CN103247999A - 一种采用仿真方式来实现熔丝真实物理特性的电子熔丝装置 - Google Patents

Abstract

一种采用仿真方式来实现熔丝真实物理特性的电子熔丝装置，属紧急保护装置领域。包括设置在箱体中的互感器组、断路器开关和控制单元；其控制单元将主回路各相负荷电流值与熔丝的反时限特性曲线和熔丝热容特性时间或总热容冷却时间进行比较，对断路器开关进行跳闸操作控制。其通过仿真各种规格熔丝的反时限特性和热熔时间特性，控制断路器开关的“跳闸”或“合闸”操作，实现熔丝的实际电路保护功能，可避免熔丝片在负荷高峰时发热温度高和绝缘体材料在冷热交变作用下极易老化失效的缺陷，可适用于不同熔丝规格的供电线路，减少熔丝产品采购和存储量，降低综合运行成本，满足智能电网的运行需要。可广泛用于低压变配电***的智能化控制领域。

Description

一种采用仿真方式来实现熔丝真实物理特性的电子熔丝装置

技术领域

本发明属于紧急保护电路装置领域，尤其涉及一种用于低压供配电***的紧急保护电路装置。

背景技术

随着经济发展及人民生活水平的提高，城市用电量呈大幅度上升，目前城市10kV的配电网户外杆上变压器装置越来越多，与之配套的配变熔丝箱使用量也逐年增加。

低压配变熔丝箱是低压配电电网户外杆变装置中重要的设备之一，它安装在变压器低压端及低压电网之间，既可作为低压电网的短路及过载的保护装置，又可通过操作其“分”、“合”来实现低压电网的投入和切断运行。

低压配变熔丝箱的内部核心是一台低压熔断器式负荷隔离开关，其短路及过载保护采用低压栅式熔丝片作为熔断保护元件。但是采用栅式熔丝片作为熔断体在负荷高峰时发热温度高，而且绝缘体材料在冷热交变作用下极易老化失效，从而影响其可靠性和稳定性。

智能电网是一个由众多自动化的输电和配电***构成的电力***，以协调、有效和可靠的方式实现所有的电网运作，具有自愈功能；快速响应电力市场和企业业务需求；具有智能化的通信架构，实现实时、安全和灵活的信息流，为用户提供可靠、经济的电力服务。

正是因为这种独特的优势，智能电网逐渐成为许多国家可持续发展战略的重要组成部分，发展迅速。

中国的智能电网的基本特征是在技术上要实现信息化、自动化、互动化。

作为配电网络不可缺少的重要设备之一，低压配变熔丝箱的智能化升级改造对整个配电网络的智能化有重要的实际意义。传统的机械式配变熔丝箱不能满足智能电网对配电网信息化、自动化的要求，如果不加改进就任其继续运行在智能配电网络中，由于其不具备信息监测、数据传输或远动操作等自动化性能，对智能电网的稳定性存在隐患，会严重妨碍低压输电***智能化的进程。

为适应国内智能电网的要求，特别是智能电网装备制造业的发展，迫切需要一种既能实现现有低压配变熔丝箱的特性/功能，又能满足智能电网组网要求，具有信息监测、数据传输或远动操作等自动化性能的低压配变熔丝箱类装置，以适应整个国家电网的智能化发展趋势。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种采用仿真方式来实现熔丝真实物理特性的电子熔丝装置，其通过模拟各种规格熔丝的反时限特性和热熔时间特性，控制断路器开关的“跳闸”或“合闸”操作，实现熔丝的实际电路保护功能，可避免采用栅式熔丝片作为熔断体在负荷高峰时发热温度高，和绝缘体材料在冷热交变作用下极易老化失效的缺陷。

本发明的技术方案是：提供一种采用仿真方式来实现熔丝真实物理特性的电子熔丝装置，包括设置在箱体中的线路过载保护模块，所述的线路过载保护模块包括互感器组、断路器开关和控制单元；其所述的互感器组串接在三相主回路中，用于实时测量主回路各相的负荷电流值，并将测量结果传送至所述的控制单元；其所述的断路器开关在控制单元的控制下，切断或接通主回路的三相电路；其特征是：

其所述的控制单元将主回路各相负荷电流值的绝对值大小或各相负荷电流的变化趋势，与熔丝的反时限特性曲线设定值进行比较，对断路器开关进行“跳闸”或“合闸”操作控制；

同时，所述的控制单元将主回路各相负荷电流值的绝对值大小或各相负荷电流的变化趋势，与熔丝的热容特性时间或总热容冷却时间进行比较，对断路器开关进行“跳闸”或“合闸”操作控制；

所述的控制单元并将线路负荷电流、断路器开关状态以及低压配变熔丝箱内部环境参数以数字信号的形式对外输出，远传给上位计算机，并接受上位机的远动控制。

进一步的，所述的控制单元同时模拟熔丝的反时限特性曲线和热容特性时间，控制断路器开关的“跳闸”或“合闸”操作，实现熔丝的实际电路保护功能，以避免采用栅式熔丝片作为熔断体在负荷高峰时发热温度高和绝缘体材料在冷热交变作用下极易老化失效的缺陷，并可极大地减少熔丝产品的采购供应量和仓库存储，降低综合运行成本。

具体的，其所述控制单元将熔丝的反时限特性曲线分解为多个点，各点之间按线性关系处理，对应构成断路器开关的跳闸曲线，并按照此断路器开关的跳闸曲线控制断路器的跳闸动作。

若所述主回路各相负荷的电流值为恒定的过载电流，则当主回路各相负荷实际过载延时大于理论动作时间时，控制单元发出开关“跳闸”信号。

若所述主回路各相负荷的电流值为变化的过载电流时，当过载电流发生变化时，控制单元将已延时的时间值及不同的过载倍数对应的理论动作时间按下列公式进行相应的换算，即得到过载电流变化前后的时间相对延时时间，并据此发出开关“跳闸”信号：

$t=T\×\frac{T_n}{T_o}$                        (公式1)

其中：T为已过载时间；T_o为过载变化前动作时间；Tn为过载变化后动作时间。

进一步的，所述控制单元将熔丝的热容特性时间或总热容冷却时间对应构成断路器开关的绝对跳闸时间，当主回路过载时间超过对应的热容特性时间或总热容冷却时间时，控制单元发出断路器“跳闸”指令；当主回路过载时间不超过对应的热容特性时间或总热容冷却时间时，控制单元在预定时间段内累计主回路的过载时间，当累计的主回路过载时间超过对应的热容特性时间或总热容冷却时间，控制单元也发出断路器“跳闸”指令，以完全仿真熔丝的真实物理特性。

其所述的热容特性时间按照下列公式进行确定：

$T_C=W\×e^{-\frac{t}{T}}$                (公式2)

其中：W为过载引起的热效应能量累加；T为总热容冷却时间，为15min；t为热容冷却时间。

其所述的预定时间段为半个小时。

与现有技术比较，本发明的优点是：

1、通过模拟各种规格熔丝的实际物理特性曲线，控制断路器开关的“跳闸”或“合闸”操作，实现熔丝的实际电路保护功能，可避免采用栅式熔丝片作为熔断体在负荷高峰时发热温度高和绝缘体材料在冷热交变作用下极易老化失效的缺陷，亦可方便地适应各种不同供电能力的线路的需要；

2、断路器可反复多次进行跳/合闸操作，使用寿命长，维护工作量小，既有利于环保，又可降低线路维护/更换工作量；

3、采用控制单元对所采集的电流或环境情况信号进行逻辑分析判断，有很大的功能扩展性，可对线路故障信息记录并远程传输，且由于使用的是低耗能元器件，整个开关的发热量大大降低，符合节能环保的生活理念和要求。

附图说明

图1是本发明的电路结构示意图。

图2是断路器反时限跳闸曲线示意图。

图中1为线路过载保护模块，2为控制单元，3为电流互感器组，4为断路器，5为上位机，B为变压器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

图1中，本发明的技术方案提供了一种采用仿真方式来实现熔丝真实物理特性的电子熔丝装置，包括设置在箱体中的线路过载保护模块1，其所述的线路过载保护模块包括互感器组3、断路器开关4和控制单元2；其所述的互感器组串接在三相主回路中，用于实时测量变压器5主回路各相的负荷电流值，并将测量结果传送至所述的控制单元；其所述的断路器开关用于在控制单元的控制下，切断或接通主回路的三相电路。

其所述的控制单元将主回路各相负荷电流值的绝对值大小或各相负荷电流的变化趋势，与熔丝的反时限特性曲线设定值进行比较，对断路器开关进行“跳闸”或“合闸”操作控制；

同时，所述的控制单元将主回路各相负荷电流值的绝对值大小或各相负荷电流的变化趋势，与熔丝的热容特性时间或总热容冷却时间进行比较，对断路器开关进行“跳闸”或“合闸”操作控制；

所述的控制单元并将线路负荷电流、断路器开关状态以及低压配变熔丝箱内部环境参数以数字信号的形式对外输出，远传给上位计算机，并接受上位机的远动控制。

进一步的，所述的控制单元同时模拟熔丝的反时限特性曲线和热容特性时间，控制断路器开关的“跳闸”或“合闸”操作，实现熔丝的实际电路保护功能，以避免采用栅式熔丝片作为熔断体在负荷高峰时发热温度高和绝缘体材料在冷热交变作用下极易老化失效的缺陷，并可极大地减少熔丝产品的采购供应量和仓库存储，降低综合运行成本。

具体的，其所述控制单元将熔丝的反时限特性曲线分解为多个点，各点之间按线性关系处理，对应构成断路器开关的跳闸曲线，并按照此断路器开关的跳闸曲线控制断路器的跳闸动作。

若所述主回路各相负荷的电流值为恒定的过载电流，则当主回路各相负荷实际过载延时大于理论动作时间时，控制单元发出开关“跳闸”信号。

若所述主回路各相负荷的电流值为变化的过载电流时，当过载电流发生变化时，控制单元将已延时的时间值及不同的过载倍数对应的理论动作时间按下列公式进行相应的换算，即得到过载电流变化前后的时间相对延时时间，并据此发出开关“跳闸”信号：

$t=T\×\frac{T_n}{T_o}$                        (公式1)

其中：T为已过载时间；T_o为过载变化前动作时间；Tn为过载变化后动作时间。

进一步的，所述控制单元将熔丝的热容特性时间或总热容冷却时间对应构成断路器开关的绝对跳闸时间，当主回路过载时间超过对应的热容特性时间或总热容冷却时间时，控制单元发出断路器“跳闸”指令；当主回路过载时间不超过对应的热容特性时间或总热容冷却时间时，控制单元在预定时间段内累计主回路的过载时间，当累计的主回路过载时间超过对应的热容特性时间或总热容冷却时间，控制单元也发出断路器“跳闸”指令，以完全仿真熔丝的真实物理特性。

其所述的热容特性时间按照下列公式进行确定：

$T_C=W\×e^{-\frac{t}{T}}$                        （公式2）

其中：W为过载引起的热效应能量累加；T为总热容冷却时间，为15min；t为热容冷却时间。

其所述的预定时间段为半个小时。

熔丝的“时间—熔化热能特性”亦可用曲线（简称为热熔特性曲线）或熔化热能值来表示，由于其属于本领域的公知常识，其具体含义、构成和应用方法在此不再叙述。

在电力***中，线路的过负荷保护亦称为短路短延时保护，其主要是防止配电***的阻抗性短路，此类短路一般是由于线路局部短路故障产生的，一般电流会超出过载的范围，但短路电流又不是很大。短路短延时的跳闸延时是为了实现选择性保护。

短路短延时保护有两种方式：

第一种为定时限保护，当故障电流大于整定值按整定延时设定值延时动作，延时时间与电流值无关；

第二种为反时限加定时限保护，低倍电流（指I>Ir2且I≤8Ir1）按反时限保护，延时动作时间与故障电流值有关，电流值越大，延时时间越短，但反时限动作时间不会小于短延时定时限的延时设定值，高倍故障电流（指I>Ir2且I>8Ir1）时控制器自动转换为定时限保护。针对具有热记忆特性的控制器热效应是积累的。

熔丝保护实际上就是属于反时限保护范畴的保护方案。

综上，本技术方案中控制单元根据熔丝的反时限特性曲线和负荷电流的大小，考虑过负荷时间的长短，根据熔丝的理论跳闸时间（实际为熔丝的反时限特性曲线的熔断时间）和热熔时间特性来控制断路器的跳闸动作，藉此来模拟熔丝的实际工作特性，进而达到相应的保护特性，且由于其信号经过了数字化，故可采用各种有线或无线的方式进行远传至上位机，从而实现低压配变熔丝箱的数字化和智能化。

此外，由于不同的熔丝的反时限特性曲线是不相同的，在现有实际工作中，只有采用更换不同规格的熔丝的办法才能使之与需要的线路供电能力相匹配；而在本技术方案中，只要更换不同规格的熔丝所对的反时限特性曲线即可实现，大大扩展了本技术方案的应用范围，可极大地减少熔丝产品的采购供应量和仓库存储，降低综合运行成本。

具体的，本技术方案的断路器实际动作时间计算方法如下：

首先将熔丝所对应的电流与熔断动作时间列表如下：

1）对于恒定的过载电流：

实际过载延时大于理论动作时间时开关分闸，例如：在上表中曲线0，当过载电流为1.3In，理论分闸时间为3400s，故在1.3In过载情况下，实际延时时间为3400s，延时误差为±40ms；

2）对于变化的过载电流：

当过载电流发生变化时，将已延时的时间值及不同的过载倍数对应的理论动作时间按公式1进行相应的换算，即得到过载电流变化前后的时间相对延时时间。例如：曲线0，当过载电流为1.3In，理论分闸时间为3400s，而过载电流为1.6In，理论分闸时间为400s，当过载电流为1.3In时，已延时100s，此时过载电流从1.3In增大到1.6In时，按公式1转换后得到实际相对延时时间为12s，然后在12s基础上延时。若延时过程中过载电流继续变化，则按相同的方法计算出实际相对延时时间，直到开关分闸为止。

可见，本技术方案与采用实际熔丝产品相比，实际的熔丝产品是到了预定的电流值就熔断动作，而本技术方案是可以实现在预定的电流值的1.X倍时出现“延时”特性，在保证供电安全的前提下，增加供电的稳定性和可靠性。

由于本技术方案在构成断路器开关的跳闸曲线时，将熔丝的反时限特性曲线分解为多个点，各点之间按线性关系处理，藉此来简化数据计算和处理过程，减少控制单元中CPU的计算工作量，提高其运算速度和处理速度。

图2给出了断路器反时限跳闸曲线示意图，由于其为本领域的标准图，本领域的技术人员，完全可以明白所对应的含义和特性，故其个曲线含义在此不再叙述。

本发明在原有配变熔丝箱电路功能的基础上，通过模拟不同规格熔丝的反时限特性，采用控制单元和电子元件替代熔丝元件，既可作为低压电网的短路及过载的保护装置，又可通过操作其“分”、“合”来实现低压电网的投入和切断运行。还可实现配电线路故障的信息采集、远程指令控制，实现产品的智能化升级，可满足智能电网的运行需要。

本发明可广泛用于低压变配电***的智能化控制领域。

Claims (8)

1.一种采用仿真方式来实现熔丝真实物理特性的电子熔丝装置，包括设置在箱体中的线路过载保护模块，所述的线路过载保护模块包括互感器组、断路器开关和控制单元；其所述的互感器组串接在三相主回路中，用于实时测量主回路各相的负荷电流值，并将测量结果传送至所述的控制单元；其所述的断路器开关在控制单元的控制下，切断或接通主回路的三相电路；其特征是：

其所述的控制单元将主回路各相负荷电流值的绝对值大小或各相负荷电流的变化趋势，与熔丝的反时限特性曲线设定值进行比较，对断路器开关进行“跳闸”或“合闸”操作控制；

同时，所述的控制单元将主回路各相负荷电流值的绝对值大小或各相负荷电流的变化趋势，与熔丝的热容特性时间或总热容冷却时间进行比较，对断路器开关进行“跳闸”或“合闸”操作控制；

所述的控制单元并将线路负荷电流、断路器开关状态以及低压配变熔丝箱内部环境参数以数字信号的形式对外输出，远传给上位计算机，并接受上位机的远动控制。

2.按照权利要求1所述的采用仿真方式来实现熔丝真实物理特性的电子熔丝装置，其特征是所述的控制单元同时模拟熔丝的反时限特性曲线和热容特性时间，控制断路器开关的“跳闸”或“合闸”操作，实现熔丝的实际电路保护功能，以避免采用栅式熔丝片作为熔断体在负荷高峰时发热温度高和绝缘体材料在冷热交变作用下极易老化失效的缺陷，并可极大地减少熔丝产品的采购供应量和仓库存储，降低综合运行成本。

3.按照权利要求1所述的采用仿真方式来实现熔丝真实物理特性的电子熔丝装置，其特征是所述控制单元将熔丝的反时限特性曲线分解为多个点，各点之间按线性关系处理，对应构成断路器开关的跳闸曲线，并按照此断路器开关的跳闸曲线控制断路器的跳闸动作。

4.按照权利要求1或3所述的采用仿真方式来实现熔丝真实物理特性的电子熔丝装置，其特征是若所述主回路各相负荷的电流值为恒定的过载电流，则当主回路各相负荷实际过载延时大于理论动作时间时，控制单元发出开关“跳闸”信号。

5.按照权利要求1所述的采用仿真方式来实现熔丝真实物理特性的电子熔丝装置，其特征是若所述主回路各相负荷的电流值为变化的过载电流时，当过载电流发生变化时，控制单元将已延时的时间值及不同的过载倍数对应的理论动作时间按下列公式进行相应的换算，即得到过载电流变化前后的时间相对延时时间，并据此发出开关“跳闸”信号：

$t=T\×\frac{T_n}{T_o}$                                (公式1)

其中：T为已过载时间；T_O为过载变化前动作时间；Tn为过载变化后动作时间。

6.按照权利要求1所述的采用仿真方式来实现熔丝真实物理特性的电子熔丝装置，其特征是所述控制单元将熔丝的热容特性时间或总热容冷却时间对应构成断路器开关的绝对跳闸时间，当主回路过载时间超过对应的热容特性时间或总热容冷却时间时，控制单元发出断路器“跳闸”指令；当主回路过载时间不超过对应的热容特性时间或总热容冷却时间时，控制单元在预定时间段内累计主回路的过载时间，当累计的主回路过载时间超过对应的热容特性时间或总热容冷却时间，控制单元也发出断路器“跳闸”指令，以完全仿真熔丝的真实物理特性。

7.按照权利要求1或6所述的采用仿真方式来实现熔丝真实物理特性的电子熔丝装置，其特征是所述的热容特性时间按照下列公式进行确定：

$T_C=W\×e^{-\frac{t}{T}}$                                （公式2）

其中：W为过载引起的热效应能量累加；T为总热容冷却时间，为15min；t为热容冷却时间。

8.按照权利要求6所述的采用仿真方式来实现熔丝真实物理特性的电子熔丝装置，其特征是所述的预定时间段为半个小时。

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