CN101039021A

CN101039021A - 智能型断路器的新型故障保护方法

Info

Publication number: CN101039021A
Application number: CN 200710017309
Authority: CN
Inventors: 李靖; 马志瀛; 陈伟; 刘荔鑫
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2007-01-26
Filing date: 2007-01-26
Publication date: 2007-09-19
Anticipated expiration: 2027-01-26
Also published as: CN100530877C

Abstract

本发明公开了一种智能型断路器的新型故障保护方法，将低压断路器的静触头温度纳入检测范围，并建立断路器新的全段电流保护时间－电流函数表，让每一组电流都有对应的动作时间值，保证不同故障电流有不同的动作时间；在参照时间－电流特性曲线的同时考虑静触头温度，根据电流和静触头温度两个参数来确定断路器动作时间，以实现电流/触头温度的复合监控；采用电量不均等循环检测方法，首先对电流进行多次循环采样，对重点电流的检测采用先大后小的顺序，然后再对电压和温度进行一次采样的方法，使得对电流的监控时间远多于对其他电量和非电量的监控时间，从而能更迅速的检测到故障电流。使得智能控制器的反映速度更快、动作灵敏度更高、功能更完善。

Description

智能型断路器的新型故障保护方法

技术领域

本发明属于电工电能技术领域，涉及电力***中用于电能分配和电机拖动控制的断路器所采用的新型故障保护方法，同时在工作频率为1500Hz及以下的产品中也有重要的实际应用价值。

背景技术

断路器是电力***中重要的控制和保护用的电器设备，用途广泛。传统断路器通常采用具有热双金属片脱扣器(限于塑壳式低压断路器)、过电流脱扣器和欠压脱扣器以实现长延时过电流脱扣、短延时过电流脱扣、瞬时过电流脱扣和欠电压脱扣的保护。随着技术的进步，电器的智能化工作正在积极地推进，新型的断路器智能控制器、综合自动保护装置和智能型电机控制中心等不断地出现。目前这些智能控制器的保护方式在设计时仍然沿用传统的分段保护方式，虽提出了不少新的算法，然而仍存在算法复杂、动作保护特性不够科学、无触头温度检测等缺陷，没有发挥出最大的优势。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种智能型断路器的新型故障保护方法，该方法将全段电流保护、电流/触头温度复合监控、电量不均等循环检测技术等新方法引入智能型断路器的智能控制器中，使得智能控制器的反映速度更快、动作灵敏度更高、功能更完善。

为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：

一种智能型断路器的新型故障保护方法，其特征在于：

方法一，建立断路器全段电流保护的时间—电流函数表，通过时间—电流函数表将电流进行取整运算，让每一组电流都有对应的动作时间值，保证不同故障电流有不同的动作时间；

方法二，在参照时间—电流特性曲线的同时考虑静触头温度，根据电流和静触头温度两个参数来确定断路器动作时间，以实现电流/触头温度的复合监控；具体方法是，在断路器的静触头背面钻盲孔，使盲孔直至接近静触头表面，将集成温度传感器涂上导热硅脂埋入盲孔中，使集成温度传感器与静触头保持良好接触，将低压断路器的静触头温度纳入检测范围；

方法三，采用电量不均等循环检测方法，首先对电流进行多次循环采样，对重点电流的检测采用先大后小的顺序，然后再对电压和温度进行一次采样的方法，使得对电流的监控时间远多于对其他电量和非电量的监控时间，从而能更迅速的检测到故障电流。

上述三种方法单独应用或者联合应用均可。

本发明公开的智能型断路器的新型故障保护方法适用于对电力***的电能分配和电机拖动控制起控制和保护作用的智能型断路器，同时对采取特殊工作频率的行业也有重要的实际应用价值。能广泛应用于各类型的智能型断路器、综合自动保护装置和电机控制中心的智能控制器中，市场对此类产品的需求旺盛、应用前景十分广阔。可提高相关智能型控制器的技术水平和附加值，有较大的经济效益。

附图说明

图1是传统三段保护特性曲线和全段保护特性曲线对比。其中，(a)传统三段保护特性曲线，(b)全段保护特性曲线，(c)是两者对比曲线，图中I_r1为长延时整定值，I_r2为短延时整定值，I_r3为瞬时整定值。

需要说明一下，当短路电流达到12～16倍的整定电流时，由于断路器本身存在固有分闸时间，因此在这些电流出现后的特性曲线将是水平线，断开时间为(0.02～0.05)±5％s。

图2是采用全段保护的特性曲线；

图3是全段电流保护特性子程序框图；

图4是不均等电量循环检测图。

以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。

具体实施方式

本发明的智能型断路器的新型故障保护方法可通过硬件设备和软件编程方式实现，软件全部采用汇编语言编写，也可用高级语言编写，但汇编语言相对高级语言编写的执行语句，具有效率更高、时间空间准确的特点，同时为断路器采集大电流与小电流等参数的轮询时间精确控制提供了有效的编程环境。

以下发明人给出本发明的三种方法的具体实现的例子。

1、全段保护特性的原理与子程序设计

由于传统断路器限于体积和技术的制约，通常采用具有热效应的双金属片、过电流脱扣器和欠压脱扣器以实现长延时过电流脱扣、短延时过电流脱扣、瞬时过电流脱扣和欠电压脱扣的保护。目前，智能断路器在设计保护特性曲线时仍然沿用传统断路器的分段保护方式，并提出了不少复杂的算法，虽然在多项性能上超过了传统断路器，然而没有发挥出自己最大的优势。

比如：在设计过载长延时的算法中，因过载电流并非恒定不变，将出现如下面的一个问题就很难解决。

若起始的过载电流为I₁，其对应的延时为t₁；经过一段时间t(t＜t₁)后，电流变到了I₂(I₂＜I₁)，则对应延时时间将变成t₂。此时若要控制断路器脱扣，就应该考虑起始过载电流I1的影响，延时时间应小于t₂。若电流反复变化，要达到较为理想的控制就会变得非常困难，而且会消耗大量的MCU资源。

再如：智能型断路器在设计短路短延时的控制方式时，照搬分段保护特性曲线，让多种短路电流对应同一个动作时间(如图1的a所示)。我们知道，不同的短路电流对设备的破坏是不同的，电器能承受不同故障电流的时间也不同，因此不一定使用相同的较快的动作延时。

传统断路器受技术限制，只能做到三段式电流保护，差别较大的故障电流采用相同的动作时间。本发明通过建立时间—电流函数表，将电流进行取整运算，让每一组电流都有对应的动作时间值，从而做到不同故障电流有不同动作时间，可达到更准确的控制，从而区别于目前智能断路器在设计保护特性曲线时沿袭传统断路器分段保护的做法。

如图1所示，全段电流保护是针对短路短延时在不同短路电流下延时时间相同的缺点提出的，对策是使反时限延伸到整个保护区域，即所有故障电流对应不同延时的动作时间。

由于电子线路时间存在延迟、断路器分闸用电磁铁或弹簧机构以及触头从分开至电弧熄灭都需要时间，因此造成从智能控制器输出分闸信号起到断路器将电路开断必然存在一个固有延迟时间。由此，在一定的短路电流下，动作时间不会再进一步缩小，而会是一个确定的时间值。

2、“电流/触头温度复合监控”的实施

触头温升通常比其它导电部分的要高。但是，若触头温度过高，接触面容易发生强烈的氧化和熔焊，使开关丧失工作能力。另外，触头间接触压力通常依靠弹簧来维持，过高的触头温度将会对弹簧的刚度有很大影响，在电动力作用下易产生弹跳，使得触头工作不稳定。由于触头接触电阻的存在，短路故障电流对线路和断路器的影响最直接的体现是触头温度的变化。如果在时间-电流特性分析中引入触头温度参数将会使控制算法变得简单、有效，可大大减少触头的氧化、侵蚀和熔焊问题，达到充分保护触头、延长断路器寿命、提高其工作可靠性的目的。本发明对触头温度进行监控，能最大限度的减少以上问题的发生，突破了传统智能型断路器只依靠电流完成控制的局限性、并避免了复杂的算法，从而使断路器能根据温度和电流两个参数确定动作时间，实现了电流/温度复合监控。

如图2所示，特性曲线采用全段保护，算法判据为“累计热效应”，同时引入温度参数，由温度和电流参数共同确定动作时间，从而实现综合判断。

触头温度的测量与加工办法：在断路器的静触头背面钻φ5的盲孔，直至接近静触头表面为止(不能通透)，将集成温度传感器涂上导热硅脂埋入孔中，使之与触头良好接触。由于静触头的极限工作温度在+70～+105℃，因此选用的半导体测温元件的测量范围应当满足-20～+120℃，由于静触头温度变化是一个较为缓慢的过程，因此转换速度和精度都不作特别要求。应选择更小的封装方式和更宽的电压适用范围。分辨率设定及用户设定的报警温度能存储在E²PROM中，掉电后依然保存。

本方法具有以下特点：

(1)每个电流均有相应的动作时间，保护方法更为科学；

(2)能减少触头的氧化、锈蚀和熔焊，提高断路器的可靠性；

(3)由于考虑了静触头的温升，在长延时过程中，随着静触头温度的变化，动作时间会做相应的调整，即使再复杂的变化电流，借助静触头温度这个“智能的调节器”，程序设计都会变得很简单却非常有效。

(4)温度校正系数的计算式：

K = \sqrt{\frac{t_{1} - t_{0}}{t_{1} - t_{2}}}

式中：K——温度校正系数；

t₀——敷设处的环境温度(℃)；

t₁——导体最高允许工作温度(℃)

t₂——导体载流量标准中所采用的环境温度(℃)。

当敷设处的环境温度t₀大于导体载流量标准规定采用的环境温度t₂时K＜1，与标准相比，允许通过的电流将减少、延时将缩短。

(5)子程序框图如图3所示。先根据公式计算温度校正系数K；再由K值和电流值动态修改动作时间，查表求得脱扣器延时动作时间，并返回动作时间值。程序处理时，将测量的电流I除以温度系数K后，将放大(缩小)的电流值与设定值进行比较，并做出判断。

3、不均等循环电量检测方法的实施

为了保证智能型断路器对电流的实时监控的高要求，电量不均等循环检测方法是指采取先对电流进行多次循环采样、再对电压和温度进行一次采样的方法，将能使对电流的监控时间远多于对其他电量和非电量的监控时间，从而能更迅速地检测到故障电流。同时，还对电流的检测采用先大后小的优先顺序，以及时发现重大事故的出现。

不均等循环电量检测方法的程序框图如图4所示。以断路器额定工作电流400A为例，包括如下步骤：

首先启动大电流采样子程序；并进行判断，首先判断是否大于50KA，如果是，即进行分闸处理并进入报警程序，报警完成后，等待***差错，复位；如果不是，则进入判断是否大于800A，如果大于800A，则调用保护特性子程序，并进行动作时间设定后至分闸处理程序并报警，报警完成后，等待***差错，复位；

如果不是，则进入判断是否大于400A，如果大于400A，则调用保护特性子程序，并进行动作时间设定后至分闸处理程序并报警，报警完成后，等待***差错，复位；如果不是，则判断电流检测是否大于64次，如果没有达到检测数，返回大电流采样子程序，继续重复；

如果达到检测数，则进入电压采用子程序，判断电压是否正常，如果电压不正常则调用保护特性子程序，并进行动作时间设定后至分闸处理程序并报警，报警完成后，等待***差错，复位；如果电压正常则进入温度采样子程序，判断温度是否正常，如果温度正常，返回大电流采样子程序，继续重复；如果温度不正常，则进入分闸处理程序并报警，报警完成后，等待***差错，复位。

断路器的主要监控电量之一是电流，其中故障电流最为重要。为减少监控其他电量所占用的***资源，申请人提出的“不均等循环电量检测方法”，包括对重点电量(电流)的检测采用先大电流、后小电流的顺序；在对电流多次循环采集后再采集一次电压和触头温度等值，以使对电流的监控时间远远多于对其他监控量值的时间，从而更迅速地检测到故障电流并对其进行快速反应。

本发明的方法的技术特点及优势在于：

(1)、利用全段电流保护程序可以完成对电流信号进行诊断和保护工作。

(2)、引入温度参数分析断路器的时间-电流特性，将使保护功能更加全面。

(3)、采用不均等循环电量检测方法可充分利用***资源。

Claims

1.一种智能型断路器的新型故障保护方法，其特征在于：

方法三，采用电量不均等循环检测方法，首先对电流进行多次循环采样，对重点电流的检测采用先大后小的顺序，然后再对电压和温度进行一次采样的方法，使得对电流的监控时间远多于对其他电量和非电量的监控时间，从而能更迅速的检测到故障电流；

上述三种方法单独应用或者联合应用均可。

2.如权利要求1所述的方法，所述方法二中的温度传感器测量范围为-20℃～+120℃。