CN1446366A - 预测交流电过零点的方法和设备 - Google Patents

Abstract

一种设备(14)，用于在电流路径(2)中发生故障后检测交流电过零点，以确定断开配置在电流路径中的电开关器件(2)进而切断电流路径中的电流的合适时间，所述设备包括部件(15)，适用于检测电流路径中的电流。装置(19)适用于根据检测到的交流电的值计算电流的直流电平和直流电平随时间的衰减，以及还适用于至少根据通过所述电流检测得到的电流值、计算的直流电平、计算的直流衰减及有关交流电周期时间的信息来预测交流电下一过零点的时间。

Description

预测交流电过零点的方法和设备

发明领域和先前技术

本发明涉及一种在电流路径中发生故障电流后预测交流电过零点的设备，用于确定断开电流路径中配置的电开关器件进而切断电流路径中的电流的适合时间，本发明还涉及用于这样预测的方法。

“电开关器件”是广义说法，不仅包括在两个不同部件之间具有机械运动，以通过物理分离电流路径中的两个部件得到开路的器件，还包括半导体器件，如IGBT等，它们通过进入阻断状态来断开，因而切断通过的电流。“电开关器件”还包括所谓的转接开关，通过它，电流路径中的电流可以在电流路径中出现故障电流时被切断，从而切换至负载等的另一电流路径中。

电领域中一直需要这样类型的设备和方法。当出现这样的故障电流时，重要的是一方面电开关器件尽快断开电流路径，即切断电流，使连接到电流路径的不同类型的设备不会损坏，但另一方面绝对有必要的是交流电改变方向，即在切断前具有过零点。但是，当发生所述故障时，交流电通常具有直流分量(DC分量)，直流分量的大小取决于故障发生的时间，并且该直流分量迭加在交流电之上，最坏的情况可能导致将需要几个交流电周期才能出现过零点。因此，到目前为止，在发生故障后只是简单地等待相当长的时间，直到在交流电过零点确保可以进行切断，其中假定故障可能发生在对于直流分量最不适宜的时间。这种长时间等待当然意味着与在较早时间发生切断相比，对所述设备将产生较大损害的严峻风险。这样，要切断交流电，在大多数情况下当然要发生在出现多个过零点之后，因为必须有相当的安全裕度来避免切断太早。

因此，最好是就在可能时尽早切断交流电，即在各种情况下预测交流电的过零点，以能够在最适合的时间切断。为此，并不一定总希望在第一个过零点发生时切断电流，因为直流成分可能仍很大，使得触点位置产生的电弧能量太高，烧毁的材料量可能很大，这样会使断路器或开关器件部分地损坏或发生故障。

希望预测过零点的另一个理由是在具有通过触点分隔进行切断的开关器件中，存在这种开关器件的触点系统的机械延迟时间间隔，这使得有必要在过零点发生前的某段时间开始机械运动，以使中断可以发生在过零点时。

应当指出，本发明适用于配置了所有类型的电开关器件的电流路径的开路，因为有意义的是通过所述预测，在常规断路器的断路室中获得良好控制的电弧时间，但本发明特别针对所谓的混合断路器，这种类型的断路器在申请人仍未公开的瑞典专利申请9904164-2中有描述。在这样的混合断路器中，在电流路径中有两个并联的分支，一个分支具有换向器(commutator)并位于流经开关器件的常规电流路径中，另一分支的一个构件具有在至少一个阻断方向阻断流经电流并在至少一个方向上导通经过电流的能力；以及与所述构件串联的切断接触部件，具有重要意义的是能够控制换向器的触点断开在交流电过零点，从而避免电弧。因为所述构件必须阻断，从而能够使在没有任何电流的情况下断开接触部件，当使用整流二极管形式的构件时，它处于这样一种情况：换向器不断开，直到可以获得交流电的过零点。相应问题也适用于本申请人所有的仍未公开的瑞典专利申请9904166-7中所述的电开关器件。

发明概述

本发明的目的是提供在概述中所定义类型的设备和方法，它使早期精确地预测在电流路径中出现故障电流后交流电的过零点成为可能。

根据本发明，此目的通过提供所述类型的设备来实现，所述设备具有部件，适用于检测电流路径中的电流；装置，适用于根据所述部件检测到的交流电的值来计算电流的直流(AC)电平、即交流电相对于其零电平的对称线偏移，以及直流电平随时间的衰减，所述装置适用于至少根据通过所述电流检测得到的电流值、计算的直流电平、计算的直流衰减和有关交流电周期时间的信息以及根据所附独立方法权利要求的方法来预测交流电下一过零点的时间。

根据本发明设计的设备能够可靠地预测下一过零点，因为下一过零点的计算是根据检测到的所述电流值，同时还考虑交流电的直流电平和它衰减的速度。通过它可能控制断路器，使有需要时在下一过零点前的某时段开始接触部件的机械运动，从而正好在过零点得以切断。没有在出现任何过零点之前进行任何切断尝试的任何风险，因为这是先预测的。

应当指出，虽然本设备用来在电流路径中发生诸如短路的故障时预测过零点并因此而进行配置，它当然也可以用来在正常负载电流时优化电流路径中电流的切断，因为它不管怎样总在那里。

根据本发明的一个优选实施例，所述电流检测部件适用于检测电流过零点的时间，以及装置适用于在预测交流电的下一过零点的时间时考虑检测到的过零点的时间。通过首先用这种方法检测过零点并在计算下一过零点时从这个时间开始，对下一过零点的预测将是可靠的。

根据本发明的一个优选实施例，所述部件适用于在至少一个交流电周期的时段期间，在出现所述故障电流后检测交流电，以及装置适用于在该时段期间，使用通过检测交流电得到的电流值来计算所述直流衰减。通过在至少一个周期期间检测交流电，可以消除谐波对交流电外部特性的可能影响，以及对预测过零点的时间的可能影响。在整个周期期间出现的谐波将与在后面整个周期期间出现的那些谐波相同，并且它们因此而不影响预测过零点的时间，这样，预测将几乎不对谐波敏感。

根据本发明的另一优选实施例，设备包括组件，适用于在第一时段和第二时段上对所述部件检测到的交流电进行积分，其中第二时段与第一时段具有相同长度并且基本上是交流电的一个周期，以及所述装置适用于形成这两个电流积分值的商，并用它计算所述直流衰减。这构成了计算直流衰减的可靠方法。应当指出，第二段时间在第一段时间之后开始，但它们很可能部分互相重叠。

根据本发明的另一优选实施例，设备包括这样一种部件：适用于计算过零点交流电的导数，该过零点是通过从所述电流检测部件接收到的信息而检测到的，以及这样一种装置，适用于在计算交流电下一过零点时使用该导数值。因此，该导数最好根据紧挨着所述过零点之前和之后检测到的交流电的值来确定。

根据本发明的另一优选实施例，电流检测部件适用于将交流电的两个连续电流峰值传送给所述装置，以及所述装置适用于在计算交流电的所述下一过零点时，形成这两个电流值的平均值作为所述直流电平使用。通过这种方法，直流电平可以很容易地按目的精度确定。

根据本发明的另一优选实施例，设备被设计用于三相交流电形式的交流电，所述装置适用于计算两相的直流电平，方法是确定各相的两个连续电流峰值的平均值，并且所述装置适用于根据这两个直流电平之间的关系计算直流电平随时间的衰减，并在预测下一过零点时使用它。这样，在三相故障时，可以很快地计算出直流衰减，通过它实现早期预测交流电的下一过零点的条件。

根据本发明的另一优选实施例，设备还包括这样一种部件：适用于根据所述电流检测部件传送的电流值来计算交流电的交流衰减、即交流电的振幅随时间的减小，这进一步提高了预测的准确性，但它可能需要较长时间来计算下一过零点的时间。

根据本发明的另一优选实施例，所述检测部件适用于在至少一整个电流周期期间，用某个采样频率对交流电的值进行采样，并且存储部件适用于存储采样值，以及所述装置适用于计算给定时间的直流电平，方法是形成从所述时间向后的电流周期时间期间存储的电流平均值，然后在所述预测中利用该直流电平。因而可以有利地假设直流电平的衰减是呈指数的，并且所述装置可适用于通过用其时间导数除通过除法得到的直流电平来计算其时间常数。这形成了可能预测交流电下一过零点的基础，无需首先检测任何过零点。更准确地说，根据本发明的另一优选实施例，所述装置适用于根据所述给定时间计算的直流电平和直流电平随时间的衰减来预测在后面时间的直流电平，并且所述装置适用于通过从上述时间之前的一个电流周期测量的交流电值减去后面时间前的一个电流周期计算的直流电平和在所述后面时间预测的直流电平之间的差来预测交流电的值。利用这样预测的电流，可以用不同方法来寻找其后面的若干过零点，例如通过利用等分间隔的方法。

根据本发明的另一优选实施例，所述检测部件适用于检测交流电峰值的时间，并且所述装置适用于使用该时间作为参考来预测交流电的后面的过零点。通过它可非常早地预测下一过零点，更具体地说，这可以是本实施例的进一步发展，原因是这种设备的所述装置也适用于通过向峰值时间加上电流周期的1/4和第一校正因子来预测所述峰值后跟的交流电过零点的时间，并且它适用于通过常数d和

的乘积来形成所述校正因子，其中d是半电流周期后剩下的直流电平部分，imax是所述电流峰值，dimax是紧挨着电流峰值时间之前的半周期期间电流的标准化导数的峰值，其中标准化的选择使得当电流是纯正弦函数时，imax和dimax得到相同数值。

根据本发明的另一优选实施例，设备适用于在电开关器件中执行交流电过零点的预测，它包括两个在电流路径中并联的分支，其中第一分支包括第一接触部件，该部件具有两个可互相相对移动以断开和闭合的触点，而第二分支包括能够在至少一个阻断方向阻断流经的电流并在至少一个方向导通流经的电流的构件，其中具有两个可互相相对移动以断开和闭合的触点的第二接触部件与所述构件串联，并且其中开关器件还包括适用于根据所述预测来控制所述电流路径的断开的单元，其方法是在所述构件处于或进入导通状态时，控制第一接触部件断开以将电流转移至所述构件，然后当所述构件处于阻断流经的电流的状态时，控制第二接触部件断开以切断流经开关器件的电流。根据本发明的设备对这样的电开关器件特别有利，因为它允许第一接触部件的触点在电流过零点处断开以避免电弧，而当所述构件处于阻断状态，这对于整流二极管来说是在下一过零点之后，则可以断开第二接触部件。这对于根据所附权利要求51的设备也是有效的，它涉及在申请人仍未公开的瑞典专利申请9904166-7中所述类型的电开关器件中交流电过零点的预测。必须指出，“预测”或预先确定预测过零点的电流方向很重要。这可以用不同方式做到，例如通过确定给定瞬间电流的导数、检测电流峰值等等。

根据本发明的另一优选实施例，设备被设计为预测多相交流电形式的交流电过零点，其中在各相电流路径中配置了可单独控制的电开关器件。根据本发明，这种情况下的装置适用于分别计算交流电的各相交流电的所述后面的过零点，从而为每个开关器件单独确定断开该开关器件的合适时间。通过它，有可能正好在各相交流电最适合的时间获得各相交流电的切断，若有需要，还可以协调不同相交流电之间的断路。这意味着相对于到目前为止使用的方法有了非常大的改进，在现有情况下，在某个导致确定所有相都出现过零点的状态的可能性的延迟之后，同时地或经过某个固定的相位偏移来切断所有相。通过本发明，这些相却可在不同时间被切断，切断时间取决于这些相位所包含的直流成分。还可能确定切断这些相的顺序，取决于电流检测部件传送的电流值。

根据本发明的一个优选实施例，设备包括适用于与电控驱动部件合作的组件，所述电控驱动部件适用于获得所述电开关器件的断开，并且在该驱动部件是电动机形式的电磁机时特别有利。通过使用这样的驱动部件，有可能非常准确地控制电开关器件可活动构件的移动，以实现所述切断，并例如确保在交流电非常特定相位位置发生两个触点的分离。根据本发明，通过它可以利用交流电过零点预测的所有优点。因所述合作组件包括电子单元形式的控制单元，适用于控制所述驱动部件，因此还可能当它已经启动时，影响电开关器件可活动构件的运动，从而适用于可能的过零点的新预测值。通过它，使用这种预测的开关器件的断路合作可以很高的精确度进行。

根据相应的所附权利要求，本发明还涉及一种装置、计算机程序及计算机程序产品。容易理解，在一组所附方法权利要求中定义的本发明的方法能很好地适用于通过处理器的程序指令来实行，所述处理器可以受配置了所述程序步骤的计算机程序的影响。虽然未在权利要求书中明确解释，但本发明包括结合了根据任何所附方法权利要求的方法的这些装置、计算机程序及计算机程序产品。

本发明其它的优点及有利特点见于以下说明及其它从属权利要求。

附图简介

参照附图，以下作为例示说明本发明的优选实施例。

在附图中：

图1-3是根据本发明优选实施例说明应用于第一种类型的开关器件用来预测交流电过零点的设备的简略图，

图4-6是对应于图1-3的根据本发明设备应用于第二种类型的开关器件的简图，

图7示意性地说明根据本发明第一实施例预测过零点的方法是如何实现的，

图8示意性地说明根据本发明第二优选实施例预测过零点的方法是如何实现的，

图9和10示意性地说明分别根据本发明第三和第四优选实施例预测过零点的方法是如何实现的，以及

图11说明当三相交流电供电发生故障时，如何可以快速计算电流的直流衰减。

本发明优选实施例的详细说明

图1中示意性地说明本发明特别适用的一个交流电电开关器件，它在前面提到的瑞典专利申请9904164-2中说明过，这里配置了根据本发明的优选实施例用于预测交流电过零点的设备。电开关器件1连接在电流路径2中，以便能够迅速断开或闭合，并通过它相应地切断或建立电流路径中的电流。为每相配置一个这样的开关器件，这样，三相电网在同一位置有三个这样的开关器件。开关器件具有内圆柱3，它可以绕轴4旋转并有可活动接触构件5。第二圆柱6被配置在圆柱3的外圈，它有四个触点7-10，这四个触点沿可活动构件5的运动路径配置，当压在可活动构件5上时，能够形成良好的电接触。开关器件分别通过两个外触点7和10连接在电流路径中。

在两个外触点和紧相邻的内触点间连接着二极管11、12形式的半导体器件，其导电方向是从外触点到相邻触点。二极管也可以同时将导电方向指向外触点。

开关器件还具有驱动装置，适用于驱动内圆柱3旋转，以相对于另一触点7-10移动可活动接触构件5。本例中的驱动装置由示意性显示的集成电动机13构成，它可以是许多不同的类型。

用来预测电流路径2中交流电过零点的设备14连接到开关器件。该设备具有示意性表示的部件15，适用于检测电流路径中的电流，方法是检测电流方向和大小，还通过它检测电流过零点的时间。检测部件适用于将具有关于电流的信息的信号进一步发送到模拟/数字转换器16，用以将模拟信号转换为数字信号。滤波器17、18被配置在信号路径中转换器之前和之后的位置，用以从来自检测部件15的信号中过滤掉噪声信号，特别是高频噪声信号。电流信息被进一步发送到装置19，该装置适用于根据它来计算交流电的一个或多个后面的过零点的时间。此外，组件20适用于在第一和第二时段上对由检测部件15检测到的交流电进行积分，其中第二时段与第一时段一样长，并且基本上是一个电流周期，该组件连接到所述装置，适用于将此信息进一步发送到装置19，后者适用于形成这两个电流积分值的商，并使用该时间来计算交流电的直流衰减，即一段时间上交流电直流分量的变化。

设备还具有部件21，适用于计算通过来自电流检测部件15的信息检测的过零点处交流电的导数，并将该信息进一步发送至装置19，后者适用于在计算下一过零点的时间时使用该导数值。

装置19还适用于根据来自电流检测部件15的信号计算诸如检测到的过零点等给定时间处交流电的直流电平，并且该装置最好可以通过形成交流电两个连续电流峰值的平均值来进行计算，并考虑让它构成所述直流电平。

当所述装置这样预测了下一过零点时，它将发送控制信号给控制单元22，后者适用于控制电动机13，并通过它来控制可活动接触构件5的移动，以获得适于预测过零点的时间的切断过程。在电动机13启动前，还要考虑许多其它条件，并与其它相进行协调。这儿的控制单元22由电子单元构成，所述电子单元适用于控制电动机形式的可电控驱动部件13并驱动可活动构件5绕轴4旋转。通过使用这种电动机形式的可电控驱动部件以及电子单元进行其中的协调，可以非常精确地控制可活动构件5的移动，并且只要它继续就可进行调整或中断。

所述类型的开关器件的功能在上面提到的瑞典专利申请中有更详细的描述，在此作简要总结：当有需要切断电流路径2中的电流时，例如由于检测部件15检测到电流路径2中有非常高的电流，这可能因其中的短路引起，就有可能检测交流电的方向，并使圆柱3以及可活动接触构件5的旋转方向与之对应，以尽可能快地切断，但在以非常高的精确性尽可能快地切断方面，本发明具有优越性。流经开关器件的全部电流根据图1的闭合位置在两个外触点7、10间之间流经用电流将它们互连的活动构件5。我们假定已做出决定通过使内圆柱3如图1所示沿顺时针方向旋转来执行切断，那么，它的完成最好使断开由触点7和8构成的接触部件发生在交流电的过零点时，从而使发生时不产生任何电弧。这应在二极管正向偏置时发生，使得电流转接到二极管11。

当开关器件上的电压改变方向时，将没有电流流经，但在二极管11上将积聚电压，然后反相偏置，现在可活动接触构件5继续按之前的相同方向进行旋转运动，使得触点8和触点10间的电流连接断开，这样就使得这种切断的发生不产生任何电弧，因为在切断时刻没有电流流经接触位置。因而可得到图3所示的完全断开位置。

图4示意性地说明上面提到的根据瑞典专利申请9904166-7的电开关器件的一般构造，该器件连接在电流路径2中，以便能够迅速断开和闭合。为每相配置一个这样的开关器件，这样，三相电网在同一位置有三个这样的开关器件。开关器件包括两个并联于电流路径中的分支34、35，每个分支具有至少两个串联的机械接触部件36-39。二极管形式的半导体器件40适用于互连各分支的两个接触部件之间的中间点41、42。

连接了根据本发明用以控制或操作电开关器件的设备14，其构造与上述根据图1-3的实施例的相同。

此电开关器件的功能如下：当需要切断电流路径2中的电流时，例如由于检测部件15检测到电流路径中有非常高的电流，这可能因其中的短路引起，按上述方式通过检测结果来确定最适合切断流经相应电开关器件的电流的时间。一旦已经确定应断开给定的电开关器件，则控制单元22首先决定要断开哪两个接触部件，这里是接触部件37和38(见图5)，以建立流经半导体器件39的临时电流路径。因此，此决定取决于电流路径中的电流在该时刻处于什么位置。在根据图4的位置中，流经开关器件的全部电流都流经两条分支34、35，而都不通过二极管。现在要发生断路，则应尽快让电流转为流经二极管。在交流电周期中介于紧挨着二极管在某个方向正向偏置之前的时间和二极管下次反向偏置时的时间之间的那个部分期间，电流可从所述方向转接到二极管。这意味着，对于实践中整个周期为20毫秒的情况下，根据图5接触部件的断开可发生在朝正向导通方向的过零点前例如大约2毫秒，直到下一过零点。当根据这些前提出现在交流电压的错误半周期断开接触部件37和38时，接触部件36和39可以立即被断开以建立临时电流路径。因此，在检测到需要和可能断开开关器件以闭合流经电流之后立即建立临时电流路径。当通过断开接触部件37、38而得到图5中所示的临时闭合位置时，在对应接触部件的触点间的空隙中形成小电花，它能引起通常为12-15V的电压，这将驱动电流转移而流经二极管40。然后，当流经开关器件的电流改变方向时，将没有电流经过它，但在二极管40上将积聚电压，然后反相偏置，并且现在两个另外的接触部件36、39中至少有一个是断开的，因此临时电流路径断路，其中该断路的发生不产生任何电弧，因为在断开的瞬间没有电流流经接触位置。因此可得到图6所示的开关器件的完全断开位置，其中流经电流永久地切断。在该终止断路中，重要的是切断发生得非常迅速，使得二极管40上的电压没有再改变方向就开始导通。临时电流路径中不管电流流经开关器件时的方向而利用相同的半导体器件，这相对于已经知道的这种类型开关器件而言极大地减少了半导体器件的数目，从而节省了大量的成本。

根据本发明的设备的目的是预测交流电下一过零点或几个后面的过零点，以根据以上内容获得在时标上相对其位置最佳的切断过程。现将参照图7和8来解释在实践中将如何进行，它们显示在沿所述电流路径短路后，交流电I随时间t的变化。

图7中显示所述电流路径在时间t₁发生短路后，一相交流电是如何发展的。它将交流电的对称线与零电流线进行比较，发现交流电具有随时间衰减的大量直流成分。这意味着连续过零点间的距离也随时间改变，它使每个第二过零点、即一个周期后的过零点，一个挨一个地位于交流电时间周期中，即在50Hz 20ms的情况下。

在交流电的一整个周期中的时段t₂期间、即超过20毫秒一点，在检测到短路后，检测并登记交流电的值，其中检测到两个过零点23、24。然后，在时间t₃进行后面的过零点25-27的第一预测。过零点25和27的预测根据测到的过零点23进行，过零点26的预测根据测到的过零点24进行。把预测建立在整个周期(而不是半周期)的基础上，预测将很大程度上独立于奇次和偶次谐波。

图8中显示在所述预测中是如何考虑交流电的直流电平和直流衰减的。装置19适用于根据电流检测信号在时间t₄传送直流电平值，方法是形成交流电两个连续峰值28、29的平均值。

通过测量接近在t4处的过零点的两个时间处的电流并将它们间电流电平的差除以时间，以进一步计算检测到的过零点处的交流电导数，如通过点30和31所示。电流读数则始终发生在零电流侧，其上有交流电的长半波，即在有正直流增加的一侧。为确定交流电的直流衰减，在第一和相继(可能有些重叠)的时段上对交流电进行积分，其中所述相继时段正好与第一时段同样长，其中都基本上是交流电的一个周期，然后形成这两个电流积分值的商，以在计算直流衰减时利用它们。

以下公式最好被用于预测下一过零点：

t_pred＝t_m+T+dc×(1-d²)/s

其中的项表示如下：

t_pred  过零点的预测时间

t_m     过零点的登记时间

T    交流电的周期时间

dc   在时间t_m的直流电平

d    直流衰减(半周期后剩下的部分)

1-d² 一个周期中消失部分的大小

s    过零点处的电流导数(在零电流之前或之后取决于dc的符号)

d是通过在一个周期期间电流的积分得到的值，并形成在同样长的前一周期期间积分的商。s是电流导数，它可以通过读取过零点之前或之后某个时段(例如1毫秒)的电流值来确定。图8中显示如何首先得到预测过零点的时间t6，又如何通过考虑项32、即dc(1-d²)来改正到t5。它通过引入时间校正33、即32/s＝t6-t5来进行。

根据本发明另一优选实施例，电流的一整个周期都存储在缓冲存储器中。其直流电平和衰减都不断地通过缓冲存储器的积分来计算。每次电流周期的预测可以通过假设电流与时间上向后一个周期相同然后减去电流直流衰减。

根据本发明的预测能获得很高的精确度，它特别适用于多相交流电，其中为每相电流路径中配置可单独控制的开关器件，因为可能在适合各相的时间发生不同相的切断。

现参照图9解释根据本发明的另一优选实施例预测下一过零点的方法。本方法基于这样的事实：在出现故障电流的至少一个电流周期进行采样并存储在存储部件中。曲线43显示通过积分计算的电流的直流电平，它在时间t计算，这里是用于预测的时间，方法是形成在从所述时间向后的一个电流周期的时段存储在所述存储部件中的电流值的平均值，并用所谓的“移动平均数”滤波器递归计算，这意味着最早的采样值一直被删除并添加新的采样值。对于时间t，获得I_dc ^*：

   I_dc ^*(t)＝I_dc ^*(t-1)+(I_mesu(t)-i_mesu(t-T))/T

T是一个电流周期的采样数。

还假定直流电平衰减是呈指数的，通过将用其时间导数除通过除法得到的直流电平来计算时间常数τ，根据：

τ＝-i_dc ^*(t)/(di_dc ^*(t)/dt)

这样，可以在任意时间计算电流的直流电平，因此对于采样t+t1得到：

i_dc(t+t1)＝i_dc(t)^*exp(-t1/τ)

采样t+t1的电流可根据以下公式由此来预测：

i_pred(t+t1)＝i_mesu(t+t1-T)-(i_dc(t+t1-T)-i_dc(t+t1))

因此，通过从上次提及的时间之前的一个电流周期测量的交流电值减去后面时间前的一个电流周期计算的直流电平和在所述后面时间预测的电流的直流电平之间的差来预测交流电的值。借助于预测电流，可以用例如等分间隔的方法来寻找后面的过零点。

图10中示意性地描述了如何可以根据本发明另一优选实施例的方法来预测下一过零点。该方法是“快”型的，因为它仅要求检测部件检测1/4的时间周期期间的电流。该方法基于时间t0对交流电峰值的检测，并使用它作为参照来预测交流电的下一过零点。然后可以使用以下公式接着在t1和t2预测两个跟着的过零点：

t1_pred＝t0+T/4+korr1

t2_pred＝t1_pred+T/2+korr2

korr1和korr2的计算借助于根据图10的最后半周期期间的最大电流(imax)和最大导数(dimax)的商以及直流电平随时间的衰减：

korr1＝Ad(1-imax/dimax)

korr2＝Bkorr1d，

其中A、B是常数，而dimax是紧挨着的半周期前标准化导数44的峰值，其中标准化是例如对于纯正弦函数imax＝dimax，d是半周期后剩下的直流电平部分。

最后，图11中示意性地说明三相交流电中如何计算直流电平随时间的衰减。通过平均确定各相的两个连续电流峰值45、46来为两相r、s计算直流电平。直流电平随时间的衰减根据这两个直流电平间的关系来计算，然后在预测交流电过零点时使用它。更准确地说，可以得到以下方程式组： $y1r-y2r-\mathrm{dcr}(1/\sqrt{d}-\sqrt{d})=2y\max$ $y1s-y2s-\mathrm{dcs}(1/\sqrt{d}-\sqrt{d})=-2y\max$ 其中d表示在1/2电流周期后直流电平剩下部分有多大，2ymax是在没有直流衰减的情况下两个连续电流峰值间的距离。d可以从该方程式组中约掉，从而计算直流衰减。

在一相交流电中出现故障电流时，直流电平随时间的衰减可以用相应方法来计算，方法是通过所述电流检测来确定交流电三个连续电流的峰值，然后通过写出相应的方程式组，其中对第一个方程式中前两个电流峰值与第二个方程式中第二和第三个电流峰值进行比较。

因为根据本发明用于预测交流电过零点的方法允许大量谐波存在，这样也就可在例如发电机的一相或两相短路或当故障位置含有电弧时作出非常精确的预测。根据本发明的设备被有利地用于预测工业供电或配电或传输网络的开关器件中电流路径中的交流电过零点，并且预测最好在交流电的电压为中间电压电平的电流路径中进行，即在1-52kV间。但是，本发明并不限于这些电平的交流电。

此外，本发明特别适用于流经能够承受1kA、最好为2kA工作电流的电开关器件的电流路径中的交流电过零点的预测。

当然，本发明不以任何方式局限在上述优选实施例中，在不背离所附权利要求书中定义的本发明基本思想的前提下，对本领域的技术人员来说，其中的修改的许多可能性都是显而易见的。

如已经提过的，本发明适用于所有类型电开关器件。

Claims (64)

1.一种用于在电流路径(2)中出现故障电流后预测交流电过零点的方法，以确定断开配置在所述电流路径中的电开关器件(1)进而切断所述电流路径中的电流的合适时间，其特征在于检测所述电流路径中的所述电流，并根据所检测到的交流电值计算所述电流的直流电平、即所述交流电相对于其零电平的对称线偏移，以及所述直流电平随时间的衰减，并且至少根据通过所述电流检测得到的电流值、所述计算的直流电平、所述计算的直流衰减以及所述交流电的周期时间来预测所述交流电下一过零点的时间。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于在所述电流检测期间检测所述电流的过零点的时间，以及在预测所述交流电下一过零点的时间时考虑所述检测的过零点的所述时间。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于出现所述故障电流后对所述交流电的所述检测是在至少一个交流电周期的时段期间进行的，并且在所述时段期间通过检测所述交流电得到的电流值被用于计算所述直流衰减。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于预测的是所述至少一个周期后所述交流电一个周期内的过零点。

5.如以上任一权利要求所述的方法，其特征在于检测至少两个电流过零点的时间，并且其数据被用于所述预测下一过零点。

6.如以上任一权利要求所述的方法，其特征在于在第一时段和相继的第二时段上对所述交流电进行积分，其中所述第二时段的长度与所述第一时段相同，并且基本上是所述交流电的一个周期，以及形成这两个电流积分值的商并用它来计算所述直流衰减。

7.如权利要求2所述的方法，其特征在于根据所述电流检测计算检测到的过零点处所述交流电的导数，以及所述导数值被用于计算所述交流电的下一过零点。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于根据紧挨着所述过零点之前和之后检测到的所述交流电的值来确定所述导数。

9.如以上任一权利要求所述的方法，其特征在于通过所述电流检测来确定所述交流电的两个连续电流峰值，并形成这两个电流值的平均值，以及在所述预测中将其视为所述直流电平。

10.如权利要求9所述的方法，其中所述交流电是三相交流电，其特征在于通过形成两相的两个连续电流峰值的平均值来计算所述各相的所述直流电平，并且根据这两个直流电平之间的关系来计算所述直流电平随时间的衰减并将之用于所述预测中。

11.如权利要求9所述的方法，其中所述交流电是单相交流电，其特征在于通过所述电流检测来确定所述两个电流峰值之后的第三电流峰值的交流电值，并且还形成所述第三电流峰值和紧挨在此之前的电流峰值的平均值，用于计算第二直流电平，以及根据这两个直流电平之间的关系来计算所述直流电平随时间的衰减并将其用于所述预测中。

12.如权利要求6和7及可能的以上任一权利要求所述的方法，其特征在于通过将所述检测的过零点的时间加上所述交流电的所述周期时间以及在所检测的过零点时间处所述直流电平除以所述导数并乘以(1-d²)这样一个项来预测下一过零点的时间，其中d是所述商。

13.如以上任一权利要求所述的方法，其特征在于在所述预测中考虑了所述交流电的交流衰减，即所述交流电的振幅随时间的减小。

14.如权利要求1所述的方法，其特征在于在存储器中存储至少一整个电流周期期间所述交流电的值，并且通过所述存储器的积分来连续计算所述直流电平和所述直流衰减，以及通过用每次主要的值减去存在的直流衰减来在所述每次提前一个周期计算所述电流值，从而预测所述电流的所述过零点。

15.如权利要求1所述的方法，其特征在于在至少一整个电流周期期间，用某个采样频率对所述交流电的值进行采样，并将所述采样值存储在存储部件中，并且通过形成从某个给定时间向后的一个电流周期的时段所存储的所述电流值的平均值来计算在所述时间的所述直流电平，然后在预测所述交流电的下一过零点时使用该直流电平。

16.如权利要求15所述的方法，其特征在于假定所述直流电平的所述衰减是呈指数的，并通过用所述时间导数除通过所述除法获得的所述直流电平来计算其时间常数。

17.如权利要求15或16所述的方法，其特征在于根据计算的所述给定时间的所述直流电平以及所述直流电平随时间的所述衰减来预测下一时间的直流电平，并且通过从上次提及的时间之前的一个电流周期测量的电流值减去所述下一时间之前的一个电流周期计算的所述直流电平和在所述下一时间预测的所述电流的直流电平之间的差来预测在所述下一时间交流电的值。

18.如权利要求17所述的方法，其特征在于等分间隔的方法被用于借助于所述预测的所述交流电的值来寻找所述后面的电流过零点。

19.如权利要求1所述的方法，其特征在于检测所述交流电峰值的时间，并将之用作参照来预测所述交流电后面的过零点。

20.如权利要求19所述的方法，其特征在于通过向所述峰值时间加上1/4的电流周期以及第一校正因子来预测所述峰值之后的所述交流电过零点的时间，以及通过常数d和

的乘积来形成所述校正因子，其中d是半电流周期后剩下的直流电平部分，imax是所述电流峰值而dimax是正好在所述电流峰值的时间之前的半周期期间所述电流的标准化导数的峰值，其中所述标准化的选择使得当所述电流是纯正弦函数时，imax和dimax得到相同数值。

21.如权利要求20所述的方法，其特征在于通过向紧跟在所述峰值之后的所述预测过零点的时间加上1/2的电流周期以及第二校正因子来预测所述电流峰值之后第二过零点的时间，其中通过所述第一校正因子da和一个常数的乘积来形成所述第二校正因子。

22.如以上任一权利要求所述的方法，其特征在于检测的交流电在进行所述计算前要进行模拟/数字转换。

23.如权利要求22所述的方法，其特征在于至少在所述转换前要对所述检测的电流信号进行滤波，以过滤掉高频噪声信号。

24.如以上任一权利要求所述的方法，其特征在于对电开关器件(1)进行所述交流电过零点的所述预测，所述电开关器件(1)包括两个在所述电流路径中并联的分支，其中第一分支包括第一接触部件，所述部件具有两个可互相相对移动以断开和闭合的触点(5、7、8)，第二分支包括构件(11、12)，能够在至少一个阻断方向阻断流经的电流并在至少一个方向导通流经的电流，其中具有两个可互相相对移动以断开和闭合的触点的第二接触部件与所述构件串联，其中所述开关器件还包括单元(22)，适用于根据所述预测来控制所述电流路径的断开，其方法是在所述构件处于或进入导通状态时，控制所述第一接触部件断开，从而向所述构件转移电流，然后当所述构件处于阻断流经电流的状态时，控制所述第二接触部件断开，从而切断流经所述开关器件的电流。

25.如权利要求1-23中任何一项所述的方法，其特征在于对电开关器件执行所述交流电过零点的所述检测，其中所述电开关器件具有至少两个配置在通过所述开关器件的电流路径中的接触部件以及半导体器件(40)，后者能够在至少第一阻断方向阻断流经的电流，以及单元(22)，适用于控制流经所述开关器件的电流路径的断路，其方法是在所述半导体器件处于或进入导通状态时，控制所述接触部件中的第一部件断开，从而使电流流经所述半导体器件，然后当所述半导体器件处于阻断流经电流的状态时，控制所述第二接触部件断开，从而使切断流经所述开关器件的电流成为永久，所述电流路径具有两个并联于所述开关器件第一和第二端之间的分支(34、35)，并通过所述半导体器件互相交叉连接，对流经所述开关器件的电流方向和大小进行检测，为了切断所述电流路径中流经所述开关器件的电流，首先将两个分支都断开，如从所述第一端所见，一个在所述各分支到所述半导体器件的连接之前，如从所述第一端所见，另一个在所述各分支到所述半导体器件的连接之后，其中哪一个分支在所述连接之前断开，哪一个在所述连接之后断开取决于所述电流的所述检测，这样，当所述半导体器件处于或进入导通状态时，电流通过一个分支的一部分、所述半导体器件及另一分支的一部分转移到所述两端之间的临时电流路径，然后，当所述半导体器件处于阻断流经电流的状态时，通过断开所述临时电流路径来使流经所述开关器件的电流的切断成为永久，所述电流路径的断开和其中电流的切断根据所述电流过零点的预测进行控制。

26.如以上任一权利要求所述的方法，其中所述交流电是多相交流电，并且在所述每相电流路径中配置一个可单独控制的电开关器件，其特征在于分别为所述交流电各相预测所述后面的交流电过零点，从而为各个开关器件单独确定断开各个开关器件进而切断所述流经电流的适合时间。

27.一种用于在电流路径(2)中出现故障电流后预测交流电过零点的设备，以确定断开配置在所述电流路径中的电开关器件(1)进而切断所述电流路径中的所述电流的合适时间，其特征在于它包括部件(15)，适用于检测所述电流路径中的所述电流，并且它包括装置(19)，适用于根据所述部件检测到的所述交流电的值来计算所述电流的直流电平、即所述交流电相对于其零电平的对称线偏移，以及所述直流电平随时间的衰减，并且所述装置适用于至少根据通过所述电流检测得到的电流值、所述计算的直流电平、所述计算的直流衰减以及有关所述交流电的周期时间的信息来预测所述交流电的下一过零点的时间。

28.如权利要求27所述的设备，其特征在于所述部件(15)适用于检测所述电流过零点的时间，以及装置(19)适用于在预测所述交流电的下一过零点的时间时考虑所述检测到的过零点的时间。

29.如权利要求27或28所述的设备，其特征在于所述部件(15)适用于在至少一个交流电周期的时段期间，在出现所述故障电流后检测所述交流电，以及装置(19)适用于利用在所述时段期间对所述交流电的检测所得到的电流值来计算所述直流衰减。

30.如权利要求29所述的设备，其特征在于所述装置(19)适用于计算所述至少一个周期后的所述交流电一周期内的交流电过零点。

31.如权利要求27-30中任何一项所述的设备，其特征在于所述部件(15)适用于检测至少两个交流电过零点的时间，以及装置(19)适用于利用有关这两个过零点的数据来计算下一过零点的时间。

32.如权利要求17-20中任何一项所述的设备，其特征在于它还包括组件(20)，适用于在第一时段和第二时段上对所述部件检测的交流电进行积分，其中所述第二时段的长度与第一时段相同并基本上为所述交流电的一个周期，以及所述装置(19)适用于形成这两个电流积分值的商并将之用于计算所述直流衰减。

33.如权利要求28所述的设备，其特征在于它包括部件(21)，适用于计算通过从所述电流检测部件收到的信息而检测的交流电过零点的导数，以及装置(19)适用于在计算交流电下一过零点时使用该导数值。

34.如权利要求33所述的设备，其特征在于用来计算所述导数的所述部件(21)适用于根据紧挨着所述过零点之前和之后检测的交流电的值来确定所述导数。

35.如权利要求27-34中任何一项所述的设备，其特征在于所述电流检测部件(15)适用于将交流电的两个连续电流峰值(28、29)传送给所述装置(19)，以及所述装置适用于在计算交流电的所述后面的过零点时形成这两个电流值的平均值用作所述直流电平。

36.如权利要求35所述的设备，其中所述交流电是三相交流电，其特征在于所述装置适用于计算两相的直流电平，方法是确定所述各相的两个连续电流峰值(y₁，y₂)的平均值，并且所述装置适用于根据这两个直流电平之间的关系计算所述直流电平随时间的衰减，然后在预测下一过零点时使用它。

37.如权利要求35所述的设备，其中所述交流电是一种单相交流电，其特征在于所述电流检测部件(15)也适用于将所述两个电流峰值之后的第三电流峰值的交流电值传递到所述装置，所述装置也适用于形成所述第三电流值和紧挨在此之前的电流峰值的平均值，用于计算第二直流电平，以及所述装置适用于根据这两个直流电平之间的关系来计算所述直流电平随时间的衰减并在预测下一过零点时使用它。

38.如权利要求32和33及可能的以上任一设备权利要求所述的设备，其特征在于所述装置(19)适用于计算下一过零点的时间，方法是将所述检测的过零点的时间加上所述交流电的所述周期时间以及在所检测的过零点时间处的所述直流电平除以所述导数并乘以(1-d²)这样一个项，其中d是所述商。

39.如权利要求27-38中任何一项所述的设备，其特征在于它包括部件，适用于根据所述电流检测部件传来的电流值来计算所述交流电的交流衰减、即所述交流电的振幅随时间的减小。

40.如权利要求27所述的设备，其特征在于它包括存储部件，适用于存储由所述电流检测部件(15)检测到的至少一整个电流周期的交流电的值，以及装置(19)适用于通过对所述存储器存储的电流数据进行积分来连续计算所述直流电平和所述直流衰减，以及所述装置还适用于通过在每次的主要值减去存在的直流衰减，从而提前一个周期计算所述时间的电流值，以计算所述电流过零点。

41.如权利要求27所述的设备，其特征在于所述检测部件(15)适用于在至少一整个电流周期期间，用某个采样频率对所述交流电的值进行采样，并且存储部件适用于存储所述采样值，以及所述装置(19)适用于通过形成从某个给定时间向后的一个电流周期的时段所存储的所述电流值的平均值来计算在所述时间的所述直流电平，然后在预测所述交流电的下一过零点时使用该直流电平。

42.如权利要求41所述的设备，其特征在于所述装置(19)适用于假定所述直流电平的衰减是呈指数的并通过用其时间导数除通过所述除法获得的直流电平来计算所述衰减的时间常数。

43.如权利要求41或42所述的设备，其特征在于所述装置(19)适用于根据为所述给定时间计算的所述直流电平和所述直流电平随时间的衰减来预测在下一时间的直流电平，以及所述装置适用于通过从上次提及的时间之前的一个电流周期测量的交流电的值减去所述下一时间之前的一个电流周期计算的所述直流电平和在所述下一时间预测的所述电流的直流电平之间的差来预测所述交流电的值。

44.如权利要求43所述的设备，其特征在于所述装置(19)适用于利用等分间隔的方法借助于所述交流电的所述预测值来寻找后面的交流电过零点。

45.如权利要求27所述的设备，其特征在于所述检测部件(15)适用于检测所述交流电峰值的时间，以及所述装置(19)适用于使用上述时间作为参考来预测后面的交流电过零点。

46.如权利要求45所述的设备，其特征在于所述装置(19)适用于通过向所述峰值时间加上1/4的电流周期以及第一校正因子来预测跟在所述峰值之后的所述交流电过零点的时间，以及它适用于通过常数d和 的乘积来形成所述校正因子，其中d是半电流周期后剩下的直流电平部分，imax是所述电流峰值而dimax是正好在所述电流峰值的时间之前的半周期期间所述电流的标准化导数的峰值，其中所述标准化的选择使得当所述电流是纯正弦函数时，imax和dimax得到相同数值。

47.如权利要求46所述的设备，其特征在于所述装置(19)适用于通过向紧跟在所述峰值之后的所述预测过零点加上1/2的电流周期以及第二校正因子来预测所述电流峰值之后第二过零点的时间，其中所述装置适用于通过所述第一校正因子、d以及一个常数的乘积来形成所述第二校正因子。

48.如权利要求27-47中任何一项所述的设备，其特征在于它包括模拟/数字转换器(16)，适用于将从所述电流检测部件(15)发出的电流值信号转换为数字形式以将它们再发送到所述装置(19)。

49.如权利要求48所述的设备，其特征在于它包括部件(17、18)，用于对来自所述电流检测部件的检测电流信号在所述转换之前和之后进行频率过滤，以过滤掉噪声信号，最好过滤掉所述电流信号中的高频噪声信号。

50.如权利要求27-49中任何一项所述的设备，其特征在于它适用于执行电开关器件(1)中交流电过零点的预测，所述电开关器件(1)包括两个在所述电流路径中并联的分支，其中第一分支包括第一接触部件，该部件具有两个可互相相对移动以断开和闭合的触点(5、7、8)；而第二分支包括构件(11、12)，能够在至少一个阻断方向阻断流经的电流并在至少一个方向导通流经的电流，其中具有两个可互相相对移动以断开和闭合的触点(5、8、9)的第二接触部件与所述构件串联，并且其中所述开关器件还包括单元(22)，适用于根据所述预测来控制所述电流路径的断开，其方法是在所述构件处于或进入导通状态时，控制所述第一接触部件断开，从而向所述构件转移电流，然后当所述构件处于阻断流经电流的状态时，控制所述第二接触部件断开，从而切断流经所述开关器件的电流。

51.如权利要求27-49中任何一项所述的设备，其特征在于它适用于执行电开关器件中所述交流电过零点的预测，所述电开关器件具有至少两个配置在流经所述开关器件的电流路径中的接触部件以及半导体器件(40)，后者能够在至少第一阻断方向阻断流经的电流，以及单元(22)，适用于控制流经所述开关器件的电流路径的断路，其方法是在所述半导体器件处于或进入导通状态时，控制所述接触部件中的第一部件断开，从而使流经所述开关器件的电流转移到所述半导体器件，然后当所述半导体器件处于阻断流经电流的状态时，控制所述第二接触部件断开，从而使切断流经所述开关器件的电流成为永久，所述开关器件的接触部件总数为至少4个，其中两个串联于两个分支(34、35)中的每个分支中，这两个分支在所述电流路径中并联；所述半导体器件适用于将各分支的两个接触部件之间的中间点(41、42)互连，所述开关器件至少包括一个部件(15)，适用于检测流经所述开关器件的电流方向；控制单元适用于控制切断所述电流路径中的电流，其方法是当所述半导体器件处于或进入导通状态时，控制从所述电流方向看位于所述中间点之前的一个第一分支的第一个接触部件断开，并控制从电流方向看位于所述中间点之后的所述第二分支的第二个接触部件断开，从而将所述电流转移到流经所述半导体器件的临时电流路径，然后当所述半导体器件处于阻断流经电流的状态时，通过断开配置在流经所述半导体器件的所述临时电流路径中的所述开关器件的至少一个接触部件，从而使流经所述开关器件的所述电流路径中的所述电流的切断成为永久，以及所述控制单元适用于根据来自所述电流检测部件的信息选择哪个分支应是第一分支，并根据所述所述交流电过零点的所述预测结果来控制所述电流路径中所述电流的切断。

52.如权利要求27-51中任何一项所述的设备，其中所述交流电是多相交流电，并且在所述每相电流路径中配置一个可单独控制的电开关器件(1)，其特征在于所述装置(19)适用于分别为所述交流电各相计算所述后面的交流电过零点，从而为各个开关器件单独确定断开各个所述开关器件的适合时间。

53.如权利要求27-52中任何一项所述的设备，其特征在于它包括适用于与电控驱动部件(13)合作的组件，所述电控驱动部件(13)适用于获得所述电开关器件的所述断路。

54.如权利要求53所述的设备，其特征在于所述驱动部件(13)是电磁机。

55.如权利要求54所述的设备，其特征在于所述驱动部件(13)是电动机。

56.如权利要求53-55中的任何一项所述的设备，其特征在于所述用来合作的组件包括电子单元形式的控制单元(22)，适用于控制所述驱动部件(13)。

57.如权利要求27-56中任何一项所述的用于预测电流路径中交流电过零点的设备在工业或配电或传输网中电力供应的开关设备中的应用。

58.如权利要求27-56中任何一项所述的用于预测电流路径中交流电过零点的设备的应用，其中所述电流路径的电压在1-52kV之间。

59.如权利要求27-56中任何一项所述的用于预测流经电开关器件的电流路径中交流电过零点的设备的应用，其中所述电开关器件适用于承受1kA、最好为至少2kA的工作电流。

60.如权利要求27-56中任何一项所述的用于预测电流路径中交流电过零点的设备的应用，其中所述电流路径连接到发电机。

61.一种用于在电流路径(2)中出现故障电流后预测交流电过零点的装置，以确定断开配置在所述电流路径中的电开关器件(1)的合适时间，其中所述装置包括程序模块，所述程序模块包括至少一个处理器，适用于执行程序指令以检测所述电流路径中的电流；根据所检测到的交流电的值计算所述电流的直流电平、即所述交流电相对于其零电平的对称线偏移，以及所述直流电平随时间的衰减；以及适用于至少根据通过所述电流检测得到的电流值、所述计算的直流电平、所述计算的直流衰减以及所述交流电的周期时间来预测所述交流电下一过零点的时间。

62.一种计算机程序，用于在电流路径(2)中出现故障电流后预测交流电过零点，以确定断开配置在所述电流路径中的电开关器件(1)的合适时间，其中所述计算机程序包括指令，用于影响处理器以检测所述电流路径中的电流，根据所检测到的交流电的值计算所述电流的直流电平、即所述交流电相对于其零电平的对称线偏移，以及所述直流电平随时间的衰减；以及至少根据通过所述电流检测得到的电流值、所述计算的直流电平、所述计算的直流衰减以及所述交流电的周期时间来预测所述交流电下一过零点的时间。

63.如权利要求62所述的计算机程序，其特征在于它至少部分是从诸如因特网的网络提供的。

64.一种计算机程序产品，可以直接装入数字计算机的内存储器中并包括软件代码部分，用于在所述计算机程序产品在计算机上运行时，执行根据权利要求1-26中任何一项所述的步骤。

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