CN116316410A - 检测电气故障的方法，相关电气保护*** - Google Patents

检测电气故障的方法，相关电气保护*** Download PDF

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Abstract

用于检测电气设施中电气故障的方法包括以下步骤:●测量(100)流经电气设施的交流电流；●基于测量的电流检测(102)电气故障；●当电子控制装置识别出电气故障时，跳闸(104)电气保护装置。故障的检测包括识别被测电流从第一级到第二级的过渡，持续时间低于预定义的阈值，预定义的阈值低于或等于交流电流标称周期的10％，第一级和第二级对应于相反符号的电流值，但其幅度就绝对值而言高于预定义的电流阈值，预定义的电流阈值等于保护装置的跳闸阈值和加权系数的乘积。

Description

检测电气故障的方法，相关电气保护***
技术领域
本发明涉及检测电气故障的方法，以及用于实施此类方法的电气保护***。
本发明更一般地涉及配电设施中的电气保护领域。
背景技术
人们早就知道，如果发生电气故障(例如短路)，使用允许向电气负载或电气设施的电源供应中断的断路器等电气保护装置。因此，取决于电气设施规模定义的选择性规则，这些保护装置允许电气设施中作为电气故障起源的部分被隔离以便允许电气设施的其余部分正常运行。
此类装置通常包括跳闸装置，其功能是检测电气故障，使用机电和/或电子检测手段来检测电流的幅度何时变得过高。
长期以来，此类跳闸装置一直令人满意。然而，最近的例如与开发可再生能源有关的技术进步，涉及电源转换器的使用，需要开发满足新需求的保护装置。
具体地，由光伏电源和/或不时能够作为发电机运行的存储电力的装置为当地或家庭电气设施供电的情况越来越频繁。
此类电源一般基于开关式电源转换器，其运行基于电源半导体组件。然而，因为这些电源转换器的存在，在电气故障的情况下，这些电源具有与传统发电机不同的行为。
特别地，因为所使用的半导体组件固有的技术特点，故障电流特别是短路电流，在幅度上比传统设施低得多。
在仅由市电供电的传统设施中，通常遇到的短路电流可能具有高的幅度，有时达几千安培(kA)，因为它们的幅度仅受上游变压器阻抗和/或配电电缆阻抗的限制。相反，在由一个或多个开关式转换器组成的设施中，故障电流的幅度较低，例如低十倍或更糟。
因此，在包括一个或多个开关式电源转换器的现代设施中，更难检测到电气故障。
为了减轻这个问题，在此类设施中，通常要降低跳闸保护装置所需的阈值电流。
例如，通常选择比电源的电源转换器能够提供的最大电流低五倍的跳闸阈值，以便留下足够的安全裕度以确保保护装置能够正确检测短路。
然而，在这种情况下，电气负载随后只能使用电源理论上能够提供的一小部分电力。
发明内容
正是这些缺点，本发明更特别地旨在通过提供用于检测包括开关式电源转换器的电气设施中的电气故障的改进方法来补救。
为此目的，本发明的一个方面涉及用于检测电气设施中电气故障的方法，所述电气设施包括基于开关式电源转换器的电源，该方法包括以下步骤:
●使用与保护该设施的电气保护装置相关联的传感器测量流经电气设施的交流电流；
·通过电子控制装置，基于测量的电流检测电气故障，例如短路；
·当电子控制识别出电气故障时，跳闸电气保护装置；
其中，检测电气故障包括识别被测电流从第一级到第二级的过渡，所述过渡的持续时间低于预定义的阈值，预定义的阈值低于或等于交流电流标称周期的10％，第一级和第二级对应于相反符号的电流值，但其幅度就绝对值而言高于预定义的电流阈值，预定义的电流阈值等于保护装置的跳闸阈值和加权系数的乘积。
根据有利的但非强制性的方面，这种方法可以单独或以任何技术上允许的组合包含以下一个或多个特征:
-此外，只有所述测量电流的过渡被识别为在测量交流电流的一个或多个周期内重复，持续时间高于或等于预定义的持续时间才检测到该电气故障；
-预定义的持续时间高于或等于交流电标称周期的三倍；
-预定义的阈值低于或等于电流标称周期的10％；
-加权系数高于1；
-加权系数在1和5之间；
-测量的电流是单相或多相电流，例如三相电流，如果针对测量的电流的至少一个电气相识别到测量的电流的所述过渡，则认为已检测到电气故障。
根据另一方面，本发明涉及用于保护包括基于开关式电源转换器的电源的电气设施的保护***，该保护***包括至少一个电气保护装置和电子控制装置，其被编程为:
●利用与电气保护装置相关联的传感器，测量流经电气设施的交流电流；
●基于测量的电流检测电气故障，例如短路；
●当识别出电气故障时，跳闸电气保护装置；
其中，检测电气故障包括识别被测电流从第一级到第二级的过渡，所述过渡的持续时间低于预定义的阈值，预定义的阈值低于或等于交流电流标称周期的10％，第一级和第二级对应于相反符号的电流值，但其幅度就绝对值而言高于预定义的电流阈值，预定义的电流阈值等于保护装置的跳闸阈值和加权系数的乘积。
根据有利的但非强制性的方面，这种***可以单独或以任何技术上允许的组合包含以下一个或多个特征:
-一个电子控制装置与每个电气保护装置相关联；
-电子控制装置与每个电气保护装置连接。
附图说明
鉴于以下对电气故障的检测方法的一个实施例的描述，该描述仅以示例的方式并参考附图给出，本发明将被更好地理解并且其中其他优点将变得更清楚地显而易见，其中:
图1是根据本发明的电气设施的一个示例的示意图；
图2是图1的电气设施中电气保护装置的跳闸曲线图；
图3显示了电气设施中存在电气故障时电流随时间的变化，以说明电气故障的第一特征；
图4显示了电气设施中存在电气故障时电流随时间的变化，以说明电气故障的第二特征；
图5显示了电压和电流随时间的变化，包括电气负载连接上的非线性过渡；
图6是显示根据本发明的电气故障的检测方法的一个示例的流程图。
具体实施方式
图1显示了电气设施2的一个示例，例如用于在建筑物中或在一组建筑物中分配电力的设施。
电气设施2包括至少一个电气负载和包括开关式电源转换器的电源，该电源转换器包括一个或多个电源开关，例如电源半导体组件。下面，这个电源是所谓基于半导体的。该设施还包括至少一个保护装置和电导体，电导体允许由一个或多个电源产生的电流分配给一个或多个电气负载。
电气设施2在这里配置为分配交流电(AC)。
例如，电气设施2配置为分配多相电流，例如三相电流，可选地包括中性线。
优选地，电气设施2的至少一个电源是光伏电源，光伏电源包括连接到开关式电源转换器(例如逆变器)的一个或多个太阳能板，电源转换器包括电源半导体组件(例如晶体管)。
设施2还包括保护***4，其配置为保护设施2免受电气故障，更具体地防止短路。
例如，保护***4包括一个或多个电气开关装置(例如接触器)和一个或多个电气保护装置(例如断路器)以及测量装置(例如能够测量设施2中的电流或电压的装置)。
例如，测量装置包括能够测量交流电流的传感器，优选地能够测量每个电气相，并且测量装置可以与各种电气保护装置相关联。
保护***4还包括能够检测电气故障(例如短路)并相应地控制至少一个保护装置的电子控制装置6。
在某些变型中，电子控制装置6连接到一个或多个保护装置。
然而在优选的实施例中，保护***4包括多个电子控制装置6，每个集成到一个保护装置中以便控制该保护装置。
在许多示例中，电子控制装置6包括电子电路。例如，电子控制装置6包括处理器，例如可编程微控制器或微处理器。处理器连接到计算机存储器或计算机可读的数据存储介质，计算机存储器或计算机可读的数据存储介质包括可执行指令和/或软件代码，当这些指令由处理器执行时，实施例如将在下面描述的电气故障的检测方法。
根据变体，电子控制装置6可以包括数字信号处理器(DSP)、或可编程逻辑控制器(PLC)、或现场可编程门阵列(FPGA)、或专用集成电路(ASIC)或任何等效元件。
在图1所示的示例中，该设施2包括第一电气负载10、电力存储设备12、第二电气负载14和16、光伏电源18和到配电电网20的连接点。
电力存储装置12，包括例如至少一个电化学电池(或任何其他类型的储能器)，可以交替地作为电气负载(当它在存储或持有能量的过程中)或作为电源(当它为设施2充电提供能量时)。电力存储装置12也可以是连接到充电站的电动汽车，充电站连接到设施2。
在某些设施中，可以区分尽可能不被中断的所谓关键的电气负载和在一定程度上可容忍供电中断的所谓非关键的普通电气负载。
例如，第一电气负载10是非关键的负载，第二电气负载14和16是关键的电气负载，这个例子是非限制性的。
例如，电气负载14和16连接以便当电源18和20不可用时能够容易地由电力存储装置12供电。
电源18和20连接到主配电器30，主配电器本身连接到电气负载10至16。
例如，光伏电源18通过标记为CB_1_2的电气保护装置(例如断路器)连接到配电器30。电网20通过标记为CB_1_1的电气保护装置(例如断路器)和开关装置CO_1(例如接触器)连接到配电器30，在本示例中开关装置可以由光伏电源18控制，例如以当光伏电源18向设施2输送足够的电力时断开电网20。
第一电气负载10通过标记为CB_3_1的电气保护装置(例如断路器)连接到配电器30。
第二电气负载14和16分别通过标记为CB_1_3、CB_2_1和CB_2_2的电气保护装置(例如断路器)连接到次级配电器32。
次级配电器32在这里通过开关装置CO_2(例如接触器)连接到配电器30，开关装置可以例如由电力存储装置12控制。
该设施2可以作为变体被不同地构造，例如有不同的负载和/或有不同的电源和/或拥有不同数量的保护或开关装置和/或具有不同的布置。
通常如图3、4和6所示，保护***4更具体地配置为对于与设施2的电气负载和/或电源相关联的每个保护装置(例如断路器)实施包括以下步骤的方法:
-用与保护该设施的电气保护装置相关联的传感器测量(步骤100)流经电气设施的交流电流；
-通过电子控制装置6基于测量的电流检测(步骤102)电气故障，例如短路；
-当电子控制装置6识别出电气故障时，跳闸(步骤104)电气保护装置。
根据本发明的方面，检测电气故障包括识别测量的电流从第一级到第二级的过渡，所述过渡的持续时间(γ_t)低于预定义的阈值(δ_t)，预定义的阈值例如低于或等于交流电流标称周期的10％，第一级和第二级对应于相反符号的电流值，但其幅度就绝对值而言高于预定义的电流阈值，预定义的电流阈值等于保护装置的跳闸阈值(Ir_cb)和加权系数(α_Ir_cb)的乘积。
例如在步骤102中，电子控制装置6每次检测到从第一级到第二级的过渡时，电子控制装置6测量过渡的持续时间(γ_t)并将此持续时间与预定义的阈值(δ_t)进行比较。
优选地，当电源18连接到电气设施并通过向连接到设施2的一个或多个电气负载传送电流向电气设施供电时，实施该方法。
在某些示例中，当实施该方法时，电网20未连接到该设施2。
作为变体，步骤可能以不同的次序执行。有些步骤可能被省略。在其他实施例中，所描述的示例不阻止其他步骤与所描述的步骤共同和/或依次实施。
可以理解的是这些步骤，特别是步骤100和102可以重复，例如直到识别出故障为止。
例如在步骤100中，在设施中的一个或多个点(并且优选地对于每个电气保护装置)，由测量装置的传感器连续测量电流。例如，传感器可以随时间周期性地测量或采样电流。
有利的是，在测量的电流是多相电流(例如三相电流)的情况下，如果针对测量的电流的至少一个电气相识别出所述测量的电流的过渡，则认为在步骤102中已检测到电气故障。
同样的测量和检测原理也适用于任何单相电路。
图3更详细地说明了该方法识别电气故障必须满足的条件之一。在本示例中，曲线50代表测量的电流(标记为I,y轴，任意单位)随时间(标记为t,x轴，任意单位)的变化。
在本示例中，测量的电流(实线)在高电平和低电平之间表现出周期性的变化，它们采取平台的形式并具有相反的符号。因为采取保护电源的行动导致电流受到限制，这些高电平和低电平采取例如平台形式。然而作为变体，测量的电流可以采取不同的形式。例如，在正弦形式的电流信号的情况下，它可以分别是最大值和最小值的问题。
虚线定义了第一级(+α_Ir_cb x Ir_cb)和第二级(-α_Ir_cb x Ir_cb)。
第二级(-α_Ir_cb x Ir_cb)就绝对值而言对应于与第一级(+α_Ir_cb x Ir_cb)等同的幅度，但具有相反的符号(这里是负号)。
因此就绝对值而言，第一级和第二级都等同于预定义的电流阈值(α_Ir_cb x Ir_cb)。
用于检测故障的过渡对应于高于第一级的值并且低于第二级的值之间的过渡。
换句话说，在检测到过渡之前必须满足的一个条件是，电流从高于第一级的值(幅度)转化到低于第二级的幅度(反之亦然，从第二级到第一级)。
换句话说，如果电流的变化发生在幅度的绝对值低于所述预定义的电流阈值的值之间，则不会被认为是此类过渡。
如上所述，预定义的电流阈值等于保护装置的跳闸阈值(Ir_cb)和加权系数(α_Ir_cb)的乘积。
保护装置的跳闸阈值(Ir_cb)对应于例如保护装置的电流(Ir)被设定的值(如果它在本质上是可设定的)或对应于它的标称电流(如果它不能被设定)。
有利的是，加权系数(α_Ir_cb)高于1。
例如，加权系数(α_Ir_cb)在1和5之间。
作为变体其他值是可能的。
图4更详细地说明了由该方法识别电气故障必须满足的另一个条件。在本示例中，曲线60代表测量的电流(y轴，任意单位)随时间(标记为t,x轴，任意单位)的变化。
如上所述虚线定义了，第一级(+α_Ir_cb x Ir_cb)和第二级(-α_Ir_cb x Ir_cb)。
如上所述在本示例中，测量的电流在具有相反符号的高电平和低电平之间表现出周期性的变化(一个是正的，一个是负的，这里采取了平台的形式)，一个过渡比其他过渡更快。
图4说明了过渡的持续时间(γ_t)和预定义的阈值(δ_t)。
例如，预定义的阈值(δ_t)的值取决于形成所述电源的开关式电源转换器的特性，例如测量的电流的标称周期性(这取决于电源转换器的开关频率)和电源转换器的自感或开关扼流圈(或任何其他限制电流变化率的元件)允许的最大电流变化率。
优选地，预定义的阈值(δ_t)例如低于或等于电流的标称周期的10％。
根据通过说明给出的一个示例，对于开关频率为10kHz的电源转换器，预定义的阈值(δ_t)可以等于2毫秒(ms)。
换句话说，要检测到过渡必须满足的第二个条件是所述过渡的持续时间(γ_t)低于预定义的阈值(δ_t)。
凭借本发明，可以在基于开关式电源转换器(例如逆变器)的电源供电的设施中容易且具有良好的可靠性地检测电气故障，例如短路。
保护***4通过识别具有一定幅度的高电平和低电平之间异常快的过渡速率来识别电气故障，特别是短路，而不是仅在检测到异常大的电流上的基础检测。
因此，当电气设施中包括(或与之相关联)开关式电源转换器的电源在运转中时更容易检测短路，而不必降低所有保护装置的跳闸阈值。因此，电气负载可用的电流阈值可以增加，从而更有效地使用电气设施2。
此外根据特别有利的实施例在步骤102中，只有所述测量的电流的过渡被识别为在测量的交流电流的一个或多个周期内重复，持续时间高于或等于预定义的持续时间(Load_Tr)，才检测到电气故障。
有利的是，预定义的持续时间(Load_Tr)例如高于或等于交流电流的标称周期的三倍。
例如，测量的电流的标称周期是与由所述电源相关联的电源转换器传送的交流电流的周期。
根据通过说明给出的一个示例，预定义的持续时间(Load_Tr)等于40毫秒(ms)。
图5说明了由非线性暂态效应引起的设施中电压和电流的更改的示例。
此类非线性暂态效应可以是由保护装置监测的电气负载引起的，例如在负载连接到电气设施的时刻。
在该图中，曲线70说明了电压(标记为V,y轴，任意单位)随时间(标记为t,x轴，任意单位)的变化。
曲线72说明了电流(标记为I,y轴，任意单位)随时间(标记为t,x轴，任意单位)的变化。
在本示例中，从初始时间开始，电流在第一电平和符号相反的第二电平之间经历快速过渡。并行地，以正弦形式周期性变化的电压到此为止经历了快速的电压下降。
随后，在本示例中对应于电流的三个标称周期的持续时间之后，过渡的持续时间增加，而电流在每次交替中达到的最大幅度(就绝对值而言)逐渐减小。并行地，电压增加至恢复到正常波形，例如其原来具有的潜在的正弦形式。
此类效应并不对应于短路，而是与负载行为相关的暂态效应(例如，电气负载的连接)，因此必须先验地不导致位于上游的保护装置跳闸。
预定义的持续时间Load_Tr允许足够的时间来等待以确保电流的变化仅是由暂态效应引起的。
考虑到这个预定义的持续时间Load_Tr，允许避免由于简单的暂态效应而导致保护装置不合时宜的跳闸。这使得检测方法更可靠。
考虑到这个预定义的持续时间Load_Tr，也允许避免在来自电网20的电流冲激的情况下保护装置不合时宜的跳闸。在这种情况下，保护装置通过传统的跳闸装置而不是通过目前的方法仍然会跳闸。换句话说，该方法不阻止传统保护手段工作。
同样优选地，当该方法正在等待预定义的持续时间Load_Tr时，在这段时间内每个交替都优选满足第一个条件和第二个条件。这允许检测方法更稳固并对暂态效应更不敏感。
具体地，在暂态效应的情况下，有可能第一个过渡满足过渡速率的条件(关于持续时间γ_t的判据)，但对于接下来的过渡则不满足。
换句话说优选地，对于要检测的过渡必须满足的第三个条件是对测量的电流的多个过渡满足第一个和第二个条件，这些过渡在足够长的持续时间(预定义的持续时间Load_Tr)内重复。
图2示意性地显示了与电气保护装置(例如断路器)相关联的两个跳闸曲线的示例40。
在这两条曲线中，x轴对应于以对数尺度表示的时间轴(标记为t(s))，而y轴对应于保护装置的电流与标称电流(In)的比值。
跳闸曲线42和44对应于传统的最大和最小跳闸曲线。这些跳闸曲线的第一部分(这里指的是长于几秒的时间)对应的是″长”故障(例如电流冲激)，而曲线的第二部分(这里指的是短于几秒的时间)对应的是″短”故障(例如短路)。
跳闸曲线46对应于用于保护设施2的保护装置的改进曲线，在该装置中实施了上述方法。在所示的示例中，跳闸曲线46与传统的最小跳闸曲线44部分相同。跳闸曲线46包括额外的跳闸曲线段(这里用细线绘制)，它说明了上述检测方法的效果，在这里与传统的最小跳闸曲线44不同。
特别地，快速电气故障(例如短路)可以更容易被检测到，因为使用了比在保护装置中采用的电流阈值(Ir_cb)更敏感的触发阈值(α_Ir_cb x Ir_cb)。
当根据该方法检测短路的条件不满足时(上文所述的第一个条件和第二个条件，或甚至第三个条件)，则应用传统的触发条件(由传统的触发曲线42和44代表)。
可以将上述设想的实施例和变体相互组合以创建新的实施例。

Claims (10)

1.一种用于在电气设施(2)中检测电气故障的方法，所述电气设施包括基于开关式电源转换器的电源，所述方法包括以下步骤:
·使用与保护所述设施的电气保护装置相关联的传感器测量(100)流经所述电气设施的交流电流；
·通过电子控制装置(6)，基于测量的电流检测(102)电气故障，例如短路；
·当所述电子控制装置(6)识别出电气故障时，跳闸(104)所述电气保护装置；
其中，检测(102)电气故障包括识别测量的电流从第一级到第二级的过渡，所述过渡的持续时间(γ_t)低于预定义的阈值(δ_t)，预定义的阈值低于或等于交流电流标称周期的10％，第一级和第二级对应于相反符号的电流值，但其幅度就绝对值而言高于预定义的电流阈值，预定义的电流阈值等于所述保护装置的跳闸阈值(Ir_cb)和加权系数(α_Ir_cb)的乘积。
2.根据权利要求1所述的方法，其中只有所述测量的电流的过渡被识别为在测量的交流电流的一个或多个周期内重复，持续时间高于或等于预定义的持续时间(Load_Tr)，才检测(102)到该电气故障。
3.根据前述权利要求中任意一项所述的方法，其中预定义的持续时间(Load_Tr)高于或等于交流电流标称周期的三倍。
4.根据前述权利要求中任意一项所述的方法，其中预定义的阈值(δ_t)低于或等于电流标称周期的10％。
5.根据前述权利要求中任意一项所述的方法，其中加权系数(α_Ir_cb)高于1。
6.根据前一权利要求所述的方法，其中加权系数(α_Ir_cb)在1和5之间。
7.根据前述权利要求中任意一项所述的方法，其中测量的电流是单相或多相电流，例如三相电流，如果针对测量的电流的至少一个电气相识别到测量的电流的所述过渡，则认为已检测(102)到电气故障。
8.一种保护***(4)，用于保护包括基于开关式电源转换器的电源的电气设施(2)，所述保护***包括至少一个电气保护装置和电子控制装置(6)，电子控制装置被编程为：
·利用与电气保护装置相关联的传感器，测量(100)流经所述电气设施的交流电流；
·基于测量的电流检测(102)电气故障，例如短路；
·当识别出电气故障时，跳闸(104)所述电气保护装置；
其中，检测(102)电气故障包括识别测量的电流从第一级到第二级的过渡，所述过渡的持续时间(γ_t)低于预定义的阈值(δ_t)，预定义的阈值低于或等于交流电流标称周期的10％，第一级和第二级对应于相反符号的电流值，但其幅度就绝对值而言高于预定义的电流阈值，预定义的电流阈值等于所述保护装置的跳闸阈值(Ir_cb)和加权系数(α_Ir_cb)的乘积。
9.根据权利要求8所述的***，其中一个电子控制装置(6)与每个电气保护装置相关联。
10.根据权利要求8所述的***，其中所述电子控制装置(6)与每个电气保护装置连接。
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