專利名稱：保護(hù)三相電源系統(tǒng)斷路器的故障檢測(cè)型固態(tài)跳閘裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種保護(hù)三相電源系統(tǒng)斷路器的固態(tài)跳閘裝置，它包括電流檢測(cè)裝置;傳送正比于流過(guò)電源系統(tǒng)導(dǎo)體電流的模擬信號(hào);以及一個(gè)電子處理單元，當(dāng)上述信號(hào)加于其上，并在該信號(hào)超過(guò)預(yù)定閾值時(shí)，發(fā)出斷路器跳閘指令。
用先有技術(shù)跳閘裝置進(jìn)行常規(guī)的保護(hù)功能，進(jìn)行較長(zhǎng)延時(shí)，短延時(shí)，瞬時(shí)跳閘，及可能的接地故障保護(hù)，它們對(duì)故障影響系統(tǒng)的一相或多相不作區(qū)分。在某些情況下，把不平衡故障作為影響三相的故障同樣處理的先有技術(shù)的跳閘裝置，提供不出合適的保護(hù)。
根據(jù)本發(fā)明，上述缺陷可由電子處理單元克服，該單元包括故障類型檢測(cè)裝置，這種裝置包括上述信號(hào)與第一閾值的比較裝置，與一個(gè)高于第一閾值的第二閾值的比較裝置，以及可以確定至少一個(gè)第一信號(hào)的預(yù)定數(shù)目是否低于第一閾值，而同時(shí)，至少一個(gè)第二信號(hào)預(yù)定數(shù)目高于第二閾值。
根據(jù)第一實(shí)施例，通過(guò)確定系統(tǒng)的兩根導(dǎo)線(在帶中性線的三相系統(tǒng)中為三根導(dǎo)線)中流過(guò)的電流低于第一閾值，如約為1.5In數(shù)量級(jí)(In為斷路器額定電流)，而系統(tǒng)的另一根導(dǎo)線的電流大于第二閾值，如5In，即可檢測(cè)出單相故障的存在。
當(dāng)檢測(cè)出一個(gè)單相故障時(shí)，電子處理單元即根據(jù)故障類型檢測(cè)裝置發(fā)送的信號(hào)來(lái)提供適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)。
盡管長(zhǎng)時(shí)間和短時(shí)間的延時(shí)保護(hù)非常適合于三相故障，但在單相故障情況下卻顯得過(guò)于遲鈍，這種故障表明電源系統(tǒng)有不平衡，檢測(cè)出這類故障則促使電子處理單元能夠躲開(kāi)上述長(zhǎng)延時(shí)或短延時(shí)功能，并更快地跳開(kāi)斷路器。
根據(jù)本發(fā)明第二個(gè)實(shí)施例，對(duì)于一個(gè)帶有中性線的三相系統(tǒng)，通過(guò)確定系統(tǒng)的兩根導(dǎo)線中流過(guò)的電流低于第一閾值，例如為In數(shù)量級(jí)，而兩根導(dǎo)線中的電流大于第二閾值，例如為2或3In數(shù)量級(jí)，即可檢測(cè)出其“兩串聯(lián)極”(相同)類型故障的存在。
根據(jù)一個(gè)具體的實(shí)施例，由于電子處理單元包括具有接地故障保護(hù)功能的裝置以及接地故障保護(hù)減敏裝置，當(dāng)測(cè)量的信號(hào)超過(guò)預(yù)定閾值時(shí)，當(dāng)故障類型檢測(cè)裝置的輸出信號(hào)，代表一個(gè)兩串聯(lián)極類型故障時(shí)，將阻止上述減敏裝置動(dòng)作。
本發(fā)明的其它優(yōu)點(diǎn)和特征，通過(guò)下面對(duì)解釋本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的闡述將變得更加一目了然，上述解釋性實(shí)施例僅僅作為一個(gè)非限制性例子并伴以


，其中圖1表示一個(gè)本發(fā)明能實(shí)現(xiàn)的跳閘裝置的簡(jiǎn)化框圖;
圖2表示根據(jù)本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的故障類型檢測(cè)裝置的最佳實(shí)施例;
圖3表示減敏接地故障跳閘閾值與系統(tǒng)導(dǎo)線中最大電流的關(guān)系。
在圖1中，具有三相導(dǎo)線1，2，3和一個(gè)中性導(dǎo)線N的一個(gè)三相配電系統(tǒng)，包括一個(gè)能在斷開(kāi)位置切斷電路的斷路器10。斷路器10的機(jī)構(gòu)12由一個(gè)極化繼電器14控制以控制斷路器在過(guò)載或短路情況下跳閘。每根導(dǎo)線(1，2，3，N)和一個(gè)電流互感器16相關(guān)，該電流互感器傳送一個(gè)代表相關(guān)導(dǎo)線中電流的模擬信號(hào)。將這些信號(hào)提供給一個(gè)整流電路18，其輸出I1，I2，I3和IN提供給一個(gè)電子處理單元20，單元20的輸出去控制極化繼電器14。
跳閘裝置實(shí)行標(biāo)準(zhǔn)保護(hù)方式，當(dāng)系統(tǒng)中發(fā)生故障時(shí)實(shí)行相當(dāng)長(zhǎng)的延時(shí)和/或短延時(shí)跳閘。在此無(wú)需對(duì)這些保護(hù)方式進(jìn)行詳細(xì)描述，因?yàn)檫@已是本領(lǐng)域?qū)I(yè)人員所熟知的。
根據(jù)本發(fā)明，單元20包括故障類型檢測(cè)裝置，其具體實(shí)施例示于圖2。
將代表流過(guò)系統(tǒng)中各導(dǎo)線電流的信號(hào)I1，I2，I3和IN提供給故障類型檢測(cè)裝置的輸入端。
在圖2中，這些信號(hào)分別接在第一組放大器22-28的運(yùn)算放大器之一的正向輸入端，這第一組放大器的所有反向輸入端連至單一閾值電壓S1上。以這種方式，當(dāng)相應(yīng)的輸入電流I1，I2，I3和IN大于閾值S1時(shí)，來(lái)自第一組放大器的輸出信號(hào)A1，A2，A3，A4分別變?yōu)檫壿嬛?。同樣地，第二組放大器30-36的運(yùn)算放大器;在它們的正向輸入端接收相應(yīng)電流I1，I2，I3，IN，而它們的反向輸入端連至單一的閾值電壓S2。從而，當(dāng)相應(yīng)的輸入電流大于閾值S2時(shí)，來(lái)自第二組放大器的輸出信號(hào)A5，A6，A7，A8分別變?yōu)檫壿嬛?。
第一組放大器(22-28)的輸出(A1-A4)分別由一個(gè)電阻(R1-R4)連至一個(gè)運(yùn)算放大器38的反向輸入端，該反向輸入端還通過(guò)一個(gè)電阻R9連至電源電壓Vcc，該電源電壓也供電給所有運(yùn)算放大器。放大器38的正向輸入端連至一個(gè)參考電壓S3。
第二組放大器(30-36)的輸出(A5-A8)分別由一個(gè)電阻(R5-R8)連至一個(gè)運(yùn)算放大器40的正向輸入端，該正向輸入端還通過(guò)一個(gè)電阻R10連至電源電壓Vcc，運(yùn)算放大器40的反向輸入端連至一個(gè)參考電壓S4。
放大器38和40的輸出A9和A10分別連至第一和第二二極管D1和D2的陰極，各二極管的陽(yáng)極連至故障類型檢測(cè)電路的輸出A并且通過(guò)一個(gè)電阻R11連至電源電壓。
圖2的故障類型檢測(cè)電路的工作將在下面描述。
連至放大器38的反向輸入端的所有電阻(R1-R4和R9)是相同的，提供給該輸入端的信號(hào)B1取下列值當(dāng)A1＝A2＝A3＝A4＝0，即當(dāng)所有測(cè)量的電流低于閾值S1時(shí)，B1＝Vcc/5，當(dāng)電流之一大于S1時(shí)，B1＝2Vcc/5，當(dāng)電流中的二個(gè)大于S1時(shí)，B1＝3Vcc/5，當(dāng)電流的三個(gè)大于S1時(shí)，B1＝4Vcc/5，當(dāng)所有電流大于S1(A1＝A2＝A3＝A4＝1)時(shí)B1＝Vcc。
同樣，連至運(yùn)算放大器40正向輸入端的所有電阻(R5-R8和R10)是相同的，提供給該輸入端的信號(hào)B2取下列值當(dāng)所有測(cè)量的電流低于閾值S2(A5＝A6＝A7＝A8＝0)時(shí)B2＝Vcc/5，當(dāng)電流中的一個(gè)大于S2時(shí)，B2＝2Vcc/5，當(dāng)電流中的二個(gè)大于S2時(shí)，B2＝3Vcc/5，當(dāng)電流中的三個(gè)大于S2時(shí)，B2＝4Vcc/5，所有電流大于S2、(A5＝A6＝A7＝A8＝1時(shí)，B2＝Vcc。
只要B1低于參考電壓S3，則放大器38的輸出信號(hào)A9為邏輯值1，一當(dāng)B1大于S3，則A9變?yōu)檫壿嬛?，參考電壓S3的選擇可以在A9上獲得一個(gè)表示信號(hào)A1，A2，A3，A4為邏輯值0的數(shù)目信號(hào)，從而表示電流中低于閾值S1的數(shù)目。
同樣，只要B2低于電參考電壓S4，則放大器40的輸出信號(hào)A10為邏輯值0，當(dāng)B2大于S4，則A10變?yōu)檫壿嬛?，參考電壓S4的選擇可以在A10上獲得一個(gè)表示信號(hào)A5，A6，A7，A8為邏輯值1的數(shù)目信號(hào)，從而表示電流中大于閾值S2的數(shù)目。
二極管D1和D2在輸出A9和A10之間進(jìn)行邏輯“與”運(yùn)算。只有二個(gè)輸出A9和A10都為邏輯值1，故障類型檢測(cè)電路的輸出A才為邏輯值1。因此，信號(hào)A表示至少有一預(yù)定數(shù)目的電流低于閾值S1(A9＝1)，同時(shí)至少另外預(yù)定數(shù)目的電流大于閾值S2(A10＝1)。
通過(guò)合適地選擇閾值電壓S1和S2以及參考電壓S3和S4，可以檢測(cè)出不同類型的故障。
根據(jù)第一個(gè)變換的實(shí)施例，參考電壓S3和S4將這樣選擇2Vcc/5＜S3＜3Vcc/5Vcc/5＜S4＜2Vcc/5在這種條件下，當(dāng)至少三個(gè)電流低于S1時(shí)信號(hào)A9為邏輯值1，以及至少一個(gè)電流大于S2時(shí)，信號(hào)A10為邏輯值1。閾值電壓S2大于閾值電壓S1的情況下，當(dāng)三個(gè)電流低于S1同時(shí)一個(gè)電流大于S2時(shí)，故障類型檢測(cè)電路的輸出信號(hào)A才能變?yōu)檫壿嬛?，這樣一個(gè)信號(hào)表示單相故障。為了提供一個(gè)非限制性例子，閾值電壓S1和S2可以分別為1.5IN和5IN的數(shù)量級(jí)。
同樣，可以對(duì)不包括中性線N的三相系統(tǒng)中檢測(cè)出單相故障。在這種情況下，由于電路只包括三個(gè)輸入I1，I2和I3，信號(hào)A必須代表二個(gè)電流均低于S1一個(gè)電流大于S2。為獲得這一結(jié)果，參考電壓S3和S4選擇為Vcc/2＜S3＜3Vcc/4Vcc/4＜S4＜Vcc/2根據(jù)另一個(gè)變換的實(shí)施例，對(duì)于帶中性線的一個(gè)三相系統(tǒng)，參考電壓S3和S4將這樣選擇3Vcc/5＜S3＜4Vcc/52Vcc/5＜S4＜3Vcc/5在這種條件下，當(dāng)至少兩個(gè)電流低于S1時(shí)，信號(hào)A9為邏輯值1以及至少兩個(gè)電流大于S2時(shí)，信號(hào)A10為邏輯值1。閾值電壓S2大于閾值電壓S1的情況下，當(dāng)二個(gè)電流低于S1同時(shí)二個(gè)電流大于S2時(shí)，故障類型檢測(cè)電路的檢出信號(hào)A才能變?yōu)檫壿嬛?。這種信號(hào)表示二串極故障，大于S2的相同故障電流流過(guò)系統(tǒng)的兩根導(dǎo)線，同時(shí)，低于S1的相對(duì)小的電流流過(guò)系統(tǒng)的另外二根導(dǎo)線。為了提供一個(gè)非限制性例子，電壓S1和S2可以分別選擇為In和2或3IN的數(shù)量級(jí)。
在上面具體描述的實(shí)施例中，故障類型檢測(cè)電路是一個(gè)模擬電路。本發(fā)明決不限制到這種類型的實(shí)施例，而恰恰相反，本發(fā)明可以用任何手段來(lái)完成，從而它可以同時(shí)決定第一預(yù)定數(shù)目的信號(hào)低于第一閾值S1且第二預(yù)定數(shù)目信號(hào)高于第二閾值S2。在以微處理機(jī)為基礎(chǔ)的跳閘裝置中，這可以直接通過(guò)將表示流過(guò)系統(tǒng)中各導(dǎo)線電流的信號(hào)(I1-IN)提供給微處理器而很自然地獲得。
在檢測(cè)出單相故障的情況下，跳閘裝置中的電子處理單元20避開(kāi)長(zhǎng)或短延時(shí)功能而使斷路器快速斷開(kāi)。
當(dāng)檢測(cè)的信號(hào)超過(guò)一個(gè)預(yù)定閾值時(shí)在進(jìn)行接地保護(hù)且包括接地保護(hù)減敏裝置的跳閘裝置中，采用了一個(gè)兩串聯(lián)極型故障檢測(cè)作為其一部分，當(dāng)檢測(cè)出兩串聯(lián)極型故障時(shí)，禁止這些減敏裝置。的確，在一個(gè)多相系統(tǒng)中，當(dāng)該系統(tǒng)的導(dǎo)線中電流高于某一閾值，如2In時(shí)，其矢量和，即使沒(méi)有接地故障，也不為零。如此獲得的信號(hào)被稱之為假接地故障電流。為了避免由于非接地故障而是上述假接地故障電流的存在而造成的斷路器的假跳閘，先有技術(shù)對(duì)斷路器提供的通常包括一個(gè)接地保護(hù)減敏系統(tǒng)的接地保護(hù)功能。當(dāng)流過(guò)某一相的電流超過(guò)某一閾值，如2In時(shí)，這些系統(tǒng)或者使接地故障跳閘閾值Sh如圖3所示增加，或者使接地故障信號(hào)減弱。這種保護(hù)對(duì)于三相故障是有效的，但它將掩蓋住一種接地故障，即假如另二相導(dǎo)體負(fù)載很大，如其流過(guò)的電流達(dá)3In，而在負(fù)載很小的一相導(dǎo)線發(fā)生接地故障，其電流(如圖3中為0.6In)僅略高于正常接地故障跳閘閾值(0.2In)。在這種情況下，先有技術(shù)的跳閘裝置，例如通過(guò)增加該跳閘閾值Sh至高于待檢測(cè)的接地故障(0.6In)的一個(gè)值(圖3中為0.8In)而降低接地保護(hù)的靈敏度)。
當(dāng)一個(gè)兩串聯(lián)極型故障作用到該系統(tǒng)時(shí)，兩個(gè)導(dǎo)線具有較高的電流(例如3In)，其相位和幅值相同，并且假接地故障電流實(shí)際為零。那么，對(duì)接地故障保護(hù)(Sh＝0.8In，I＝3In)的降低靈敏度則防止了發(fā)生在較小負(fù)載導(dǎo)線接地故障(包括0.2和0.8In之間)的檢測(cè)。然而，斷路器必須對(duì)一個(gè)接地故障的反應(yīng)快于兩串聯(lián)極所作用的短延時(shí)型故障的反應(yīng)。接收一個(gè)表示兩串聯(lián)極型故障的信號(hào)A的電子處理單元20禁止對(duì)接地故障保護(hù)的靈敏度降低。從而使跳閘裝置能檢測(cè)系統(tǒng)中另一個(gè)導(dǎo)體的接地故障。似乎沒(méi)有必要詳細(xì)描述為上述“禁止”所用的裝置，因?yàn)樗梢酝ㄟ^(guò)模擬裝置或在使用基于微處理機(jī)的跳閘裝置時(shí)通過(guò)編程序按常規(guī)的方式達(dá)到。
權(quán)利要求
1.一個(gè)固態(tài)跳閘裝置，用于保護(hù)三相電源系統(tǒng)中的電路斷路器，它包括電流檢測(cè)裝置(16)，傳送正比于流過(guò)電源系統(tǒng)導(dǎo)線中電流的模擬信號(hào)；以及一個(gè)電子處理單元(20)它被加上所述信號(hào)(Ⅰ1，I2，I3，IN)，并當(dāng)所述信號(hào)超過(guò)預(yù)置閾值的情況下傳送一個(gè)斷路器跳閘命令；該跳閘裝置的特征在于電子處理單元包括有故障類型檢測(cè)裝置，它包括有上述信號(hào)(I1，I2，I3，IN)與第一閾值S1進(jìn)行比較的比較裝置(22，24，26，28)，與比第一閾值(S1)高的第二閾值(S2)進(jìn)行比較的比較裝置(30，32，34，36)，以及裝置(38，40，D1，D2)，從而它能確定是否至少第一預(yù)定數(shù)目的信號(hào)低于第一閾值(S1)同時(shí)，至少第二預(yù)定數(shù)目的信號(hào)高于第二閾值(S2)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的跳閘裝置，其特征在于，當(dāng)上述第一數(shù)目等于2，第二個(gè)數(shù)目等于1時(shí)故障類型檢測(cè)裝置傳送一個(gè)表示單相故障的信號(hào)(A)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的跳閘裝置，其特征在于，該電源系統(tǒng)是具有中性線的三相系統(tǒng)，當(dāng)所述第一數(shù)目等于3，而所述第二數(shù)目等于1時(shí)，該故障類型檢測(cè)器發(fā)送一個(gè)信號(hào)(A)，它代表一個(gè)單相故障。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的跳閘裝置，其特征在于，In為斷路器的額定電流，第一閾值(S1)為1.5In的數(shù)量級(jí)且第二閾值(S2)為5In的數(shù)量級(jí)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的跳閘裝置，其特征在于，電源系統(tǒng)為帶有中性線的三相系統(tǒng)，當(dāng)上述第一和第二數(shù)目都等于2時(shí)，故障類型檢測(cè)裝置傳送一個(gè)表示兩個(gè)串聯(lián)極類型故障的信號(hào)(A)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的跳閘裝置，其特征在于電子處理單元包括當(dāng)測(cè)得信號(hào)超過(guò)一個(gè)預(yù)置閾值時(shí)獲得一個(gè)接地故障保護(hù)功能的裝置和減少接地故障保護(hù)靈敏度的位置，來(lái)自故障類型檢測(cè)裝置的輸出信號(hào)(A)當(dāng)其表示兩串聯(lián)極類型故障時(shí)阻止上述減少靈敏度裝置。
7.根據(jù)權(quán)利要求5的跳閘裝置，其特征在于In為斷路器額定電流，第一閾值(S1)為In的數(shù)量級(jí)且第二閾值S2為2或3In的數(shù)量級(jí)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的跳閘裝置，其特征在于上述電子處理單元(20)由一個(gè)以微處理機(jī)為基礎(chǔ)的單元構(gòu)成。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的跳閘裝置，其特征在于與第一閾值比較的信號(hào)比較裝置由一個(gè)第一組運(yùn)算放大器(22，24，26，28)構(gòu)成，每一放大器在其正向輸入端輸入表示流過(guò)電源系統(tǒng)中一根導(dǎo)線的電流的信號(hào)(I1，I2，I3，IN)，且在其反向輸入端輸入一個(gè)表示上述第一閾值(S1)的信號(hào)，上述運(yùn)算放大器的輸出(A1-A4)分別由一個(gè)電阻器(R1-R4)連接到第一運(yùn)算放大器(38)的反向輸入端(B1)，而且再通過(guò)一個(gè)電阻(R9)連至電源電壓Vcc，上述第一運(yùn)算放大器(38)在其正向輸入端接收一個(gè)第一參考電壓(S3)，以這種方式確定當(dāng)?shù)谝唤M放大器的第一預(yù)定數(shù)目輸出(A1-A4)為邏輯值0時(shí)，運(yùn)算放大器的輸出(A9)為邏輯值1，第二組運(yùn)算放大器(30，32，34，36)的每個(gè)在其正向輸入端輸入代表流過(guò)電源系統(tǒng)導(dǎo)線之一的電流的信號(hào)(I1，I2，I3，IN)，在其反向輸入端接收一個(gè)代表第二閾值(S2)的信號(hào)，第二組放大器的輸出(A5-A8)分別通過(guò)一個(gè)電阻器(R5-R8)連至第二運(yùn)算放大器(40)的正向輸入端(B2)，而上通過(guò)一個(gè)電阻(R10)連至電源電壓(Vcc)，上述第二運(yùn)算放大器(40)在其反向輸入端接收一個(gè)第二參考電壓(S4)，以這種方式確定當(dāng)至少第二組放大器的第二預(yù)定數(shù)目輸出(A5-A8)為邏輯值1時(shí)，第二放大器的輸出(A10)為邏輯值1，第一和第二運(yùn)算放大器(38，40)的輸出(A9-A10)分別連接到第一、第二二極管(D1，D2)的陰極，這些二極管的陽(yáng)極連接到故障類型檢測(cè)裝置的輸出(A)，并且通過(guò)電阻R11連到電源電壓(Vcc)。
全文摘要
保護(hù)三相電源系統(tǒng)電路斷路器的固態(tài)跳閘裝置包括一個(gè)故障類型檢測(cè)電路，該電路將流過(guò)電源系統(tǒng)導(dǎo)線的電流(I1，I2，I3，In)與第一閾值S1和大于第一閾值S1的第二閾值S2比較，該電路提供一個(gè)代表某種類型故障的信號(hào)(A)，當(dāng)?shù)谝粩?shù)目的電流低于第一閾值(S1)，且第二數(shù)目的電流大于第二閾值(S2)時(shí)，表示單相故障或二極串聯(lián)故障。
文檔編號(hào)H02H3/10GK1047000SQ9010259
公開(kāi)日1990年11月14日 申請(qǐng)日期1990年4月29日 優(yōu)先權(quán)日1989年5月3日
發(fā)明者弗萊瑟·迪迪爾 申請(qǐng)人:梅蘭日蘭公司