公开/公告号CN101345408A
专利类型发明专利
公开/公告日2009-01-14
原文格式PDF
申请/专利权人 西门子公司;
申请/专利号CN200810130590.4
申请日2008-07-14
分类号H02H3/347;G01R31/08;
代理机构北京康信知识产权代理有限责任公司;
代理人章社杲
地址 德国慕尼黑
入库时间 2023-12-17 21:15:08
法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
2017-09-01
未缴年费专利权终止 IPC(主分类):H02H3/347 授权公告日:20130313 终止日期:20160714 申请日:20080714
专利权的终止
2013-03-13
授权
授权
2010-07-14
实质审查的生效 IPC(主分类):H02H3/347 申请日:20080714
实质审查的生效
2009-01-14
公开
公开
技术领域
本发明涉及一种将故障电流归属于三相系统的三条相线中的一条相线的方法。
背景技术
已知通过总和电流互感器来检测故障电流，其中(所有)供电线路和输电线路在一级侧这样连接，即流向负载系统的电流产生磁场，供电线路向该负载系统输送电流，该磁场将准确地通过在输电线路上流动的电流产生的磁场来补偿。如果存在故障电流，则在输电线路上流通的电流要小于流向负载系统的电流，从而两个磁场不再互相完全地进行补偿。剩余的磁场在总和电流互感器的二次侧上产生不为零的电压。在二次侧上的电压是一种用于故障电流的衡量标准。在常用的故障电流保护开关中，这种电压被输送到微控制器，在该微控制器中模数转换器将这种电压转换成数字信号，在那里该数字信号通过评估逻辑电路来处理。通常，微控制器设置成当电压超出预定的阈值时将输出一个触发信号，并且通过该触发信号激活断流器，该断流器在出现故障电流时切断电流。这种故障电流保护开关不仅用于常用的双线路系统，也可以用于具有三条相线和地线的三相系统。
为此，在DE 19826410A1中描述了一种方法和一种装置，用于监测绝缘电流和故障电流，其中一旦一个或多个电流分量超出预定的反应值，该装置则起到切断负载的作用，所述电流分量由总和电流互感器的二次侧的差动电流中提取。同时，在一个实施例中借助于比较器和计时器测定在差动电流的交流成分和网路交变电压之间的相位，从而仅从中计算出差动电流的有效电流部分。DE 19826410A1中的设计方案主要涉及到一种仅具有一个相导体的交流电网络。在用于一个三相电网的进一步的设计方案中，测定用于所有三个电网相位的全部有效电流部分或者生成三个电网相位的根据数值的较大的有效电流部分作为用于触发的标准。
在三相系统的情况下，这也可是感兴趣的，其中在三条相线的该情况中出现造成故障电流的故障。为此，在JP 06070448中提出了一种方法，该方法可以实现这样的用于三相系统的导线和地面之间的短路的对应关系。这种方法使用到一种系统，该系统将分析在电网相位的正弦形状的电压曲线和在回线的电压曲线中的显著的不规则性，如它们是在短路的情况下取得的。在这种系统中并没有使用总和电流互感器。此外，通过这种系统不能检测出故障，该故障由远低于短路电流强度的故障电流造成。
发明内容
本发明的目的在于提出一种方法，通过该方法，通过总和电流互感器测定的故障电流可以唯一地对应于三条相线中的一条相线(当该故障电流以其中一条相线中的故障为基础时)。
该目的通过具有根据权利要求1的特征的方法来实现。
由此，根据本发明的方法包括以下步骤：
a)通过总和电流互感器测定故障电流，在总和电流互感器中，供电线路和输电线路在一次侧上这样连接，即在出现故障电流时，在二次侧上产生一个不为零的电压，
b)测定一方面在三条相线(必要时分别的)中预定的电压值的通过与另一方面在总和电流互感器的二次侧上预定的电压值的通过之间的时间间隔，
c)将相位角对应于所测定的时间间隔，
d)当满足以下条件时，将所述故障电流对应于一相线：
或者：
标准1，即已被对应的相位角以预定的精度与该相线中的电压的相位角相一致，其中预定的精度在±2°和±20°之间(优选±10°)，
或者：
标准2，即已被对应的相位角以预定的精度与该相线中的减少90°的电压的相位角相一致，其中预定的精度在±0.5°和±5°之间(优选±2°)。
在相线中电压过零点以及同样在总和电流互感器的二次侧上的电压时的电压过零点优选用于测定时间间隔。
时间间隔可以分别成对地测定。因为相位呈120°隔开，所以满足故障电流相对于相位的定向：如果时间间隔在一个相位和故障电流之间被测定一次，则自动地获得其他的时间间隔。
为了挑出导致故障电流的故障，操作人员应识别出该方法的结果。相应地，优选在显示装置上显示在步骤d)中哪条相线被对应。也可以显示出，该相线是否基于标准1或者基于标准2被对应的。
因为在实际的相线中发生故障时通常出现电阻变化，伴随着当一般来说仅细微的电感部分时，因此而得出标准1。因为故障电流也可以生成作为泄漏电流，也就是说可以源自于电容耦合，则为标准2。当在其中一条相线中出现电阻性故障时，电容耦合本身上是无害的，而故障电流保护开关可以被激活。相应地，在满足标准1时电流被中断，在满足标准2时则不会被中断。
当故障电流不是太高时，则可以舍弃根据本发明的方法的结果，否则可能出现诊断的故障。因此而可以要求根据本发明的方法，即测定故障电流是否小于处于50和300mA之间的界限值(优选为100mA)，并且仅当小于该界限值时，步骤d)的结果可以作为可靠的结果来处理。作为可靠的结果进行的处理可以表示其中的含义，即仅在那时为操作人员实现上述的显示。
故障电流通常由绝缘的恶化所产生。因为这要逐渐地进行，所以故障电流会缓慢地增大。因此，这种所谓的泄漏电流可通过分析故障电流、尤其是分析其时间上的推导值(zeitlichen Ableitung)来识别。根据本发明获取的哪些相线发生故障的信息仅在这种情况下是有意义的，即故障电流是泄漏电流，从而这样相关的标准也可以使用，也就是在此分析故障电流是否是泄漏电流或不是。
附图说明
接下来，将参照附图来说明本发明的优选实施例，其中：
图1示出了来自于一条相线中电流曲线的矩形脉冲信号的导数，
图2示出了电路图，在优选的实施例中该电路产生根据图1的矩形脉冲信号的导数，并且
图3示出了在相位图表中相位角的不同区域，这些区域这样地选择，即当故障电流的相位落入到其中一个区域中时，出现故障电流的相线会被唯一地对应。
具体实施方式
在一种测量设备(优选同时具有故障电流保护开关的功能)中，在出现故障电流时应当能测定出，故障电流对应于三相系统的三条相线中的哪一条，操作人员由此知道可以在多条相线的哪条相线上找出产生故障电流的故障。
随后描述的方法基于这样的认识，即在负载系统的典型的出现故障电流的故障中，故障电流周期性地与通过相线输送的电压进行谐振。在确定的相线中出现电阻性故障时，故障电流的相位角的相位与在该相线中的故障电流的相位角相等或几乎相等，并且在导致泄漏电流的电容性故障时，相位差大约为90°。现在必须以某一方式使故障电流的相位角能够对应于三条相线中的电压的相位角。最简单的是根据电压的过零点进行。图1示出了通常的电压信号10。从该电压信号中可以产生一系列的矩形脉冲信号12，并且矩形脉冲信号应该在下降的电压的过零点16时分别开始并且在上升的电压的过零点14时分别结束。
这种矩形脉冲信号12可以通过在图2中示出的电路获得。总体上以18标识的电路在输入端与三条相线Li，i＝1、2、3的其中之一以及地线N连接。整流二极管D1仅仅可以通过信号10的正半波。电阻R1用于限制电流，并且输入端Li和N通过光电耦合器O相互连接，从而使电流流过。光电耦合器已知地由光电二极管D2和光电晶体管T组成，其中光电晶体管T通过10.5kΩ的电阻R2与3.3V的参考电位连接。在另一侧，该光电耦合器与接地(“GND”)连接。通过光电二极管D2以矩形脉冲流动的电流在每个矩形脉冲时起作用，即光电晶体管T变得可导电并且在光电耦合器O的输出端流过电流，该电流也以矩形的形式脉动。随后，在P1点中电压从在不存在脉冲时的3.3V变为大约0V的较低值。从P1点分出具有由100kΩ的电阻R3和R4构成的分压器的电路，其中分压器的中间分支点P2通过具有1nF电容的电容器C1与运算放大器OV的输出端P3连接。分压器在其端点P4上与运算放大器的正极输入端连接并且同时通过具有1nF电容的电容器C2与接地连接。P3直接与运算放大器的负极输入端连接。此外，P3通过具有101nF电容的电容器C3与接地连接。由具有电容器C1和C2的分压器以及运算放大器构成的装置起到主动滤波器的功能，即作为具有2kHz临界频率的低通滤波器。
运算放大器P3的输出端通向测量设备的微控制器。对应于故障电流的电压被输送到同一微控制器，并且以本身已经公开的方式使用总和电流互感器，如常规的故障电流保护开关。
如果不是三重地安装到测量设备中，则电路18至少双重地分别连接到一条另外的相线Li上。微控制器(当其接收两个电路18的信号时)从矩形脉冲信号中虚拟地计算出第三个电路的信号，原因是相位确实是以预定的关系位于相线Li上。电路18实时地起作用。总和电流互感器也实时地工作。因此，微控制器可以根据供应到微控制器的电压来识别总和电流互感器的过零点，该过零点以直接的关系式设定为由电路的输出端的矩形脉冲表征的过零点。由时间间隔可以确定出相位角。
图3示出了相位图表。其中表示出，在相线L1上的相位，即0°，在相线L2上的相位，即120°以及在相线L3上的相位，即240°。人们可以设想，即故障电流的相位角占据0°和360°之间的任意值。但这是不正确的。相反，以下是适用的：如果故障电流起因于相线L1中的电阻性故障，则故障电流的相位角大约为0°，无论如何故障电流的相位角都位于0°±10°的范围20内。当同样起因于相线L2中的故障时，故障电流的相位角准确地位于相位角120°左右的范围22内，即在120°±10°的范围内。如果故障电流起因于相线L3中的故障时，相位角位于240°±10°的范围24内。
如果故障电流作为泄漏电流起因于寄生电容，则相位角以90°位于这样的相线的相位角之后，寄生电容形成在或者到这样的相线上。区域26、28、30可以限定，故障电流的相位角位于这些区域中。这些区域具有4°的宽度，其中区域26从270°±2°延伸，区域28从30°±2°延伸以及区域30从150°±2°延伸。
由此，通过相对于在相线L1、L2、L3中电压的各个相位来测量故障电流的相位角可以找到关于故障电流的起因的明确证据，当这些起因是电阻性的或电容性的时。在感应性故障时，该方法不能明确地起作用。目前，测量设备具有显示装置，在该显示装置上显示出相位角位于这些区域20、22、24、26、28或30的哪个区域中或在相线L1、L2、L3的哪条相线上对故障进行搜索以及故障的类型(是电阻性的或电容性的)。如果故障电流的相位角位于上述区域之外，则在显示装置上显示出故障起因不能确定。
在电阻性故障的情况下，当相位角落入到区域20、22、24的其中一个区域中时，故障电流应该被中断，可以执行根据本发明的方法的合适的故障电流保护开关可通过其可控制电流中断的微处理器来中断故障电流，其中，该故障电流保护开关也包括电路18。当故障是电容性时，也就是相位角落入到区域26、28、30中一个区域中时，不需要中断故障电流。
参考标识
10 电压信号
12 矩形脉冲信号
14、16 过零点
18 电路
20、22、24、26、28、30 相位图表中的区域
C1、C2、C3 电容器
D1、D2 整流二极管
Li 相线
L1、L2、L3 相线
N 地线
O 光电耦合器
P1、P2、P3、P4 电路18中的点
T 光电晶体管
机译： 故障电路指示器，在三相电力电缆上安装故障三相电路指示器的方法以及用于在多芯电力电缆上检测故障电流的系统
机译： 能够减小电容器热负荷的三相交流电流和三相交流电压的滤波器，三相交流电流和三相交流电压的滤波方法，以及包括该滤波器的压缩机系统
机译： 三相电力线系统，回路故障检测器和用于检测与三相电力线系统耦合的三相旁路电抗器中回路故障的方法
