專利名稱：具有改進(jìn)的重閉合功能的斷路器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及供電系統(tǒng)的領(lǐng)域。本發(fā)明更特別地涉及用于保護(hù)電力線的斷路器 以及操作斷路元件并在斷路器中執(zhí)行的方法。
背景技術(shù)：
當(dāng)今的在供電系統(tǒng)的電力線上提供的斷路器不僅配備有斷路元件，即將電力線從 電源斷開的元件，它們還配備有故障檢測能力。從而它們檢測電力線上的故障并隨后斷開 斷路元件。此外，斷路器經(jīng)常配備重閉合功能。這意味著在檢測到故障例如低阻抗而斷開斷 路元件之后，在過了預(yù)定的斷開時間間隔之后再次閉合斷路元件，其中該時間間隔的長度 取決于電源中使用的頻率。在50Hz的供電頻率的情況下，其通常大約半秒長。如果在那時 故障還存在，即是永久性故障，斷路元件再次斷開并且此后保持?jǐn)嚅_直到故障被移除。這樣 的故障移除通常由維修人員執(zhí)行，并且可能因此而花費(fèi)較多的時間。這樣的重閉合的原因 是很多故障是臨時性的，即具有瞬態(tài)的本質(zhì)，并且在一段時間之后將消失。這例如在閃電擊 中電力線的情況下會是如此。為了不讓電力失去太長的時間，有利的是重閉合斷路元件以 使得在故障不再存在時電源可以恢復(fù)。W02007/114566給出了斷路器的一個示例，其可用于這樣的常規(guī)斷路器操作。然而，如果故障是永久性故障，例如如果電力線掉到了地上，則重閉合將只會導(dǎo)致 再次立即斷路。在這樣的永久性故障的情況下斷開和閉合斷路器元件對于電力系統(tǒng)中的設(shè) 備是費(fèi)力的。它們通常沒有被定制用于延長的或者重復(fù)的暴露在這樣的永久性故障中存在 的電流和/或電壓水平下，特別是如果故障是接地故障。因而，它們可能由于這樣的故障而 損壞。這樣的永久性故障還可能對供電系統(tǒng)有非常嚴(yán)重的影響。故障可能作為可能觸發(fā)敏 感設(shè)備的電壓突然降低或者下跌而擴(kuò)散到電力系統(tǒng)的很大區(qū)域上。復(fù)原設(shè)備和電力網(wǎng)絡(luò)所 需的工作是嚴(yán)重?fù)?dān)心的問題。另外，斷路器可能損壞。因此所關(guān)心的是，在永久性故障的情況下不執(zhí)行斷路器中的重閉合而對臨時性故 障仍然使用重閉合功能。同時在斷路元件斷開時很難確定故障是永久性的還是臨時性的，因?yàn)榇_定故障類 型時通常使用電力線的電流和電壓。當(dāng)斷路器斷開了與電源的連接時，就不可能測量這些 電流和電壓。DE 3429150描述了將具有音頻的信號注入電力線用于確定在將該電力線投入使 用之前不存在安全接地的原理。此處，通過測量電力線返回的信號的功率，來檢查電力線的 接地。因此有利的是，提供斷路器的改進(jìn)的重閉合功能，其中有可能將臨時性故障與永 久性故障區(qū)分開來，以便不對電力系統(tǒng)中使用的設(shè)備施加不必要的應(yīng)變。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明針對提供斷路器中改進(jìn)的斷路功能。本發(fā)明基于如下的一般概念，即將在主頻率的測試信號注入電力線，該電力線已 經(jīng)由斷路元件從電源斷開，測量對于該測試信號的響應(yīng)并將其用于確定電力線的到地阻 抗。接著分析該阻抗并基于該分析確定臨時性或者永久性故障。如果故障被確定為臨時性 故障，則進(jìn)行斷路元件的重閉合，否則斷路元件保持?jǐn)嚅_。因此，本發(fā)明的目的之一是提供用于保護(hù)電力線的斷路器，其具有改進(jìn)的斷路功 能。根據(jù)本發(fā)明的第一方面，該目的通過一種用于保護(hù)電力線的斷路器而得以解決， 該斷路器包括用于將電力線從電源斷開的斷路元件，以及控制單元，布置為-檢測電力線上的故障，-基于所述檢測到的故障斷開斷路元件，該斷開使預(yù)定的斷開時間間隔開始，-向所述電力線中注入在主頻率的測試信號，-測量電力線中的響應(yīng)電壓和響應(yīng)電流，其中響應(yīng)電壓和響應(yīng)電流由測試信號引起，-從響應(yīng)電壓和響應(yīng)電流確定電力線的到地阻抗，-在所述斷開時間間隔期間分析電力線的到地阻抗，所述分析包括將該到地阻抗 與參考閾值比較，基于分析的到地阻抗，確定電力線的永久性故障或者臨時性故障，如果故障被確定為是臨時性故障，則在該斷開時間間隔期滿之后，重閉合斷路元 件，以及如果故障被確定為是永久性故障，則在該斷開時間間隔期滿之后，保持?jǐn)嗦吩?斷開。根據(jù)本發(fā)明的另一方面提供了一種通過斷路器來操作提供在電力線中的斷路元 件的方法，該方法具有改進(jìn)的斷路功能。根據(jù)本發(fā)明的第二方面，該目的通過一種操作斷路元件并在斷路器中執(zhí)行的方法 而得以解決，該方法包括如下步驟-檢測電力線上的故障，-斷開斷路元件，該斷開使預(yù)定的斷開時間間隔開始，-向所述電力線中注入在主頻率的測試信號，-測量所述電力線中的響應(yīng)電壓和響應(yīng)電流，其中響應(yīng)電壓和響應(yīng)電流由測試信 號引起，-從響應(yīng)電壓和響應(yīng)電流確定電力線的到地阻抗，-在所述斷開時間間隔期間分析電力線的到地阻抗，所述分析包括將該到地阻抗 與參考閾值比較，-基于分析的到地阻抗確定電力線的永久性故障或者臨時性故障，-如果故障被確定為是臨時性故障，則在該斷開時間間隔期滿之后，重閉合斷路元 件，以及
5
-如果故障被確定為是永久性故障，則在該斷開時間間隔期滿之后，保持?jǐn)嗦吩?斷開。本發(fā)明具有若干優(yōu)點(diǎn)。其提供了一種改進(jìn)的斷路器，其中有可能將永久性故障與 臨時性故障區(qū)分開來。因此，有可能僅在故障為臨時性時而不在故障為永久性時重閉合斷 路元件。這降低了永久性故障引起的供電系統(tǒng)上的應(yīng)變。同時，在臨時性故障的情況下對 電力線的使用繼續(xù)。此外，到地阻抗是自動確定的。注入的測試信號可以是電壓或者電流信號。術(shù)語主頻率表明測試信號是時變信 號，其頻譜顯示出一個明顯主導(dǎo)頻率。最簡單的實(shí)施方式是正弦測試信號。但是只要可以 檢測到一個主頻率，則不同頻率的組合也是可用的。有利的是，選擇位于與電源所使用的頻率的標(biāo)稱值偏離的值處的主頻率，即位于 可以與電力線中存在的任何其他諧波清楚地分開的值處的主頻率。根據(jù)本發(fā)明的一個變體，還確定到故障的距離。通過確定到故障的距離，還容易知 道要在何處進(jìn)行維修動作。這允許更快地應(yīng)用去除故障的對抗措施。


在下面將參考附圖來描述本發(fā)明，附圖中圖1示意性示出經(jīng)由電力線連接到電源的負(fù)載，其中提供有根據(jù)本發(fā)明的斷路 器，圖2示意性示出根據(jù)本發(fā)明的斷路器，以及圖3示出根據(jù)本發(fā)明的在操作斷路器的斷路元件的方法中采取的多個方法步驟 的流程圖。
具體實(shí)施例方式在下面，將給出對根據(jù)本發(fā)明的裝置和方法的優(yōu)選實(shí)施方式的詳細(xì)描述。圖1示意性示出其中可以提供根據(jù)本發(fā)明的斷路器18的供電系統(tǒng)10。在圖1中， 示出負(fù)載16，其經(jīng)由電力線14連接到電源12。在電力線14中，提供根據(jù)本發(fā)明的斷路器 18。為了簡單起見，在圖1中僅示出一根電力線14。然而應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，可以有更多的電力 線，例如在三相系統(tǒng)中提供在電源12和負(fù)載16之間的三或四根。于是每一相將配備其自 己的斷路器。還應(yīng)當(dāng)理解，除了圖1中所示的那個之外，還可以在電力線中提供更多的斷路
ο圖2示意性示出根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施方式的斷路器18。斷路器18包括斷路元件20， 例如繼電器或者開關(guān)，其提供于電力線14中。此外，在斷路元件20的兩側(cè)上提供有一對測 量互感器。在朝向電源方向的電力線14中連接有電流互感器22，而在朝向負(fù)載的方向上有 連接到電力線14的電壓互感器M。此外，還有控制單元沈，其接收來自這兩個互感器的信 號，并基于這些信號檢測電流和電壓。為此控制單元通常配備有各種信號檢測單元，用于檢 測互感器以及A/D轉(zhuǎn)換器的電壓和電流，以便提供這些測量的電壓和電流的數(shù)字形式。然 而，這在領(lǐng)域中是公知的，因而為了簡化本發(fā)明描述的目的，而將其略去?，F(xiàn)在，將聯(lián)系圖1、圖2和圖3描述本發(fā)明的工作，其中圖3示出在根據(jù)本發(fā)明的用 于操作斷路器的方法中采取的多個方法步驟的流程圖。
在正常工作中，斷路器元件20通常是閉合的。當(dāng)斷路器元件20閉合時，電源12 經(jīng)由電力線14向負(fù)載16提供功率。在供電期間，斷路器18的控制單元沈監(jiān)測電力線14 的故障，該監(jiān)測可以經(jīng)由電流互感器22、電壓互感器M或者兩者進(jìn)行。如果控制單元沈檢 測到故障(步驟觀)，其中該故障可以通過具有過高值的電流、具有誤差的電壓、或者基于 具有過低值的電流和電壓而確定的阻抗來檢測，則控制單元26斷開斷路元件20 (步驟30)。 斷路元件20然而至少對于預(yù)定斷開時間間隔的持續(xù)時間保持?jǐn)嚅_。該時間間隔在此處是 通常被提供用于重閉合斷路器的時間間隔。此處斷路元件20的斷開使該斷開時間間隔開 始。在此斷開時間間隔期間，也不可能檢測源自電力線14中的電源12的任何電流或電壓。在此時間間隔期間，控制單元沈生成主頻率處于f的測試信號t。在本發(fā)明的該 實(shí)施方式中，而且只有一個測試信號，即以這樣的方式生成單個測試信號。該信號是時變信 號，如周期性信號，其頻譜表現(xiàn)出一個明顯主導(dǎo)頻率。該測試信號在最簡單的情況下可以是 正弦信號，即其中主頻率f是信號中包含的僅有頻率的信號。然而，其還可以具有任何其他 適當(dāng)?shù)男螤睿ň哂兄黝l率f的多個頻率，例如矩形脈沖信號或者鋸齒形信號。主頻率f 可以被選擇為與電力線中存在的任何其他諧波異步，以使得該主頻率f在電力線14中可測 量的信號的頻譜中是可分辨的并且可以從中提取。因此，此處的主頻率不同于供電系統(tǒng)的 頻率。此外，其優(yōu)選在20Hz到IkHz的區(qū)間中提供，最優(yōu)選在47Hz到500Hz之間。測試信號t(f)由控制單元沈在朝向負(fù)載16的方向上注入電力線14中。其更具 體地應(yīng)用到電壓互感器對的低電壓側(cè)。在本發(fā)明的此實(shí)施方式中，只有一條被測試的線 路。因此，注入單個測試信號。經(jīng)由電壓互感器M接收的對測試信號t(f)的響應(yīng)接著由 控制單元沈測量(步驟34)。此處，控制單元測量該響應(yīng)的電壓(U(f)和電流1(f))兩者。從測量的電壓和電流U (f)和I (f)，確定或者計算電力線14的到地阻抗Z (步驟 36)。此處應(yīng)當(dāng)了解，到地阻抗Z在斷開時間間隔期間持續(xù)地基于測試信號的響應(yīng)而確定。 另外在該斷開時間間隔期間對這樣確定的阻抗Z進(jìn)行分析(步驟38)。此處的分析包括將 阻抗Z與對應(yīng)的預(yù)定參考閾值比較，該預(yù)定參考閾值在此處為預(yù)定參考值&。基于該持續(xù) 比較，控制單元沈確定是存在永久性故障還是存在臨時性故障(步驟40)。在對于斷開時間間隔的持續(xù)時間內(nèi)確定的到地阻抗Z保持在預(yù)定值&之下的情 況下，則確定為永久性故障，而如果阻抗在該時間間隔過去之前升到預(yù)定值之上，則確定臨 時性故障。此處時間間隔可以是大約半秒長。阻抗與參考值的比較可以理解為是測量的阻 抗的實(shí)部與預(yù)定電阻值的比較，或者理解為復(fù)平面中的阻抗與預(yù)定范圍的比較，其中該范 圍可以例如由復(fù)平面中的圓圈描述并且其中測量的阻抗必定位于該圓圈之內(nèi)或之外。這還 可以通過將確定的阻抗的絕對值與參考值比較來進(jìn)行。如果以這種方式確定了臨時性故障(步驟40)，那么控制單元沈在斷開時間間隔 結(jié)束時閉合斷路元件20(步驟4 。在此情況下，其因而執(zhí)行斷路元件20的常規(guī)重閉合。 然而，如果其確定該故障為永久性故障(步驟40)，則控制單元沈在斷開時間間隔結(jié)束之后 保持?jǐn)嗦吩?0斷開(步驟44)。因而電力線14的斷開延長到斷開時間間隔結(jié)束之后。 這意味著阻擋了斷路元件20的重閉合。之后保持該阻擋直到已經(jīng)移除了故障，該故障去除 通常由供電系統(tǒng)的維修人員執(zhí)行。此處很自然有可能永久性故障存在的事實(shí)用信號告知網(wǎng) 絡(luò)中的監(jiān)測設(shè)備，例如IED(智能電子設(shè)備)。此后，控制單元沈確定到故障的距離，步驟 46。到故障的距離可以通過將確定的阻抗的虛部(可能用電壓互感器的阻抗補(bǔ)償)與電力
7線的電抗比較而確定。電力線的電抗是預(yù)先已知的屬性。因而，該經(jīng)過補(bǔ)償?shù)淖杩沟奶摬?接著與電力線的電抗比較。確定的電力線的阻抗從而可以以下方式來描述Z = RD+jXD,其中D表示相應(yīng)的屬性是確定的電力線屬性，而X根據(jù)Xd = j2 π fLD而依賴于頻 率。此處Ld為電感值。同時電力線具有已知的每單位距離的阻抗，其可以表示為zL = rL+jxL其中L表示電力線，小寫字母的使用是用于表示其是每單位距離的測量值。此處， 當(dāng)然還有每單位距離的電抗^中的頻率依賴性。于是將每單位距離的電抗^例如每公里的電抗與電抗Xd 一起使用，以根據(jù)下式找 出到故障的距離d。d = XD/xL從該比較可以容易確定到故障的距離d。因此本發(fā)明提供一種改進(jìn)的斷路器，其中可以將永久性故障與臨時性故障區(qū)分 開。因此，可以僅當(dāng)故障是臨時性的時候重閉合斷路元件，而不在故障是永久性的時候重 閉合。因此降低了對供電系統(tǒng)的應(yīng)變。同時在臨時性故障的情況下繼續(xù)使用電力線。超過 60%的電力線故障通常是這樣臨時性的。因此重閉合提供了輸電線的快速電力恢復(fù)。通過 確定到故障的距離，此外還容易知道需要在何處執(zhí)行維修動作。斷路器的控制單元可以結(jié)合程序代碼通過處理器來提供，其用于與適當(dāng)?shù)碾妷汉?電流測量單元和A/D轉(zhuǎn)換器，以及例如使用振蕩器的生成測試信號的信號發(fā)生器一起實(shí)施 所述功能。在現(xiàn)代的斷路器中已經(jīng)存在很多這樣的處理器，這就是正是本發(fā)明的斷路器可 以以很小的額外代價而獲得的原因?？梢詫Ρ景l(fā)明進(jìn)行多種修改。有可能在不用確定到故障的距離的情況下使用本發(fā) 明。測試信號的注入不限于在斷開時間間隔期間執(zhí)行。還有可能在供應(yīng)電力的時候使用它。 從而測試信號被調(diào)制到被供應(yīng)的功率中。該測試信號還可以用于檢測故障的存在。還可能 將另一測試信號注入電力線中，從而該另一測試信號將具有與前述測試信號的頻率和供電 頻率都不同的另一頻率。該另一測試信號還應(yīng)當(dāng)與前述測試信號在相同的頻率范圍內(nèi)。該 另一測試信號提供分析故障過程中的冗余度?？梢允÷噪娏骰ジ衅?。例如還有可能僅使用 在電壓互感器處執(zhí)行的測量來還檢測故障。斷路器最終還可用于檢測被遺忘的安全接地。
權(quán)利要求
1.一種用于保護(hù)電力線(14)的斷路器(18)，該斷路器包括 用于將所述電力線(14)從電源(12)斷開的斷路元件00)，以及 控制單元(沈)，布置為-檢測所述電力線(14)上的故障，-基于所述檢測到的故障斷開所述斷路元件(20)，該斷開使預(yù)定的斷開時間間隔開始，-向所述電力線中注入在主頻率(f)的測試信號(t(f)，-測量所述電力線(14)中的響應(yīng)電壓(U(f)和響應(yīng)電流(1(f)，其中所述響應(yīng)電壓 (U(f)和所述響應(yīng)電流(Kf)由所述測試信號(t(f)引起，-從所述響應(yīng)電壓(u(f)和所述響應(yīng)電流(I (f)確定所述電力線(14)的到地阻抗(Z)， -在所述斷開時間間隔期間分析所述電力線的到地阻抗(Z)，所述分析包括將該到地 阻抗(Z)與參考閾值(Z0)比較，-基于分析的所述到地阻抗確定所述電力線的永久性故障或者臨時性故障， -如果所述故障被確定為是臨時性故障，則在該斷開時間間隔期滿之后，重閉合所述斷 路元件00)，以及-如果所述故障被確定為是永久性故障，則在該斷開時間間隔期滿之后，保持所述斷路 元件OO)斷開。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的斷路器(18)，其中在被安排用于分析所述到地阻抗(Z)時，所 述控制單元06)被布置為針對所述電力線在所述斷開時間間隔期間分析隨時間的到地阻 抗，并且當(dāng)被安排用于確定臨時性或者永久性故障時，被布置為基于在所述斷開時間間隔 期間的所述到地阻抗的變化而確定臨時性或者永久性故障。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的斷路器(18)，其中所述控制單元被布置為如果對于在所述斷開時 間間隔期間執(zhí)行的所有阻抗確定，所述確定的到地阻抗保持在參考閾值(Ztl)之下，則確定 永久性故障。
4.根據(jù)任一前述權(quán)利要求的斷路器(18)，其中所述控制單元06)被進(jìn)一步布置為基 于所述確定的到地阻抗(Z)確定到所述電力線(14)中的故障的距離。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的斷路器(18)，其中所述到地阻抗(Z)具有實(shí)部和虛部，并且所述 控制單元06)布置為通過比較所述阻抗的虛部與所述電力線的電抗，來確定到所述故障 的距離。
6.根據(jù)任一前述權(quán)利要求的斷路器(18)，其中所述電源(12)以一頻率向所述電力線 供應(yīng)AC電力，而所述測試信號(t)具有頻率(f)，其不同于該供電頻率。
7.根據(jù)任一前述權(quán)利要求的斷路器(18)，其中所述測試信號(t)的所述頻率(f)為處 于20Hz到IkHz范圍內(nèi)的頻率。
8.根據(jù)任一前述權(quán)利要求的斷路器( )，其中所述測試信號(t)的頻率(f)為處于 49Hz到500Hz范圍內(nèi)的頻率。
9.一種操作斷路元件OO)且在斷路器(18)中執(zhí)行的方法，包括如下步驟 -檢測(28)所述電力線(14)上的故障，-斷開(30)所述斷路元件(20)，該斷開使預(yù)定的斷開時間間隔開始， -向所述電力線(14)中注入(32)在主頻率(f)的測試信號(t)，-測量(34)所述電力線(14)中的響應(yīng)電壓(U(f)和響應(yīng)電流(1(f)，其中所述響應(yīng)電 壓(U(f)和所述響應(yīng)電流(Kf)由所述測試信號(、)引起，-從所述響應(yīng)電壓(U(f)和所述響應(yīng)電流(1(f)確定(36)所述電力線(14)的到地阻 抗(Z)，-在所述斷開時間間隔期間分析(38)所述電力線(14)的到地阻抗(Z)，所述分析包括 將所述到地阻抗⑵與參考閾值(Ztl)比較，-基于分析的所述到地阻抗確定GO)所述電力線的永久性故障或者臨時性故障，-如果所述故障被確定為是臨時性故障，則在該斷開時間間隔期滿之后，重閉合所述斷 路元件O0)，以及-如果所述故障被確定為是永久性故障，則在該斷開時間間隔期滿之后，保持G4)所 述斷路元件OO)斷開。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中所述分析到地阻抗的步驟包括針對電力線在所述斷 開時間間隔期間隨時間的到地阻抗(Z)，并且確定臨時性或者永久性故障的步驟包括基于 在所述斷開時間間隔期間所述到地阻抗的變化，來確定臨時性或者永久性故障。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中所述確定臨時性或者永久性故障的步驟包括如果對 于在所述斷開時間間隔期間執(zhí)行的所有阻抗確定，確定的所述到地阻抗 (Z)保持在參考閾 值(Ztl)之下，則確定永久性故障。
12.根據(jù)權(quán)利要求9-11中任一個的方法，進(jìn)一步包括基于所述確定的到地阻抗(Z)確 定G6)到所述電力線中的故障的距離的步驟。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中所述到地阻抗(Z)具有實(shí)部和虛部，并且所述確定到 所述電力線中的故障的距離的步驟包括比較所述阻抗的虛部與所述電力線的電抗。
14.根據(jù)權(quán)利要求9-13中任一個的方法，其中所述電源(12)以一頻率向所述電力線供 應(yīng)AC電力，而所述測試信號(t)具有頻率(f)，其不同于該供電頻率。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其中所述測試信號(t)的頻率(f)為處于20Hz到IkHz 范圍內(nèi)的頻率。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于保護(hù)電力線(14)的斷路器(18)。斷路器(18)包括控制單元(26)和將電力線(14)從電源斷開的斷路元件(20)。該控制單元(26)檢測電力線(14)上的故障，斷開斷路元件(20)，該斷開使斷開時間間隔開始，注入測試信號(t(f)到電力線中，測量響應(yīng)(U(f)、(I(f)，從響應(yīng)(U(f)、(I(f)確定電力線(14)的阻抗，在該時間間隔內(nèi)基于將該阻抗與參考閾值比較來分析阻抗，基于分析的阻抗確定永久性故障或者臨時性故障，如果故障是臨時性的，則在該時間間隔之后重閉合斷路元件(20)，而如果故障是永久性的，則在該時間間隔之后保持?jǐn)嗦吩?20)斷開。
文檔編號H02H3/06GK102077433SQ200980124348
公開日2011年5月25日 申請日期2009年6月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月25日
發(fā)明者G·奧爾奎恩, T·本特森, 王建平 申請人:Abb研究有限公司