CN105637605A - 受控开合装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种使用受控开合装置(CSD)来控制中压以及高压断路器来减小开合瞬变的技术。本发明描述了一种通过考虑可能存在于负载中的残余直流电压电荷，控制断路器合闸以减小或消除电容性负载中的浪涌电流的方法，该电容性负载如电容器组和过滤器。本发明公开了一种在电容性负载上执行快速开合操作，从而消除负载放电周期的方法。

Description

受控开合装置及其使用方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2013年12月20日在美国专利商标局提交的美国专利申请号61/919,617、名称为“受控开合装置及其使用方法”的优先权，该专利内容通过引用并入本文中。

技术领域

本发明主要涉及电气工程领域。更准确的说，本发明涉及一种基于分析负载中可能存在的残余电压，通过控制断路器操作减小或消除浪涌电流实现电容性负载快速开合的装置和方法。以电容性负载为例：无功补偿电容器组、谐波滤波器和隔离输电线中的电容器。本发明还涉及受控开合装置(CSD)及其使用方法。

背景技术

由于输电或配电线路的物理特性或用于串联或并联补偿或谐波过滤增加的电容器，电力系统具有不同的电容性负载。串联或并联补偿用以保持输配电线路的电压恒定分布。根据需要，使用断路器开启或闭合此类电容性负载。

电容器组断电时，一些直流残余电压电荷仍然处于其静电场中。由于电容器组具有自放电特性，电压电荷水平为动态变化并随着电容器从断电到完全放电逐步减小。断路器开闸后，电容器组自放电可能需要花费15分钟。

为了减少或消除电容器组通电产生的浪涌电流之类的电压瞬态，开启放电电容器的最佳时刻为波形上电压过零时。为精确时间执行此操作，需要配备受控开合装置(CSD)。在一般电网的正常运行条件下，电容器组在一天内可能开合数次。

很多应用场合都需要使用电容性负载开合。例如，分布式能源(DER)集成、静止无功补偿器(SVC)和静止同步补偿器(STATCOM)系统每天可能开合电容器组数次以实现电压调节。但是，在使用现有技术的情况下，电容器组断电时，电力系统或分布式能源(DER)操作员需要等到电容器完全放电后方能再次通电，以避免电网出现浪涌电流。如图1所示浪涌电流(2)显示电网中未受控电容性负载开合操作的结果。该浪涌电流可能产生非常严重的后果，其可能损坏设备，从而降低系统可靠性。在实例中，还显示了电压(1)。此外，瞬变会在电网中传输引发保护跳闸，从而降低电网稳定性，严重情况下可能导致重大停电事故。

现有技术通过使用预插电阻或CSD降低电容器组的浪涌电流。但是，在采用此类解决方案的情况下，为避免在执行开合操作时产生浪涌电流，电容器组需要放电。此外，电容器组需要15分钟放电时间，使得电力系统或DER操作人员不能及时闭合系统，以免引发非优化操作。

在很多情况下，使用阻塞定时器控制电路断路器合闸，避免在电容性负载充电时操作。每次断路器开闸时，定时器发挥作用，从而阻止断路器合闸。

因此，需要使用一种新技术，可在最大限度地减少浪涌电流的同时大幅度降低电容性负载开合等待时间。

发明内容

本发明涉及通过控制电路断路器(CB)合闸达到减小或消除电容性负载通电所产生浪涌电流的目的从而实现电容性负载快速切换的装置和方法。更具体地说，此类装置和方法根据可能存在于负载中的直流残余电压电荷的幅值和极性确定CB的最佳切换角度。并可通过CSD计算或测量电容性负载直流残余电压。本发明还阐述了一种计算电路断路器开闸后电容性负载残余电压值的技术和一种估算直流残余电压随时间变化的技术。基于本方法，CSD在电路断路器开闸后可在任何时间合闸，从而实现了电容性负载的快速开合。

基于本发明的目的之一，本发明公开了一种在配有电路断路器(4)的电路中降低电容性负载(5)通电所产生浪涌电流的方法。该方法包括以下步骤，在电路中安装适合向电路断路器(4)发送合闸命令给受控开合装置(6)，以实现同步机械操作减少送至电路的瞬变。在示例中，CSD连接到电网电压互感器(7)和电流互感器(8)，还显示了电源(3)。所述方法允许电容性负载的快速开合。在此示例中，电容性负载的电路断路器开闸时，该方法可使所述电路断路器在开闸几毫秒内重新合闸。

基于本发明的目的之一，在此公开的方法还包括以下步骤，调整CSD以达到最佳相角(electricalangle)关闭电路断路器，减少浪涌电流实现电容性负载的快速开合。

基于本发明的目的之一，受控开合装置连接到电容性负载。该方法还包括以下步骤，计算电容性负载内残余电压电荷以计算断路器合闸的最佳相角。

基于本发明的目的之一，在此公开的方法还包括以下步骤，减少或消除电容性负载通电期间产生的浪涌电流，尽管存在直流残余电压。

本发明使用一种通过以最佳相角闭合电路中的电路断路器控制电容性负载通电，减少传送至电路的浪涌电流的受控开合装置。

上述减少浪涌电流的方法通过受控开合装置，可替代地称之为波形点(POW)控制器来实现。

在现有技术情况下，电容性负载放电时间可能需要长达15分钟。因此，每次通过保护跳闸或发送自动命令关闭电容性负载(断电)，设备操作人员需要等到电容性负载完全放电方可再次通电。在本发明中，每次切断断路器，获取电流和电压波形，从而确定电容性负载每个相位的残余电压。此外，CSD不断估算电容性负载残余电压，以根据电源电压和电网频率动态计算最佳合闸相角。

基于本发明的目的之一，公开了一种实现电路中电容性负载快速开合的方法。该电路包括断路器及电容性负载，为电流馈电电路。该方法包括以下步骤，在电路中安装适合在电容性负载完全断电前向断路器发送开或合闸命令的受控开合装置(CSD)，以实现开合闸同步机械操作减少送至电路的浪涌电流。

基于本发明的目的之一，所述方法还包括以下步骤，尽管残余电压不为零，仍然向电路断路器发送合闸命令。此外，所述方法还包括以下步骤，在电流电压等于电容电压时，测量电容性负载的通电相角(angletore-energize)。

所述方法还包括基于测量电容性负载电压电平的步骤，自动调节断路器开合相角(electricalswitchingangle)。

基于本发明的目的之一，公开了一种实现电容性负载快速开合的方法。所述电路为电流反馈电路，包括一个断路器、至少一个输出残余电压的电容性负载以及一个受控开合装置，该受控开合装置适合在电容性负载完全断电前，向断路器发送开合闸命令以实现开合闸同步机械操作减少传送至电路的浪涌电流。

基于本发明的目的之一，公开了一种在包括断路器和电容性负载的电路中使用的受控开合装置(CSD)，其中CSD在电容性负载完全断电前，向断路器发送开合闸命令以实现断路器开合闸同步机械操作减少送至电路的浪涌电流，该电路包括该受控开合装置和至少一个电容性负载。

本发明的独特性和前瞻性说明在所附文件中有具体阐述。

附图说明

通过以下描述结合附图说明，可以更充分的了解本发明以上所述及其他目的、特征以及优点，其中：

图1通过图形显示浪涌电流随时间变化的函数图例(现有技术)。

图2为使用配有受控开合装置(CSD)的电路断路器(CB)的典型受控电容性负载电路(现有技术)。

图3通过图形显示受控电容性负载电流通电实例。

图4通过图形显示一种根据本发明原理，基于负载/CB电流测量和电源电压测量计算直流残余电荷的技术。

图5通过图形显示典型的电容器残余电压曲线，以秒为单位的时间函数，其中，电容器放电过程中有1分钟为恒定电流，为典型的电容器自放电实例。

图6通过图形显示根据电源电压和动态变化直流残余电压所得最佳开合相角。

图7显示一般电容性负载电路安装实例。其中包括一个使用CSD的CB。通过符合本发明原理的CSD测量变化直流残余电压。

具体实施方式

以下描述一种新型受控开合装置及其使用方法。尽管本发明以特定实例进行描述说明，但本文所描述实例仅作为示例参考，本发明的应用范围并不局限于此。

本发明涉及通过使用CSD控制CB操作减小或消除浪涌电流实现电容性负载快速开合的装置和方法。其中，CSD根据负载中直流残余电压电荷的幅值和极性，确定CB的最佳开合相角。CSD计算或测量电容性负载残余电压值。此外，本发明还公开了一种计算电路断路器开闸所产生电容性负载直流残余电压(Vi)的技术以及一种计算随时间变化的直流残余电压的技术。

现在参照图2，一个实现无功补偿、电压调节和谐波滤波的中压或高压电容器组开合电路或设备的实例。此类系统通常会包括一个CSD(6)和一个经电路断路器(4)连接到电源(3)的电容性负载(5)。电路断路器(CB)(4)控制电容性负载(5)的通电。

CSD通常用于控制电路断路器的合闸操作，以减小或消除与电容性负载通电相关的浪涌电流。在这种情况下，由于不考虑直流残余电压，因此电容性负载通电等待时间是必须的。

现在参照图3，出示了一个由CSD执行电容器组开合操作后捕获的波形实例。应在电源电压(9)值接近于零点时开启电容器组。接近零点时开合可使浪涌电流最小化。在符合本发明原理的实施例中，包含电容器完全放电或考虑残余电压的情况。

继续参照图3，可以看到CB靠近开关切合相角(11)时关闭，并且负载电流(10)随时间而变化。与图1相比，此处结果已经得到了显著改善。如图1所示，与通过CSD控制的电容器开合相比，未受控电容器组通电后所产生的浪涌电流(2)超过4PU。如图3所示，此实例中未产生浪涌电流(10)。

现在参照图4，显示电容性负载断电后所产生残余电压(16)的图例。电容性负载断电导致所述电容性负载中产生初始直流残余电压(16)。当CB处于开闸状态时，Vi(16)的幅值和极性均取决于电源电压(12)、幅值以及电流中断(14)时电压的极性。符合本发明原理的受控开合装置对断路器/负载电流(13)实施监控，以确定电流中断(14)时间并计算Vi(16)值。通常使用以下公式计算Vi的值：

Vi＝K·Vm，其中

Vi为电容性负载中的直流残余电压值(t＝0)

K为基于电路物理特性的修正系数

Vm为交流电压瞬时值

现在参照图5，显示电容性负载电压特性随时间缓慢消减(时间函数)的电压特性曲线图。在典型的电容性负载应用中，Vi值从某一值到安全电平值，一个或多个电容性负载放电持续时间可达15分钟左右。通过参考Vi值、电压消减性曲线特性以及CB开闸实耗时间，符合本发明原理的CSD估算电容性负载中残余电荷的幅值和极性。本领域的技术人员可以完全理解，本发明的原理适用于一个或多个电容性装置的任何放电等级和持续时间。

CSD，又称波形点(POW)控制器，一种旨在通过至少一个网络电子信号向电路断路器发送分合闸命令以实现CB同步机械操作的智能控制器。最佳方案为选择最优相角对CB执行机械操作，以减少或消除开合瞬变。

为减小或消除电容性负载通电时产生浪涌电流，应避免出现电压突变。因此，在电源电压等于Vi时，估算最少使用一个电路断路器的负载再次通电的最佳相角。这与CB两端的电压等于0时的相角相对应。

例如，图6显示电源电压(17)变化，CB(18)两端的电压、电流(19)和Vi(20)的时间函数。在CB(21)开闸后，CB两端的电压至少一次达到零，但通常会有多次(22)。在CB电压值为零时，CB均可能会关闭。当电压Vi随时间缓慢降低时，最佳开合点为动态并且也会随时间而变化。在命令发送到CSD时，为了考虑优化Vi，必须计算CB合闸时间。本CSD通过Vi动态适应CB合闸时间，以避免电容性负载电压突变以及减小和/或避免浪涌电流。因此，此方法可实现电容性负载的快速开合。

现在参照图7，显示一个本发明应用实现电路中CB相角开合动态变化的实例。本实施例以类似于图2所示电路系统为基础，但包括一个CSD(26)控制的断路器与电容性负载直接相连。该配置可对直流残余电压进行测量(29)。图中还显示了电源(23)、电压互感器(27)和电流互感器(28)。

所述领域的技术人员可以完全理解，任何文件前述电气组件或此类设备的相关生品，例如，包括但不限于，断路器、电流和电压互感器、电容性负载、POW和CSD均可与本方法联合使用。特别是，美国专利号6,433,980B1公开了一种可用于本发明的CSD的主要功能。此外，美国专利号7576957B2也描述了一种可用于本发明的POW的主要功能。美国专利号6433980B1以及7576957B2的内容通过引用并入本文中。

尽管上文已经详细描述本发明说明性的以及目前优选的实施例，但是应当理解的是，可以其它方式不同地包含以及实施例本发明的创造性概念，并且所附权利要求书旨在被解释来包括除现有技术所限制范围内的此类变形。

Claims (16)

1.一种电路电容性负载快速开合方法，所述电路包括断路器、电容性负载，并且所述电路为电流馈电电路，所述方法包括以下步骤，在所述电路中安装受控开合装置(CSD)，所述受控开合装置(CSD)适合在电容性负载完全断电前向断路器发送开或合闸命令，以实现开合闸同步机械操作来减少送至电路的浪涌电流。

2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括以下步骤，当残余电压电平下降至一预设电平时，向所述断路器发送合闸命令。

3.根据权利要求1或2中任一项所述的方法，进一步包括以下步骤，当电流电压等于电容电压时，测量电容性负载的通电相角。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，所述方法进一步包括自动调整所述断路器的开合相角。

5.根据权利要求4所述的方法，其中所述断路器的开合相角基于测量电容性负载电压电平的进一步步骤。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中所述方法进一步包括以下步骤，对断路器/负载电流实施监控，以确定电流中断时间并计算Vi值。

7.根据权利要求6所述的方法，其中通过Vi＝K·Vm来计算所述Vi，其中Vi为电容性负载中的直流残余电压值(t＝0)，K为基于电路物理特性的修正系数，Vm为交流电压瞬时值。

8.一种实现电容性负载快速开合的电路，其中所述电路为电流反馈电路，包括一断路器、至少一个输出残余电压的电容性负载以及一受控开合装置(CSD)，所述受控开合装置适合在电容性负载完全断电前，向断路器发送开或合闸命令以实现断路器开合闸同步机械操作，来减少传送至电路的浪涌电流。

9.根据权利要求8所述的电路，其中所述CSD适合于根据直流残余电压电荷的幅值和极性，确定断路器的最佳开合相角，以实现电容性负载快速开合。

10.根据权利要求8所述的电路，其中调整所述CSD以测量电容性负载的通电相角。

11.根据权利要求10所述的电路，其中所述CSD适合于当电流电压等于电容性负载电压时，动态调整断路器的合闸。

12.根据权利要求8至11中任一项所述的电路，其中所述CSD适合于对断路器/负载电流实施监控，以确定并最优化电流中断时间和Vi值。

13.一种受控开合装置(CSD)在电路中的使用，所述电路包括断路器以及电容性负载，所述CSD在电容性负载完全断电前，向断路器发送开或合闸命令以实现断路器开合闸同步机械操作，来减少送至包括所述受控开合装置和至少一个电容性负载的电路的浪涌电流。

14.根据权利要求11中所述的CSD的使用，其中所述CSD适合于根据直流残余电压电荷的幅值和极性，确定电路断路器的最佳开合相角，以实现电容性负载快速开合。

15.根据权利要求11所述的电路，其中所述CSD适合于测量电容性负载的通电相角。

16.根据权利要求13所述的电路，其中所述CSD适合于当电流电压等于电容性负载电压时，动态调整断路器的合闸。