本發(fā)明涉及一種中壓短路電流快速識別與開斷控制裝置，應(yīng)用于機(jī)械開關(guān)和電力電子器件串并聯(lián)組成的新型斷路器的保護(hù)控制系統(tǒng)，特別涉及應(yīng)用于機(jī)械開關(guān)和電力電子器件串并聯(lián)組成的新型斷路器的短路電流識別和開斷控制裝置，屬于中壓電氣控制技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

中壓系統(tǒng)中，供電線路較短導(dǎo)致各電源首端的短路電流和分支的短路電流相差不大；線路阻抗小使得短路電流幅值大，同時短路電流的上升速度很大，這是中壓系統(tǒng)短路電流的顯著特點。電力系統(tǒng)在發(fā)生短路故障時會產(chǎn)生巨大短路電流，這將對電氣設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重的危害，短路電流在電氣設(shè)備中會產(chǎn)生高溫和極大的電動力，巨大的短路電流會引起電壓下降而嚴(yán)重?fù)p壞某些重要設(shè)備。因此短路故障將對系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生嚴(yán)重影響。隨著供電系統(tǒng)功率的急劇增加，斷路器切除系統(tǒng)短路故障的難度也大大增加，短路故障電流將對電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來巨大威脅。

研究表明，在系統(tǒng)短路電流的上升階段進(jìn)行開斷操作，對短路電流能夠起到限流作用，同時，若能夠在短路電流發(fā)生初期識別短路故障，有利于斷路器切除系統(tǒng)短路故障。因此，針對短路電流快速識別技術(shù)的研究具有非常重要的現(xiàn)實意義。

目前，隨著中壓輸電容量和電壓等級的提高，采用傳統(tǒng)的磁吹式滅弧方式的斷路器從分?jǐn)嗄芰头謹(jǐn)嗨俣壬想y以滿足要求。近年來，隨著半導(dǎo)體技術(shù)不斷發(fā)展，利用電力電子器件的可控性，大容量的電力電子器件被廣泛應(yīng)用于開斷領(lǐng)域，傳統(tǒng)機(jī)械開關(guān)和電力電子器件串并聯(lián)組成的新型斷路器逐漸成為開斷的研究熱點。由于這類斷路器通常具有復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，往往需要大量的電力電子器件串并聯(lián)，因此相比于傳統(tǒng)的機(jī)械式斷路器狀態(tài)信號更為復(fù)雜，在開斷短路電流時需要專門的開斷控制裝置實現(xiàn)分?jǐn)唷＞C上所述，針對傳統(tǒng)機(jī)械開關(guān)和電力電子器件串并聯(lián)組成的新型斷路器的短路電流識別和開斷控制技術(shù)的研究將有效解決中壓電力系統(tǒng)短路電流上升過快所引起的開斷失敗，同時提高中壓電力系統(tǒng)的智能化水平，保證系統(tǒng)安全、穩(wěn)定的運(yùn)行。

傳統(tǒng)的短路電流識別與開斷裝置主控電路通過不同的電流傳感器采集短路電流信號進(jìn)行判斷從而控制斷路器分閘，其不具有快速識別功能，同時對于斷路器的狀態(tài)不能實時監(jiān)測。即便斷路器能夠受令即時分閘，也會因短路故障大電流的發(fā)生而導(dǎo)致用電設(shè)備受損。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種中壓短路電流快速識別與開斷控制裝置及其控制方法，通過本發(fā)明保證機(jī)械開關(guān)和電力電子器件串并聯(lián)組成的新型斷路器在短路故障電流的上升沿快速識別以及安全可靠分?jǐn)唷?/p>

本發(fā)明的第一個目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，一種中壓短路電流快速識別與開斷控制裝置，其特征在于：包括傳感器和控制器；所述傳感器采用霍爾電流傳感器；所述控制器包括信號調(diào)理模塊、AD轉(zhuǎn)換模塊、中央處理器FPGA、單片機(jī)ATmega128、光電隔離模塊、開關(guān)量I/O模塊、觸發(fā)信號接口模塊、RS485通信模塊和人機(jī)交互模塊；所述傳感器、信號調(diào)理模塊、AD轉(zhuǎn)換模塊、中央處理器FPGA、觸發(fā)信號接口模塊按照先后次序依次串聯(lián)；所述中央處理器FPGA、單片機(jī)ATmega128經(jīng)并行總線接口相聯(lián)；所述開關(guān)量I/O模塊、光電隔離模塊、單片機(jī)ATmega128、RS485通信模塊、人機(jī)交互模塊按照先后次序依次串聯(lián)。

所述控制器的信號采集模塊由差分放大電路、濾波電路串聯(lián)組成。

優(yōu)選的，所述控制器的人機(jī)交互模塊由LCD液晶屏、鍵盤串聯(lián)組成。

優(yōu)選的，所述控制器的觸發(fā)信號接口模塊由升壓電路、脈沖放大器串聯(lián)組成。

優(yōu)選的，所述RS485通信模塊與MODBUS通信協(xié)議組成管理層即上位PC機(jī)與設(shè)備層中壓短路電流快速識別與開斷控制裝置即下位機(jī)的問答式通信。

本發(fā)明的第二個目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，利用上述中壓短路電流快速識別與開斷控制裝置進(jìn)行識別的方法，包括以下步驟：

①所述霍爾電流傳感器套在被測中壓斷路器電流回路導(dǎo)體外，實時在線監(jiān)測斷路器電流回路的電流值i并轉(zhuǎn)換成電流模擬信號；

②來自霍爾電流傳感器的電流模擬信號經(jīng)信號調(diào)理模塊的信號放大、濾波后傳至AD轉(zhuǎn)換模塊；

③AD轉(zhuǎn)換模塊將電流模擬信號轉(zhuǎn)換成電流數(shù)字信號，并傳至中央處理器FPGA；

④中央處理器FPGA對電流數(shù)字信號經(jīng)FIR濾波，DDL保護(hù)模塊進(jìn)行信號數(shù)據(jù)分析并根據(jù)預(yù)先設(shè)定的短路識別算法確定是否觸發(fā)斷路器快速分閘；

⑤觸發(fā)斷路器快速分閘時，在人機(jī)交互界面同時顯示斷路器的狀態(tài)參數(shù)與故障波形并記錄。

優(yōu)選的，所述步驟①所述霍爾電流傳感器套在被測中壓斷路器電流回路導(dǎo)體外屬非接觸測量，無需進(jìn)行高低壓隔離。

該電流測量系統(tǒng)使用霍爾電流傳感器同時在額定工作電流情況與故障沖擊大電流情況下進(jìn)行測量。測量時的實際實施方法是：將霍爾電流傳感器套在被測中壓斷路器電流回路導(dǎo)體外，屬非接觸式測量，與試驗回路不存在電氣連接，因而其抗干擾能力強(qiáng)，其絕緣性能易于實現(xiàn)。

上述霍爾電流傳感器的測量信號經(jīng)信號調(diào)理模塊的信號放大、濾波，并經(jīng)AD數(shù)模轉(zhuǎn)換后送入中央處理器FPGA，在中央處理器FPGA中經(jīng)FIR濾波及DDL分析后，向觸發(fā)信號模塊輸入控制信號，驅(qū)動晶閘管動作，實現(xiàn)對晶閘管的開斷控制，從而實現(xiàn)斷路器的快速分閘。

本發(fā)明所述的中壓短路電流快速識別與開斷控制裝置既能夠測量中壓斷路器的穩(wěn)態(tài)額定工作電流，也能測量快速上升的故障大電流，同時可以在300us內(nèi)完成短路電流的監(jiān)測識別并控制斷路器動作，并且通過人機(jī)交互模塊實現(xiàn)斷路器狀態(tài)參數(shù)和故障波形的實時顯示、短路識別算法閥值的設(shè)定。本發(fā)明具有量程大、測量精度高、體積小、重量輕等優(yōu)點，便于實現(xiàn)和廣泛推廣應(yīng)用。

附圖說明

圖1為霍爾電流傳感器測量電流原理圖；

圖2為這種中壓短路電流快速識別與開斷控制裝置工作流程圖。

具體實施方式

結(jié)合附圖和實施例進(jìn)一步詳細(xì)說明本發(fā)明的結(jié)構(gòu)和工作原理。本控制裝置由霍爾電流傳感器、控制器兩部分構(gòu)成。霍爾電流傳感器用于測量待測導(dǎo)體的電流并轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏髂M量輸出信號。如附圖1所示，霍爾電流傳感器套接在待測電流導(dǎo)體（例如銅排）外。根據(jù)電磁學(xué)理論，在通電直導(dǎo)線周圍會產(chǎn)生感應(yīng)磁場，且磁場強(qiáng)度B與所通電流的大小成正比?；魻栯娏鱾鞲衅髦饕峭ㄟ^檢測導(dǎo)體周圍空間產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度來間接測量流過導(dǎo)體的電流的大小。因傳感器中鐵芯內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度與導(dǎo)體中所通電流的大小成線性關(guān)系，而又根據(jù)霍爾效應(yīng)，傳感器去輸出感應(yīng)電壓與磁場大小成線性關(guān)系，故而傳感器輸出電壓即在一定范圍內(nèi)可以精確地線性反應(yīng)導(dǎo)線中電流的大小。這種電流測量方法中，霍爾傳感器不與電路直接接觸或連接，這種非接觸式測量測量精度高，具有一定隔離作用。且針對更高電壓等級，其絕緣問題也容易解決。

如附圖2所示，控制器由信號調(diào)理模塊、AD模數(shù)變換模塊、中央處理器FPGA、單片機(jī)ATmega128、光電隔離模塊、開關(guān)量I/O模塊、觸發(fā)信號接口模塊、RS485通訊模塊及人機(jī)交互模塊(LCD液晶屏、鍵盤)等構(gòu)成?；魻栯娏鱾鞲衅鞯臏y量信號通過信號調(diào)理模塊放大、濾波后，經(jīng)AD模數(shù)變換模塊轉(zhuǎn)換送入中央處理器FPGA，進(jìn)行FIR濾波及DDL算法分析處理，將分析結(jié)果通過觸發(fā)信號模塊觸發(fā)晶閘管動作從而實現(xiàn)斷路器的快速分閘。同時，F(xiàn)PGA中央處理器的分析結(jié)果與斷路器開關(guān)量通過并行總線接口采用RS-485串行通信標(biāo)準(zhǔn)實現(xiàn)上下位機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換、遠(yuǎn)程監(jiān)控、斷路器工作狀態(tài)的實時顯示以及電流波形的存儲。短路識別算法閥值可通過人機(jī)交互界面進(jìn)行設(shè)定并寫入控制器中。

利用上述中壓短路電流快速識別與開斷控制裝置的控制方法，包括以下步驟：

①所述霍爾電流傳感器套在被測中壓斷路器電流回路導(dǎo)體外，實時在線監(jiān)測斷路器電流回路的電流值i并轉(zhuǎn)換成電流模擬信號；

②來自霍爾電流傳感器的電流模擬信號經(jīng)信號調(diào)理模塊的信號放大、濾波后傳至AD轉(zhuǎn)換模塊；

③AD轉(zhuǎn)換模塊將電流模擬信號轉(zhuǎn)換成電流數(shù)字信號，并傳至中央處理器FPGA；

④中央處理器FPGA對電流數(shù)字信號經(jīng)FIR濾波，DDL保護(hù)模塊進(jìn)行信號數(shù)據(jù)分析并根據(jù)預(yù)先設(shè)定的短路識別算法確定是否觸發(fā)斷路器快速分閘；

⑤觸發(fā)斷路器快速分閘時，在人機(jī)交互界面同時顯示斷路器的狀態(tài)參數(shù)與故障波形并記錄。

優(yōu)選的，所述步驟①所述霍爾電流傳感器套在被測中壓斷路器電流回路導(dǎo)體外屬非接觸測量，無需進(jìn)行高低壓隔離。

以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實施方式對本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實施方式僅限于此，對于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單的推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明由所提交的權(quán)利要求書確定專利保護(hù)范圍。