电子脱扣器的畸变电流检测误差校准方法
【专利摘要】本发明涉及一种电子脱扣器畸变电流检测误差校准方法。利用畸变电流的峰值系数KP和波形系数KW，分析了三角波和矩形波这两种典型的畸变电流波形对峰值电流检测和均值电流检测方法下电子脱扣器检测误差的影响。通过峰值检测误差曲线和均值检测误差曲线可以看出不同畸变电流波形下峰值检测和均值检测的误差。根据非线性负荷的电流波形特征及检测误差曲线，适当地调整动作电流整定值，能够在一定程度上避免畸变电流导致的电子脱扣器频繁误动作现象。
【专利说明】
电子脱扣器的畸变电流检测误差校准方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种电子脱扣器畸变电流检测误差校准方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，许多工厂和企业都发生过电子脱扣器非故障动作导致低压断路器无故跳 闸问题，由此引发的停电事故不仅威胁设备和人身安全，而且造成了严重的经济损失。调查 发现，这些低压配电网的负荷主要为大容量UPS、变频调速电机、整流器、电弧炉等典型的非 线性负荷，它们在工作过程中电流会产生严重的畸变，这是导致电子脱扣器非故障动作的 主要原因之一。IEEE电力系统可靠性委员会也曾对低压断路器的可靠性进行了调查，结果 表明断路器脱扣器的脱扣校准故障率最高，为其它故障(机械故障、电触头故障）的2倍甚至 更高。低压配电网中大容量非线性负荷的种类和数目越来越多，电流畸变日益严重，这对普 通电子脱扣器的动作准确性是一个巨大的威胁。所以，定量分析畸变电流对电子脱扣器检 测误差的影响，提出一种畸变电流下的电子脱扣器检测误差校准方法具有重要意义。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是提出一种电子脱扣器畸变电流检测误差校准方法;上述的目的通 过以下的技术方案实现： 一种畸变电流下的电子脱扣器检测误差校准方法，包括如下步骤： (1)分析典型非线性负荷的波形特征 a. 单相非线性负荷 单相非线性负荷广泛分布于商业和民用供电系统中，其中典型的有电子荧光灯、开关 电源以及单相整流器等，附图1给出了几种典型负荷的电流波形。电子荧光灯由于使用了电 子镇流器，其输入电流波形发生严重畸变，波形如附图1(a)所示，为明显的三角尖脉冲。个 人计算机、打印机、电视机以及其他单相电子设备普遍采用开关电源，其交流侧电流3次谐 波含量很高，波形如附图1 (b)所示，呈现很短的尖脉冲。单相整流器为获得较平稳的输出电 流，通常带有大电感，其输入电流波形如附图1(c)所示，为矩形方波； b. 三相非线性负荷 三相非线性负荷广泛应用于工业和大型商业场所，典型的有大功率UPS、变频调速电机 以及三相整流器等，附图2给出了几种典型负荷的电流波形;大功率UPS的输入侧电流会发 生畸变，波形如附图2(a)所示，呈现"双拱"形;变频调速电机在出力较大(低速)时的输入侧 电流将产生严重的畸变，波形如附图2(b)所示，呈现出"双三角"形。三相整流器直流侧有大 电感时，输出波形较平稳，交流侧电流波形如附图2(c)所示，呈近似的矩形方波； 通过分析典型非线性负荷的电流波形，按其特征可归纳为两大类:一类是尖顶波，一类 是平顶波。由于多数畸变波形的精确表达式难以求得，因此可采用分段线性化的方法来简 化分析，如附图3所示；附图3(a)所示的尖顶波与纯正弦波相比已产生严重畸变，用分段线 性化的方法对其进行近似拟合，可等效为三角波；附图3(b)所示的平顶波与纯正弦波相比 也有明显畸变，同样用分段线性化的方法将其近似等效为矩形方波； (2)电子脱扣器畸变电流检测误差计算 附图4所示为等效后典型畸变电流波形，其正、负半波镜对称。图中正半周波峰值为ip， 周期为Γ，半周导通时间为?〇η，三角波峰值出现时刻与起始导通时刻差值为有效值为 iRMS，正半周波均值为iaν ; 波形占空比：
利用式(2)和式(3)可求得三角波和矩形波的峰值系数及波形系数两个特征量，它们只 与波形占空比σ有关。三角波、矩形波与纯正弦波的峰值系数和波形系数对比如表1所示；
基于电流峰值检测的电子脱扣器通过检测到的电流峰值乘以系数对通常为纯正弦波 峰值系数的倒数，即0.707)来得到电流有效值;基于电流均值检测的电子脱扣器通过检测 到的电流均值乘以系数(通常为纯正弦波的波形系数，即1.111)得到电流有效值;对于标 准正弦波，两种检测方法均能正确反映实际电流有效值，但当波形发生畸变时，两种检测方 法所得到的电流有效值有很大误差，可能引起电子脱扣器误动作;峰值系数办和波形系数A 两个特征量，分别反映了电流波形峰值和均值与有效值之间的关系，可用以定量分析畸变 电流下基于峰值检测和均值检测两种电流检测方式的检测误差； 为了直观、定量地分析畸变电流下电子脱扣器的脱扣电流检测误差，定义峰值影响因 子(简称峰值因子）：
均值影响因子(简称均值因子）：
由式(6)可以看出，电流有效值为峰值与峰值因子的乘积或均值与均值因子的乘积； 电流峰值检测方法的检测误差可表不为：
电流均值检测方法的检测误差可表示为：
式(7)和(8)中的Irmsq、/?、/分别为纯正弦波对应的电流方均根值、峰值因子、波形因 子；由式(7)和(8)可以求得电流峰值检测法的误差和均值检测法的误差，它们只与波形占 空比〇有关； (3)电子脱扣器畸变电流检测误差曲线 三角波和矩形波的畸变电流在不同占空比σ下的峰值检测误差曲线如附图5所示;三 角波的峰值检测误差始终为正值，说明对三角波采用峰值检测并按标准正弦波进行校准求 得的电流有效值比实际值偏大，并且随着三角波占空比的减小，峰值检测误差会越来越大； 当占空比σ为0.2时，误差已经达到了 173.9%，即峰值校准得到的电流有效值是真实值的 2.739倍，这会被误认为是一个过流信号甚至是一个小短路信号，从而引起过载保护或低阈 值短路保护误动作； 矩形波在占空比σ小于0.5时，峰值检测误差为正，得到的电流有效值比真实值大；当 占空比σ大于0.5时，峰值检测误差为负，表明得到的电流有效值比真实值小;从图中还可 以看出，矩形波的峰值检测误差明显小于三角波，当占空比σ为0.2时为58.11%; 三角波和矩形波的畸变电流在不同占空比σ下的均值检测误差曲线如附图6所示;三 角波的均值检测误差始终为负值，表明对三角波采用均值检测并按标准正弦波进行校准求 得的电流有效值比实际值偏小，并且随着三角波占空比的减小，均值检测误差越来越大，当 占空比σ为0.2时，误差达到了-56.98%，即均值校准得到的电流有效值是真实值的0.4302 倍，这样的检测方法使得过流会被误认为是正常电流，从而过载保护拒动作； 矩形波在占空比σ小于0.81时，均值检测误差为负，表明均值校准得到的电流有效值 比真实值小；占空比σ大于0.81时，均值检测误差为正，表明均值校准得到的电流有效值比 真实值大;从图中还可以看出，矩形波的均值检测误差略小于三角波，当占空比σ为0.2时 也达到了-50.33%，当占空比σ为1时，矩形波出现最大为11.07%的正的均值检测误差； (4)电子脱扣器畸变电流检测误差校准 根据上述对电子脱扣器畸变电流检测误差分析，可依据系统负荷类型适当调整电子脱 扣器的电流保护整定值，以消除脱扣检测误差引起的保护装置误动作。具体方法如下:首先 根据电流波形判断负荷属于哪种类型，可用哪种波形来等效;然后确定保护装置电子脱扣 器的电流检测方式，以选择相应的检测误差曲线作为参考;最后根据对应的检测误差值大 小，调整原始电流保护整定值。
[0004] 有益效果 1. 本发明将畸变电流波形等效为三角波和矩形波两大类，利用峰值系数和波形系数 可以求得不同畸变波形下电子脱扣器峰值检测和均值检测的误差值； 2. 根据非线性负荷的波形特征及检测误差曲线，适当地调整动作电流整定值，能够在 一定程度上避免畸变电流导致的电子脱扣器频繁误动作现象。
【附图说明】
[0005] 图1是单相非线性负荷电流波形 图2是三相非线性负荷电流波形 图3是典型非线性负荷电流波形的近似等效 图4是典型畸变电流波形 图5峰值检测误差曲线 图6均值检测误差曲线 图7电弧炉电流波形。
【具体实施方式】
[0006] 实施例1: 以工业中广泛使用的电弧炉负荷为例，分析畸变电流引起的电子脱扣检测误差。利用 计算机仿真软件搭建典型非线性负荷电弧炉系统的模型，得到如附图7所示的电弧炉熔化 期电流波形。该波形为典型的尖顶波，可用三角波近似等效，等效三角波的占空比为0.7。波 形的正半周波峰值为2900A，正半周波均值为1160A，有效值为1530A。该波形对应两种检测 方式的检测误差与近似三角波的检测误差值如表2所示，近似三角波与实际波形的检测误 差相当。电弧炉电流峰值检测得到的有效值为2048A，均值检测得到的有效值为1289A;
由于电弧炉在熔化期电流值最大，而熔化期电流有效值为1530A，用于电流保护的断路 器可以选择DW914(AH)-2000型号配电子脱扣器的低压断路器。在未考虑畸变电流下的检测 误差时，断路器电子脱扣器的动作电流和动作时间整定值可按表3所示进行设置；
根据表3可知，过载长延时保护将在电流超过1.2 Ir( 即1920A)时动作。在电弧炉熔化 最大电流值时，根据峰值检测校准得到的电流有效值为实际电流有效值的1.3 3 9倍（B P 2048A)，已超过过载长延时保护的动作值，将会引起电子脱扣器误跳闸。这是因为电子脱扣 器的峰值检测误差为正，即过高估计了线路电流，导致实际动作电流值小于整定值。此时， 若考虑脱扣检测误差，按1.339倍的负载额定电流来进行保护整定，即可避免脱扣器误跳 闸。
【主权项】
1. 一种电子脱扣器的崎变电流检测误差校准方法，其特征在于:在线路电流发生崎变 的情况下，利用电流波形的峰值系数和波形系数可W准确计算出电子脱扣器的电流检测误 差，根据非线性负荷的电流波形特征及检测误差曲线，适当地调整电子脱扣器动作电流整 定值，能够在一定程度上避免崎变电流导致的电子脱扣器误动作现象； 该方法包括如下步骤： (1) 分析典型非线性负荷的波形特征 a. 单相非线性负荷 单相非线性负荷广泛分布于商业和民用供电系统中，其中典型的有电子巧光灯、开关 电源W及单相整流器等，附图1给出了几种典型负荷的电流波形；电子巧光灯由于使用了电 子镇流器，其输入电流波形发生严重崎变，波形如附图1(a)所示，为明显的Ξ角尖脉冲;个 人计算机、打印机、电视机W及其他单相电子设备普遍采用开关电源，其交流侧电流3次谐 波含量很高，波形如附图1 (b)所示，呈现很短的尖脉冲;单相整流器为获得较平稳的输出电 流，通常带有大电感，其输入电流波形如附图1(c)所示，为矩形方波； b. Ξ相非线性负荷 Ξ相非线性负荷广泛应用于工业和大型商业场所，典型的有大功率UPS、变频调速电机 W及Ξ相整流器等，附图2给出了几种典型负荷的电流波形;大功率UPS的输入侧电流会发 生崎变，波形如附图2(a)所示，呈现"双拱"形;变频调速电机在出力较大(低速)时的输入侧 电流将产生严重的崎变，波形如附图2(b)所示，呈现出"双Ξ角"形;Ξ相整流器直流侧有大 电感时，输出波形较平稳，交流侧电流波形如附图2(c)所示，呈近似的矩形方波； 通过分析典型非线性负荷的电流波形，按其特征可归纳为两大类:一类是尖顶波，一类 是平顶波；由于多数崎变波形的精确表达式难W求得，因此可采用分段线性化的方法来简 化分析，如附图3所示；附图3(a)所示的尖顶波与纯正弦波相比已产生严重崎变，用分段线 性化的方法对其进行近似拟合，可等效为Ξ角波；附图3(b)所示的平顶波与纯正弦波相比 也有明显崎变，同样用分段线性化的方法将其近似等效为矩形方波； (2) 电子脱扣器崎变电流检测误差计算 附图4所示为等效后典型崎变电流波形，其正、负半波镜对称；图中正半周波峰值为/p， 周期为Γ，半周导通时间为ion, Ξ角波峰值出现时刻与起始导通时刻差值为to,有效值为 /rMS，正半周波均值为iaV ; 波形占空比：波形系数：娜 利用式(2)和式(3)可求得Ξ角波和矩形波的峰值系数及波形系数两个特征量，它们只 与波形占空比σ有关;Ξ角波、矩形波与纯正弦波的峰值系数和波形系数对比如表1所示；基于电流峰值检测的电子脱扣器通过检测到的电流峰值乘W系数的通常为纯正弦波 峰值系数的倒数，即0.707)来得到电流有效值;基于电流均值检测的电子脱扣器通过检测 到的电流均值乘W系数^ (通常为纯正弦波的波形系数，即1.111)得到电流有效值;对于标 准正弦波，两种检测方法均能正确反映实际电流有效值，但当波形发生崎变时，两种检测方 法所得到的电流有效值有很大误差，可能引起电子脱扣器误动作;峰值系数麻和波形系数倘 两个特征量，分别反映了电流波形峰值和均值与有效值之间的关系，可用W定量分析崎变 电流下基于峰值检测和均值检测两种电流检测方式的检测误差； 为了直观、定量地分析崎变电流下电子脱扣器的脱扣电流检测误差，定义峰值影响因 子(简称峰值因子）：由式(6)可W看出，电流有效值为峰值与峰值因子的乘积或均值与均值因子的乘积； 电流峰值检测方法的检测误差可表示为：式(7)和(8)中的/rmso、/^、0网分别为纯正弦波对应的电流方均根值、峰值因子、波形因 子；由式(7)和(8)可W求得电流峰值检测法的误差和均值检测法的误差，它们只与波形占 至比α有关； (3)电子脱扣器崎变电流检测误差曲线 Ξ角波和矩形波的崎变电流在不同占空比σ下的峰值检测误差曲线如附图5所示；Ξ 角波的峰值检测误差始终为正值，说明对Ξ角波采用峰值检测并按标准正弦波进行校准求 得的电流有效值比实际值偏大，并且随着Ξ角波占空比的减小，峰值检测误差会越来越大； 当占空比σ为0.2时，误差已经达到了 173.9%，即峰值校准得到的电流有效值是真实值的 2.739倍，运会被误认为是一个过流信号甚至是一个小短路信号，从而引起过载保护或低阔 值短路保护误动作； 矩形波在占空比σ小于0.5时，峰值检测误差为正，得到的电流有效值比真实值大；当 占空比σ大于0.5时，峰值检测误差为负，表明得到的电流有效值比真实值小;从图中还可 W看出，矩形波的峰值检测误差明显小于Ξ角波，当占空比σ为0.2时为58.11%; Ξ角波和矩形波的崎变电流在不同占空比σ下的均值检测误差曲线如附图6所示；Ξ 角波的均值检测误差始终为负值，表明对Ξ角波采用均值检测并按标准正弦波进行校准求 得的电流有效值比实际值偏小，并且随着Ξ角波占空比的减小，均值检测误差越来越大，当 占空比σ为0.2时，误差达到了-56.98%，即均值校准得到的电流有效值是真实值的0.4302 倍，运样的检测方法使得过流会被误认为是正常电流，从而过载保护拒动作； 矩形波在占空比σ小于0.81时，均值检测误差为负，表明均值校准得到的电流有效值 比真实值小；占空比σ大于0.81时，均值检测误差为正，表明均值校准得到的电流有效值比 真实值大;从图中还可W看出，矩形波的均值检测误差略小于Ξ角波，当占空比σ为0.2时 也达到了-50.33%，当占空比σ为1时，矩形波出现最大为11.07%的正的均值检测误差； (4)电子脱扣器崎变电流检测误差校准 根据上述对电子脱扣器崎变电流检测误差分析，可依据系统负荷类型适当调整电子脱 扣器的电流保护整定值，W消除脱扣检测误差引起的保护装置误动作;具体方法如下:首先 根据电流波形判断负荷属于哪种类型，可用哪种波形来等效;然后确定保护装置电子脱扣 器的电流检测方式，W选择相应的检测误差曲线作为参考;最后根据对应的检测误差值大 小，调整原始电流保护整定值。2. 按权利要求1所述的电子脱扣器崎变电流检测误差校准方法，其特征在于将崎变电 流波形等效为Ξ角波和矩形波两大类，利用峰值系数和波形系数可W求得不同崎变波形下 电子脱扣器峰值检测和均值检测的误差值。3. 按权利要求1所述的电子脱扣器崎变电流检测误差校准方法，其特征在于根据非线 性负荷的波形特征及检测误差曲线，适当地调整动作电流整定值，能够在一定程度上避免 崎变电流导致的电子脱扣器误动作现象。
【文档编号】G01R19/04GK106093766SQ201610402006
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月12日
【发明人】赵莉华, 牛纯春, 冯政松, 牛帅杰, 丰遥, 刘丹华, 李琪菡, 付荣荣
【申请人】四川大学