CN104465210A - 双断口真空断路器最佳间隙配合控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种双断口真空断路器最佳间隙配合控制方法，分别检测实际高压侧真空间隙及实际低压侧真空间隙；计算实际高压侧真空间隙与最佳高压侧真空间隙的误差δ1；计算实际低压侧真空间隙与最佳低压侧真空间隙的误差δ2；计算最佳高压侧与最佳低压侧真空间隙偏差与实际高压侧与实际低压侧真空间隙偏差的误差δ3；以所得到的误差δ1和误差δ3用自适应PID控制算法控制高压侧真空断路器操动机构，使实际高压侧真空间隙趋于最佳高压侧真空间隙；以所得到的误差δ2和误差δ3用自适应PID控制算法控制低压侧真空断路器操动机构，使实际低压侧真空间隙趋于最佳低压侧真空间隙。
Description
技术领域
本发明涉及双断口真空断路器，尤其涉及一种可得到最佳的自均压效果和最大的开断能力，进而可取缔均压电容的双断口真空断路器最佳间隙配合控制方法。
背景技术
真空断路器基本结构是在绝缘瓷瓶内装有真空灭弧室、操动机构及控制箱，在控制箱上设有控制信号输入端，在绝缘瓷柱内还有与操动机构相接的绝缘连接杆，绝缘连接杆的上端与置于导向套内且上端位于真空灭弧室的动导电杆相接，动导电杆通过导线环与下部接线端子相接，动导电杆上端有动触头，在动触头上方固定有静导电杆，静导电杆下端有静触头，静导电杆通过导线环与上部接线端子相接。使用时，通过上部接线端子和下部接线端子将设备串接于导线中。如设备出现故障，控制信号则通过控制信号输入端、控制箱控制操动机构，使动触头和静触头有效分离，并以两者之间的真空间隙实现绝缘。
双断口真空断路器基本结构是将两个（高压侧和低压侧）具有单断口灭弧室的真空断路器串联构成。文献《基于光控模块的多断口真空开关研究》建立了多断口真空断路器等值电路，提出多断口真空断路器由于杂散电容的影响，串联断口间电压分布不均匀，高压侧承受电压较高易击穿继而引起另一断口相继击穿，导致开断失败，这大大限制了多断口真空断路器的开断能力。文献《Influence of Grading Capacitors on the Breaking Capacity of Two Vacuum Interrupters in Series》采用并联均压电容（500pF-2000pF）可以得到较好的均压效果，并且充分发挥了每个真空断路器的开断能力，大大增强了多断口真空断路器的开断能力。
但是，并联均压电容一方面了提高了多断口真空断路器的成本，另一方面，均压电容在长期运行过程中，会因绝缘劣化而导致爆炸事故，而且均压效果愈好（均压电容容量增加），其真空开关的开断能力会随之降低。
发明内容
本发明是为了解决现有技术所存在的上述技术问题，提供一种可得到最佳的自均压效果和最大的开断能力，进而可取缔均压电容的双断口真空断路器最佳间隙配合控制方法。
本发明的技术解决方案是：一种双断口真空断路器最佳间隙配合控制方法，其特征在于按照如下步骤进行：
a. 分别检测实际高压侧真空间隙及实际低压侧真空间隙；
b. 计算实际高压侧真空间隙与最佳高压侧真空间隙的误差δ1；计算实际低压侧真空间隙与最佳低压侧真空间隙的误差δ2；
c. 计算最佳高压侧与最佳低压侧真空间隙偏差与实际高压侧与实际低压侧真空间隙偏差的误差δ3；
d. 以所得到的误差δ1和误差δ3控制PID控制器A，用自适应PID控制算法控制高压侧真空断路器操动机构，使实际高压侧真空间隙趋于最佳高压侧真空间隙；
e. 以所得到的误差δ2和误差δ3控制PID控制器B，用自适应PID控制算法控制低压侧真空断路器操动机构，使实际低压侧真空间隙趋于最佳低压侧真空间隙；
所述最佳高压侧真空间隙和最佳低压侧真空间隙由双断口真空断路器高压侧与低压侧最佳间隙配合特性曲线确定，所述双断口真空断路器高压侧与低压侧最佳间隙配合特性曲线按如下方法得到：
由公式（1）计算出双断口真空断路器的等效电容：
（1）
式中：C 1 是低压侧等效自电容；C 2 是高压侧等效自电容；C g 是杂散电容；
gap1标准低压侧真空间隙；gap2标准高压侧真空间隙；
由公式（2）计算得到电压分布：
（2）
式中： U 2 是高压侧电压分布比，U 1 是低压侧电压分布比，U 40是总电压；
由公式（3）计算不同真空间隙下的击穿电压：
（3）
式中：U b 击穿电压；gap等于gap1或gap2；K、α为常数；
由公式（4）计算真空间隙绝缘强度分界线：
（4）
式中：U 1b 是低压侧击穿电压，U 2b 是高压侧击穿电压，U 2bb 是真空间隙绝缘强度分界线；
取U2为0.975~1.025U 2bb 时的标准低压侧真空间隙gap1及标准高压侧真空间隙gap2，利用MATLAB实现最佳配合特性曲线；根据合分闸时间和合分闸速度，即得到双断口真空断路器高压侧与低压侧最佳间隙配合特性曲线。
本发明综合考虑不同间隙下双断口真空断路器分压关系和真空间隙击穿电压，得到双断口真空断路器每个灭弧室的电压分布与真空间隙绝缘强度分界线的最佳逼近，利用自适应PID控制算法对双断口真空断路器进行控制，进而实现每个真空灭弧室绝缘强度最大利用，以便实现双断口真空断路器最大的开断能力，可以取缔均压电容，降低了多断口真空断路器的成本，提高了断路器运行可靠性。
附图说明
图1是本发明实施例利用MATLAB实现的最佳配合特性曲线。
图2是本发明实施例双断口真空断路器高压侧与低压侧最佳间隙配合特性曲线。
图3是本发明实施例的电路原理框图。
具体实施方式
1．利用电磁分析软件计算不同间隙配合情况下的双断口真空断路器的等效自电容与杂散电容，通过MATLAB软件拟合得到双断口真空断路器等效自电容与杂散电容与真空间隙大小的关系。以10kV/20kA贵州宇光真空灭弧室为例，计算得到的等效自电容及杂散电容与真空间隙的关系如下：
（1）
式中：C 1 是低压侧等效自电容；C 2 是高压侧等效自电容；C g 是杂散电容；
gap1标准低压侧真空间隙；gap2标准高压侧真空间隙；
2．根据得到等效自电容及杂散电容与真空间隙的关系，利用双断口真空断路器等值电路分析计算其电压分布关系：
（2）
式中： U 2 是高压侧电压分布比，U 1 是低压侧电压分布比，U 40是总电压；
即可得到高压侧电压与高压侧真空间隙的关系式及低压侧电压与低压侧真空间隙的关系式；
3．根据真空间隙与击穿电压的关系，其中U b 是击穿电压：
（3）
式中：U b 击穿电压；gap等于gap1或gap2；K为与电极材料有关的常数一般取值为105V/cm（K的取值对公式4的计算结果无影响）、α为常数一般取值为0.5；
可分别按照公式（3）计算出高压侧击穿电压U 2b 及低压侧击穿电压U 1b ;
4．由公式（4）计算真空间隙绝缘强度分界线：
（4）
式中：U 1b 是低压侧击穿电压，U 2b 是高压侧击穿电压，U 2bb 是真空间隙绝缘强度分界线；
取U2为0.975~1.025U 2bb 时的标准低压侧真空间隙gap1及标准高压侧真空间隙gap2，利用MATLAB实现最佳配合特性曲线，如图1所示。图1中横轴是高压侧真空间隙（单位mm），纵轴是低压侧真空间隙（单位mm），1是双断口真空断路器最佳间隙配合特性上边界，2是双断口真空断路器最佳间隙配合特性下边界，上下边界电压分布比在绝缘强度分界线正负2.5%之内。
根据真空断路器合分闸时间和合分闸速度，即可得到双断口真空断路器高压侧与低压侧最佳间隙配合特性曲线，如图2所示。图2中横坐标为时间t/ms，左侧纵坐标为电流大小I/10kA，右侧纵坐标为真空间隙大小d/mm，VI1是低压侧真空灭弧室行程曲线，VI2是高压侧真空灭弧室的行程曲线，超程是真空断路器开始分闸到真空灭弧室触头分离操动机构运动的距离，燃弧时间为真空灭弧室触头刚分离起弧到电流过零熄弧的时间，电流过零点（电弧熄灭点）的高低压侧行程曲线减去超程分别为高低压的真空间隙的大小。
本发明实施例的电路原理框图如图3所示：设有单片机，单片机的输出一路与PID控制器A相接，PID控制器A再依次通过PWMA、IGBTA与高压侧真空断路器操动机构A相接，设有可检测高压侧真空间隙的行程开关A，行程开关A的输出与单片机输入端相接；单片机的输出的另一路与PID控制器B相接，PID控制器B再依次通过PWMB、IGBTB与低压侧真空断路器操动机构B相接，设有可检测低压侧真空间隙的行程开关B，行程开关B的输出与单片机输入端相接。
首先将所得到的双断口真空断路器高压侧与低压侧最佳间隙配合特性曲线嵌入单片机中，最佳间隙配合控制方法如下：
a. 用行程开关A检测实际高压侧真空间隙，用行程开关B检测实际低压侧真空间隙，并将所得到的实际高压侧真空间隙及实际低压侧真空间隙送至单片机；
b.单片机计算实际高压侧真空间隙与最佳高压侧真空间隙的误差δ1；计算实际低压侧真空间隙与最佳低压侧真空间隙的误差δ2；
c. 计算最佳高压侧与最佳低压侧真空间隙偏差与实际高压侧与实际低压侧真空间隙偏差的误差δ3；
d.以所得到的误差δ1和误差δ3控制PID控制器A，再依次通过PWMA、IGBTA，用自适应PID控制算法控制高压侧真空断路器操动机构A，使实际高压侧真空间隙趋于最佳高压侧真空间隙；
e. 以所得到的误差δ2和误差δ3控制PID控制器B，再依次通过PWMB、IGBTB，用自适应PID控制算法控制低压侧真空断路器操动机构B，使实际低压侧真空间隙趋于最佳低压侧真空间隙。
可实现双断口真空断路器真空间隙特性的配合，即可实现双断口真空断路器的最大开断能力，无需均压电容。
Claims (1)
1.一种双断口真空断路器最佳间隙配合控制方法，其特征在于按照如下步骤进行：
a、分别检测实际高压侧真空间隙及实际低压侧真空间隙；
b、计算实际高压侧真空间隙与最佳高压侧真空间隙的误差δ1；计算实际低压侧真空间隙与最佳低压侧真空间隙的误差δ2；
c、计算最佳高压侧与最佳低压侧真空间隙偏差与实际高压侧与实际低压侧真空间隙偏差的误差δ3；
d、以所得到的误差δ1和误差δ3控制PID控制器A，用自适应PID控制算法控制高压侧真空断路器操动机构，使实际高压侧真空间隙趋于最佳高压侧真空间隙；
e、以所得到的误差δ2和误差δ3控制PID控制器B，用自适应PID控制算法控制低压侧真空断路器操动机构，使实际低压侧真空间隙趋于最佳低压侧真空间隙；
所述最佳高压侧真空间隙和最佳低压侧真空间隙由双断口真空断路器高压侧与低压侧最佳间隙配合特性曲线确定，所述双断口真空断路器高压侧与低压侧最佳间隙配合特性曲线按如下方法得到：
由公式（1）计算出双断口真空断路器的等效电容：
（1）
式中：C 1 是低压侧等效自电容；C 2 是高压侧等效自电容；C g 是杂散电容；
gap1标准低压侧真空间隙；gap2标准高压侧真空间隙；
由公式（2）计算得到电压分布：
（2）
式中： U 2 是高压侧电压分布比，U 1 是低压侧电压分布比，U 40是总电压；
由公式（3）计算不同真空间隙下的击穿电压：
（3）
式中：U b 击穿电压；gap等于gap1或gap2；K、α为常数；
由公式（4）计算真空间隙绝缘强度分界线：
（4）
式中：U 1b 是低压侧击穿电压，U 2b 是高压侧击穿电压，U 2bb 是真空间隙绝缘强度分界线；
取U2为0.975~1.025U 2bb 时的标准低压侧真空间隙gap1及标准高压侧真空间隙gap2，利用MATLAB实现最佳配合特性曲线；根据合分闸时间和合分闸速度，即得到双断口真空断路器高压侧与低压侧最佳间隙配合特性曲线。
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