電路保護系統的制作方法

專利名稱：電路保護系統的制作方法
技術領域：
本公開通常涉及配電系統，尤其是，涉及為整個系統的區域保護提 供多個區域保護功能的電路保護系統的方法和裝置。
技術背景在配電系統，電力被分配到不同的負載，典型的被劃分到分支電路， 所述分支電路提供電力到指定的負載。分支電路也可以連接到別的配電 裝置。由于對系統中如故障或過載的異常電力情況的關注，提供電路保護 設備或電力開關設備如電路斷路器以保護電路是公知的。電路斷路器謀 求防止或最小化損壞，并且典型的為功能自動化。電路斷路器還謀求在 故障情況下電力供應中斷的范圍和持續時間的最小化。配電系統包括不同的配電排觸點(distribution level),流過每個排觸 點的電力通過電路斷路器控制。在故障或過載的情況下，最靠近故障的 電路斷路器需要盡可能快地跳閘以中斷電力潮流(power flow),并避免 配電系統的損壞。為了保證僅有系統所要求的部分被斷開，上游電路斷 路器必須限制在有限的時間延遲(或時間-電流成倒數關系的延遲)內不 會跳閘，以使得下游電路斷路器清除故障。在下游故障情況下的上游電 路斷路器跳閘時間中的時間延遲將導致不期望的高允通電能。該允通電 能發生在當上游斷路器應當跳閘，但上游斷路器卻配置成等待一段時間 以允許下游斷路器跳閘，在這段時間內持續流過的電能就是允通電能。配電系統的設計必須單獨地確立不同斷路器的跳閘設置，以使得斷 路器被協調成具有跳閘時間曲線，所述跳閘時間曲線在配電系統的配電 排觸點的上游方向或級聯配置中延遲跳閘時間。圖1示出了示例性的現 有技術配電系統10的結構圖。現有技術配電系統10包括多個電路斷路 器12。現有技術配電系統10的一個支路17包括多個排觸點14。多個配 電排觸點包括包含在配電板上的具有電路斷路器的第一排觸點16，包含
在子配電開關板上的具有電路斷路器的第二排觸點18，包含在配電開關 板上的具有電路斷路器的第三排觸點20，以及包含在主開關板上的具有 電路斷路器的第四排觸點22。相對于電力潮流，第一排觸點16的電路斷 路器連接到第二排觸點18的下游，第二排觸點18的電路斷路器連接到 第三排觸點20的下游，以及第三排觸點20的電路斷路器連接到第四排 觸點22的下游。例如，第一排觸點16包括20安培的電路電路器，第二 排觸點18包括100安培的電路斷路器，第三排觸點包括1200安培電路 斷路器下游的400安培的電路斷路器，以及第四排觸點包括4000安培的 電路斷路器。作為現有技術配電系統10的這種現有系統無法清除故障，以至于故 障持續流過系統直到它通過足夠敏感以檢測到此故障的斷路器。因此， 如圖2中所示， 一個更大的上游過電流設備或電路斷路器30必須比小一 些的下游設備或電路斷路器32的敏感度更低和更慢。每個上游電路斷路 器30和下游電路斷路器32連接到提供邏輯和信息處理以確立跳閘決定 的電子跳閘設備31， 33,以提供過電流保護功能。圖2示出了在記錄圖 表中上游電路斷路器30和下游電路斷路器32中從發出跳閘到清楚故障 電流的時間段內所存在的故障電流。如曲線B1中所示，在如箭頭F1所 示的故障電流流動期間，上游電路斷路器30沒有跳閘直到一段允許下游 電路斷路器32跳閘的時間之后才跳閘，此在軸A1中所示。在級聯配電 系統中，敏感度和速度一定會由于協調需要而被不良檢測而不是出于保 護或安全要求目的，如，協調需要上游斷路器30和下游斷路器32之間 的時間延遲。這增加了諸如不能及時清除故障的系統損壞危險，增加了 允通電能。當配置越來越大和斷路器變慢，當斷路器等待下游斷路器跳 閘時，檢測流通量和決定流通量是否過大的時間延遲增加了。由于故障 的允通電能很危險并導致配電系統的貴重元件的故障/熔化，因此非常需 要最小化允通電能現有技術區域選擇閉鎖(ZSI)系統僅僅提供(是/否)在兩個串聯連 接的過電流裝置之間的通信。低端(負載側)設備或下游電路斷路器232 與上端(線路側)設備或上游電路斷路器230通信，以告知其是否對故 障作出或沒作出反應。當上游電路斷路器230沒有收到下游電路斷路器232檢測到故障的信號，則上游電路斷路器230加速以更快速的操作。由 此，如圖4所示，在故障情況下，通過箭頭Z所示的在主或上游電路斷 路器230和次級或下游電路斷路器232之間的通信，改進了在曲線Al所 示上游電路斷路器230和曲線Bl所示下游電路斷路器232之間的時間軸 所示的時間周期，中斷流過現有技術配電系統10中大的上游過電流設備 或電路斷路器30和小的下游設備或電路斷路器32的電力，如圖2所示。 每個上游電路斷路器230和下游電路斷路器232具有提供邏輯和信息處 理以確定跳閘決定的電子跳閘裝置231， 233,以提供過電流保護功能。 ZSI系統不期望地只改進了故障足夠高于預先確定的拾取閥值時的上游 電路斷路器和下游電路斷路器之間的延遲，而沒有增加如上游電路斷路 器230的上游電路斷路器的敏感度，這是由于現有技術系統10的冗余和 負載支持需要。如果斷路器增加了敏感度，則該斷路器會在應由另一個斷路器負責 的故障時跳閘。由此，在保護和協調之間產生問題。系統10的每個斷路 器獨立決定。這還降低了系統的效率，諸如不及時斷開電路斷路器和有 害跳閘，并且能增加在故障情況下的電力供應中斷的范圍和持續時間。由此，需要一種與配電系統協作的電路保護系統，來降低配電系統 的損壞危險和增加效率。還進一步需要電路保護系統以改進上游電路斷 路器和下游電路斷路器之間的延遲以及相對于現有技術增加上游電路斷 路器的敏感度。發明內容用于具有一個或多個區域的配電系統的保護系統，包括至少一個連 接到功率或電流檢測設備和通信設備的電力開關設備。電力開關設備以 通信方式耦合到至少一個處理設備。至少一個處理設備適合于基于區域 內功率狀態信息和區域的預定保護需要執行用于所述區域的多個保護功能。保護系統包括以通信方式耦合到一個或多個限制保護區域的鄰接的 電力開關設備的主電力開關設備。主電力開關設備與處理器聯系，該處 理器適合于存取來自鄰接的電力開關設備的信息，并基于與鄰接電力開 關設備通信的信息以實行基于區域的保護和控制功能。
該處理器可包括總線差動功能。
一個或多個區域可為由電源和負載自動過電流保護設備所界定的多個區域。 一個或多個區域可為多個區域,該多個區域通過一個或多個連接電力開關設備和輸出供給器或電源區重疊在一起構成主負載區域。通信設備能與以通信方式耦合到至少一個次級電力開關設備的通信接口通信。通信設備能夠以通信方式耦合到次級通信設備，以傳達由至少一個次級電力開關設備檢測到的故障情況是否存在。在故障存在的情況下，至少一個電力開關設備可比至少一個次級電力開關設備的設置慢，以及在故障不存在的情況下，與至少一個次級電力開關設備的設置相同。至少一個電力開關設備可至少為一個主電力開關設備和次級電力開關設備，其中所述主電力開關設備通過基于自身電流信息和由在主電力開關設備區域中的所述次級電力幵關設備傳達的信息來計算從而執行差動保護，以及其中所述主電力開關設備基于所述計算的結果確定所述主電力開關設備區域中故障存在。電力或電流檢測設備可為檢測流過的電流并且以通信方式耦合到通信設備的傳感器。所 述至少一個電力開關設備可以是多個電力開關設備，其中所述多個電力開關設備中的每個電力開關設備是電力開關設備直接連接到其下游的主電力開關設備，和次級電力開關設備緊鄰其上游的次級電力開關設備。該處理器可包括總線差動功能。保護區域可由電源和負載自動過電流保護設備所界定。保護區域可通過一個或多個連接電力開關設備和輸出供給器或電源區與第二保護區域重疊以形成主負載區域。主電力開關 設備可具有與以通信方式耦合到一個或多個鄰接的電力開關設備的通信接口通信的通信設備。主電力開關設備可具有以通信方式耦合到一個或 多個鄰接電力開關設備的第二通信設備的通信設備，以傳達由一個或多 個鄰接電力開關設備檢測到的故障情況是否存在。在故障存在的情況下， 主電力開關設備可比一個或多個鄰接的電力開關設備設置慢，以及在故 障不存在的情況下，主電力開關設備與一個或多個鄰接的電力開關設備 設置相同。基于區域的保護和控制功能可在包括總線差動計算(differential calculation),偏微分、區域選擇閉鎖、接地故障微分(fault differentials單點過電流的組中選擇或為上述的任意組合。主電力開關 設備可具有功率或電流檢測設備，所述功率或電流檢測設備是檢測電流 流量以及以通信方式耦合到通信設備的傳感器。主電力開關設備可為一 個或多個鄰接的電力開關設備的上游。本領域技術人員可從下面的詳細描述、附圖及權利要求書中理解上 面所描述的以及本公開的其它特征和優點。


圖1是示例性現有技術配電系統的結構圖；圖2是在示例性現有技術配電系統中故障電流隨時間的圖示；圖3是在現有技術區域選擇閉鎖配電系統中故障電流隨時間的圖示；圖4是用于配電系統的區域處理系統的示例性實施例的結構圖；圖4a是區域處理系統的示例性實施例的電力開關設備的結構圖；圖5是包括總線差動保護的區域處理系統的示例性實施例的故障電流隨時間的圖示；圖6是區域處理系統中電力開關設備的示例性實施例的結構圖； 圖7是包括區域處理系統的所研究示例性實施例的部分結構圖； 圖8是區域處理系統的示例性實施例與第一電力開關設備的示例性現有技術配電系統的允通電能比較的圖示；以及圖9是區域處理系統的示例性實施例與第一電力開關設備的示例性現有技術配電系統的允通電能比較的圖示。
具體實施方式
現在參考附圖，尤其是圖4，區域配電系統(以后稱為"系統")的 示例性實施例通常由附圖標記110示意。系統110通過大量的或多個電 力開關設備或電路斷路器114分配電力到支路電路116，再到一個或多個 負載118。每個電路斷路器114具有檢測設備和通信設備。電路斷路器 114可附加的包括處理器。電路斷路器例如不具有相對于電力潮流的任何 下游電路斷路器的支路電路斷路器122,可不具有處理設備。電路斷路器114可包括電源過電流保護設備或電路斷路器140和支 路過電流保護設備或電路斷路器142，如圖4a所示。電源過電流保護設 備140被置于來自電源的電流期望流入的位置。在某些情況下，電源過 電流保護設備140也可以在連接過電流保護設備144的情況下為負載或 輸出區域。支路過電流保護設備或電路斷路器142是供應端使用負載156 的最后的設備并且此后沒有進一步的配電。系統110是區域控制和整體集成的保護、檢測和控制系統。 一個或 多個區域120由電源和負載自動過電流保護設備或電路斷路器114所界 定。區域120可通過連接電路斷路器144和輸出供給器或電源區重疊以 形成主負載區域，如重疊區域146,如圖4a所示。系統110被配置以使 得每個電路斷路器114用作主斷路器，如，系統110中的一個主電路斷 路器是主斷路器115，以及對于直接連接到主斷路器下端或下游的斷路器 和次級斷路器來講，如，系統110中的一個次級電路斷路器是次級斷路 器113。次級斷路器是主斷路器的下端或下游。主斷路器是次級斷路器的 上端或上游。每個電路斷路器114可通過檢測設備檢測電流和域電壓。 每個電路斷路器114可通過通信設備傳達檢測到的電流和/或電壓到主斷口主斷路器采用由次級或鄰接的電路斷路器傳達的信息，如圖5的箭 頭Zl所示，以通過處理器158執行一個區域120的差動保護。差動保護 是基于Kirchoff電流定律，此定律表明流入一個節點的全部電流必定等 于流出該節點的全部電流。主電路斷路器基于本身的電流信息和由主電 路斷路器區域中的次級斷路器傳送而來的信息執行計算。基于計算的結 果，主斷路器確定主電路斷路器區域內的過電流或故障的存在，或正在 傳遞到下面的區域。區域120具有流入或流出電流。如果區域120都沒 有故障，則所有電流的瞬間向量之和等于零加上預定測量誤差。如果所 述和超過零，而大于預定測量誤差，那么在區域中存在被規類為故障的、 沒有考慮進去的電流。對于主斷路器執行計算，應當在主電路斷路器區 域同步來自每個入口和出口的瞬時值，或同步每個輸入/輸出(I/O)點的 矢量值。每個次級電路斷路器必須測量以及傳送測量值到主斷路器。每 個主斷路器接收測量值并針對它所指定的區域進行處理。這個決定的敏 感度和速度是基于硬件的檢測和計算限制，沒有電路斷路器114的速度 或延遲造成的選擇性限制。基于主和次級電路斷路器檢測到的情況和基于自身的電流信息和在 主電路斷路器區域中的次級斷路器傳送信息的計算值，主斷路器的處理 器可包括算法，以將時間周期調整至主斷路器和次級電路斷路器之間的
任何時間周期，從而中斷電力潮流。當次級電路斷路器示意故障情況不 存在時，主斷路器在與次級電路斷路器時間設置相同的更快設置上操作。因此，如圖5所示，在主或上游電路斷路器330和次級或下游電路斷路 器332之間的通信，如箭頭Z1所示，以及由主電路斷路器330的計算， 改進了曲線A3示出的上游電路斷路器330和曲線B3示出的下游電路斷 路器332之間在時間軸上示出的時間周期，在故障情況下如在圖2中所 示，中斷電力潮流流過現有技術配電系統10的大的上游過電流設備或電 路斷路器30和小的下游設備或電路斷路器32。使用者或設計師必須定義至少一個用于一個或多個區域120中每一 個區域的主電路斷路器。主電路斷路器可以是在區域和電源之間而不是 在區域和負載之間的電路斷路器。如果區域包括一個電路斷路器和負載， 那么該電路斷路器就是僅包括自身的區域的主斷路器。如圖5所示，系統110的敏感度可以通過附加具有總線差動87B功 能的主電路斷路器而改進。總線差動將多個輸入和輸出電流相加以尋找 區域中的故障。用于總線差動計算(87B)或功能的處理設備或邏輯線路 340采用對于所有輸入和輸出電流同步的向量值，由此計算全部的節點電 流之和。總線差動可以做到對小的故障甚至對小于電路的全部負載電流 也敏感，該總線差動僅由檢測裝置的精度限制而不被協調需要所限制， 但是，在某些情況，由于電流變壓器的飽和而對于更高的故障不適用。 但是，系統110結合總線差動功能提供了這樣的能力，即，檢測由電路 斷路器的中斷等級限制的潛在故障值的整個范圍，如在高至200000安培 并且進一步包括零序(接地故障)故障的某些情況下，附加相位保護， 保證了接地故障和相位保護之間的敏感度。由此，如圖5所示，用于總 線差動計算(87B)或功能的處理設備或邏輯電路340,在故障的情況下， 增加了如圖2所示現有技術配電系統10中大的上游過電流設備或電路斷 路器30和小的下游設備或電路斷路器32的敏感度，如曲線C3所示。如圖6所示，通信設備可為例如一個或多個節點150。傳感器152 可為檢測電流流量的任何傳感器。傳感器可與斷路器集成或安裝到斷路 器的外部。傳感器152可提供與電流幅值成比例的模擬信息信號。該模 擬信息信號被傳送到節點150，所述節點150將該模擬信息信號數字化和 打包以用于通信目的，并將其傳送到通信接口 154，所述通信接口 154然 后將該信息傳送至主斷路器。該通信接口 154接收來自電路斷路器114 中多個點的多個信息塊，并將該信息打包。電路斷路器114的層次結構 由通過邏輯、手動接口、結構體系或上述任意組合的處理器可被自動建 立。通信接口 154可包括電力線載波通信、類似于手機網絡的無線通信 接口、或任何通信接口。每個直接連接到負載、支路電路斷路器142的電路斷路器114不需 要處理器或來自其它電路斷路器的信息，但是它需要與其上游的主斷路 器通信。需要用于上述功能的硬件。配電系統元件156，如圖6中所示， 可以為負載、電纜、任何配電系統元件、或上述的任意組合。在一個以 上的電路斷路器114具有處理器的情況下，每個處理器具有用于次級斷 路器本地執行的算法。對模型配電系統410進行了研究，如圖7所示。模型配電系統410 包括多個電路斷路器414和變壓器415。基于用于電路斷路器的現有技術 級聯控制方法，分析模型配電系統410的MS主電路斷路器MS Main的 允通電能特征，并與這里描述的對于僅由固有能力例如檢測技術和存儲 器限制的敏感度和保護而最優化的區域配電系統進行比較。比較是基于 安培的平方乘以秒，其是與能量成正比的數字值，以用于兩種故障情況 圖8和圖9所示的接地故障和端面故障(face fault)。如圖8和9所示，這里所述的區域配電系統相比于現有技術級聯控制和區域選擇閉鎖方法 可減少60%-75%的允通電能。雖然這里公開的描述參考了一個或多個實施例，但本領域技術人員 應當理解，在不偏離上述范圍的情況下，可以采用各種的改變并且元件 可采用等價物替換。另外，在本公開的教導下，也可以不偏離上述的范 圍而采用很多修改以適合特別的情況或材料。因此，本公開并不受到這 里揭示的作為實施本發明最優模式的特殊實施例所限制，本發明應包括 落入權利要求書范圍內的所有實施例。部件清單現有技術配電系統10 多個電路斷路器12
支路17 多個排觸點14 第一排觸點16 第二排觸點18 第三排觸點20 第四排觸點22 上游電路斷路器30 下游電路斷路器32 電子跳閘裝置31 電子跳閘裝置33 下游電路斷路器232 上游電路斷路器230 電子跳閘裝置231 電子跳閘裝置233 系統110 電路斷路器114 支路電路116 負載U8支路電路斷路器122 源電路斷路器140 支路電路斷路器142 連接過電流保護設備144 區域120 重疊區域146 次級斷路器113 處理器158 上游電路斷路器330 下游電路斷路器332 處理設備340 節點150傳感器152 通信接口 154 配電系統元件156 模型配電系統410 電路斷路器414 變壓器41權利要求
1、用于具有一個或多個區域(120，146)的配電系統(10)的保護系統(110)，包括至少一個連接到功率或電流檢測設備(152)和通信設備(154)的電力開關設備(114，122，140，142，144，113，330，332，414，415)，所述電力開關設備通信耦合到至少一個處理設備(158，340)，所述至少一個處理設備適合于基于區域中功率狀態信息和區域的預定保護需要來執行用于所述區域的多個保護功能。
2、 權利要求1所述的系統，其中所述處理器包括總線差動功能。
3、 權利要求l所述的系統，其中一個或多個區域是由電源和負載自 動過電流保護設備所界定的多個區域。
4、 權利要求l所述的系統，其中一個或多個區域是通過一個或多個 連接電力開關設備(144)和輸出供給器或電源區域重疊的多個區域(146) 以形成主負載區域。
5、 權利要求l所述的系統，其中所述通信設備與以通信方式耦合到 至少一個次級電力開關設備的通信接口通信。
6、 權利要求5所述的系統，其中所述通信設備以通信方式耦合到次 級通信設備，以傳達由所述至少一個次級電力開關設備檢測的故障情況 是否存在。
7、 權利要求6所述的系統，所述至少一個電力開關設備在所述故障 情況存在的情況下比所述至少一個次級電力開關設備的設置慢，在所述 故障情況不存在的情況下具有與所述至少一個次級電力開關設備相同的 設置。
8、 權利要求1所述的系統，其中所述一個電力開關設備是至少一個 主電力開關設備和次級電力開關設備，其中所述主電力開關設備通過基 于自身電流信息和由在主電路電力開關設備區域中的所述次級電力開關 設備傳達的信息來計算從而執行差動保護，以及其中所述主電力開關設 備基于所述計算的結果確定所述主電路電力開關設備區域中故障存在。
9、 權利要求l所述的系統，其中所述功率或電流檢測設備是檢測電流流量和以通信方式耦合到所述通信設備的傳感器(152)。
10、權利要求1所述的系統，其中所述至少一個電力開關設備是多 個電力開關設備，其中所述多個電力開關設備中的每個電力開關設備是 電力開關設備直接連接到其下游的主電力開關設備，和次級電路電力開 關設備緊鄰其上游的次級電力開關設備。
全文摘要
用于具有一個或多個區域(120，146)的配電系統(10)的保護系統(110)，包括至少一個連接到功率或電流檢測設備(152)和通信設備(154)的電力開關設備(114，122，140，142，144，113，330，332，414，415)。電力開關設備以通信方式耦合到至少一個處理設備(158，340)。該至少一個處理設備適合于基于區域中電力情況的信息和區域的預定保護需要來執行用于區域的多個保護功能。
文檔編號H02H7/26GK101212137SQ200710306689
公開日2008年7月2日 申請日期2007年12月28日 優先權日2006年12月28日
發明者A·W·凱恩, J·C·小希爾, M·E·瓦爾德斯 申請人:通用電氣公司