專利名稱：一種電力系統(tǒng)短路故障快速檢測的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及電力系統(tǒng)檢測領(lǐng)域，尤其涉及一種能夠快速檢測出電力系統(tǒng)短路 故障的裝置，可用于斷路器短路保護(hù)。
背景技術(shù)：
目前，國內(nèi)供配電電網(wǎng)中所采用的斷路器，其短路故障的檢測機(jī)構(gòu)主要是機(jī)械式 結(jié)構(gòu)，利用短路電流所產(chǎn)生的電磁力或者熱效應(yīng)使斷路器保護(hù)跳閘，其檢測短路故障的原 理為電網(wǎng)發(fā)生短路故障時(shí)，短路電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于額定電流，利用這一特性，通過檢測電流是 否異常增大來檢測短路故障。由于傳統(tǒng)斷路器在短路故障檢測上普遍存在精度不高、整定 值偏差范圍大、響應(yīng)速度慢的缺點(diǎn)，在很多場合已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代電力系統(tǒng)規(guī)模越來越大、 電源越來越多、保護(hù)要求越來越高的發(fā)展需求。對(duì)此，中國專利《新型塑殼智能脫扣器》(專利申請(qǐng)?zhí)?00820088517.0)提出了 利用微控制器的電子式檢測方案，但該發(fā)明仍然是通過檢測電流大小來判斷短路故障是否 發(fā)生。由于短路電流中不僅存在快速衰減的非周期分量，而且動(dòng)態(tài)變化范圍大，加之檢測環(huán) 節(jié)存在的互感器磁飽和、檢測相移等多種因素的影響，直接對(duì)短路電流進(jìn)行準(zhǔn)確檢測十分 困難，因此此類方法通常要求短路電流遠(yuǎn)大于額定值時(shí)才能準(zhǔn)確做出短路故障的判斷。其 次，該方法的檢測速度完全依賴短路電流的上升速度，而由于受到電網(wǎng)分布參數(shù)、短路初始 狀態(tài)和負(fù)載因素的影響，短路電流的上升速度可快可慢，因此其檢測速度并不穩(wěn)定，不利于 短路保護(hù)設(shè)計(jì)。最后，該方法依然無法對(duì)短路電流的方向進(jìn)行區(qū)分，尤其是當(dāng)電網(wǎng)中有兩個(gè) 容量大體相當(dāng)?shù)碾娫炊?fù)載的短路回饋電流較小時(shí)，若其中一個(gè)電源的輸出端口發(fā)生短路 時(shí)，流經(jīng)這兩個(gè)電源保護(hù)斷路器的短路電流幅值基本相同、方向相反，僅通過電流的幅值大 小無法實(shí)現(xiàn)選擇性保護(hù)，最后造成兩個(gè)電源的斷路器同時(shí)跳閘。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)僅依靠檢測電流幅值判斷短路 故障的不足，提供一種電力系統(tǒng)短路故障的快速檢測方法及裝置，其利用短路故障發(fā)生時(shí) 電壓跌落、電流增大這一特征狀態(tài)，通過同時(shí)快速檢測電網(wǎng)電壓和輸送功率的異常變化來 快速檢測電網(wǎng)中的短路故障。本實(shí)用新型解決其技術(shù)問題采用以下的技術(shù)方案包括電源電路、A/D采樣電路， 其特征是還設(shè)有電壓電流檢測電路、數(shù)字信號(hào)處理電路和保護(hù)信號(hào)輸出電路，其中電源 電路將220V交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?，供給整個(gè)裝置正常運(yùn)行使用；電網(wǎng)中的電壓、電流經(jīng)外 部的互感器變換后接至電壓電流檢測電路，經(jīng)該電路調(diào)理整定后，送入A/D采樣電路；A/D 采樣電路將電壓、電流信號(hào)由模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量并輸出至數(shù)字信號(hào)處理電路，數(shù)字信號(hào) 處理器根據(jù)所檢測的電壓、電流的數(shù)字量，來判斷是否發(fā)生短路故障，如果判斷短路故障發(fā) 生，則數(shù)字信號(hào)處理電路控制保護(hù)信號(hào)輸出電路發(fā)出保護(hù)信號(hào)。本實(shí)用新型相比現(xiàn)有技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)
3[0007](1)對(duì)短路故障的判斷準(zhǔn)確度高、檢測速度快，不論短路電流的上升速度如何，其 檢測時(shí)間一般不超過5ms。(2)能夠在短路電流遠(yuǎn)未上升到峰值之前就能夠檢測出短路故障，有助于提高斷 路器的短路限流能力，降低短路電流的焦耳能量和電應(yīng)力對(duì)電網(wǎng)和相關(guān)設(shè)備造成的危害。(3)具有短路電流方向的識(shí)別能力，并能夠以此實(shí)現(xiàn)選擇性保護(hù)。(4)具有CAN網(wǎng)絡(luò)通信接口，可以根據(jù)電網(wǎng)容量和電源配置的發(fā)展變化，通過CAN 通信靈活地在線更改保護(hù)整定參數(shù)，方便后期維護(hù)和升級(jí)。(5)本裝置僅根據(jù)每個(gè)斷路器自身端口的電壓、電流信號(hào)就可以判斷短路故障，不 需要電網(wǎng)內(nèi)其他斷路器的電壓、電流信號(hào)輔助判斷或動(dòng)作聯(lián)鎖，方便電網(wǎng)擴(kuò)容升級(jí)和網(wǎng)絡(luò) 改造。

圖1是本實(shí)用新型短路故障快速檢測裝置的電路原理框圖。圖2是圖1中電壓電流檢測電路的原理圖。圖3是圖1中數(shù)字信號(hào)處理電路的原理圖。圖4是圖1中保護(hù)信號(hào)輸出電路的原理圖。圖5是圖1中電源電路的原理圖。圖6是圖1中A/D采樣電路的原理圖。圖7是本實(shí)用新型裝置的試驗(yàn)結(jié)果。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型提供的電力系統(tǒng)短路故障快速檢測的裝置，其電路組成框圖如圖1所 示主要由電源電路、電壓電流檢測電路、A/D采樣電路、數(shù)字信號(hào)處理電路、保護(hù)信號(hào)輸出 電路組成。電源電路可將220V交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?12V、-12V和+5V，供給整個(gè)裝置正常 運(yùn)行使用。電網(wǎng)中的電壓、電流經(jīng)外部的互感器變換后接至本裝置的電壓電流檢測電路，經(jīng) 該電路調(diào)理整定后，送入A/D采樣電路。A/D采樣電路將電壓、電流信號(hào)由模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù) 字量并輸出至數(shù)字信號(hào)處理電路，數(shù)字信號(hào)處理器根據(jù)所檢測的電壓、電流的數(shù)字量，來判 斷是否發(fā)生短路故障，如果判斷短路故障發(fā)生，則數(shù)字信號(hào)處理電路控制保護(hù)信號(hào)輸出電 路發(fā)出保護(hù)信號(hào)，使得斷路器保護(hù)跳閘，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)設(shè)備的保護(hù)。所述電壓電流檢測電路，由兩個(gè)運(yùn)算放大器U1、U2及其外圍電路組成，其中運(yùn)算放大器U1及其外圍電路組成的結(jié)構(gòu)是U1的反向端和正向端與通用互感器 次級(jí)線圈的引腳相連，U1的正向端接地，U1的反向端和輸出端串接一個(gè)電阻，U1的輸出端 通過電阻與電容組成的RC濾波電路，接至A/D采樣電路中的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片U11的輸入端； 通用互感器初級(jí)線圈的兩個(gè)引腳分別經(jīng)一個(gè)電阻連接外部待測電壓。運(yùn)算放大器U2及其外圍電路組成的結(jié)構(gòu)是U2的反向端與通用互感器次級(jí)線圈 的引腳1和3相連，該次級(jí)線圈的引腳2和4均接地且與U2的正向端相連，U2的反向端和 輸出端串接一個(gè)電阻，U2的輸出端通過電阻與電容組成的RC濾波電路，接至A/D采樣電路 中的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片U11的輸入端；通用互感器初級(jí)線圈的兩個(gè)引腳開路，被測量電流的導(dǎo) 線從通用互感器中心圓孔穿過。[0023]上述電壓電流檢測電路的結(jié)構(gòu)及其部件具體連接關(guān)系如圖2所示圖2中的T1、 T2、T3、T4采用通用互感器DVDI-001，Ul、U2采用運(yùn)算放大器TL084或其它具有類似功能 的運(yùn)算放大器。T1的1腳和2腳分別通過R1和R2連接外部待測電壓，T1的3腳和4腳分 別連接運(yùn)算放大器U1的2腳和3腳，T1的4腳和U1的3腳均連到地。U1的2腳連接電阻 R3的一端，U1的1腳連接R3的另一端。電阻R4與電容C1組成RC濾波電路，其輸入接U1 的1腳，輸出接圖6中芯片U11的20、21腳。T2的1腳和2腳分別通過R5和R6連接外部 待測電壓，T2的3腳和4腳分別連接U1的6腳和5腳，同時(shí)T2的4腳和U1的5腳均連到 地，U1的6腳接R7 —端，U1的7腳接至R7的另一端。電阻R8與電容C2組成RC濾波電 路，其輸入接U1的7腳，輸出接圖6中芯片U11的19、18腳。T3的1腳和3腳連接U2的2 腳，T3的2腳和4腳以及U2的3腳均接地。U2的2腳接R9的一端，U2的1腳接R9的另 一端。電阻R10與電容C3組成RC濾波電路，其輸入接U2的1腳，輸出接芯片U11的16、15 腳。T4的1腳和3腳連接U2的6腳，T4的2腳和4腳以及U2的5腳均接地。U2的6腳 接R11的一端，U2的7腳接R11的另一端。電阻R12與電容C4組成RC濾波電路，其輸入 接U2的7腳，輸出接芯片U11的14、13腳。電壓電流檢測電路的工作原理為當(dāng)檢測電壓時(shí)，外部電壓通過電阻加到通用互 感器的原邊，并按照變比系數(shù)在通用互感器的副邊產(chǎn)生感應(yīng)電流，該電流通過運(yùn)算放大器 輸入、輸出端之間的測量電阻變換為A/D轉(zhuǎn)換芯片可測量的低電壓信號(hào)，并通過電阻、電容 組成的濾波電路濾除其中的高頻諧波；當(dāng)檢測外部電流時(shí)，通用互感器原方開路，外部電流 通過通用互感器的中心圓孔，通用互感器的副方在外部電流所產(chǎn)生電磁場的激勵(lì)下按變比 系數(shù)產(chǎn)生感應(yīng)電流，該電流通過運(yùn)算放大器輸入、輸出端之間的測量電阻變換為A/D轉(zhuǎn)換 芯片可測量的低電壓信號(hào)，并通過電阻、電容組成的濾波電路濾除其中的高頻諧波。所述數(shù)字信號(hào)處理電路，主要由數(shù)字信號(hào)處理器U3、+3. 3V電源芯片U4、20MHz晶 振G1、光偶TO、光偶U6、CAN通信芯片U7、邏輯門芯片U8等組成，其中U3的輸入端與U4、 G1、U11、U12、兩個(gè)光偶芯片和CAN通信芯片U7相連，U3的輸出端與U8、U9相連，兩個(gè)光偶 芯片和U7組成符合CAN2. 0B協(xié)議的現(xiàn)場總線通訊接口電路。上述數(shù)字信號(hào)處理電路的結(jié)構(gòu)及其部件具體連接關(guān)系如圖3所示U3的123腳 連接G1的3腳，G1的4腳接+3. 3V電源，G1的2腳接地。U3的12腳通過電感L1連接到 +3. 3V，該腳同時(shí)通過電容C5連接到地。U3的10腳通過串聯(lián)的電容C6和電阻R4接到U3 的11腳，U3的10腳和11腳之間接電容C7。U3的133腳接電源芯片U4的8腳，U4的8腳 同時(shí)通過電阻R13上拉到+3. 3V電源。U4的1、2腳接地，3、4腳接+5V電源。U3的72腳 接三極管Q1的2腳，Q1的3腳接地，Q1的1腳通過電阻R15連接到光偶U5的3腳，U5的 8腳接CAN通信+5V電源5V_CAN，6腳接CAN驅(qū)動(dòng)芯片U7的1腳，U5的8腳和6腳之間接 電阻R14。U5的5腳和U7的2腳接CAN通信+5V電源地，U3的70腳接至光偶U6的6腳， 該腳同時(shí)通過電阻R16上拉到+3. 3V電源。U6的2腳接到CAN通信+5V電源5V_CAN，3腳 通過電阻 R17 連接到 U7 的 4 腳。U3 的 127、130、132、134、136、138、143、5、9、13、15、17 腳分 別連接到 A/D 芯片 U11 的 43、42、41、40、39、38、34、33、32、31、30、29 腳。U3 的 84 腳接邏輯 門芯片U8的2、3腳，U3的87腳接芯片U8的5、6腳，U8的1、4腳分別接自身的8、9腳，U8 的4腳接U11的44腳。由于本裝置需要對(duì)檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)快速計(jì)算，因此數(shù)字處理芯片需要具備較強(qiáng)施例中，U3采用美國TI公司數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F2407A，該芯片采 用了高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)，具有40MIPS的高速運(yùn)算能力，能快速的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)運(yùn)算和處理。 此外，該芯片還具有32K字的FLASH程序存儲(chǔ)器、1. 5K字的數(shù)據(jù)/程序RAM、544字雙口 RAM 和2K字單口 RAM、16路12位A/D轉(zhuǎn)換通道、CAN2. 0B控制器、串行通信接口等，其豐富的外 部接口和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，能夠滿足本實(shí)施例的需求。圖3中，光偶芯片U5、U6和CAN通信驅(qū)動(dòng)芯片U7組成符合CAN2. 0B協(xié)議的現(xiàn)場總 線通訊接口電路。U5、TO采用光偶芯片6N137或其它具有類似功能的光偶芯片，可將數(shù)字信 號(hào)處理器U3輸出的+3. 3V電平信號(hào)轉(zhuǎn)換為隔離的+5V電信號(hào)，避免CAN通信總線和U3之 間的相互干擾。U7采用82C250芯片或其它具有類似功能的芯片，該芯片可提供標(biāo)準(zhǔn)的CAN 通信驅(qū)動(dòng)能力。通過CAN通信接口電路，操作人員可以利用CAN通信的方式實(shí)時(shí)了數(shù)字信 號(hào)處理器U3工作狀態(tài)以及當(dāng)前電網(wǎng)中電壓、電流、功率等市電參數(shù)，并可方便的通過CAN通 信調(diào)整本裝置中的各項(xiàng)軟件參數(shù)，使得本裝置可以靈活的適應(yīng)電網(wǎng)的不斷改造和擴(kuò)容。本數(shù)字信號(hào)處理電路利用A/D芯片傳送來的電壓、電流數(shù)字信號(hào)，通過相應(yīng)的短 路故障檢測方法，判斷是否發(fā)生短路故障。所述保護(hù)信號(hào)輸出電路，其結(jié)構(gòu)如圖4所示該電路主要由電平比較器U9和固態(tài) 繼電器U10構(gòu)成，其主要功能是將數(shù)字處理電路發(fā)出的10信號(hào)轉(zhuǎn)化為電氣隔離的觸點(diǎn)信 號(hào)。在本實(shí)施例中，其連接關(guān)系為U3的10 口 83腳通過R20連接U9的8腳，電阻R18、R19 串聯(lián)接在+12V與地電位之間，R18、R19的連接端同時(shí)與U9的9腳相連。U9的3腳連+12V 電源，12腳接地，14腳通過R21上拉到+12V，同時(shí)接到輸出固態(tài)繼電器U10的3腳。U10的 4腳通過R22接地，1、2腳為觸點(diǎn)信號(hào)的輸出腳，可連接到斷路器的分勵(lì)脫扣端。保護(hù)信號(hào)輸出電路的工作原理是當(dāng)數(shù)字信號(hào)處理電路判斷短路故障發(fā)生后，通 過10腳發(fā)出信號(hào)，該信號(hào)通過電阻R20接至電平比較器U9，與R18和R19的串聯(lián)分壓點(diǎn)的 電壓比較，當(dāng)該信號(hào)電壓高于分壓點(diǎn)的電壓時(shí)，電平比較器U9的輸出端14腳輸出高電平， 并驅(qū)動(dòng)固態(tài)繼電器U10的觸點(diǎn)動(dòng)作，使得U10輸出端1腳和2腳的觸點(diǎn)狀態(tài)由“斷開”轉(zhuǎn)為 “閉合”。為了保證快速性，U10選用固態(tài)繼電器R240D5R，該繼電器采用電力電子器件代替 傳統(tǒng)繼電器的電磁線圈，其動(dòng)作時(shí)間小于0. lmS，遠(yuǎn)快于傳統(tǒng)繼電器，能夠保證短路故障發(fā) 生時(shí)以最快的速度發(fā)出保護(hù)信號(hào)，讓斷路器保護(hù)跳閘。電源電路可采用現(xiàn)有技術(shù)，也可以采用如圖5所示的結(jié)構(gòu)由降壓變壓器、二極 管、電容、DC/DC開關(guān)電源、電源穩(wěn)壓芯片構(gòu)成，其工作原理為，圖中的TV1為焊接式變壓器 S10-10，將220V交流市電降壓到18V。二極管D1 D8選用二極管FR107，其連接為全橋整 流電路，將18V交流整流為直流。電容C9 C14為電解電容，為電源電路提供直流濾波及 儲(chǔ)能的作用。U13、U14為電源穩(wěn)壓芯片7812和7912，可將整流電路輸出的直流電壓調(diào)整到 +12V和-12V，U15為DC/DC開關(guān)電源模塊ZUS 2405，可將整流電路輸出的直流電壓調(diào)整到 +5V。A/D采樣電路可采用現(xiàn)有技術(shù)，也可以采用如圖6所示的結(jié)構(gòu)圖中A/D采樣芯片 U11選用美國AD公司的AD7864，該芯片是一種高速12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，可同時(shí)對(duì)4路模 擬量進(jìn)行采樣處理，其轉(zhuǎn)換時(shí)間不大于2 y S，并且可以在+5V單電源供電的情況下對(duì)正負(fù) 信號(hào)均能進(jìn)行采樣處理。U11的21、20、19、18、16、15、14、13分別接入電壓電流檢測電路輸 出的ADCim ADCIN4，一次采樣過程就能采集到線電壓Uab、Ubc和線電流la、lb四路模
6擬信號(hào)，滿足數(shù)字信號(hào)處理器的計(jì)算需求。U12為電平轉(zhuǎn)換芯片LVCC3245，能夠?qū)?3. 3V電 平信號(hào)抬高到+5V，以滿足數(shù)字信號(hào)處理器與A/D轉(zhuǎn)換芯片之間部分操作信號(hào)的電平匹配 要求。本實(shí)用新型提供的電力系統(tǒng)短路故障快速檢測的裝置可用于斷路器短路保護(hù)，其 主要是采用以下步驟的檢測方法來判斷是否發(fā)生短路故障，具體是(1)數(shù)字信號(hào)處理器設(shè)置數(shù)據(jù)變量空間并初始化在數(shù)字信號(hào)處理器中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)中設(shè)置兩組具有N個(gè)單元的數(shù)據(jù)變量空間，分 別存放電壓Uab和Ubc的數(shù)值，其中N為每個(gè)工頻周波內(nèi)單一電壓信號(hào)的采樣次數(shù)，數(shù)據(jù)變 量空間內(nèi)各數(shù)據(jù)單元的初始值賦為0。在數(shù)字信號(hào)處理器中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)中分別設(shè)置數(shù)據(jù)變量la、Ic、P、Uac、Uac_U Uac_2、Umab、Umbc、Umac，并將這些數(shù)據(jù)變量的初始值賦為0。(2)采集電網(wǎng)中電流的當(dāng)前值數(shù)字信號(hào)處理器采集A/D采樣電路傳送來的A相和C相電流的當(dāng)前數(shù)值，分別賦 值給la和Ic。(3)計(jì)算電網(wǎng)當(dāng)前功率數(shù)字信號(hào)處理器分別讀取每組數(shù)據(jù)變量空間內(nèi)第k個(gè)單元的電壓數(shù)據(jù)Uab (k)、 Ubc (k)，利用公式(A)計(jì)算電網(wǎng)當(dāng)前功率，并存入P中。P = Uab (k) X Ia-Ubc (k) X Ic(A)(4)采集電網(wǎng)中兩路線電壓的當(dāng)前值并計(jì)算第三路線電壓的當(dāng)前值數(shù)字信號(hào)處理器采集當(dāng)前A/D采樣電路傳送來的電壓信號(hào)Uab和Ubc,分別存入各 自數(shù)據(jù)變量空間的第k個(gè)單元。計(jì)算第三路線電壓Uac，其中Uac = Uab (k) +Ubc (k)，Uac_l =Uab(k-1)+Ubc(k_l)，Uac_2 = Uab(k_2)+Ubc(k_2)。(5)計(jì)算電網(wǎng)電壓的幅值利用公式(B)分別計(jì)算線電壓Uab、Ubc、Uac的幅值Umab、Umbc、Umac。其中，在計(jì) 算Uabm和Ubcm時(shí)U (k)、U (k-1)、U (k_2)分別賦值為各自數(shù)據(jù)變量空間內(nèi)第k、k-1、k~2個(gè) 數(shù)據(jù)單元。計(jì)算版(^時(shí)力00、。0^-1)州&-2)分別賦值為步驟(4)計(jì)算出的Uac、Uac_l、 Uac 2。
U2(k-l) +- (U(k)-U(k-2)f(B)
4sin2(—) N(6)判斷短路故障是否發(fā)生電壓幅值Umab、Umbc、Umac中任意一項(xiàng)數(shù)值若低于與電網(wǎng)電壓額定值的50%并且 當(dāng)前功率P高于額定功率時(shí)，判定短路故障發(fā)生。若判定短路故障發(fā)生，再根據(jù)當(dāng)前功率P 的符號(hào)判斷短路電流的方向若當(dāng)前功率P為正，則判定短路電流的方向?yàn)榱鞒觯蝗舢?dāng)前功 率P為負(fù)，則判定短路電流的方向?yàn)榱魅搿?7)重復(fù)步驟(2)令k = k+l，若k等于N時(shí)，將k重新賦值為0，返回步驟(2)，再次執(zhí)行步驟(2)至 (7)各步驟，直至對(duì)電力系統(tǒng)短路故障快速檢測工作結(jié)束。本實(shí)用新型提供的上述方法是以檢測電網(wǎng)電壓幅值為主要判斷依據(jù)的，由于短路 Um = \
7故障發(fā)生時(shí)電壓跌落先于短路電流增大，因此其檢測速度比傳統(tǒng)的電流檢測法快。此外，該 方法還加入功率檢測作為輔助判斷條件，以提高判斷準(zhǔn)確度。并且，由于功率的符號(hào)可以指 明功率流動(dòng)的方向性，因此還能夠方便地判斷短路電流的方向。短路故障發(fā)生時(shí)，由于電網(wǎng)電壓可能會(huì)跌落到0V，如果直接用當(dāng)前電流和當(dāng)前電 壓來計(jì)算功率，可能會(huì)造成計(jì)算出的當(dāng)前功率數(shù)值接近于0，而失去判斷意義，因此本方法 在計(jì)算當(dāng)前功率時(shí)，所用的電壓值是數(shù)字信號(hào)處理器存儲(chǔ)的上一周波對(duì)應(yīng)時(shí)刻的電壓值， 而電流用的是當(dāng)前的采樣值。當(dāng)電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，電網(wǎng)電壓周期性的重復(fù)，上一周波的電壓 與當(dāng)前周波的電壓一致。當(dāng)短路故障發(fā)生時(shí)，由于功率計(jì)算中所用的是上一周波的電壓值， 電壓值并不會(huì)發(fā)生變化，只有電流值發(fā)生變化，功率的變化情況完全對(duì)應(yīng)著電流的變化情 況，因此可以用檢測功率代替檢測電流來判斷短路故障是否發(fā)生。本實(shí)用新型用于斷路器短路保護(hù)時(shí)，其短路故障檢測試驗(yàn)的結(jié)果如圖7所示圖 中曲線Ua、Ub、Uc分別表示電網(wǎng)中A、B、C三相相電壓波形，曲線la為A相電流波形，曲線 S是本裝置的保護(hù)輸出信號(hào)。本裝置的保護(hù)輸出信號(hào)為圖4中芯片U10輸出腳1和輸出腳 2之間的觸點(diǎn)狀態(tài)信號(hào)，該信號(hào)有“斷開”和“閉合”兩種狀態(tài)。為了清晰的顯示該觸點(diǎn)信號(hào) 的狀態(tài)變化情況，在試驗(yàn)中將芯片U10輸出1腳接100V直流電源，并測量2腳電壓，當(dāng)輸出 腳1和輸出腳2之間的觸點(diǎn)狀態(tài)信號(hào)由“斷開”變?yōu)椤伴]合”時(shí)，可在2腳檢測到100V電壓。由圖7可見，當(dāng)短路故障發(fā)生時(shí)，電網(wǎng)中A、B、C三相電壓在第38mS左右同時(shí)跌落， 本裝置在第41mS時(shí)就發(fā)出了保護(hù)輸出信號(hào)。圖中，短路電流la在短路故障發(fā)生時(shí)的負(fù)半 波內(nèi)并未立即增大，而是經(jīng)過幾個(gè)mS過渡到正半波后才迅速增大，直至超過測量儀器的紀(jì) 錄范圍。由圖7可以看到，本裝置能夠在短路電流遠(yuǎn)未上升到峰值之前就能夠檢測出短路 故障，其檢測速度快于常規(guī)的檢測方法和檢測裝置。
權(quán)利要求一種電力系統(tǒng)短路故障快速檢測的裝置，包括電源電路、A/D采樣電路，其特征是還設(shè)有電壓電流檢測電路、數(shù)字信號(hào)處理電路和保護(hù)信號(hào)輸出電路，其中電源電路將220V交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?，供給整個(gè)裝置正常運(yùn)行使用；電網(wǎng)中的電壓、電流經(jīng)外部的互感器變換后接至電壓電流檢測電路，經(jīng)該電路調(diào)理整定后，送入A/D采樣電路；A/D采樣電路將電壓、電流信號(hào)由模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量并輸出至數(shù)字信號(hào)處理電路，數(shù)字信號(hào)處理器根據(jù)所檢測的電壓、電流的數(shù)字量，來判斷是否發(fā)生短路故障，如果判斷短路故障發(fā)生，則數(shù)字信號(hào)處理電路控制保護(hù)信號(hào)輸出電路發(fā)出保護(hù)信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力系統(tǒng)短路故障快速檢測的裝置，其特征在于所述電壓電 流檢測電路，由運(yùn)算放大器U1、運(yùn)算放大器U2及其外圍電路組成，其中運(yùn)算放大器U1及其外圍電路組成的結(jié)構(gòu)是運(yùn)算放大器U1的反向端和正向端與通用 互感器次級(jí)線圈的引腳相連，運(yùn)算放大器U1的正向端接地，運(yùn)算放大器U1的反向端和輸出 端串接一個(gè)電阻，運(yùn)算放大器U1的輸出端通過電阻與電容組成的RC濾波電路，接至A/D采 樣電路中的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片U11的輸入端；通用互感器初級(jí)線圈的兩個(gè)引腳分別經(jīng)一個(gè)電阻 連接外部待測電壓；運(yùn)算放大器U2及其外圍電路組成的結(jié)構(gòu)是運(yùn)算放大器U2的反向端與通用互感器次 級(jí)線圈的引腳1和3相連，該次級(jí)線圈的引腳2和4均接地且與運(yùn)算放大器U2的正向端相 連，運(yùn)算放大器U2的反向端和輸出端串接一個(gè)電阻，運(yùn)算放大器U2的輸出端通過電阻與電 容組成的RC濾波電路，接至A/D采樣電路中的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片U11的輸入端；通用互感器初 級(jí)線圈的兩個(gè)引腳開路，被測量電流的導(dǎo)線從通用互感器中心圓孔穿過。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電力系統(tǒng)短路故障快速檢測的裝置，其特征在于所述運(yùn)算放 大器U1和運(yùn)算放大器U2的型號(hào)均為TL084。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力系統(tǒng)短路故障快速檢測的裝置，其特征在于所述數(shù)字信 號(hào)處理電路，主要由數(shù)字信號(hào)處理器U3、+3. 3V電源芯片U4、20MHz晶振G1、兩個(gè)光偶芯片、 CAN通信芯片U7和邏輯門芯片U8組成，其中數(shù)字信號(hào)處理器U3的輸入端與+3. 3V電源 芯片U4、20MHz晶振G1、模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片U11、電平轉(zhuǎn)換芯片U12、兩個(gè)光偶芯片和CAN通信芯 片U7相連，數(shù)字信號(hào)處理器U3的輸出端與邏輯門芯片U8、電平比較器U9相連，兩個(gè)光偶芯 片和CAN通信芯片U7組成符合CAN2. 0B協(xié)議的現(xiàn)場總線通訊接口電路。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電力系統(tǒng)短路故障快速檢測的裝置，其特征在于所述數(shù)字信 號(hào)處理器U3的型號(hào)為TMS320F2407A。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電力系統(tǒng)短路故障快速檢測的裝置，其特征在于所述兩個(gè)光 偶芯片的型號(hào)均為6N137，CAN通信芯片U7采用82C250芯片。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力系統(tǒng)短路故障快速檢測的裝置，其特征在于所述保護(hù)信 號(hào)輸出電路是將數(shù)字處理電路發(fā)出的10信號(hào)轉(zhuǎn)化為電氣隔離的觸點(diǎn)信號(hào)，該保護(hù)信號(hào)輸 出電路主要由電平比較器U9和固態(tài)繼電器U10構(gòu)成，其中電平比較器U9的8腳通過電阻 R20連接數(shù)字信號(hào)處理電路中的數(shù)字信號(hào)處理器U3的10 口相連，電阻R18、電阻R19串聯(lián) 接在+12V與地電位之間，電阻R18、電阻R19的連接端同時(shí)與電平比較器U9的9腳相連，電 平比較器U9的3腳連+12V電源，12腳接地，14腳通過電阻R21上拉到+12V，同時(shí)接到固態(tài) 繼電器U10的3腳；固態(tài)繼電器U10的4腳通過電阻R22接地，固態(tài)繼電器U10的1、2腳為 觸點(diǎn)信號(hào)的輸出腳，連接到斷路器的分勵(lì)脫扣端。
專利摘要本實(shí)用新型涉及電力系統(tǒng)短路故障快速檢測的裝置，包括電源電路、A/D采樣電路、電壓電流檢測電路、數(shù)字信號(hào)處理電路和保護(hù)信號(hào)輸出電路，其中電源電路將220V交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?，供給整個(gè)裝置正常運(yùn)行使用；電網(wǎng)中的電壓、電流經(jīng)外部的互感器變換后接至電壓電流檢測電路，經(jīng)該電路調(diào)理整定后，由A/D采樣電路將電壓、電流信號(hào)由模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量并輸出至數(shù)字信號(hào)處理電路，經(jīng)數(shù)字信號(hào)處理器來判斷是否發(fā)生短路故障，如果判斷短路故障發(fā)生，則數(shù)字信號(hào)處理電路控制保護(hù)信號(hào)輸出電路發(fā)出保護(hù)信號(hào)。本實(shí)用新型僅根據(jù)每個(gè)斷路器自身端口的電壓、電流信號(hào)就可以判斷短路故障，其檢測時(shí)間不超過5mS；可方便電網(wǎng)擴(kuò)容升級(jí)和網(wǎng)絡(luò)改造。
文檔編號(hào)G01R31/02GK201608502SQ20092026967
公開日2010年10月13日 申請(qǐng)日期2009年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月30日
發(fā)明者吳浩偉, 周樑, 徐正喜, 汪曉峰, 陳濤 申請(qǐng)人:中國船舶重工集團(tuán)公司第七一九研究所