CN106024500B - 自适应智能同步高速开关装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种自适应型智能同步高速开关装置，它通过采样系统短路时的电流和电压参数，计算出短路时的幅值、相位角和过零点，对线圈驱动磁通在运动的暂态过程进行均衡动态控制，自动根据短路状态调节开关的分闸速度，来满足不同短路状态对分闸时间的要求。同时，通过固定于真空断路器灭弧室固定座上罗克线圈对电流回路的采样和监测、控制，实现开关的智能监控和分相控制，同步投切的功能。
Description
技术领域
本发明涉及开关设备技术领域，具体涉及一种自适应智能同步高速开关装置。
背景技术
目前，传统的真空开关的分闸时间在30～50ms，合闸时间在40～60ms，而要使开关能够在线路发生故障时能够准确动作，还要配备专用的微机综合保护装置(简称综保)，通过综保采样电流、电压信号并做出判断发出动作信号，使真空开关完成分闸或合闸命令及过程。这个过程的完成时间在70～100ms左右，在此期间系统电压会出现一个时期的“电压暂降”，使系统内部设备的低电压保护动作而引起大面积的设备停电事故，给企业带来巨大的经济损失。
另外，传统真空开关的操作机构三相动作是联动的，当要完成动作时，三相机构在同一时间完成分闸和合闸动作，但三相动作时间的分散度较大，这就导致在对电气设备进行投入运行操作时，会因三相电压的电角度不同而产生非常大的冲击涌流，使保护配合困难，而在完成分闸时，也会因三相的电压电角度不同，而给开关开断带来了困难，并可能引起较高幅值得操作过电压。
发明内容
本发明提供了一种自适应型智能同步高速开关装置，它通过采样系统短路时的电流和电压参数，计算出短路时的幅值、相位角和过零点，对线圈驱动磁通在运动的暂态过程进行均衡动态控制，自动根据短路状态调节开关的分闸速度，来满足不同短路状态对分闸时间的要求。同时，通过固定于真空断路器灭弧室固定座上洛克线圈对电流回路的采样和监测、控制，实现开关的智能监控和分相控制，同步投切的功能。
一种自适应智能同步高速开关装置，包括真空灭弧室、缓冲器、吸板、上磁轭、下磁轭、分闸线圈、合闸线圈、中轴杆、涡流盘、控制模板、快速充电开关电源模块、分闸电容器组、合闸电容器组、可控硅、自适应变阻抗器；
所述真空灭弧室上的动触头杆与缓冲器相连接，所述缓冲器与中轴杆相连接，所述中轴杆上分别与钢制吸板和铝制涡流盘在相关位置进行固定紧固后，再分别穿过上磁轭、下磁轭、分闸线圈、合闸线圈，最后固定在中轴杆的轴套上，在上磁轭和下磁轭上分别固定有不锈钢的骨架，所述骨架内部对称放置有对等极数的永磁体，所述永磁体被骨架固定在上下磁轭之上，在上下磁轭上分别对称安装有光电传感器，用于测量机构的分、合闸位置信号；
所采用的分、合闸位置信号采用光电传感器进行快速测量，保证了测量信号的抗干扰能力和准确性、快速性。
所述分闸电容器组与合闸电容器组的负极相连后，再连接到快速充电开关电源模块的负极，所述分闸电容器组和合闸电容器组的正极分别经一个二极管连接到快速充电开关电源模块的正极后，又再分别并联一根导线，接到分、合闸可控硅的阳极，而分、合闸可控硅的阴极经自适应变阻抗器则分别接到分闸线圈和合闸线圈的进线端口，分闸线圈与合闸线圈的出线端口相并联后接到分闸电容器组、合闸电容器组的负极；所述快充开关电源模块的脉冲输出分别接分闸可控硅、合闸可控硅的控制极；
所述分合闸自适应变阻抗器控制端连接到控制模块的输出端，便于控制模块根据计算得幅值和相位角发出一个可控的触发脉冲改变回路的阻抗值，从而实现分闸速度根据短路状态自适应调节，分相动作、首半波过零点开断的功能；
所述控制模块的输入端分别接真空灭弧室上的洛克线圈的输出端、分合闸位置光电传感器的输出端、系统三相电压信号端；所述控制模块的输出端分别接快速充电开关电源模块的分、合闸脉冲触发的输入端，便于控制模块对快速充电开关电源模块内部电路输出分、合闸信号后，再由快速充电开关电源模块发出分、合闸触发脉冲，触发可控硅导通，来实现对开关的分、合闸操作。
所述骨架内部对称放置有至少三对对等极数的永磁体，通过设置三对及以上的永磁体对称的放于分、合闸不锈钢骨架之间，并固定于铁轭之上，形成磁回路，在降低回路磁阻同时，不降低总的吸力。当中轴杆带动吸板做分闸或合闸运动时，由于多极磁场的对称，保证了吸板在运动过程中所受上、下永磁体的磁场作用的对称和均衡，各部分磁力线通过钢制吸板表面上形成磁回路也保持对称和均衡，使整个吸板表面总受力比较平衡，不发生运动过程中的变形而导致摩擦力增加、中轴杆变形、机构不能分、合到位的问题。
与分闸保持线圈相接触的上磁轭，在机构的分闸线圈通电产生强磁场时，能够有效屏蔽强脉冲磁场对永磁体的影响，又由于磁轭中的磁阻大，使磁轭中的涡流不太高，也不会对永磁体的磁场带来影响。
控制模块安装在开关装置内部，通过采样三相洛克线圈来进行电流瞬时值的快速判断，故障识别的时间小于2ms。并且控制模块设置有对系统三相电压过零点自动采样计算、电流过零点时间自动计算功能，并通过自动延时程序发出分相触发信号，实现对电压过零点的分相投入控制，和对电流过零点的分相切除控制，以实现对开关装置的智能判断和同步投切功能。
所采用的开关电源是快速充电电源，其对分合闸电容器组的充电时间小于0.5S，并且能够适应交、直流220V电源的场所。
本发明的工作原理如下：
1、当执行正常合闸操作时，通过按合闸按钮给控制模块输入一个信号，控制模块ZK接收到合闸信号命令后，分别采样系统三相电压信号并测算出过零点的时间，经过延时程序后，分别发出三相机构的合闸命令脉冲给三相的开关电源模块，由三个开关电源模块发出合闸触发脉冲给可控硅的控制极，使可控硅触发导通，则合闸电容器组经可控硅对合闸线圈放电，将电场能量转化为线圈的交变磁场能量，该磁通穿过涡流盘，在涡流盘中产生涡流，并同时产生一个去磁磁通，由于线圈和涡流盘两个磁场能量反向，产生一个较大的推斥力，推动涡流盘带动中轴连杆和吸板向上运动，当推斥力大于分闸保持磁铁的吸力时，中轴杆带动吸板向上运动到使灭弧室的动触头与静触头接触，并在缓冲器作用下降低反弹和弹跳，并最终被合闸保持磁铁吸住，而最终保持在合闸位置完成装置合闸动作，从而实现分相动作、过零点投入无冲击合闸的功能。
2、当执行正常分闸操作时，通过按分闸按钮给控制模块输入一个信号，控制模块接收到分闸信号命令后，分别采样洛克线圈三相电流信号并测算出过零点的时间，经过延时程序后，分别发出三相机构的分闸命令脉冲给三相的开关电源模块，由三个开关电源模块发出分闸触发脉冲给可控硅的控制极，使可控硅触发导通，则分闸电容器组经可控硅对分闸线圈放电，将电场能量转化为线圈的交变磁场能量，该磁通穿过涡流盘，在涡流盘中产生涡流，并同时产生一个去磁磁通，而产生一个较大的推斥力，推动涡流盘带动中轴连杆和吸板向下运动，当推斥力大于合闸保持磁铁的吸力时，中轴杆带动吸板向下运动到使灭弧室的动触头与静触头分离，并在缓冲器作用下加速向下运动，并最终被分闸保持磁铁吸住，而保持在分闸位置完成装置分闸动作，从而实现分相动作、过零点切除的功能。
3、当通过灭弧室的电流发展为短路电流，并超过控制模块设定的整定值时，控制模块通过独特的算法程序，在2ms内分别计算出三相短路电流的过零点时间和幅值、短路相位角后，控制模块根据计算得幅值和相位角先发出一个可控的触发脉冲改变回路的阻抗值，紧接着发出分闸命令给开关电源模块，由三个开关电源模块发出分闸触发脉冲给可控硅的控制极，使可控硅触发导通，则分闸电容器组经可控硅对已经阻抗变化了的分闸线圈放电，将电场能量转化为线圈的交变磁场能量，该磁通穿过涡流盘，在涡流盘中产生涡流，并同时产生一个去磁磁通，由于线圈和涡流盘两个磁场能量反向，产生一个较大的推斥力，推动涡流盘带动中轴连杆和吸板向下运动，当推斥力大于合闸保持磁铁的吸力时，中轴杆带动吸板向下运动并使灭弧室的动触头与静触头分离，并在缓冲器作用下加速向下运动，并最终被分闸保持磁铁吸住，而保持在分闸位置完成装置分闸动作，从而实现分闸速度根据短路状态自适应调节，分相动作、首半波过零点开断功能。
本发明的有益效果是：本发明结构简单，设计合理，通过采样系统短路时的电流和电压参数，计算出短路时的幅值、相位角和过零点，对线圈驱动磁通在运动的暂态过程进行均衡动态控制，自动根据短路状态调节开关的分闸速度，来满足不同短路状态对分闸时间的要求。同时，通过固定于真空断路器灭弧室固定座上洛克线圈对电流回路的采样和监测、控制，实现开关的智能监控和分相控制，同步投切的功能。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
如图1所示，一种自适应智能同步高速开关装置，包括真空灭弧室1、缓冲器2、吸板3、上磁轭4、下磁轭5、分闸线圈6、合闸线圈7、中轴杆8、涡流盘9、控制模板10、快速充电开关电源模块11、分闸电容器组12、合闸电容器组13、分闸可控硅14、合闸可控硅15、分闸自适应变阻抗器16、合闸自适应变阻抗器17；
真空灭弧室1上的动触头杆18与缓冲器2相连接，缓冲器2与中轴杆8相连接，中轴杆8上分别与钢制吸板3和铝制涡流盘9在相关位置进行固定紧固后，再分别穿过上磁轭4、下磁轭5、分闸线圈6、合闸线圈7，最后固定在中轴杆8的轴套19上，在上磁轭4和下磁轭5上分别固定有不锈钢的骨架，骨架内部对称放置有对等极数的永磁体20，永磁体20被骨架固定在上磁轭4和下磁轭5之上，在上磁轭4和下磁轭5上分别对称安装有光电传感器21，用于测量机构的分、合闸位置信号；所采用的分、合闸位置信号采用光电传感器21进行快速测量，保证了测量信号的抗干扰能力和准确性、快速性。
分闸电容器组12与合闸电容器组13的负极相连后，再连接到快速充电开关电源模块11的负极，分闸电容器组12和合闸电容器组13的正极分别经一个二极管22连接到快速充电开关电源模块11的正极后，又再分别并联一根导线，接到分、合闸可控硅14、15的阳极，而分、合闸可控硅14、15的阴极经分闸自适应变阻抗器16、合闸自适应变阻抗器17则分别接到分闸线圈6和合闸线圈7的进线端口，分闸线圈6与合闸线圈7的出线端口相并联后接到分闸电容器组12、合闸电容器组13的负极；快充开关电源模块11的脉冲输出分别接分闸可控硅14、合闸可控硅15的控制极；分合闸自适应变阻抗器16、17控制端连接到控制模块10的输出端，便于控制模块10根据计算得幅值和相位角发出一个可控的触发脉冲改变回路的阻抗值，从而实现分闸速度根据短路状态自适应调节，分相动作、首半波过零点开断的功能；
控制模块10的输入端分别接真空灭弧室1上的洛克线圈23的输出端、分合闸位置光电传感器21的输出端、系统三相电压信号端；控制模块10的输出端分别接快速充电开关电源模块11的分、合闸脉冲触发的输入端，便于控制模块10对快速充电开关电源模块11内部电路输出分、合闸信号后，再由快速充电开关电源模块11发出分、合闸触发脉冲，触发可控硅导通，来实现对开关的分、合闸操作。
骨架内部对称放置有至少三对对等极数的永磁体20，通过设置三对及以上的永磁体对称的放于分、合闸不锈钢骨架之间，并固定于铁轭之上，形成磁回路，在降低回路磁阻同时，不降低总的吸力。当中轴杆8带动吸板3做分闸或合闸运动时，由于多极磁场的对称，保证了吸板3在运动过程中所受上、下永磁体的磁场作用的对称和均衡，各部分磁力线通过钢制吸板表面上形成磁回路也保持对称和均衡，使整个吸板表面总受力比较平衡，不发生运动过程中的变形而导致摩擦力增加、中轴杆变形、机构不能分、合到位的问题。
与分闸线圈6相接触的上磁轭4，在机构的分闸线圈6通电产生强磁场时，能够有效屏蔽强脉冲磁场对永磁体的影响，又由于磁轭中的磁阻大，使磁轭中的涡流不太高，也不会对永磁体的磁场带来影响。
控制模块10安装在开关装置内部，通过采样三相洛克线圈23来进行电流瞬时值的快速判断，故障识别的时间小于2ms。并且控制模块10设置有对系统三相电压过零点自动采样计算、电流过零点时间自动计算功能，并通过自动延时程序发出分相触发信号，实现对电压过零点的分相投入控制，和对电流过零点的分相切除控制，以实现对开关装置的智能判断和同步投切功能。所采用的开关电源是快速充电电源，其对分合闸电容器组的充电时间小于0.5S，并且能够适应交、直流220V电源的场所。
本发明的工作原理如下：
1、当执行正常合闸操作时，通过按合闸按钮24给控制模块输入一个信号，控制模块10接收到合闸信号命令后，分别采样系统三相电压信号并测算出过零点的时间，经过延时程序后，分别发出三相机构的合闸命令脉冲给三相的快速充电开关电源模块11，由三个快速充电开关电源模块11发出合闸触发脉冲给合闸可控硅15的控制极，使合闸可控硅15触发导通，则合闸电容器组13经合闸可控硅15对合闸线圈7放电，将电场能量转化为线圈的交变磁场能量，该磁通穿过涡流盘9，在涡流盘9中产生涡流，并同时产生一个去磁磁通，由于线圈和涡流盘9两个磁场能量反向，产生一个较大的推斥力，推动涡流盘9带动中轴杆8和吸板3向上运动，当推斥力大于分闸保持磁铁的吸力时，中轴杆8带动吸板3向上运动到使真空灭弧室1的动触头18与静触头(图中未标示)接触，并在缓冲器2作用下降低反弹和弹跳，并最终被合闸保持磁铁吸住，而最终保持在合闸位置完成装置合闸动作，从而实现分相动作、过零点投入无冲击合闸的功能。
2、当执行正常分闸操作时，通过按分闸按钮25给控制模块10输入一个信号，控制模块10接收到分闸信号命令后，分别采样洛克线圈23三相电流信号并测算出过零点的时间，经过延时程序后，分别发出三相机构的分闸命令脉冲给三相的快速充电开关电源模块11，由三个快速充电开关电源模块11发出分闸触发脉冲给分闸可控硅14的控制极，使可控硅触发导通，则分闸电容器组12经可控硅对分闸线圈6放电，将电场能量转化为线圈的交变磁场能量，该磁通穿过涡流盘9，在涡流盘9中产生涡流，并同时产生一个去磁磁通，而产生一个较大的推斥力，推动涡流盘9带动中轴杆8和吸板3向下运动，当推斥力大于合闸保持磁铁的吸力时，中轴杆8带动吸板3向下运动到使真空灭弧室1的动触头18与静触头分离，并在缓冲器2作用下加速向下运动，并最终被分闸保持磁铁吸住，而保持在分闸位置完成装置分闸动作，从而实现分相动作、过零点切除的功能。
3、当通过真空灭弧室1的电流发展为短路电流，并超过控制模块10设定的整定值时，控制模块10通过独特的算法程序，在2ms内分别计算出三相短路电流的过零点时间和幅值、短路相位角后，控制模块10根据计算得幅值和相位角先发出一个可控的触发脉冲改变回路的阻抗值，紧接着发出分闸命令给快速充电开关电源模块11，由三个快速充电开关电源模块11发出分闸触发脉冲给可控硅的控制极，使可控硅触发导通，则分闸电容器组12经可控硅对已经阻抗变化了的分闸线圈放电，将电场能量转化为线圈的交变磁场能量，该磁通穿过涡流盘9，在涡流盘9中产生涡流，并同时产生一个去磁磁通，由于线圈和涡流盘9两个磁场能量反向，产生一个较大的推斥力，推动涡流盘9带动中轴杆8和吸板3向下运动，当推斥力大于合闸保持磁铁的吸力时，中轴杆8带动吸板3向下运动并使灭弧室的动触头18与静触头分离，并在缓冲器2作用下加速向下运动，并最终被分闸保持磁铁吸住，而保持在分闸位置完成装置分闸动作，从而实现分闸速度根据短路状态自适应调节，分相动作、首半波过零点开断功能。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (7)
1.一种自适应智能同步高速开关装置，其特征在于，包括真空灭弧室、缓冲器、吸板、上磁轭、下磁轭、分闸线圈、合闸线圈、中轴杆、涡流盘、控制模块、快速充电开关电源模块、分闸电容器组、合闸电容器组、可控硅、自适应变阻抗器；
所述真空灭弧室上的动触头杆与缓冲器相连接，所述缓冲器与中轴杆相连接，所述中轴杆上分别与吸板和涡流盘进行固定紧固后，再分别穿过上磁轭、下磁轭、分闸线圈及合闸线圈，最后固定在中轴杆的轴套上，在上磁轭和下磁轭上分别固定有骨架，所述骨架内部对称放置有对等极数的永磁体，所述永磁体被骨架固定在上、下磁轭之上，在上、下磁轭上分别对称安装有分、合闸光电传感器，用于测量分、合闸位置信号；
所述分闸电容器组与合闸电容器组的负极相连后，再连接到快速充电开关电源模块的负极，所述分闸电容器组和合闸电容器组的正极分别经一个二极管连接到快速充电开关电源模块的正极后，又再分别并联一根导线，接到分、合闸可控硅的阳极，而分、合闸可控硅的阴极经自适应变阻抗器则分别接到分闸线圈和合闸线圈的进线端口，分闸线圈与合闸线圈的出线端口相并联后接到分闸电容器组、合闸电容器组的负极；所述快速充电开关电源模块的脉冲输出分别接分闸可控硅、合闸可控硅的控制极；
所述控制模块的输入端分别接真空灭弧室上的洛克线圈的输出端、分合闸位置光电传感器的输出端、系统三相电压信号端；所述控制模块的输出端分别接快速充电开关电源模块的分、合闸脉冲触发的输入端，便于控制模块对快速充电开关电源模块内部电路输出分、合闸信号后，再由快速充电开关电源模块发出分、合闸触发脉冲，触发可控硅导通，来实现对开关的分、合闸操作；
所述控制模块安装在开关装置内部，通过采样三相洛克线圈来进行电流瞬时值的快速判断，故障识别的时间小于2ms，所述控制模块设置有对系统三相电压过零点自动采样计算、电流过零点时间自动计算功能，并通过自动延时程序发出分相触发信号，实现对电压过零点的分相投入控制，和对电流过零点的分相切除控制，以实现对开关装置的智能判断和同步投切功能。
2.根据权利要求1所述的自适应智能同步高速开关装置，其特征在于，所述骨架内部对称放置有至少三对对等极数的永磁体，通过设置三对及以上的永磁体对称的放于分、合闸骨架之间，并固定于上、下磁轭之上，形成磁回路，在降低回路磁阻同时，不降低总的吸力。
3.根据权利要求1所述的自适应智能同步高速开关装置，其特征在于，所述快速充电开关电源模块对分合闸电容器组的充电时间小于0.5s，并且能够适应交、直流220V电源的场所。
4.根据权利要求1所述的自适应智能同步高速开关装置，其特征在于，所述自适应变阻抗器控制端连接到控制模块的输出端，便于控制模块根据计算得幅值和相位角发出一个可控的触发脉冲改变回路的阻抗值，从而实现分闸速度根据短路状态自适应调节，分相动作、首半波过零点开断的功能。
5.根据权利要求1所述的自适应智能同步高速开关装置，其特征在于，所述的涡流盘为铝制涡流盘。
6.根据权利要求1所述的自适应智能同步高速开关装置，其特征在于，所述的骨架为不锈钢骨架。
7.一种权利要求1-6任一项所述开关装置的操控方法，其特征在于，方法如下：
(1)当执行正常合闸操作时，通过按合闸按钮给控制模块输入一个信号，控制模块接收到合闸信号命令后，分别采样系统三相电压信号并测算出过零点的时间，经过延时程序后，分别发出三相机构的合闸命令脉冲给三相的快速充电开关电源模块，由三个快速充电开关电源模块发出合闸触发脉冲给合闸可控硅的控制极，使合闸可控硅触发导通，则合闸电容器组经合闸可控硅对合闸线圈放电，将电场能量转化为合闸线圈的交变磁场能量，该交变磁场能量穿过涡流盘，在涡流盘中产生涡流，并同时产生一个去磁磁通，由于合闸线圈和涡流盘两个磁场能量反向，产生一个较大的推斥力，推动涡流盘带动中轴杆和吸板向上运动，当推斥力大于永磁体的吸力时，中轴杆带动吸板向上运动到使真空灭弧室的动触头与静触头接触，并在缓冲器作用下降低反弹和弹跳，并最终被永磁体吸住，而最终保持在合闸位置完成装置合闸动作，从而实现分相动作、过零点投入无冲击合闸的功能；
(2)当执行正常分闸操作时，通过按分闸按钮给控制模块输入一个信号，控制模块接收到分闸信号命令后，分别采样洛克线圈三相电流信号并测算出过零点的时间，经过延时程序后，分别发出三相机构的分闸命令脉冲给三相的快速充电开关电源模块，由三个快速充电开关电源模块发出分闸触发脉冲给分闸可控硅的控制极，使分闸可控硅触发导通，则分闸电容器组经分闸可控硅对分闸线圈放电，将电场能量转化为分闸线圈的交变磁场能量，该交变磁场能量穿过涡流盘，在涡流盘中产生涡流，并同时产生一个去磁磁通，而产生一个较大的推斥力，推动涡流盘带动中轴杆和吸板向下运动，当推斥力大于永磁体的吸力时，中轴杆带动吸板向下运动到使灭弧室的动触头与静触头分离，并在缓冲器作用下加速向下运动，并最终被永磁体吸住，而保持在分闸位置完成装置分闸动作，从而实现分相动作、过零点切除的功能；
(3)当通过灭弧室的电流发展为短路电流，并超过控制模块设定的指定值时，控制模块通过算法程序，在2ms内分别计算出三相短路电流的过零点时间和幅值、短路相位角后，控制模块根据计算得幅值和相位角先发出一个可控的触发脉冲改变回路的阻抗值，紧接着发出分闸命令给快速充电开关电源模块，由三个快速充电开关电源模块发出分闸触发脉冲给分闸可控硅的控制极，使分闸可控硅触发导通，则分闸电容器组经分闸可控硅对已经阻抗变化了的分闸线圈放电，将电场能量转化为分闸线圈的交变磁场能量，该交变磁场能量穿过涡流盘，在涡流盘中产生涡流，并同时产生一个去磁磁通，由于分闸线圈和涡流盘两个磁场能量反向，产生一个较大的推斥力，推动涡流盘带动中轴杆和吸板向下运动，当推斥力大于永磁体的吸力时，中轴杆带动吸板向下运动并使灭弧室的动触头与静触头分离，并在缓冲器作用下加速向下运动，并最终被永磁体吸住，而保持在分闸位置完成装置分闸动作，从而实现分闸速度根据短路状态自适应调节，分相动作、首半波过零点开断功能。
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