專利名稱：電網(wǎng)中的短路識別方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種短路識別方法，尤其是一種用于電網(wǎng)中的短路的早期識別的方法。
背景技術：
通常在網(wǎng)絡中防止短路使每個電網(wǎng)安全。對此，在私人的室內(nèi)布線的領域中設有 微型斷路器。在工業(yè)應用中，特別是在電力設備中或者在機械中，防止短路是通過斷路器形 式的保護裝置實現(xiàn)的，這些保護裝置通過適合的觸發(fā)單元(Ausloseeinheiten )在短路 情況下打開。這樣的保護裝置為了既保護電力設備(電纜、匯流排(Stromschienen)等)又保 護接通的負荷(機器等)在短路情況下首先限制流動的電流。在短路情況下，該電流限制 促使在電力設備的動態(tài)負荷(通過電流平方給出)和熱負荷(通過電流平方的積分給出) 的降低。該負荷取決于開關的響應時間，響應時間應該盡可能地小于0. 5ms。該響應時間特 別取決于這種時間(固有時間)，電子分析評估單元需要該時間以用于識別短路。電子觸發(fā)單元的短路識別時間長(遠大于ΙΟΟμ S)的問題特別也可以從斷路器的 特性曲線族(Kermlinienfeldern)中看出。如果將兩個具有相同的機械結構和不同的觸發(fā) 單元(電子的和熱磁的)的斷路器的斷開特征曲線(Ausschaltkermlinie)進行比較，則因 此特別是在高的短路電流中記錄了具有電子觸發(fā)單元的斷路器的明顯更高的斷開時間。由 于作用持續(xù)時間更長，這導致要保護的設備的自身的高負荷并且由于在開關中轉換的高的 能量而也對斷路器的切換能力產(chǎn)生負面效果。為了識別短路，在許多電子觸發(fā)器中將流動電流的瞬時值與閾值相比較，這根據(jù) 短路的形式可以持續(xù)相對較長的時間。為了縮短直到識別出短路的時間而已經(jīng)提出了，將電流曲線(電流的第一時間導 數(shù)(zeitliche Ableitung))的斜率考慮作為可替換的準則。這種形式的觸發(fā)僅響應于電 流曲線的斜率，但是并不響應于所到達的電流強度。該準則首先僅用于在直流電快速開關 中縮短斷開時間，這是因為在交流電系統(tǒng)或者三相交流電系統(tǒng)中，電流增加速度、短路電流 和電壓之間的關系取決于短路的時間點和電網(wǎng)的功率因數(shù)。在DE 36 42 136 C2中提出了兩個準則的組合、電流的瞬時值和電流斜率。對此， 在每條主電路中將傳感器、例如Rogowski電流互感器(Wandler)用于確定電流斜率。接下 來由電流斜率和電流的瞬時值形成了數(shù)字的數(shù)值對(Wertepaaren)，并將該電流瞬時值與 預定的閾值相比較。這種比較優(yōu)選地通過軌跡準則來實現(xiàn)。DE 3642 136 C2中所述算法的 缺點在于，該算法只能在沒有起始電流的情況下實現(xiàn)切換過程的評估。因此，功率因數(shù)的改 變，例如通過接通或者斷開大的機器或者通過其他的電流變化，就可能已經(jīng)導致觸發(fā)，盡管 該改變?nèi)匀辉谠试S的范圍之內(nèi)。在DE 015 88 096 A中，將電流的第一和第二導數(shù)的總和應用作為用于短路識別 的準則。其中，第二導數(shù)通過LC電路由電流的第一導數(shù)產(chǎn)生，因此，該信號通過補償元件得到保障。此外，該信號基于LC電路而是功率相對較弱的，這使得其分析評估變得困難。對 響應值g的測定和因數(shù)χ和y的確定沒有在DE 015 88 096 A中進行說明。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提出一種用于改進保護裝置的切換時間(Schaltzeit)的方法。本發(fā)明的目的在方法方面通過權利要求1所述的特征來實現(xiàn)。
該方案設計為將電流以及電流的第一和第二時間導數(shù)分別在同一個時間點和以 相同的時間間隔連續(xù)地、依次測定，并且分別作為數(shù)字的數(shù)值序列繼續(xù)處理；每個數(shù)值序列 分配有一個預定的極限值；三個數(shù)值序列中的數(shù)值與分別分配的極限值比較；每個超過所 分配的極限值的數(shù)值分配有一個加權數(shù)；屬于同一個時間點的加權數(shù)分別求和得出第一加 權總和；分別針對預定數(shù)量的緊鄰依次排列的時間點將第一加權總和求和得出第二加權總 和；第二加權總和與另一個預定的極限值比較；當?shù)诙訖嗫偤统^預定的極限值時，識 別為短路。根據(jù)本發(fā)明的方法能夠使得短路識別時間小于100μ S并且因此明顯改進了相 應的電網(wǎng)的電流受限的特性。如果將第一時間導數(shù)分別在同一個時間點和以相同的時間間隔連續(xù)地、依次測 定；并且，如果由第一時間導數(shù)通過積分計算出電流，以及由第一時間導數(shù)通過微分計算出 電流的第二時間導數(shù)，那么這在技術上是簡單的。


以下借助實施例對本發(fā)明進行詳細描述。其中示出了 圖1示出了短路電流的時間曲線和該電流的第一和第二導數(shù)，圖2示出了歐姆電感電路形式的電網(wǎng)的等效電路圖，圖3以標準化的視圖示出了根據(jù)圖2所示電網(wǎng)在接通時間點的電流的第二導數(shù)，圖4，圖5示出了歐姆電感電路在電壓的不同的接通相位角的情況下的接通過程 的軌跡，圖6示出了三維的邊界立方體(Grenzquader)，圖7示出了用于執(zhí)行用于短路識別的方法的裝置，圖8示出了用于根據(jù)圖7的裝置的方法運行方框圖。
具體實施例方式圖1示出了在電網(wǎng)4(見圖7)中發(fā)生短路的情況下，電流的典型的時間曲線 100 (在時間t上繪出(aufgetragen Uber)的i :i(t))和其第一和第二時間導數(shù)102，104。 在圖1中可以識別出，第二時間導數(shù)104時間上超前于其他兩個軌跡100，102。圖2示出了電網(wǎng)4的等效電路圖2，該電網(wǎng)近似為歐姆電感電路，該電路帶有歐姆 電阻R、電抗X和緊湊型斷路器(或者稱為整體式斷路器)，該斷路器裝配有未示出的電子 觸發(fā)單元。在此，電阻R和電抗X代表需要保護的電力設備。根據(jù)等效電路圖2，在額定電壓(有效值)UN和作為時間t的函數(shù)的電壓u的相 位角Ψ的情況下，為頻率是ω的單相的歐姆電感電路的接通過程推導出以下的微分方程式 利用相移
和額定電流(有效值)IN，在時間范圍內(nèi)通過以下方程式描
述接通電流 在兩次求微分之后，得出電流i的第二時間導數(shù) 圖3示出相關于(021,標準化的、在歐姆電感電路t = 0的接通時間點上的電流的 第二時間導數(shù)106的圖示，每個歐姆電感電路帶有下功率因數(shù)cos φη =0.1和在不同的相位 角Ψ上的上功率因數(shù)cos隊=0.9。帶有電壓u的不同的接通相位角Ψ的歐姆電感電路中的接通過程的軌跡24和26 的示例在圖4和圖5中示出(其中Ir是取決于電流延遲的電子觸發(fā)單元的電流設定值)。通過理論上的分析和簡單的模擬，可以通過在限定的功率因數(shù)范圍和切換角度范 圍內(nèi)部的軌跡的疊加來確定軌跡的包絡線(EinhUllende)。借助包絡線(如后面所示地那 樣)可推導出極限值，尤其是用于歐姆電感電路。為了簡明起見，極限值(在此是軌跡觸發(fā)準則)在下面通過包絡的立方體 (einhullenden Quader) 120，122來近似；因此在下面將該簡化的觸發(fā)準則稱為立方體準 則。在電壓u的接通相位角Wmax中 第二時間導數(shù)的最大值共計為cos隊=0.9，其中接通時間點t = 0 利用作為極限值(觸發(fā)極限值或者觸發(fā)閾值)的第二時間導數(shù)的該最大值，兩個 在圖6中示出的其他極限值被確定用于立方體準則。其中圖6僅示出電流i的值以及其第 一和第二時間導數(shù)的值并且也因此在三維的(正和負)空間中只有立方體124的八分之一。圖7示意性地示出了用于實施用來快速(早期)識別電網(wǎng)4中的短路的方 法。Rogowski線圈46優(yōu)選地用作為傳感器。下游的輸入端濾波器56阻止了由電流信號中的諧波引起的錯誤觸發(fā)，這能夠?qū)崿F(xiàn)尤其是在帶有由變流器/逆變器供給的負
荷的工業(yè)網(wǎng)中的應用。將電流i的這樣濾波的第一導數(shù)通過A/D轉換器44數(shù)字化以
用于進一步處理，隨后，進行標準化(標準化者x/y)并且由微分器50通過反向減法
(Ruckwartsdifferezenbildung)來求微分。
以及由積分器48通過使用梯形法則求積分 其中在這里積分產(chǎn)生電流i。隨后，在屬于觸發(fā)單元的分析評估單元60中進行分析評估。圖8示出借助電流i以及其第一和第二時間導數(shù)根據(jù)時間進行分析評估的流程示 意圖，電流的第一和第二時間導數(shù)分別在同一個時間點t和以相同的時間間隔△t緊鄰地 連續(xù)依次測定，并且在A/D轉換之后分別作為數(shù)字的數(shù)值序列而存在。顯然，A/D轉換以及 進而數(shù)字化也可以在輸入端濾波器56之前或者在標準化(標準化者x/y)之后實現(xiàn)。因為Rogowski線圈46已經(jīng)提供了第一導數(shù)，由此(像上面所述地那樣)，第二導 數(shù)通過數(shù)字微分形成并且電流i通過數(shù)字積分形成，一方面借助后濾波(低通濾波器52) 和另一方面借助前濾波(高通濾波器54)。低通濾波器52使得通過微分而加強的高頻率的 頻率部分衰減。高通濾波器54對在數(shù)值積分中由于常數(shù)項(Gleichglieder)而引起的錯 誤進行補償。隨后，三個這樣處理的數(shù)字的數(shù)值序列施加于分析評估單元60的輸入端，該分析 評估單元將其數(shù)字與分配給數(shù)值序列的極限值(觸發(fā)極限值或者觸發(fā)閾值)16，18，20進行 比較。為每個數(shù)值序列分配有一個自身的極限值16，18，20(16是電流i的極限值，18是第 一導數(shù)的極限值，20是第二導數(shù)的極限值)。極限值16，18，20是包絡的立方體120，122的上面所述的立方體準則并且相應地 進行計算(像上面所述的歐姆電感電路一樣)。因為電網(wǎng)4，尤其是在低電壓技術中不能完全通過純粹的歐姆電感網(wǎng)絡描繪，通過 響應值(AnSprechWert)28(在取決于電流延遲的觸發(fā)單元的電流預定值Ir輸入之后和在 一定情況下在不延遲的觸發(fā)單元的電流預定值Ii輸入之后)進行匹配(匹配于尤其是機 器的、變壓器的(流瞬間起峰電流)和導線的接通過程以及匹配于電容負荷、例如補償設 備)。對于歐姆電感電路來說，該響應值28對應于數(shù)值2。對于其他的用電設備、例如帶有 高接通電流的機器相應地選擇響應值。以這種方式，該方法因此除了能夠匹配于歐姆電感 網(wǎng)絡的全部的頻譜之外還能夠匹配于別的網(wǎng)絡并且因此能夠?qū)崿F(xiàn)更寬廣的應用范圍。如果其中一個數(shù)值超過屬于該數(shù)值序列的極限值16，18或20，那就意味著，這個 數(shù)值在立方體之外并且因此可能存在短路形式的錯誤。每個這樣的超過所屬的極限值16， 18或20的數(shù)值分配有一個加權數(shù)30，32，34 當電流i的數(shù)值序列的數(shù)值超過極限值16， 該加權數(shù)是1，當?shù)谝粫r間導數(shù)的數(shù)值序列的數(shù)值超過極限值18，該加權數(shù)是0. 5，當?shù)诙r間導數(shù)的數(shù)值序列的數(shù)值超過極限值20，該加權數(shù)是0. 25。電流i得到最強的加權數(shù)， 這是因為其值對于當前的短路來說是一個相對可靠的準則。加權數(shù)基本實現(xiàn)作為網(wǎng)絡配置 的函數(shù)或者需要保護的用電設備和生產(chǎn)設備的函數(shù)。屬于同一時間點的加權數(shù)30，32，34分別求和得出第一加權總和并且輸送到序列 38中以用于緩存，該緩存設計為FIFO存儲器，該存儲器分別可以儲存前10個加權總和。在 每個時間間隔△ t之后、也就是說在A/D轉換器的每個掃描時間間隔中，將第一加權總和繼 續(xù)推移(durchgeschoben) —個位置，從而使最舊的該第一加權總和退出(herausfUllt )。 如果在同一時間點t沒有數(shù)值超過所屬的極限值16或者18或者20，那么FIFO存儲器因此 在這一位置上保持為空。在正常運行的情況下，三個數(shù)值序列的所有數(shù)值都處在包絡的立 方體120，122內(nèi)部。FIFO存儲器中的屬于緊鄰連續(xù)的時間點的前10個加權總和分別求和得出第二加權總和40并且與另一個預定的極限值42 (觸發(fā)閾值)比較，這里規(guī)定數(shù)值為3。如果處理 器60識別出該第二加權總和、也就是說序列38的總和超過了限定的極限值42，那么其通過 電子觸發(fā)單元促使緊湊型斷路器實現(xiàn)觸發(fā)22。第一加權數(shù)這樣選擇，即觸發(fā)不可能單獨地通過超過第二導數(shù)的極限值20實現(xiàn)。
權利要求
一種用于識別電網(wǎng)(4)中的短路的方法，其中，將電流(i)以及所述電流的第一和第二時間導數(shù)分別在同一個時間點(t)和以相同的時間間隔(Δt)連續(xù)地、依次測定，并且分別作為數(shù)字的數(shù)值序列繼續(xù)處理；其中，每個數(shù)值序列分配有一個預定的極限值(16，18，20)；其中，三個數(shù)值序列中的數(shù)值與分別分配的所述極限值(16，18，20)比較；其中，每個超過所分配的所述極限值(16，18，20)的數(shù)值分配有一個加權數(shù)(30，32，34)；其中，屬于同一個時間點(t)的所述加權數(shù)(30，32，34)分別求和得出第一加權總和；其中，分別針對預定數(shù)量的緊鄰依次排列的時間點(t)將所述第一加權總和求和得出第二加權總和(40)；其中，所述第二加權總和(40)與另一個預定的極限值(42)比較；和其中，當所述第二加權總和(40)超過所述預定的極限值(42)時，識別為短路。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，將所述第一時間導數(shù)分別在同一個時間 點(t)和以相同的時間間隔(At)連續(xù)地、依次測定；并且，由所述第一時間導數(shù)通過積分 計算出所述電流(i)，以及由所述第一時間導數(shù)通過微分計算出所述電流的所述第二時間 導數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種短路識別的方法，尤其是一種用于電網(wǎng)(4)中的短路的早期識別的方法。為了改進保護裝置的開關動作時間而提出將電流(i)以及電流的第一和第二時間導數(shù)分別在同一個時間點(t)和以相同的時間間隔(Δt)連續(xù)依次測定，并且分別作為數(shù)字的數(shù)值序列繼續(xù)處理；每個數(shù)值序列分配有一個預定的極限值(16，18，20)；三個數(shù)值序列中的數(shù)值與分別分配的極限值(16，18，20)比較；每個超過所分配的極限值(16，18，20)的數(shù)值分配有一個加權數(shù)(30，32，34)；屬于同一個時間點(t)的加權數(shù)(30，32，34)分別求和得出第一加權總和；分別針對預定數(shù)量的緊鄰依次排列的時間點(t)將第一加權總和求和得出第二加權總和(40)；第二加權總和(40)與另一個預定的極限值(42)比較；當?shù)诙訖嗫偤?40)超過預定的極限值(42)時，識別為短路。
文檔編號H02H3/08GK101842953SQ200880114335
公開日2010年9月22日 申請日期2008年10月10日 優(yōu)先權日2007年10月30日
發(fā)明者弗蘭克·貝格爾, 蒂莫·米策爾 申請人:西門子公司