CN101221218A - 模拟线圈电压和线圈电流的测量 - Google Patents

Abstract

本发明涉及模拟线圈电压和线圈电流的测量。在与保护断路器继电器的接触输出连接以检测断路器机构的初始故障的断路器线圈励磁过程中，测量模拟线圈电压和线圈电流。

Description

模拟线圈电压和线圈电流的测量

相关申请

在此描述的本公开和发明是整个***的一部分，该***的其他部分在其他将要与本申请同时公开的申请中被描述。除了本申请，整个***的其他相关发明在名称为“Apparatus，Methods，And System For Role-Based Access In AnIntelligent Electronics Device(在智能电子器件中用于基于角色访问的装置、方法和***)”(案号为214，574)和名称为“Intelligent Electronic Device WithIntegrated Pushbutton For Use In Power Substation(具有用于电力变电站的综合按钮的智能电子器件)”(案号为214，109)的申请中被描述；在此并入上述发明的公开内容。

技术领域

本发明涉及模拟线圈电压和线圈电流的测量。

背景技术

断路器被广泛地用于保护电线和设备。断路器监控通过电导体的电流，并且如果满足特定标准，断路器跳闸以中断该电流。一个这样的标准是允许流过被保护电路的最大连续电流。断路器被设计承载的最大连续电流被称为壳架额定值(frame rating)。然而，断路器可以被用于保护最大连续电流小于断路器壳架额定值的电路，在这种情况下，断路器被配置成当电流超过为断路器用于其中的特定电路建立的最大连续电流时跳闸。这被称为断路器电流额定值。显然，断路器电流额定值可以小于但不能超过壳架额定值。

在传统的断路器中，在断路器里的保护继电器的接触输出被连接到断路器的线圈，其又用于使电力线跳闸，停止通过断路器流到负载的电流的流动。经常经受诸如振荡、冲击、高压和感应负载电弧的严酷操作条件的断路器对于提供电流到最终负载的操作是关键的器件。由于断路器经受的严酷操作条件，上述平均故障率很难被维持，必须持续地利用人力来保证电力***和传输到最终负载的功率的可用性。流过断路器DC跳闸线圈的电流的波形的信号分析可以被用于检测断路器的跳闸机构的结构变化。通常，跳闸线圈电流的波形高度地可重复，波形的变化通常是跳闸机构的机械特性或跳闸线圈的电气特性已经改变的初始信号。

尽管有设计的专门器件用于测量断路器线圈的电压和电流，但是没有测量断路器线圈的电压和电流并执行信号分析以检测指示进展性故障的变化的保护继电器。我们知道，在电路保护领域的先前工作都包括数字检测存在于接触输出的电流和电压，并且，在这种情况下，运用数字测量提供接触输入的正确操作的反馈，对断路器线圈状况的诊断没有影响。

在线断路器状况监测有许多潜在的优点，例如，提高服务可靠性，更高的设备可利用性，更长的设备寿命，并且最终降低维护费用。在线监控表示提高用于支撑维护的信息***的时机。利用现代电子设备，可以持续地监控和分析参数以补充维护人员的活动。

发明内容

根据本发明的实施例，提供一种预测电力***中断路器的故障的方法，该方法包括提供线圈信号元件；测量断路器线圈的模拟线圈电压和模拟线圈电流以确定用于断路器线圈两端的电压和流过断路器线圈的电流的时间特性基线；随着时间的变化，测量所述断路器线圈的模拟线圈电压和线圈电流以确定用于断路器线圈两端的电压和流过断路器线圈的电流的正在发生的时间特性：以及分析所述正在发生的时间特性中所述基线的任何变化。

附图说明

通过参考下述附图和详细描述，本领域技术人员将对本申请有彻底和完整的了解。

图1描述了本发明的线圈信号布线图；

图2描述了本发明的典型跳闸线圈波形。

具体实施方式

在如下的对测量模拟线圈电压和线圈电流以预测电力***的故障的改进的描述中，请注意，利用保护继电器的接触输出来跳闸断路器线圈。该线圈是释放存储能量机构的机电螺线管，所述存储能量机构动作以打开或闭合断路器。在线圈激励的过程中，线圈两端的电压、流过线圈的电流以及相应的耗散能量将具有特殊的时间特性。通过分析在这些特性中的变化，我们发现检测各种断路器的初始故障模式并且用信号通知用户需要进行预防性的维护是可能的。

通过运用变压器隔离的DC-DC变换器和整个***的模拟光学隔离，这些改进第一个通过执行隔离的模拟电压测量和流过接触输出并激励断路器线圈的电流测量将这个功能直接结合到接触输出中。

所述波形的一般形状是与时间常数成简单的指数关系的形状，该时间常数等于线圈的电感与线圈的电阻的比值。波形最初的斜率取决于所施加的电压和线圈的最初电感的比值。最终的电流值取决于所施加的电压和线圈的电阻的比值。由于跳闸线圈包含移动的电枢，因此线圈的电感随时间变化，并且跳闸线圈电流的波形不是精确的指数型的。偏离简单的指数的量和时序强烈地取决于电枢运动的细节。

如之前指出的，耗散在断路器的操作线圈中的能量(即，流过DC跳闸线圈的电流)的波形的信号分析可以被用于检测断路器的跳闸机构的结构的变化。通常地，跳闸线圈电流能量的波形高度地可重复，并且波形的变化通常是跳闸机构的机械特性或跳闸线圈的电气特性已经改变的初始信号。因而，如果对于特别的线圈操作，信号分析导致相当大的偏离，那么线圈信号元件产生警报。还可以执行AC跳闸线圈电流的信号分析，但是由于与所施加的电压的相角相对的线圈激励的时间的随机性，因此该分析变得复杂。幸运的是，由于电池用于为变电站提供控制能量，因此大多数用于实际应用的断路器采用DC跳闸线圈。

如本发明所预期的，线圈信号元件也包含基线特征。线圈信号元件测量在每个线圈操作期间的最大线圈电流、线圈电流的持续时间、和最小电压。通过多次操作来计算这些测量的平均值，允许用户从这些平均值产生基线值。线圈信号元件将使用这些基线值来确定在特定的断路器线圈操作中是否在任何值中存在相当大的偏离。

对于图1，示出了线圈信号布线图，其中线圈电流由优选地集成到接触输出电路的DC电流监控器来测量。由这样的线圈信号元件图产生的热跳闸线圈电流波形(tropical trip coil current waveform)由图2表示。如所描述的，线圈信号元件能够产生如下测量值：线圈能量(即，在线圈操作期间积分的线圈电压和线圈电流的乘积)；电流最大值(即，用于线圈操作的线圈电流的最大值)；电流持续时间(即，在线圈操作期间，线圈电流超过预先校准的电流水平的时间，所述电流水平优选为0.25安)；电压最小值(即，在线圈操作期间，电压的最低值)；线圈信号(即，通过多个操作平均的线圈能量值)；平均电流最大值(即，通过多个操作平均的最大线圈电流)；平均电流持续时间(即，通过多个操作平均的线圈电流持续时间)；和平均电压最小值(即，通过多个操作平均的电压最小值)。

更具体的，图1描述了包括接触输出电路和接触输入电路的线圈电路布线图。线圈电流由DC电流监控器(103)在接触输出电路中测量，并且电压由DV电压监控器(104)在接触输入电路中测量。到达此电流监控器(103)的电流首先通过继电器接触(101和102)。优选地，监控装置(103和104)的电输出首先通过线性光学耦合器(未示出)之后，被微处理器(未示出)接收，该光学耦合器为将线圈信号元件与断路器本身电隔离的装置。所述微处理器被编程以计算下面所示的数学等式的值。

利用在图1中所描述的线圈信号装置对线圈电流的测量通过用于激励线圈的接触输出的监控电路来提供。在激励线圈之前，期望在接触的两端存在电压。当所述线圈被激励时，该电压降到零。因此，该功能由与该接触输出相关联的负转换电压操作数来触发。一旦被触发，该元件在由触发持续时间设置确定的期间保持激活。

关于图2，典型的跳闸线圈电流波形被描述，其中，所述波形的一般形状，如之前所述，是与时间常数成简单的指数关系的形状，该时间常数等于线圈的电感与线圈的电阻的比值。

对于断路器的每一操作，通过比较线圈电流波形和由前面所有的操作中计算出来的平均波形(即，基线值)来执行信号分析。

首先，需要在断路器的多次操作内，即每当断路器操作时，建立平均波形，以捕获和标度电流波形：

V(τ)＝v(t_start+τ)

I(τ)＝i(t_start+τ)/i(t_end)

P(τ)＝V(τ)× I(τ)

在上述数学等式中，“V”指电压，“I”指安培，“P”指功率，并且“τ”的范围从0到结束时间和开始时间之差；所述开始时间是通过线圈的电流开始流动的时刻。实际上，开始时间是流过线圈的电流变得大于0.25安培时的时刻；结束时间是电流变得小于0.25安培时的时刻。结束时间和开始时间之间的差由用户预先选择以捕获完整的波形。这个定标过程在一定程度上补偿了控制电压的变化。电流变化的初始时间变率(time rate)及其最终值都与控制电压成比例。

接着，电流信号通过简单地将所有波形相加并除以波形数目以获得算术平均值来计算：

$\stackrel{\‾}{I}\left(\mathrm{\τ}\right)=\frac{1}{N}\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{I}_k\left(\mathrm{\τ}\right)$

相似的，能量信号通过将所有波形相加并除以波形数目来计算。简言之，在上述等式中用“P”代替“I”。

也需要估计波形变化的平方：

$S^2\left(\mathrm{\τ}\right)=\frac{1}{N-1}\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(I\left(\mathrm{\τ}\right)-\stackrel{\‾}{I}\left(\mathrm{\τ}\right))}^2$

$S^2\left(\mathrm{\τ}\right)=\frac{1}{N-1}\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(P\left(\mathrm{\τ}\right)-\stackrel{\‾}{P}\left(\mathrm{\τ}\right))}^2$

最后，有用的是估计在波形的时间跨度内积分的净不确定性的平方：

$U^2=\frac{1}{t_{\mathrm{end}}-t_{\mathrm{start}}}\underset{0}{\overset{t_{\mathrm{end}}-t_{\mathrm{start}}}{\∫}}{S}^2\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ}$

读者应该注意，在前述等式中，波形被看作是连续函数，这是为了解释以更好的理解本发明的目的。本领域技术人员应该明白，在实践中，波形实际上被采样，并且前述积分通过求所述采样的和用数值进行计算。

本发明中的检测跳闸线圈电流波形的变化的过程实际上是计算每当断路器跳闸时波形从信号的偏离。也就是，计算在波形的时间跨度内积分的偏差平方：

$D^2=\frac{1}{t_{\mathrm{end}}-t_{\mathrm{start}}}\underset{0}{\overset{t_{\mathrm{end}}-t_{\mathrm{start}}}{\∫}}{(P\left(\mathrm{\τ}\right)-\stackrel{\‾}{P}\left(\mathrm{\τ}\right))}^2\mathrm{d\τ}$

在该等式中，符号“D”是跳闸线圈电流偏离信号有多远的计算值。偏离是否明显通过比较D与U的倍数，或通过比较D的平方与U的平方的倍数来确定。明显地，所述倍数取决于想要的置信区间，并可以用公知的正态分布的统计特性来设置。例如，对于99.7％的置信区间，所谓的3-西格马(3-∑)区间，倍数是3，即，如果D的平方(或D²)大于9乘以U的平方，则所述偏离被认为是明显的。

如果所述偏离不明显，则新的波形用于更新平均值和U的平方。如果所述偏离明显，则其不用于更新，并且明显的偏离被宣布意味着用户可以预见进展性故障(evolving failure)以及应当注意或在不久的将来安排对断路器进行维修。

因此，如果D²＞M²·U²，则宣告线圈信号警报，其中，“M”是取决于预定的置信区间设置的值。更特别地，“M”取自下面用于由用户设定的特定的置信区间设置的表：

置信区间设置 M

2.5758

2.6121

2.6521

2.6968

2.7478

2.8070

2.8782

2.9677

3.0902

3.2905

除了以上的之外，线圈信号元件还能够产生如下测量值：

电流最大值(即，用于线圈操作的线圈电流的最大值)：

I_max＝max(I(τ))

电压最小值(即，在线圈操作期间电压的最低值)：

V_min＝min(V(τ))

电流持续时间(即，在线圈操作期间，线圈电流超过预先校准的电流水平的时间，所述电流水平优选为0.25安)：

Δt＝t_end-t_start

然后可以计算这些信号的平均值：

平均电流最大值(即，通过多个操作平均的最大线圈电流)：

${\stackrel{\‾}{I}}_{\max }=1/N{{\mathrm{\Σ}}^N}_{k=1}{\stackrel{\‾}{I}}_{\max }$

平均电压最小值(即，通过多个操作平均的电压最小值)：

av.V_min＝1/N∑^N _k＝1V_min

平均电流持续时间(即，通过多个操作平均的线圈电流持续时间)：

av.Δt＝1/N∑^N _k＝1Δt

一旦被计算，并且如果所建立的基线被确定，那么：

I_RASELINE＝I_MAX

Δt_BASELINE＝av.Δt

在制造的时候，高电流警报将被预编程以被宣告来指示断路器的潜在故障，并且如果：I_MAX＞1.05I·_BASELINE则用信号通知用户需要预防性的维护。

相似地，如果：Δt＞1.05·Δt_BASELINE，则长电流持续时间警报将被宣告。

相似地，如果：V_MIN＜0.95·V_BASELINE，则低电压警报将被宣告。

当然，这些警报可以以可视的、电子的、听得见的信号形式提供给用户，这些信号表明已经达到并超过了预编程的限定。

尽管我们已经举例说明并描述了本发明的优选实施例，但是应当理解，本发明可以变化和修改，由此我们不希望局限于所阐述的精确的术语，而是渴望利用可以作出的变化和替代以使本发明适用于多种用途和情况。相应的，这些变化和替代完全包含于等同替代方式的整个范围内，并因此包含于下面的权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种预测电力***中断路器的故障的方法，其包括(1)提供线圈信号元件；(2)测量断路器线圈的模拟线圈电压和模拟线圈电流以确定用于断路器线圈两端的电压和流过断路器线圈的电流的时间特性基线；(3)随着时间的变化，测量所述断路器线圈的模拟线圈电压和线圈电流以确定用于断路器线圈两端的电压和流过断路器线圈的电流的正在发生的时间特性：以及(4)分析所述正在发生的时间特性中所述基线的任何变化。

2.如权利要求1的方法，其包括所述元件测量在每一线圈操作期间的最大线圈电流、线圈电流的持续时间、和最小电压。

3.如权利要求2的方法，进一步包括利用所述最大线圈电流、持续时间和最小电压测量值来确定在所述断路器的操作期间是否发生了偏离。

4.如权利要求1的方法，其进一步包括通过运用下列数学等式建立电压、电流和功率测量值，在最初为所述断路器建立平均波形：

V(τ)＝v(t_start+τ)

I(τ)＝i(t_start+τ)/i(t_end)

P(τ)＝V(τ)× I(τ)

其中，“V”指电压，“I”指安培，“P”指功率，并且“τ”的范围从0到结束时间和开始时间之差；所述开始时间是通过线圈的电流开始流动的时刻。

5.如权利要求4所述的方法，其中所述开始时间是流过线圈的电流变得大于0.25安培时的时刻；以及结束时间是电流变得小于0.25安培时的时刻。

6.如权利要求5所述的方法，进一步包括通过将所述波形相加并除以波形数目以得到算术平均值，即通过下述等式来计算电流信号：

$\stackrel{\‾}{I}\left(\mathrm{\τ}\right)=\frac{1}{N}\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{I}_k\left(\mathrm{\τ}\right).$

7.如权利要求6所述方法，进一步包括通过下述等式来得到波形变化的平方：

$S^2\left(\mathrm{\τ}\right)=\frac{1}{N-1}\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(I\left(\mathrm{\τ}\right)-\stackrel{\‾}{I}\left(\mathrm{\τ}\right))}^2$

$S^2\left(\mathrm{\τ}\right)=\frac{1}{N-1}\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(P\left(\mathrm{\τ}\right)-\stackrel{\‾}{P}\left(\mathrm{\τ}\right))}^2.$

8.如权利要求7所述方法，进一步包括通过下述等式来得到在波形的时间跨度内积分的净不确定性的平方：

$U^2=\frac{1}{t_{\mathrm{end}}-t_{\mathrm{start}}}\underset{0}{\overset{t_{\mathrm{end}}-t_{\mathrm{start}}}{\∫}}{S}^2\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ}.$

9.如权利要求8所述的方法，进一步包括每当断路器跳闸时波形从信号的偏离，也就是，计算在波形的时间跨度内积分的偏差平方：

$D^2=\frac{1}{t_{\mathrm{end}}-t_{\mathrm{start}}}\underset{0}{\overset{t_{\mathrm{end}}-t_{\mathrm{start}}}{\∫}}{(P\left(\mathrm{\τ}\right)-\stackrel{\‾}{P}\left(\mathrm{\τ}\right))}^2\mathrm{d\τ}$

其中，“D”是跳闸线圈电流从信号偏离有多远的计算值。

10.如权利要求9所述的方法，进一步包括如果D²＞M²·U²，则启动线圈信号警报，其中“M”是取决于由用户从下述表中选择的预定的置信区间设置的值：

置信区间设置 M

2.5758

2.6121

2.6521

2.6968

2.7478

2.8070

2.8782

2.9677

3.0902

3.2905。