一种工频过电流判断方法及保护装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及应用于继电保护的一种工频过电流判断方法及保护装置。
【背景技术】
[0002] 快速、准确地获取被保护电力电气设备中的超过额定值或整定值的电流数值，并 对其进行准确的判断以便及时采取相应措施防止故障发生、在故障发生后及时制止故障的 扩大，是电流继电保护装置的首要任务，是满足保护装置的选择性、速动性、灵敏性和可靠 性这四个基本要求的先决条件。
[0003] 为了获取被保护电力电气设备中的这种超限的电流幅值并判断其是否为短时过 载电流或是故障电流、故障是否已经或即将发生，此前的方法和设备大多是使用电流互感 器的二次电流去驱动一个继电器或是采用对电流互感器二次电流经整流后与预先设定的 电流整定值比对的办法，或是对二次电流经过转换形成的电压信号进行一个周波内的多 点采样、应用傅氏算法获取其有效值再与电流整定值进行比较以确认故障是否发生（参 考专利号ZL200810024070. 5,发明名称24KV真空断路器中电流保护控制方法和专利号 ZL101494374B，发明名称真空断路器中电流保护控制方法），或是将电流互感器二次电流 经转换形成的电压波形与多个基准电压进行比较并进行四个要素的逻辑和以及逻辑乘运 算来确定其故障是否发生（参考授权公告号CN102401869B发明名称用于快速确定电力 系统中的故障的装置和方法），或利用对一个交流电量，在相角增量为Aα的两个端点上 的两次采样数据和该Aα值进行反正切运算得到该电量相对于测量时刻的初相角α和 预测到的幅度A"(参考审定号CN1013307B发明名称交流电量瞬间测量方法及其装置）， 进而可以依此来判断其幅度的A"是否为故障电流；或基于波形形状识别、将采自电力系统 普遍使用的电流互感器的信号，使用波形偏斜度和波形陡峭度度量电流半周波的波形形 状并映射到模式识别空间来实现故障判断，作为供电线路的暂态保护，（参考授权公告号 CN101872963B发明名称基于波形形状识别的供电线暂态保护方法及其装置），等等。现有 的这些技术对故障电流判断的方法复杂、判断准确度低，无法实现故障电流的多时段的时 间精确控制，且无法覆盖负载电流的低过载区域，存在保护的"死区"，无法满足当今电力保 护市场的广泛需求。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种判断方法简单、保护范围广、控 制时间准确且时段多的工频过电流判断方法及其保护应用装置。
[0005] 本发明采用的技术方案是：
[0006] -种工频过电流判断方法，其包括一个过电流判断公式、通过该公式计算得到数 据、以及对这些数据的应用方法，其包括以下步骤：
[0007] (1)由正弦电流的数学表达式推导得到一个工频过电流判断公式：
[0008]
[0009] 式中，1"是被测正弦电流波形的幅值，I^是电流整定值，t是被测正弦电流波形过 零后到达电流整定值的时间值，其单位为us，f是电力系统的额定频率；依据该公式，只要 知道电力系统频率并获得时间t值、即可得知的比值，即被测正弦电流波形幅值对电流 1 =d 整定值的倍数，从而判断出被测电流的大小；
[0010] (2)额定频率的正弦电流波形在一个半波内由过零点开始到达其幅值所需的时间 为Hus,
私其中Η取正整数，f是电力系统的额定频率，把t由lus开始、按每次 递增lus，一直到Hus为止，把t按照由小到大的顺序分别一一代入过电流判断公式中的t计算得到Η个^比值即被测正弦电流波形幅值对电流整定值的倍数；
[0011] (3)按照大短路电流幅值是整定值的高倍数、小短路电流幅值是整定值的次高倍 数、大过载电流幅值是整定值的较高倍数、小过载电流幅值是整定值的较低倍数、微过载电 流幅值是整定值的极低倍数的档次，把Η个不同的倍数数据根据具体的保护需要依照其数 值由大到小的次序进行归类划分成Ν个倍数区间，Ν个区间的倍数都大于1，用十进制数由 小到大、即由1、2……Ν依次按过电流的高倍数到低倍数的顺序对划分成的区间编号，划分 的区间为4个以上，区间内的倍数范围是可变的，但是每个区间都有一个倍数上限值和一 个倍数下限值，倍数上限值对应一个时间起点值，倍数下限值对应一个时间终止值，表示该 区间的过电流从倍数上限值向倍数下限值变化时其与时间值之间的一一对应的关系，即每 个区间由一个时间起点值和一个时间终止值界定该区间的时间范围和对应的倍数范围，时 间起点值较小在前，时间终止值较大在后，各区间之间的时间值是顺序连接的，上一个区间 的时间终止值的下一个us就是下一个区间的时间起点值，将被测正弦电流波形的幅值小 于电流整定值，其波形和整定值没有交点，倍数小于1，其对应的时间值大于Hus的倍数区 间编为第N+1个区间，称为"零值区间"；
[0012] (4)用一个N位的二进制数代码即显示代码表示N个区间以及零值区间的时间 和其对应的倍数范围；设定显示代码起始状态为全1，设定显示代码右边第一位为最高位， 从最高位开始向左边的最低位方向、依次把1变为〇,那么到该显示代码状态全为〇时就有 N+1个状态表示，用显示代码的第一种全1状态表示区间1的时间和倍数范围，用显示代码 的第二种即右起第一位为〇而其他位全为1的状态表示区间2的时间和倍数范围，依顺序 地，用显示代码的第N种即左起第一位、即最低位为1而其他位全为0的状态表示第N个区 间的时间和倍数范围；用显示代码的第N+1种、即全为0的状态来表示第N+1区间即零值区 间的时间和倍数范围；把显示代码及时间数据存到可编程只读存储器中；
[0013] (5)采用时间查询方式或时间比较方式存取并使用显示代码和时间数据；当采用 时间查询方式时把正弦电流波形在一个半波内由过零点开始到达其幅值所需的时间Hus 中的每一个us都以一个二进制数表示、按由小到大的顺序依次一一对应作为存储器的存 储地址存入所属区间的显示代码；当采用时间比较方式时，把各区间的时间终止值、显示代 码、受控设备延迟动作的预定时间延迟脉冲个数分别存入存储器内各自的存储区；
[0014] 所述步骤（5)中在时间查询方式中存入显示代码的方法是，把用二进制数表示的 从lus起到Hus为止的Η个时间值一一对应作为存储器的地址，在与存储器地址对应的存 储单元中存入相应的显示代码，也就是说，按照划分成的Ν个区间，依次地从区间1起到区 间Ν，把各区间的时间起点值起到时间终止值为止、包含起点值和终止值在内的以二进制 数表示的时间值作为存储器的存储地址，在这个地址范围内对应的所有存储单元中存入与 该区间相应的同一个显示代码，另外把存储器的第零个地址作为第Ν+1区间或称为零值区 间的地址，在第零个地址中存入第Ν+1种、即全为0的显示代码；在时间查询方式中采用 8ΚΧ8位可编程只读存储器，它通过8条数据输入输出口线来实现Ν+1个显示代码的存入及 读出，设定口线从高位1/〇7起依顺序向低位I/O。排列，把表示时间和倍数范围的Ν位显示 代码的右起第一位作为高位与口线1/〇7对齐以保持数据存入、读出时顺序一致，当存入的 显示代码的位数少于8位时，可在Ν位显示代码的低位方向填入0以补齐一个字节；当存入 的显示代码位数大于8位时，则扩展一个存储器，两个存储器的地址线并联，确定两个存储 器中的共16条I/O口线从高字节的1/07起向低字节I/O。的排列顺序方向，存入的Ν位显 示代码的右起第一位也作为高位与16条I/O口线中的高位1/07对齐以保持数据存入、读 出时顺序一致，当存入的显示代码位数少于16位时，可在低字节中的低位方向填入0以补 齐低字节的8位；
[0015] 所述步骤（5)中在时间比较方式中采用2Κ或2Κ以上的8位可编程只读存储器， 其在存储器的适当区域建立三个存储区，其存储的方法是：
[0016] 第一个是用来存入Ν个区间的时间终止值称为比较值的存储区，该区有Ν个比较 值的存储地址，把Ν个区间的时间终止值依照区间1到区间Ν的顺序依次存入第一个到第 Ν个的比较值地址的存储单元中；
[0017] 第二个是用来存入Ν+1个显示代码的存储区，该区有Ν+1个显示代码的存储地址， 把Ν+1个显示代码依照区间1到区间Ν+1的顺序依次存入第一个到第Ν+1个的显示存储地 址的存储单元中，当存入的显示代码的位数少于8位时，在Ν位显示代码的低位方向填入0 以补齐一个字节；当存入显示代码位数大于8位时，则增加一个存储地址及对应的一个存 储单元，存入的Ν位显示代码右起高八位存入高字节存储单元中，高字节地址在先，其余的 存入低字节存储单元，低字节存储单元中的空余部分填入〇以补齐低八位一个字节，低字 节地址在后；
[0018] 第三个是用来存入受控设备延迟动作的预定时间延迟脉冲个数、简称"预定个数" 的存储区，该区有Ν个预定个数存储地址，把Ν个区间的预定个数ηι、η2、η3……\依照区间 1到区间Ν的顺序依次存入第一个到第Ν个的预定个数存储地址的存储单元中；设定预定 个数有一个原则，即：过电流倍数越大设定的预定个数越少，过电流倍数越小设定的预定个 数越多，1 <r^Cη2<η3......<ηη，其中，η为正整数，通过对预定时间延迟脉冲个数的计数 转换成动作执行时间的延迟，当被测电流超过电流整定值时其第一个脉冲的延迟时间由电 流波形过零的时刻起计算，该延迟时间最多不超过1/4个周波的时间，从第二个脉冲起，其 延迟时间距上一个延迟脉冲出现的时间点都是1/2个周波的时间；需要更长的时间延迟时 可以调用一个多重循环程序来实现；在时间比较方式中，比较值和预定个数都以16位二进 制数表示，二个字节，高字节内容存储在高字节存储单元中，高字节地址在先，低字节内容 存储在低字节存储单元中，低字节地址在后。
[0019] -种应用所述的一种工频过电流判断方法的过电流保护装置，其包括一个前置的 电压跟随器；一个正弦电流波形过零时产生时间计数启动脉冲的时间启动模块，其输出时 间启动脉冲；一个正弦电流波形到达电流整定值Izd时产生时间截获脉冲的时间截获模块， 其输出时间截获脉冲；以及一个受时间启动脉冲和时间截获脉冲控制的、用来获取被测正 弦电流波形过零后到达电流整定值时的采样时间t值并把该采样时间t值同与该模块连接 的存储器中已存入的内容数据进行过电流的快速判断及多时段延迟操作的时间数据应用 丰吴块；
[0020] 其中，前置的电压跟随器是由一个单运放构成的；
[0021] 存储器采用电擦除可编程只读存储器EEPR0M;
[0022] 时间启动模块包括第一、第二、第三和第四电路单元；第三电路单元是一个零点电 压调整电路单元，它有两个零点电压输出端；
[0023] 时间截获模块包括第五、第六、第七和第八电路单元；第七电路单元是一个绝对值 相等的正、负整定电压值可同时调整的电压输出电路单元，它有一个正整定电压输出端和 一个负整定电压输出端；
[0024] 时间启动模块中的第一、第二电路单元和时间截获模块中的第五、第六电路单元 是四个元件参数及连接方法完全一样的电路单元，都是由运算放大器构成具有开环增益的 电压比较电路并后接TTL电平转换接口电路的电路单元；时间启动模块中，第三电路单元 的一个零点电压输出端通过电阻和第一电路单元中的电压比较器的反相输入端相连接，另 一个零点电压输出端通过电阻和第二电路单元中的电压比较器的同相输入端相连接；时间 截获模块中，第七电路单元的正整定电压输出端通过电阻和第五电路单元的电压比较器的 反相输入端相连接，负整定电压输出端通过电阻和第六电路单元的电压比较器的同相输入 端相连接；前置电压跟随器的输出端分别通过电阻和第一电路单元中的电压比较器的同相 输入端、第二电路单元中的电压比较器的反相输入端、第五电路单元的电压比较器的同相 输入端和第六电路单元的电压比较器的反相输入端相连接；当被测正弦电流波形幅值高于 电流整定值时第一、二、五、六电路单元输出的都是高电平矩形波脉冲；当被测正弦电流波 形幅值低于电流整定值时第五、六电路单元没有输出；第一电路单元和第二电路单元输出 的高电平矩形波脉冲分别和第四电路单元的两个输入端相连接，第四电路单元的两个输入 端分别对输入的两个高电平矩形波脉冲微分、分别通过二极管输入到一个电压比较器进行 调整后从该比较器的输出端输出、经耦合到反相器输出，该反相器的输出端是第四电路单 元的输出端、也是时间启动模块的输出端，其输出的是时间宽度为us级别的尖、窄的低电 平脉冲、即时间启动脉冲，每周波两个；当被测正弦电流波形幅值高于电流整定值时，第五 和第六电路单元输出的高电平矩形波脉冲分别输入到第八电路单元、即一个或门电路的两 个输入端，其或门输出端即是时间截获模块的输出端，其输出高电平矩形波脉冲、即时间截 获脉冲，在稳态电流下每周波两个；
[0025] -个时间数据应用模块，包括时间查询方式的时间数据应用模块和时间比较方式 的时间数据应用模块两种，当时间数据应用模块中连接的是采用时间查询方式存取的存储 器时，即是时间查询方式的时间数据应用模块，所述时间查询方式的时间数据应用模块用 于处理采用时间查询方式存取的存储器的情况，时间查询方式的时间数据应用模块包括第 九、第十、第十一、第十二、第十三、第十四和第十五电路单元；第九电路单元是10MHZ脉冲 产生及十分频电路，其输出的1MHZ脉冲输入到第十电路单元四个计数器的CP端；第十电 路单元是四个四位二进制同步计数器依次连接成的时间脉冲计数电路，其四个计数器共16 个数据输出端和第十一电路单元的16个数据输入端一一对应相连接，其输出的是一个由 零开始的、依次递增lus的16位的二进制数；第十一电路单元是四个以并入-并出方式工 作的4位双向移位寄存器依次连接成的时间数据暂存电路，四个寄存器的CP端和时间截获 模块的输出端相连接，四个寄存器共16个数据输出端和第十二电路单元的16个数据输入 端一一对应相连接；第十二电路单元也是四个以并入-并出方式工作的4位双向移位寄存 器依次连接成的时间数据保持电路，四个寄存器的&端和第一消抖动开关的输出端相连 接，四个寄存器的CP端和第一或门的输出端相连接，四个寄存器的16个数据输出端中的前 十三个输出端和第十三电路单元的13条地址线端脚一一对应相连接，余下的高三位数据 输出端弃之不用；第十三电路单元是一个设置成只读工作方式的存储器，其存储单元中已 按时间查询方式存入N+1个显示代码，显示代码输出时占用存储器的自高位1/07起、依次 为1/〇 6、1/〇5……1/〇"的~条口线，占用的每条口线的输出分成两路，一路连接第十四电路 单元中对应的一个反相器，另一路连接第十五电路单元中对应的时间延迟计数器的逐端； 第十四电路单元是显示电路，由N个反相器分别串联N个LED灯，每一个LED灯分别串联一 个限流电阻并把限流电阻的另一端与+5V电源相连接；第十五电路单元由N段的时间延迟 计数器组成，每段时间延迟计数器使用一个或一个以上的四位二进制同步计数器，各段所 有同步计数器的CP端均与第二截获脉冲延迟器的输出端相连接，每一段同步计数器的斤 端都对应连接第十三电路单元中的一条I/O口线，N条口线中的最高位1/07输出高电平时 表示过电流倍数最大，所需延迟时间最少，其1/〇 7连接第一段仅有一个计数器的时间延迟 计数器的:S端，1/〇6……I/〇n输出高电平时表示过电流的倍数、延迟时间依次递减，其相 应的口线分别连接第二段……第N段时间延迟计数器的?端；预定时间延迟脉冲个数值、 简称预定个数值的设置是通过开关与四位二进制同步计数器的数据输出端Qc、Qi、Q2、93中 的一个端口相连接、把达到预定个数值时端口输出的信号传送到后续电路完成预定时间延 迟动作，其四个端口之间为1-2-4-8的计数关系，在两个及以上的计数器的数据输出端口 设置连接开关，则应在其相连接的最后一个计数器的数据输出端口上设置，预定个数值设 置的原则和时间比较方式中的原则相同，设置的叫、％……nn分别为一段、二段……Ν段的 预定个数值，每段时间延迟计数器中连接的同步计数器个数可根据需要增减，设置的预定 个数值η= 16Ρ1Xk，其中，Ρ是相连接的同步计数器的个数，Ρ为正整数，k是开关与四个数 据输出端口中的某一个连接时的系数，开关分别与Q。、Qi、Q2、Q3连接时k的系数分别是1、 2、4、8,预定的延迟时间ms= 16P1XkXl/2个周波的时间一 1/4周波的时间，其中，第一个 延迟脉冲的延迟时间为1/4周波的时间，从第二个脉冲起的延迟时间都为1/2个周波的时 间，电路单元中编号分别为ΚρK2......1的Ν个开关，每一个开关的一端与一个数据输出端 连接，另一端与一个反相器输入端及一个电阻的一端相连接，电阻另一端连接数字地，反相 器输出端和一个8输入与非门的一个输入端相连接，与非门剩余的输入端按照技术规定处 理，8输入与非门的输出端经过反相器、该反相器作为第十五电路单元的输出端和第二S-R 锁存器的R端相连接；当Ν> 8时，第十三电路单元中需要扩展一片存储器，第十四电路单 元中配置的LED灯需要增加到N个，第十五电路单元中配置的时间延迟计数器也要增加到N段；
[0026] 所述时间查询方式的时间数据应用模块还包括第一S-R锁存器，第二S-R锁存器， 第一截获脉冲延迟器，第二截获脉冲延迟器，第一与门，第二与门，第三与门，第一消抖动开 关，第一反相器，第一或门；
[0027] 第一S-R锁存器的S端与时间启动模块的输出端相连接，R端与第三与门的输出 端相连接，Q端与第十电路单元中的四个计数器的、第十一电路单元中的四个寄存器的 斤相连接；
[0028] 第二S-R锁存器的I端与第十五电路单元的输出端相连接，I端与第一消抖动开 关的输出端相连接，Q端通过光电隔离固体继电器控制受控设备；
[0029] 第一截获脉冲延迟器的输入端和时间截获模块的输出端相连接，其输出分成两 路，一路输入到第二截获脉冲延迟器的输入端，另一路和第一或门的一个输入端相连接，第 一截获脉冲延迟器输出的是时间保持脉冲；
[0030] 第二截获脉冲延迟器的输入端与第一截获脉冲延迟器的输出端相连接，其输出端 均与第十五电路单元所有的同步计数器的CP端相连接；第二截获脉冲延迟器输出的是供 给时间延迟计数用的时间延迟脉冲；
[0031] 第一与门的一个输入端与第十电路单元输出的16位二进制数中的第11位相连 接，另一个输入端与16位二进制数中的第13位相连接，第一与门输出的是后备归零脉冲， 其输出分成两路，一路输入到第二与门的一个输入端，另一路输入到第一或门的另一个输 入端；
[0032] 第二与门的一个输入端和第一与门的输出端相连接，另一个输入端和第十电路单 元输出的16位二进制数中的第8位相连接，第二与门的输出端与第一反相器的输入端相连 接，第二与门输出的是复归脉冲；
[0033] 第三与门的一个输入端和第一反相器输出端相连接，另一个输入端和第一消抖动 开关的输出端相连接，第三与门输出端和第一S-R锁存器R端相连接