TWI407111B - 電流方向檢測模組 - Google Patents

Description

電流方向檢測模組

本發明係關於一種電流方向檢測模組，特別是，一種檢測電力系統故障電流方向之電流方向檢測模組。

一電力系統之配電網路係隨著一個國家或地區的工商業發展而星羅棋布地配置，該配電網路之故障檢修效率關係著供電品質，間接影響該國家或地區之工商業發展，因此，如何在該配電網路故障時，有效率地找出故障位置及原因係一重要之課題。習知採用人力檢修之方式，隨著配電網路日益龐大而不符經濟效益且無法快速找出故障位置及原因。

為解決此問題，發展出許多習知檢測裝置，以不同通訊方式集中化管理故障位置之資訊。如中華民國公告第200837368號「多端故障定位系統」發明專利申請案、第200933176號「電力網路的故障監控方法及其系統」發明專利申請案、第589651號「保護電驛」發明專利案、第475991號「故障點定位系統」發明專利案、第M379069號「故障定位器」新型專利案及第M321170號「配電分歧饋線故障偵測自動化裝置」新型專利案。惟，上述習知檢測裝置僅可得知該電力系統是否有產生故障電流，無法檢測電力系統之故障電流方向，因此，只能從習知檢測裝置附近之電力系統逐步確認故障位置，無法有效率地判斷短路故障發生位置。若可得知故障電流方向，則可根據此電流方向資訊，有效率地判斷短路故障發生位置。

此外，另一習知檢測裝置係可檢出故障電流方向，其係利用該電力系統之方向性過電流電驛，分別藉由至少一比壓器(Potential Transformer，PT)及至少一比流器(Current Transformer，CT)取得電壓及電流之相位資訊，而得知電力系統之故障電流方向。惟，該比壓器無法在單一線路上量測，且需感測其相電壓(L與N)，再者，該比壓器之一次側需與電力系統之實際線路連接。因此，此方法需使用該比壓器，增加檢測故障電流方向時的困難度，再者，此方法需同時使用該比壓器及該比流器，而造成建置成本昂貴。

按，上述習知檢測裝置係具有無法得知電力系統之故障電流方向或需同時使用該比壓器及該比流器等問題。因此，有必要針對上述習知檢測裝置進行改良。

本發明之目的乃改良上述缺點，以提供一種不需使用該比壓器之電流方向檢測模組。

本發明之電流方向檢測模組，主要係包含一轉換單元，係包含一個一次側及一個二次側，該二次側係具有一第一端及一第二端；一電橋單元，係包含四整流元件、一第一節點、一第二節點、一第三節點及一第四節點，各該整流元件之陽極端係均電性連接另一整流元件之陰極端，並依序於該陽極端及該陰極端電性連接點形成該第一節點、該第三節點、該第二節點及該第四節點，該第一節點及該第二節點係電性連接該轉換單元之第一端及該轉換單元之第二端；及一運算單元，係電性連接該電橋單元之第三節點及第四節點，將該第三節點及該第四節點之電壓差動放大並輸出一運算電壓。藉此，該電流方向檢測模組可檢出電力系統之故障電流方向，協助判斷電力系統之短路故障發生位置。

為讓本發明之上述及其他目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：本發明以下所述之「低準位訊號」係一訊號值接近零且變化程度在一定範圍內之訊號，係熟悉該技藝者可以理解。

本發明以下所述之「高準位訊號」係一訊號值大於低準位訊號且變化程度在一定範圍內之訊號，係熟悉該技藝者可以理解。

本發明以下所述之「正準位訊號」係一訊號值為正值且變化程度在一定範圍內之訊號，係熟悉該技藝者可以理解。

本發明以下所述之「負準位訊號」係一訊號值為負值且變化程度在一定範圍內之訊號，係熟悉該技藝者可以理解。

本發明以下所述之「邏輯訊號」係一具有高準位及低準位之訊號，並以高準位及低準位代表不同邏輯值；或一具有正準位及負準位之訊號，並以正準位及負準位代表不同邏輯值，係熟悉該技藝者可以理解。

請參照第1及2圖所示，其係本發明電流方向檢測模組配置於電力系統之運作示意圖。其中，如第1圖所示，其係電力系統之正常運作示意圖，一變電所與一發電站、一用戶端及至少一分散式電源係分別以數條輸配電線PL(Power Line，PL)相連接，該輸配電線PL之二電流方向係分別表示為一第一流向D1或一第二流向D2，該第二流向D2為該第一流向D1之相反流向，該輸配電線PL係設有至少一檢測模組(即M1、M2及M3)，以供檢測電力系統故障時之電流方向(以下簡稱故障電流方向)。當電力系統運作正常時，該發電站所送出之正常電流Ia係經由該輸配電線PL傳送至該用戶端，該分散式電源亦個別經由該輸配電線PL送出正常電流Ib及Ic至該用戶端，該檢測模組M1及M2係均檢出電流方向為該第一流向D1，該檢測模組M3係檢出電流方向為該第二流向D2。

如第2圖所示，其係電力系統之故障電流示意圖，當電力系統故障時，例如：該電力系統輸配網路之輸配電線PL發生短路至接地端之情形，該發電站之故障電流Ia’係直接經由一短路路徑S流至接地端，該分散式電源之故障電流Ib’及Ic’亦分別經由該短路路徑S流至接地端，該短路路徑S產生一個短路電流，此時，該檢測模組M1可檢出該故障電流方向為該第一流向D1，該檢測模組M2及M3均可檢出電流方向為該第二流向D2。因此，藉由該電流方向檢測模組可檢出故障電流之電流方向，協助判斷短路故障發生位置。

請參照第3圖所示，其係本發明電流方向檢測模組第一實施例之電路圖，其係包含一轉換單元1、一電橋單元2及一運算單元3。該轉換單元1係電性連接該電橋單元2，該電橋單元2係電性連接該運算單元3，該轉換單元1係感測一待測電流I1並輸出一轉換電流I2，該電橋單元2係輸入該轉換電流I2並輸出二電橋電壓V11及V12，該運算單元3係輸入該電橋電壓V11及V12並輸出一運算電壓V2。藉此，可檢測電力系統故障電流方向。在此實施例中，待測電流I1為該輸配電線PL之電流。

該轉換單元1係選為一比流器(Current Transformer，CT)，或者是，可將一輸入電流以一比例值降低並設為一輸出電流之裝置，該比例值之範圍係選擇為該輸出電流之最大值不超過該電橋單元2之元件最大耐流條件。以電力系統配電網路為例，若其故障電流之標準為1000安培(Ampere，A)，且該電橋單元2之元件最大耐流條件設為1安培，則可選擇比例為2000:1之比流器，使該輸出電流為0.5安培。該轉換單元1係包含一個一次側11及一個二次側12，該一次側11係可藉由該輸配電線PL輸入該待測訊號I1，並於該二次側12輸出該轉換電流I2；該二次側12係具有一第一端121及一第二端122，該第一端121及該第二端122係均電性連接該電橋單元2。在此實施例中，該轉換單元1為一比流器，該比例值為2000：1，該比流器1之一次側11為設有一K端開口111及一L端開口112之管狀結構，該比流器1之二次側12係設有一k接點及一1接點，該k接點及該1接點係分別為該第一端121及該第二端122。在此實施例中，檢測該輸配電線PL之電流方向時，需將該輸配電線PL穿設於該比流器1之一次側11，設定該輸配電線PL之電流由該K端開口流至L端開口為該第一流向D1，該輸配電線PL之電流由該L端開口至K端開口為該第二流向D2。

該電橋單元2係包含一第一整流元件21、一第二整流元件22、一第三整流元件23、一第四整流元件24、一第一節點25、一第二節點26、一第三節點27及一第四節點28。各該整流元件21至24係選為固態二極體、真空管二極體或其他可供整流之元件；各該整流元件21至24均具有一陽極端及一陰極端，該第一整流元件21之陽極端電性連接該第四整流元件24之陰極端並形成該第一節點25；該第二整流元件22之陽極端電性連接該第一整流元件21之陰極端並形成該第三節點27；該第三整流元件23之陽極端電性連接該第二整流元件22之陰極端並形成該第二節點26；該第四整流元件24之陽極端電性連接該第三整流元件23之陰極端並形成該第四節點28；該第一節點25及該第二節點26係分別電性連接該轉換單元1之第一端121及該轉換單元1之第二端122，以供輸入該轉換電流I2；該第一整流元件21及該第二整流元件22係截去該轉換電流I2之負半週，該第三整流元件23及該第四整流元件24係截去該轉換電流I2之正半週；該第三節點27及該第四節點28係電性連接該運算單元3，該第三節點27及該第四節點28係分別輸出該二電橋電壓V11及V12至該運算單元3。在此實施例中，該整流元件21至24係均為一固態二極體，最大額定電流為1安培(A)。

該運算單元3係包含一第一放大元件31、一第一電阻器32、一第二電阻器33、一第三電阻器34、一第四電阻器35、一第五電阻器36、一第一電容器37及一第五節點38。該第一放大元件31係選為一運算放大器；該第一放大元件31係具有一第一負輸入端311、一第一正輸入端312、一第一輸出端313、一第一正電源端314及一第一負電源端315，該第一負輸入端311係電性連接該第一電阻器32及該第二電阻器33，該第一正輸入端312係電性連接該第三電阻器34及該第四電阻器35，該第一輸出端313係電性連接該第二電阻器33及該第五電阻器36，該第一正電源端314係電性連接一正電源Vp，該第一負電源端315係接地；該第一電阻器32係具有二終端分別電性連接該第一放大元件31之第一負輸入端311及該電橋單元2之第三節點27，該第一電阻器32係供輸入該電橋電壓V11；該第二電阻器33係具有二終端分別電性連接該第一負輸入端311及該第一輸出端313，使該第一放大元件31形成一負回授放大電路；該第三電阻器34係具有二終端分別電性連接該第一正輸入端312及該電橋單元2之第四節點28，該第三電阻器34係供輸入該電橋電壓V12；該第四電阻器35係具有二終端分別電性連接該第一正輸入端312及接地；該第一電阻器32、該第二電阻器33、該第三電阻器34及該第四電阻器35係決定該第一放大元件31之放大倍率Av₁ ；該第五電阻器36係具有二終端分別電性連接於該第一輸出端313及該第一電容器37；該第一電容器37可選為一極性電容或一無極性電容，該第一電容器37係具有一第一極端371及一第二極端372，該第一電容器37之第一極端371係電性連接該第五電阻器36並形成該第五節點38，該第一電容器37之第二極端372係接地，該第一電容器37係與該第五電阻器36組成一RC濾波電路，濾除該第一輸出端313之高頻雜訊。藉此，該運算單元3係將該第三節點27及該第四節點28之電橋電壓V11及V12差動放大，並於該第五節點38輸出該運算電壓V2。其中，為避免該正電源Vp不穩定而毀損本發明電流方向檢測模組，可另設一電容器以其二端電性連接該第一正電源端314及接地，以提供一旁路路徑。在本實施例中，該第一放大元件31為一運算放大器；該第一電阻器32及該第三電阻器34之電阻值均為1K歐姆(ohm，Ω)；該第二電阻器33及該第四電阻器35之電阻值均為300K歐姆；該第一電容器37係選為該極性電容，該第一極端及該第二極端分別為該極性電容之正端及負端，該第一電容器37之電容值為10微法拉(Micro Farad，μF)；該第一放大元件31之放大倍率Av₁ 為300倍；該正電源Vp之電壓值為3.3伏特(Volt，V)。

本發明電流方向檢測模組之第一實施例的動作原理係如後所述，若該轉換單元1之二次測12的第一端121及第二端122係分別電性連接該電橋單元之第一節點25及第二節點26，若該待測電流I1之電流方向為該第一流向D1，則由於該轉換單元1係由該一次側11輸入該待測電流I1，並於該二次側輸出該轉換電流I2，其中，該轉換電流I2係帶有雜訊之弦波訊號，該第一整流元件21及該第二整流元件22係通過該轉換電流I2之正半週並截除該轉換電流I2之負半週，該電橋單元2之第三節點27之訊號係為截除負半週之電橋電壓V11，該第三節點27之訊號係經該第一電阻器32限制電流後，送至該第一放大元件31之第一負輸入端311；該第三整流元件23及該第四整流元件24係通過該轉換電流I2之負半週並截除該轉換電流I2之正半週，該電橋單元2之第四節點28之訊號係為截除正半週之電橋電壓V12，該第四節點28之訊號係經該第三電阻器34限制電流後，送至該第一放大元件31之第一正輸入端312；該第二電阻器33係將該第一放大元件31之第一輸出端313的訊號以負回授方式送至該第一負輸入端311，該第一輸出端313的訊號係一具有突波之低準位訊號，藉由該第五電阻器36及該第一電容器37所組成之RC電路做雜訊濾波，並取該第五節點38之電壓為該運算電壓V2，該運算電壓V2為低準位，相關實驗數據如下列表1所示：

反之，若該待測電流I1之電流方向為該第二流向D2，則由於該第一整流元件21及該第二整流元件22係通過該轉換電流I2之負半週並截除該轉換電流I2之正半週，該第三節點27之訊號係為截除正半週之電橋電壓V11，該第三節點27之訊號係送至該第一負輸入端311；該第三整流元件23及該第四整流元件24係通過該轉換電流I2之正半週並截除該轉換電流I2之負半週，該第四節點28之訊號係為截除負半週之電橋電壓V12，該第四節點28之訊號係送至該第一正輸入端312；該第一輸出端313的訊號係一具有突波之高準位訊號，藉由該第五電阻器36及該第一電容器37所組成之RC電路做雜訊濾波，該運算電壓V2為高準位，相關實驗數據如下列表2所示：

因此，藉由讀取該運算電壓V2值，並設定一高準位臨界值Vth及一低準位臨界值Vtl，若該運算電壓V2值大於該高準位臨界值Vth，則設定該運算電壓V2值為高準位，並得知該待測電流I1之電流方向為該第二流向D2；若該運算電壓V2值小於該低準位臨界值Vtl，則設定該運算電壓V2值為低準位，並得知該待測電流I1之電流方向為該第一流向D1。此外，為減少判斷錯誤率及降低該門檻值之精準度，可進一步將該運算電壓V2值放大，增加高準位或低準位間之電壓差異值。

請參照第4圖所示，其係本發明電流方向檢測模組第二實施例之電路圖，其與該第一實施例相異之處在於本實施例另包含一放大單元4電性連接該運算單元3，將該運算電壓V2值進一步放大並輸出一放大電壓V3。其中，該放大單元4係包含一第二放大元件41、一第六電阻器42、一第七電阻器43、一第八電阻器44、一第九電阻器45、一第十電阻器46及一第六節點47。該第二放大元件41係具有一第二負輸入端411、一第二正輸入端412、一第二輸出端413、一第二正電源端414及一第二負電源端415，該第二負輸入端411係電性連接該第八電阻器44及該第九電阻器45，該第二正輸入端412係電性連接該第六電阻器42及該第七電阻器43，該第二輸出端413係電性連接該第八電阻器44並形成該第六節點47，該第二正電源端414係電性連接該正電源Vp，該第二負電源端415係接地；該第六電阻器42係具有二終端分別電性連接該第二放大元件41之第二正輸入端412及該運算單元3之第五節點38；該第七電阻器43係具有二終端分別電性連接該第二正輸入端412及接地；該第八電阻器44係具有二終端分別電性連接該第二負輸入端411及該第二輸出端413，使該第二放大元件41形成一放大電路；該第九電阻器45係具有二終端分別電性連接該第二負輸入端411及該第十電阻器46；該第六電阻器42、該第七電阻器43、該第八電阻器44及該第九電阻器45係決定該第二放大元件41之放大倍率Av₂ ；該第十電阻器46係具有一第一參考端461及二終端，該第一參考端461係電性連接該第九電阻器45，以供調整第二負輸入端411之輸入電壓，該第十電阻器46之二終端分別電性連接該正電源Vp及接地。其中，為避免該正電源Vp不穩定而毀損本發明電流方向檢測模組，可另設一電容器以其二端電性連接該第二正電源端414及接地，以提供一旁路路徑；再另設一電容器以其二端電性連接該第一參考端461及接地，以提供另一旁路路徑。在本實施例中，該第二放大元件41為一運算放大器，該第六電阻器42及該第九電阻器45之電阻值均為1K歐姆，該第七電阻器43及第八電阻器44之電阻值均為8.2K歐姆，該第十電阻器46為一可變電阻，其可變電阻值為5K歐姆，該第二放大元件41之放大倍率Av₂ 為8.2倍。

本發明電流方向檢測模組之第二實施例的動作原理係如後所述，若該待測電流之電流方向為該第一流向D1。另，該第一正電源端314及該第二正電源端414係電性連接該3.3伏特之電源，該第一負電源端315及第二負電源端415係接地；該第一放大元件31之放大倍率Av₁ 為300倍；該第二放大元件41之放大倍率Av₂ 為8.2倍；該第十電阻器46之第一參考端461係輸出一第一參考電壓Vref₁ ，該第一參考電壓Vref₁ 係設為191毫伏特(mV)。由於該轉換單元1之二次側12係輸出該轉換電流I2至該第一節點25及該第二節點26，藉由該電橋單元2及該運算單元3之運作，該運算電壓V2輸入該放大單元4，若取該第六節點47之電壓為該放大電壓V3，則該放大電壓V3與該運算電壓V2之關係如下式(1)所示：

V3=(V2-Vref₁ )×Av₂ 　(1)

其中，Vref₁ 係該第十電阻器46之第一參考端461輸出之電壓，Av₂ 係該第二放大元件41之放大倍率。在本實施例中，由於該第二放大元件41之第二正電源端414及第二負電源端415係分別電性連接該正電源Vp及接地，故若(V2-Vref)為負值，則輸出將不會被放大。因此，若該待測電流I1之電流方向為該第一流向D1，該運算電壓V2需小於該第一參考電壓Vref₁ ，藉由該第二放大元件41放大後，該放大電壓V3係比該運算電壓V2更接近0伏特，相關實驗數據如下列表3所示：

反之，若待測電流I1之電流方向為該第二流向D2，該第五節點38之訊號為高準位，藉由該第二放大元件41放大後，該放大電壓V3係比該運算電壓V2更接近該正電源Vp之電壓值，相關實驗數據如下列表4所示：

因此，藉由讀取該放大電壓V3值，並設定該高準位臨界值Vth及該低準位臨界值Vtl，可判斷該放大電壓V3值為高準位或低準位。若該放大電壓V3值大於該高準位臨界值Vth，則設定該放大電壓V3值為該高準位，並得知該待測電流I1之電流方向為該第二流向D2；若該放大電壓V3值小於該門檻值，則設定該放大電壓V3值為低準位，並得知該待測電流I1之電流方向為該第一流向D1。此外，為使本發明電流方向檢測模組之高準位電壓值及低準位電壓值分別固定於二直流電壓值，可進一步將該放大電壓V3輸入一波形產生電路，使本發明電流方向檢測模組之輸出結果以一邏輯訊號呈現該電力系統之故障電流方向。

請參照第5圖所示，其係本發明電流方向檢測模組第三實施例之電路圖，其與該第二實施例相異之處在於本實施例另以一整形單元5電性連接該放大單元4，以將該放大電壓V3值進一步整形為一整形電壓V4，該整形電壓V4係一邏輯訊號。在本實施例中，該整形單元5係為一史密特觸發器(Schmitt trigger)，其係包含一第三放大元件51、一第十一電阻器52、一第十二電阻器53、一第十三電阻器54及一第十四電阻器55。該第三放大元件51係具有一第三負輸入端511、一第三正輸入端512、一第三輸出端513、一第三正電源端514及一第三負電源端515，該第三負輸入端511係電性連接該第十三電阻器54，該第三正輸入端512係電性連接該第十一電阻器52及該第十二電阻器53，該第三輸出端513係電性連接該第十二電阻器53及該第十四電阻器55，該第三正電源端514係電性連接該正電源Vp，該第三負電源端515係接地；該第十一電阻器52係具有二終端分別電性連接該第三正輸入端512及該放大單元4之第六節點47；該第十二電阻器53係具有二終端分別電性連接該第三正輸入端512及該第三輸出端513；該第十三電阻器54係具有一第二參考端541及二終端，該第二參考端541係電性連接該第三負輸入端511，該第十三電阻器54之二終端分別電性連接該正電源Vp及接地；該第十四電阻器55之二終端係電性連接該正電源Vp及該第三輸出端513。其中，為避免該正電源Vp不穩定而毀損本發明電流方向檢測模組，可另設一電容器以其二端電性連接該第三正電源端514及接地，以提供一旁路路徑；再另設一電容器以其二端電性連接該第二參考端541及接地，以提供另一旁路路徑。在本實施例中，該第三放大元件51為一運算放大器；該第十一電阻器52之電阻值為75.2K歐姆；該第十二電阻器53之電阻值為825K歐姆；該第十三電阻器54為一可變電阻，其可變電阻值為5K歐姆；該第十四電阻器55之電阻值為1K歐姆。

本發明電流方向檢測模組之第三實施例的動作原理係如後所述，由於該第一放大元件31之放大倍率Av₁ 為300倍；該第二放大元件41之放大倍率Av₂ 為8.2倍；該第一參考電壓Vref₁ 為191毫伏特；另，該整形單元5為一史密特觸發器，若取該第三輸出端513之電壓為該整形電壓V4，則當該放大電壓V3值係大於該高準位臨界值Vth時，則該整形電壓V4值為該邏輯訊號之高準位；反之，當該放大電壓V3值係小於該低準位臨界值Vtl時，則該整形電壓V4值為該邏輯訊號之低準位。其中，該第十三電阻器54之第二參考端541係輸出一第二參考電壓Vref₂ 並輸入該第三放大元件51之第三負輸入端511，該第二參考電壓Vref₂ 係可調整該高準位臨界值Vth。當該放大電壓V3值係大於該高準位臨界值Vth時，則該整形電壓V4值由該邏輯訊號之低準位轉為高準位；反之，當該放大電壓V3值係小於該低準位臨界值Vtl時，則該整形電壓V4值由該邏輯訊號之高準位轉為低準位。在本實施例中，該高準位臨界值Vth為0.8伏特，該低準位臨界值Vtl為0.45伏特，該邏輯訊號之高準位電壓值為3.3伏特，該邏輯訊號之低準位電壓值為0.8伏特。檢測該第一流向D1之待測電流I1的相關實驗數據如下列表5所示：

其中，當該待測電流I1之電流方向為該第一流向D1時，由上列表5之編號1至4可得知，該整形電壓V4均為0.8伏特；另，由於上列表5之編號5所需量測之電流超出上述設定值可量測之範圍，因此，該整形電壓V4輸出3.3伏特。若要符合編號5所需之量測範圍，則該第一參考電壓Vref₁ 需調整，例如：將該第一參考電壓Vref₁ 設為400毫伏特，並將該第二放大元件41之放大倍率Av₂ 設為40倍，則該整形電壓V4為0.8伏特。

反之，檢測該第二流向D2之待測電流I1的相關實驗數據如下列表6所示：

此外，可藉由一比較電路取代該整形單元5，而將該比較電路電性連接於該放大單元4，並將該運算單元3之第一電容器37之電容值增大，使本發明電流方向檢測模組第三實施例之電路進一步簡化。

請參照第6圖所示，其係本發明電流方向檢測模組第四實施例之電路圖，其與該第三實施例相異之處在於本實施例另以一比較單元6取代該整形單元5，以該比較單元6電性連接該放大單元4，並將該運算單元3之第一電容器37之電容值改為100微法拉。藉此，將該放大電壓V3值進一步輸出為一比較電壓V5，該比較電壓V5係一邏輯訊號。該比較單元6係包含一第四放大元件61及一第十五電阻器62。該第四放大元件61係具有一第四負輸入端611、一第四正輸入端612、一第四輸出端613、一第四正電源端614及一第四負電源端615，該第四負輸入端611係電性連接該第十五電阻器62，該第四正輸入端612係電性連接該放大單元4之第六節點47，該第四正電源端614係電性連接該正電源，該第四負電源端615係接地；該第十五電阻器62係具有一第三參考端621及二終端，該第三參考端621係電性連接該第四負輸入端611，該第十五電阻器62之二終端分別電性連接該正電源Vp及接地。其中，為避免該正電源Vp不穩定而毀損本發明電流方向檢測模組，可另設一電容器以其二端電性連接該第四正電源端614及接地，以提供一旁路路徑；再另設一電容器以其二端電性連接該第三參考端621及接地，以提供另一旁路路徑。在本實施例中，該第四放大元件61為一運算放大器；該第十五電阻器62為一可變電阻，其可變電阻值為5K歐姆。

本發明電流方向檢測模組之第四實施例的動作原理係如後所述，由於該第一放大元件31之放大倍率Av₁ 為300倍；該第二放大元件41之放大倍率Av₂ 為8.2倍；該第一參考電壓Vref₁ 設為0毫伏特；該第二參考電壓Vref₂ 設為48毫伏特，因此，若取該第四輸出端613之電壓為該比較電壓V5，則檢測該第一流向D1之待測電流I1的相關實驗數據如下列表6所示：

反之，檢測該第二流向D2之待測電流I1的相關實驗數據如下列表8所示：

請參照附件一所示，其中，附件一之(a)波形圖係將該轉換單元1之二次側12的第一端121及第二端122係相互電性連接，且該第一端121及該第二端122不電性連接該電橋單元2，該轉換單元1之二次側12以電流勾表將電流轉成電壓之訊號波形圖；附件一之(b)波形圖係將該轉換單元1之二次側12的第一端121及第二端122電性連接該電橋單元2，該轉換單元1之二次側12以電流勾表將電流轉成電壓之訊號波形圖。請參照附件二所示，其係該待測電流I1之電流方向為該第一流向D1時，各該量測點之波形圖。其中，附件二之(a)波形圖為該第一放大元件31之第一負輸入端311之電壓波形，其係將該轉換電流I2截掉負半週之波形；附件二之(b)波形圖為該第一放大元件31之第一正輸入端312之電壓波形，其係將該轉換電流I2截掉正半週之波形；附件二之(c)波形圖為該第一放大元件31之第一輸出端313之電壓波形，其係具有雜訊之運算結果；附件二之(d)波形圖為該運算單元3之第五節點38之電壓波形(即該運算電壓V2之波形)，其係將該運算結果之雜訊濾除；附件二之(e)波形圖為該運算單元3之第六節點47之電壓波形(即該放大電壓V3之波形)，其係將該濾除雜訊之運算結果進一步放大之訊號；附件二之(f)波形圖為該第四放大元件61之該第四輸出端613之電壓波形(即該比較電壓V5之波形)，其係將該放大電壓V3轉為一個具有穩定直流值之邏輯訊號。

請參照附件三所示，其係量測反向電流時，各該量測點之波形圖。其中，附件三之(a)波形圖為該第一放大元件31之第一負輸入端311之電壓波形，附件三之(b)波形圖為該第一放大元件31之第一正輸入端312之電壓波形，附件三之(c)波形圖為該第一放大元件31之第一輸出端313之電壓波形，附件三之(d)波形圖為該運算單元3之第五節點38之電壓波形(即該運算電壓V2之波形)，附件三之(e)波形圖為該運算單元3之第六節點47之電壓波形(即該放大電壓V3之波形)，附件三之(f)波形圖為該第四放大元件61之該第四輸出端613之電壓波形(即該比較電壓V5之波形)。

本發明電流方向檢測模組，係將該轉換單元1輸入之待測電流I1，由該電橋單元2與運算單元3轉為不同電壓準位之運算電壓V2，判斷該運算電壓V2小於該低準位臨界值Vtl或大於該高準位臨界值Vth，即可得知該待測電流I1之電流方向。因此，該電力系統發生短路故障時，本發明電流方向檢測模組可檢測該電力系統之故障電流方向，藉由該故障電流方向的指引，可協助判斷短路故障發生位置。

由於本發明電流方向檢測模組使用時，僅需將該輸配電線PL穿設於該轉換單元1之一次側11，不需使用比壓器與電力系統之實際線路連接，因此，具有容易檢測該電力系統之故障電流方向之功效。

再者，由於本發明電流方向檢測模組不需使用比壓器，因此，具有降低檢測設備建置成本之功效。

雖然本發明已利用上述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者在不脫離本發明之精神和範圍之內，相對上述實施例進行各種更動與修改仍屬本發明所保護之技術範疇，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

[本發明]

1．．．轉換單元

11．．．一次側

111．．．K端開口

112．．．L端開口

12．．．二次側

121．．．第一端

122．．．第二端

2．．．電橋單元

21．．．第一整流元件

22．．．第二整流元件

23．．．第三整流元件

24．．．第四整流元件

25．．．第一節點

26．．．第二節點

27．．．第三節點

28．．．第四節點

3．．．運算單元

31．．．第一放大元件

311．．．第一負輸入端

312．．．第一正輸入端

313．．．第一輸出端

314．．．第一正電源端

315．．．第一負電源端

32．．．第一電阻器

33．．．第二電阻器

34．．．第三電阻器

35．．．第四電阻器

36．．．第五電阻器

37．．．第一電容器

371．．．第一極端

372．．．第二極端

38．．．第五節點

4．．．放大單元

41．．．第二放大元件

411．．．第二負輸入端

412．．．第二正輸入端

413．．．第二輸出端

414．．．第二正電源端

415．．．第二負電源端

42．．．第六電阻器

43．．．第七電阻器

44．．．第八電阻器

45．．．第九電阻器

46．．．第十電阻器

461．．．第一參考端

47．．．第六節點

5．．．整形單元

51．．．第三放大元件

511．．．第三負輸入端

512．．．第三正輸入端

513．．．第三輸出端

514．．．第三正電源端

515．．．第三負電源端

52．．．第十一電阻器

53．．．第十二電阻器

54．．．第十三電阻器

541．．．第二參考端

55．．．第十四電阻器

6．．．比較單元

61．．．第四放大元件

611．．．第四負輸入端

612．．．第四正輸入端

613．．．第四輸出端

614．．．第四正電源端

615．．．第四負電源端

62．．．第十五電阻器

621．．．第三參考端

Ia．．．正常電流

Ib．．．正常電流

Ic．．．正常電流

Ia’．．．故障電流

Ib’．．．故障電流

Ic’．．．故障電流

PL．．．輸配電線

S．．．短路路徑

D1．．．第一流向

D2．．．第二流向

M1．．．檢測模組

M2．．．檢測模組

M3．．．檢測模組

Vp．．．正電源

第1圖：本發明電流方向檢測模組配置於電力系統之正常運作示意圖。

第2圖：本發明電流方向檢測模組配置於電力系統之故障電流示意圖。

第3圖：本發明電流方向檢測模組第一實施例之電路圖。

第4圖：本發明電流方向檢測模組第二實施例之電路圖。

第5圖：本發明電流方向檢測模組第三實施例之電路圖。

第6圖：本發明電流方向檢測模組第四實施例之電路圖。

附件一：本發明電流方向檢測模組第四實施例之編號1的轉換電流之量測波形圖。

附件二：本發明電流方向檢測模組第四實施例之編號1的第一流向待測電流之各量測點波形圖。

附件三：本發明電流方向檢測模組第四實施例之編號1的第二流向待測電流之各量測點波形圖。

1．．．轉換單元

11．．．一次側

111．．．K端開口

112．．．L端開口

12．．．二次側

121．．．第一端

122．．．第二端

2．．．電橋單元

21．．．第一整流元件

22．．．第二整流元件

23．．．第三整流元件

24．．．第四整流元件

25．．．第一節點

26．．．第二節點

27．．．第三節點

28．．．第四節點

3．．．運算單元

31．．．第一放大元件

311．．．第一負輸入端

312．．．第一正輸入端

313．．．第一輸出端

314．．．第一正電源端

315．．．第一負電源端

32．．．第一電阻器

33．．．第二電阻器

34．．．第三電阻器

35．．．第四電阻器

36．．．第五電阻器

37．．．第一電容器

371．．．第一極端

372．．．第二極端

38．．．第五節點

PL．．．輸配電線

Vp．．．正電源

Claims (14)

1. 一種電流方向檢測模組，係包含：一轉換單元，係包含一個一次側及一個二次側，該二次側係具有一第一端及一第二端；一電橋單元，係包含一第一整流元件、一第二整流元件、一第三整流元件、一第四整流元件、一第一節點、一第二節點、一第三節點及一第四節點，各該整流元件均具有一陽極端及一陰極端，該第一整流元件之陽極端電性連接該第四整流元件之陰極端並形成該第一節點，該第二整流元件之陽極端電性連接該第一整流元件之陰極端並形成該第三節點，該第三整流元件之陽極端電性連接該第二整流元件之陰極端並形成該第二節點，該第四整流元件之陽極端電性連接該第三整流元件之陰極端並形成該第四節點，該第一節點及該第二節點係電性連接該轉換單元之第一端及該轉換單元之第二端；一運算單元，係電性連接該電橋單元之第三節點及第四節點，將該第三節點及該第四節點之電壓差動放大並輸出一運算電壓。
2. 依申請專利範圍第1項所述之電流方向檢測模組，其中該運算單元係包含一第一放大元件、一第一電阻器、一第二電阻器、一第三電阻器、一第四電阻器、一第五電阻器、一第一電容器及一第五節點，該第一放大元件係具有一第一負輸入端、一第一正輸入端、一第一輸出端、一第一正電源端及一第一負電源端，該第一負輸入端係電性連接該第一電阻器及該第二電阻器，該第一正輸入端係電性連接該第三電阻器及該第四電阻器，該第一輸出端係電性連接該第二電阻器及該第五電阻器，該第一電阻器係具有二終端分別電性連接該第一負輸入端及該電橋單元之第三節點，該第二電阻器係具有二終端分別電性連接該第一負輸入端及該第一輸出端，該第三電阻器係具有二終端分別電性連接該第一正輸入端及該電橋單元之第四節點，該第五電阻器係具有二終端分別電性連接於該第一輸出端及該第一電容器，該第一電容器係具有一第一極端及一第二極端，該第一電容器之第一極端係電性連接該第五電阻器並形成該第五節點。
3. 依申請專利範圍第2項所述之電流方向檢測模組，其中另包含一放大單元，其係包含一第二放大元件、一第六電阻器、一第七電阻器、一第八電阻器、一第九電阻器、一第十電阻器及一第六節點，該第二放大元件係具有一第二負輸入端、一第二正輸入端、一第二輸出端、一第二正電源端及一第二負電源端，該第二負輸入端係電性連接該第八電阻器及該第九電阻器，該第二正輸入端係電性連接該第六電阻器及該第七電阻器，該第二輸出端係電性連接該第八電阻器並形成該第六節點，該第六電阻器係具有二終端分別電性連接該第二放大元件之第二正輸入端及該運算單元之第五節點，該第八電阻器係具有二終端分別電性連接該第二負輸入端及該第二輸出端，該第九電阻器係具有二終端分別電性連接該第二負輸入端及該第十電阻器，該第十電阻器係具有一第一參考端及二終端，該第一參考端係電性連接該第九電阻器。
4. 依申請專利範圍第3項所述之電流方向檢測模組，其中另包含一整形單元，其係包含一第三放大元件、一第十一電阻器、一第十二電阻器、一第十三電阻器及一第十四電阻器，該第三放大元件係具有一第三負輸入端、一第三正輸入端、一第三輸出端、一第三正電源端及一第三負電源端，該第三負輸入端係電性連接該第十三電阻器，該第三正輸入端係電性連接該第十一電阻器及該第十二電阻器，該第三輸出端係電性連接該第十二電阻器及該第十四電阻器，該第十一電阻器係具有二終端分別電性連接該第三正輸入端及該放大單元之第六節點；該第十二電阻器係具有二終端分別電性連接該第三正輸入端及該第三輸出端，該第十三電阻器係具有一第二參考端及二終端，該第二參考端係電性連接該第三負輸入端。
5. 依申請專利範圍第3項所述之電流方向檢測模組，其中另包含一比較單元，其係包含一第四放大元件及一第十五電阻器，該第四放大元件係具有一第四負輸入端、一第四正輸入端、一第四輸出端、一第四正電源端及一第四負電源端，該第四負輸入端係電性連接該第十五電阻器，該第四正輸入端係電性連接該放大單元之第六節點，該第十五電阻器係具有一第三參考端及二終端，該第三參考端係電性連接該第四負輸入端。
6. 依申請專利範圍第2項所述之電流方向檢測模組，其中該第一正電源端係電性連接一正電源，該第一負電源端係接地，該第四電阻器係具有二終端分別電性連接該第一正輸入端及接地，該第一電容器之第二極端係接地。
7. 依申請專利範圍第3項所述之電流方向檢測模組，其中該第一正電源端係電性連接一正電源，該第一負電源端係接地，該第四電阻器係具有二終端分別電性連接該第一正輸入端及接地，該第一電容器之第二極端係接地，該第二正電源端係電性連接該正電源，該第二負電源端係接地，該第七電阻器係具有二終端分別電性連接該第二正輸入端及接地，該第十電阻器之二終端分別電性連接該正電源及接地。
8. 依申請專利範圍第4項所述之電流方向檢測模組，其中該第一正電源端係電性連接一正電源，該第一負電源端係接地，該第四電阻器係具有二終端分別電性連接該第一正輸入端及接地，該第一電容器之第二極端係接地，該第二正電源端係電性連接該正電源，該第二負電源端係接地，該第七電阻器係具有二終端分別電性連接該第二正輸入端及接地，該第十電阻器之二終端分別電性連接該正電源及接地，該第三正電源端係電性連接該正電源，該第三負電源端係接地，該第十三電阻器之二終端分別電性連接該正電源及接地，該第十四電阻器之二終端係電性連接該正電源及該第三輸出端。
9. 依申請專利範圍第5項所述之電流方向檢測模組，其中該第一正電源端係電性連接一正電源，該第一負電源端係接地，該第四電阻器係具有二終端分別電性連接該第一正輸入端及接地，該第一電容器之第二極端係接地，該第二正電源端係電性連接該正電源，該第二負電源端係接地，該第七電阻器係具有二終端分別電性連接該第二正輸入端及接地，該第十電阻器之二終端分別電性連接該正電源及接地，該第四正電源端係電性連接一正電源，該第四負電源端係接地，該第十五電阻器之二終端分別電性連接該正電源及接地。
10. 依申請專利範圍第1項所述之電流方向檢測模組，其中該轉換單元為一比流器。
11. 依申請專利範圍第1項所述之電流方向檢測模組，其中該第一整流元件、該第二整流元件、該第三整流元件及該第四整流元件係為固態二極體。
12. 依申請專利範圍第2項所述之電流方向檢測模組，其中該第一放大元件為一運算放大器。
13. 依申請專利範圍第2項所述之電流方向檢測模組，其中該第一電容器之電容值為10微法拉。
14. 依申請專利範圍第5項所述之電流方向檢測模組，其中該第一電容器之電容值為100微法拉。