CN115078820B - 低压智能断路器的保护电流互感器饱和处理方法 - Google Patents

Abstract

低压智能断路器的保护电流互感器饱和处理方法，属于供电或配电的电路系统领域，包括以下步骤：将确定规格型号的保护电流互感器设置在采样电路中，一次侧输入不同电流并对保护电流互感器进行采样、滤波、求有效值，对得到的有效值进行拟合得到关系函数，将关系函数写入低压智能断路器，根据采样数据和关系函数，得到一次侧的电流值。本发明无需对互感器本身进行改动，节约材料；对于已投运的设备只需升级程序，无需做出任何硬件改动，节省改造成本和改造时间；同时使得设备集成程度更高，体积更小，更加便于安装运输和使用。

Description

低压智能断路器的保护电流互感器饱和处理方法

技术领域

本发明属于供电或配电的电路系统领域，具体涉及低压智能断路器，特别是适用于低压智能断路器的保护电流互感器饱和处理方法。

背景技术

低压断路器是电器工业的重要组成部分，发电设备所发出电能的80%以上是通过低压断路器分配使用的。每增加1万kW发电设备，约需2万件左右的各类低压断路器与之配套。

随着智慧电力系统的发展，低压智能断路器的研发进入高速发展阶段。低压智能断路器是集合传统断路器、电表、漏电保护、浪涌保护、定时器、过/欠压保护、三段过流保护、多功能仪表配电设备的多种功能于一身，让用电安全更进一步。

低压智能断路器具有结构紧凑、体积小等特点。低压智能断路器中，保护电流互感器是关键部件之一，用作电流保护采样，为三段过流保护提供动作依据，一般要求测量范围为0.4In~15In（In：额定电流），过载精度10%（电流超过额定电流情况下测量精度小于10%）。

额定电流（In）是指用电设备在额定电压下，按照额定功率运行时的电流。也可定义为电气设备在额定环境条件（环境温度、日照、海拔、安装条件等）下可以长期连续工作的电流。用电器正常工作时的电流不应超过它的额定电流。

低压智能断路器在要求结构紧凑、体积小的同时，过电流保护范围并没有降低，但满足低压智能断路器体积要求的保护电流互感器，当电流达到额定电流4~6倍时一般便会出现互感器饱和现象，从而导致高倍额定过流时拒动；而使用满足电流保护范围，且能有效检测15倍及以上额定电流并进行准确保护的保护电流互感器的低压智能断路器，其尺寸不能满足规范要求。

造成这一现象的原因主要是由于保护电流互感器饱和问题，现有技术中解决方法为：采用导磁系数好的定向硅钢片、采用无接缝的环形铁芯、缩短磁路长度、增大铁芯面积以降低铁芯磁通密度、增加二次绕组匝数等等，这就使得要满足高倍额定电流检测，不仅要增大互感器尺寸，还会增加大量成本。

发明内容

本发明的目的是提供一种在使用较小尺寸的互感器且不改动保护电流互感器本体的情况下，能解决保护电流互感器饱合导致保护拒动问题的方法。

为实现发明目的，本发明采用以下技术方案：低压智能断路器的保护电流互感器饱和处理方法，包括以下步骤：

步骤1、确定保护电流互感器的规格型号，将确定规格型号的保护电流互感器设置在采样电路中，

步骤2、在保护电流互感器一次侧施加电流，电流的大小从m*In开始，以m*In为步长，增大至N*In，In为额定电流；

每次施加电流稳定后，在T时间内，以R为频率对保护电流互感器的输出进行AD采样，并记录施加的电流和对应的原始采样值；

步骤3、将获得的原始采样值进行软件滤波，滤去干扰值，保留真实值；

步骤4、对步骤3滤波后的数据进行积分处理，求解有效值；

步骤5、将步骤4得到的有效值带入拟合算法，求出保护电路互感器一次侧输入值与有效值的关系函数；

步骤6、将步骤5中所得的关系函数写入MCU，MCU连接保护电流互感器并对保护电流互感器的输出进行AD采样，根据采样数据和关系函数，得到一次侧的电流值。

有益效果：与现有的处理方法相比，本发明无需对互感器本身进行改动，节约材料；对于已投运的设备只需升级程序，无需做出任何硬件改动，节省改造成本和改造时间；同时使得设备集成程度更高，体积更小，更加便于安装运输和使用。本发明不仅适用于低压智能断路器上，也可用于其他使用保护电流互感器的应用场景，在降低保护电流互感器成本及占用空间大小的同时，提高保护范围和动作精度，实现保障电力系统可靠运行的目的。

下面结合附图对本发明作进一步说明。

附图说明

图1为采样电路的示意图；

图2为一次侧施加1倍额定电流采样电阻两端波形；

图3为一次侧施加3倍额定电流采样电阻两端波形；

图4为一次侧施加4倍额定电流采样电阻两端波形；

图5为一次侧施加5倍额定电流采样电阻两端波形；

图6为一次侧施加11倍额定电流采样电阻两端波形；

图7为本发明的流程图。

具体实施方式

本发明有两个关键的前提：1、保护电流互感器在需要的量程内输出的波形是否存在可辨识的差异；2、同型号的保护电流互感器在需要的量程内输出的波形是否一致。

在饱和前，器件肯定满足上述要求，关键是饱和后的输出。

选取常规250A/50mA的保护电流互感器，并联采样电阻为1Ω。在一次侧施加不同的电流值时使用示波器抓取采样电阻，可以看出：

图2、图3的波形基本正常，由图3可以看出，施加4倍额定电流时，二次侧输出波形就已经发生明显畸变，开始影响常用的FFT等算法的精度；施加5倍额定电流时，畸变更加明显，如图5所示；从图6可见，当施加值增大到11倍额定电流时互感器已经趋近饱和，此时的采样误差超过50%，若使用现有综保技术则会导致保护拒动。

理论上互感器的特性取决于铁芯材料、线圈匝数、气隙等，自变量一定的情况下可以认为因变量不变，即一致性良好。

为验证上述猜想，发明人选取了湖北天瑞的250A（额定电流：250A）智能断路器用保护电流互感器，在一次侧施加对应额定倍数电流值，对保护电流互感器的输出进行AD采样，并求解有效值进行比对，表1是保护电流互感器在不同的一次侧电流下输出的有效值。

表1：保护电流互感器在不同的一次侧电流下输出的有效值

上表可以清楚的看出：一次侧电流值与计算出的有效值误差随着一次侧电流升高逐渐增大，采用传统的方法无法得到精确的电流值，但在规范要求的量程内（15In）输出的波形存在可辨识的差异。

选取多个同型号的保护电流互感器做相同的测试，结果显示在不同的一次侧电流输入的情况下，计算出的有效值一致性非常好。

可见，本发明两个关键的前提条件都可以满足，可以通过进一步的处理，重新进行输入、输出的匹配。

在以上验证的基础上，本实施例给出了以下步骤，参看图7：

步骤1、确定保护电流互感器的规格型号，将确定规格型号的保护电流互感器设置在采样电路中，如图1所示，一次侧电流在母线上流动穿过保护电流互感器。

在确定选取保护电流互感器时，要考虑的因素包括互感器使用材料、变比、成型工艺等，确保相同规格型号具备较好的一致性参数，最好通过上述实验进行验证。

步骤2、在保护电流互感器一次侧施加电流，电流的大小从m*In开始，以m*In为步长，增大至N*In，In为额定电流；每次施加电流稳定后，在T时间内，以R为频率对保护电流互感器的输出进行采样AD采样，并记录施加的电流和对应的AD原始采样值。

以下为一次侧电流为4倍额定时，单片机内存里的AD原始采样值：

:020000042000DA

:0C76F40008000000010000000000000081

:107700000000020007000E0016001E002A003600CE

:1077100044005400630076008900A100BB00D7003C

:10772000FA001F0148017301A001CD01FB012A02EB

:1077300056028502B202DD020A0335036403910397

:10774000BD03E6030E043404530471048A04A00448

:10775000AF04BA04BC04B804AC04960470043A0440

:10776000EF0394032D03C8025F02F5018B0123018F

:10777000BD005E00080000000000010000000000E5

:107780000100030007000E0015001F002A0036004C

:1077900043005300630076008A00A100BB00D800BC

:1077A000F9001F01480172019F01CD01FB0129026F

:1077B00057028502B202DE020903340363038F031A

:1077C000BD03E7030E043204530470048B049E04CB

:1077D000AE04B804BC04B704AC04960470043A04C4

:1077E000EF0395032D03C7025F02F5018A01210112

:0577F000BC005D00007B

:00000001FF

电流的步进倍数m和电流上限倍数N根据精度和量程需要进行设置，m越小，精度越高；N越大，量程越大。本实施例中，m=0.1，N=20。如果需要更加精确的数据，m可以适当减小；规范中只限定了15倍额定，N=20可以满足一般要求。

一次侧施加值稳定后，取连续T=20ms的AD原始采样值，AD采样频率R=6400Hz。

步骤3、将获得的原始采样值进行软件滤波，滤去干扰值，保留真实值。

将获得的AD原始采样值，以组为单位，采用复合三点中值滤波进行软件滤波，滤去干扰值，保留真实值。

每个电流下的采样值为一组，如：0.1In的20ms原始采样值为第一组，0.2In的20ms原始采样值为第三组依次类推。

复合三点中值滤波通过连续的三个采样点进行滤波防止干扰的一种算法，有多种实现方式，最简单常用的一种为：用前一采样点、下一采样点和当前采样点的平均值对当前采样点对比，若符合正弦波的波动值则说明当前采样点是真实的采样点，若不符合则说明当前采样点受到干扰，则用平均值代替当前采样点，如遇电流突变则需另外处理。

步骤4、对步骤3滤波后的数据进行积分处理，求解有效值。

当保护电流互感器二次侧输出波形开始发生畸变时，经试验测试，畸变的波形使用FFT等算法求解误差更大，经测试使用积分法求解有效值是精度最高同时计算简单的一种求解方案，适合推广使用。

执行步骤5，将步骤4得到的有效值带入适合的拟合算法，求出保护电路互感器一次侧输入值与有效值的关系函数。

为了获取更为精确的结果，可以重复步骤2至步骤4五次以上，将步骤4得到的有效值求平均值，使用平均值进行算法拟合。

进行拟合时，f(x)的形式可以是一次方程、不同多项式（f(x)=a₁x^m+a₂x^m-1+... ...+a_mx+a_m+1，m=2，3...）、双曲线方程（f(x)=a₁/x+a₂）等等，不同规格型号的保护电流互感器需要根据实际需求及最终的拟合精度要求来确定具体使用哪种形式。选取多项式时，随着m取值增大，计算量急剧增大，因此m不宜取太大。

以一次方程进行拟合。

设置平面直角坐标系， y为一次侧施加电流值，x为步骤4获取的有效值，设相邻两个电流点之间为直线，则两点之间的直线方程为：y=ax+b，a=(y1-y2)/(x1-x2)，b=y1-ax1。

其中，(x1，y1)、(x2，y2)分别对应直角坐标系中相邻两个点的坐标。

这样，则将整个拟合曲线由多段直线组成，当采样点足够密集（即m足够小），可以很好地拟合。

以表1中的数据为例：

对应(522.9,612)和(593.3,714)两点的直线方程为：y=1.35x-146.21,

对应(593.3,714)和(662.0,816)两点的直线方程为：y=1.48x-166.88,

… …

对应(1499.5,2856)和(1525.9,2958)两点的直线方程为：y=3.32x-2121.34,

… …

对应(1738.9,3978)和(1761.1,4080)两点的直线方程为：y=4.95x-4011.54。

在实际应用中，将各段的有效值和对应的一元一次方程方程写入MCU；以获取的有效值作为参照，当有效值落在某段有效值之间时，则用对应的一元一次方程方程计算电流值。例如：如果获取的有效值x大于等于1499.5且小于1525.9，则用y=3.32x-2121.34计算一次侧电流值。

以多项式进行拟合。

本实施例中，y为一次侧施加电流值，x为步骤4获取的有效值，使得y_i与x_i一一对应，i=1,2,3...n,则可以得到y=f’(x)。

i=1时，y₁=0.1In，x1为y1对应的有效值，n=N/m，为采样数量。本实施例中，m=0.1，N=20，n=200。

观测数据（x_i，y_i）在平面上0~20In区间内分布趋势，与一元三次函数走向接近，因此，令f(x)= a₁x³+a₂x²+a₃x+a₄，当f’(x)与f(x)的距离的平方和无限接近于0时，则可以认为f’(x)=f(x)。

此时只需要求解a₁、a₂、a₃、a₄便可以获得所需的f’(x)。

0，

“

”在这里表示“趋近于”，即令前面的结果约等于0，计算的结果与0的绝对误差越小越好，最优结果为“=0”。

当J

0时，

，k=1,2,3,4，为了使公式看上去简洁明了不臃肿，令r_j(x)=x ^(3-j) ，j=0,1,2,3，则有关于a₁、a₂、a₃、a₄的线性方程组为：

，

因x³、x²、x、x⁰满足Haar条件，所以上述方程组有唯一解。

令

，

，

则方程

可以表示为：

，

本实施例中，根据输入的电流值和处理AD原始采样值获得的有效值，解得：

a₁=1.0329e-06，

a₂=-0.0019918，

a₃=2.9363，

a₄₌ -544.99，

带入得：y=1.0329e-06*x³-0.0019918*x²+2.9363*x-544.99。

同样的数据，以四次多项式进行拟合得到的结果与数据曲线基本完全重合，但计算量比较大。

步骤6、将步骤5中所得的关系函数写入低压智能断路器程序，编译后烧录到MCU中，MCU连接保护电流互感器并对保护电流互感器的输出进行AD采样，根据采样数据和关系函数，得到一次侧的电流值。

随机选取几个电流值施加在低压智能断路器一次侧，观察断路器动作值是否符合精度要求，若符合则说明步骤5获得的拟合函数正确，可以使用；若不符合则说明获得的拟合函数有问题。重读步骤2至步骤6直至获得符合要求的拟合函数。

因相同规格型号的保护电流互感器性能相差不大，因此仅需做一次或几次拟合，即可批量推广使用，但由于个体与个体之间会有一定差异，因此需要进行校系数操作：对新生产的使用相同规格型号的保护电流互感器的低压智能断路器，烧录相同程序，在低压智能断路器一次侧施加额定电流，进行校系数操作，校系数结束后在一次侧施加1In、10In、15In等值进行验证，确保每一台设备符合要求。

本实施例中，步骤6，将步骤5中得到的

y=1.0329e-06*x³-0.0019918*x²+2.9363*x-544.99写入MCU，投入低压智能断路器的三段过流保护，在其一次侧随机施加电流，并记录保护动作值如下表：

表2：具体应用的数据

由上表可以看出最大误差小于3%，满足相关规范要求。

将一次方程拟合得到的各段的有效值和对应的一元一次方程方程写入MCU，投入低压智能短路的三段过流保护，也得到了基本相同的结果。

在实际应用中，可以在所有情况下使用拟合的曲线计算一次侧电流值，也可以在一次侧电流小于1In时使用原有功能，大于1In时使用拟合的曲线计算一次侧电流值，具体根据得到的有效值进行判断。

产品测试结果：

使用前述保护电流互感器生产的KE-6609-250低压智能断路器，每台低压智能断路器安装3个保护电流互感器；测试方式：一次侧施加对应额定倍数电流值，记录断路器保护动作时的保护电流值，即处理后的“真实值”（有效值）；受测低压智能断路器数量：一个批次200台，受测保护电流互感器：600个，随机抽取40个保护电流互感器设备记录测试结果如下表所示。

表3 测试结果

续表3 测试结果

续表3 测试结果

续表3 测试结果

续表3 测试结果

由于规范中只限定了15倍额定，因此测试只测到20倍额定。

不同额定倍数电流值对应的一致性如下表所示。

表4 一致性

以上两个表格中，“倍数”指一次侧施加的电流大小，按照额定电流的倍数表示，如“2”表示2In=2*250A=500A。

一致性的计算方法：先横向求平均值，然后除以施加电流值再减1。一致性越小，表明一致性越高。

由表2可以看出，采用本发明提出方法的低压智能断路器，最大误差小于3%，满足相关规范要求；由表3和表4可以看出，采用同型号的保护电流互感器制作的低压智能断路器一致性非常好，结果均小于千分之二，评判一致性标准为结果小于百分之一，同样满足规范要求。

Claims (4)

1.低压智能断路器的保护电流互感器饱和处理方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1、确定保护电流互感器的规格型号，将确定规格型号的保护电流互感器设置在采样电路中，

步骤2、在保护电流互感器一次侧施加电流，电流的大小从m*In开始，以m*In为步长，增大至N*In，In为额定电流；

每次施加电流稳定后，在T时间内，以R为频率对保护电流互感器的输出进行AD采样，并记录施加的电流和对应的原始采样值；

步骤3、将获得的原始采样值进行软件滤波，滤去干扰值，保留真实值；

步骤4、对步骤3滤波后的数据进行积分处理，求解有效值；

步骤5、将步骤4得到的有效值带入拟合算法，求出保护电流 互感器一次侧输入值与有效值的关系函数；

步骤6、将步骤5中所得的关系函数写入MCU，MCU连接保护电流互感器并对保护电流互感器的输出进行AD采样，根据采样数据和关系函数，得到一次侧的电流值；

步骤5中所述的拟合算法具体为：

设置平面直角坐标系，y为一次侧施加电流值，x为步骤4获取的有效值，保护电流 互感器一次侧输入值与有效值的关系函数为：y=f’(x)，

y_i与x_i一一对应， i=1,2,3,... ...,n，n=N/m，

设f(x)= a₁x³+a₂x²+a₃x+a₄，

，

当J

0时，

，k=1,2,3,4；

令r_j(x)=x ^(3-j)，j=0,1,2,3；

则

，

求解方程组，得到a₁、a₂、a₃、a₄，

令y=f’(x)=f(x)，得到关系函数。

2.根据权利要求1所述的低压智能断路器的保护电流互感器饱和处理方法，其特征在于：步骤3中，原始采样值以组为单位，采用复合三点中值滤波进行软件滤波，每个电流下的采样值为一组。

3.根据权利要求1所述的低压智能断路器的保护电流互感器饱和处理方法，其特征在于：步骤2中，m=0.1，N=20；T=20毫秒，R=6400Hz。

4.根据权利要求1所述的低压智能断路器的保护电流互感器饱和处理方法，其特征在于：步骤1中所述的m≥0.05，N≥20。

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