專利名稱：中壓大電流直流斷路器短路電流識(shí)別裝置及其識(shí)別方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于直流斷路器的保護(hù)控制系統(tǒng)，特別涉及一種中壓大電流直流斷路器短路電流識(shí)別裝置。
背景技術(shù)：
隨著直流電機(jī)、電力半導(dǎo)體、電能儲(chǔ)存、可再生能源發(fā)電、燃料電池應(yīng)用以及IT技術(shù)的發(fā)展，直流供電的優(yōu)勢(shì)不斷顯現(xiàn)，人們開始重新關(guān)注直流供電的前景。直流供電系統(tǒng)與人們?nèi)粘Ｉ畹穆?lián)系越來(lái)越緊密，雖然直流供電在進(jìn)入家用電器產(chǎn)品市場(chǎng)的問(wèn)題上還需要解決一些問(wèn)題，但是直流家用電器全面取代交流家用電器的進(jìn)程已經(jīng)啟動(dòng)，在不久的將來(lái)， 直流供電不僅會(huì)給家用電器生產(chǎn)行業(yè)帶來(lái)重大和深遠(yuǎn)的影響，而且將成為影響全社會(huì)方方面面的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。目前我國(guó)范圍內(nèi)，城市無(wú)軌電車、地鐵、太陽(yáng)能發(fā)電、冶煉、化工、軋材、船電、礦山等許多重要行業(yè)中均已經(jīng)采用了直流供電系統(tǒng)。直流供電技術(shù)目前發(fā)展十分迅速。與此同時(shí)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展以及工業(yè)、交通等部門逐步的現(xiàn)代化，對(duì)供電系統(tǒng)可靠性的要求也越來(lái)越嚴(yán)格，直流用電負(fù)荷容量也持續(xù)增加，由此對(duì)其相關(guān)的開關(guān)器件及電路的控制保護(hù)提出了越來(lái)越高的要求。其中，直流斷路器是直流供電系統(tǒng)安全運(yùn)行的保證，要求其具有快速且可靠切斷直流回路故障電流的保護(hù)功能。要求與之配合的檢測(cè)電路靈敏度高，準(zhǔn)確性好，信號(hào)采集時(shí)間短，成本低且不能對(duì)被檢測(cè)電流主回路造成影響。直流斷路器測(cè)量保護(hù)控制過(guò)程簡(jiǎn)述如下利用直流電流測(cè)量系統(tǒng)時(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)流經(jīng)主回路的直流電流，將采集到得信息送至單片機(jī)或工控機(jī)進(jìn)行分析判斷，若達(dá)到設(shè)定的動(dòng)作值，則由單片機(jī)發(fā)出信號(hào)指令給控制電路，控制電路繼而給脫扣系統(tǒng)發(fā)出脫扣指令，脫扣系統(tǒng)接到脫扣信號(hào)后立即跳扣，脫扣器成功實(shí)現(xiàn)快速脫扣，從而實(shí)現(xiàn)斷路器快速分閘，迅速切斷故障電流。目前，測(cè)量直流回路的電流通常采用的方法有兩種。第一種是利用分流器測(cè)量。分流器就是一個(gè)可以通過(guò)大電流的精確電阻。測(cè)量時(shí)將分流器直接串聯(lián)接入回路，當(dāng)大電流通過(guò)分流器時(shí)，在它的兩端就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)毫伏級(jí)的小電壓。用毫伏電壓表來(lái)測(cè)量這個(gè)電壓， 再利用歐姆定理再將這個(gè)電壓換算成電流，這就完成了直流回路大電流的測(cè)量。但是由于分流器是直接與電流回路串聯(lián)連接，隨著目前電壓等級(jí)的不斷提高，分流器測(cè)量的隔離問(wèn)題越發(fā)難以解決，不可忽視，成為制約分流器測(cè)量方法在更高壓等級(jí)電流測(cè)量中應(yīng)用的主要原因。第二種是利用霍爾電流傳感器。根據(jù)電磁學(xué)理論，在通電直導(dǎo)線周圍會(huì)產(chǎn)生感生磁場(chǎng)，且磁場(chǎng)強(qiáng)度B與所通電流的大小成正比。霍爾傳感器主要是通過(guò)檢測(cè)導(dǎo)體周圍空間產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)間接測(cè)量流過(guò)導(dǎo)體的電流的大小。因傳感器中鐵芯內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度與導(dǎo)體中所通電流的大小成線性關(guān)系，而又根據(jù)霍爾效應(yīng)，傳感器其輸出感應(yīng)電壓與磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小成線性關(guān)系，故而傳感器輸出電壓即在一定范圍內(nèi)可以精確地線性反映導(dǎo)線中電流的大小。這種電流互感器測(cè)量方法中，霍爾傳感器不與電路直接接觸連接，這種非接觸式測(cè)量其自身有良好的測(cè)量精度和一定的隔離作用。而且針對(duì)不斷升高的電壓等級(jí)，傳感器測(cè)量的電路絕緣問(wèn)題也容易解決。此外，利用霍爾電流傳感器可將待測(cè)直流電流進(jìn)行變換以滿足自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的要求。但是電力負(fù)荷的不斷加大，待測(cè)電流不斷增大，為了能同時(shí)滿足對(duì)直流額定電流和大電流方式的測(cè)量，若單一利用霍爾傳感器實(shí)現(xiàn)大量程，則其系統(tǒng)體積過(guò)大,結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜,實(shí)現(xiàn)成本過(guò)高,不利于整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的低成本和微型化的優(yōu)點(diǎn)，且精度難以保證，因而難以推廣應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于設(shè)計(jì)一種中壓大電流直流斷路器測(cè)量保護(hù)控制系統(tǒng)。該電流測(cè)量系統(tǒng)綜合使用霍爾電流傳感器和羅氏線圈，在額定工作電流情況下利用霍爾電流傳感器測(cè)量，在故障沖擊大電流情況下利用羅氏線圈進(jìn)行測(cè)量。所述羅氏線圈實(shí)際上是一個(gè)均勻密繞在一個(gè)環(huán)形非磁性骨架上的空心螺線管，其輸出的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)正比于被測(cè)電流的變化率。對(duì)羅氏線圈的輸電勢(shì)進(jìn)行積分即可還原出被測(cè)的直流回路電流。因?yàn)榱_氏線圈構(gòu)成的電流互感器不含鐵心，在測(cè)量快速上升的大電流時(shí)不存在磁飽和帶來(lái)的測(cè)量失效等問(wèn)題，故而被測(cè)電流的大小幾乎不受限制，從而被廣泛適用于暫態(tài)、脈沖和直流大電流的測(cè)量。所述系統(tǒng)利用霍爾傳感器和羅氏線圈兩種電流互感器各自的特點(diǎn)及適用范圍， 測(cè)量時(shí)的實(shí)際實(shí)施方法是將霍爾傳感器和羅氏線圈均套在被測(cè)中壓直流斷路器電流回路導(dǎo)體外，均屬非接觸式測(cè)量，與試驗(yàn)回路不存在直接的電氣連接，因而其抗干擾能力強(qiáng)，其絕緣性能易于實(shí)現(xiàn)。所述霍爾傳感器用來(lái)精確測(cè)量穩(wěn)態(tài)情況下直流斷路器回路額定工作電流。為保證在測(cè)量沖擊大電流時(shí)不致?lián)p壞，選用帶負(fù)反饋閉環(huán)的霍爾傳感器。所述羅氏線圈用來(lái)精確測(cè)量快速上升的故障大電流。因?yàn)榱_氏線圈后輸出的電勢(shì)是所測(cè)電流的微分信號(hào)，因而后需連接積分器，從而還原所測(cè)的電流值。所述霍爾傳感器和羅氏線圈輸出的電壓信號(hào)送入電平判斷電路，若小于設(shè)定電平值，則選取霍爾傳感器的測(cè)量結(jié)果，反之則選取羅氏線圈的測(cè)量結(jié)果。用來(lái)比較的電平根據(jù)回路的額定電流和短路電流進(jìn)行設(shè)定。上述電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)判斷電路后，依次進(jìn)行隔離、濾波和放大處理，最終送入CPU進(jìn)行分析處理。若測(cè)量到得電流大于斷路器的脫扣動(dòng)作整定電流，則CPU向脫扣裝置發(fā)出脫扣指令，脫扣器迅速脫扣。斷路器快速分閘。本發(fā)明所述的這種中壓大電流直流斷路器短路電流識(shí)別裝置既能夠測(cè)量中壓大電流直流斷路器的穩(wěn)態(tài)額定工作電流，也能夠測(cè)量快速上升的故障大電流，具有量程大、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高的特點(diǎn)。此外還具有實(shí)現(xiàn)成本低，具有易于微機(jī)化和網(wǎng)絡(luò)化、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，易于實(shí)現(xiàn)和推廣應(yīng)用。


圖I是霍爾傳感器測(cè)量電流原理圖；圖2是羅氏線圈測(cè)量電流原理圖；圖3是這種中壓大電流直流斷路器短路電流識(shí)別裝置測(cè)量流程圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。參見(jiàn)圖1，霍爾傳感器套接在待測(cè)電流導(dǎo)體(例如斷路器母排)外。根據(jù)電磁學(xué)理論，在通電直導(dǎo)線周圍會(huì)產(chǎn)生感生磁場(chǎng)，且磁場(chǎng)強(qiáng)度B與所通電流的大小成正比?；魻杺鞲衅髦饕峭ㄟ^(guò)檢測(cè)導(dǎo)體周圍空間產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)間接測(cè)量流過(guò)導(dǎo)體的電流的大小。因傳感器中鐵芯內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度與導(dǎo)體中所通電流的大小成線性關(guān)系，而又根據(jù)霍爾效應(yīng)，傳感器其輸出感應(yīng)電壓與磁場(chǎng)的大小成線性關(guān)系，故而傳感器輸出電壓即在一定范圍內(nèi)可以精確地線性反映導(dǎo)線中電流的大小。這種電流互感器測(cè)量方法中，霍爾傳感器不與電路直接接觸或連接，這種非接觸式測(cè)量測(cè)量精度高，有一定的隔離作用。且針對(duì)更高電壓等級(jí)， 其絕緣問(wèn)題也容易解決。參見(jiàn)圖2，羅氏線圈亦套接在待測(cè)電流導(dǎo)體(例如斷路器母排)夕卜。羅氏線圈實(shí)際上是一個(gè)均勻密繞在一個(gè)環(huán)形非磁性骨架上的空心螺線管，其輸出的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)正比于被測(cè)電流的變化率。羅氏線圈只能測(cè)量變化的電流。對(duì)羅氏線圈的輸電勢(shì)進(jìn)行積分即可還原出被測(cè)的直流回路電流。參見(jiàn)圖3，霍爾傳感器和羅氏線圈輸出到的電壓信號(hào)送入電平判斷電路，若小于設(shè)定電平值，則選取霍爾傳感器的測(cè)量結(jié)果，反之則選取羅氏線圈的測(cè)量結(jié)果。此電壓信號(hào)經(jīng)判斷電路后，依次送入放大、濾波和隔離，被送入CPU進(jìn)行分析處理。若該電壓大于斷路器的脫扣動(dòng)作整定電平，則CPU向脫扣系統(tǒng)發(fā)出脫扣指令，脫扣器迅速脫扣，斷路器快速分閘，切斷故障電流。以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施方式
僅限于此，對(duì)于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡(jiǎn)單的推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明由所提交的權(quán)利要求書確定專利保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種中壓大電流直流斷路器短路電流識(shí)別裝置，其特征在于包括信號(hào)采集電路、電平比較判斷電路、信號(hào)調(diào)理電路、高速數(shù)采卡、CPU和脫扣裝置；所述信號(hào)采集電路、電平比較判斷電路、信號(hào)調(diào)理電路、高速數(shù)采卡、CPU和脫扣裝置按照先后順序依次串聯(lián)。
2.如權(quán)利要求I所述中壓大電流直流斷路器短路電流識(shí)別裝置，其特征在于所述羅氏線圈和積分器串聯(lián)后與霍爾傳感器并聯(lián)組成信號(hào)采集電路。
3.如權(quán)利要求I所述中壓大電流直流斷路器短路電流識(shí)別裝置，其特征在于所述差分放大電路、濾波電路和隔離電路串聯(lián)后組成信號(hào)調(diào)理電路。
4.如權(quán)利要求2所述中壓大電流直流斷路器短路電流識(shí)別裝置，其特征在于所述霍爾電流傳感器測(cè)量額定工作電流情況下直流斷路器回路額定工作電流，羅氏線圈測(cè)量故障沖擊大電流情況下快速上升的故障大電流，輸出的電勢(shì)是所測(cè)電流的微分信號(hào)，羅氏線圈連接積分器，從而還原所測(cè)的電流值。
5.基于權(quán)利要求4所述中壓大電流直流斷路器短路電流識(shí)別裝置的識(shí)別方法，其特征在于，包括下述步驟所述霍爾傳感器和羅氏線圈均套在被測(cè)中壓直流斷路器電流回路導(dǎo)體外，屬非接觸式測(cè)量，使霍爾傳感器和羅氏線圈不與試驗(yàn)回路存在直接的電氣連接；所述霍爾傳感器和羅氏線圈時(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)直流斷路器回路電流，傳感器輸出的電壓信號(hào)送入電平判斷電路，若小于設(shè)定電平值，則選取霍爾傳感器的測(cè)量結(jié)果，反之則選取羅氏線圈的測(cè)量結(jié)果；所述輸出的電壓信號(hào)經(jīng)判斷電路后，依次經(jīng)過(guò)放大、濾波和隔離，被送入CPU進(jìn)行分析處理；若測(cè)量到得電壓大于斷路器的脫扣動(dòng)作整定電壓，則CPU向脫扣系統(tǒng)發(fā)出脫扣指令， 脫扣器迅速脫扣，斷路器快速分閘。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種中壓大電流直流斷路器短路電流識(shí)別裝置及其識(shí)別方法，包括信號(hào)采集電路、電平比較判斷電路、信號(hào)調(diào)理電路、高速數(shù)采卡、CPU和脫扣裝置；所述信號(hào)采集電路、電平比較判斷電路、信號(hào)調(diào)理電路、高速數(shù)采卡、CPU和脫扣裝置按照先后順序依次串聯(lián)。本發(fā)明的中壓大電流直流斷路器保護(hù)控制裝置既能夠測(cè)量中壓大電流直流斷路器穩(wěn)態(tài)工作額定電流，也能夠測(cè)量快速上升的故障大電流，具有量程大，測(cè)量精度高的特點(diǎn)。且本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有實(shí)現(xiàn)成本低，具有體積小、重量輕、易于微機(jī)化和網(wǎng)絡(luò)化等優(yōu)點(diǎn)，便于實(shí)現(xiàn)和廣泛推廣應(yīng)用。
文檔編號(hào)G01R15/20GK102590587SQ20121004122
公開日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2012年2月22日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月22日
發(fā)明者吳翊, 孫昊, 楊蕓, 楊飛, 紐春萍, 榮命哲 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)