專利名稱：模擬線圈電壓和線圈電流的測量的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及模擬線圈電壓和線圈電流的測量。
技術(shù)背景斷路器被廣泛地用于保護(hù)電線和設(shè)備。斷路器監(jiān)控通過電導(dǎo)體的電流，并 且如果滿足特定標(biāo)準(zhǔn)，斷路器跳閘以中斷該電流。 一個(gè)這樣的標(biāo)準(zhǔn)是允許流過 被保護(hù)電路的最大連續(xù)電流。斷路器被設(shè)計(jì)承載的最大連續(xù)電流被稱為殼架額 定值(frame rating)。然而，斷路器可以被用于保護(hù)最大連續(xù)電流小于斷路器殼 架額定值的電路，在這種情況下，斷路器被配置成當(dāng)電流超過為斷路器用于其 中的特定電路建立的最大連續(xù)電流時(shí)跳閘。這被稱為斷路器電流額定值。顯然， 斷路器電流額定值可以小于但不能超過殼架額定值。在傳統(tǒng)的斷路器中，在斷路器里的保護(hù)繼電器的接觸輸出被連接至,路器 的線圈，其又用于使電力線跳閘，停止通過斷路器流到負(fù)載的電流的流動(dòng)。經(jīng) 常經(jīng)受諸如振蕩、沖擊、高壓和感應(yīng)負(fù)載電弧的嚴(yán)酷操作條件的斷路器對(duì)于提 供電流到最終負(fù)載的操作是關(guān)鍵的器件。由于斷路器經(jīng)受的嚴(yán)酷操作條件，上 述平均故障率很難被維持，必須持續(xù)地利用人力來保證電力系統(tǒng)和傳輸?shù)阶罱K 負(fù)載的功率的可用性。流過斷路器DC跳閘線圈的電流的波形的信號(hào)分析可以 被用于檢測斷路器的跳閘機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)變化。通常，跳閘線圈電流的波形高度地可重復(fù)，波形的變化通常翻〖閘機(jī)構(gòu)的機(jī)械特性^^兆閘線圈的電氣特性已經(jīng)改 變的初始信號(hào)。盡管有設(shè)計(jì)的專門器件用于測量斷路器線圈的電壓和電流，但是沒有測量 斷路器線圈的電壓和電流并執(zhí)行信號(hào)分析以檢測指示進(jìn)展性故障的變化的保護(hù) 繼電器。我們知道，在電路保護(hù)領(lǐng)域的先前工作都包括數(shù)字檢測存在于接觸輸 出的電流和電壓，并且，在這種情況下，運(yùn)用數(shù)字觀糧提供接觸輸入的正確操 作的反饋，對(duì)斷路器線圈狀況的診斷沒有影響。在線斷路 況監(jiān)觀陏許多潛在的優(yōu)點(diǎn)，例如，提高服務(wù)可靠性，更高的 設(shè)備可利用性，更長的設(shè)備壽命，并且最終降低維護(hù)費(fèi)用。在線監(jiān)控表示提高用于支撐維護(hù)的信息系統(tǒng)的時(shí)機(jī)。禾擁現(xiàn)代電子設(shè)備，可以持續(xù):tte控和分析參數(shù)以補(bǔ)充維護(hù)人員的活動(dòng)。發(fā)明內(nèi)容根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，提供一種預(yù)測電力系統(tǒng)中斷路器的故障的方法，該 方法包括提供線圈信號(hào)元件；觀糧斷路器線圈的模擬線圈電壓和模擬線圈電流 以確定用于斷路器線圈兩端的電壓和流過斷路器線圈的電流的時(shí)間特性基線； 隨著時(shí)間的變化，測量所述斷路器線圈的模擬線圈電壓和線圈電流以確定用于 斷路器線圈兩端的電壓和流過斷路器線圈的電流的正在發(fā)生的時(shí)間特性以及 分析所述正在發(fā)生的時(shí)間特性中所述基線的任何變化。


通過參考下述附圖和詳細(xì)描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員將對(duì)本申請(qǐng)有徹底和完整 的了解。圖1描述了本發(fā)明的線圈信號(hào)布線亂 圖2描述了本發(fā)明的典型跳閘線圈波形。
具體實(shí)施方式
在如下的對(duì)測量模擬線圈電壓和線圈電流以預(yù)測電力系統(tǒng)的故障的改進(jìn)的 描述中，請(qǐng)注意，禾擁保護(hù)繼電器的接觸輸出^W司斷路器線圈。該線圈是釋 放存儲(chǔ)能量機(jī)構(gòu)的機(jī)電螺線管，所述存儲(chǔ)能量機(jī)構(gòu)動(dòng)作以打開或閉合斷路器。 在線圈激勵(lì)的過程中，線圈兩端的電壓、流過線圈的電流以及相應(yīng)的耗散能量 將具有特殊的時(shí)間特性。通過分析在這些特性中的變化，我們發(fā)現(xiàn)檢觀恪種斷 路器的初始故障模式并且用信號(hào)通知用戶需要進(jìn)， f頁防性的維護(hù)是可能的。ffi51^用ffi器隔離的DC-DC變換器和整個(gè)系統(tǒng)的模擬光學(xué)隔離，這些改進(jìn)第一個(gè)通過執(zhí)行隔離的模擬電壓測量和流過接觸輸出并激勵(lì)斷路器線圈的電 流測量將這個(gè)功會(huì)誼接結(jié)合到接觸輸出中。所述波形的一般形狀是與時(shí)間常數(shù)成簡單的指數(shù)關(guān)系的形狀，該時(shí)間常數(shù) 等于線圈的電感與線圈的電阻的比值。波形最初的斜率取決于所施加的電壓和 線圈的最初電感的比值。最終的電流值取決于所施加的電壓和線圈的電阻的比 值。由于跳閘線圈包含移動(dòng)的電樞，因此線圈的電感隨時(shí)間變化，并且跳閘線 圈電流的波形不是精確的指數(shù)型的。偏離簡單的指數(shù)的量和時(shí)序強(qiáng)烈地取決于 電樞運(yùn)動(dòng)的細(xì)節(jié)。如之前指出的，耗散在斷路器的操作線圈中的能量(即，流過DC跳閘線 圈的電流)的波形的信號(hào)分析可以被用于檢測斷路器的跳閘機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)的變化。 通常地，跳閘線圈電流能量的波形高度地可重復(fù)，并且波形的變化通常是跳閘 機(jī)構(gòu)的機(jī)械特性或跳閘線圈的電氣特性已經(jīng)改變的初始信號(hào)。因而，如果對(duì)于 特別的線圈操作，信號(hào)分析導(dǎo)致相當(dāng)大的偏離，那么線圈信號(hào)元件產(chǎn)生警報(bào)。 還可以執(zhí)行AC瑕〖閘線圈電流的信號(hào)分析，但是由于與所施加的電壓的相角相 對(duì)的線圈激勵(lì)的時(shí)間的隨機(jī)性，因此該分析變得復(fù)雜。幸運(yùn)的是，由于電池用 于為變電站提供控制能量，因此大多TO于實(shí)際應(yīng)用的斷路器采用DC瑕,線 圈。如本發(fā)明所預(yù)期的，線圈信號(hào)元件也包含基線特征。線圈信號(hào)元件測量在 每個(gè)線圈操作期間的最大線圈電流、線圈電流的持續(xù)時(shí)間、和最小電壓。通過 多次操作來計(jì)算這些測量的平均值，允許用戶從這些平均值產(chǎn)生基線值。線圈 信號(hào)元件將使用這些基線值來確定在特定的斷路器線圈操作中是否在任何值中 存在相當(dāng)大的偏離。對(duì)于圖l，示出了線圈信號(hào)布線亂其中線圈電流由iMi也誠到f激蟲輸出電 路的DC賴雄控器來測量。由這樣的線圈信號(hào)元件圖產(chǎn)生的熱跳閘線圈電流波 形(tropical trip coil current waveform)由圖2表示。如所描述的，線圈信號(hào)元 件離多產(chǎn)生如下測量值線圈能量(即，在線圈操作期間積分的線圈電壓和線圈 電流的乘積)；電^S大值(即，用于線圈操作的線圈電流的最大值)；電流辦賣 時(shí)間(即，在線圈操作期間，線圈電流M:預(yù)先校準(zhǔn)的電流7j^平的時(shí)間，所述電 ^zK刑;fe^為0.25安)；腿最小值(即，在線圈操作期間，電壓的最低值)；線圈信號(hào)(即，M多個(gè)操作平均的線圈MS值)；平均電^S大值(即，fflil多個(gè) 操作平均的最，圈電流)；平均電流t教賣時(shí)間(即，ffl3i多個(gè)操作平均的線圈電 流t煞賣時(shí)間)；和平均電壓最小值(即，艦多個(gè)操作平均的電壓最小值)。更具體的，圖1描述了包括接觸輸出電路和接觸輸入電路的線圈電路布線 圖。線圈電流由DC電流監(jiān)控器(103)在接觸輸出電路中測量，并且電壓由 DV電ffiilS控器(104)在接觸輸入電路中測量。到iiit匕電流監(jiān)控器(103)的電 流首先通過繼電器接觸(101和102)。
地，監(jiān)控裝置(103和104)的電輸 出首先通過線性光學(xué)耦合器(未示出)之后，被微處理器(未示出)接收，該 光學(xué)耦合器為將線圈信號(hào)元件與斷路器本身電隔離的裝置。所述微處理器被編 程以計(jì)算下面所示的數(shù)學(xué)等式的值。利用在圖1中所描述的線圈信號(hào)裝置對(duì)線圈電流的測量通過用于激勵(lì)線圈 的接觸輸出的監(jiān)控電路來提供。在激勵(lì)線圈之前，期望在接觸的兩端存在電壓。 當(dāng)所述線圈被激勵(lì)時(shí)，該電壓降到零。因此，該功能由與該接觸輸出相關(guān)聯(lián)的 負(fù)轉(zhuǎn)換電壓操作數(shù)來觸發(fā)。 一旦被觸發(fā)，該元件在由觸發(fā)持續(xù)時(shí)間設(shè)置確定的 期間保持激活。關(guān)于圖2，典型的瑕〖閘線圈電流波形被描述，其中，所述波形的一般開沐， 如之前所述，是與時(shí)間常數(shù)成簡單的指數(shù)關(guān)系的皿，該時(shí)間常數(shù)等于線圈的 電感與線圈的電阻的比值。對(duì)于斷路器的每一操作，通過比較線圈電流波形和由前面所有的操作中計(jì) 算出來的平均波形(即，基線值)來執(zhí)行信號(hào)分析。首先，需要在斷路器的多次操作內(nèi)，即每當(dāng)斷路器操作時(shí)，建立平均波形， 以捕獲和標(biāo)度電流波形VC0 = v(tstart + T)P(T) = V(T) X在上述數(shù)學(xué)等式中，'V塘電壓，T指安培，"P"指功率，并且"r"的范圍從0至蹈束時(shí)間和開始時(shí)間之差；所述開始時(shí)間是ffi31線圈的電流開始流動(dòng)的時(shí)亥U。實(shí)際上，開始時(shí)間是流過線圈的電流變得大于0.25安培時(shí)的時(shí)刻；結(jié)束 時(shí)間是電流變得小于0.25安培時(shí)的時(shí)刻。結(jié)束時(shí)間和開始時(shí)間之間的差由用戶預(yù)先選擇以捕獲完整的波形。這個(gè)定標(biāo)過程在一定程度上補(bǔ)償了控制電壓的變化。電流變化的初始時(shí)間變率(timemte)及其最終值都與控制電壓成比例。接著，電流信號(hào)通過簡單地將所有波形相加并除以波形數(shù)目以獲得算術(shù)平 均 計(jì)算相似的，能量信號(hào)通過將所有波形相加并除以波形數(shù)目來計(jì)算。簡言之，在Jd^等式中用"p"代替"r'。也需要估計(jì)波形變化的平方 <formula>formula see original document page 8</formula>最后，有用的是估計(jì)在波形的時(shí)間跨度內(nèi)積分的凈不確定性的平方:讀者應(yīng)該注意，在前述等式中，波形被看作是連續(xù)函數(shù)，這是為了解釋以 更好的理解本發(fā)明的目的。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在實(shí)踐中，波形實(shí)際上 被采樣，并且前述積分M求所艦樣的和用數(shù)值進(jìn)衍十算。本發(fā)明中的檢觀鵬閘線圈電流波形的變化的過程實(shí)際上是計(jì)算每當(dāng)斷路器 跳閘時(shí)波形從信號(hào)的偏離。也就是，計(jì)算在波形的時(shí)間跨度內(nèi)積分的偏差平方:在該等式中，符號(hào)"D"是跳閘線圈電流偏離信號(hào)有多遠(yuǎn)的計(jì)算值。偏離是否明顯M31比較D與u的倍數(shù)，或M:比較D的平方與U的平方的倍數(shù)來確定。明顯地，所述倍數(shù)取決于想要的置信區(qū)間，并可以用公知的正態(tài)分布的統(tǒng)計(jì)特性來設(shè)置。例如，對(duì)于99.7%的置信區(qū)間，所謂的3-西格馬(3-E)區(qū)間，倍 數(shù)是3，艮卩，如果D的平方(或D2)大于9乘以U的平方，則所述偏離被認(rèn)為 是明顯的。如果所述偏離不明顯，則新的波形用于更新平均值和U的平方。如果所述 偏離明顯，則其不用于更新，并且明顯的偏離被宣布意味著用戶可以預(yù)見進(jìn)展 性故障(evolving failure)以及應(yīng)當(dāng)注意或在不久的將來安排對(duì)斷路器進(jìn)4亍維修。
因此，如果D2>M、U2，貝暄告線圈信號(hào)警報(bào)，其中，'甘，是取決于預(yù)定 的置信區(qū)間設(shè)置的值。更特別地，'TVT'取自下面用于由用戶設(shè)定的特定的置信區(qū)間設(shè)置的表置信區(qū)間設(shè)置M2.5758 2.6121 2.6521 2.6968 2.7478 2.8070 2.8782 2.9677 3.0902 3.2905除了以上的之外，線圈信號(hào)元件還能夠產(chǎn)生如下觀糧值 電流最大值(即，用于線圈操作的線圈電流的最大值)W = max(I(0)電壓最小值(即，在線圈操作期間電壓的最低值)Vmin = min(V(T))電流持續(xù)時(shí)間(即，在線圈操作期間，線圈電流超過預(yù)先校準(zhǔn)的電流水平的時(shí)間,所述電流水平優(yōu)選為0.25安)△t = tend tstart然后可以計(jì)算這^i言號(hào)的平均值平均電流最大值(即，M51多個(gè)操作平均的最大線圈電流) Imax=1/Nk= 1丄max平均電壓最小值(即，aai多個(gè)操作平均的電壓最小值)av.Vmin= l/N 2:Nk=1vmin平均電流持續(xù)時(shí)間(B卩，i!31多個(gè)操作平均的線圈電流持續(xù)時(shí)間) av.At = l/N SNk=iAt一旦被計(jì)算，并且如果所建立的基線被確定，那么Ibaseline = ImaxAtBASE腦=av.At在制造的時(shí)候，高電流警報(bào)將被預(yù)編程以被宣告來指示斷路器的潛在故障，并且如果Imax>1.05丄baseline 則用信號(hào)通知用戶需要預(yù)防性的維護(hù)。 相似地，如果At〉1.05'AtBASEUNE，則長電流持續(xù)時(shí)間警報(bào)將被宣告。 相{班也，如果VMIN<0.95VBASELINE，貝U低電壓警報(bào)將被宣告。 當(dāng)然，這些警報(bào)可以以可視的、電子的、聽得見的信號(hào)形式提供給用戶， 這些信號(hào)表明已經(jīng)達(dá)到并皿了預(yù)編程的限定。盡管我們已經(jīng)舉例說明并描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，但是應(yīng)當(dāng)理解，本 發(fā)明可以變化和修改，由此我們不希望局限于所闡述的精確的術(shù)語，而是渴望 禾,可以作出的變化和替代以使本發(fā)明適用于多種用途和情況。相應(yīng)的，這些 變化和替代完全包含于等同替代方式的整個(gè)范圍內(nèi)，并因此包含于下面的權(quán)利 要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種預(yù)測電力系統(tǒng)中斷路器的故障的方法，其包括(1)提供線圈信號(hào)元件；(2)測量斷路器線圈的模擬線圈電壓和模擬線圈電流以確定用于斷路器線圈兩端的電壓和流過斷路器線圈的電流的時(shí)間特性基線；(3)隨著時(shí)間的變化，測量所述斷路器線圈的模擬線圈電壓和線圈電流以確定用于斷路器線圈兩端的電壓和流過斷路器線圈的電流的正在發(fā)生的時(shí)間特性以及(4)分析所述正在發(fā)生的時(shí)間特性中所述基線的任何變化。
2. 如禾又利要求l的方法，其包括所述元件測量在每一線圈操作期間的最大 線圈電流、線圈電流的持續(xù)時(shí)間、和最小電壓。
3. 如纟又利要求2的方法，進(jìn)一步包括利用所述最大線圈電流、持續(xù)時(shí)間和 最小電壓測量值來確定在所述斷路器的操作期間是否發(fā)生了偏離。4. 如權(quán)利要求1的方法，其進(jìn)一步包括通^用下列數(shù)學(xué)等式建立電壓、 電流和功率測量值，在最初為所述斷路器建立平均波形<formula>formula see original document page 2</formula>其中，"V"指電壓，T指安培，"P"指功率，并且'V"的范圍從0到結(jié)束時(shí) 間和開始時(shí)間之差；所述開始時(shí)間是Mt線圈的電流開始流動(dòng)的時(shí)刻。5. 如權(quán)利要求4所述的方法，其中所述開始時(shí)間是流鵬圈的電流變得大 于0.25安培時(shí)的時(shí)刻；以及結(jié)束時(shí)間是電流變得小于0.25安培時(shí)的時(shí)刻。6. 如權(quán)利要求5所述的方法，進(jìn)一步包括fflil將所述波形相加并除以波形 數(shù)目以得到算術(shù)平均值，即通過下述等式來計(jì)算電流信號(hào)-7. 如權(quán)利要求6所述方法，進(jìn)一步包括通過下述等式來得至啵形變化的平方<formula>formula see original document page 2</formula>8、如權(quán)利要求7所述方法，進(jìn)一步包括通過下述等式來得至依波形的時(shí)間跨度內(nèi)積分的凈不確定性的平方<formula>formula see original document page 3</formula>9、如權(quán)利要求8所述的方法，進(jìn)一步包括每當(dāng)斷路器跳閘時(shí)波形從信號(hào)的 偏離，也就是，計(jì)算在波形的時(shí)間跨度內(nèi)積分的偏差平方<formula>formula see original document page 3</formula>其中，"D"^^兆閘線圈電流從信號(hào)偏離有多遠(yuǎn)的計(jì)算值。10、如權(quán)利要求9所述的方法，進(jìn)一步包括如果D^M2 .U2，則啟動(dòng)線圈信號(hào)警報(bào)，其中"M"是取決于由用戶從下述表中選擇的預(yù)定的置信區(qū)間設(shè)置的值置^言區(qū)間設(shè)置M2.57582.61212.65212.69682.74782.80702.87822.96773.09023.2905。
全文摘要
本發(fā)明涉及模擬線圈電壓和線圈電流的測量。在與保護(hù)斷路器繼電器的接觸輸出連接以檢測斷路器機(jī)構(gòu)的初始故障的斷路器線圈勵(lì)磁過程中，測量模擬線圈電壓和線圈電流。
文檔編號(hào)G01R31/327GK101221218SQ20071030576
公開日2008年7月16日 申請(qǐng)日期2007年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月28日
發(fā)明者A·亞菲爾, D·芬尼, M·阿達(dá)米亞克, W·普雷默拉尼, 毛志宏 申請(qǐng)人:通用電氣公司