CN1432209A

CN1432209A - 具有电流保持的可变和固定延迟计数时间的电子保护继电器

Info

Publication number: CN1432209A
Application number: CN01810288.3A
Authority: CN
Inventors: R·T·埃尔姆斯
Original assignee: Eaton Corp
Current assignee: Eaton Corp
Priority date: 2000-06-13
Filing date: 2001-06-12
Publication date: 2003-07-23
Also published as: CA2412614A1; ZA200300254B; AU2001262590A1; US6330141B1; WO2001097357A3; WO2001097357A2

Abstract

一种电子保护继电器(1)模拟一种机电保护继电器，以便在一个配电系统(3)中在保护方面协调两种类型的继电器的操作。电子保护继电器(1)包括一个数字处理器(15)，它以一种反向电流函数形式给一可变延迟计数增量，并通过一个相应的比例量给一固定延迟计数增量。在每次程序运行期间，两个计数中只有较小的计数增加，以便它们被迫相互跟踪。当两个计数达到一个脱扣值时，产生一个脱扣信号。当测得的电流低于吸合值时，处理器(15)还应用一个复位功能。按照优选的复位特点，可变延迟计数用一个反向电流函数减少，而固定延迟用相同的量减少。

Description

具有电流保持的可变和固定延迟计数时间的电子保护继电器

发明领域

本发明涉及用于配电系统的保护继电器，特别涉及一种具有过流脱扣(trip)特性的电子保护继电器，该电子保护继电器能使它的操作与现有配电系统中的现有技术机电保护继电器的脱扣特性协调一致。

背景技术

通常，保护继电器控制配电系统中断路器体系响应的脱扣特性是如此协调，以便使最靠近过流起因的断路器首先脱扣，以便隔离故障并限制系统中的中断。协调是通过在上游保护继电器的脱扣特性中加一个时间延迟来实施的，以便给下游继电器提供一个时间间隔来首先响应。如果下游继电器不响应，或是故障在下游保护继电器的上方，则当延迟时间过去时，启动上游断路器的脱扣。

传统上在这类应用中一直采用机电继电器。机电继电器提供一种延迟的脱扣，该延迟的脱扣是时间的反函数。常用的反函数是I²t函数，该I²t函数是过流条件所产生热量的量度，不过可以采用另一些一般形式为I^P的反函数，这里幂P可以小于、等于，或大于1。随着过流超过吸合值(pickupvalue)，机电保护继电器在全部时间内将选定的反向电流函数积分，并且当积分值达到选定的极限值时产生一个脱扣信号。机电保护继电器的物理特性具有这样的效果，即将一额外的固定时间的延迟加到对过流的响应中。它们还在电流低于吸合值时，在复位积分值中具有一个延迟。

对这些应用，电子保护继电器正代替机电继电器。通常，电子保护继电器利用一个微处理器来实施选定的，或可选定的反向电流函数。因为许多系统仍然包括机电保护继电器，所以要求电子保护继电器模拟机电继电器，以保证两种类型继电器之间的有效协调。因此，美国国家标准协会(ANSI)和国际电工技术委员会(IEC)二者已建立了下面电子继电器要实施的响应曲线：

T = D^{*} [\frac{A}{[\frac{I}{I_{PU}}] - 1} + B]

方程1式中：T＝以秒为单位的脱扣时间；D＝时间倍增器设定；I_PU＝吸合电流设定；A＝可变时间延迟设定；B＝固定时间延迟

正如从方程1可以看到的，这种关系的精确应用要求一种计算上很麻烦的除法运算。由于微处理器通常是执行加法运算(additional function)如计数(metering)，所以希望避免进行除法运算。通过将适当标度(properlyscaled)的每一个数字样品的I^P值相加并加在固定时间B中，可以得到上述函数的近似。在过流幅值保持十分稳定的地方，可以非常合理的这样做，在某些工业应用中保持过流幅值十分稳定是合理的。然而，在故障电流幅值改变明显的情况下，使用这种技术会造成重大误差。故障电流中的这些变化可以在以下地方发生，例如，在树枝被大风吹倒压在电线上时故障的阻抗发生变化，或者通过系统中的另一个保护继电器有一不适当的响应。

因此，配电系统需要有一种改进的保护继电器。

更具体地说，需要有一种改进的电子保护继电器，它能更好地模拟机电继电器，但没有过多的计算麻烦或误差。

发明概要

通过本发明满足了这些需要和另一些要求，本发明针对一种用于配电系统的电子保护继电器，该电子保护继电器按照一种模型模拟一个机电保护继电器，上述模型包括一个可变的反向电流时间延迟和一个固定的时间延迟。按照本发明的电子保护继电器包括电流感应装置，该电流感应装置测量配电系统中的电流，以便产生一个测得的电流值。一个处理器用一个反向电流函数将测得的电流进行数字式积分，以便产生一个可变的延迟计数。处理器还确定相应的固定时间延迟的比例量，以便产生一个固定的延迟计数。然后处理器根据选定的脱扣计数的可变延迟计数和固定延迟计数的组合结果，产生一个脱扣输出。在一般意义上，处理器迫使可变延迟计数和固定延迟计数相互跟踪。在本发明的优选实施例中，这是通过在处理器内的装置实施的，该装置以重复的时间间隔确定可变延迟计数和固定延迟计数中哪一个较小。如果可变延迟计数较小，则可变延迟装置利用选定的反向电流和测得的电流来增加可变延迟计数。如果固定延迟计数较小，则固定延迟装置用一个按比例的量来增加固定延迟计数。在本发明最优选的实施例中，时间间隔是电流的一个周期，因此测得的电流是那个周期的电流。处理器还包括当可变延迟计数和固定延迟计数二者都超过脱扣值时产生一个脱扣信号的装置。由于固定延迟计数变与可变延迟计数成比例，这些脱扣值可以相同。

另外，按照本发明的优选实施例，各个计数只有当测得的电流超过吸合值时才增加。当测得的电流低于吸合值时，复位部件变得有效。优选的复位部件包括用选定的反向电流减少可变延迟计数，并且然后将固定延迟计数减少相同的量的装置。作为一种可供选择的方案，当测得的电流低于吸合值时，复位装置可以清除两种计数。

本发明还包括用电子方法模拟由一种机电保护继电器所提供的用于配电系统的过流保护的方法，该方法包括：以选定的时间间隔，重复地测量电流，以便产生一个测得的电流信号；将测得的电流信号与一存储的吸合信号进行比较；当测得的电流超过吸合电流时，利用一个反向电流函数，从测得的电流信号中用电子方法产生一个可变延迟计数信号。该方法还包括用电子方法产生一个按比例跟踪可变延迟计数的固定延迟计数，并且在合并的可变延迟计数信号和固定延迟计数信号达到脱扣信号电平时，产生一个脱扣信号。当可变延迟计数小于固定延迟计数时，可变延迟计数通过反向电流函数增加。另一方面，当固定延迟计数小于可变延迟计数时，固定延迟计数增加相应比例的固定延迟计数。优选的是，时间间隔是一个电流周期。

该方法还包括当测得的电流信号降到低于吸合信号时，使可变延迟计数信号和固定延迟计数信号复位。复位是通过用一选定的时间反函数减少可变延迟时间，并减少固定延迟计数以跟踪可变延迟计数实现的。

附图简介

结合附图看下面的优选实施例说明，可以获得充分理解本发明，其中：

图1是根据本发明的电子保护继电器示意图。

图2是图1的电子保护继电器实施本发明的流程图。

优选实施例说明

本发明针对一种电子保护继电器，该电子保护继电器模拟由一种机电保护继电器所提供的电流保护功能的时间。在这种情况下，本发明的电子保护继电器实施一种如方程1所限定的ANSI和IEC电流保护功能时间的简化。

图1所示的电子保护继电器1对一个配电系统3提供保护。尽管配电系统3用单线示出，但应该理解，该系统通常是一个多相系统，如一个还可以包括零线的三相系统。电子保护继电器具有一个电流和电压传感输入系统5，该电流和电压传感输入系统5包括一个用于每一相的电流互感器7，和如果设置的话，用于传感配电系统3中电流的零线，及用于同样传感电压的电压互感器9。测得的电流和电压通过设定取值范围和取样电路11调节，然后通过一个多路复用和模-数转换器13进行数字化。

电子保护继电器1的心脏是一个微处理器15，它包括一个带相关存储器19的中央处理单元(CPU)17和实时时钟与监视器21，它们全都通过一个总线23连接。微处理器15还具有一个输入/输出接口25，该输入/输出接口25包括继电器输出，例如用于打开相关断路器的脱扣继电器，和接触输入，例如，相关断路器的接触输入状态。微处理器15还包括一个人机接口27，该人机接口27可以包括一个显示器29，状态发光二极管(LEDS)31、一个键盘33，和一个用于连接，例如，一个手持式输入/输出装置或便携式计算机的RS-232接口。微处理器15还可以包括一个通信模块36，用于将电子保护继电器与其它继电器和/或一个远距离监控站(未示出)连接起来。

由电子保护继电器1所提供的保护功能之一是上述电流时间(TOC)保护。如上所述，TOC保护功能包括时间延迟，以便这个保护继电器的操作可以与配电系统中的其它继电器，其中包括机电保护继电器，协调。电子保护继电器1的微处理器15利用图2流程图中所概略示出的算法37，实施由方程1所限定的保护曲线。这个TOC程序37以一个选定的时间间隔调用，在本发明的优选实施例中，该选定的时间间隔是在配电系统中每个电流周期一次。显然，也可以利用与电流频率有关的另一些时间间隔。在39处调用时，将测得的电流于41处自乘选定的反向电流函数的P次。TOC程序保持两个计数，一个用于可变时间延迟的计数V和一个用于固定时间延迟的计数F。可变时间延迟计数V是选定的反向电流函数的数字积分，而固定计数F是固定时间延迟相应成比例的计数。比例系数由常数A得到，而固定时间延迟由方程1得到并且等于A/B。这个比例系数被乘以吸合电流I_PU，该吸合电流I_PU自乘选定的反向电流函数的P次。两个计数V和F在TOC程序每个运转期间，通过只给两个计数其中较小的计数增量，被迫相互跟踪。

如果在方框41处的结果超过在43处所确定的吸合值，并且在45处所确定选定具有固定时间延迟功能的TOC，则在47处确是哪个计数更小。如果在47处确定可变计数V较小，则在51处通过将测得的电流自乘选定的次数和吸合电流自乘选定的次数之间的差值加到计数V上进行增量。可供选择地，将测得的电流自乘选定的次数加到V计数上。

计数V，F二者必须分别达到如在53和55处确定的脱扣计数，以便能在57处产生脱扣信号。由方程1得出脱扣函数为：

脱扣＝I_UP ^P*D*A/dt 方程2式中dt是调用TOC程序之间的时间

如果计数V和计数F未达到脱扣值，则程序在59处退出。利用比例系数，两个计数有效地规格化归一化，以便可以用相同的计数来确定可变时间延迟和固定时间延迟二者是否到期。这使得TOC算法37更简单得多。

如果测得的电流在43处不超过吸合值，则TOC程序37还包括一个复位部件61。可应用的复位函数由下式限定：

T_{reset} = \frac{t_{r}}{{[\frac{I}{I_{PU}}]}^{2} - 1}

方程3式中t_r是一个常数值，该值决定曲线是像ANSI所定义的那样适度反向、非常反向、还是极端反向(moderately inverse，very inverse or extremelyinverse)。对测得的电流低于吸合值的每个周期，V计数递减方程3所确定的值。固定时间延迟计数F减少与可变计数V相同的增量。可供选择地，复位函数61可以清除计数V和F，因此在复位函数中没有时间延迟。

本发明的电子保护继电器提供一种用于模拟机电保护继电器的技术，以便电子继电器可以用于具有现有机电保护继电器的配电系统，并与现有机电保护继电器协调。该技术在计算上不麻烦，这种情况在电子保护继电器中是很重要的，上述电子保护继电器还有完成另一些功能如计数(metering)的任务。在过流改变幅值的情况下它特别有利。这是由于可变延迟计数和固定延迟计数被迫增量式相互跟踪，并因此总是处于它们各自延迟时间的相同比例下。

尽管已经详细说明了本发明的一些特殊实施例，但本领域的技术人员应该理解，按照本申请的全部教导，可以对那些细节研究出各种改变和选择方案。因此，所申请所公开的特殊安排意在示例性说明，并不是对所附权利要求给出的本发明的范围的限制，以及对任何和所有等效内容的限制。

Claims

1.一种用于配电系统(3)的电子保护继电器(1)，它按照一个模型模拟一种机电保护继电器，该模型包括一个可变的反向电流时间延迟和一个固定的时间延迟，所述电子保护继电器包括：

电流感应装置(5)，该电流感应装置(5)测量配电系统(3)中的电流，以便产生一个测得的电流值；和

一个处理器(15)，用一个反向电流函数将测得的电流进行数字积分，以便产生一个可变的延迟计数，同时确定相应的固定时间延迟的比例量，以便产生一个固定的延迟计数，并且响应由一个脱扣计数的可变延迟计数和固定延迟计数的组合结果产生一个脱扣输出。

2.权利要求1所述的电子保护继电器(1)，其中所述处理器(15)包括迫使可变延迟计数和固定延迟计数相互跟踪的跟踪装置(37)。

3.权利要求2的电子保护继电器(1)，其中：所述电流感应装置(5)以一个选定的时间间隔重复产生测得的电流值，而跟踪装置(37)包括对每个由电流感应装置提供的测得电流值确定可变延时计数和固定延时计数中哪个是最小计数的装置(47)，并且，如果可变延迟计数是最小计数的话，只启动用反向电流函数来增加可变延迟计数的装置(51)，或者，如果固定延迟计数是最小计数的话，启动用相应比例量的固定延迟计数来增加固定延迟计数的装置(49)。

4.权利要求3的电子保护继电器，其中选定的时间间隔为电流的一个周期。

5.权利要求4的电子保护继电器(1)，其中：所述处理器(15)包括当电流超过吸合值时，只启动可变延迟计数装置(51)或是固定延迟计数装置(49)的装置(43)。

6.权利要求5的电子保护继电器(1)，其中：所述处理器(15)还包括复位装置(61)，当测得的电流低于吸合值时，该复位装置(61)使可变延迟计数和固定延迟计数复位。

7.权利要求6的电子保护继电器(1)，其中所述复位装置(61)清除可变延迟计数和固定延迟计数二者。

8.权利要求6的电子保护继电器(1)，其中：所述复位装置包括通过一个反向电流函数减少每个时间间隔可变延迟计数的装置，以便产生一个减少的可变延迟计数，并通过使固定延迟计数等于减少的可变延迟计数来减少固定延迟计数。

9.权利要求8的电子保护继电器(1)，其中选定的时间间隔是测得电流的一个周期。

10.权利要求1的电子保护继电器(1)，其特征在于：电流感应装置在选定的时间间隔下重复产生测得的电流值。

11.权利要求10的电子保护继电器(1)，其特征在于：选定的时间间隔等于测得电流的一个周期。

12.权利要求10的电子保护继电器(1)，其中所述处理器(15)包括复位装置(61)，当测得的电流小于吸合值时，该复位装置(61)使可变延迟计数和固定延迟计数复位。

13.权利要求12的电子保护继电器(1)，其中所述复位装置(61)每个时间间隔都增量式使可变延迟计数和固定延迟计数复位。

14.权利要求1的电子保护继电器(1)，其中所述处理器(15)包括将测得电流值与一个吸合电流值进行比较的装置(43)，以及当测得的电流值超过一个吸合电流值时产生可变延迟计数或固定延迟计数增加的装置(47，49，51)。

15.权利要求14的电子保护继电器(1)，其中所述处理器(15)包括复位装置(61)，当测得的电流小于吸合值时，该复位装置(61)使可变延迟计数和固定延迟计数复位。

16.权利要求15的电子保护继电器(1)，其中所述复位装置(61)清除可变延迟计数和固定延迟计数。

17.权利要求15的电子保护继电器(1)，其中所述复位装置(61)包括通过一个反向电流函数减少可变延迟计数的装置，以便产生一个减少的可变延迟计数。

18.权利要求15的电子保护继电器(1)，其中所述复位装置包括减少固定延迟计数的装置，以便跟踪可变延迟计数。

19.一种用电子方式，通过模拟机电保护继电器所提供的保护为配电系统(3)提供过流保护的方法，该方法包括以下步骤：

以一个选定的时间间隔重复测量电流，以便产生一个测得的电流信号；

将测得的电流信号与一存储的吸合信号进行比较；

当测得的电流信号超过吸合信号时，用一个反向电流函数，通过电子方法从测得的电流信号产生一个可变延迟计数信号；

用电子方法产生一个固定延迟计数信号，该固定延迟计数信号成比例地跟踪可变延迟计数信号；和

当可变延迟计数信号和固定延迟计数信号组合到达一个脱扣信号电平时，产生一个脱扣信号。

20.权利要求19的方法，其中：通过反向电流函数增加可变延迟计数信号的步骤，只是对可变延迟计数信号小于固定延迟计数信号时的时间间隔实施；产生按比例跟踪可变延迟计数信号的固定延迟计数信号的步骤，包括只有当可变延迟计数信号大于固定延迟信号时，才按相应的固定延迟时间比例增加固定延迟计数信号。

21.权利要求20的方法，其中选定的时间间隔是测得电流的一个周期。

22.权利要求20的方法，包括当测得的电流信号小于吸合信号时，使可变延迟计数信号和固定延迟计数信号复位。

23.权利要求22的方法，其中：所述的复位步骤包括通过一个选定的反向电流函数减少可变延迟计数信号，以便产生一个减少的可变延迟计数信号，及将固定延迟计数信号减少到等于可变延迟计数信号。