专利名称：：用于检测故障电流的故障电流分析器和具有故障电流检测功能的装置的制作方法
技术领域：
：本发明涉及一种故障电流分析器，所述故障电流分析器用于检测具有多根电线的电网中的故障电流，并包括总和电流互感器和连接在总和电流互感器上的分析构件，总和电流互感器的一次绕组由所述电线构成，总和电流互感器的二次侧提供输出信号，分析构件用于对输出信号进行分析，其中，分析构件包括用于选出输出信号的至少一个低频分信号的滤波器单元。此外，本发明还涉及一种具有故障电流检测功能的装置。
背景技术：
：例如US6，097,580中公开过上述类型的故障电流分析器。这种故障电流分析器是为专门用途而设计，即用于对无故障正常工作状态下也会出现接地电流的设备(例如洗衣机或冰箱)进行监测。接地电流与故障情况下所出现的故障电流有所不同。这种专用故障电流分析器无法直接用于对其他电网进行故障电流监测。DE10237342Al中对带有傅里叶变换单元和选频分析装置的另一种故障电流分析器进行了说明。通常〗吏用与电网电压无关的故障电流^呆护开关(=FI-Schutzschalter，故障电流保护开关，A型)或与电网电压有关的差动电流保护开关(=DI-Schutzschalter,差动电流保护开关，B型)对电网进^亍故障电流监测。前者用于检测交流故障电流和脉动直流故障电流，后者除此之外还可检测平稳的直流故障电流。鉴于这种有所扩展的电流检测性能，第二种保护开关又称为"交直流敏感保护开关"。但这种保护开关的实现方式比较复杂，因而成本也相对较高。
发明内容因此，本发明的目的是提供一种开篇所述类型的故障电流分析器，这种故障电流分析器不仅可以灵活使用，而且实现方式也比较简单。这个目的通过独立权利要求1的特征而达成。本发明的故障电流分析器的特征在于分析构件设计为通过监测低频分信号来确定是否存在超过低频极限值的情况；如果存在这种情况，分析构件就测定低频分信号的第一较短信号采样，测定第一较短信号采样的有效值，将有效值与均方根下限值和均方根上限值相比较，并据此判断是否存在故障电流。也就是说，本发明的故障电流分析器的分析构件设计为可进行多阶段(特定而言主要是两阶段)监测。持续进行的第一监测阶段是对低频分信号的时间特性进行持续检验，以确定是否存在超过预定低频极限值的情况。只要低频分信号小于这个低频极限值，就继续执行这种监测。作为瞬时值监测的替代或补充方案，也可对极短信号采样(特定而言比第一较短信号采样短，持续时间例如约为lms)进行分析和监测。为此需算出这个极短信号采样的平均值。总体而言，在持续进行的第一监测阶段内并不执行只有使用硬件和/或软件资源才能实现的^^耗(计算)时间的步骤。只有当低频分信号超过低频极限值时，分析构件才会执行更为精确的分析步骤，即测定低频分信号的信号采样，并对其进行详细检验。这个信号采样的时间跨度相对较短，特定而言相当于待监测电网的电网频率(=50Hz或60Hz)的一个周期。如果为这个信号采样所测定的有效值超过均方根上限值，分析构件中就会作出"存在故障电流"的判断，并且故障电流分析器的输出端上会提供相应的信号。这个过程进行得非常快，特定而言会在一个相当于两倍电网周期的时间跨度内完成。优选时间跨度不超过30ms。故障电流分析器借此而符合了用于电网监测的故障电流识别装置和故障电流切断装置所需满足的条件。故障电流分析器可灵活应用。这种故障电流分析器不像已知的故障电流分析器那样仅局限于专门的用途。此外，故障电流分析器所包括的组件基本属于通用组件，这一点可降低故障电流分析器的制备难度。因此，总和电流互感器只需设计成具有符合A型要求的交流故障电流和脉动直流故障电流^H则功能就已足够。但分析构件可对A型故障电流保护开关无法检测到的故障电流进行检测。分析构件也仅包含通用的可编程逻辑模块或同样通用的微处理器模块或微控制器模块。因此，故障电流分析器的实现难度非常有限。本发明的故障电流分析器的有利建构方案可从权利要求1的从属权利要求中获得。有利的实施方案是特别为有效值的测定设置积分器或傅里叶变换单元。二者均可实现为硬连线电子电路或在可编程硬件模块上运行的软件模块。有效值可以很简单地通过积分而确定。傅里叶变换也同样如此，其可建构为DFT(离散傅里叶变换)或FFT(快速傅里叶变换)。在此情况下，所读出的相关频率值的幅值就是这个有效值(有可能需要的乘积校正系数忽略不计)。积分和傅里叶变换是通用的信号处理方法。此外，分析构件还可测定和分析低频分信号的第二信号采样，其中，第二信号采样比第一信号采样长，并特定而言包括第一信号采样。借助第二较长信号采样可进行更精确的分析。进行FFT时可实现更高的频率分辨率，从而获得更高的信息含量。除傅里叶变换外，对第二信号采样的分析同样可包括有效值的测定。如果第一信号采样以分段的形式包含在第二较长信号采样中，就可确保两个信号采样所涉及的是待监测电网的基本相同的状态。在此情况下，待监测电网中的情况突变不会导致分析结果失真。分析构件特定而言包含存储器，存储器中一直存储有待分析低频分信号的某个时间^:。这个存储器建构为输入端写入当前值、输出端覆盖存储时间最长的值的移位寄存器式存储器。根据另一优选实施方案，滤波器单元设计为还可选出输出信号的高频分信号。也就是说，正像为低频分信号检测设置低通滤波器那样，滤波器单元特定而言还包括高通滤波器。高频分信号包含有不同于低频分信号所包含的有关故障电流存在情况的可分析信息。因此，高频分信号同样也可用于故障电流的检测。高频分信号的测定与分析可按具体需要(即在对低频分信号进行分析的过程中需要测定和分析高频分信号)以受控方式进行，也可持续进行。根据另一有利实施方案，分析构件设计为可根据第二信号采样和高频分信号对是否存在故障电流进行判断。在此情况下，结合已从第一信号采样中获得的信息，可了解到越来越精确的故障电流情况。此外，如果分析构件设计为可测定故障电流类型，也是有利的。这一点仍通过两个信号采样和高频分信号而实现。在此情况下，故障电流分析器不仅识别故障电流的存在情况，还识别故障电流类型。这可降低查找受监测电网中的故障点这项工作的难度。特定而言设置有用于显示所测定的故障电流类型的显示单元。借此可改善故障电流分析器的可操作性。作为替代或可选方案，可在故障电流分析器的输出端以数据信号的形式提供有关故障电流类型的信息。根据另一实施方案，故障电流分析器包含温度传感器，分析构件设计为可以补偿温度影响。故障电流分析器的各组件所具有的温度相关性可能会对检测精度产生不利影响。可预先测定各组件的温度相关性，并在工作过程中在得知当前温度的情况下对其进行补偿。借此可提高检测精度。故障电流分析器特定而言还包括自校准构件。故障电流分析器特别包含电流发生器，借助于电流发生器可为总和电流互感器加载模拟(即可根据具体目的加以设定、因而是已知的)故障电流。在此情况下，可结合有关模拟故障电流的已知信息将检测到的输出信号用于故障电流分析器的校准。借此可使故障电流分析器与所用总和电流互感器的当前磁性能相匹配。通过这种方法主要可以补偿带绕铁心的磁性能偏差。也可进行自动校准(=自校准)。借助于电子可控式电流发生器可像设定不同的故障电流幅值一样设定各种故障电流类型。借此不仅可提高校准质量，还能进一步改善故障电流分析器的检测精度。本发明的另一目的是提供一种具有故障电流检测功能的装置，这种装置可以相对较简单的方式实现故障电流检测。这个目的通过独立权利要求10的特征而达成。本发明的装置包括本发明的故障电流分析器与一其他单元，这一其他单元在故障电流分析器检测到故障电流的情况下用于触发后续措施。其中，故障电流分析器特别建构为这个基本上可任意建构的装置的内置式组件。由于故障电流分析器的实现方式如上文所述非常简单，因此，所述装置的制备方式整体而言也相对较简单。本发明的装置的有利建构方案可从权利要求1Q的从属权利要求中获得。据此，所述其他单元建构为A型故障电流保护开关、B型故障电流保护开关、过压保护设备、过流保护设备、泄漏电流测量仪、电表、万用表或变频器。上述单元的功能中增加了本发明的故障电流分析器的有利性能。广泛的用途同时也证明了本发明的故障电流分析器的较高灵活性。下面借助附图和实施例对本发明的特征、优点和细节作进一步说明，其中图1为故障电流保护装置的实施例，所述故障电流保护装置中整合有与电网电压有关的故障电流分析器；图2为在图1所示的故障电流分析器中进行的故障电流监测和分析的流程图；以及图3为有关各种故障电流类型的列表。具体实施例方式图1显示的是故障电流保护装置1的实施例，故障电流保护装置1具有与电网电压无关的检测单元2和与电网电压有关的故障电流分析器3，检测单元2和故障电流分析器3并联连接在总和电流互感器5的二次绕组4上。故障电流分析器3是故障电流保护装置1的内置式组成部分。故障电流保护装置1用于对电网进行故障电流监测，本实施例中的电网包括四根电线，即三#^目线Ll、L2、L3和一#^中性线N。这四#^导线构成总和电流互感器5的一次绕组。与电网电压无关的检测单元2为一用于检测交流故障电流和脉动直流故障电流的A型故障电流保护开关。总和电流互感器5也具有相应功能。检测单元2的输入端由无源分析电路6构成。分析电路6的输出端与带有吸持磁体的继电器7导电相连。继电器7的吸持磁体与用作储能器的闭锁装置8之间存在机械有效连接，而闭锁装置8自身又与开关机构9机械相连。在本实施例中，开关机构9包括四个可通断断开触点，每个断开触点分别布置在电网的一才艮电线中。故障电流分析器3包括布置在输入端上的放大器10，放大器10通过滤波器单元11与电子分析单元12导电相连。滤波器单元11实施为滤波器组，包括均未详细图示的低通滤波器和高通滤波器。作为可选方案，此外还可设置至少一个带通滤波器。作为替代方案，也可设置可设定不同传输特性的可控模拟滤波器。此外，在附图未作图示的实施例中，滤波器单元11可作为数字滤波器整合在电子分析单元12中。分析单元12包括各种不同的组件，附图只对其中的可编程逻辑模块13和存储器14进行简单图示。分析单元12的输入端上设置有模/数转换器(A/D转换器)。根据另一实施例，也可用微处理器模块代替逻辑模块13。分析单元12与可为其供电的供电单元15相连，供电单元15连接在电网的四根电线上，并包含AC/DC转换器。为能显示有关被识别到的故障电流的信息，分析单元12连接在显示单元16上。此外，分析单元12和分析电路6之间还设置有用于传输释放信号AS的电信号连接。故障电流保护装置1还包含4企验单元17,检验单元17具有图中未详细显示的手动按钮和布置在总和电流互感器5中的检验绕组18。在本实施例中实施为手动操作的检验单元17原则上也可采用电子控制的实施方式(未作图示)。故障电流分析器3所包括的可选组件有温度传感器19和校准电流发生器20。这两个组件均连接在分析单元12上。校准电流发生器20此外还与检验绕组18导电相连。下面联系图2所示的流程图对故障电流分析器3的工作方式进行详细说明。滤波器单元11将出现在放大器10上的二次绕组4的输出信号UA分解成多个频语成分。低通滤波器提取低频分信号ST,高通滤波器提取高频分信号SH。低频分信号ST包括1kHz的低通极限频率以下的频率。高频分信号SH包括1kHz的高通极限频率以上的频率。其他的实施例原则上也可设定其他的极限频率。也可在工作过程中对这些值进行修改。借此可目的明确地设定频率响应灵敏度。分析单元12承担故障电流分析器3的主要功能。分析单元12对输入信号，即至少对低频分信号ST和高频分信号SH进行分析，对故障电流的存在与否进行识别，确定故障电流类型，以及决定是否发出释放指令。如图2中的流程图所示，分析单元12中先进行将低频分信号ST和高频分信号SH数字化的模/数转换步骤21。随后先在监测步骤22中只对数字化低频分信号ST进行观测。检测并监测低频分信号ST的时间特性。在接下来的比较步骤23中检验低频分信号ST的瞬时值是否大于低频极限值Gl。如果情况并非如此，分析单元12就针对低频分信号ST的下一个瞬时值执行监测步骤22。在本实施例中，低频极限值G1为故障电流保护装置1的额定故障电流峰值的20%。如果低频极限值Gl被超过，就在分析步骤24中测定低频分信号ST的较短信号采样，并对其进行详细检验。较短信号采样涉及的是一定时间跨度内的一段信号特性曲线，在本实施例中，这个时间跨度为20ms，相当于50Hz电网频率的一个周期。在分析步骤24中还测定较短信号采样的有效值。或者借助较短信号采样的时间跨度的积分，或者借助FFT运算测定这个有效值，从FFT运算结果中读出的电网频率分量的幅值就是这个有效值。在随后的比较步骤25中检验通过上述方式测定的较短信号采样的有效值是否小于均方根下限值G2。如果情况的确如此，分析单元12就返回到监测步骤22,进行标准监测。如果情况并非如此，就在其他比较步骤26中检验有效值是否大于均方根上限值G3。如果情况的确如此，就在释放步骤27中发出释放信号AS。在本实施例中，均方根下限值G2和均方根上限值G3分别为额定故障电流的有效值的20%和200%。如果较短信号采样的有效值处于均方根下限值G2和均方根上限值G3之间的不明确的中间区域，就先通过其他两个分析步骤28和29来进行进一步的检验。在分析步骤28中测定低频分信号ST的较长信号采样。在分析步骤24中测定的较短信号采样以分段的形式包括在这个较长信号采样中。在本实施例中，较长信号采样的持续时间为100ms。包括较短信号采样在内的较长信号采样提取自存储器14。较长信号采样的信息含量高于较短信号采样的信息含量。这一点在进行FFT时也能体现出来，通过FFT所获得的频率信号的频率分辨率为10Hz。而借助分析步骤24中的较短信号采样只能实现50Hz的频率分辨率。除FFT计算外，在分析步骤28中还可借助积分为较长信号采样确定有效值。在与分析步骤28并行执行的分析步骤29中开始对数字化高频分信号SH进行分析。对高频分信号SH的分析特定而言借助极短信号釆样(持续时间例如为1ms或2ms的)的积分或通过用带有RC元件的整流器确定有效值而实现。作为替代或补充方案，也可计算FFT。在两个分析步骤28和29中获得的附加信息在接下来的类型识别步骤30中用于识别当前所存在的故障电流的类型。本实施例对七种故障电流类型加以区分，这七种类型的故障电流特别有可能出现在用变频器控制的电动机中，图3以列表形式对其进行了图示。按照下表中所列判据进行检测<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>其中，"表示电网频率(例如50Hz或60Hz)，fu表示变换器频率，f表示高频(例如时钟频率)，L表示电网频率"情况下的FFT脉沖的值，IxrN表示x倍电网频率x"情况下的FFT脉沖的值(x￡[2，3，6]),L表示高频"情况下的FFT脉冲的值。对上表中所列识别判据的检验按先从上到下、再从左到右的顺序进行。也就是说，先根据第一项识别判据对fN、2fN、3fN、6fN、fu和"情况下存在于FFT频谱内的频率分量进行检验。随后按照第二项和第三项识别判据对所存在的频率分量进行进一步分析，最终得出有关当前所存在的故障电流类型的结论。从中获得的有关当前故障电流类型的信息在接下来的校正步骤31中用于在分析步骤28和29所得出的结论的基础上确定经校正的故障电流有效值IRMS。根据识别到的故障电流类型1至7，借助下表中所列的校正因数(适用于故障电流类型1至6)或计算规则(适用于故障电流类型7)测定经校正的故障电流有效值IRMS:<table>complextableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>其中，L表示频率方向上的第一个FFT脉沖的值(即例如在一倍或三倍电网频率G或3fV清况下)，Ifu表示变换器频率"情况下的FFT脉沖的值，d表示幅值最大的FFT脉冲的权重因子，Gu表示变换器频率fu情况下的FFT脉冲的权重因子。权重因子G^和Gu表示的是IEC标准479-2中所定义的与频率相关的故障电流对人的危害程度。校正步骤31结束时出现一个经校正的故障电流有效值IRMS,借助于这个故障电流有效值可在随后的比较步骤32中判断，是否存在超过校正均方根极限值G4的情况。如果存在这种情况，就执行释放步骤27,产生释放信号AS。如果不存在这种情况，分析单元12就返回到监测步骤22,进行标准监测。在本实施例中，校正均方根极限值G4为额定故障电流有效值的75°/。。类型识别步骤30执行完毕后，分析单元12的内部会出现有关识别到的故障电流类型的信息，这些信息也可在其他方面加以利用。举例而言，这些信息也可用于故障点的定位。因此，类型识别步骤30中还产生故障电流信号FS,这个信号中包含有这些关于识别到的故障电流类型的信息。故障电流信号FS被传输到显示单元16上进行可视化处理。作为可选方案，在进行上述基本基于低频分信号ST的分析的同时，还可对高频分信号SH进行与低频分析无关的持续监测。因为也有可能出现仅由高频分量构成的故障电流，这种故障电流可借助可选的高频并联支路加以识别。这种监测功能可避免被监测设备或装置中出现不允许的发热现象。因此，这种监测功能的作用主要在于防火。也就是说，在高频分信号ST方面，也是在一个基本与分析步骤29相同的分析步骤33中对其进行检测和预处理。所得到的结果在接下来的比较步骤34中用作判断依据，即判断是否存在超过高频极限值G5的情况。如果存在这种情况，就执行释放步骤27;如果不存在这种情况，就重新执行分析步骤33。在本实施例中，高频极限值G5为额定故障电流有效值的1000°/。，其中，高频极限值G5的绝对上限设定为300mA。在上述分析的基础上，故障电流分析器3可以很快地(即在不到30ms的时间内)识别到较大的故障电流。在比较步骤26中作出肯定判断后，释放信号AS会被立即发送到检测单元2的无源分析电路6上，用以触发相应的开关操作。此外，故障电流分析器3还可识别未使A型;^企测单元2实施切断电线的开关操作的故障电流类型。这是因为检测单元2无法单独识别含有不可忽略的直流分量的故障电流或由多种不同频率分量(特别也包括较高的频率分量在内)构成的故障电流。虽然故障电流保护装置1基本上也仅包含A型故障电流保护开关的组件，但其也能识别上述很难检测到的故障电流类型。迄今为止，这一点只有远比A型故障电流保护开关复杂、昂贵的B型故障电流保护开关才能做到。图3显示的是各种故障电流保护装置的释放功能的对比表，从中可看出本发明的故障电流分析器3和本发明包括故障电流分析器3在内的故障电流保护装置1的检测性能相对而言有所改善。其中区分七种分别用数字1至7标示的故障电流类型。例如用于连接电动机的变频器中有可能会出现这些故障电流。用数字5和6表示的故障电流类型具有较高的直流分量，因而无法被A型故障电流保护开关识别到。用数字7表示的故障电流类型也同样如此，这种类型的故障电流具有高频分量，因而处于A型故障电流保护开关的检测范围之外。而(价格较高的)B型保护开关和(价格较低的)故障电流保护装置1则均可识别到这三种故障电流类型。上文对故障电流保护装置1和故障电流分析器3的结构和工作方式的说明可理解为示范性说明。也可采用替代实施方式。因此，滤波器单元ll与分析单元12之间可设置至少一个有效值整流器。在此情况下，在分析单元12范围内分析得出的有效值在模/数转换之前就已产生。此外，检测单元2和故障电流分析器3可分別连接在一个自有的总和电流互感器5二次绕组上，或者也可包括自有无源分析电路和带吸持磁体的自有继电器。故障电流分析器3也可包含多个具有不同测量和分析功能的可编程逻辑模块。可以实现的其他功能例如有过压保护、过流保护、电网频率测量、自监测和历史记录的存储与管理。除故障电流保护装置1外，故障电流分析器3原则上也可应用在其他装置或设备中。在这一方面，故障电流分析器3具有很高的灵活性。所述的其他装置或设备例如为B型故障电流保护开关、变频器、万用表、电表或泄漏电流测量仪。权利要求1.一种故障电流分析器，用于检测具有复数根电线(L1、L2、L3、N)的电网中的故障电流，所述故障电流分析器包括a)总和电流互感器(5)，所述总和电流互感器的一次绕组由所述电线(L1、L2、L3、N)构成，所述总和电流互感器的二次侧提供输出信号(UA)，以及b)连接在所述总和电流互感器(5)上的分析构件(10，11，12)，所述分析构件用于对所述输出信号(UA)进行分析，其中，c)所述分析构件(10，11，12)包括用于选出所述输出信号(UA)的至少一个低频分信号(ST)的滤波器单元(11)，其特征在于，d)所述分析构件(10，11，12)设计来监测所述低频分信号(ST)是否超过一个低频极限值(G1)，如果超过，所述分析构件就d1)测定所述低频分信号(ST)的第一较短信号采样，d2)测定所述第一较短信号采样的有效值，以及d3)将所述有效值与一个均方根下限值和一个均方根上限值相比较，并据此判断是否存在故障电流。2.根据权利要求1所述的故障电流分析器，其特征在于，设置有特别用于测定所述有效值的积分器或傅里叶变换单元。3.根据权利要求1所述的故障电流分析器，其特征在于，所述分析构件(10,11，12)设计用来测定和分析所述低频分信号(ST)的第二信号采样，其中，所述第二信号采样比所述第一信号采样长，并包括所述第一信号采样。4.根据权利要求1所述的故障电流分析器，其特征在于，所述滤波器单元(11)设计用来选出所述输出信号(UA)的高频分信号(SH)。5.根据权利要求3和4所述的故障电流分析器，其特征在于，所述分析构件(1O,11,12)设计为可根据所述第二信号采样和所述高频分信号(SH)对是否存在故障电流进行判断。6.根据权利要求1所述的故障电流分析器，其特征在于，所述分析构件(1O,11,12)设计为可测定故障电流类型。7.根据权利要求6所述的故障电流分析器，其特征在于，设置有用于显示所测定的故障电流类型的显示单元(16)。8.根据权利要求1所述的故障电流分析器，其特征在于，设置有温度传感器U9),所述分析构件(1O,11，12)设计为可以补偿温度影响。9.根据权利要求1所述的故障电流分析器，其特征在于，设置有自校准构件，所述自校准构件特别是用于为所述总和电流互感器(5)加载模拟故障电流的电流发生器(20)。10.—种具有故障电流检测功能的装置，包括根据上述权利要求中任一项权利要求所述的故障电流分析器(3)与一其他单元(2)，所述其他单元在所述故障电流分析器(3)检测到故障电流的情况下用于触发后续措施。11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述其他单元建构为A型故障电流保护开关(2)、B型故障电流保护开关、过压保护设备、过流保护设备、泄漏电流测量仪、电表、万用表或变频器。全文摘要本发明涉及一种用于检测具有多根电线(L1、L2、L3、N)的电网中的故障电流的故障电流分析器(3)。所述故障电流分析器包括总和电流互感器(5)和连接在所述总和电流互感器(5)上的分析构件(10，11，12)，所述总和电流互感器的一次绕组由所述电线(L1、L2、L3、N)构成，所述总和电流互感器的二次侧提供输出信号(UA)，所述分析构件用于对所述输出信号(UA)进行分析。所述分析构件(10，11，12)包括用于选出所述输出信号(UA)的至少一个低频分信号(ST)的滤波器单元(11)。所述分析构件设计为通过监测所述低频分信号(ST)来确定是否存在超过低频极限值(G1)的情况；如果存在这种情况，所述分析构件就测定所述低频分信号(ST)的第一较短信号采样，测定所述第一较短信号采样的有效值，将所述有效值与均方根下限值和均方根上限值相比较，并据此判断是否存在故障电流。文档编号H02H3/32GK101208845SQ200680022803公开日2008年6月25日申请日期2006年6月14日优先权日2005年6月22日发明者让-玛丽·马特尔申请人:西门子公司