電子脫扣器的畸變電流檢測誤差校準方法
【專利摘要】本發明涉及一種電子脫扣器畸變電流檢測誤差校準方法。利用畸變電流的峰值系數KP和波形系數KW，分析了三角波和矩形波這兩種典型的畸變電流波形對峰值電流檢測和均值電流檢測方法下電子脫扣器檢測誤差的影響。通過峰值檢測誤差曲線和均值檢測誤差曲線可以看出不同畸變電流波形下峰值檢測和均值檢測的誤差。根據非線性負荷的電流波形特征及檢測誤差曲線，適當地調整動作電流整定值，能夠在一定程度上避免畸變電流導致的電子脫扣器頻繁誤動作現象。
【專利說明】
電子脫扣器的畸變電流檢測誤差校準方法
技術領域
[0001] 本發明涉及一種電子脫扣器畸變電流檢測誤差校準方法。
【背景技術】
[0002] 近年來，許多工廠和企業都發生過電子脫扣器非故障動作導致低壓斷路器無故跳 閘問題，由此引發的停電事故不僅威脅設備和人身安全，而且造成了嚴重的經濟損失。調查 發現，這些低壓配電網的負荷主要為大容量UPS、變頻調速電機、整流器、電弧爐等典型的非 線性負荷，它們在工作過程中電流會產生嚴重的畸變，這是導致電子脫扣器非故障動作的 主要原因之一。IEEE電力系統可靠性委員會也曾對低壓斷路器的可靠性進行了調查，結果 表明斷路器脫扣器的脫扣校準故障率最高，為其它故障(機械故障、電觸頭故障）的2倍甚至 更高。低壓配電網中大容量非線性負荷的種類和數目越來越多，電流畸變日益嚴重，這對普 通電子脫扣器的動作準確性是一個巨大的威脅。所以，定量分析畸變電流對電子脫扣器檢 測誤差的影響，提出一種畸變電流下的電子脫扣器檢測誤差校準方法具有重要意義。

【發明內容】

[0003] 本發明的目的是提出一種電子脫扣器畸變電流檢測誤差校準方法;上述的目的通 過以下的技術方案實現： 一種畸變電流下的電子脫扣器檢測誤差校準方法，包括如下步驟： (1)分析典型非線性負荷的波形特征 a. 單相非線性負荷 單相非線性負荷廣泛分布于商業和民用供電系統中，其中典型的有電子熒光燈、開關 電源以及單相整流器等，附圖1給出了幾種典型負荷的電流波形。電子熒光燈由于使用了電 子鎮流器，其輸入電流波形發生嚴重畸變，波形如附圖1(a)所示，為明顯的三角尖脈沖。個 人計算機、打印機、電視機以及其他單相電子設備普遍采用開關電源，其交流側電流3次諧 波含量很高，波形如附圖1 (b)所示，呈現很短的尖脈沖。單相整流器為獲得較平穩的輸出電 流，通常帶有大電感，其輸入電流波形如附圖1(c)所示，為矩形方波； b. 三相非線性負荷 三相非線性負荷廣泛應用于工業和大型商業場所，典型的有大功率UPS、變頻調速電機 以及三相整流器等，附圖2給出了幾種典型負荷的電流波形;大功率UPS的輸入側電流會發 生畸變，波形如附圖2(a)所示，呈現"雙拱"形;變頻調速電機在出力較大(低速)時的輸入側 電流將產生嚴重的畸變，波形如附圖2(b)所示，呈現出"雙三角"形。三相整流器直流側有大 電感時，輸出波形較平穩，交流側電流波形如附圖2(c)所示，呈近似的矩形方波； 通過分析典型非線性負荷的電流波形，按其特征可歸納為兩大類:一類是尖頂波，一類 是平頂波。由于多數畸變波形的精確表達式難以求得，因此可采用分段線性化的方法來簡 化分析，如附圖3所示；附圖3(a)所示的尖頂波與純正弦波相比已產生嚴重畸變，用分段線 性化的方法對其進行近似擬合，可等效為三角波；附圖3(b)所示的平頂波與純正弦波相比 也有明顯畸變，同樣用分段線性化的方法將其近似等效為矩形方波； (2)電子脫扣器畸變電流檢測誤差計算 附圖4所示為等效后典型畸變電流波形，其正、負半波鏡對稱。圖中正半周波峰值為ip， 周期為Γ，半周導通時間為?〇η，三角波峰值出現時刻與起始導通時刻差值為有效值為 iRMS，正半周波均值為iaν ; 波形占空比：
利用式(2)和式(3)可求得三角波和矩形波的峰值系數及波形系數兩個特征量，它們只 與波形占空比σ有關。三角波、矩形波與純正弦波的峰值系數和波形系數對比如表1所示；
基于電流峰值檢測的電子脫扣器通過檢測到的電流峰值乘以系數對通常為純正弦波 峰值系數的倒數，即0.707)來得到電流有效值;基于電流均值檢測的電子脫扣器通過檢測 到的電流均值乘以系數(通常為純正弦波的波形系數，即1.111)得到電流有效值;對于標 準正弦波，兩種檢測方法均能正確反映實際電流有效值，但當波形發生畸變時，兩種檢測方 法所得到的電流有效值有很大誤差，可能引起電子脫扣器誤動作;峰值系數辦和波形系數A 兩個特征量，分別反映了電流波形峰值和均值與有效值之間的關系，可用以定量分析畸變 電流下基于峰值檢測和均值檢測兩種電流檢測方式的檢測誤差； 為了直觀、定量地分析畸變電流下電子脫扣器的脫扣電流檢測誤差，定義峰值影響因 子(簡稱峰值因子）：
均值影響因子(簡稱均值因子）：
由式(6)可以看出，電流有效值為峰值與峰值因子的乘積或均值與均值因子的乘積； 電流峰值檢測方法的檢測誤差可表不為：
電流均值檢測方法的檢測誤差可表示為：
式(7)和(8)中的Irmsq、/?、/分別為純正弦波對應的電流方均根值、峰值因子、波形因 子；由式(7)和(8)可以求得電流峰值檢測法的誤差和均值檢測法的誤差，它們只與波形占 空比〇有關； (3)電子脫扣器畸變電流檢測誤差曲線 三角波和矩形波的畸變電流在不同占空比σ下的峰值檢測誤差曲線如附圖5所示;三 角波的峰值檢測誤差始終為正值，說明對三角波采用峰值檢測并按標準正弦波進行校準求 得的電流有效值比實際值偏大，并且隨著三角波占空比的減小，峰值檢測誤差會越來越大； 當占空比σ為0.2時，誤差已經達到了 173.9%，即峰值校準得到的電流有效值是真實值的 2.739倍，這會被誤認為是一個過流信號甚至是一個小短路信號，從而引起過載保護或低閾 值短路保護誤動作； 矩形波在占空比σ小于0.5時，峰值檢測誤差為正，得到的電流有效值比真實值大；當 占空比σ大于0.5時，峰值檢測誤差為負，表明得到的電流有效值比真實值小;從圖中還可 以看出，矩形波的峰值檢測誤差明顯小于三角波，當占空比σ為0.2時為58.11%; 三角波和矩形波的畸變電流在不同占空比σ下的均值檢測誤差曲線如附圖6所示;三 角波的均值檢測誤差始終為負值，表明對三角波采用均值檢測并按標準正弦波進行校準求 得的電流有效值比實際值偏小，并且隨著三角波占空比的減小，均值檢測誤差越來越大，當 占空比σ為0.2時，誤差達到了-56.98%，即均值校準得到的電流有效值是真實值的0.4302 倍，這樣的檢測方法使得過流會被誤認為是正常電流，從而過載保護拒動作； 矩形波在占空比σ小于0.81時，均值檢測誤差為負，表明均值校準得到的電流有效值 比真實值小；占空比σ大于0.81時，均值檢測誤差為正，表明均值校準得到的電流有效值比 真實值大;從圖中還可以看出，矩形波的均值檢測誤差略小于三角波，當占空比σ為0.2時 也達到了-50.33%，當占空比σ為1時，矩形波出現最大為11.07%的正的均值檢測誤差； (4)電子脫扣器畸變電流檢測誤差校準 根據上述對電子脫扣器畸變電流檢測誤差分析，可依據系統負荷類型適當調整電子脫 扣器的電流保護整定值，以消除脫扣檢測誤差引起的保護裝置誤動作。具體方法如下:首先 根據電流波形判斷負荷屬于哪種類型，可用哪種波形來等效;然后確定保護裝置電子脫扣 器的電流檢測方式，以選擇相應的檢測誤差曲線作為參考;最后根據對應的檢測誤差值大 小，調整原始電流保護整定值。
[0004] 有益效果 1. 本發明將畸變電流波形等效為三角波和矩形波兩大類，利用峰值系數和波形系數 可以求得不同畸變波形下電子脫扣器峰值檢測和均值檢測的誤差值； 2. 根據非線性負荷的波形特征及檢測誤差曲線，適當地調整動作電流整定值，能夠在 一定程度上避免畸變電流導致的電子脫扣器頻繁誤動作現象。
【附圖說明】
[0005] 圖1是單相非線性負荷電流波形 圖2是三相非線性負荷電流波形 圖3是典型非線性負荷電流波形的近似等效 圖4是典型畸變電流波形 圖5峰值檢測誤差曲線 圖6均值檢測誤差曲線 圖7電弧爐電流波形。
【具體實施方式】
[0006] 實施例1: 以工業中廣泛使用的電弧爐負荷為例，分析畸變電流引起的電子脫扣檢測誤差。利用 計算機仿真軟件搭建典型非線性負荷電弧爐系統的模型，得到如附圖7所示的電弧爐熔化 期電流波形。該波形為典型的尖頂波，可用三角波近似等效，等效三角波的占空比為0.7。波 形的正半周波峰值為2900A，正半周波均值為1160A，有效值為1530A。該波形對應兩種檢測 方式的檢測誤差與近似三角波的檢測誤差值如表2所示，近似三角波與實際波形的檢測誤 差相當。電弧爐電流峰值檢測得到的有效值為2048A，均值檢測得到的有效值為1289A;
由于電弧爐在熔化期電流值最大，而熔化期電流有效值為1530A，用于電流保護的斷路 器可以選擇DW914(AH)-2000型號配電子脫扣器的低壓斷路器。在未考慮畸變電流下的檢測 誤差時，斷路器電子脫扣器的動作電流和動作時間整定值可按表3所示進行設置；
根據表3可知，過載長延時保護將在電流超過1.2 Ir( 即1920A)時動作。在電弧爐熔化 最大電流值時，根據峰值檢測校準得到的電流有效值為實際電流有效值的1.3 3 9倍（B P 2048A)，已超過過載長延時保護的動作值，將會引起電子脫扣器誤跳閘。這是因為電子脫扣 器的峰值檢測誤差為正，即過高估計了線路電流，導致實際動作電流值小于整定值。此時， 若考慮脫扣檢測誤差，按1.339倍的負載額定電流來進行保護整定，即可避免脫扣器誤跳 閘。
【主權項】
1. 一種電子脫扣器的崎變電流檢測誤差校準方法，其特征在于:在線路電流發生崎變 的情況下，利用電流波形的峰值系數和波形系數可W準確計算出電子脫扣器的電流檢測誤 差，根據非線性負荷的電流波形特征及檢測誤差曲線，適當地調整電子脫扣器動作電流整 定值，能夠在一定程度上避免崎變電流導致的電子脫扣器誤動作現象； 該方法包括如下步驟： (1) 分析典型非線性負荷的波形特征 a. 單相非線性負荷 單相非線性負荷廣泛分布于商業和民用供電系統中，其中典型的有電子巧光燈、開關 電源W及單相整流器等，附圖1給出了幾種典型負荷的電流波形；電子巧光燈由于使用了電 子鎮流器，其輸入電流波形發生嚴重崎變，波形如附圖1(a)所示，為明顯的Ξ角尖脈沖;個 人計算機、打印機、電視機W及其他單相電子設備普遍采用開關電源，其交流側電流3次諧 波含量很高，波形如附圖1 (b)所示，呈現很短的尖脈沖;單相整流器為獲得較平穩的輸出電 流，通常帶有大電感，其輸入電流波形如附圖1(c)所示，為矩形方波； b. Ξ相非線性負荷 Ξ相非線性負荷廣泛應用于工業和大型商業場所，典型的有大功率UPS、變頻調速電機 W及Ξ相整流器等，附圖2給出了幾種典型負荷的電流波形;大功率UPS的輸入側電流會發 生崎變，波形如附圖2(a)所示，呈現"雙拱"形;變頻調速電機在出力較大(低速)時的輸入側 電流將產生嚴重的崎變，波形如附圖2(b)所示，呈現出"雙Ξ角"形;Ξ相整流器直流側有大 電感時，輸出波形較平穩，交流側電流波形如附圖2(c)所示，呈近似的矩形方波； 通過分析典型非線性負荷的電流波形，按其特征可歸納為兩大類:一類是尖頂波，一類 是平頂波；由于多數崎變波形的精確表達式難W求得，因此可采用分段線性化的方法來簡 化分析，如附圖3所示；附圖3(a)所示的尖頂波與純正弦波相比已產生嚴重崎變，用分段線 性化的方法對其進行近似擬合，可等效為Ξ角波；附圖3(b)所示的平頂波與純正弦波相比 也有明顯崎變，同樣用分段線性化的方法將其近似等效為矩形方波； (2) 電子脫扣器崎變電流檢測誤差計算 附圖4所示為等效后典型崎變電流波形，其正、負半波鏡對稱；圖中正半周波峰值為/p， 周期為Γ，半周導通時間為ion, Ξ角波峰值出現時刻與起始導通時刻差值為to,有效值為 /rMS，正半周波均值為iaV ; 波形占空比：波形系數：娜 利用式(2)和式(3)可求得Ξ角波和矩形波的峰值系數及波形系數兩個特征量，它們只 與波形占空比σ有關;Ξ角波、矩形波與純正弦波的峰值系數和波形系數對比如表1所示；基于電流峰值檢測的電子脫扣器通過檢測到的電流峰值乘W系數的通常為純正弦波 峰值系數的倒數，即0.707)來得到電流有效值;基于電流均值檢測的電子脫扣器通過檢測 到的電流均值乘W系數^ (通常為純正弦波的波形系數，即1.111)得到電流有效值;對于標 準正弦波，兩種檢測方法均能正確反映實際電流有效值，但當波形發生崎變時，兩種檢測方 法所得到的電流有效值有很大誤差，可能引起電子脫扣器誤動作;峰值系數麻和波形系數倘 兩個特征量，分別反映了電流波形峰值和均值與有效值之間的關系，可用W定量分析崎變 電流下基于峰值檢測和均值檢測兩種電流檢測方式的檢測誤差； 為了直觀、定量地分析崎變電流下電子脫扣器的脫扣電流檢測誤差，定義峰值影響因 子(簡稱峰值因子）：由式(6)可W看出，電流有效值為峰值與峰值因子的乘積或均值與均值因子的乘積； 電流峰值檢測方法的檢測誤差可表示為：式(7)和(8)中的/rmso、/^、0網分別為純正弦波對應的電流方均根值、峰值因子、波形因 子；由式(7)和(8)可W求得電流峰值檢測法的誤差和均值檢測法的誤差，它們只與波形占 至比α有關； (3)電子脫扣器崎變電流檢測誤差曲線 Ξ角波和矩形波的崎變電流在不同占空比σ下的峰值檢測誤差曲線如附圖5所示；Ξ 角波的峰值檢測誤差始終為正值，說明對Ξ角波采用峰值檢測并按標準正弦波進行校準求 得的電流有效值比實際值偏大，并且隨著Ξ角波占空比的減小，峰值檢測誤差會越來越大； 當占空比σ為0.2時，誤差已經達到了 173.9%，即峰值校準得到的電流有效值是真實值的 2.739倍，運會被誤認為是一個過流信號甚至是一個小短路信號，從而引起過載保護或低闊 值短路保護誤動作； 矩形波在占空比σ小于0.5時，峰值檢測誤差為正，得到的電流有效值比真實值大；當 占空比σ大于0.5時，峰值檢測誤差為負，表明得到的電流有效值比真實值小;從圖中還可 W看出，矩形波的峰值檢測誤差明顯小于Ξ角波，當占空比σ為0.2時為58.11%; Ξ角波和矩形波的崎變電流在不同占空比σ下的均值檢測誤差曲線如附圖6所示；Ξ 角波的均值檢測誤差始終為負值，表明對Ξ角波采用均值檢測并按標準正弦波進行校準求 得的電流有效值比實際值偏小，并且隨著Ξ角波占空比的減小，均值檢測誤差越來越大，當 占空比σ為0.2時，誤差達到了-56.98%，即均值校準得到的電流有效值是真實值的0.4302 倍，運樣的檢測方法使得過流會被誤認為是正常電流，從而過載保護拒動作； 矩形波在占空比σ小于0.81時，均值檢測誤差為負，表明均值校準得到的電流有效值 比真實值小；占空比σ大于0.81時，均值檢測誤差為正，表明均值校準得到的電流有效值比 真實值大;從圖中還可W看出，矩形波的均值檢測誤差略小于Ξ角波，當占空比σ為0.2時 也達到了-50.33%，當占空比σ為1時，矩形波出現最大為11.07%的正的均值檢測誤差； (4)電子脫扣器崎變電流檢測誤差校準 根據上述對電子脫扣器崎變電流檢測誤差分析，可依據系統負荷類型適當調整電子脫 扣器的電流保護整定值，W消除脫扣檢測誤差引起的保護裝置誤動作;具體方法如下:首先 根據電流波形判斷負荷屬于哪種類型，可用哪種波形來等效;然后確定保護裝置電子脫扣 器的電流檢測方式，W選擇相應的檢測誤差曲線作為參考;最后根據對應的檢測誤差值大 小，調整原始電流保護整定值。2. 按權利要求1所述的電子脫扣器崎變電流檢測誤差校準方法，其特征在于將崎變電 流波形等效為Ξ角波和矩形波兩大類，利用峰值系數和波形系數可W求得不同崎變波形下 電子脫扣器峰值檢測和均值檢測的誤差值。3. 按權利要求1所述的電子脫扣器崎變電流檢測誤差校準方法，其特征在于根據非線 性負荷的波形特征及檢測誤差曲線，適當地調整動作電流整定值，能夠在一定程度上避免 崎變電流導致的電子脫扣器誤動作現象。
【文檔編號】G01R19/04GK106093766SQ201610402006
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月12日
【發明人】趙莉華, 牛純春, 馮政松, 牛帥杰, 豐遙, 劉丹華, 李琪菡, 付榮榮
【申請人】四川大學