具有动态测试阈值的电路测试闭合器装置和方法

专利名称：具有动态测试阈值的电路测试闭合器装置和方法
技术领域：
本发明涉及在电路闭合之前提供电路测试功能的装置和方法。
背景技术：
电路中断和重合设备用来隔离配电系统中的故障状态，并且一旦清除了故障状态 就重合电路。配电系统中的故障可能由于多种原因而发生，并且一般为瞬时的。故障检测 和隔离减轻了作为故障结果的该故障对系统的损害。故障之后电路的自动重合使配电系统 快速返回正常工作，并且无需操作者的干预。重合器设备可以被设计为在故障中断后开始工作，以重合故障线路。重合之后，如 果故障未被清除，则重合器设备将检测故障并再次开始工作以断开并隔离故障。在确定故 障为持久故障(即需要一些修复干预的故障)并且重合器闭锁以隔离故障之前，这种闭合、 故障感应以及重开的处理可能会发生数次。然而，重合到故障的处理可能存在使配电电路和任何连接的负载重复遭受故障电 流和其它潜在的破坏性电流异常的不利影响。鉴于重合器设备的闭合、感应、重开操作性 质，在故障被清除或重合器闭锁之前这可能发生数次。


图1是例示了配电体系结构的单线路和配电体系结构内的单线故障的电路图。图2是故障电流波形和确定持久线路故障的对应测试脉冲序列的图示。图3是故障电流波形和确定瞬时线路故障与服务恢复的对应测试脉冲序列的图
7J\ ο图4描述了例示故障测试和服务恢复的处理的流程图。图5是响应于测试脉冲的电压和电流回路波形(loop waveform)的图示。图6和图7是响应于指示了针对给定负载状态的持久故障和瞬时故障的测试脉冲 的电流波形的额外图示。图8是根据这里描述的一种实施方式的适于提供测试脉冲的电路测试闭合器的 示意性剖面图。图9是图8所示的电路测试闭合器的致动器部分的放大图。图10是适合用在图8所示的电路测试闭合器中的致动器部分的另选实施方式的 放大图。图11是根据这里描述的另一种实施方式的适于提供测试脉冲的电路测试闭合器 的示意性剖面图。图12是图11所示的电路测试闭合器在致动状态下的示意性剖面图。
图13是根据这里描述的另一种实施方式的电路测试闭合器的框图。图14是图13的电路测试闭合器的一部分的一种实施方式的示意表示。
具体实施例方式电路测试闭合器能够闭合中压(MV)配电电路并在下一电流零点处中断所产生的 电流。电路测试闭合器具有由其处置(at its disposal)的电流和电压测量值，为必备的感 应元件或者由外部感应元件来提供。一旦检测到线路故障，电路测试闭合器就可开始工作 而断开触点以隔离故障。接着，电路测试闭合器测试故障线路来确定故障是否被清除。如 果故障已被清除，则电路测试闭合器重合线路以恢复服务。可以按照使电流异常最小化的 方式来完成闭合。如果故障是持久性的，则在测试协议完成后，闭合器闭锁、隔离故障直到 能进行修复为止。根据这里描述的一种或更多种实施方式的电路测试闭合器可以包括控制器和含 有操作程序的机器可读介质，或者可以例如通过无线通信适当地链接到包括含有操作程序 的机器可读介质的控制器。控制器允许电路测试闭合器在故障隔离之后、重合之前系统地 测试配电电路。系统测试可以包括生成测试电流脉冲的短闭合序列，可以评估所述测试电 流脉冲来确定线路的故障状态。此外，控制器可以协调脉冲定时和随后的线路重合，以降低 电流异常的可能性并确保遏制(quench)由测试电流回路引起的电弧(arc)。参照图1，配电系统100包括交流电能源102。如图1中所描述，所述源是来 自高压配电源的降压变压器104，所述高压配电源由向二次侧配电网106供电的发生源 (generation source)(未画出)供应。所述二次侧配电网包括通过保险丝或电路断路设备 110耦接到变压器104的配电总线108。配电总线108向多条配电线路112、114、116、118供 电，每条配电线路都通过保险丝或电路断路设备(例如设备120)耦接到配电总线。为了进 行说明，和电容负载1 一样，多个典型电感/电阻负载(例如多个负载)通过保险丝或电 路断路设备(例如设备122)耦接到配电线路112。线路112可以通过电路测试闭合器130 被分割成第一部分126和第二部分128。线路112还可以经由另一电路测试闭合器132连 接到第二电能源(未画出)。此外，虽然这些线路被表示为单根导线，但是应理解，这些线路 可以表示多相交流电配电系统的多个相，例如三个相。在这种配置中，典型地针对每个相来 提供电路测试闭合器。如果线路112、或者线路112的任意相出现了故障，例如耦接到地134，则电路测试 闭合器130可开始工作来检测故障134并断开以将该故障与能量源隔离开。如果故障出现 在电路测试闭合器130与能量源之间，则电路测试闭合器可开始工作而将线路112的第二 部分1 与能量源隔离开，使得可以通过将电路测试闭合器132闭合而使第二部分1 耦 接到第二能量源，从而至少恢复配电网100内的部分服务。电路测试闭合器130可以按照任何合适和已知的方式来检测故障，例如在预定数 目的循环(cycle)内检测高于阈值的电流。电路测试闭合器130检测初始故障134的方式 对于电路测试闭合器130的整个操作来说并不重要，可以采用任何合适的故障检测方法。 参照图2，在三相配电网200中，存在三个相202、204、206。在相204中通过在至少两个循 环中存在的过量电流而描绘了故障。故障导致与三个相202、204、206中的每一个相关联的 电路测试闭合器(例如电路测试闭合器130)断开，以隔离故障。接着，在开始重合处理之前，电路测试闭合器启动确定故障是否已被清除的过程。尽管测试处理可以从三相中的任意一相开始，但可预测故障出现在哪一相上并从 该相开始处理。在没有获知这些信息的情况下，可以使用反复试验(trial and error)处 理。也就是说，可以测试第一相202，如果未发现故障，则可以测试第二相204，以此类推，直 到发现一相有持久故障、或者所有三相都没有故障(表明故障已经清除)为止。图2例示 了通过电流脉冲、测试电流回路或“查验(ping)”进行的线路测试。通过以受控方式闭合电 路测试闭合器并保持一短的时段(例如循环片段)来生成电流脉冲。分析所产生的电流脉 冲，并确认该相上故障的存在。如图2所示，在约60个循环或1秒的时间段上两次测试相 204，两次测试都表明有故障。结果，针对相202、204、206的每个的电路测试闭合器都闭锁， 直到可以采取修复措施来清除持久故障为止。通过“查验”相，仅生成较小的瞬时测试电流回路，例如图2中的测试电流回路208 和210。这些较小的瞬时电流回路不会将应力引入到配电网200中，只有将线路闭合到故障 中才会引入应力。测试电流回路足以确定故障是否已经被清除或者是否为持久故障。第一 查验可以在初始故障之后立刻发生，随后的查验在时间上等距隔开，或者根据进度被隔开， 其中查验之间的静止期(rest period)根据情况可以缩短或延长。图3例示了与图2相同的情况，不同的是电路测试闭合器生成第二测试电流回路 (被描绘为测试电流回路210’)时，故障已经被清除。倘若剩下的相不存在故障，则对于此 实例假设电路测试闭合器闭合了每一相以恢复对配电网200的服务。电路测试闭合器可以 按预定顺序和/或根据合适的协议来重合这些相，以减少闭合处理期间的电流异常。从前面的讨论可以理解的是，电路测试闭合器采用了在故障隔离之后进行测试并 闭合以恢复服务、或者如果检测到的故障为持久故障则进行测试并闭锁的算法或协议。图4 例示了可以采用的方法400。通过使三个相闭合(步骤40 ，电路测试闭合器可以监视故 障，或者其它诊断系统可以监视故障。也就是说，诸如电路测试闭合器130的电路测试闭合 器可以包括足够的感应能力来感应并确定它所连接到的线路/相中是否存在故障。另选的 是，可以在系统中布置另一控制元件，来感应故障并做出控制决定。在这种配置中，电路测 试闭合器130可以包括到该控制元件的通信链路，来接收实现电路测试闭合器130的操作 的操作命令和指令。在这两种情况下，均对于每一相监视故障(步骤404)。在三个相的一个中不存在 故障时，系统继续监视故障。一旦发生故障(步骤404)，电路测试闭合器就可以响应于故障 确定是否断开这些相(步骤406)。如果这些相仍然闭合，则系统继续监视故障(步骤404)。 否则，针对每个相的电路测试闭合器断开以隔离故障，导致所有三个相都断开(步骤408， 或者如果用户进行了选择，则进行单相隔离)。然后，电路测试闭合器启动测试处理，以确定 故障是瞬时的还是持久的，如果是持久的，则确定故障发生在哪一相上。首先确定要测试哪一相(步骤410)。该确定可以基于已经测试了一个或更多个相 并发现它们不存在故障，因此选择未测试的相中剩余的相进行测试。最初，基于故障发生之 前相的操作特性，电路测试闭合器和/或控制元件可以知道哪个相可能发生故障。在这种 情况下，可以确定首先测试可疑的相。确定了测试相(步骤410)之后，测试过程开始。此 外，可能还想检查跨越要闭合的触点(即闭合器触点)的电压零点。一个另选方案为感应 源侧电压的电压零点。源侧电压感应具有只需在闭合器的一侧进行感应的优点，但是精度较低。可以取决于用于生成测试脉冲的装置来选择更精确的交叉接触(cross-contact)电 压感应或源侧电压感应。为了确定相是否在经历故障电流或负载电流，电路测试闭合器以脉冲方式闭合相 以生成测试电流回路。测试电流回路指示了相存在故障还是被清除了故障。为了生成测试 电流回路，测量跨越相的电压以确定电压零点(Vtl)(步骤412)。确定电压零点允许在电压 波中的一点处生成电流回路，使得在该点处生成的电流回路足以进行评估，但是不生成如 果相被闭合到故障和/或在电压波上较小优势点处可能发生的过大电流回路。电压波上电 压零点之后的优势点是这样的点，即该点具有足够的电压来破坏弱绝缘并接近零点以在脉 冲电流开始之后不久提供电流零点。尽管选择电压波的该点来生成电流回路以帮助控制电 流回路的特性是有利的并且期望这样，但是不需要如描述的那样选择该时刻。确定了电压零点以后，可以在电压零点之后的时刻、生成电流回路。图5所示的 电压波500示出了电压零点后的时刻、处电压波500的下降部分上的点502。通过对电路 测试闭合器的触点进行脉冲闭合而生成电流回路。也就是说，电路测试闭合器内的触点在 足够长以在相中生成电流回路的短时段(循环的一部分)内连在一起，然后被分离。图5 还例示了响应于脉冲闭合相的电流回路504。分析所产生的电流回路，以确定其是否指示了 负载或故障(步骤416)。也就是说，可以分析各种特性，例如电流回路的幅度、电流回路的 形状、电流回路的偏移，来确定相是否有故障。如果观察到的电流回路特性指示了负载，并且没有故障状态且所有相都清除(步 骤418)，则三个相可以再次被闭合(步骤420)。在该点处恢复服务，所有三个相再次闭合 (步骤402)。如果指示有故障，则被测试的相保持断开，直到下一测试间隔(步骤422)。然而， 如果测试计数超过了预定值(步骤424)，例如已经进行了预设次数的测试，则可以认为故 障是持久的并闭锁相(步骤426)。否则，一旦重合间隔过期(步骤428)，则重复电流回路 生成处理。关于重合间隔，该间隔可以由恒定时间组成，例如在测试之间的0. 5-15秒范围中 选择的时间段。另选的是，该间隔可以变化。例如，第一次测试可以在故障之后相对快速地 (例如在0. 5秒内)进行。如果检测到故障，则可以在约1. 5秒时进行下次测试，而在约15 秒时进行第三次测试等。可以基于电路测试闭合器的重置并准备好另一测试的能力、基于 有关瞬时故障清除之前的平均时间的历史数据、或者基于设备特性数据和/或历史系统统 计数据之外的其它合适的数据来选择精确的间隔并酌情选择间隔之间的时间增加率。可以 指定超过测试计数之前的测试次数，例如η次测试后闭锁。另选的是，测试计数可以基于从 故障起算的时间，例如故障后闭锁m秒。如果像多次测试之后指示的故障所标识的，故障在 持续，则可以进行其它诊断来确定故障类型和位置。尽管描述了顺序处理，即测试一相然后移动到下一相，但是也可同时测试这些相。 在这种情况下，针对每相的电路测试闭合器可以基本同时地以脉冲方式闭合，以生成测试 电流回路供分析用。此外，尽管方法400描述了仅在每个相被确定无故障后才重合三个相 的每一个，但是可以在确定相清除之后移动到测试另一相之前单独地重合相。在电路测试闭合器的上游或下游存在很少电容负载或没有电容负载时，上面提及 的说明中的电流回路210、210’和504是典型的。存在电容负载时，电路测试闭合器的脉冲
7闭合引起的电流回路可能表现为明显不同。图6例示了响应于脉冲闭合(即通过电路测试 闭合器进行“查验”)的电流回路602和604。图6还例示了与故障电流600有关的测试电 流回路602和604。在每种情况下，都存在上游电容负载。测试电流回路602在幅度和形状 上都指示了故障。另一方面，测试电流回路604指示了临时故障清除后的负载。图7例示 了响应于脉冲闭合(即通过电路测试闭合器“查验”)的电流回路702和704。图7还例示 了与故障电流700有关的电流回路702和704。在每种情况下，都存在上游和下游电容负 载。测试电流回路702在幅度和形状上都指示了故障。另一方面，测试电流回路704指示 了临时故障清除后的负载。应理解，可以表征针对各种负载状态的故障和负载电流回路，并且由电路测试闭 合器使用来根据被测试相的故障状态而确定负载状态。例如，与短路电流量成比例的较高 平均电流(即，平均Isnw>指示了永久故障的线路段。另选的是，与短路电流成 比例的较低平均电流(即，平均Isnw<指示了无故障的线路段。然而，可能无法 总是知道短路电流，因此，可能无法比较测试环电流与短路电流。在这种情况下，能够根据 相对值来定义测试。例如，与阈值(例如SOOamps)相比较高的测试环电流，和/或与较低 阈值(例如IOOamps)相比较高、但是持续时间较长(例如对于120°的闭合角度为^is)的 测试电流回路指示永久故障的段。相对较低的平均测试环电流(例如小于IOOamps)或者 持续时间较短(例如小于細s)可以指示无故障线路。可以观察电流脉冲的其它特性来确定永久故障的存在。例如，能够观察电流脉冲 峰值电流。脉冲峰值电流超过500A可以指示永久故障。可选的是，作为均方根(RMS)故障 电流的百分比的峰值脉冲电流超过33%可以指示永久故障。脉冲持续时间超过75*pulSe_ duration(ms)的峰值电流并且持续时间超过^is的脉冲可以指示永久故障。能够观察电流脉冲的积分(integral)来指示永久故障的存在。例如，电荷超过 2A 'S的的脉冲可以指示永久故障。类似地，电荷超过0. 001倍RMS RMS_fault_current (A) 的脉冲可以指示永久故障。电流脉冲的di/dt符号的变化次数可以作为临时故障的指示参数。脉冲的di/dt 符号变化超过10次可以指示临时故障。类似地，脉冲的di/dt的奇数次的符号变化也可以 指示临时故障。电流脉冲期间负载侧的平均电压可以作为故障的指示参数。电路测试期间平 均负载侧电压超过0. Ipu可以指示临时故障。另选的是，电路测试期间平均电压超过 0. 033*pulse_duration (ms)-4)+0. 05 可以指示临时故障。电流脉冲的能量可以作为故障的指示参数。脉冲能量低于1333 · (pulse_ duration) (ms)-4)并且持续时间超过^is可以指示永久故障。电流脉冲I2t可以作为故障的指示参数。I2t超过1000A2t的脉冲可以指示永久故 障。I2t超过0.5· (I短路RMS-500)的脉冲也可以指示永久故障。故障前负载电流和当前脉冲电流或参数的比值和/或当前脉冲的波形可以指示 故障。故障前负载电流可以与其它脉冲参数结合使用以增加故障检测准确度。例如，平均 电流超过2 · I故障前负载RMS+100的脉冲可以指示永久故障。可以使用峰值电流和电荷 得到类似关系。脉冲波形和特定波形识别可以指示永久故障。标准差超过0. 1的归一化信号误差指示了临时故障。信号误差可以定义为纯电感电路的实际测试环电流与理想测试环电流之 间的差。类似地，脉冲波形识别技术可用于估计短路电流量。例如，知道脉冲的脉冲角(θ ) 和平均电流，就能用下面的等式来估计短路电流
权利要求
1.一种在配电电路的故障断开之后重合该配电电路的方法，该方法包括以下步骤 通过暂时闭合该配电电路而在该配电电路内生成测试信号；确定至少一个动态阈值；根据该测试信号和该动态阈值来确定是否存在故障；以及 在不存在故障时重合该配电电路。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，生成测试信号的步骤包括在所述配电电路中生 成测试电流回路。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，确定动态阈值的步骤包括基于与所述配电电路 的故障断开相关联的故障保护设备的特性来确定所述动态阈值。
4.根据权利要求4所述的方法，其中，所述动态阈值基于所述特性的倍数。
5.根据权利要求5所述的方法，其中，所述倍数在80%到150%的范围内。
6.根据权利要求所述的方法，其中，确定动态阈值的步骤包括限制所述动态阈值。
7.根据权利要求1所述的方法，该方法包括针对预定次数的测试重复所述方法，并且 其中，确定至少一个动态阈值的步骤包括针对所述预定次数的测试中的每一个来确定动态 阈值。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，与所述预定次数的测试中的初次测试相关联的 动态阈值偏向于确定故障，而与所述预定次数的测试中的末次测试相关联的动态阈值偏向 于不确定故障。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，与所述预定次数的测试中的初次测试和末次测 试之间的测试相关联的动态阈值是通过线性插值而确定的。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，确定动态阈值的步骤包括基于故障前负载电流 来确定该动态阈值。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，确定动态阈值的步骤包括基于方向性因子或冷 负载因子来确定所述动态阈值。
12.—种电路测试重合器，该电路测试重合器包括第一电触点和第二电触点，第一电触点可相对于第二电触点移动以达成接触或解除接 触，第一电触点和第二电触点适于耦接到配电系统的第一电导体和第二电导体；耦接到第一电触点的致动器组件，其提供第一电触点和第二电触点的相对移动，该致 动器组件的动作能够将第一电触点从第二位置移动到第一位置，以在所述配电系统中生成 测试电流回路；耦接的控制器，其接收所述测试电流回路并基于所述测试电流回路的特性和动态阈值 来确定是否存在故障。
13.根据权利要求12所述的电路测试重合器，其中，所述动态阈值基于所述电路测试 重合器的特性。
14.根据权利要求13所述的电路测试重合器，其中，所述动态阈值基于所述特性的倍数。
15.根据权利要求14所述的电路测试重合器，其中，所述倍数在80%到150%的范围内。
16.根据权利要求12所述的电路测试重合器，其中，所述动态阈值包括最小阈值。
17.根据权利要求12所述的电路测试重合器，其中，所述动态阈值包括多个阈值，每个 阈值都与预定次数的测试相关联。
18.根据权利要求18所述的电路测试重合器，其中，与所述预定次数的测试中的初次 测试相关联的阈值偏向于确定故障，而与所述预定次数的测试中的末次测试相关联的阈值 偏向于不确定故障。
19.根据权利要求19所述的电路测试重合器，其中，与所述预定次数的测试中的初次 测试和末次测试之间的测试相关联的阈值是通过线性插值而确定的。
20.根据权利要求12所述的方法，其中，所述动态阈值基于故障前负载电流、方向性因 子或冷负载因子。
全文摘要
一种电路测试闭合器能够闭合配电电路并在下一电流零点中断所产生的电流。一旦检测到故障，所述电路测试闭合器就开始工作，断开接触以隔离所述故障。接着，所述电路测试闭合器测试故障线路，以确定所述故障是否已被清除。所述电路测试闭合器可以利用一个或多个动态阈值来确定是否存在故障。
文档编号H01H75/04GK102084568SQ200980122808
公开日2011年6月1日 申请日期2009年5月20日 优先权日2008年5月20日
发明者亚历杭德罗·蒙特内格罗, 雷蒙德·P·奥利里 申请人:施恩禧电气有限公司