(shí)過電流脫扣、短延時(shí)過電流脫扣、瞬時(shí)過電流脫扣和欠電壓脫扣的保護(hù)。隨著技術(shù)的進(jìn)步，電器的智能化工作正在積極地推進(jìn)，新型的斷路器智能控制器、綜合自動(dòng)保護(hù)裝置和智能型電機(jī)控制中心等不斷地出現(xiàn)。目前這些智能控制器的保護(hù)方式在設(shè)計(jì)時(shí)仍然沿用傳統(tǒng)的分段保護(hù)方式，雖提出了不少新的算法，然而仍存在算法復(fù)雜、動(dòng)作保護(hù)特性不夠科學(xué)、無觸頭溫度檢測(cè)等缺陷，沒有發(fā)揮出最大的優(yōu)勢(shì)。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷或不足，本發(fā)明的目的在于，提供一種智能型斷路器的新型故障保護(hù)方法，該方法將全段電流保護(hù)、電流/觸頭溫度復(fù)合監(jiān)控、電量不均等循環(huán)檢測(cè)技術(shù)等新方法引入智能型斷路器的智能控制器中，使得智能控制器的反映速度更快、動(dòng)作靈敏度更高、功能更完善。
為了實(shí)現(xiàn)上述任務(wù)，本發(fā)明采取如下的技術(shù)解決方案一種智能型斷路器的新型故障保護(hù)方法，其特征在于方法一，建立斷路器全段電流保護(hù)的時(shí)間—電流函數(shù)表，通過時(shí)間—電流函數(shù)表將電流進(jìn)行取整運(yùn)算，讓每一組電流都有對(duì)應(yīng)的動(dòng)作時(shí)間值，保證不同故障電流有不同的動(dòng)作時(shí)間；方法二，在參照時(shí)間—電流特性曲線的同時(shí)考慮靜觸頭溫度，根據(jù)電流和靜觸頭溫度兩個(gè)參數(shù)來確定斷路器動(dòng)作時(shí)間，以實(shí)現(xiàn)電流/觸頭溫度的復(fù)合監(jiān)控；具體方法是，在斷路器的靜觸頭背面鉆盲孔，使盲孔直至接近靜觸頭表面，將集成溫度傳感器涂上導(dǎo)熱硅脂埋入盲孔中，使集成溫度傳感器與靜觸頭保持良好接觸，將低壓斷路器的靜觸頭溫度納入檢測(cè)范圍；方法三，采用電量不均等循環(huán)檢測(cè)方法，首先對(duì)電流進(jìn)行多次循環(huán)采樣，對(duì)重點(diǎn)電流的檢測(cè)采用先大后小的順序，然后再對(duì)電壓和溫度進(jìn)行一次采樣的方法，使得對(duì)電流的監(jiān)控時(shí)間遠(yuǎn)多于對(duì)其他電量和非電量的監(jiān)控時(shí)間，從而能更迅速的檢測(cè)到故障電流。
上述三種方法單獨(dú)應(yīng)用或者聯(lián)合應(yīng)用均可。
本發(fā)明公開的智能型斷路器的新型故障保護(hù)方法適用于對(duì)電力系統(tǒng)的電能分配和電機(jī)拖動(dòng)控制起控制和保護(hù)作用的智能型斷路器，同時(shí)對(duì)采取特殊工作頻率的行業(yè)也有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。能廣泛應(yīng)用于各類型的智能型斷路器、綜合自動(dòng)保護(hù)裝置和電機(jī)控制中心的智能控制器中，市場(chǎng)對(duì)此類產(chǎn)品的需求旺盛、應(yīng)用前景十分廣闊?？商岣呦嚓P(guān)智能型控制器的技術(shù)水平和附加值，有較大的經(jīng)濟(jì)效益。


圖1是傳統(tǒng)三段保護(hù)特性曲線和全段保護(hù)特性曲線對(duì)比。其中，(a)傳統(tǒng)三段保護(hù)特性曲線，(b)全段保護(hù)特性曲線，(c)是兩者對(duì)比曲線，圖中Ir1為長延時(shí)整定值，Ir2為短延時(shí)整定值，Ir3為瞬時(shí)整定值。
需要說明一下，當(dāng)短路電流達(dá)到12～16倍的整定電流時(shí)，由于斷路器本身存在固有分閘時(shí)間，因此在這些電流出現(xiàn)后的特性曲線將是水平線，斷開時(shí)間為(0.02～0.05)±5％s。
圖2是采用全段保護(hù)的特性曲線；
圖3是全段電流保護(hù)特性子程序框圖；圖4是不均等電量循環(huán)檢測(cè)圖。
以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的智能型斷路器的新型故障保護(hù)方法可通過硬件設(shè)備和軟件編程方式實(shí)現(xiàn)，軟件全部采用匯編語言編寫，也可用高級(jí)語言編寫，但匯編語言相對(duì)高級(jí)語言編寫的執(zhí)行語句，具有效率更高、時(shí)間空間準(zhǔn)確的特點(diǎn)，同時(shí)為斷路器采集大電流與小電流等參數(shù)的輪詢時(shí)間精確控制提供了有效的編程環(huán)境。
以下發(fā)明人給出本發(fā)明的三種方法的具體實(shí)現(xiàn)的例子。
1、全段保護(hù)特性的原理與子程序設(shè)計(jì)由于傳統(tǒng)斷路器限于體積和技術(shù)的制約，通常采用具有熱效應(yīng)的雙金屬片、過電流脫扣器和欠壓脫扣器以實(shí)現(xiàn)長延時(shí)過電流脫扣、短延時(shí)過電流脫扣、瞬時(shí)過電流脫扣和欠電壓脫扣的保護(hù)。目前，智能斷路器在設(shè)計(jì)保護(hù)特性曲線時(shí)仍然沿用傳統(tǒng)斷路器的分段保護(hù)方式，并提出了不少復(fù)雜的算法，雖然在多項(xiàng)性能上超過了傳統(tǒng)斷路器，然而沒有發(fā)揮出自己最大的優(yōu)勢(shì)。
比如在設(shè)計(jì)過載長延時(shí)的算法中，因過載電流并非恒定不變，將出現(xiàn)如下面的一個(gè)問題就很難解決。
若起始的過載電流為I1，其對(duì)應(yīng)的延時(shí)為t1；經(jīng)過一段時(shí)間t(t＜t1)后，電流變到了I2(I2＜I1)，則對(duì)應(yīng)延時(shí)時(shí)間將變成t2。此時(shí)若要控制斷路器脫扣，就應(yīng)該考慮起始過載電流I1的影響，延時(shí)時(shí)間應(yīng)小于t2。若電流反復(fù)變化，要達(dá)到較為理想的控制就會(huì)變得非常困難，而且會(huì)消耗大量的MCU資源。
再如智能型斷路器在設(shè)計(jì)短路短延時(shí)的控制方式時(shí)，照搬分段保護(hù)特性曲線，讓多種短路電流對(duì)應(yīng)同一個(gè)動(dòng)作時(shí)間(如圖1的a所示)。我們知道，不同的短路電流對(duì)設(shè)備的破壞是不同的，電器能承受不同故障電流的時(shí)間也不同，因此不一定使用相同的較快的動(dòng)作延時(shí)。
傳統(tǒng)斷路器受技術(shù)限制，只能做到三段式電流保護(hù)，差別較大的故障電流采用相同的動(dòng)作時(shí)間。本發(fā)明通過建立時(shí)間—電流函數(shù)表，將電流進(jìn)行取整運(yùn)算，讓每一組電流都有對(duì)應(yīng)的動(dòng)作時(shí)間值，從而做到不同故障電流有不同動(dòng)作時(shí)間，可達(dá)到更準(zhǔn)確的控制，從而區(qū)別于目前智能斷路器在設(shè)計(jì)保護(hù)特性曲線時(shí)沿襲傳統(tǒng)斷路器分段保護(hù)的做法。
如圖1所示，全段電流保護(hù)是針對(duì)短路短延時(shí)在不同短路電流下延時(shí)時(shí)間相同的缺點(diǎn)提出的，對(duì)策是使反時(shí)限延伸到整個(gè)保護(hù)區(qū)域，即所有故障電流對(duì)應(yīng)不同延時(shí)的動(dòng)作時(shí)間。
由于電子線路時(shí)間存在延遲、斷路器分閘用電磁鐵或彈簧機(jī)構(gòu)以及觸頭從分開至電弧熄滅都需要時(shí)間，因此造成從智能控制器輸出分閘信號(hào)起到斷路器將電路開斷必然存在一個(gè)固有延遲時(shí)間。由此，在一定的短路電流下，動(dòng)作時(shí)間不會(huì)再進(jìn)一步縮小，而會(huì)是一個(gè)確定的時(shí)間值。
2、“電流/觸頭溫度復(fù)合監(jiān)控”的實(shí)施觸頭溫升通常比其它導(dǎo)電部分的要高。但是，若觸頭溫度過高，接觸面容易發(fā)生強(qiáng)烈的氧化和熔焊，使開關(guān)喪失工作能力。另外，觸頭間接觸壓力通常依靠彈簧來維持，過高的觸頭溫度將會(huì)對(duì)彈簧的剛度有很大影響，在電動(dòng)力作用下易產(chǎn)生彈跳，使得觸頭工作不穩(wěn)定。由于觸頭接觸電阻的存在，短路故障電流對(duì)線路和斷路器的影響最直接的體現(xiàn)是觸頭溫度的變化。如果在時(shí)間-電流特性分析中引入觸頭溫度參數(shù)將會(huì)使控制算法變得簡(jiǎn)單、有效，可大大減少觸頭的氧化、侵蝕和熔焊問題，達(dá)到充分保護(hù)觸頭、延長斷路器壽命、提高其工作可靠性的目的。本發(fā)明對(duì)觸頭溫度進(jìn)行監(jiān)控，能最大限度的減少以上問題的發(fā)生，突破了傳統(tǒng)智能型斷路器只依靠電流完成控制的局限性、并避免了復(fù)雜的算法，從而使斷路器能根據(jù)溫度和電流兩個(gè)參數(shù)確定動(dòng)作時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了電流/溫度復(fù)合監(jiān)控。
如圖2所示，特性曲線采用全段保護(hù)，算法判據(jù)為“累計(jì)熱效應(yīng)”，同時(shí)引入溫度參數(shù)，由溫度和電流參數(shù)共同確定動(dòng)作時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)綜合判斷。
觸頭溫度的測(cè)量與加工辦法在斷路器的靜觸頭背面鉆φ5的盲孔，直至接近靜觸頭表面為止(不能通透)，將集成溫度傳感器涂上導(dǎo)熱硅脂埋入孔中，使之與觸頭良好接觸。由于靜觸頭的極限工作溫度在+70～+105℃，因此選用的半導(dǎo)體測(cè)溫元件的測(cè)量范圍應(yīng)當(dāng)滿足-20～+120℃，由于靜觸頭溫度變化是一個(gè)較為緩慢的過程，因此轉(zhuǎn)換速度和精度都不作特別要求。應(yīng)選擇更小的封裝方式和更寬的電壓適用范圍。分辨率設(shè)定及用戶設(shè)定的報(bào)警溫度能存儲(chǔ)在E2PROM中，掉電后依然保存。
本方法具有以下特點(diǎn)(1)每個(gè)電流均有相應(yīng)的動(dòng)作時(shí)間，保護(hù)方法更為科學(xué)；(2)能減少觸頭的氧化、銹蝕和熔焊，提高斷路器的可靠性；(3)由于考慮了靜觸頭的溫升，在長延時(shí)過程中，隨著靜觸頭溫度的變化，動(dòng)作時(shí)間會(huì)做相應(yīng)的調(diào)整，即使再復(fù)雜的變化電流，借助靜觸頭溫度這個(gè)“智能的調(diào)節(jié)器”，程序設(shè)計(jì)都會(huì)變得很簡(jiǎn)單卻非常有效。
(4)溫度校正系數(shù)的計(jì)算式K=t1-t0t1-t2]]>式中K——溫度校正系數(shù)；t0——敷設(shè)處的環(huán)境溫度(℃)；t1——導(dǎo)體最高允許工作溫度(℃)t2——導(dǎo)體載流量標(biāo)準(zhǔn)中所采用的環(huán)境溫度(℃)。
當(dāng)敷設(shè)處的環(huán)境溫度t0大于導(dǎo)體載流量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定采用的環(huán)境溫度t2時(shí)K＜1，與標(biāo)準(zhǔn)相比，允許通過的電流將減少、延時(shí)將縮短。
(5)子程序框圖如圖3所示。先根據(jù)公式計(jì)算溫度校正系數(shù)K；再由K值和電流值動(dòng)態(tài)修改動(dòng)作時(shí)間，查表求得脫扣器延時(shí)動(dòng)作時(shí)間，并返回動(dòng)作時(shí)間值。程序處理時(shí)，將測(cè)量的電流I除以溫度系數(shù)K后，將放大(縮小)的電流值與設(shè)定值進(jìn)行比較，并做出判斷。
3、不均等循環(huán)電量檢測(cè)方法的實(shí)施為了保證智能型斷路器對(duì)電流的實(shí)時(shí)監(jiān)控的高要求，電量不均等循環(huán)檢測(cè)方法是指采取先對(duì)電流進(jìn)行多次循環(huán)采樣、再對(duì)電壓和溫度進(jìn)行一次采樣的方法，將能使對(duì)電流的監(jiān)控時(shí)間遠(yuǎn)多于對(duì)其他電量和非電量的監(jiān)控時(shí)間，從而能更迅速地檢測(cè)到故障電流。同時(shí)，還對(duì)電流的檢測(cè)采用先大后小的優(yōu)先順序，以及時(shí)發(fā)現(xiàn)重大事故的出現(xiàn)。
不均等循環(huán)電量檢測(cè)方法的程序框圖如圖4所示。以斷路器額定工作電流400A為例，包括如下步驟首先啟動(dòng)大電流采樣子程序；并進(jìn)行判斷，首先判斷是否大于50KA，如果是，即進(jìn)行分閘處理并進(jìn)入報(bào)警程序，報(bào)警完成后，等待系統(tǒng)差錯(cuò)，復(fù)位；如果不是，則進(jìn)入判斷是否大于800A，如果大于800A，則調(diào)用保護(hù)特性子程序，并進(jìn)行動(dòng)作時(shí)間設(shè)定后至分閘處理程序并報(bào)警，報(bào)警完成后，等待系統(tǒng)差錯(cuò)，復(fù)位；如果不是，則進(jìn)入判斷是否大于400A，如果大于400A，則調(diào)用保護(hù)特性子程序，并進(jìn)行動(dòng)作時(shí)間設(shè)定后至分閘處理程序并報(bào)警，報(bào)警完成后，等待系統(tǒng)差錯(cuò)，復(fù)位；如果不是，則判斷電流檢測(cè)是否大于64次，如果沒有達(dá)到檢測(cè)數(shù)，返回大電流采樣子程序，繼續(xù)重復(fù)；如果達(dá)到檢測(cè)數(shù)，則進(jìn)入電壓采用子程序，判斷電壓是否正常，如果電壓不正常則調(diào)用保護(hù)特性子程序，并進(jìn)行動(dòng)作時(shí)間設(shè)定后至分閘處理程序并報(bào)警，報(bào)警完成后，等待系統(tǒng)差錯(cuò)，復(fù)位；如果電壓正常則進(jìn)入溫度采樣子程序，判斷溫度是否正常，如果溫度正常，返回大電流采樣子程序，繼續(xù)重復(fù)；如果溫度不正常，則進(jìn)入分閘處理程序并報(bào)警，報(bào)警完成后，等待系統(tǒng)差錯(cuò)，復(fù)位。
斷路器的主要監(jiān)控電量之一是電流，其中故障電流最為重要。為減少監(jiān)控其他電量所占用的系統(tǒng)資源，申請(qǐng)人提出的“不均等循環(huán)電量檢測(cè)方法”，包括對(duì)重點(diǎn)電量(電流)的檢測(cè)采用先大電流、后小電流的順序；在對(duì)電流多次循環(huán)采集后再采集一次電壓和觸頭溫度等值，以使對(duì)電流的監(jiān)控時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于對(duì)其他監(jiān)控量值的時(shí)間，從而更迅速地檢測(cè)到故障電流并對(duì)其進(jìn)行快速反應(yīng)。
本發(fā)明的方法的技術(shù)特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)在于(1)、利用全段電流保護(hù)程序可以完成對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行診斷和保護(hù)工作。
(2)、引入溫度參數(shù)分析斷路器的時(shí)間-電流特性，將使保護(hù)功能更加全面。
(3)、采用不均等循環(huán)電量檢測(cè)方法可充分利用系統(tǒng)資源。
本發(fā)明公開的智能型斷路器的新型故障保護(hù)方法適用于對(duì)電力系統(tǒng)的電能分配和電機(jī)拖動(dòng)控制起控制和保護(hù)作用的智能型斷路器，同時(shí)對(duì)采取特殊工作頻率的行業(yè)也有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。能廣泛應(yīng)用于各類型的智能型斷路器、綜合自動(dòng)保護(hù)裝置和電機(jī)控制中心的智能控制器中，市場(chǎng)對(duì)此類產(chǎn)品的需求旺盛、應(yīng)用前景十分廣闊。可提高相關(guān)智能型控制器的技術(shù)水平和附加值，有較大的經(jīng)濟(jì)效益。
權(quán)利要求
1.一種智能型斷路器的新型故障保護(hù)方法，其特征在于方法一，建立斷路器全段電流保護(hù)的時(shí)間—電流函數(shù)表，通過時(shí)間—電流函數(shù)表將電流進(jìn)行取整運(yùn)算，讓每一組電流都有對(duì)應(yīng)的動(dòng)作時(shí)間值，保證不同故障電流有不同的動(dòng)作時(shí)間；方法二，在參照時(shí)間—電流特性曲線的同時(shí)考慮靜觸頭溫度，根據(jù)電流和靜觸頭溫度兩個(gè)參數(shù)來確定斷路器動(dòng)作時(shí)間，以實(shí)現(xiàn)電流/觸頭溫度的復(fù)合監(jiān)控；具體方法是，在斷路器的靜觸頭背面鉆盲孔，使盲孔直至接近靜觸頭表面，將集成溫度傳感器涂上導(dǎo)熱硅脂埋入盲孔中，使集成溫度傳感器與靜觸頭保持良好接觸，將低壓斷路器的靜觸頭溫度納入檢測(cè)范圍；方法三，采用電量不均等循環(huán)檢測(cè)方法，首先對(duì)電流進(jìn)行多次循環(huán)采樣，對(duì)重點(diǎn)電流的檢測(cè)采用先大后小的順序，然后再對(duì)電壓和溫度進(jìn)行一次采樣的方法，使得對(duì)電流的監(jiān)控時(shí)間遠(yuǎn)多于對(duì)其他電量和非電量的監(jiān)控時(shí)間，從而能更迅速的檢測(cè)到故障電流；上述三種方法單獨(dú)應(yīng)用或者聯(lián)合應(yīng)用均可。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，所述方法二中的溫度傳感器測(cè)量范圍為-20℃～+120℃。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種智能型斷路器的新型故障保護(hù)方法，將低壓斷路器的靜觸頭溫度納入檢測(cè)范圍，并建立斷路器新的全段電流保護(hù)時(shí)間－電流函數(shù)表，讓每一組電流都有對(duì)應(yīng)的動(dòng)作時(shí)間值，保證不同故障電流有不同的動(dòng)作時(shí)間；在參照時(shí)間－電流特性曲線的同時(shí)考慮靜觸頭溫度，根據(jù)電流和靜觸頭溫度兩個(gè)參數(shù)來確定斷路器動(dòng)作時(shí)間，以實(shí)現(xiàn)電流/觸頭溫度的復(fù)合監(jiān)控；采用電量不均等循環(huán)檢測(cè)方法，首先對(duì)電流進(jìn)行多次循環(huán)采樣，對(duì)重點(diǎn)電流的檢測(cè)采用先大后小的順序，然后再對(duì)電壓和溫度進(jìn)行一次采樣的方法，使得對(duì)電流的監(jiān)控時(shí)間遠(yuǎn)多于對(duì)其他電量和非電量的監(jiān)控時(shí)間，從而能更迅速的檢測(cè)到故障電流。使得智能控制器的反映速度更快、動(dòng)作靈敏度更高、功能更完善。
文檔編號(hào)H02H5/00GK101039021SQ200710017309
公開日2007年9月19日 申請(qǐng)日期2007年1月26日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月26日
發(fā)明者李靖, 馬志瀛, 陳偉, 劉荔鑫 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)