автоматический выключатель с улучшенной функцией повторного замыкания

Формула изобретения

1. Автоматический выключатель (18) для защиты линии (14) питания, содержащий прерывающий элемент (20) цепи для отсоединения линии (14) питания от источника (12) питания, и блок (26) управления, выполненный с возможностью детектирования неисправности в линии (14) питания, размыкания прерывающего элемента (20) цепи на основе детектированной неисправности, с размыкания которого начинается заданный интервал времени отсоединения, подачи тестового сигнала t(f) на основной частоте (f) в линию питания, измерения напряжения отклика U(f) и тока отклика I(f) в линии (14) питания, причем напряжение отклика U(f) и ток отклика I(f) обусловливаются тестовым сигналом t(f), определения импеданса (Z) линии (14) питания относительно земли по напряжению отклика U(f) и току отклика I(f), анализа импеданса (Z) линии питания относительно земли в течение интервала времени отсоединения, причем анализ включает в себя сравнение импеданса (Z) относительно земли с опорным порогом (Z₀ ), определения постоянной или временной неисправности линии питания на основе изменения импеданса относительно земли в течение интервала времени отсоединения, повторного замыкания прерывающего элемента (20) цепи по истечении интервала времени отсоединения, если неисправность определена как временная, и поддержания прерывающего элемента (20) цепи в разомкнутом состоянии по истечении интервала времени отсоединения, если неисправность определена как постоянная.

2. Автоматический выключатель (18) по п.1, в котором блок управления выполнен с возможностью определения постоянной неисправности, если импеданс, определенный относительно земли, остается ниже опорного порога (Z₀) для всех определений импеданса, выполненных в течение интервала времени отсоединения.

3. Автоматический выключатель (18) по п.1, в котором блок (26) управления дополнительно выполнен с возможностью определения расстояния до места неисправности в линии (14) питания на основе импеданса (Z), определенного относительно земли.

4. Автоматический выключатель (18) по п.3, в котором импеданс (Z) относительно земли имеет действительную и мнимую части, а блок (26) управления выполнен с возможностью определения расстояния до места неисправности путем сравнения мнимой части импеданса с реактивным сопротивлением линии питания.

5. Автоматический выключатель (18) по п.1, в котором источник (12) питания подает питание переменного тока в линию питания на некоторой частоте, а тестовый сигнал (t) имеет частоту (f), которая отличается от частоты источника питания.

6. Автоматический выключатель (18) по п.5, в котором частота (f) тестового сигнала (t) является частотой в диапазоне 20 Гц - 1 кГц.

7. Автоматический выключатель (18) по п.5, в котором частота (f) тестового сигнала (t) является частотой в диапазоне 49 Гц - 500 Гц.

8. Способ функционирования прерывающего элемента (20) цепи, выполненного в автоматическом выключателе (18), содержащий этапы, на которых детектируют (28) неисправность в линии (14) питания, размыкают (30) прерывающий элемент (20) цепи, с размыкания которого начинается заданный интервал времени отсоединения, подают (32) тестовый сигнал (t) на основной частоте (f) в линию (14) питания, измеряют (34) напряжение отклика U(f) и ток отклика I(f) в линии (14) питания, причем напряжение отклика U(f) и ток отклика I(f) обусловливаются тестовым сигналом (t ₁), определяют (36) импеданс (Z) линии (14) питания относительно земли по напряжению отклика U(f) и току отклика I(f), анализируют (38) импеданс (Z) линии (14) питания относительно земли в течение интервала времени отсоединения, причем анализ включает в себя сравнение импеданса (Z) относительно земли с опорным порогом (Z₀), определяют (40) постоянную или временную неисправность линии питания на основе изменения импеданса относительно земли в течение интервала времени отсоединения, повторно замыкают прерывающий элемент (20) цепи по истечении интервала времени отсоединения, если неисправность определена как временная, и поддерживают (44) прерывающий элемент (20) цепи в разомкнутом состоянии по истечении интервала времени отсоединения, если неисправность определена как постоянная.

9. Способ по п.8, в котором этап определения постоянной или временной неисправности включает в себя определение постоянной неисправности, если измеренный импеданс (Z) относительно земли остается ниже опорного порога (Z₀) для всех определений импеданса, выполненных в течение интервала времени отсоединения.

10. Способ по любому из пп.8, 9, дополнительно содержащий этап, на котором определяют (46) расстояние до места неисправности в линии питания на основе импеданса, определенного (Z) относительно земли.

11. Способ по п.10, в котором импеданс (Z) относительно земли имеет действительную и мнимую части, а этап определения расстояния до места неисправности в линии питания включает в себя сравнение мнимой части импеданса с реактивным сопротивлением линии питания.

12. Способ по п.8, в котором источник (12) питания подает питание переменного тока в линию питания на некоторой частоте, а тестовый сигнал (t) имеет частоту (f), которая отличается от частоты источника питания.

13. Способ по п.12, в котором частота (f) тестового сигнала (t) является частотой в диапазоне 20 Гц - 1 кГц.

Описание изобретения к патенту

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится, в основном, к области систем электропитания. В частности, настоящее изобретение относится к автоматическому выключателю для защиты линии электропитания, а также к способу функционирования прерывающего элемента цепи, выполненного в автоматическом выключателе.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Современные автоматические выключатели, устанавливаемые в линиях электропитания систем электропитания, содержат не только прерывающий элемент цепи, т.е. элемент, который отсоединяет линию электропитания от источника питания, но и способны осуществлять детектирование неисправностей. Таким образом, они детектируют неисправность в линии электропитания, а затем размыкают прерывающий элемент цепи.

Кроме того, автоматические выключатели часто снабжаются функцией повторного замыкания. Это означает, что после размыкания прерывающего элемента при детектировании неисправности, например, при низком импедансе, прерывающий элемент вновь замыкается по истечении заданного интервала времени отсоединения, причем продолжительность этого интервала времени зависит от частоты, используемой при подаче питания. В случае подачи питания частотой 50 Гц длительность интервала обычно составляет около половины секунды. Если после этого неисправность остается, т.е. она является постоянной неисправностью, прерывающий элемент цепи вновь размыкается и в дальнейшем удерживается разомкнутым до устранения неисправности. Такое устранение неисправности, как правило, выполняется обслуживающим персоналом и поэтому может занимать значительное время. Причина для такого повторного замыкания состоит в том, что многие неисправности являются временными, т.е. носят кратковременный характер и через некоторое время исчезают. Например, это может происходить при ударе молнии в линию электропитания. Для того чтобы питание не было выключено в течение длительного времени, целесообразно, чтобы прерывающий элемент цепи повторно замыкался таким образом, чтобы с исчезновением неисправности подача питания могла быть возобновлена.

В 2007/114566 приведен пример автоматического выключателя, который может использоваться для описанной нормальной работы автоматического выключателя.

Однако если неисправность является постоянной, как, например, в случае, если линия питания упала на землю, повторное включение может как раз вновь привести к немедленному размыканию. Размыкание и замыкание прерывающего элемента цепи в случае таких постоянных неисправностей нагружают оборудование системы электропитания. Оно, как правило, не рассчитано на длительное или многократное воздействие уровней тока и/или напряжения, имеющих место во время таких постоянных неисправностей, особенно в случае, если неисправность связана с замыканием на землю. Поэтому из-за таких неисправностей оно может выйти из строя. Такая постоянная неисправность может также оказывать сильное влияние на систему электропитания. Неисправность может распространиться на большой участок системы электропитания в виде резкого снижения напряжения или кратковременной посадки напряжения, которые могут отключить чувствительные устройства. Усилия, необходимые для восстановления устройств и сети питания, вызывают серьезную обеспокоенность. Кроме того, автоматический выключатель может выйти из строя.

Вследствие этого интерес представляет не осуществление повторного замыкания в автоматическом выключателе в случае постоянной неисправности, а использование функции повторного замыкания при временных неисправностях.

В то же время при разомкнутом прерывающем элементе цепи сложно определить, является ли неисправность временной или постоянной, поскольку для определения подобного рода неисправностей используются ток и напряжение линии питания. В таком случае при разрыве автоматическим выключателем соединения с линией питания измерить указанные токи и напряжения невозможно.

В DE 3429150 описан принцип подачи в линию питания сигнала звуковой частоты для определения сохранения защитного заземления перед использованием этой линии питания. Заземление линии питания в данном случае проверяется путем измерения мощности сигнала, возвращаемого по линии питания.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩЕСТВА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей настоящего изобретения является обеспечение улучшенной функции повторного замыкания автоматического выключателя, когда можно отличать временную неисправность от постоянной неисправности, чтобы не создавать излишнюю нагрузку на оборудование, используемое в системах электропитания.

Исходя из вышеизложенного, настоящее изобретение направлено на обеспечение улучшенной функции прерывания автоматического выключателя.

Настоящее изобретение основано на общем представлении о том, что тестовый сигнал на основной частоте подается в линию питания, отсоединенную от источника питания прерывающим элементом цепи, а отклик на этот тестовый сигнал измеряется и используется для определения импеданса линии питания относительно земли. Затем этот импеданс анализируется, и на основе результатов этого анализа определяется временная или постоянная неисправность. Затем, если неисправность определена как временная, осуществляется повторное замыкание прерывающего элемента цепи, в противном случае прерывающий элемент остается разомкнутым.

Поэтому одна из задач настоящего изобретения состоит в создании автоматического выключателя для защиты линии питания с улучшенной функцией прерывания цепи.

Указанная задача в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения решается с помощью автоматического выключателя для защиты линии питания, содержащего:

прерывающий элемент цепи для отсоединения линии питания от источника питания, и

блок управления, выполненный с возможностью

детектирования неисправности в линии питания,

размыкания прерывающего элемента цепи на основе детектированной неисправности, с размыкания которого начинается заданный интервал времени отсоединения,

подачи тестового сигнала на основной частоте в линию питания,

измерения напряжения отклика и тока отклика в линии питания, причем напряжение отклика и ток отклика обусловливаются тестовым сигналом,

определения импеданса линии питания относительно земли по напряжению отклика и току отклика,

анализа импеданса линии питания относительно земли в течение интервала времени отсоединения, причем анализ включает в себя сравнение импеданса относительно земли с опорным порогом,

определения постоянной или временной неисправности линии питания на основе проанализированного импеданса относительно земли,

повторного замыкания прерывающего элемента цепи по истечении интервала времени отсоединения, если неисправность определена как временная, и

поддержания прерывающего элемента цепи в разомкнутом состоянии по истечении интервала времени отсоединения, если неисправность определена как постоянная.

Другая задача настоящего изобретения состоит в обеспечении способа функционирования прерывающего элемента цепи, установленного в электрической линии питания, с помощью автоматического выключателя, причем данный способ имеет улучшенную функцию прерывания цепи.

Указанная задача в соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения решается с помощью способа функционирования прерывающего элемента цепи, выполненного в автоматическом выключателе и содержащего этапы, на которых:

детектируют неисправность в линии питания,

размыкают прерывающий элемент цепи, с размыкания которого начинается заданный интервал времени отсоединения,

подают тестовый сигнал на основной частоте в упомянутую линию питания,

измеряют напряжение отклика и ток отклика в линии питания, причем напряжение отклика и ток отклика обусловливаются тестовым сигналом,

определяют импеданс линии питания относительно земли по напряжению отклика и току отклика,

анализируют импеданс линии питания относительно земли в течение интервала времени отсоединения, причем анализ включает в себя сравнение импеданса относительно земли с заданным порогом,

определяют постоянную или временную неисправность линии питания на основе проанализированного импеданса относительно земли,

повторно замыкают прерывающий элемент цепи по истечении интервала времени отсоединения, если неисправность определена как временная, и

поддерживают прерывающий элемент цепи в разомкнутом состоянии по истечении интервала времени отсоединения, если неисправность определена как постоянная.

Настоящее изобретение имеет ряд преимуществ. В нем предлагается усовершенствованный автоматический выключатель, в котором можно отличать постоянную неисправность от временной неисправности. Поэтому повторное включение прерывающего элемента цепи может быть осуществлено только в том случае, если неисправность является временной, а не тогда, когда она является постоянной. Тем самым уменьшается нагрузка на систему электропитания из-за постоянной неисправности. В то же время в случае временной неисправности использование линии питания продолжается. Поэтому импеданс относительно земли измеряется автоматически.

Подаваемый тестовый сигнал может быть сигналом напряжения или сигналом тока. Термин «основная частота» иллюстрирует, что тестовый сигнал является изменяющимся во времени сигналом, в частотном спектре которого присутствует одна отчетливо доминирующая частота. Простейшим вариантом осуществления является синусоидальный тестовый сигнал. Но и композиция из различных частот также применима до тех пор, пока основная частота может быть детектирована.

Целесообразно выбирать значение основной частоты, отличное от номинального значения частоты, используемой источником питания, т.е. значение, явно отличающееся от любой другой гармоники, присутствующей в линии питания.

В соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения, определяется также расстояние до места неисправности. При этом благодаря определению расстояния до места неисправности легко можно узнать, где необходимо проводить сервисные операции. Это позволяет скорее применить контрмеры по устранению неисправности.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:

фиг.1 схематически изображает нагрузку, подключаемую к источнику питания через линию питания, в которой установлен автоматический выключатель в соответствии с настоящим изобретением;

фиг.2 схематически изображает автоматический выключатель в соответствии с настоящим изобретением;

фиг.3 изображает блок-схему последовательности этапов, выполняемых в соответствии со способом функционирования прерывающего элемента цепи автоматического выключателя в соответствии с настоящим изобретением.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ВОПЛОЩЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Ниже приведено подробное описание предпочтительных вариантов осуществления устройства и способа в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.1 схематически изображена система 10 электропитания, в которой может быть установлен автоматический выключатель 18 в соответствии с настоящим изобретением. На фиг.1 показана нагрузка 16, соединенная с источником 12 питания через линию 14 питания. В линии 14 питания имеется автоматический выключатель 18 в соответствии с настоящим изобретением. Для простоты на фиг.1 показана только одна линия 14 питания. Однако следует понимать, что в трехфазной системе между источником 12 питания и нагрузкой 16 может иметься большее число линий питания, например, три или четыре. В таком случае для каждой фазы устанавливается собственный автоматический выключатель. Кроме того, следует понимать, что в линии питания, показанной на фиг.1, может быть установлено большее число автоматических выключателей.

На фиг.2 схематически изображен автоматический выключатель 18 в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения. Автоматический выключатель 18 включает в себя прерывающий элемент 20 цепи, например, реле или переключатель, который установлен в линии 14 питания. Кроме того, с обеих сторон прерывающего элемента 20 цепи установлены два измерительных трансформатора. Имеется трансформатор 22 тока, соединенный с линией 14 питания по направлению к источнику питания, и трансформатор 24 напряжения, соединенный с линией 14 питания по направлению к нагрузке. Кроме того, имеется блок 26 управления, который принимает сигналы от обоих этих трансформаторов и на их основе детектирует токи и напряжения. Поэтому в блоке управления обычно предусмотрены различные блоки детектирования сигналов для детектирования напряжений и токов трансформаторов, а также аналого-цифровые преобразователи для получения указанных измеренных напряжений и токов в цифровом виде. Однако это хорошо известно, и поэтому для упрощения описание настоящего изобретения опущено.

Далее действие настоящего изобретения описывается ниже с помощью фиг.1, 2 и 3, причем на последнем чертеже изображена блок-схема последовательности этапов, выполняемых в соответствии со способом функционирования прерывающего элемента в соответствии с настоящим изобретением.

При нормальной работе прерывающий элемент 20 цепи нормально замкнут. При замкнутом прерывающем элементе 20 цепи источник 12 питания подает питание в нагрузку 16 по линии 14 питания. Во время подачи питания блок 26 управления автоматического выключателя 18 контролирует линию 14 питания в отношении неисправностей, причем контроль может выполняться через трансформатор тока 22, трансформатор напряжения 24 или через оба трансформатора. При детектировании им неисправности (этап 28), которая может быть детектирована благодаря слишком высокому значению тока, погрешности напряжения или импедансу, определенному на основе слишком низкого значения тока и напряжения, блок 26 управления размыкает прерывающий элемент 20 цепи (этап 30). При этом прерывающий элемент 20 цепи поддерживается в открытом состоянии, по меньшей мере, в течение длительности заданного интервала времени отсоединения. Указанный интервал времени является интервалом времени, предусматриваемым обычно для повторного замыкания автоматических выключателей. При этом указанный интервал времени отсоединения начинается с размыкания прерывающего элемента 20 цепи. Кроме того, в течение этого интервала времени отсоединения невозможно детектировать ток или напряжение, подаваемые из источника 12 питания в линию 14 питания.

В течение интервала времени блок 26 управления генерирует тестовый сигнал t на основной частоте f. Кроме того, в данном варианте осуществления настоящего изобретения имеется только один тестовый сигнал, т.е. единственный тестовый сигнал, сформированный указанным образом. Этот сигнал является изменяющимся во времени, подобно периодическому сигналу, в частотном спектре которого присутствует одна отчетливо доминирующая частота. В простейшем случае тестовый сигнал может быть синусоидальным, т.е. сигналом, основная частота f которого является единственной частотой, содержащейся в сигнале. Однако он может также иметь какую-либо иную подходящую форму и содержать множество частот при одной доминирующей частоте f, например, он может быть прямоугольным импульсным или пилообразным. Основная частота f может выбираться асинхронной с любой другой гармоникой, присутствующей в линии питания, так чтобы основная частота f была различимой и могла выделяться из спектра сигналов, измеряемых в линии 14 питания. При этом основная частота в этом случае отличается от частоты системы электропитания. Поэтому в предпочтительном варианте осуществления она предлагается в интервале 20 Гц-1 кГц и наиболее предпочтительно в интервале 47-500 Гц.

Тестовый сигнал t(f) подается блоком 26 управления в линию 14 питания по направлению к нагрузке 16. Более конкретно он подается на сторону низкого напряжения трансформатора 24 напряжения. В данном варианте осуществления настоящего изобретения имеется только одна тестируемая линия. Поэтому подается единственный тестовый сигнал. Затем отклик на тестовый сигнал t(f), принимаемый через трансформатор 24 напряжения, измеряется блоком 26 управления (этап 34). При этом блок управления измеряет как напряжение отклика U(f), так и ток I(f) отклика.

По измеренному напряжению и току - U(f) и I(f) - определяется или вычисляется импеданс Z линии 14 питания относительно земли (этап 36). При этом следует понимать, что импеданс Z относительно земли определяется на основе отклика тестового сигнала непрерывно в течение интервала времени отсоединения. Кроме того, в течение интервала времени отсоединения выполняется анализ измеряемого таким образом импеданса Z (этап 38). Анализ при этом предусматривает сравнение импеданса Z с соответствующим заданным опорным порогом, который в этом случае имеет заданное опорное значение Z₀ . На основе непрерывного сравнения блок 26 управления определяет наличие постоянной или временной неисправности (этап 40). В случае если определенный импеданс Z относительно земли остается ниже заданного значения Z₀ в течение интервала времени отсоединения, определяется постоянная неисправность, а если импеданс поднимается выше заданного значения до окончания интервала времени отсоединения, определяется временная неисправность. При этом длительность указанного интервала времени может составлять около половины секунды. Под сравнением импеданса с опорным значением может пониматься либо сравнение действительной части измеренного импеданса с заданным значением сопротивления, либо сравнение импеданса в комплексной плоскости с заданным диапазоном, причем указанный диапазон может быть описан окружностью на комплексной плоскости, а измеренный импеданс должен находиться в пределах или за пределами этой окружности. Это также может быть осуществлено путем сравнения абсолютного значения определенного импеданса с опорным значением.

Если таким образом определена временная неисправность (этап 40), то блок 26 управления замыкает прерывающий элемент 20 цепи в конце интервала времени отсоединения (этап 42). В этом случае он, таким образом, выполняет обычное повторное замыкание прерывающего элемента 20 цепи. Однако если определено, что неисправность является постоянной (этап 40), блок 26 управления поддерживает прерывающий элемент 20 цепи в разомкнутом состоянии по окончании интервала времени отсоединения (этап 44). Таким образом, отсоединение линии питания 14 продолжается после окончания интервала времени отсоединения. Это означает, что повторное замыкание прерывающего элемента 20 цепи блокируется. При этом такое блокирование поддерживается до тех пор, пока неисправность не будет устранена, причем устранение неисправности обычно выполняется обслуживающим персоналом системы электропитания. Конечно, в данном случае можно сообщить о факте наличия постоянной неисправности в контрольную аппаратуру в сети, например, в интеллектуальное электронное устройство (IED). После этого блок 26 управления определяет расстояние до места неисправности (этап 46). Расстояние до места неисправности может быть определено путем сравнения мнимой части определенного импеданса, возможно, скомпенсированного импедансом трансформатора напряжения, с реактивным сопротивлением линии питания. Реактивное сопротивление линии питания - это заранее определенная характеристика. Поэтому мнимая часть указанного скомпенсированного импеданса затем сравнивается с реактивным сопротивлением линии.

При этом определяемый импеданс линии может быть описан следующим образом:

Z=R _D+jX_D,

где D означает, что соответствующая характеристика является определяемой характеристикой линии питания, а Х имеет следующую зависимость от частоты: X_D=j2 fL_D, при этом L_D является значением индуктивности.

В то же время линия имеет известный импеданс на единицу длины, который может быть выражен следующим образом:

Z_L=r_L+jx_L ,

где L означает линию, а использование букв нижнего регистра означает, что величина измерена на единицу длины. Кроме того, в этом случае, конечно, имеется частотная зависимость реактивного сопротивления x_L на единицу длины.

Реактивное сопротивление x_L на единицу длины, например, реактивное сопротивление на километр, используется в данном случае вместе с реактивным сопротивлением X_D для нахождения расстояния d до места неисправности следующим образом:

d=X_D/x_L.

Следовательно, из этого сравнения легко можно определить расстояние d до места неисправности.

В связи с этим в настоящем изобретении предлагается улучшенный автоматический выключатель, в котором можно отделять постоянную неисправность от неустойчивой неисправности. Поэтому повторное замыкание прерывающего элемента цепи может быть осуществлено только в том случае, если неисправность является временной, а не тогда, когда она является постоянной. Тем самым уменьшается нагрузка на систему электропитания. В то же время в случае временной неисправности использование линии питания продолжается. Более 60% неисправностей линии питания часто имеет такой временный характер. Поэтому повторное замыкание обеспечивает быстрое восстановление электропитания в линии передачи. При этом благодаря определению расстояния до места неисправности легко можно узнать, где необходимо проводить сервисные операции.

Блок управления автоматического выключателя может быть снабжен процессором с кодом программы для выполнения функций совместно с подходящими блоками измерения напряжения и тока и аналого-цифровыми преобразователями, а также генератором сигналов, например, с помощью вибратора, генерирующего тестовый сигнал. Многое из описанного уже имеется в современных автоматических выключателях, поэтому автоматический выключатель в соответствии с настоящим изобретением может быть получен при незначительных дополнительных расходах.

В настоящее изобретение могут быть внесены различные изменения. Изобретение может использоваться без определения расстояния до места неисправности. Подача тестового сигнала не ограничивается выполнением в течение интервала времени отсоединения. Оно также может использоваться при подаче питания. В этом случае подаваемое питание модулируется тестовым сигналом. Кроме того, этот тестовый сигнал может использоваться для детектирования наличия неисправности. В линию питания может также подаваться дополнительный тестовый сигнал, и в таком случае этот дополнительный тестовый сигнал имеет другую частоту, которая отличается как от частоты упомянутого выше тестового сигнала, так и от частоты источника питания. Кроме того, дополнительный тестовый сигнал должен находиться в том же диапазоне частот, что и упомянутый выше тестовый сигнал. Дополнительный тестовый сигнал создает избыточность при анализе неисправности. Трансформатор тока может быть исключен. Например, для детектирования неисправности могут также использоваться измерения, выполняемые только трансформатором напряжения. Наконец, автоматический выключатель может также использоваться для детектирования забытого защитного заземления.