三相电源断相故障检测方法、装置及一种自动转换开关

摘要

本发明公开了一种三相电源断相故障检测方法，属于低压电气技术领域。本发明针对现有断相故障检测技术受所接负载的影响易导致漏检的问题，利用现有检测电路，通过A相相电压采样电路、BC线电压采样电路来检测A相相电压与BC线电压之间的相位差（或称相角差），根据相位差在断相情况下的固有变化规律，实现B相或C相断相故障的可靠检测。本发明还公开了一种三相电源断相故障检测装置及一种自动转换开关。相比现有技术，本发明不受所接负载的影响，对断相故障的检测准确率高，且电路简单、实现成本低。

说明书

技术领域

本发明涉及一种三相电源断相故障检测方法、装置，属于低压电气技术领域。

背景技术

自动转换开关已经广泛应用于工业供电系统中，自动转换开关通过检测常备 用三相电源的故障状态来实现自动转换。三相电源的故障状态包括欠压、过压、 断相等，其中对于三相电源断相的检测通常采用以下两种方法：一种是通过检测 A相、B相、C相的相电压来判断是否断相，当某相的相电压小于30％额定相电 压时即判定为断相；另一种是通过检测A相相电压、BC线电压来判断是否断相， 同样的当A相相电压小于30％额定相电压或BC线电压小于30％额定线电压时 即判定为断相。第一种方法能够准确判断出断相，但是硬件电路复杂，成本相对 高。第二种方法能节省一相的硬件采样电路，电路简单、成本低，但是由于自动 转换开关输出侧一般连接有电压表、电力仪表等负载，在自动转换开关常用或备 用进线侧的B相或C相断相时，检测出的B相与C相之间的线电压值可能大于 30％额定线电压而导致控制器判断B相或C相断相失误，进而严重影响整个供 电系统的安全可靠性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于解决现有技术所存在的问题，提供一种三相 电源断相故障检测方法、装置，其不受所接负载的影响，对断相故障的检测准确 率高，且电路简单、实现成本低。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

三相电源断相故障检测方法，对三相电源第一相的相电压以及第二相与第三 相间的线电压分别进行电压采样，然后根据电压采样结果计算得到第一相相电压 的值，以及以下两参数中的至少一个：第一相相电压和第二相与第三相间线电压 的相位差Δφ，在三相电源一个周期T中第一相相电压的上升沿过零时刻/下降沿 过零时刻和第二相与第三相间线电压的上升沿过零时刻/下降沿过零时刻之间的 时间差Δt；接着计算Δφ^*或Δt^*，${\mathrm{\Delta t}}^{*}=\left(\begin{array}{cc}\Delta t,& \begin{array}{cc}if& \Delta \phi \le \frac{T}{2}\end{array}\\ \Delta t-\frac{T}{2},& else\end{array}\right);$如果以下条件中的任意一个得到满足，则判断所述 三相电源出现断相故障：第一相相电压的值小于预设的相电压阈值，|90°-Δφ^*| 大于预设的相位差阈值，大于预设的时间差阈值；如所述三相电源连 接负载为单一三角形连接，则所述相位差阈值的取值范围为[0°,60°]，所述时 间差阈值的取值范围为如所述三相电源连接负载为非单一三角形连接， 则所述相位差阈值的取值范围为[0°,30°]，所述时间差阈值的取值范围为

优选地，第一相相电压和第二相与第三相间线电压的相位差Δφ，根据Δt计 算得到：

Δφ＝360°×f×Δt

式中，f为所述三相电源的频率，单位为Hz；时间差Δt的单位为s。

优选地，所述上升沿过零时刻/下降沿过零时刻的检测方法具体如下：对于 每一个电压采样点，将当前采样点的电压值、上一采样点的电压值分别与电压采 样过零基准值进行比较，如果当前采样点的电压值大于电压采样过零基准值的同 时，上一采样点的电压值小于等于电压采样过零基准值，则当前采样点为上升沿 过零时刻；反之，如果当前采样点的电压值小于电压采样过零基准值的同时，上 一采样点的电压值大于等于电压采样过零基准值，则当前采样点为下降沿过零时 刻。

优选地，对于连接负载为单一三角形连接、非单一三角形连接的三相电源， 所述相位差阈值分别为30°、15°，所述时间差阈值分别为

三相电源断相故障检测装置，包括：分别用于对三相电源第一相的相电压以 及第二相与第三相间的线电压进行电压采样的相电压采样电路、线电压采样电路， 以及与相电压采样电路、线电压采样电路分别连接的故障判断单元；所述故障判 断单元包括计算模块、判断模块；所述计算模块用于根据相电压采样电路的采样 结果计算第一相相电压的值，以及以下两参数中的至少一个：第一相相电压和第 二相与第三相间线电压的相位差Δφ，在三相电源一个周期T中第一相相电压的 上升沿过零时刻/下降沿过零时刻和第二相与第三相间线电压的上升沿过零时刻/ 下降沿过零时刻之间的时间差Δt，接着计算出Δφ^*或Δt^*， ${\mathrm{\Delta t}}^{*}=\left(\begin{array}{cc}\Delta t,& \begin{array}{cc}if& \Delta \phi \le \frac{T}{2}\end{array}\\ \Delta t-\frac{T}{2},& else\end{array}\right);$所述判断模块用 于根据计算模块的输出结果判断所述三相电源是否出现断相故障：如果以下条件 中的任意一个得到满足，则判断所述三相电源出现断相故障：第一相相电压小 于预设的相电压阈值，|90°-Δφ^*|大于预设的相位差阈值，大于预设 的时间差阈值；如所述三相电源连接负载为单一三角形连接，则所述相位差阈值 的取值范围为[0°,60°]，所述时间差阈值的取值范围为如所述三相电 源连接负载为非单一三角形连接，则所述相位差阈值的取值范围为[0°,30°]， 所述时间差阈值的取值范围为

优选地，所述计算模块包括过零时间差检测子模块、相位差计算子模块；所 述过零时间差检测子模块用于在所述三相电源的一个周期内，分别利用电压采样 结果检测出第一相相电压的上升沿过零时刻/下降沿过零时刻、第二相与第三相 间线电压的上升沿过零时刻/下降沿过零时刻，并计算出两者的时间差Δt；所述 相位差计算子模块用于按照下式计算得到第一相相电压和第二相与第三相间线 电压的相位差Δφ：

Δφ＝360°×f×Δt

式中，f为所述三相电源的频率，单位为Hz；时间差Δt的单位为s。

优选地，所述上升沿过零时刻/下降沿过零时刻的检测方法具体如下：对于 每一个电压采样点，将当前采样点的电压值、上一采样点的电压值分别与电压采 样过零基准值进行比较，如果当前采样点的电压值大于电压采样过零基准值的同 时，上一采样点的电压值小于等于电压采样过零基准值，则当前采样点为上升沿 过零时刻；反之，如果当前采样点的电压值小于电压采样过零基准值的同时，上 一采样点的电压值大于等于电压采样过零基准值，则当前采样点为下降沿过零时 刻。

优选地，对于连接负载为单一三角形连接、非单一三角形连接的三相电源， 所述相位差阈值分别为30°、15°，所述时间差阈值分别为

根据相同的发明思路还可以得到以下技术方案：

一种自动转换开关，包括如上任一技术方案所述三相电源断相故障检测装置。

相比现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明利用相电压与线电压在断相前后相位差的变化来实现电源断相的判 别，有效克服了传统的基于线电压值的断相检测方法受负载影响导致的误判问题， 能大幅提高三相电源断相检测准确率，进而提高供电系统的安全可靠性；

本发明可基于现有的三相电源故障检测电路，不需要高效的处理器和复杂的 硬件电路，仅需要对现有三相电源故障检测电路进行简单的软件修改即可实现；

本发明具有硬件电路简单，实现成本低的特点，既可适用于原有产品的升级 改造，也可用于新产品的设计。

附图说明

图1为自动转换开关的结构原理示意图；

图2为现有三相电源断相检测装置的结构原理示意图；

图3为三相电压均正常时，A相相电压与BC线电压的波形图；

图4为B相断相情况下，A相相电压与BC线电压的波形图；

图5为C相断相情况下，A相相电压与BC线电压的波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

图1显示了自动转换开关的结构原理，如图所示，常用电源正常时，负载由 常用电源供电，当常用电源发生异常时，例如欠压、断相等故障，自动转换开关 由常用切换到备用，负载由备用电源供电。

对于三相电源断相的检测通常采用以下两种方法：一种是通过检测A相、B 相、C相的相电压来判断是否断相，当某相的相电压的值小于30％额定相电压时 即判定为断相；另一种是通过检测A相相电压、BC线电压来判断是否断相，同 样的当A相相电压的值小于30％额定相电压或BC线电压小于30％额定线电压 时即判定为断相。第一种方法能够准确判断出断相，但是硬件电路复杂，成本相 对高。第二种方法能节省一相的硬件采样电路，电路简单、成本低。因此目前自 动转换开关越来越趋向于应用第二种检测方案。

图2显示了采用第二种检测方案的检测装置的硬件结构，如图所示，A相相 电压采样电路、BC线电压采样电路分别对A相相电压、BC线电压进行采样， 微处理器根据采样结果计算出A相相电压、BC线电压的值并与预设的电压阈值 (通常为额定电压的30％)进行比较，根据比较结果判断是否出现断相故障。对 于自动转换开关而言，三相电源的相电压与线电压信号是从自动转换开关的输入 端获取，而自动转换开关的输出侧一般连接有电压表、电力仪表等负载。当B 相或C相发生断相时，因输出侧连接的电压表、电力仪表等负载将未断相的电 压导入到断相的自动开关进线端，从而出现仍然存在BC线电压的现象，此时容 易出现所检测到的BC线电压高于线电压阈值，则微处理器的判断结果为未发生 断相故障，实际上此时B相或C相已产生断相故障。这种断相故障的漏检会给 整个供电系统的安全造成较大隐患。

本发明的思路是利用现有检测电路，通过A相相电压采样电路、BC线电压 采样电路来检测A相相电压与BC线电压之间的相位差(或称相角差)，根据相 位差在断相情况下的固有变化规律，实现B相或C相断相故障的可靠检测。图3 显示了A相、B相、C相电压均正常情况下A相相电压与BC线电压的波形， 其中U_A是A相相电压采样电路(本实施例中的电压采样电路对整流后电压信号 进行了2.048V的整体抬升)输出的电压，U_BC是经抬升后的BC线电压采样电路 输出的电压信号，此时A相相电压与BC线电压相角差ΔΦ为90°。当B相或C 相发生断相时，因输出侧连接的电压表、电力仪表等负载将未断相的电压导入到 所断相的自动转换开关进线端，从而出现仍然存在BC线电压的现象，此时A相 相电压与BC线电压的相角差会发生相应改变，其波形如图4、图5所示。当三 相负载不接N相，即三相电源连接负载为单一三角形连接时，如A相、C相正 常，B相发生断相，则A相相电压与BC线电压间的相角差ΔΦ为30°，如A 相、B相正常，C相发生断相，A相相电压与BC线电压间的相角差为150°， 所述的单一三角形连接是指三相电源连接负载仅有三角形连接方式一种。另外三 相电源连接负载为非单一三角形连接包括：星形连接，单相连接，三角形连接、 星形连接、单相连接中任二种组合方式的连接以及三角形连接、星形连接、单相 连接组成的混合式连接等。本发明以三相电源连接负载为星形连接为例进行说明， 当三相负载接N相，即三相电源连接负载为星形连接时，如A相、C相正常，B 相发生断相，则A相相电压与BC线电压间的相角差ΔΦ为60°，如A相、B 相正常，C相发生断相，A相相电压与BC线电压间的相角差ΔΦ为120°。这 样，根据实时检测的相角差ΔΦ即可判断出B相和C相是否发生断相故障。在实 际情况下，由于电源频率的波动会导致检测出的相位差出现偏差，因此需要考虑 这种检测误差对故障判定的影响。假设对三相电源相位差ΔΦ的最大检测偏差为 Δmax，则对于连接负载为单一三角形连接的三相电源，其B相或C相出现断 相故障的判断可按照以下准则：

如A相相电压和B相与C相间线电压的相位差Δφ满足：Δφ＜30°+Δmax或 者Δφ＞150°-Δmax，则判定B相或C相出现断相故障；上述判定条件可通过简 单的变换转换为下式：

|90°-Δφ|＞60°-Δmax

类似地，对于连接负载为星形连接的三相电源，其B相或C相出现断相故 障的判断式为：

|90°-Δφ|＞30°-Δmax

这样，根据实际三相电源相位差ΔΦ的最大检测偏差Δmax，将不等式右侧设置 为固定的相位差阈值，即可实现B相和C相的断相故障判定。对于连接负载为 单一三角形连接的三相电源，所述相位差阈值的取值范围为[0°,60°]，优选取 值为30°；对于连接负载为非单一三角形连接例如星形连接的三相电源，所述 相位差阈值的取值范围为[0°,30°]，优选取值为15°。在实际使用中，为使断 相故障判定方法适用于任何负载，所述相位差阈值的取值范围选取单一三角形连 接负载与非单一三角形连接负载相位差阈值的交集[0°,30°]，优先取值为15°。

上述相位差ΔΦ可利用A相相电压采样电路和BC线电压采样电路的采样结 果计算得到，以下为一个具体实施例。

自动转换开关接三相电源后，微处理器通过0.2ms定时中断实时采集A相 相电压，并记录U₁–U_1Z和U_1pre–U_1Z，当第一次检测到U_1pre≤U_1Z且U₁>U_1Z，说 明A相相电压波形处于上升沿过零时刻，反之，当第一次检测到U_1pre≥U_1Z且 U₁<U_1Z，说明A相相电压波形处于下降沿过零时刻。同样的，微处理器通过0.2ms 定时中断实时采集BC线电压，并记录U₂₃–U_23Z和U_23pre–U_23Z，当第一次检测到 U_23pre≤U_23Z且U₂₃>U_23Z，说明BC线电压波形处于上升沿过零时刻，反之，当第 一次检测到U_23pre≥U_23Z且U₂₃<U_23Z，说明BC线电压波形处于下降沿过零时刻。

其中0.2ms定时中断为微处理器经过参数设置自动运行的定时中断；U₁为 当前0.2ms定时中断由A相相电压采样电路采集到的A相相电压的瞬时值；U_1pre为上一个0.2ms定时中断由A相相电压采样电路采集到的A相相电压的瞬时值； U₂₃为当前0.2ms定时中断由BC线电压采样电路采集到的BC线电压的瞬时值； U_23pre为上一个0.2ms定时中断由BC线电压采样电路采集到的BC线电压的瞬时 值；U_1Z为A相相电压采样过零基准值；U_23Z为BC线电压采样过零基准值。

以三相负载不接N相时为例，微处理器通过0.2ms定时中断，循环记录A 相相电压波形一个周期内的所有U₁值，将记录到的所有U₁–U_1Z值做平方和累加， 最后将累加值开根号，得到的值即为A相相电压的值(即有效值)，将该值与预 设的断相判定相电压阈值(例如可取30％的相电压额定值)进行比较，若A相 相电压的值低于该阈值，则A相断相；否则，A相正常。

在A相相电压与BC线电压的电压采样信号均抬升2.048V的情况下，如图 3，将2.048V视作过零基准值，A相相电压的过零点与BC线电压的过零点的相 位差计算如下：在A相相电压U_A上升沿过零时刻(或下降沿过零时刻)启动变 量Tcount的累加，在B相与C相间线电压U_BC上升沿过零时刻(或下降沿过零 时刻)停止变量Tcount的累加，获取此时Tcount的值n，并计算Δt＝n*0.2ms， 计算完成后将Tcount清零，得到时间差Δt后，计算相角差ΔΦ：式中，f为所述三相电源的频率，单位为Hz；时间差Δt的单位为ms。其中Tcount 是在0.2ms定时中断中进行累加的一个变量，初值为零。

以上获得的相角差ΔΦ不能直接用于断相判断，需要根据其是否大于180° 进行相应处理：如ΔΦ大于180°，则将(180°-ΔΦ)赋值给ΔΦ，否则，ΔΦ保 持不变。

微处理器根据处理后的ΔΦ计算|90°-Δφ|的值，若|90°-Δφ|＞30°，则B或C 相发生断相，若|90°-Δφ|＜30°，则B、C相均正常。

类似的，对于连接负载为星形连接的三相电源，仅需要修改相应的相角差阈 值即可。

上述电压过零基准值与具体使用的电压采样电路相关，如采样电路中的整流 电路后并未接电压抬升电路，则相应的电压过零基准值为0V，如整流电路后接 有电压抬升电路，则相应的电压过零基准值为抬升电压。

此外需要说明的是，本发明方法中，也可利用检测出的时间差Δt直接作为B、 C相的断相判断依据，仅需要对检测出的时间差Δt根据其是否大于做相应处 理(如Δt大于则将赋值给Δt，否则，Δt保持不变)，并将预设的相 位差阈值转换为相应的时间差阈值即可，这两个判断依据实际上是等价的。具体 地，可根据是否大于预设的时间差阈值来判断，如是，则表明B相或C 相出现断相。相应地，如所述三相电源连接负载为单一三角形连接，则所述时间 差阈值的取值范围为优选如所述三相电源连接负载为非单一三角 形连接，则所述时间差阈值的取值范围为优选

本发明可直接应用于现有自动转换开关的断相检测装置，不需要增加任何硬 件装置，仅需要对软件程序进行简单升级，即可实现断相故障检测准确率的大幅 提升，具有很好的应用前景。