专利名称：故障快速识别装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种故障快速识别装置，主要用于电力系统的故障快速检测，电气信号可用于触发晶闸管或断开混合式断路器中的主断路器，光信号可用于断开固态断路器，能用于负载变化较大的领域。
背景技术：
在电力系统发生故障时，总是伴随着一些物理量的改变，如电流、电流上升率、电压下降、温度上升和其他相关特征，早期监测并识别这些物理量的变化，有助于故障电流的快速识别。目前故障检测技术主要有以下几种A、当前电流值的检测当短路电流超过预设值时产生跳闸信号。这个非常简单的方法通常是保护架空线的首选。这种方法缺点是短路之间的差异，短路过载和开关瞬态等难以分辨；B、电流上升率检测这种方法可快速识别最大允许电流下的电流快速变化，但这往往会导致误跳闸；C、检测电流上升率持续时间当电流的上升率在一定的时间间隔At超过跳闸值，产生一个跳闸信号。这就避免了由于瞬变、短时过载和起动电流引起的误跳闸；D、检测方法基于A和B的结合；E、检测一段时间间隔内电流值增量在一定的时间间隔At，当电流的变化(Ai) 超过跳闸水平，产生跳闸信号。之后每个时间间隔At内，测量电流值并和前一个时间间隔 At内测得的电流值比较，获取新的Ai。时间间隔可以自由地选择，这取决于在快速检测系统或高可靠性检测系统的需求之间妥协。在瞬态干扰频繁的网络中，很显然，时间间隔越小，故障检测的可靠性将越小。现有在工业领域有成熟应用的故障快速识别技术主要有以下两种1、直流牵引中基于电流上升率的故障快速识别技术，采用了数字化算法，最高 40kHz的采样速度，可检测1 lOOOA/ms的电流上升率，故障识别时间为3ms左右；2、直流推进和保护领域基于电流增量方式的快速识别技术，由于采用了纯硬件比较器原理的识别方法，故可做到100 μ s以内的响应速度，用于快速熔断器的触发，但无法用于负载变化较大的领域。
发明内容本实用新型的目的在于，克服现有技术的缺点与不足，提供一种故障快速识别装置，对设定范围内的电流上升率实现快速检测，能在100μ s内识别故障电流并发出跳闸指令，切断故障回路，保护电力系统供电设备；该跳闸指令具备电气信号和光信号。本实用新型的技术方案是一种故障快速识别装置，它包括滤波与放大电路单元、 采样保持单元、比较与限幅电路单元、CPU和跳间信号产生电路单元；滤波与放大电路单元
3有一个一端用于联通感应线圈获得预设的电流上升率信号而另一端连接放大器的低通滤波器；放大器的另一端分别连接比较与限幅电路单元的下限比较器一、上限比较器一、预设值比较器一，以及与采样保持单元连接；采样保持单元另一端分别与比较与限幅电路单元的下限比较器二、上限比较器二、预设值比较器二连接；比较与限幅电路单元还有与门及与非门；与门一一端分别与下限比较器一及下限比较器二连接，与门二一端分别与预设值比较器一及预设值比较器二连接，与非门一端分别与上限比较器一及上限比较器二连接； 与门一、与门二及与非门的另一端均连接与门三的同一端；与门三的另一端与CPU连接， CPU另一端与跳间信号产生电路单元连接；所述采样保持单元还与CPU的脉宽调制器联通。进一步的技术方案是所述的故障快速识别装置，采样保持单元是一个能预设采样频率，对电流上升率信号进行采集和保持的信号处理电路。所述的故障快速识别装置，跳闸信号产生电路单元与断路器联通，用于输出跳闸信号。所述的故障快速识别装置，滤波与放大电路单元，及采样保持单元和比较与限幅电路单元，还有跳间信号产生电路单元共四个程序对电流上升率信号产生的延迟时间累计小于100 μ S，该时间为识别故障电流时限，即为发出跳闸指令时间；所述四个程序对电流上升率信号产生的延迟时间分别为滤波与放大电路单元小于30μ S，采样保持单元和比较与限幅电路单元分别小于10 μ s，跳闸信号产生电路单元小于60 μ S。所述的故障快速识别装置，下限比较器、上限比较器、预设值比较器为各包括两个可预设阈值的比较器。所述的故障快速识别装置，CPU —端与PC机连接，另一端还通过D/A转换器与下限比较器、上限比较器、预设值比较器连接。所述的故障快速识别装置，D/A转换器包括D/A —和D/A 二及D/A三；D/A —与下限比较器连接，D/A 二与预设值比较器连接，D/A三与上限比较器连接。本实用新型的故障快速识别装置的技术效果在于1、能在100 μ s内识别故障电流并发出跳闸指令，极大了缩短了故障检测时间，能更好地保护电力设备；2、通过设定跳闸信号处理次数可获得较高的动作准确性，提高故障快速检测的可靠性；3、可对电流上升率的监测范围和预设值进行自由设定，扩大了故障快速检测的应用场合。
图1为本实用新型故障快速识别装置结构框图；图2为本实用新型与外部电器件及装置连接的原理框图；图3为本实用新型CPU与下限比较器及上限比较器和预设值比较器连接关系原理框图。图中各图号的构件名称为1 一滤波与放大电路单元，1. 1 一电流上升率信号， 1.2 —低通滤波器，1.3—放大器；2—采样保持单元；3—比较与限幅电路单元，3.1 — 下限比较器，3. 11—下限比较器一，3. 12—下限比较器二，3. 2 —上限比较器，3.21 — 上限比较器一，3. 22—上限比较器二，3. 3—预设值比较器，3.31 —预设值比较器一， 3. 32—预设值比较器二， 3. 4 —与门，3. 41—与门一，3. 42—与门二， 3. 43—与门三，3. 5 一与非门；4-CPU， 4. 1 一脉宽调制器；5 —跳闸信号产生电路单元；6 — PC机； 7 — D/A转换器，7. 1-D/A—，7. 2-D/A二，7. 3-D/A三；8 —主回路电源；9 一断路器；10 — 传感器；11 一负载；12—跳闸信号；13 —(本实用新型)故障快速识别装置。
具体实施方式
结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明如下如图1、2、3所示，一种故障快速识别装置，它包括滤波与放大电路单元、采样保持单元、比较与限幅电路单元、CPU和跳间信号产生电路单元；滤波与放大电路单元有一个一端用于联通感应线圈获得预设的电流上升率信号而另一端连接放大器的低通滤波器；放大器的另一端分别连接比较与限幅电路单元的下限比较器一、上限比较器一、预设值比较器一，以及与采样保持单元连接；采样保持单元另一端分别与比较与限幅电路单元的下限比较器二、上限比较器二、预设值比较器二连接；比较与限幅电路单元还有与门及与非门； 与门一一端分别与下限比较器一及下限比较器二连接，与门二一端分别与预设值比较器一及预设值比较器二连接，与非门一端分别与上限比较器一及上限比较器二连接；与门一、与门二及与非门的另一端均连接与门三的同一端；与门三的另一端与CPU连接，CPU另一端与跳间信号产生电路单元连接；所述采样保持单元还与CPU的脉宽调制器联通。所述的，采样保持单元是一个能预设采样频率，对电流上升率信号进行采集和保持的信号处理电路。所述的跳闸信号产生电路单元与断路器联通，用于输出跳闸信号。所述的滤波与放大电路单元，及采样保持单元和比较与限幅电路单元，还有跳间信号产生电路单元共四个程序对电流上升率信号产生的延迟时间累计小于100 μ s，该时间为识别故障电流时限，即为发出跳闸指令时间；所述四个程序对电流上升率信号产生的延迟时间分别为滤波与放大电路单元小于30 μ s，采样保持单元2和比较与限幅电路单元分别小于10 μ s，跳闸信号产生电路单元小于60 μ S。所述的下限比较器、上限比较器、预设值比较器为各包括两个可预设阈值的比较器。所述的CPU —端与PC机连接，另一端还通过D/A转换器与下限比较器、 上限比较器、预设值比较器连接。所述的D/A转换器包括D/A —和D/A 二及D/A三；D/A — 与下限比较器3. 1连接，D/A 二与预设值比较器连接，D/A三与上限比较器连接。对本实用新型故障快速识别装置的结构、功能、原理和效果相关内容再作进一步说明如下本实用新型故障快速识别装置能在100 μ s内识别故障电流并发出跳闸指令，切断故障回路，保护电力系统供电设备。如图2所示，主回路电源8信号经断路器9流过传感器10(罗果夫斯基线圈)得到电流上升率信号1. 1，如图1所示，经低通滤波器1. 2进行低通滤波，获得较为理想的信号，然后放大器1. 3对该信号放大，以便获得合适的电压信号和足够的驱动能力，滤波与放大电路单元对信号产生的延迟不超过30 μ s。滤波放大后的电流上升率信号1. 1共分两路，其中一路进入采样保持单元2 (由CPU4提供的脉宽调制器触发)， 利用采样保持单元2的电路的记忆功能，可记录较早时刻(前周期10μ s)的电流上升率值， 采样脉冲为IOOkHz (周期为10ys)，采样保持单元2对信号产生的延迟不超过10 μ s，即保持为前周期10 μ s的电流上升率信号1. 1。另一路为滤波放大后的电流上升率信号1. 1， 即为当前周期10 μ s的电流上升率信号1. 1。随后两路电流上升率信号1. 1分别进入比较与限幅电路单元3，通过下限比较器一 3. 11、下限比较器二 3. 12、上限比较器一 3. 21、上限比较器二 3. 22，主要是将超出预设的电流上升率监测范围的信号滤除，如此可滤掉部分瞬态干扰，只对预设范围内的电流上升率信号1. 1做故障识别与保护；比较器检测预设范围内的电流上升率信号1. 1，通过预设值比较器一 3. 31、预设值比较器二 3. 32与给定的电流上升率预设值比较，大于预设值时输出高电平信号。然后通过与门一 3. 41、与门二 3. 42、与非门3. 5、与门三3. 43对比较后的输出电平信号作逻辑运算，输出故障信号(高电平有效， 低电平无效)，CPU 4捕获故障信号后，作逻辑处理，即作6个周期(60 μ s)判断分析，6次故障信号4次有效就发出跳闸指令。然后在跳闸信号产生电路单元5发出跳闸信号12，通过光耦发出跳闸信号12 —电气信号，通过光纤接口发出跳闸信号12 —光信号，跳闸信号产生电路单元对信号产生的延迟不得超过60 μ S。图3为本实用新型CPU与下限比较器及上限比较器和预设值比较器连接关系原理框图。本实用新型故障快速识别装置对电流上升率信号1.1通过设定滤波次数可获得较高的动作准确性，提高故障快速检测的可靠性；可对电流上升率信号1.1的监测范围和预设值进行自由设定，扩大了故障快速检测的应用场合；如图3所示在PC机6通过通讯口 (RS485或/CAN)设置发送设定和读取指令到CPU 4上，后经D/A转换器7，输出给比较器 (下限比较器一 3. 11、下限比较器二 3. 12、预设值比较器一 3. 31、预设值比较器二 3. 32、上限比较器一 3. 21、上限比较器二 3. 22 )，可对电流上升率的上限、下限、预设值进行读取和设定。本实用新型权利要求保护范围不限于上述实施例。
权利要求1.一种故障快速识别装置，其特征在于，它包括滤波与放大电路单元(1)、采样保持单元(2)、比较与限幅电路单元(3)、CPU (4)和跳闸信号产生电路单元(5)；滤波与放大电路单元(1)有一个一端用于联通感应线圈(10)获得预设的电流上升率信号(1.1)而另一端连接放大器(1. 的低通滤波器(1.2);放大器(1. 的另一端分别连接比较与限幅电路单元(3)的下限比较器一(3. 11)、上限比较器一(3. 21)、预设值比较器一(3. 31)，以及与采样保持单元(2)连接；采样保持单元(2)另一端分别与比较与限幅电路单元(3)的下限比较器二(3. 12)、上限比较器二(3. 22)、预设值比较器二(3. 32)连接；比较与限幅电路单元(3) 还有与门(3. 4)及与非门(3. 5);与门一(3. 41) 一端分别与下限比较器一(3. 11)及下限比较器二(3. 12)连接，与门二(3. 42) 一端分别与预设值比较器一(3. 31)及预设值比较器二 (3. 32)连接，与非门(3. 5)—端分别与上限比较器一(3. 21)及上限比较器二(3. 22)连接； 与门一、与门二及与非门的另一端均连接与门三(3. 43)的同一端；与门三(3. 43)的另一端与CPU (4)连接，CPU (4)另一端与跳闸信号产生电路单元(5)连接；所述采样保持单元(2) 还与CPU (4)的脉宽调制器(4. 1)联通。
2.根据权利要求1所述的故障快速识别装置，其特征在于，所述的采样保持单元(2)是一个能预设采样频率，对电流上升率信号(1. 1)进行采集和保持的信号处理电路。
3.根据权利要求1所述的故障快速识别装置，其特征在于，所述的跳闸信号产生电路单元(5)与断路器(9)联通，用于输出跳闸信号(12)。
4.根据权利要求1所述的故障快速识别装置，其特征在于，滤波与放大电路单元(1)， 及采样保持单元(2)和比较与限幅电路单元(3)，还有跳闸信号产生电路单元(4)共四个程序对电流上升率信号(1. 1)产生的延迟时间累计小于100 μ s，该时间为识别故障电流时限，即为发出跳闸指令时间；所述四个程序对电流上升率信号(1. 1)产生的延迟时间分别为滤波与放大电路单元(1)小于30μ s，采样保持单元(2)和比较与限幅电路单元(3)分别小于10 μ s，跳闸信号产生电路单元(4)小于60 μ S。
5.根据权利求1所述的故障快速识别装置，其特征在于，所述的下限比较器(3.1)、上限比较器(3. 2)、预设值比较器(3. 3)为各包括两个可预设阈值的比较器。
6.根据权利求1所述的故障快速识别装置，其特征在于，CPU(4)—端与PC机(6)连接， 另一端还通过D/A转换器(7)与下限比较器(3. 1)、上限比较器(3. 2)、预设值比较器(3. 3) 连接。
7.根据权利求6所述的故障快速识别装置，其特征在于，D/A转换器(7)包括D/A— (7. 1)和 D/A 二(7. 2)及 D/A 三(7. 3);D/A —(7. 1)与下限比较器(3. 1)连接，D/A 二(7. 2) 与预设值比较器(3. 3)连接，D/A三(7. 3)与上限比较器(3. 2)连接。
专利摘要本实用新型涉及一种故障快速识别装置，用于电力系统的故障快速检测。它包括滤波与放大电路单元、采样保持单元、比较与限幅电路单元、CPU和跳闸信号产生电路单元；滤波与放大电路单元有一个一端用于联通感应线圈获得预设的电流上升率信号而另一端连接放大器的低通滤波器；采样保持单元另一端分别与比较与限幅电路单元的下限比较器二、上限比较器二、预设值比较器二连接；比较与限幅电路单元还有与门及与非门；采样保持单元还与CPU的脉宽调制器联通。本实用新型优点是对设定范围内的电流上升率实现快速检测，能在100μs内识别故障电流并发出跳闸指令，切断故障回路，保护电力系统供电设备；该跳闸指令具备电气信号和光信号。
文档编号G01R31/02GK202305715SQ20112029336
公开日2012年7月4日 申请日期2011年8月13日 优先权日2011年8月13日
发明者李世学, 王小进, 赵喜军 申请人:武汉长海电气科技开发有限公司