一种真空断路器合闸控制方法

摘要

本发明涉及断路器及自动化控制技术领域，具体地，本发明涉及一种真空断路器合闸控制方法，该方法包括获取真空断路器中励磁线圈两端的线圈电压；根据真空断路器的电感特性计算得到对应的线圈电流；响应于线圈电流达到第一设定值，关断励磁线圈两端的线圈电压；根据真空断路器所在供电网络的负载率以及对应的电容损耗值计算得到关断线圈电压的第一持续时间；在达到第一持续时间后，恢复励磁线圈两端的线圈电压，并在达到第二持续时间后关断线圈电压，以完成合闸。根据本发明的方案，解决了目前真空断路器合闸控制过程准确性差和可靠性不高的问题。

权利要求

1.一种真空断路器合闸控制方法，其特征在于，包括：获取真空断路器中励磁线圈两端的线圈电压；

根据真空断路器的电感特性计算得到对应的线圈电流；

响应于所述线圈电流达到第一设定值，关断所述励磁线圈两端的线圈电压，以使励磁线圈两端的线圈电压为零；

根据真空断路器所在供电网络的负载率以及对应的电容损耗值计算得到关断线圈电压的第一持续时间，所述第一持续时间的计算公式包括：式中， 表示第一持续时间， 表示初始持续时间， 表示第i时刻的负载率， 表示电容损耗值，表示可调参数， 表示额定电容， 表示第i时刻的线圈电压；

在达到第一持续时间后，恢复励磁线圈两端的线圈电压，并在达到第二持续时间后关断线圈电压，以完成合闸，第二持续时间为10ms；

其中第一设定值的确定方式包括：

获取真空断路器整个合闸阶段的线圈电压历史数据，并根据线圈电压历史数据拟合得到电压‑时间曲线；

根据所述电压‑时间曲线确定关断真空断路器线圈两端电压的关断时刻；

根据所述关断时刻确定线圈电流对应的第一设定值以及初始持续时间；

根据所述电压‑时间曲线确定关断真空断路器线圈两端电压的关断时刻包括：根据设定比值将真空断路器合闸阶段的电压‑时间曲线划分为三段，其中第二段中真空断路器的线圈电压为零；

将划分第一段和第二段的时间作为关断真空断路器线圈两端电压的关断时刻；

根据所述关断时刻确定线圈电流对应的第一设定值包括：根据真空断路器电感的特征确定线圈电流与线圈电压之间的关系式，其中所述关系式包括：式中，表示线圈电流，表示真空断路器的励磁线圈的电感值，表示励磁线圈的等效电阻；

将线圈电压和关断时刻输入所述关系式以确定电流对应的第一设定值。

2.根据权利要求1所述的真空断路器合闸控制方法，其特征在于，其中供电网络的负载率的计算公式包括：式中， 表示供电网络中的负载电压，表示负载电流， 表示额定功率。

3.根据权利要求1所述的真空断路器合闸控制方法，其特征在于，所述设定比值为17:

8:10。

4.根据权利要求1所述的真空断路器合闸控制方法，其特征在于，恢复励磁线圈两端的线圈电压包括：根据真空断路器整个合闸阶段的电压‑时间曲线中对应时刻的线圈电压进行恢复。

说明书

一种真空断路器合闸控制方法

技术领域

[0001] 本发明一般地涉及断路器及自动化控制技术领域。更具体地，本发明涉及一种真空断路器合闸控制方法。

背景技术

[0002] 合闸弹跳是真空断路器机械特性的一种首要参数。合闸弹跳是指断路器的动触头碰撞静触头后被其反作用力推开，然后再接触的现象。在合闸弹跳进程中，触头断开间隔小，电弧不会停息，致使触头电磨损加重，然后影响灭弧室的电气寿命。弹跳最首要的损害在于加快了灭弧室触头的摩损，然后致使灭弧室电气寿命的缩短。带载工作的断路器由于触头的弹跳将产生很高的过电压，从而影响整个电力系统的供电稳定性。

[0003] 随着电力系统可靠性要求越来越高，减小合闸弹跳有助于提高电网质量，延长断路器使用寿命，提高了断路器的可靠性，同时也提高了电网质网，保障了电力的安全稳定、运行。

[0004] 目前的真空断路器分合闸控制过程中，主要是通过磁链闭环控制系统在永磁接触器的起动过程中采用恒磁链闭环控制，使操作功率最小化及自动弱磁，以节能并抑制触头弹跳。这种方式虽然在一定程度上提高断路器中永磁开关分合闸性能，但是磁链闭环控制方式较为复杂，且控制过程容易受到现场环境的干扰，造成对断路器合闸控制过程并不能够准确。

[0005] 现有技术中还有通过断路器的电气关合点记录断路器实际关合时间进行合闸控制的方式。基于断路器的电气关合点记录断路器实际关合时间，并同断路器额定关合时间比较，若超过一定的突变量门槛值，则判定为发生断路器峰值附近提前击穿，然后在下次选相合闸控制的等待延时中引入修正量，并通过逐渐调整该修正量的值，直至断路器不在电压峰值附近发生提前击穿。然而，该方案中虽然有效防止了合闸过程中的提前击穿问题，但是并没有考虑在合闸过程中所存在的合闸弹跳问题，导致合闸控制过程仍然不稳定，无法实现准确而可靠的合闸过程。

[0006] 基于此，如何解决目前真空断路器合闸控制过程准确性差和可靠性不高的问题，是当前研究的重点。

发明内容

[0007] 为解决上述一个或多个技术问题，本发明提出通过改变合闸过程中控制线圈电压改变线圈电流波形的特征,实现了对磁控断路器合闸弹跳时间的控制，有效抑制了触头弹跳，减小了断路器合闸弹跳时间，提高了断路器合闸控制过程的准确性和可靠性。

[0008] 为此，本发明提供了一种真空断路器合闸控制方法，包括：获取真空断路器中励磁线圈两端的线圈电压；根据真空断路器的电感特性计算得到对应的线圈电流；响应于所述线圈电流达到第一设定值，关断所述励磁线圈两端的线圈电压，以使励磁线圈两端的线圈电压为零；根据真空断路器所在供电网络的负载率以及对应的电容损耗值计算得到关断线圈电压的第一持续时间，所述第一持续时间的计算公式包括：

[0009]

[0010]

[0011] 式中， 表示第一持续时间， 表示初始持续时间， 表示第i时刻的负载率，表示电容损耗值，表示可调参数， 表示额定电容， 表示第i时刻的线圈电压；在达到第一持续时间后，恢复励磁线圈两端的线圈电压，并在达到第二持续时间后关断线圈电压，以完成合闸。

[0012] 在一个实施例中，其中供电网络的负载率的计算公式包括：

[0013]

[0014] 式中， 表示供电网络中的负载电压，表示负载电流， 表示额定功率。

[0015] 在一个实施例中，其中第一设定值的确定方式包括：获取真空断路器整个合闸阶段的线圈电压历史数据，并根据线圈电压历史数据拟合得到电压‑时间曲线；根据所述电压‑时间曲线确定关断真空断路器线圈两端电压的关断时刻；根据所述关断时刻确定线圈电流对应的第一设定值以及初始持续时间。

[0016] 在一个实施例中，根据所述电压‑时间曲线确定关断真空断路器线圈两端电压的关断时刻包括：根据设定比值将真空断路器合闸阶段的电压‑时间曲线划分为三段，其中第二段中真空断路器的线圈电压为零；将划分第一段和第二段的时间作为关断真空断路器线圈两端电压的关断时刻。

[0017] 在一个实施例中，所述设定比值为17:8:10。

[0018] 在一个实施例中，根据所述关断时刻确定线圈电流对应的第一设定值包括：根据真空断路器电感的特征确定线圈电流与线圈电压之间的关系式，其中所述关系式包括：

[0019]

[0020] 式中，表示线圈电流，表示真空断路器的励磁线圈的电感值，表示励磁线圈的等效电阻；将线圈电压和关断时刻输入所述关系式以确定电流对应的第一设定值。

[0021] 在一个实施例中，恢复励磁线圈两端的线圈电压包括：根据真空断路器整个合闸阶段的电压‑时间曲线中对应时刻的线圈电压进行恢复。

[0022] 本发明的有益效果在于：根据本发明的方案，采用控制线圈电压波形从而改变线圈电流波形进行调整,通过改变线圈电流的输入量,对磁控断路器的合闸过程进行合闸控制，同时通过结合供电网络的负载率以及对应的电容损耗值对断开线圈电压的持续时间进行调整，从而有效减小了合闸弹跳时间，提高了断路器的使用寿命，并且有效提高了电网质量。

附图说明

[0023] 通过参考附图阅读下文的详细描述，本发明示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本发明的若干实施方式，并且相同或对应的标号表示相同或对应的部分，其中：

[0024] 图1是示意性示出根据本发明的实施例的真空断路器合闸控制电路的原理的示意图；

[0025] 图2是示意性示出根据本发明的实施例的真空断路器合闸控制方法的流程图；

[0026] 图3是示意性示出根据本发明的实施例的控制线圈电压的波形的示意图；

[0027] 图4是示意性示出根据本发明的实施例的调整后的线圈电流的波形的示意图；

[0028] 图5是示意性示出根据本发明的实施例的电压改变弹跳波形的示意图。

具体实施方式

[0029] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0030] 下面结合附图来详细描述本发明的具体实施方式。

[0031] 图1是示意性示出根据本发明的实施例的真空断路器合闸控制电路的原理的示意图。根据本发明的上下文，该真空断路器合闸控制过程，可以应用于储能并网断路器、充电桩接入断路器等多种断路器应用场景中。基于此，本发明中仅以示例的目的而将该方案示出为储能并网电路器的应用过程中。

[0032] 如图1所示，真空电路器合闸控制电路部分中包括供电电源、信号采集模块（图中未示出）、控制模块（图中未示出）和驱动电路。其中380V的供电电源可以采用380V的电容储能电路，通过380V的交流电源经过整流滤波电路输出，例如可以通过整流电路整流后，经过多个并联的电容进行滤波。该驱动电路包括真空断路器的励磁线圈L1、等效电阻R2以及用于控制励磁线圈L1两端的电压的多个二极管。通过控制二极管U1、U2、U3和U4的负极的电平的高低，从而控制该励磁线圈两端的线圈电压。当二极管负极为低电平时，二极管导通，当二极管负极为高电平时，二极管截止。同时，还通过一个IGBT Q1作为控制开关，控制电路的导通过程。当MX为高电平时，Q1导通，当MX为低电平时，Q1关断，从而阻止电流流过。通过将测量仪器连接在励磁线圈L1两端的连接点XQ+和XQ‑处，可以测量得到对应的电压值。

[0033] 具体地，在合闸处于开始阶段时，线圈电压为0V。接收到合闸控制信号时，控制T1、T3和MX为高电平，同时控制T2和T4为低电平，此时线圈两端电压加入，可以保证合闸瞬间的正向吸力。通过测量线圈两端电压，得出线圈电流，在线圈电流达到相应值，也就是在合闸阶段维持时间设定的时长，然后关断线圈两端电压，本发明的上下文中，关断线圈两端的电压表示使线圈两端的电压为零。此时需要控制T1、T3和MX为低电平，并控制T2和T4为低电平，在这期间线圈上有持续电流。

[0034] 在关断线圈两端的电压这个状态维持一段时间后，控制T1、T3和MX为高电平，并同时控制T2和T4为低电平，将使线圈两端电压加入。通过控制T1、T3和MX为高电平，T2和T4为低电平，保证合闸瞬间的正向吸力，从而抑制了断路器合闸过程中触头弹跳。

[0035] 通过测量线圈两端电压，得出线圈电流，在线圈电流达到相应值，也就是在合闸阶段维持一段时间后，关断线圈两端的电压，然后再使线圈两端的电压加入，整个合闸过程结束。该方法是通过控制线圈电压的波形行程一个类似“高‑低‑高”的波形，能有效抑制合闸瞬间的冲击，减小触头弹跳，从而减小了合闸弹跳时间。

[0036] 在本说明书的上述描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“固定”、“安装”、“相连”或“连接”等术语应该做广义的理解。例如，就术语“连接”来说，其可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，或者可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。因此，除非本说明书另有明确的限定，本领域技术人员可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

[0037] 接下来将结合具体步骤对本发明中真空断路器的合闸控制过程进行说明。

[0038] 图2是示意性示出根据本发明的实施例的真空断路器合闸控制方法的流程图。

[0039] 如图2所示，在步骤S201处，获取真空断路器中励磁线圈两端的线圈电压。在一些实施例中，可以使用数字电压表（DMM）或其他适当的测量设备，在励磁线圈的两端进行电压测量，连接电压表的探头到线圈的两个端点，例如上述连接点XQ+和XQ‑。

[0040] 在步骤S202处，根据真空断路器的电感特性计算得到对应的线圈电流。在一些实施例中，可以通过真空断路器中的阻抗特性建立线圈电压和电流的关系式，并结合相应的积分计算过程，得到对应的线圈电流。

[0041] 在步骤S203处，响应于线圈电流达到第一设定值，关断励磁线圈两端的线圈电压，以使励磁线圈两端的线圈电压为零。在一些实施例中，第一设定值的确定方式包括：首先，获取真空断路器整个合闸阶段的线圈电压历史数据，并根据线圈电压历史数据拟合得到电压‑时间曲线。在断路器合闸期间以适当的时间间隔记录电压值及对应的时间序列，根据电压的数据形状选择一个适当的数学模型。对于电压‑时间曲线，一些常见的模型包括指数函数、多项式函数、对数函数等，本领域技术人员可以根据实际情况进行选择。使用拟合算法，例如最小二乘法，拟合所选的模型到对应的曲线。

[0042] 然后，根据电压‑时间曲线确定关断真空断路器线圈两端电压的关断时刻。作为举例，上述根据电压‑时间曲线确定关断真空断路器线圈两端电压的关断时刻包括：根据设定比值将真空断路器合闸阶段的电压‑时间曲线划分为三段，其中第二段中真空断路器的线圈电压为零。将划分第一段和第二段的时间作为关断真空断路器线圈两端电压的关断时刻。该设定比值可以为17:8:10。

[0043] 接着，根据关断时刻确定线圈电流对应的第一设定值以及初始持续时间。此处仍然可以通过真空断路器中的阻抗特性所建立线圈电压和电流的关系式得到对应的线圈电流。

[0044] 在步骤S204处，计算得到关断线圈电压的第一持续时间。具体地，根据真空断路器所在供电网络的负载率以及对应的电容损耗值计算得到关断线圈电压的第一持续时间，所述第一持续时间的计算公式包括：

[0045]

[0046]

[0047] 式中， 表示第一持续时间， 表示初始持续时间， 表示第i时刻的负载率，表示电容损耗值，表示可调参数， 表示额定电容， 表示第i时刻的线圈电压。

[0048] 在一些实施例中，供电网络的负载率的计算公式包括：

[0049]

[0050] 式中， 表示供电网络中的负载电压，表示负载电流， 表示额定功率。

[0051] 在步骤S205处，恢复励磁线圈两端的线圈电压。具体地，在达到第一持续时间后，恢复励磁线圈两端的线圈电压，并在达到第二持续时间后关断线圈电压，以完成合闸。在一些实施例中，可以根据真空断路器整个合闸阶段的电压‑时间曲线中对应时刻的线圈电压进行恢复。

[0052] 上述第一设定值的确定方式可以包括：根据真空断路器电感的特征确定线圈电流与线圈电压之间的关系式：

[0053]

[0054] 式中，表示线圈电流，表示真空断路器的励磁线圈的电感值，表示励磁线圈的等效电阻。将线圈电压和关断时刻输入所述关系式以确定电流对应的第一设定值。

[0055] 接下来将结合具体实施例对本发明的方案进行详细说明。

[0056] 假设最近采样时刻为t2，其上一个采样时刻为t1,时间间隔为采样周期t2‑t1。采样点为从合闸指令发出时刻到合闸完成之间采样电路的采样次数。合闸位置开关装在触头合闸行程的末端，通过合闸位置开关判断出合闸完成，得到合闸时采样电路的采样次数N。通过采集的合闸电压的大小，算出合闸电流的大小，通过分析磁控断路器合闸时的各项数据，控制线圈合闸电压，而得到线圈电压的持续时间，从而控制了线圈的电流大小，线圈的电流大小改变了动触头碰撞静触头的碰撞，减小了磁控断路器合闸的弹跳时间。

[0057] 以光伏并网过程为例，当光伏电站中光伏发电功率大于目标电网中逆变器额定功率值的80％，则判断光伏处于发电功率较大的状态，首先判断储能并网断路器是否为分闸状态，如果是，则控制储能并网断路器合闸。

[0058] 在合闸处于开始阶段时，线圈电压为0V。接收到合闸控制信号时后，在第一阶段：

[0059] 控制T1、T3和MX为高电平，并同时控制T2和T4为低电平，线圈两端电压加入，此时可以保证合闸瞬间的正向吸力。如图3所示，可以看出线圈两端的电压从380V逐渐减小，通过测量线圈两端电压，得出线圈电流，对应的电流值如图4所示，第一阶段的电流值逐步增大。

[0060] 在第二阶段：在线圈电流达到相应值，也就是图3和图4中合闸阶段维持时间到17ms时，关断线圈两端的电压。通过上述关断线圈电压的第一持续时间的计算过程，可以得到对应的第一持续时间为8ms，此时线圈中将有持续电流，且如图4中线圈流过的电流也逐渐减小。

[0061] 第三阶段，在完成该第一持续时间后，即8ms，将通过控制T1、T3和MX为高电平，T2和T4为低电平，使线圈两端的电压加入。在本发明的方案中，在线圈两端的电压计入的时刻，所加入的电压值可以根据历史数据进行确定。例如可以根据电压‑时间曲线确定加入时对应的电压值。如图3中所示出的电压将按照原有的曲线逐渐减小，同时对应的线圈电流将再次增大。在合闸阶段维持时间10ms关断线圈两端电压，此时线圈电流也将快速减小，直至线圈流过的电流为零。此时整个合闸过程结束。

[0062] 如图5所示，根据上述方案对该励磁线圈的电压调控，即在断路器合闸开始后，0ms至17ms之间线圈电压逐渐减小，此时对应的断路器触头位移逐渐增大。在达到17ms时控制该励磁线圈两端的电压为零，此时断路器合闸行程过半。接着，使得励磁线圈两端的电压为零的状态持续8ms的时间，直至该断路器发生触头弹跳并保持行程不变。在线圈加入电压后，该触头经过弹跳后的位移将保持不变，此时合闸过程基本完成，延迟10ms后将关闭线圈两端的电压，从而完成合闸过程。

[0063] 通过对断路器本体的反复的计算，及电压采样的反复论证，可以大幅度减小合闸的弹跳时间。通过控制线圈电压改变线圈电流波形减小磁控断路器合闸弹跳时间的方法，该方法能很好地实现合闸瞬间的冲击，减小触头弹跳，从而减小了合闸弹跳时间，提高磁控断路器合闸时间的一致性。

[0064] 本说明书中所使用的术语“第一”或“第二”等用于指代编号或序数的术语仅用于描述目的，而不能理解为明示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”或“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本说明书的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个或更多个等，除非另有明确具体的限定。

[0065] 虽然本说明书已经示出和描述了本发明的多个实施例，但对于本领域技术人员显而易见的是，这样的实施例只是以示例的方式提供的。本领域技术人员会在不偏离本发明思想和精神的情况下想到许多更改、改变和替代的方式。应当理解的是在实践本发明的过程中，可以采用对本文所描述的本发明实施例的各种替代方案。