差动保护设备和方法以及包括这种设备的电气装置与流程

本发明涉及一种差动保护设备，包括：

-差动电流测量传感器，以及

-差动故障处理单元，连接到所述测量传感器，以接收差动电流测量信号并且将跳闸信号递送到致动器，所述处理单元包括：

-差动故障检测模块，接收表示差动电流的信号并递送表示差动故障阈值超标(thresholdexceedance)的信号，

-跳闸延迟模块，由所述差动故障检测模块控制，以当所述差动故障阈值被超过时激活所述跳闸延迟，以及

-用于检测高能量信号的模块。

本发明涉及一种差动保护方法，包括：

-测量表示差动电流的信号，

-差动故障处理，以当差动故障信号超过预定跳闸阈值达预定持续时间时递送跳闸信号，以及

-检测高能量差动信号。

本发明还涉及一种电开关装置，包括与主触头串联连接的主导体、用于打开所述主触头的机构、以及用于在差动电气故障的情况下控制所述主触头的打开的差动保护设备。

背景技术：

已知的差动保护设备(诸如图1的示图中所示的那些)包括连接到处理电路2的差动电流id测量传感器1，以通过跳闸继电器4使主触头3的开口跳闸。当差动保护设备不属于必须以其自身电流操作的设备的类别时，处理电路一般由电源电路5供电。测量传感器1一般包括由围绕主导体7的磁性材料制成的环面6、以及将表示差动电流idp的测量电流id递送到传感器的初级绕组的次级绕组8。次级电流id流过测量电阻器9，以向处理电路递送表示次级电流id的测量信号vd。由两个头尾连接的二极管10表示的电压限制器限制信号vd的电压，以保护处理电路。

施加到主导体并生成高差动电流的高能量扰动可以干扰电流传感器1的操作。这种差动电流具体是由于短持续时间发生的高值差动故障，例如高于跳闸阈值几倍的故障。一些电流可以达到几安培。其它干扰电流是由于关于标准曲线(例如8/20)的粘附测试的放电所引起的电流或者是由于主导体与质块或地之间的实际放电。

短持续时间的高差动电流不得使主触头的开口跳闸，尤其是当差动保护设备处于配电头处时。这种类型的设备常常包括跳闸延迟，以确保位于下游的差动保护装置的选择性。

具体地，当电流传感器是具有磁路的环面时，即使在主导体上的高差动电流已经消失之后，存储在传感器中的能量也继续递送次级电流id。这种残留的次级电流被处理电路视为正在进行的故障电流，并且即使故障已经消失也会引起跳闸。在这些情况下，延迟可能无法确保对非常高能量的干扰电流具有足够的抗扰度。因此，这种非常高能量的干扰电流会影响选择性保护设备的选择性。

文献ep2352213描述了一种用于减轻这种缺点的解决方案。这包括只要测量信号在干扰波之后没有回到接近零的值就抑制跳闸。这种解决方案对于其磁路由常规材料(诸如feni(铁-镍))制成的测量传感器正确地操作。

但是，对于诸如铁氧体之类的其它材料，在传感器的次级绕组上恢复的能量非常高。在这种情况下，上述解决方案不再足以覆盖所有操作配置。

技术实现要素：

本发明的主题是具有对干扰电流非常高的抗扰度的差动保护设备和方法。

在根据本发明的差动保护设备中，包括：

-差动电流测量传感器，以及

-差动故障处理单元，连接到所述测量传感器，以接收差动电流测量信号并且将跳闸信号递送到致动器，所述处理单元包括：

-差动故障检测模块，接收表示差动电流的信号并递送表示差动故障阈值超标的信号，

-跳闸延迟模块，由所述差动故障检测模块控制，以在所述差动故障阈值被超过时激活所述跳闸延迟，以及

-用于检测高能量信号的模块，

所述跳闸延迟模块连接到所述用于检测高能量信号的模块，并且包括跳闸延迟管理，用于取决于高能量信号存在的检测来监测跳闸延迟的持续时间。

在一个具体实施例中，所述跳闸延迟模块包括：

-当用于检测高能量信号的模块检测到第一高能量波时被控制的长或慢延迟，以及

-只要未检测到第一波或者当检测到连续的(asuccessionof)高能量波时默认的短或快延迟。

优选地，所述用于检测高能量信号的模块包括至少一个高于差动保护阈值的高能量信号检测阈值，以控制到长或慢延迟的改变。

有利地，所述用于检测高能量信号的模块包括：

-至少一个第一高能量信号检测阈值，其高于差动保护阈值，以控制到长或慢延迟的改变，

-至少一个第二高能量信号检测下限阈值，其高于差动保护阈值，以控制到快或短延迟的改变。

优选地，所述用于检测高能量信号的模块包括：在比要被保护的电网的ac信号的半周期短的预定持续时间内对高能量信号检测监测的抑制。

优选地，所述跳闸延迟模块包括跳闸延迟管理，其包括用于监测跳闸延迟的持续时间的计数器，所述计数器具有用于慢或快延迟的增量和用于记忆效应的减量，当检测到差动故障时控制慢或快延迟，并且当所述差动故障不再存在时控制记忆功能。

有利地，所述计数器具有用于短或快延迟的高增量以及用于长或慢延迟的低增量。

有利地，所述计数器具有用于短或快延迟的下限目标值以及用于长或慢延迟的上限目标值。

优选地，差动电流测量传感器是包括由铁氧体材料制成的磁路的传感器。

有利地，所述差动保护设备与用于防止电弧的设备相关联，所述差动保护设备和所述电弧保护设备具有共同的差动电流测量传感器。

根据本发明的、包括与主触头串联连接的主导体和用于打开所述主触头的机构的电开关装置包括上面定义的差动保护设备，该差动保护设备包括取决于高能量信号存在的检测的跳闸延迟管理，所述测量装置位于主导体周围，以测量差动电流，并且所述致动装置与所述打开机构交互。

根据本发明的差动保护方法包括：

-测量表示差动电流的信号，

-差动故障处理，以当差动故障信号超过预定跳闸阈值达预定持续时间时递送跳闸信号，

-检测高能量差动信号，

包括跳闸延迟的管理，以取决于高能量信号存在的检测来监测延迟持续时间，当检测到第一高能量波时所述延迟改变为长延迟。

优选地，只要未检测到第一波或者当检测到连续的高能量波时，跳闸延迟的所述管理就默认地控制所述跳闸延迟到短延迟的改变。

优选地，高能量信号的所述检测包括在比要被保护的电网的ac信号的半周期短的预定持续时间内对高能量信号检测监测的抑制。

有利地，所述跳闸延迟管理包括用于监测跳闸延迟的持续时间的计数器，所述计数器具有用于慢或快延迟的增量和用于记忆效应的减量，当检测到差动故障时控制慢或快延迟，并且当差动故障不再存在时控制记忆功能。

附图说明

从以下对本发明的具体实施例的描述中，其它优点和特征将变得更加清楚，这些描述通过非限制性示例给出并在附图中示出，其中：

-图1示出了已知的差动保护设备的示图；

-图2示出了根据本发明第一实施例的差动保护设备的示图；

-图3示出了根据本发明第二实施例的、与电弧保护设备相关联的差动保护设备的示图；

-图4示出了根据本发明第三实施例的差动保护设备的示图；

-图5示出了根据本发明一个实施例的用于控制差动保护设备的延迟计数器的第一模式的示图；

-图6示出了根据本发明一个实施例的用于控制差动保护设备的延迟计数器的第二模式的示图；

-图7a至7c示出了根据本发明一个实施例的差动保护设备中具有干扰信号的信号；

-图8a至8c示出了根据本发明一个实施例的差动保护设备中具有高信号且无干扰的信号；

-图9a至9c示出了根据本发明一个实施例的差动保护设备中具有连续高能量信号的信号；

-图10示出了根据本发明的方法中的延迟管理的流程图；

-图11示出了根据本发明的方法中的差动保护的流程图。

具体实施方式

诸如图1中所示的差动保护设备包括差动电流测量传感器1和连接到测量传感器的差动故障处理电路2，以接收测量信号id或vd并且递送跳闸信号d。将测量信号id或vd与至少一个跳闸阈值sd进行比较，以检测差动故障。然后，如果超过跳闸阈值达预定的延迟持续时间td，则处理电路递送跳闸信号d。在一些情况下，延迟可以非常低或者是零。

当差动电流由非常高能量的波或电流生成时，传感器的磁路饱和并存储一定量的能量，然后该能量在传感器的次级绕组上恢复。一些具有长延迟或阻止保护的设备防止不合时宜的跳闸。但是，当传感器用诸如铁氧体的高能量材料生产时，已知的解决方案不再足够。例如，过长的延迟或阻止将与标准跳闸时间不兼容。而且，具有电源的系统需要较短的延迟和处理时间，以减轻由于电源的增加和由于电子电路的初始化而引起的延迟。这些操作情况具体涉及在差动电气故障时电气装置的关闭。

为了减轻这些缺点，根据本发明的设备包括跳闸延迟的管理。因此，如果检测到第一干扰波，则跳闸延迟变为长延迟以抗扰，并且如果检测到连续干扰波，则延迟变回短延迟，因为这指示存在要在标准跳闸时间内防范的电气故障。

图2示出了电气开关装置的示图，该电气开关装置包括与主触头3串联连接的主导体7和用于打开该主触头的机构4b。在这个示图中，该装置包括根据本发明第一实施例的差动保护设备，该差动保护设备包括位于主导体7周围以测量差动电流id的差动电流测量传感器1、处理单元2和与打开机构4b交互的跳闸继电器4。

图2示出了根据本发明第一实施例的差动保护设备的示图。差动保护设备包括差动电流id测量传感器1和连接到所述测量传感器、以接收差动电流测量信号id并且将跳闸信号d递送到致动器4以使机构4b跳闸用于打开触点3的差动故障处理单元2。

处理单元包括：

-差动故障检测模块20，接收表示差动电流id的信号并递送表示差动故障阈值sd超标的信号did，

-跳闸延迟模块21，由差动故障检测模块20控制，以在所述差动故障阈值被超过时激活所述跳闸延迟，以及

-模块22，用于检测干扰所述测量传感器1的高能量信号。

为了保证对高能量波的抗扰性，同时保证正常的跳闸时间，跳闸延迟模块21连接到该用于检测高能量信号的模块22并且包括跳闸延迟管理，用于取决于高能量信号存在的检测来监测跳闸延迟的持续时间。默认的延迟优选地是允许正常跳闸延迟时间的短延迟。如果检测到高能量波，则控制延迟以操作为长或慢延迟。这种长或慢延迟使得可以允许存储在磁路中的干扰波和信号通过而不会使装置的开口(opening)跳闸。如果检测到多个连续波，则控制延迟以改变回短延迟，因为在这种情况下信号饱和但是表示高值电气故障。短或快延迟例如是大约12ms(毫秒)，而慢或长延迟大约是40ms。高能量差动信号例如是高于150ma的电流，这是阈值30ma差动阈值的大约5倍。用于检测高能量信号的下限阈值(lowerthreshold)将小于150ma。对于旨在保护人的应用，用于检测差动故障的阈值将大约是30ma。

在以下描述中，标号id表示传感器的初级绕组处的值和次级绕组处的值的所有差动电流表示。id可以表示ac、经整流、经滤波、模拟和/或数字差动电流值。这同样适用于相关联的差动阈值sd。

图3示出了根据本发明第二实施例的、与电弧保护设备相关联的差动保护设备的示图。电流传感器1包括连接到调理电路23的次级绕组8。这个电路23具体包括图1中所示的二极管10和电阻器9。接下来，在处理单元2的输入端处施加表示差动电流id的信号。模块24对信号id进行整流。然后，差动故障检测模块20包括比较器25，用于将经整流的iidi信号id与差动故障阈值sd进行比较。在模块20的输出端处，延迟模块21被控制，以执行延迟或记忆(memory)功能。如果差动电流id或经整流的差动电流iidi超过检测阈值sd，则启动跳闸延迟，如果不是，则延迟保持不变或通过递减前延迟的信号的值来执行记忆功能。记忆功能由模块26执行。在图3中，用于检测高能量信号的模块22接收差动电流信号id。在这种具体情况下，其是经整流的信号iidi。这个差动信号在比较器27中与高能量信号检测阈值sp进行比较。用于检测高能量信号的模块22的输出被施加于延迟模块21，以改变延迟或延迟的类型。在用于管理延迟的模块28中执行延迟的改变。如果检测到第一波或第一高能量信号，则控制延迟，以操作为长或慢延迟。如果不是，则默认地或者当连续高能量波的时候延迟快或短。例如，在第一高能量波处，延迟变长。然后，当第二高能量波的时候，延迟切换回短延迟，因为其是表示差动故障的一系列高能量波。

为了控制到慢或长延迟的改变，用于检测高能量信号的模块22的高能量信号检测阈值sp高于差动保护阈值sd。

在图3的实施例中，差动保护设备2在这种具体情况下与用于防止电弧的设备29相关联。所述差动保护设备和所述电弧保护设备优选地具有共同的差动电流测量传感器8。差动电流测量传感器8优选地是包括由铁氧体材料制成的磁路6的传感器。由铁氧体制成的磁路还具有比由铁-镍制成的磁路便宜的具体特征。但是，本发明也适用于所有类型的磁性材料，诸如例如具有由铁-镍制成、用于提高对干扰信号的抗扰度的磁路的设备。

图4示出了根据本发明第三实施例的差动保护设备的示图。用于检测高能量信号的模块22包括：

-至少一个第一高能量信号检测上限阈值spa，该上限阈值spa高于差动保护阈值sd，以控制到长或慢延迟的改变，以及

-至少一个第二高能量信号检测下限阈值spb，该下限阈值spb高于差动保护阈值sd，以控制到快或短延迟的改变。

因此，经整流的iidi差动电流信号id被施加到两个比较器27a和27b。第一比较器27a将差动信号与第一上限阈值spa进行比较。如果该上限阈值被超过，则控制慢或长延迟28a。第二比较器27b将差动信号与第二下限阈值spb进行比较。如果在前一周期中第一上限阈值已经被超过时该下限阈值被超过，则控制快或短延迟28b。为了改进延迟切换的操作，用于检测高能量信号的模块22包括在比要被保护的电网的ac信号的半周期短的预定持续时间内对高能量信号检测监测的抑制30。该抑制持续时间优选为大约5ms。在图4中，由比较器27a的输出控制抑制。当控制长延迟时，在预定的等待时间之后控制返回短延迟；这种返回在图4中由模块31示出。

跳闸延迟模块21包括跳闸延迟的管理，包括用于监测跳闸延迟的持续时间的计数器35。该计数器以用于慢或快延迟的增量和用于记忆效应的减量来操作。当检测到差动故障时控制慢或快延迟，并且在差动故障不再存在的情况下控制记忆功能。为了改进差动故障检测的操作，模块20在差动电流信号输入端上包括低通滤波器32。优选地，滤波器的时间常数非常低，大约是2ms，以不增加处理时间。

图5示出了根据本发明一个实施例的用于控制差动保护设备的延迟计数器35的第一模式的示图。该计数器包括连接到时钟36的输入端ck和连接到差动故障检测模块20的输出端的输入端，以在故障的情况下选择计数器的增量或者当故障消失到低值(例如零)时选择减量。计数器的输出在模块37中与阈值进行比较，以控制跳闸d并控制继电器。在这个实施例中，用于检测高能量信号的模块22控制用于短或快延迟的延迟下限阈值tds1以及用于慢或长延迟的上限阈值tds2。因此，计数器具有用于短或快延迟的下限目标值和用于长或慢延迟的上限目标值。

图6示出了根据本发明一个实施例的用于控制差动保护设备的延迟计数器35的第二模式的示图。该计数器包括连接到第一时钟36a和第二时钟36b的时钟输入端ck。如图5中那样，输入端连接到差动故障检测模块20的输出端，以在故障的情况下选择计数器的增量或者在故障消失时选择减量。计数器的输出在模块37中与阈值tds进行比较，以控制跳闸d并控制继电器。在这个实施例中，阈值tds是预定的，并且用于检测高能量信号的模块22控制第一时钟ck1处于用于短或快延迟的快值，以及控制第二时钟ck2处于用于慢或长延迟的慢值。当然，两个时钟可以由具有两个操作值的单个时钟形成。因此，计数器具有用于短或快延迟的高增量以及用于长或慢延迟的低增量。

图7a至7c示出了根据本发明一个实施例的差动保护设备中具有干扰信号的信号。图7a示出了用于检测高能量信号的模块22的操作，图7b示出了差动故障检测模块20的操作，并且图7c示出了用于管理高能量干扰波的跳闸延迟的模块21的操作。在图7b中，在时刻t1，差动电流信号idf(在这种情况下经滤波的)超过差动保护阈值sd，然后跳闸延迟被激活，这由图7c中的计数器cpt的增量表示。然后，在图7a中，在时刻t2，差动电流信号id超过高能量信号检测阈值，并且目标延迟阈值从用于短或快延迟的低值tds1变为用于长或慢延迟的高值tds2。然后，在时刻t3，差动故障信号变回低于差动故障阈值sd，并且计数器以缓慢减小的方式递减。由于计数器尚未达到阈值tds2，因此不会发生跳闸，并且设备可以抵抗非常高能量波的干扰。在计数器已经递减到阈值tds1以下之后很长的相对长返回时间之后，延迟将变回阈值tds1。

图8a至8c示出了根据本发明一个实施例的差动保护设备中具有ac类类型的高ac信号的信号。在这种情况下，传感器的次级绕组处的经整流的信号的总周期大约是10ms。图8a示出了用于检测高能量信号的模块22的操作，图8b示出了差动故障检测模块20的操作，并且图8c示出了用于管理高能量ac电流的跳闸延迟的模块21的操作。在图8b中，在时刻t5，差动电流信号idf(在这种情况下经滤波的)超过差动保护阈值sd，然后跳闸延迟被激活，这由图8c中的计数器cpt的增量表示。然后，在图8a中，在时刻t6，差动电流信号id超过第一高能量信号检测上限阈值spa，并且目标延迟阈值从用于短或快延迟的低值tds1变为用于长或慢延迟的高值tds2。然后，在时刻t7，差动电流信号id超过第二高能量信号检测下限阈值spb，并且目标延迟阈值从用于长或慢延迟的高值tds2改变为用于短或快延迟的低值tds1。由于计数器的增量已经继续，因此延迟值超过用于快延迟的下限阈值tds1，并且在时刻t7跳闸被激活。如果没有这种延迟变化，则计数器将一直持续到时刻t8，因为差动故障阈值sd持续被超过。通过在时刻t7跳闸，即使在存在非常高能量的差动信号的情况下也能保证跳闸时间。

图9a至9c示出了根据本发明一个实施例的具有在差动保护设备中整流的a类类型的连续高电流的电流信号的信号。由于信号在初级导体的线路上被整流，因此信号的总周期大约是20ms。图9a示出了用于检测高能量信号的模块22的操作，图9b示出了差动故障检测模块20的操作，并且图9c示出了用于管理高能量ac电流的跳闸延迟的模块21的操作。在图9b中，在时刻t10，差动电流信号idf(在这种情况下经滤波的)超过差动保护阈值sd，然后跳闸延迟被激活，这由图9c中的计数器cpt的增量表示。然后，在图9a中，在时刻t11，差动电流信号id超过第一高能量信号检测上限阈值spa，并且目标延迟阈值从用于短或快延迟的低值tds1改变为用于长或慢延迟的高值tds2。然后，在时刻t12，差动电流信号id超过第二高能量信号检测下限阈值spb，并且目标延迟阈值从用于长或慢延迟的高值tds2变为用于短或快延迟的低值tds1。由于计数器的增量已经继续，因此延迟值超过用于快延迟的下限阈值tds1，并且在时刻t12跳闸被激活。通过在时刻t12跳闸，即使在存在非常高能量的差动信号的情况下也能保证跳闸时间。为了进一步提高效率，设备具有大约5ms的高能量信号检测监测抑制时间ti。

根据本发明的差动保护方法包括：

-测量差动电流信号id，

-差动故障处理，以当差动故障信号id超过预定跳闸阈值sd达预定持续时间td时输出跳闸信号d，以及

-检测高能量差动信号，

包括跳闸延迟的管理，以取决于高能量信号存在的检测来监测延迟持续时间，当检测到第一高能量波时所述延迟改变为长延迟。

图10示出了根据本发明的方法中的延迟管理的流程图。步骤40启动跳闸延迟的管理。在步骤41中，默认地选择延迟为短或快延迟。步骤42检测高能量信号，诸如第一干扰波。如果检测到高能量信号，则步骤43将延迟改变为长或慢延迟，以避免不期望的跳闸。在步骤44中，几毫秒的等待时间ti抑制监测，以等待更多可能的高电流波。因此，高能量信号的检测包括在比要被保护的电网的ac信号的半周期短的预定持续时间内(例如5ms)抑制高能量信号检测监测。然后，步骤45继续监测连续高电流波的发生。如果是这种情况，则系统中存在高电流电气故障，并且步骤46选择短跳闸延迟以保证标准和短跳闸时间。如果在第一干扰波之后没有故障，则步骤47默认地控制返回到短延迟，例如在500ms之后。因此，只要未检测到第一波或者当检测到连续高能量波时，跳闸延迟的管理就默认地将跳闸延迟的改变控制为短延迟。

图11示出了根据本发明的方法中的差动保护的流程图。跳闸延迟的管理包括用于监测跳闸延迟的持续时间的计数器，所述计数器具有用于慢或快延迟的增量以及用于记忆效应的减量。当检测到差动故障时，控制慢或快延迟。当差动故障不再存在时，控制记忆功能。

在步骤50中，启动差动故障检测。步骤51执行低通滤波，以稍微平滑差动电流信号。在步骤52中，将差动电流信号id与差动故障检测阈值sd进行比较。如果阈值sd被超过，则取决于延迟的管理和高能量信号的存在，步骤53或者以短或快延迟或者以长或慢延迟递增计数器cpt。如果阈值sd未被超过，则步骤54将计数器cpt递减到最小值。优选地，减量比增量慢。步骤55将计数器cpt的值与慢或快跳闸延迟值进行比较。如果该值被超过，则步骤56控制继电器的跳闸以打开电气装置。如果没有被超过，则差动保护继续。

在以上描述中，差动电流标号id指示在传感器1的初级绕组处和在次级绕组处以代表性模拟或数字信号形式的差动电流的所有表示形式。这同样适用于阈值、电流或延迟值。

设备的模块和方法的步骤可以被实现为电子电路或以编程的形式实现，具体地是在微控制器中。优选地，它们将使用包括模拟、数字和编程功能的专用电路中的多种技术来实现。

图1和2中所示的电气装置是具有两相和中性线的双极装置。但是，本发明同样适用于双极或三极或四极装置。