专利名称：具有相重构功能的电子跳闸装置和包括该跳闸装置的断路器的制作方法
技术领域：
本发明涉及具有相重构(reconstitution)功能的跳闸装置，还涉及包括这种跳闸装置的断路器。
具有相重构功能的跳闸装置一般包括在两个主相导体上设置的两个传感器，当电力系统为三相系统时，重构表示第三相的信号。各传感器也可以围绕在两个主导体周围，使电流的测量可表示两相电流之和。在美国专利US5777835和US5815357中特别披露了跳闸装置的这些类型。
为了重构未测量的相，供给电流信号的采样装置按规则的间隔采样。然后，包括微处理器的处理装置逐点计算漏相信号。
在这种处理模式中，漏相的计算不容易足够精确。电流传感器，例如磁路电流变压器实际上包括非线性响应。响应的非线性实际上是由于大电流下磁路的饱和造成的。
因此，一旦主导体中的电流增加，逐点重构就变得不精确。
本发明的目的在于提供具有在宽测量范围内可实现重构精度的相重构功能的电子跳闸装置。
在根据本发明的跳闸装置中，相重构装置包括第一确定装置，用于确定表示由两个传感器提供的电流信号幅度的信号，第二确定装置，用于确定在表示由两个传感器提供的信号的信号之间相移的信号，和第三确定装置，与第一和第二确定装置连接，用于根据表示幅度的信号和表示由两个传感器提供的信号的相移信号确定表示重构的相电流的信号。
在优选实施例中，第二确定装置包括用于计算表示由两个传感器提供的信号的信号之间的相移的余弦的装置。
第二确定装置最好包括用于确定由电流传感器提供的信号在预定方向上通过零时的时间的装置，所述时间在第一信号通过零时为第一时间，在第二信号通过零时为第二时间，而在第三信号通过零时为第三时间，表示相移的信号与第一和第二时间之间的时间与相应于第一信号周期的第一和第三时间之间的时间之比值略成正比。
在优选实施例中，第三确定装置包括计算乘积信号的第一装置，用于计算表示幅度的信号和表示相移的信号的乘积。
此外，第三确定装置包括用于计算和信号的第二装置，以便计算幅度信号的平方与乘积信号之和。
跳闸装置最好包括用于确定零相序列电流的装置，该装置包括设置在所有主导体上的电流传感器。
在优选实施例中，当由两个传感器提供的至少一个电流信号超过第一预设定阈值时，用于使用由第三确定装置提供的信号重构的装置。
各电流传感器最好围绕在两个主导体周围。
在四极的实施例中，跳闸装置包括设置在被保护的主导体上的至少三个传感器，第一确定装置确定表示由传感器提供的电流信号幅度的信号，而与第一和第二确定装置连接的第三确定装置确定表示相电流的信号，该信号根据表示幅度的信号、表示由两个传感器提供的信号的相移的信号和由第三传感器提供的信号重构。
根据本发明实施例的断路器包括与主导体串联连接的至少三个触点和具有上述特征的跳闸装置。
根据仅作为非限定性实例给出且用附图表示的本发明特定实施例的以下说明，将更清楚本发明的其它优点和特征，其中
图1表示具有公知类型重构功能的跳闸装置的线路图；图2表示按照本发明实施例的具有重构功能的跳闸装置的线路图；图3表示来自两个电流传感器的输出信号和相移检测模式；图4表示具有至少两个重构区域的本发明实施例的跳闸装置的跳闸曲线；图5表示按照本发明实施例的具有相重构功能的跳闸装置的操作流程图；图6和图7表示用于包括四极断路器的本发明跳闸装置的另一实施例。
图1的电子跳闸装置包括与两个电流传感器2和3连接的处理单元1，接收表示在被保护的导体36中流动的电流Ip1、Ip2和Ip3的信号Is1和Is3。
信号Is1和Is3被施加在电流信号处理电路4的输入端。处理电路4将表示由电路4测量和处理的电流的信号提供给跳闸功能处理电路5。
与处理电路4和5连接的重构电路6接收表示被测电流的信号，并提供表示重构相的信号。因此，在图1的装置中，处理电路5接收表示在被保护导体中流动的三相电流的信号。
处理电路5实现跳闸功能，当它接收的电流信号在预定时间期间超过阈值时，就将跳闸信号提供给继电器7。跳闸功能有明显长延迟跳闸功能、短延迟跳闸功能和瞬间跳闸功能。然后，继电器通过打开机构控制触点8的打开。
电流传感器2或3一般包括产生非线性响应的磁路。例如，当初级导体36中流动的电流增加时，电流变压器就达到饱和。在这种情况下，在各电流采样时的逐点重构容易产生错误的相重构信号。
根据本发明的一个实施例的跳闸装置有改善的重构装置，当电流信号失真时，该装置防止或限制重构误差。
图2表示根据本发明一个实施例的跳闸装置。传感器2和3分别设置在主初级导体36上，以测量该图中相1的电流和相3的电流。这些传感器2和3在特别的电流变压器中，其次级绕组提供分别在测量电阻器9和10中流动的电流。
表示电流Ip1和Ip3的信号Is1和Is3被施加在例如确定所述电流信号的均方根值(rms)I1和I3的处理电路4上。
在图2的实施例中，重构电路接收信号Is1和Is3，提供重构信号I2。
信号Is1和Is3被施加在确定分别表示信号Is1和Is3的幅度信号Ia1和Ia3的模块11和12上。例如，信号Ia1和Ia3可以由一个峰值检测器来检测。来自传感器例如电流变压器的响应比瞬间值的响应或均方根值的响应更线性并且失真更小。
在本发明的另一实施例中，幅度Ia1和Ia3的值也可以根据电路4提供的均方根值I1和I3来确定，例如求出所述值的平方根。还可以通过完成信号Is1和Is3的滤波或傅立叶变换来确定Ia1和Ia3。
信号Ia1和Ia3被施加在确定幅度信号Ia1和Ia3的平方Ia12和Ia32的模块13和14上。
重构电路6包括接收表示信号Is1和Is3的信号，以根据所述信号Is1和Is3之间的相移来确定信号F()的模块15。
最好模块15确定信号Is1和Is3之间的相移信号，然后确定相移信号的余弦。余弦值可以乘以系数2。
幅度信号Ia1和Ia3及信号F()被施加在使所述信号相乘的模块16上。
模块16提供表示幅度信号Ia1和Ia3及信号F()的乘积的信号P。
然后，求和模块17求出幅度信号的平方Ia12和Ia32与乘积信号P之平方和。因此，模块17提供表示增加至二次方的重构相幅度的信号Ia22。
信号Ia22施加在计算所述信号Ia22的平方根Ia2的模块18上。然后，模块19确定表示重构相电流Ip2的重构信号的均方根值I2。
由电路4提供的信号I1、I3和重构信号I2提供给跳闸功能处理电路5。
以下公式表示由图2所示本发明特定实施例中的重构电路确定的信号。
式(1)表示取决于相移信号的信号F()。
F()＝2*cos() (1)式(2)表示信号Ia12、Ia32和F()乘积的信号P。
P＝2*Ia1*Ia3*cos() (2)式(3)表示重构重构的相电流幅度的平方值的信号Ia22。
Ia22＝Ia12+Ia32+(2*Ia1*Ia3*cos()) (3)式(4)表示重构相电流幅度的信号Ia2。
式(5)表示重构相的均方根电流的信号I2。
如果初级电流Ip1、Ip2和Ip3的矢量和大致为零，那么零相序列电流检测装置20就可以容易地检测出来。在图2的实施例中，如果电流Ip2在没有通过Ip1或Ip3返回的情况下在电路中流动，那么该电流实际上不被重构。
因此，即使信号电流在未测量的相中流动，与零相序列电流传感器21连接的检测电路20也可以保护电子电路。
当表示零相序列电流的信号超过预定阈值时，装置20可以直接控制继电器7。也可以将装置20集成在具有接地或零相序列保护跳闸功能的特定装置中。
图3表示信号Is1和Is3，以及所述信号之间相移的检测模式。例如，在时间t1时，信号Is1通过零并上升。然后，在时间t2时，信号Is3通过零并上升。随后，在时间t3时，信号Is1再次通过零并上升。
在根据本发明一个实施例的跳闸装置中，通过检测时间t1和t3(t3-t1)之间经过的时间来确定相信号的周期，通过计算时间t1和t2之间经过的时间(t2-t1)与周期(t3-t1)的比率来确定相移信号S()。相移信号S()可以按式(6)表示如下S()＝(t3-t1)/(t2-t1) (6)在这种情况下，信号S()可以取0和1之间的值，表示在0和360度之间或在0和2π弧度之间的相移。
为了提高跳闸装置的性能，重构装置可以根据来自传感器的电流按不同方式来操作。例如，在传感器中达到第一电流电平的普通方式的重构可以按照本发明的一个实施例在第一电流电平和第二电流电平之间操作，然后，当电流超过第二电流或瞬间跳闸阈值时，在没有重构情况下按瞬间跳闸操作。
根据本发明一个实施例的跳闸装置可以根据图4所示的跳闸曲线所示出的区域操作。例如，在小于第一阈值S1的第一区域22中，跳闸装置按照第一重构模式来操作。
在大于第一阈值和小于第二阈值S2的第二区域23中，跳闸装置按照图2所示的重构模式来操作，而超过阈值S2时，跳闸装置在没有重构的情况下在区域24中操作。例如，第一阈值S1可以是跳闸装置额定电流In的约五倍，而第二阈值S2可以是额定电流In的十倍。
图5表示根据本发明一个实施例的具有相重构功能的跳闸装置的操作流程图。
在步骤25中，跳闸装置确定测量电流的幅度Ia1和Ia3。然后，在步骤26中，对测量的电流与阈值S1进行比较，以确定重构模式。如果超过阈值S1，那么按照使用测量电流幅度的重构模式来完成重构。
在步骤27中在时间t1检测通过零并上升的电流Is1。然后，在步骤28中在时间t2检测通过零并上升的电流Is2。在步骤29中，计算时间t2-t1，确定相移。
在步骤30中，在时间t3检测再次通过零并上升的信号Is1。也可以把该时间t3看成新的时间t1(n+1)，用于在后面的循环中计算相移。
在步骤31中完成信号Is1(t3-t1)周期的计算。步骤32可以存储时间t3，作为在后面循环的计算中使用的时间t1。
在步骤33中，计算表示相移的信号F()。然后，在步骤34中，例如根据式(5)表示的计算来计算重构信号I2。
在使用电流信号I1、I2和I3的步骤35中处理跳闸功能。
图6和图7表示根据本发明跳闸装置的另一实施例，用于包括四极的断路器。在这些图中，四极例如为三相和中性点。因此，在图6和图7中，电流传感器37对处理电路4提供表示初级中性电流Ipn的信号Isn。在这种情况下，重构电路6还接收表示信号Isn的信号，而处理电路5接收表示由电路4处理的中性电流的信号In。
在这些实施例中，重构电路6根据信号Is1、Is3和Isn提供重构信号I2。电路6最好在两个步骤中重构信号I2的值。
在第一步骤中，根据幅度信号Ia1和Ia3和相移信号3、cos(3)或信号Is1和Is3之间的F(3)来确定中间值I0。例如，最好按式(4)来确定中间信号I0的幅度信号Ia0。
式(7)表示重构的中间信号幅度的信号Ia0。
信号Ia0的相移0可以按式8、9或10来确定。
在第二步骤中，根据取决于Ia1、Ia3和表示信号Isn幅度的中性信号的中间幅度信号Ia0，以及相移信号0cos(0)或信号Is0和Isn之间的F(0)来确定重构相信号的幅度值Ia2和/或均方根值I2。最好按照与式3、4、5和7定义的相同的方法来完成信号I2或Ia2的确定。因此，即使在四极断路器的实施例中，也可以根据给出I0的Is1和Is3的幅度和取决于信号Is1和Is3之间相移的相移0来重构I2的值，信号Isn被用在附加步骤中。
以上实施例中的所有电路和模块都可以聚合在一个电路上和集成在断路器中。
这些电路可以按模拟和/或数字形式来实现。
所有功能可以用硬件方式或在微处理器或微控制器中编程来实现。
传感器2和3可以各围绕在一个或两个导体周围，以测量初级电流。当传感器围绕在两个导体周围时，可以按所有结构形式实施电流传感器的跳闸装置的动力供给。
可以通过电流传感器2和3，通过辅助电源和/或零相序列电流传感器来提供跳闸装置。
使用重构电流信号的其它功能可以与跳闸装置有关。
例如，这些功能可以显示电流值或通信功能。
上述跳闸装置最好集成在三相断路器中，但也可以单独实现和作为保护继电器来操作。
权利要求
1.一种具有相重构功能的跳闸装置，包括设置在被保护的主导体(36)上的至少两个传感器(2，3)，和处理单元(1)，包括装置(4)，用于处理与传感器连接的电流信号；用于相重构的装置(6)，接收表示由传感器提供的电流信号的信号(Is1，Is3)；用于处理跳闸功能的装置(5)，与用于处理电流信号的装置连接和与用于重构的装置连接，跳闸装置的特征在于，用于相重构的装置包括第一确定装置(11、12、25)，确定表示由两个传感器提供的电流信号(Is1、Is3)幅度的信号(Ia1、Ia3)，第二确定装置(15、27-33)，确定在表示由两个传感器提供的信号(Is1、Is3)之间表示相移的信号(F()S()、cos()、()、(0))，和第三确定装置(13、14、16、17、34)，与第一和第二确定装置连接，确定表示相电流的信号(Ia22、Ia2、I2)，该信号(Ia22、Ia2、I2)根据表示幅度的信号和表示由两个传感器提供的信号的相移的信号重构。
2.如权利要求1的跳闸装置，其特征在于，第二确定装置包括装置(15、33)，用于计算在表示由两个传感器提供的信号(Is1、Is3)的信号之间的相移的余弦。
3.如权利要求1或2的跳闸装置，其特征在于，第二确定装置包括用于确定时间的装置，确定由电流传感器提供的信号在预定方向上通过零时的时间，所述时间在第一信号(Is1)通过零时为第一时间(t1)，在第二信号(Is3)通过零时为第二时间(t2)，而在第一信号(Is1)再次通过零时为第三时间(t3)，表示相移的信号与第一时间(t1)和第二时间(t2)之间的时间(t2-t1)与相应于第一信号周期的第一时间(t1)和第三时间(t3)之间的时间(t3-t1)之比值略成正比。
4.如权利要求1至3中任一项的跳闸装置，其特征在于，第三确定装置包括用于计算乘积信号(P)的第一装置(16)，以便计算表示幅度的信号和表示相移的信号的乘积。
5.如权利要求4的跳闸装置，其特征在于，第三确定装置包括用于计算和信号(Ia22)的第二装置(17)，以便计算幅度信号平方(Ia12、Ia32)与乘积信号(P)之和。
6.如权利要求1至5中任一项的跳闸装置，其特征在于，跳闸装置包括用于确定零相序列电流的装置(20)，该装置(20)包括设置在所有主导体上的电流传感器(21)。
7.如权利要求1至6中任一项的跳闸装置，其特征在于，当由两个传感器提供的至少一个电流信号(Is1、Is3)超过第一预定阈值(S1)时，用于重构的装置使用由第三确定装置提供的信号。
8.如权利要求1至7中任一项的跳闸装置，其特征在于，各电流传感器(2、3)围绕在两个主导体周围。
9.如权利要求1至8中任一项的跳闸装置，其特征在于，跳闸装置包括设置在被保护的主导体(36)上的至少三个传感器(2、3、37)；第一确定装置(11、12、25)，确定表示由传感器提供的电流信号(Is1、Is3)幅度的信号(Ia1、Ia3)；与第一和第二确定装置连接的第三确定装置(13、14、16、17、34)确定表示相电流的信号(Ia22、Ia2、I2)，该信号(Ia22、Ia2、I2)根据表示幅度(Ia1、Ia3)的信号、表示两个传感器(2、3)提供的信号相移(、0)的信号和由第三传感器(36)提供的信号(Isn)重构。
10.一种断路器，包括与主导体(36)串联连接的至少三个触点(8)，其特征在于，该断路器包括权利要求1至9中任一项的跳闸装置。
全文摘要
一种具有相重构功能的跳闸装置,包括处理单元(1),该处理单元包括相重构装置(6),接收表示由传感器提供的电流信号的信号(Is1,Is3)。相重构装置包括装置(11、12、25),确定表示由两个传感器提供的电流信号(Is1、Is3)幅度的信号(Ia1、Ia3);装置(15、27—33),确定表示在由两个传感器提供的信号之间相移的信号(F(φ)S(φ)、cos(φ)),和确定表示相电流的信号(Ia
文档编号H02H3/08GK1270430SQ00106440
公开日2000年10月18日 申请日期2000年4月10日 优先权日1999年4月14日
发明者多米尼克·鲍多德 申请人:施耐德电器工业公司