CN104485266B - 一种断路器燃弧时间控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种断路器燃弧时间的控制装置及方法；控制装置包括充电变压器、电容器组、电抗器、第一中高压快速开关、第二中高压快速开关、充电电阻、充电开关、整流器以及用于控制第一中高压快速开关或第二中高压快速开关闭合的控制电路；当两组超快速开关分别与断路器串联和并联时，关合串联的开关，使单频振荡回路导通，电压加在断路器上，使一定开距下的断路器产生自击穿燃弧；当燃弧时间达到需要的时间，关合并联的超快速开关进行电流转移，使断路器电弧熄灭。由于超快速开关的分散性极小，保证了这两组开关关合时序的准确性，通过控制电路来完成关合时序的控制，可以对断路器的燃弧时间进行精确的控制，且电路简单可靠，容易实现。

Description

一种断路器燃弧时间控制装置及方法

技术领域

本发明属于中高压断路器领域，更具体地，涉及一种断路器的燃弧时间控制装置及方法。

背景技术

断路器定开距工况下的燃弧时间控制，对研究断路器触头的烧蚀特性和电寿命有重要的作用。通过控制断路器的燃弧时间，可以研究电弧能量，燃弧时间对触头的烧蚀作用，从而得到电弧对触头的质量烧蚀率，进而得到触头的烧蚀电寿命。

现有的技术采用控制继电器来控制开关的操作机构动作，从而实现开关的投切，但是现有的技术一方面因为继电器动作时间慢，分散性大；另一方面现有技术采用的开关操作机构动作时间也慢，分散性也大。当需要两组开关关合时序控制时，由于现有的这些装置的分散性达到10毫秒级，难以做到毫秒级的时序控制，而现在对断路器触头电寿命的研究要求需要对燃弧时间进行毫秒级的控制。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供了一种可以实现燃弧时间精确控制的控制方法及装置。

本发明提供了一种断路器燃弧时间的控制装置，包括充电变压器T、电容器组C、电抗器L、第一中高压快速开关CB1、第二中高压快速开关CB2、充电电阻R、充电开关K、整流器D以及用于控制所述第一中高压快速开关CB1或所述第二中高压快速开关CB2闭合的控制电路；所述充电变压器T的初级绕组用于连接供电电源，所述电抗器L的一端通过所述充电开关K连接至所述整流器D的阴极，所述电抗器L的一端还通过所述电容器组C接地；所述电抗器L的另一端与所述第一中高压快速开关CB1的一端连接；所述第一中高压快速开关CB1的另一端用于连接至所述断路器CB3的一端，所述断路器CB3的另一端接地；所述第二中高压快速开关CB2与所述断路器CB3并联连接；所述整流器D的阳极通过所述充电电阻R连接至所述充电变压器T的次级绕组的一端，所述充电变压器T的次级绕组的另一端接地。

更进一步地，工作时，第一中高压快速开关CB1和第二中高压快速开关CB2的初始状态为分断状态，断路器CB3处于定开距工况，关合充电开关K，充电变压器T升高电压，整流器D将交流电压变成直流并对电容器组C进行充电，当电容器组C充好电后分断所述充电开关K，控制电路分别输出用于控制所述第一中高压快速开关CB1闭合的第一控制信号以及用于控制所述第二中高压快速开关CB2闭合的第二控制信号。

更进一步地，所述控制电路包括：依次连接的单片机和功率放大电路，连接在所述功率放大电路的第一输出端的第一晶闸管驱动电路，连接在所述功率放大电路的第二输出端的第二晶闸管驱动电路，与所述第一晶闸管驱动电路连接的第一晶闸管和与所述第二晶闸管驱动电路连接的第二晶闸管；所述单片机用于发出控制所述第一中高压快速开关CB1关合的第一控制信号或控制所述第二中高压快速开关CB2关合的第二控制信号；所述功率放大电路用于对所述单片机发出的控制信号进行放大处理；所述第一晶闸管驱动电路用于根据放大后的第一控制信号产生第一驱动信号；所述第二晶闸管驱动电路用于根据放大后的第二控制信号产生第二驱动信号；所述第一晶闸管用于根据所述第一驱动信号导通，使得所述第一中高压快速开关CB1的操作机构电源回路放电，控制所述第一中高压快速开关CB1闭合；所述第二晶闸管用于根据所述第二驱动信号导通，使得所述第二中高压快速开关CB2的操作机构电源回路放电，控制所述第二中高压快速开关CB2闭合。

更进一步地，工作时，所述单片机发出用于控制所述第一中高压快速开关CB1关合的第一控制信号，所述控制信号经过所述功率放大电路放大后，进入晶闸管驱动电路产生用于驱动晶闸管的驱动信号，所述驱动信号经过晶闸管，使得晶闸管导通，所述第一中高压快速开关CB1的操作机构电源回路放电，操作机构动作进行合闸，所述第一中高压快速开关CB1关合，电容器组C上的电压加载到断路器CB3上，断路器触头间隙击穿产生电弧，然后单片机发出用于控制所述第二中高压快速开关CB2关合的第二控制信号，使所述第二中高压快速开关CB2关合，构成电流通路，通过断路器CB3的电流发生转移，触头之间的电弧熄灭，从而实现燃弧时间的控制。

更进一步地，当所述第一控制信号与所述第二控制信号的时间差小于半个周期时，即可控制燃弧时间为半个周期。

更进一步地，所述第一晶闸管驱动电路和所述第二晶闸管驱动电路为脉冲变压器。

本发明还提供了一种断路器燃弧时间的控制方法，包括下述步骤：

控制第一中高压快速开关CB1和第二中高压快速开关CB2的初始状态为分断状态，且断路器CB3处于定开距工况；

通过控制充电开关K关合，使得充电变压器T升高电压；

通过整流器D将交流电压变成直流并对电容器组C进行充电，当电容器组C充好电后分断所述充电开关K；

控制单片机发出第一控制信号，所述第一控制信号经过所述功率放大电路放大后，进入晶闸管驱动电路产生用于驱动晶闸管的第一驱动信号；

通过所述第一驱动信号使得第一晶闸管导通，使得第一中高压快速开关CB1的操作机构电源回路放电，操作机构动作进行合闸，控制第一中高压快速开关CB1关合，此时所述电容器组C上的电压加载到断路器CB3上，断路器触头间隙击穿产生电弧；

通过单片机发出第二控制信号，所述第二控制信号经过所述功率放大电路放大后，进入晶闸管驱动电路产生用于驱动晶闸管的第二驱动信号；

通过所述第二驱动信号使得第二晶闸管导通，使得第二中高压快速开关CB2的操作机构电源回路放电，操作机构动作进行合闸，控制第二中高压快速开关CB2关合，构成电流通路，通过断路器CB3的电流发生转移，触头之间的电弧熄灭，从而实现燃弧时间的控制。

更进一步地，当所述第一控制信号与所述第二控制信号的时间差小于半个周期时，即可控制燃弧时间为半个周期。

采用上述的技术方案，本发明具有以下优点：(1)本发明采用特定实验回路接线法和中高压超快速开关的初始状态，可以使通过断路器的电流产生转移，与传统分断电路使电弧熄灭，电弧熄灭迅速，不存在时间延迟，结构原理简单，具有更高的可靠性。(2)本发明采用的中高压超快速关合速度快，分散性小，减小了两个相同开关的动作时间差，从而提高了燃弧时间的控制准确性。(3)本发明开关关合时序的控制装置，采用了晶闸管来控制开关的操作机构电源放电回路，动作时间快，分散性小，减小了两个相同晶闸管的动作时间差，从而提高了燃弧时间的控制准确性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的实验回路图；

图2为本发明实施例提供的控制装置逻辑图；

图3中高压超快速开关时序控制装置电路图；

图4是本发明实施例的实验波形示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：C为电容器组，L为电抗器，CB1为第一中高压快速开关，CB2为第二中高压快速开关，CB3为断路器，V为电压表，A为电流表，R充电电阻，D为整流器，K为充电开关，T为充电变压器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明采用晶闸管控制中高压超快速开关的斥力操作机构，来实现开关的投切，晶闸管动作时间快，为微秒级，分散性小，斥力机构关合速度快，分散性低于1毫秒，通过控制晶闸管进行对两组超快速开关的关合时序控制，最后实现燃弧时间精确控制。

本发明实施例中的中高压超快速开关可以采用公开号为CN203536332U的专利申请文件中的中高压超快速开关，在此不再赘述。

在本发明实施例中，燃弧时间的控制方法包括一种试验回路，所述中高压超快速开关一个与断路器串联，一个与断路器并联，实验前，两个快速开关都处于分断状态，控制电路控制两个快速开关的关合时序。

在本发明实施例中，燃弧时间控制电路包括单片机、功率放大电路、晶闸管驱动电路、晶闸管；单片机产生控制信号，经过功率放大电路连接晶闸管驱动电路，晶闸管驱动电路连接晶闸管控制晶闸管的通断，晶闸管控制中高压快速开关的斥力操作机构电源部分放电，实现中高压快速开关的投切。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明涉及一种燃弧时间的控制方法及装置，其包括实验回路接线方法，中高压超快速开关和控制中高压快速开关关合时序的控制电路。中高压超快速开关一个串联于LC单频振荡回路，一个并联与断路器并联。中高压超快速开关初始状态都为分断，断路器为定开距工况。当电容器组充电完成以后，启动单片机发出信号，信号经过放大电路，进入晶闸管驱动电路产生驱动晶闸管的信号，信号经过晶闸管，晶闸管导通，中高压超快速开关的操作机构电源回路放电，操作机构动作进行合闸，CB1关合，电容器组上的电压加载到断路器CB3上，断路器CB3触头间隙击穿产生电弧，然后单片机针对CB2也发出信号，使CB2关合，构成电流通路，通过断路器CB3的电流发生转移，触头之间的电弧熄灭。单片机对CB1和CB2发出的关合信号的时间差小于半个周期即可以控制燃弧时间为半个周期。其中，中高压超快速开关，与其他类型的开关相比有关合速度快，分散性小等特点，这使得2个相同的中高压超快速开关，动作时间差别小，分散性小，提高了燃弧时间控制的准确性。

其中，晶闸管的使用，与继电器，接触器等相比有动作速度快，分散性小等特点，这使得2个相同的晶闸管，动作时间差别小，分散性小，提高了燃弧时间控制的准确性。

本发明采用特定实验回路接线法和中高压超快速开关的初始状态，可以使通过断路器的电流产生转移，与传统分断电路使电弧熄灭，电弧熄灭迅速，不存在时间延迟，结构原理简单，具有更高的可靠性。

本发明采用的中高压超快速关合速度快，分散性小，减小了两个相同开关的动作时间差，从而提高了燃弧时间的控制准确性。

本发明开关关合时序的控制电路，采用了晶闸管来控制开关的操作机构电源放电回路，动作时间快，分散性小，减小了两个相同晶闸管的动作时间差，从而提高了燃弧时间的控制准确性。

为了更进一步的说明本发明实施例提供的燃弧时间控制装置及方法，下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

图1为中高压超快速开关接入回路电路图，包括：C为电容器组，L为电抗器，CB1，CB2为中高压快速开关，CB3为断路器，V为电压表，A为电流表，R充电电阻，D为整流器，K为充电开关，T为充电变压器。实验时，CB1，CB2初始状态为分断状态，CB3处于定开距工况，关合充电开关K，充电变压器T升高电压，整流器D把交流电压变成直流对电容器组进行充电，电容器组C充好电后，分断充电开关K。

图2为中高压超快速开关时序控制逻辑图，图3中高压超快速开关时序控制电路电路图。控制电路包括：单片机，功率放大电路，第一晶闸管驱动电路，第二晶闸管驱动电路，第一晶闸管，第二晶闸管。单片机对CB1发出关合信号，信号经过放大电路，进入晶闸管驱动电路产生驱动晶闸管的信号，信号经过晶闸管，晶闸管导通，中高压超快速开关的操作机构电源回路放电，操作机构动作进行合闸，CB1关合，电容器组上的电压加载到断路器CB3上，断路器触头间隙击穿产生电弧，然后单片机针对CB2也发出关合信号，使CB2关合，构成电流通路，通过断路器CB3的电流发生转移，触头之间的电弧熄灭。单片机对CB1和CB2发出的关合信号的时间差小于半个周期即可以控制燃弧时间为半个周期。

在本发明实施例中，第一晶闸管驱动电路和第二晶闸管驱动电路均可以为脉冲变压器。

如图3所示，控制电路还包括下拉电阻R1、限流电阻R2、限流电阻R3、下拉电阻R4、电阻R5、电阻R6，二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5和二极管D6；单片机对CB1发出关合信号，信号经过下拉电阻R1和限流电阻R2后进入达林顿管ULN2003，使ULN2003输出信号到脉冲变压器，脉冲变压器产生脉冲信号经过二极管D1、D2、D3和电阻R5的稳压和整形作用，进入第一晶闸管使晶闸管导通；然后单片机针对CB2也发出关合信号，信号经过下拉电阻R4和限流电阻R3后进入达林顿管ULN2003，使ULN2003输出信号到脉冲变压器，脉冲变压器产生脉冲信号经过二极管D4、D5、D6和电阻R6的稳压和整形作用，进入第二晶闸管使晶闸管导通。

如图1、图2、图3所示，本发明使用时，按照实验电路原理图接好线路，中高压超快速开关CB1和CB2处于分闸状态，实验时，关合充电开关K，充电变压器T升高电压，整流器D把交流电压变成直流对电容器组C进行充电，电容器组C充好电后，分断充电开关K，然后单片机发出用于控制CB1关合的信号，信号经过放大电路，进入晶闸管驱动电路产生驱动晶闸管的信号，信号经过晶闸管，晶闸管导通，中高压超快速开关的操作机构电源回路放电，操作机构动作进行合闸，CB1关合，电容器组C上的电压加载到断路器CB3上，断路器触头间隙击穿产生电弧，然后单片机针对CB2也发出用于控制CB2关合的信号，使CB2关合，构成电流通路，通过断路器CB3的电流发生转移，触头之间的电弧熄灭。单片机对CB1和CB2发出的关合信号的时间差小于半个周期即可以控制燃弧时间为半个周期。

表实例实验条件

电容C	电感L	电压	电流	频率	周期
						1.5mF	0.365mH	10kV	18kA	215Hz	4.6ms

单片机的CB1和CB2的信号时序差值为1.5ms，目的控制燃弧时间为2.3ms。实例实验波形如图4所示，其中黑色实线是断路器CB3通过的电流波形，虚线是与断路器并联的快速开关支路CB2所通过的电流。

并联的快速开关支路所通过的电流在断路器燃弧在1.5ms的时候开始导通，但是由于电弧不能立即熄灭，导致断路器电弧在过零点的时候熄灭，燃弧时间控制为半个周期2.3ms。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种断路器燃弧时间的控制装置，其特征在于，包括充电变压器T、电容器组C、电抗器L、第一中高压快速开关CB1、第二中高压快速开关CB2、充电电阻R、充电开关K、整流器D以及用于控制所述第一中高压快速开关CB1或所述第二中高压快速开关CB2闭合的控制电路；

所述充电变压器T的初级绕组用于连接供电电源，所述电抗器L的一端通过所述充电开关K连接至所述整流器D的阴极，所述电抗器L的一端还通过所述电容器组C接地；所述电抗器L的另一端与所述第一中高压快速开关CB1的一端连接；

所述第一中高压快速开关CB1的另一端用于连接至断路器CB3的一端，所述断路器CB3的另一端接地；

所述第二中高压快速开关CB2与所述断路器CB3并联连接；

所述整流器D的阳极通过所述充电电阻R连接至所述充电变压器T的次级绕组的一端，所述充电变压器T的次级绕组的另一端接地。

2.如权利要求1所述的控制装置，其特征在于，工作时，第一中高压快速开关CB1和第二中高压快速开关CB2的初始状态为分断状态，断路器CB3处于定开距工况，关合充电开关K，充电变压器T升高电压，整流器D将交流电压变成直流并对电容器组C进行充电，当电容器组C充好电后分断所述充电开关K，控制电路分别输出用于控制所述第一中高压快速开关CB1闭合的第一控制信号以及用于控制所述第二中高压快速开关CB2闭合的第二控制信号。

3.如权利要求1或2所述的控制装置，其特征在于，所述控制电路包括：依次连接的单片机和功率放大电路，连接在所述功率放大电路的第一输出端的第一晶闸管驱动电路，连接在所述功率放大电路的第二输出端的第二晶闸管驱动电路，与所述第一晶闸管驱动电路连接的第一晶闸管和与所述第二晶闸管驱动电路连接的第二晶闸管；

所述单片机用于发出控制所述第一中高压快速开关CB1关合的第一控制信号或控制所述第二中高压快速开关CB2关合的第二控制信号；

所述功率放大电路用于对所述单片机发出的第一控制信号或第二控制信号进行放大处理；

所述第一晶闸管驱动电路用于根据放大后的第一控制信号产生第一驱动信号；

所述第二晶闸管驱动电路用于根据放大后的第二控制信号产生第二驱动信号；

所述第一晶闸管用于根据所述第一驱动信号导通，使得所述第一中高压快速开关CB1的操作机构电源回路放电，控制所述第一中高压快速开关CB1闭合；

所述第二晶闸管用于根据所述第二驱动信号导通，使得所述第二中高压快速开关CB2的操作机构电源回路放电，控制所述第二中高压快速开关CB2闭合；

工作时，所述单片机发出用于控制所述第一中高压快速开关CB1关合的第一控制信号，所述第一控制信号经过所述功率放大电路放大后，进入第一晶闸管驱动电路产生用于驱动第一晶闸管的第一驱动信号，所述第一驱动信号经过第一晶闸管，使得第一晶闸管导通，所述第一中高压快速开关CB1的操作机构电源回路放电，操作机构动作进行合闸，所述第一中高压快速开关CB1关合，电容器组C上的电压加载到断路器CB3上，断路器触头间隙击穿产生电弧，然后单片机发出用于控制所述第二中高压快速开关CB2关合的第二控制信号，使所述第二中高压快速开关CB2关合，构成电流通路，通过断路器CB3的电流发生转移，触头之间的电弧熄灭，从而实现燃弧时间的控制；

当所述第一控制信号与所述第二控制信号的时间差小于半个周期时，即可控制燃弧时间为半个周期；

所述第一晶闸管驱动电路和所述第二晶闸管驱动电路为脉冲变压器。

4.一种断路器燃弧时间的控制方法，其特征在于，包括下述步骤：

控制第一中高压快速开关CB1和第二中高压快速开关CB2的初始状态为分断状态，且断路器CB3处于定开距工况；

通过控制充电开关K关合，使得充电变压器T升高电压；

通过整流器D将交流电压变成直流并对电容器组C进行充电，当电容器组C充好电后分断所述充电开关K；

控制单片机发出第一控制信号，所述第一控制信号经过功率放大电路放大后，进入晶闸管驱动电路产生用于驱动晶闸管的第一驱动信号；

通过所述第一驱动信号使得第一晶闸管导通，使得第一中高压快速开关CB1的操作机构电源回路放电，操作机构动作进行合闸，控制第一中高压快速开关CB1关合，此时所述电容器组C上的电压加载到断路器CB3上，断路器触头间隙击穿产生电弧；

通过单片机发出第二控制信号，所述第二控制信号经过所述功率放大电路放大后，进入晶闸管驱动电路产生用于驱动晶闸管的第二驱动信号；

通过所述第二驱动信号使得第二晶闸管导通，使得第二中高压快速开关CB2的操作机构电源回路放电，操作机构动作进行合闸，控制第二中高压快速开关CB2关合，构成电流通路，通过断路器CB3的电流发生转移，触头之间的电弧熄灭，从而实现燃弧时间的控制。

5.如权利要求4所述的控制方法，其特征在于，当所述第一控制信号与所述第二控制信号的时间差小于半个周期时，即可控制燃弧时间为半个周期。