專利名稱：僅限所選相的自動開關控制的制作方法
技術領域：
本發明總體上涉及電力配送系統領域，特別是，本發明涉及自動開關。
自動開關是一種故障中斷設備，用來檢測電流、電壓和/或頻率，并且將輸電支流的故障部分隔離。自動開關通過自動開關控制設備進行操作，該設備可以是一個電子控制電路。自動開關插在輸電線之間，保護電力配送系統。
自動開關檢測所傳輸的電流值，在保險絲燒斷之前通過斷開或者使自動開關跳閘而中斷電流。經過一個時間間隔，自動開關閉合，恢復向系統供電，并一直保持閉合直到檢測到下一次故障。
保險絲燒斷和電流中斷的速度是可熔元件加熱量的函數。加熱率與故障產生的功率成比例。每根保險絲具有一個時間電流特性，這種特性描述中斷故障電流所需的時間間隔。通常這個時間間隔與故障電流的均方根值近似成反比。實際中希望自動開關與其所保護的保險絲能協調工作，以使自動開關可以在所保護的保險絲燒斷之前將瞬時故障電流切斷。一般情況下，以所測電流峰值近似故障電流的均方根值，來完成上述要求。
也必須承認出現在電力配送系統中的一些故障是暫時的，例如那些由于樹枝暫時落在線路上導致的故障；一些故障則具有更長久的性質，如那些由于輸電線墜落在地面上而造成的故障。因此，自動開關預先已編好程序，以便在鎖定開啟之前的短時期內，僅作有限次的跳閘。
在故障電流的某些量值上，希望自動開關能夠很快斷開，而不是在一個時間電流特性之后才斷開，以保護輸電線。在需立即斷開的故障等級上，從電力配送系統的角度來看，可能希望延遲斷開自動開關，以允許故障自行恢復，或者使保險絲工作。許多自動開關具有另外的時間電流特性，可以實現這個目標。典型情況下，在鎖定啟動之前，允許自動開關在一個快速的時間電流特性之后進行兩次斷開或者跳閘操作；在一次某種程度上較慢的時間電流特性之后，允許另外兩次斷開。
傳統的三相系統的自動開關在任一相上檢測到故障時，都同時斷開所有三相；其它三相系統安裝有三個單相自動開關，每相上一個。在這些系統中，每一單相自動開關單獨控制，這使得成本昂貴，且不允許相與相之間發生響應。
因此，在典型結構中，每發生一次故障，自動開關將斷開以排除故障。注意到對任何故障，例如相—地故障、相—相故障、相—相—地故障，以及三相之間的故障，典型的自動開關將斷開所有三相。對于單相支流，由于一相故障而斷開所有三相將導致更多的用戶不必要地停電。然而如果電力公司在其送電系統中使用傳統的單相保護，將安裝三個單相機械式自動開關——每相一個，這使每相均可處理單相故障。但如果存在一個仍在發展的故障，例如，兩相或更多相發生故障，那么這種跳閘和隨后的閉合，也將總是在單相上進行。總的來說，在競爭的條件下，獨立的單相設備也將加入其中。對于相—相之間的故障，如果一相夠較另一相更快地操作，自動開關將不能正確地將第二故障相隔離開來。
因此，希望提供一種自動開關控制，能夠克服前述工藝存在的問題，這樣，僅使用同一自動開關就能在發生單相、兩相以及三相故障時保護系統。
根據本發明范圍內的一個實施例，控制三相電力輸電線自動開關的一種方法包括監測輸電線的所有三相，確定哪一相發生故障，以及斷開輸電線中發生故障的一相。
根據本發明的一個方面，確定三相中的哪一相發生故障包括將通過三相中的每一相線路的電流與一個預定電流值相比較，當某一相的線路中電流超過了預定電流值，則該相出現故障。
根據本發明的另一方面，確定三相中哪一相發生故障包括檢測到三相中的至少一相發生故障，啟動與每一故障相相連接的倒數計時器，以及確定在一個連接的倒數計時器到時后故障仍然存在。
根據本發明的另一方面，斷開輸電線發生故障的某相包括如果確定只有一個故障發生，則只斷開一相，該相與所發生的故障相聯系；如果確定只有兩個故障發生，則只斷開兩相，該兩相與所發生的兩個故障相聯系；如果確定有三個故障發生，則斷開所有相。
根據本發明范圍內的另一個實施例，三相電力輸電線的自動開關控制系統包括一個具有三個電極的自動開關，每一電極對應所連接的輸電線三相中的一相，能夠斷開或閉合所連接相的輸電線，以及一個自動開關控制器與自動開關相連，按照輸電線路中各相的線路電流控制電極的配置。一個電極斷開輸電線中它所連接的一相，如果只有所連接相的線路電流超過相關的預定電流值；兩個電極斷開輸電線中它所連接的兩相，如果只有其所連接的兩相的線路電流超過相關的預定電流值；所有電極斷開輸電線中它所連接的所有相，如果所連接所有相的線路電流超過其相關的預定電流值。
根據本發明的另一方面，自動開關控制器包括一個倒數計時器，用來確定進入選取狀態的一相是否應當跳閘。
本發明的上述和其它方面將從以下結合附圖的本發明的詳述中變得清楚。
示范結構及最佳模式詳述本發明針對控制目動開關的系統及方法，從而在只有單相發生故障的情況下，單相跳閘；或在多相發生故障的情況下，所有相都跳閘。
圖1示出實施本發明的系統的簡化示意圖，自動開關10的開關使線路5斷開或閉合(例如在分電站和負載之間)，它通過一個自動開關控制裝置20，如電子控制電路，進行操作。應當理解術語“自動開關”包含自動開關、分段隔離開關、電路斷路器等等的各種組合，這些也可在本發明的范圍內使用。輸電線5為三相輸電線。自動開關10包括三個電極15。每個電極15與輸電線5中的一個相關線連接，因而由相關相供電。自動開關10可以監測系統的電流和電壓。
自動開關10的基本組件是高速電路斷路器、過電流保護器、觸發邏輯電路和帶有操作計時器的自動閉合邏輯電路。當足夠量值(即大于預定電流量)的過電流流經自動開關10時，啟動跳閘操作并且電極15內的中斷電路觸點斷開，同時操作計時器開始計時。經過一個預定的時間延遲，自動開關觸點自動閉合，輸電線5重新通電。如果仍然存在故障，這種跳閘和再閉合序列重復由控制器20設定的預定的次數，直到切斷功能啟動。如果故障是暫時的，在自動開關10斷開的任何時期內得到消除，那么自動開關控制器20將在一個短的時間延遲后，重置為初始狀態，準備下一次的操作，并且一直保持閉合。
本發明使用的自動開關的一個范例是VR-3S自動開關，由北卡羅萊納州羅利的ABB電力T&D公司制造并提供。由磁性致動器斷開并閉合自動開關的主要觸點。
自動開關10由基于微處理器的控制器20控制。基于微處理器的控制器20具有兩個基本設計領域。物理元件如集成電路、電阻、電容、顯示器、開關等等，稱作硬件。一旦制成不易改變。微處理器的第二個設計領域包括計算機程序和文件。這些元件稱為軟件，因為它們可以方便地改動。
在自動開關控制器20中使用基于微處理器的微機和相關內存及接口組件用來按適合于自動開關控制的基本要求的方式處理輸入信號。微處理器執行控制中不同的數學及邏輯功能。具體地，典型地包括所需的邏輯電路和維護功能。
典型地，在自動開關控制系統中提供電力，對于控制系統的其它組件，也需要提供電力；并且包括電力存儲裝置，以便在受保護線路中斷后提供電力。當微機不能影響自動開關中的跳閘操作時，微機控制功能中的第二過電流跳閘電路獨自工作。一個保護性輸入網絡保護控制器的低功率設備，使其免受電力配送系統的惡劣環境的侵害，并且在需要精確度時計時裝置用來允許微機和相關的電路在輸入信號幅度的范圍內更精確地發揮作用，同時允許在輸入信號的較廣的范圍內與有限數量的組件一起發揮控制作用。
內存用來提供暫時的和/或永久的數據存儲。例如在自動開關10中，這些信息應當包括線路電流量。只讀存儲器優選地具有可電子編程的功能，以便于修改并存儲程序信息。例如在自動開關控制器20內，內存模塊包含命令信息，其中包括多重時間電流特性曲線。
自動開關控制器20的前面板可以包括一個顯示器，用來顯示信息。可以使用鍵盤或其它輸入設備來輸入信息。指示燈可提供狀態信息，如自動開關開、自動開關關、控制器鎖定、超過最小跳閘等級、功能故障和鎖死。
通過使用以上提到的開關和鍵盤，該設備可以通過命令信息來控制。自動開關控制器典型的命令信息包括相電流和地電流的第一時間電流特性，它通常導致自動開關10較為快速地跳閘；以及相電流和地電流的第二時間電流特性，它通常導致自動開關10在故障情況下保持較長時間的閉合。其它命令信息包括相電流和地電流的最小跳閘等級，它在自動開關控制器中根據時間電流特性、在相故障和地故障中導致鎖定的開啟次數、以及隨后的時間電流特性的次數開啟計時程序。其它的命令信息可以包括一個重置的時間間隔，它確定計時器記錄開啟次數并保留這一信息的持續時間，以及多次再閉合的時間間隔，它確定自動開關10保持斷開的時間。另外的命令信息可以包括一個高電流恒定時間特性，它允許自動開關10在一定故障電流的量值下，只在一個固定的時間段內保持閉合。因此，如果出現一個故障，輸電線5斷開一段較短的時間。在輸電線5斷開的這段時間結束后，自動開關10重新使輸電線5閉合。如果異常情況仍然存在，自動開關10重新斷開和閉合輸電線5。
應當理解許多種微處理器都可以用來達到上述的效果。每一制造商都要求其設備的特殊性得到滿足。對于自動開關控制器20中的微機部分，這里不可能足夠詳細地描述其功能控制以及足夠全面地詳細描述可選設備的細節。對于本領域技術人員能夠通過閱讀生產商提供的其它設備的一般技術資料，輕易地擴展和修改所提供的描述，使其應用于其它生產商的設備。再者，試圖將軟件中所包含的微小細節描述清楚將造成極大的混亂，所以只對最一般的軟件模塊和程序作了描述，因為對于本領域技術人員可以輕易地對所提供的框架進行更新。
控制單元的一個范例是PCD2000電力控制設備，由北卡羅萊納州羅利的ABB電力T&D公司制造并提供。這種控制設備可以通過使用MODBUS RTU、MODBUS ASC和DMP3.0協議，提供一個與SCADA系統進行遠程交流的界面。控制器可以編程實現其它協議。其端口可實現外部連接，例如可以連接收音機、調制解調器或者直接進行光纖通訊。
按照本發明，每一單相單獨監控，而且可以在探測到故障電流時(即電流高于所選閾值)，通過該相上的保護元件，啟動電極15斷開，實現跳閘。在確定是否某單相發生故障時，保護單元進入選擇狀態，當超過預定時間，就執行跳閘操作。在跳閘確定后，可以實現任一或所有處于被選狀態相跳閘。根據本發明，在僅限所選相處理過程中，如果探測到單相故障或者一個電極被選，那么將發生單相跳閘；如果有兩相被選或被探測到發生故障(通過相或中性探測)，那么有兩個電極和所連接相將發生跳閘；如果三相都被選或者探測到發生故障，那么控制器將指示所有電極跳閘。
圖2為根據本發明的一種示范的操作方法的流程圖。在電力輸送過程中，自動開關10監測輸電線5(例如A相、B相和C相)。如果在步驟100A相上檢測到故障，則在步驟110計時器被控制器啟動，隨后在步驟120量值減小。步驟130確定計時器是否結束了倒計時。如果沒有，則在步驟140確定故障是否仍然存在。如果故障已經不存在(即已經排除)，那么計時器在步驟145清空(即重置)，監測重新啟動。如果在步驟140仍然存在故障，那么計時器在步驟120繼續減少。
如果計時器在步驟130結束了它預先設定的計時時間，而故障仍然存在，那么在步驟150確定是否其它兩相也在故障計時。如果是，那么這些存在故障相(即被選或被選超時)將在步驟160跳閘，否則，只有故障相(這里是A相)在步驟170跳閘。
同樣，對于B相和C相，如果探測到故障(分別在步驟200和步驟300)，其所連接的計時器啟動(步驟210和步驟310)，隨后量值減小(220、230)。確定計時器是否結束其倒計時(230、330)。如果沒有，則確定故障是否仍然存在(240、340)。如果故障已經不存在(即已經排除)，那么所連接的計時器清空(245、345)，監測重新啟動。如果故障仍然存在，那么計時器繼續減少。
與A相相同，如果計時器結束了它預先設定的計時時間，而故障仍然存在，那么在步驟150確定另兩相的任一相是否也在故障計時。如果是，那么這些存在故障相(即被選或被選超時)將在步驟160跳閘，否則，只有故障相在步驟170跳閘。
因此，按照本發明，只有自動開關上那些有故障的相才跳閘。這將非常有利。例如如果故障只存在A相和B相，在這種情況下，只有連接在A相和B相上的負載(用戶)將遭遇斷電，而其它相(如C相)的用戶將不會遭遇電流中斷，而能持續用電。
再者，如果控制器檢測到故障只在三相種的某一相上發生，控制器上的每個電極將獨立跳閘(斷開)。這將非常有利。例如如果只在A相上發生故障，這種情況下，只有連接在A相上的負載(用戶)將遭遇斷電，而其它相(如B相和C相)的用戶將不會遭遇電流中斷，而能持續用電。
本發明提供一種自動開關跳閘、再閉合和/或鎖定的控制功能，在一相上探測到故障可獨立進行；在兩相上探測到故障可順序進行；在三相上探測到故障可同時進行。這種自動開關控制技術允許電力公司在發生獨立的單相暫時事件時，或兩相事件時，避免不必要的三相斷電。在這種方式下，所有故障相將被隔離。
再者，本發明提供一種保護等級，那樣，如果獨立的單相暫時事件發展成為其它相或多相事件，自動開關控制方法識別這種情況，并激活這些相的自動開關中受到影響的(就是說，發生了故障)自動開關。如果存在多于一相的故障(例如從開始檢測到單相故障發展成為兩相或三相故障)，自動開關控制可以識別出來。然后本發明開啟兩相或三相跳閘，隨后再閉合或鎖定，因為故障已經發展或者從一相轉移至另一相，從而增加了設備損壞的可能性。
本發明的自動開關控制技術允許電力公司在其輸電網絡中避免高昂的三相斷電事件，而這種災難性的斷電事件是由于單相暫時性故障發展成為嚴重的兩相或三相故障造成的。本發明提高了電力系統的可靠性(例如，在災難性事件如颶風、龍卷風、暴風雨和地震中)，從而減小了支路設備的電力和機械損失，節省了電力公司的時間、財力和資源。
根據本發明，所有相都應當一起工作，而不是在相與相之間有暫時的延遲，那樣可能導致出現單個設備之間的微小時差。
因此，本發明允許所有相同時工作，按照故障類型進行單相、兩相或三相跳閘。可以預期，跳閘和鎖定都可以在單相和兩相上實現。
對于單相跳閘，可以避免三分之二的輸電線—地面之間的故障造成的斷電。例如，控制器只在A相跳閘，并只在該相上鎖定。對于兩相跳閘，可以避免三分之一的輸電線—地面之間的故障造成的斷電。例如，控制器只在A相和B相跳閘，并只在這兩相上鎖定。本發明提供更好的系統可靠性和服務的連續性。
本發明可以以適當的計算機軟件的形式，或者以適當的硬件形式或適當的硬件和軟件相結合的形式得以實施，而不偏離本發明的實質和范圍。關于這些硬件和/或軟件的細節，相關的普通公眾很清楚。所以，關于這些硬件和/或軟件的進一步描述相信是不必要的。
盡管這里參照某些具體實施例作了一些圖示和描述，本發明無論如何都不限于這里所示的細節。相反，在權利要求書的等同體的范圍內，可以進行各種細節上的修改，而不會偏離本發明。
權利要求
1.一種控制三相輸電線自動開關的方法，包括監測輸電線的所有三相；確定三相中的哪一相發生故障；以及斷開輸電線發生故障的某相。
2.根據權利要求1中所述的方法，其特征在于，當控制器上的保護元件進入被選狀態，則發生故障。
3.根據權利要求1中所述的方法，其特征在于，確定三相中的哪一相發生故障包括將通過三相中的每一相線路的電流與一個預定電流值相比較，當某一相的線路中電流超過了預定電流值，則該相出現故障。
4.根據權利要求1中所述的方法，其特征在于，確定三相中哪一相發生故障包括檢測到三相中的至少一相發生故障；啟動與每一故障相相連接的倒數計時器；以及確定在所連接的倒數計時器之一到時后故障仍然存在。
5.根據權利要求4中所述的方法，當控制器上的保護元件進入被選狀態，則發生故障。
6.根據權利要求1中所述的方法，其特征在于，斷開輸電線發生故障的某相包括如果確定只有一個故障發生，則只斷開一相，該相與所發生的故障相聯系；如果確定只有兩個故障發生，則只斷開兩相，該兩相與所發生的兩個故障相聯系；如果確定有三個故障發生，則斷開所有相。
7.三相電力線的自動開關控制系統，包括一個具有三個電極的自動開關，每一電極對應所連接的輸電線三相中的一相，同時能夠斷開或閉合所連接相的輸電線；以及一個自動開關控制器與自動開關相連，按照輸電線路中各相的線路電流控制電極的配置，一個電極斷開輸電線中它所連接的一相，如果只有所連接相的線路電流超過相關的預定電流值；兩個電極斷開輸電線中它所連接的兩相，如果只有其所連接的兩相的線路電流超過相關的預定電流值；所有電極斷開輸電線中它所連接的相，如果所連接所有相的線路電流超過其相關的預定電流值。
8.根據權利要求7中所述的自動開關控制系統，其特征在于，自動開關控制器監測輸電線的三相，并且確定線路電流超過其相關的預定電流值的相的數目，其中控制電極的設置對應所確定的相的數目，這些相中線路電流超過其相關的預定電流值。
9.根據權利要求7中所述的自動開關控制系統，其特征在于，自動開關控制器包括一個倒數計時器，用來確定進入選取狀態的一相是否應當跳閘。
10.一種計算機可讀介質，含有用來執行工作步驟的計算機可執行指令，包括監測輸電線的所有三相；確定三相中的哪一相發生故障；以及斷開輸電線發生故障的某相。
11.根據權利要求10中所述的計算機可讀介質，其特征在于，確定三相中的哪一相發生故障包括將通過三相中的每一相線路的電流與一個預定電流值相比較，當某一相的線路中電流超過了預定電流值，則該相出現故障。
12.根據權利要求10中所述的計算機可讀介質，其特征在于，確定三相中哪一相發生故障包括檢測到三相中的至少一相發生故障；啟動與每一故障相相連接的倒數計時器；確定在所連接的倒數計時器之一到時后故障仍然存在。
13.根據權利要求10中所述的計算機可讀介質，其特征在于，斷開輸電線發生故障的某相包括如果確定只有一個故障發生，則只斷開一相，該相與所發生的故障相聯系；如果確定只有兩個故障發生，則只斷開兩相，該兩相與所發生的兩個故障相聯系；如果確定有三個故障發生，則斷開所有相。
全文摘要
一種自動開關,在只有單相發生故障的情況下,在一相上跳閘;當兩相發生故障時,在兩相上跳閘;當三相發生故障時,在所有相上跳閘。在電流輸送的過程中,自動開關監測輸電線的所有三相(例如,A相、B相和C相)。如果在一相上檢測到故障,計時器啟動,數值逐漸減少。如果計時器倒數計時結束,而故障仍然存在,那么將確定是否其它兩相的任一相也在對故障計時。如果是,那么這些發生故障的相將跳閘。因此,只有發生故障的相跳閘。
文檔編號H02H3/06GK1375901SQ0210743
公開日2002年10月23日 申請日期2002年3月15日 優先權日2001年3月16日
發明者格雷姆·N·穆克盧爾, 卡爾·J·拉普拉斯, 戴維·哈特, 威廉·M·埃戈爾 申請人:Abb輸配電技術有限公司