CN1124418A - 具有可单独调节的中线保护的过流保护单元 - Google Patents

Abstract

一种电流开断装置，可提供独立于操作员选择的相保护装置(137)的用于中线(5N)的保护参数的操作员选择装置(139)。

Description

具有可单独调节的中线保护的过流保护单元

本发明涉及用于断路器的过流保护单元，更特别地涉及提供可独立于线路保护功能进行调节的中线保护这样的跳闸单元。

在供给正常平衡负荷的三相电力系统中，中线内没有或仅有很少的电流。然而，在单相负荷从三相电源系统中吸收电流的设施中，中线内就可产生明显的电流，可以造成过热。某些计算机中使用的廉价电源可造成这种中线过热。这种负荷可在中线内产生幅值为线路电流的√3倍的三次谐波。在新设施内，中线尺寸可按适应这样的中线电流来考虑。但在许多接线不能容易地接近的旧设施内，其中线的典型尺寸可能为相线尺寸的一半。

在美国，有关标准不允许中线开路运行。然而所有相线中电流的中断也终止了中线电流。尽管中线中没有可分离的触点，某些断路器却监视中线电流并根据检测选定的中线过电流条件跳闸。典型的是按一期望的中线电流相对于相电流的系数将测得的中线电流与相电流一起比较(be auctioneered along with)，该系数是通过选定与测量相电流的电流互感器标么值相关的测量中线电流的电流互感器的的标么值来确定的。该固定系数在工厂内设定且不易改动。

人们需要一种具有可由运行人员独立于相保护进行调整的中线保护的断路器跳闸单元。这将允许单一型号的断路器容易地适应诸如在中线尺寸为相线尺寸一半的设施内使用，或在中线尺寸为相线尺寸两倍的设施内使用的场合。理想地，这种可独立进行调整的中线保护应包括长延时跳闸、短延时跳闸和瞬时跳闸。

本发明可满足这种需要及其他需要，其目的为一种具有运行人员可独立于相保护进行调整的中线保护的断路器跳闸单元。在本发明一最佳实施例中，该独立的中线保护是一可选的相保护的百分数，该百分数可大于或小于100％。更具体地讲，中线保护的长延时、短延时及瞬时保护的动作电流(pick—up current)被选为相保护的长延时、短延时及瞬时保护的动作电流的百分数。在相保护功能动作电流为第一个可调系数乘以该断路器的额定电流的断路器中，中线保护功能动作电流为第二个可调系数乘以该断路器的额定电流。相保护的长延时和短延时时间被用作中线保护。在本发明的一示范实施例中，将中线电流按第一系数与第二系数的比率折算再与相电流比较，保护算法仅针对比较后的电流中的最大者。

作为本发明的另一方面，当电流超过一低于长延时中线保护动作电流的高负荷阈值时，中线过负荷报警就会动作。

根据下面对最佳实施例的描述，并配合阅读附图，可以完全理解本发明，在附图中：

图1为电路原理图，部分为引入本发明的电路开断装置方块图。

图2为根据本发明的图1中断路器的时间—电流特性图解。

图3A—3F按图3所示组合在一起形成作为图1的断路器一部分的跳闸单元的电路原理图。

图4为构成图3A—3F的跳闸单元一部分的操作面板介绍。

图5为图3A—3F的跳闸单元为实施本发明所采用的合适的计算机程序的流程图。

图6为图5所示计算机程序中一子程序的流程图。

图1表示一根据本发明的断路器1，其连接提供对一三相四线电力系统3的保护。该电力系统具有三相导线5A、5B、5C和中线5N。断路器1有三只测量流过各相的电流的主电流互感器7A、7B、7C。这些主CT本身位于断路器1的外壳9内。第四只主电流互感器7N位于断路器1外，它监视流过中线5N的电流。主CT7是这样选择的：比如，该电气系统的满量程额定电流在其二次侧产生一5安培信号。所有各相主CT(7A—C)的型号相同；但中线主CT 7N型号可以不同，这取决于中线5N相对于相导线5A—C的尺寸。辅助电流互感器11A，B，C，N将满量程额定电流降为，例如0.1安培。各相主CT二次侧在13处相连。

电流互感器11A，B，C，N各二次绕组的二线输出加至数字跳闸单元15作为输入。在图3A—3F描述的数字跳闸单元15根据测得的相电流和中线电流实现保护功能。这些保护功能包括产生一使磁通并联跳闸装置(flux shunt trip device)17动作的跳闸信号以打开各相导线5A—C上的可分离触头19A，19B，19C。在标准允许的地方，如有要求，在中线5N上亦可包括一组触头(未示出)。

根据本发明断路器1亦可包括一继电器21，用来产生中线报警信号。继电器21由数字跳闸单元15的一引出端23的信号起动。继电器21闭合一组触点25，这可在输出端子27产生一触点闭合指示。这些端子27可与远方指示器(未示出)相连。当中线电流超过高负荷阈值，中线报警就会动作。

图2为根据本发明的断路器1的示范性电流—时间保护特性的对数图。横坐标为电流，纵坐标为时间。右边的曲线29为相保护曲线，左边的曲线31为中线保护曲线。相曲线29右边最远的垂直部分33形成相线瞬时跳闸电流。瞬时跳闸功能对相导线的短路提供保护。断路器1用在具有其它断路器的电力系统中，这是典型的情况。正如人们熟知的，短延时跳闸功能允许与系统中其它断路器配合。如果电流超过曲线29的垂直部分35确定的动作电流值的时间达到了由水平线37确定的时间，短延时跳闸就动作。

断路器1还提供长延时保护。长延时功能提供对由于持续过电流而在电力系统导体中产生过热的保护。典型的情况是将长延时保护选为：如果电流为长延时动作电流的六倍且持续时间达到选定的时间就起动跳闸。长延时动作电流值在图2中由垂直线段39表示，长延时跳闸的选定时间由点41处的时间值表示。由于长延时跳闸的目的是对电力系统过热进行保护，通常将近似表示电力系统热工况的I²t函数用于长延时保护，由曲线29的斜线部分43表示。从图2中可以看出，超过长延时起动电流值的电流将导致更早的长延时跳闸，在图中由从曲线29的斜线部分43得出的对应于更高电流的时间值表示。在某些设施内，I²t函数也被用于短延时，在图2中由斜虚线45表示。在图2所示的例子中，垂直线35与在其上方的斜线43相交且位于点41的左侧，这表示短延时保护与长延时保护相重叠。下面我们将看到，在该示范断路器中具有用来整定相瞬时动作电流和相长延时动作值的单独的开关。还提供有用来整定相短延时起动电流的单独的开关，但它被整定为长延时起动电流乘以一系数，因而是取决于后者的。这种依赖性在图2中用曲线29的条纹部分表示。

根据本发明，对中线提供操作人员可整定的独立的保护。在本发明最佳实施例中，对中线提供瞬时、短延时和长延时保护。在本发明的示范性实施例中，瞬时、短延时和长延时中线保护的起动电流值与相保护起动电流值成比例。此外，在示范性跳闸单元15中还将相保护短延时和长延时的延时时间用于中线保护。因而只要按与比例因子有关的数值平移就可得到代表中线保护特性的曲线31。虚线31’表示在中线比相线尺寸大时中线保护曲线可被平移至相线保护曲线的右侧。由于提供操作人员可整定的独立的中线保护的原因是为了适应中线尺寸相对于相线尺寸可以变化的事实，因而提供使中线保护与相线保护成比例的单一调整是理想的。典型的是将确定用于相导线的时间段和起动值的同样的系数用于中线，这种单一调整允许按中线的相对尺寸进行简单校正。但可以理解，中线保护可采用独立的时间和不同的用于瞬时，短延时和长延时起动值的相对起动值。

按图3所示组合在一起，图3A—3F表示断路器1的数字跳闸单元15电路原理图。该数字跳闸单元的核心为集成电路(IC)芯片47。该定制芯片(custom chip)为互补金属氧化物半导体(CMOS)IC，它在单一芯片上包括一片上微处理器，一模—数(A/D)子系统及各种输入输出装置。该芯片的详情公布在1993年12月14日公开的第5,270,898号美国专利中，此处引为参考。该专利中介绍的IC包括通过引出端48在断路器和远方装置(未示出)间进行通讯的电路，它由冲击电压保护回路50保护，用于远方控制和监测。尽管这种通讯与本发明兼容，但它们并非为根据本发明的断路器的必需的一部分，因而下面将不再对其进行讨论。

数字跳闸单元15包括一插入断路器箱内的扩展板49，用于数字跳闸单元的信号输入输出。扩展板49包括接线对51A，B，C，N，分别用于CT11A，B，C，N二次侧相电流和中线电流的输入。这些相电流和中线电流信号由全波整流电路53A，B，C，N转换为直流信号。全波整流桥53的直流输出加在向电源57供应电流的公共端55上。电源57提供粗调的电压给数字跳闸单元15供电。因而，数字跳闸单元是由被它保护的电力系统供电的。与IC 47相连的附加电路59提供一参考电压及5伏的调整电源供IC和数字跳闸单元15的其它电路用。

全波整流电路53A，B，C，N产生的直流电流分别加在测流电阻61A，B，C，N上。所测得的的电流通过输入电阻63A，B，C，N读入IC片47。根据参考专利的解释，这些电流被IC片47内的模拟电路转换为电压并由片上A/D转换器数字化作为微处理器的输入。

全波整流电桥53来的模拟直流电流还通过二极管65A，B，C，N被比较。如果最大模拟电流超过通过引线66连接这些二极管的齐纳二极管67确定的值，在输出端68产生一过载跳闸信号。该过载信号立即使断路器跳闸以避免检测及响应过电流工况的数字电路的固有延时。它只响应于诸如由金属性短路所造成的非常大的过电流。过载跳闸通过引线69输入微处理器。

A相交流电流通过引线71亦加至IC 47上作为信号SIGNIA，以提供电流符号的指示并被微处理器用来确定被保护系统的电流频率。

IC47上的微处理器利用分别表示各相电流和中线电流的电流信号按照结合图2所讨论的保护曲线来提供瞬时、短延时和长延时保护。正如所提到的，中线保护可按后面讨论的方法独立于相保护调整。

当过电流—时间极限被超过时，IC上的微处理器在引线73上产生一TRIP信号。该跳闸信号使FET 75翻转，使电源57中电容77通过引线76对地放电而使接于扩展板49的连接点79上的磁通并联跳闸装置17动作，它又打开触头19。在并联跳闸装置上跨有一反馈二极管(fly back diode)78。微处理器还在引线81，83，85和87上分别产生信号INST(瞬时)，SHORT(短)，NEUTRAL(中性)和LONG(长)。这些信号被保持电路89保持以点亮INST，SHORT，NEUTRAL和LONG LED91，93，95和97，它们对跳闸原因提供视觉指示。如果跳闸是由某相过电流引起，LED91，93和97中的一个将点亮。如果过电流发生在中线上，中线LED95将点亮，同时LD，SD或INST LED中的一个也将点亮以表示中线跳闸类型。

微处理器还产生一报警信号，它提供对可能导致跳闸的工况引起注意。因而，如果断路器已经经过长延时跳闸，引线99上就会产生一LDALARM信号。该信号在连接点101提供给扩展板49用来点亮断路器前面板上的指示灯，如果需要还提供一远方报警。当电流达到长延时跳闸起动电流的一个百分比，例如85％时微处理器在引线103上产生HLALARM信号。该信号提供给扩展板49的HILOAD ALARM连接端105。微处理器还在引线107上产生SCALARM信号作为短路报警，表示发生了瞬时跳闸。该信号提供给扩展板49的SHCK ALARM连接端109。当电流超过操作人员可整定的中线电流高阈值(该值小于中线长延时保护起动电流值)时，在引线110上产生一NEUTRAL ALARM信号。换言之，当电流超过任何一个中线保护起动值时，都会产生中线报警信号。该信号可在扩展板输出端112处获得。齐纳二极管114保护IC47免受与报警输出相连的回路的任何涌流的损害。

数字跳闸单元15还可提供人们熟知的区域联锁(zone inter-locking)功能。区域联锁与短延时保护相关联以便按众所周知的方法协调上下游断路器的跳闸。由微处理器提供的短延时区域联锁信号在引线111上，与扩展板49在SOUT X连接点113相连。由扩展板49的SINX连接点117来的短延时区域联锁信号经引线115输入到微处理器。

数字跳闸单元15可用于各种结构量值的断路器中。此外，每种数字跳闸单元15与之兼容的断路器结构量值均可用于保护最大连续允许电流小于或等于该结构允许的最大连续电流的电力系统3。为给数字跳闸单元15提供该信息，可在数字跳闸单元内插入一适当的、可移动的额定插件119(rating plug)。该额定插件119包括一组按该结构量值调整的电阻(未示出)，设定该特定设施的最大或额定电流。该额定电流可以是该结构量值所允许的最大电流或小一些的值。例如，如果结构允许的最大电流为2,000安培，插件119中的电阻组合可选为指示微处理器额定电流为2,000安，1,500安，1,200安或其它任何低于2,000安的电流值。微处理器通过IC47上的多路转换器的专用MUX5输入和MXO输入读取FRAME定值，并通过MX0和专用输入MUX6读取额定电流。

额定插件(rating plug)119还具有提供5V的直流电源+E的电池(未示出)。前面已经提到，数字跳闸单元15是由来自被保护电路的电流供电的。当断路器跳闸后电流中断，供给微处理器的电源也随之中断。额定插件119上的电池提供的5V直流电源+E加在保持电路89上，因而跳闸以后指示跳闸原因的LED91，93，95，和97仍亮。该电池还用于通过连接点+E给复位按钮121供电，该按钮通过引线123给微处理器产生TRIP复位信号。

当断路器跳闸后微处理器断电时，对长延时跳闸功能维持的表示为I²t特性的负荷热状态的计算也同时丢失。正如由现有技术所知，以I²t表述的负荷热激励状态的电压表示被存储在一外部电容125中。在示范性数字跳闸单元15中，电容125连续跟踪微处理器产生的热激励状态信号。当断路器跳闸微处理器断电时，电容125通过电阻127放电。选择电阻127的值，使电容125上的电压按模拟负荷冷却的速率放电。当微处理器电源恢复时利用电容125上的剩余电压来设定用于继续计算负荷热激励状态的初始值。

微处理器断续地点亮状态LED129以提供微处理器正在运行的状态指示。暂时按下数字跳闸单元15的试验按钮131可以测试数字跳闸单元15。这在引线133上给微处理器提供一个TEST输入。

各种保护功能的定值通过数据总线135输入至微处理器。与数据总线相连的是用来调整相保护参数的第一组操作人员可调的开关137，用来整定中线保护的第二组开关139，和用来整定试验参数的第三组开关141。用来调整相保护参数的第一组开关137包括：用来整定相保护长延时起动值的开关143，用来整定长延时时间的开关145，用来整定相保护短延时起动值的开关147，用来整定短延时时间的开关149，和用来整定瞬时起动值的开关151。

第二组开关139包括：用来整定中线保护长延时起动值的开关153，和用来整定中线高负荷报警阈值的开关155。开关141—155每个都有8个可选定值。IC 47通过数据总线135将开关141—155的定值读入。IC口PB0—PB7决定哪个开关将被读入。把与要读入的开关相连的口置成地，从而使开关的接触刷接地。把与其余开关相连的口置成高阻抗，因而这些开关的接触刷被相应的上拉电阻136拉至+5V。口PD1—PD7将被查询开关的接触刷位置并行读入。被接触刷连接的端子将接地。而那些被查询开关的其余端子则被相应的上拉电阻138拉至+5V。

图4解释了数字跳闸单元15的操作员面板157。操作员面板157包括相电流—时间特性的图示159和中线电流—时间特性的图示161。整定相保护长延时、短延时和瞬时跳闸的起动值的开关143，145，147，和151分别安装在操作员面板上邻近相电流—时间特性159的相应部位。用来整定长延时时间的开关145，和用来整定短延时时间的开关149也位于靠近相曲线159的适当位置。长延时起动定值显示在邻近开关143的窗口163中，与之相邻的是表明它显示的是相保护长延时定值的符号。它还表明长延时定值Ir等于由额定插件设定的额定电流In乘以窗口中的定值。这一整定长延时起动值的系数也可以是一分数。类似地，窗口165显示短延时起动定值，它是长延时起动值Ir的乘数。因而，当长延时起动定值被调整后，短延时定值也相应地被调整了。这一特性公开在1993年7月15日提交的系列号为092,294的专利申请中。曲线159的这一部分使用不同的颜色167以示这种依赖性。瞬时跳闸起动定值显示在与开关151相邻的窗口169中。如上所述，瞬时起动值是由额定插件119设定的额定电流In的乘数。长延时时间定值显示在窗口171中而短延时时间显示在窗口173中。长延时时间窗口171旁的符号表明：如相电流为长延时起动值的六倍，则经过以秒表示的显示时间后断路器就跳闸。INST，SHORT，和LONG LED91，93，和97分别安装在操作员面板上邻近相保护曲线图示159的适当部位。

类似地，整定中线保护长延时起动值的开关153位于操作员面板157上邻近中线保护曲线图示161的上部。在开关153的正上方是显示中线长延时起动定值的中线定值窗口175。尽管该开关被标为“中线长延时定值”，实际上它是一个对所有中线定值，包括瞬时保护都有影响的中线转换系数。中线长延时定值的一个例子是从0.25到2.0，增量为0.25的八个值。如操作员面板上的符号所示，中线长延时起动值Ir等于选定的系数乘以额定插件119的额定电流In。

确定中线高负荷报警的开关155也位于操作员面板上，与中线保护曲线图示161相邻。中线高负荷报警的定值显示在开关155正上方的窗口177中。此外，中线跳闸时点亮，高负荷报警时闪烁的中线LED95也位于中线保护曲线161旁。

整定试验用起动值的试验开关141也显示在操作员面板157的右下角。在开关141正上方为显示试验起动定值的窗口179。相邻的符号列出了试验跳闸的工况。试验开关141的下方为试验按钮131、复位开关121及状态LED129。额定插件119安装在操作员面板157的右上角。

图5为IC47上的微处理器采用的中断保护程序流程图。中断保护程序179大约每4毫秒在181处被调用一次，或者每周期4次。程序被调用后首先在183出设置记时器以实现下一次中断，然后在185处作用于诸如中线报警继电器21等ATR继电器。每采完4次样(在187处决定)就在189处进行一次瞬时及短延时保护计算。每采完64次样(在191处决定)就在193处进行一次长延时保护计算。每采完256次样(在195处决定)，在197处执行诸如计算能量及功率等其它相关程序。每种情况下程序均在199处返回到调用程序。

图6为程序179中用的集成相保护和中线保护的一子程序。将每相电流及中线电流的累积采样进行处理以产生熟知的RMS电流。然后在201对中线电流进行换算。就长和短延时保护而言，换算就是将中线电流乘以相长延时保护起动定值与中线长延时保护起动定值的比值。由于相瞬时保护为额定电流In，而不是Ir的函数，将中线电流与中线长延时定值的倒数相乘进行换算与相电流比较，以用于瞬时保护。换算后的RMS中线电流在203与相RMS电流进行比较得到最大幅值的电流Imax，该值在图5的189，193和197处提供给相保护计算。

本发明允许通过由运行人员在跳闸单元前面板上选择中线保护换算系数而将断路器用于不同中线尺寸的设施上。这对于那些使用许多会增大中线电流的微机和其它采用单相电源供电的电子设备，从而增加了对充分的中线保护的需要的设施来说是一有用的特性。

尽管详细介绍的是本发明的特定实施例，但根据现有技术可以理解，按照本说明书的总体精神可发展出这些详细描述的许多修正和替代。相应地，所公开的特定配置也仅为解释性的，并不限定由权利要求及等价物给出的本发明的范围。

Claims (13)

1.用于具有三相导线(5A—5C)和中线5N的电力系统(3)的电路开断装置(1)，所述装置包括：

用于开断所述电力系统(3)中流通的电流的可分离触头装置(19)；

用于测量所述每相导线及所述中线内流通的电流的电流测量装置(7)；

与所述电流测量装置相连且响应于任一所述三相导线内的第一操作员可调的电流工况和所述中线内的第二操作员可调的电流工况，用来产生跳闸信号的跳闸信号发生装置(15)；和

响应于所述跳闸信号，用于打开所述可分离触头装置以开断所述电力系统中流通的电流的跳闸装置(17)。

2.权利要求1的电路开断装置(1)，其中所述信号发生装置(15)包括用来将所述相线内第一操作员可调的电流工况整定为一组电流工况的第一操作员可调定值整定装置(137)，和用来将所述中线内第二操作员可调的电流工况整定为一组电流工况的第二操作员可调定值整定装置(139)。

3.权利要求2的电路开断装置(1)，其中所述第二操作员可调定值整定装置(139)将所述第二操作员可调的电流工况整定为所述第一操作员可调的电流工况的一操作员可调的函数。

4.权利要求2的电路开断装置(1)，其中所述第一操作员可调定值整定装置(137)包括整定用来由所述跳闸信号发生装置产生的相电流长延时、短延时或瞬时跳闸信号中的至少一种，在所述相线中测得的的一组电流工况的装置(143—151)，而所述第二操作员可调定值整定装置(139)包括整定用来由所述跳闸信号发生装置(15)产生的中线电流长延时、短延时或瞬时跳闸信号中的至少一种，在所述中线中测得的的一组电流工况的装置(153)。

5.权利要求4的电路开断装置(1)，其中所述第一操作员可调定值整定装置(137)包括整定用来由所述跳闸信号发生装置产生的相电流长延时、短延时或瞬时跳闸信号中的至少一种的相电流起动值和延时时间的装置(143—151)，而其中所述第二操作员可调定值整定装置(139)包括整定利用所述第一操作员可调定值整定装置整定的时间延时，用来由所述跳闸信号发生装置产生的中线电流长延时、短延时或瞬时跳闸信号中的至少一种的中线电流起动值的装置。

6.权利要求5的电路开断装置(1)，而其中所述第二操作员可调定值整定装置(139)包括将所述中线电流起动值整定为由所述第一操作员可调定值整定装置整定的相电流起动值的百分数的装置(153)。

7.权利要求6的电路开断装置(1)，其中所述跳闸信号发生装置(15)还包括整定结构额定电流的装置(119)，而其中所述第一操作员可调定值整定装置(137)包括将所述相电流起动值整定为第一系数乘以所述结构额定电流的装置，其中所述第二操作员可调定值整定装置(139)包括将所述中线电流起动值整定为第二系数乘以所述结构额定电流的装置。

8.权利要求2的电路开断装置(1)，其中所述跳闸信号发生装置(15)还包括在所述中线电流超过一选定阈值时产生中线电流告警的装置(155)。

9.权利要求8的电路开断装置，其中所述第二操作员可调定值整定装置(139)还包括可独立于所述中线内的一组电流工况调整所述选定的阈值的装置(155)。

10.权利要求1的电路开断装置(1)，其中所述跳闸信号发生装置(15)还包括为所述装置整定结构额定电流的装置(119)，和用于将所述相线中所述第一操作员可调电流工况整定为第一系数乘以所述结构额定电流的操作员可调装置(143—151)。

11.权利要求10的电路开断装置，其中所述操作员可调装置还包括将所述相线中所述第二操作员可调电流工况整定为第二系数乘以所述结构额定电流的装置(153)。

12.权利要求1的电路开断装置(1)，其中所述跳闸信号发生装置(15)包括整定所述第二操作员可调电流工况，用于在所述中线(5N)内电流超过一可调中线电流起动值达到整定时间时产生跳闸信号的装置(153)，和在所述中线内电流超过低于所述起动值的阈值时产生中线电流过负荷告警指示的装置(155)。

13.用于具有三相导线(5A—5C)和中线(5N)的电力系统(3)的电路开断装置(1)，所述装置包括：

用于开断所述电力系统中流通的电流的可分离触头装置(19)；

用于测量所述每相导线及所述中线内流通的电流的电流测量装置(7)；

跳闸信号发生装置(15)，包括用来整定所述装置的额定电流的装置(119)，用来将所述相线内的第一操作员可调电流值整定为第一系数乘以所述额定电流的第一操作员可调定值整定装置(137)，用来将所述中线内的第二操作员可调电流值整定为第二系数乘以所述额定电流的第二操作员可调定值整定装置(139)，将所述中线内测得的电流乘以所述第一系数与所述第二系数的比值进行换算以产生换算的中线电流的装置(201)，将每相测得的电流与换算的中线电流进行比较以选择最大电流的装置(203)，和采用所述最大电流，按所选电流—时间特性的函数产生跳闸信号的装置(189，193，197)；和，

响应于所述打开所述可分离触头的跳闸信号以中断所述电力系统中流通的电流的跳闸装置(17)。

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