CN107317300B - 智能自动重合闸装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种智能自动重合闸装置，包括分相精准快速开关、微机综合控制器、电流互感器CT、电压互感器PT1和电压互感器PT2；分相精准快速开关所在线路上安装有电流互感器CT；分相精准快速开关的静触头端安装有用于检测静触头电压的电压互感器PT1；分相精准快速开关的动触头端安装有用于检测动触头电压的电压互感器PT2；电流互感器CT、电压互感器PT1和电压互感器PT2的输出端连接微机综合控制器的输入端；微机综合控制器的输出端连接分相精准快速开关，用于控制分相精准快速开关的分合闸操作。本发明在线路故障发生后短路电流的第一次过零点快速切除故障，保证非故障线路的重要敏感设备连续不间断运行，还可大大提高断路器开断能力和开断寿命。

Description

智能自动重合闸装置
技术领域
本发明涉及继电保护领域，特别涉及一种自动重合闸装置。
背景技术
自动重合闸装置，是一种将因线路故障跳开后的断路器再次按需要自动投入的装置，广泛应用于架空线路上，是缩短停电时间、提高供电可靠性的有效措施之一。即当线路发生短路时，继电保护控制断路器跳闸，切除故障，自动重合闸装置经设定的延时待故障点的绝缘恢复后控制断路器重合，恢复对线路的供电。
大多数情况下，架空线路的绝缘介质是空气，故障点的电弧因线路跳闸而熄弧后绝缘很快恢复，发生在架空线路的短路多为瞬时性故障，重合闸成功率很高，从而大大提高了线路的供电的可靠性。
目前市场上的自动重合闸装置，仅仅是指控制部分，需要借助现场的普通断路器才能完成重合闸操作。由于普通断路器的固有分闸时间长达40～60ms，分合闸分散度达3～5ms，继电保护出口时间20～40ms，这就存在以下问题：
①计入继电保护出口时间、断路器固有分闸时间和燃弧时间，短路故障要经过70～120ms才能被切除，在故障线路切除之前的“电压暂降”持续时间内，将会引起变频器、交流接触器、电磁阀、气体放电灯、音响等设备的停运，即使瞬时性故障重合闸成功对于这类敏感负荷也不能避免停运事故，并由此导致经济损失或政治影响。
②断路器刚分时刻极有可能位于短路电流的小半波范围内，在断路器分闸后短路电流的第一次过零时刻，触头之间的的开距和灭弧室内的断口绝缘还没来得及恢复到设计水平，短路电流过零后将会发生重燃，直到下一次过零点才能完成开断。由于整个开断过程中，触头之间燃弧时间过长、电弧对触头的烧伤过重，必然会大大削弱断路器开断的安全余度和开断寿命，从而严重影响开断的可靠性。
③若断路器刚分时刻短路电流瞬时值很大，则还将引起开断过程中的截流过电压。
④由于普通断路器动作分散度过大，当断路器两端压差较大时完成重合闸，就会给系统或设备造成冲击，尤其线路带有变压器、电容器等负载时，合闸时的涌流甚至可能导致继电保护误动作。
发明内容
本发明的目的在于提供一种智能自动重合闸装置，以解决上述技术问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
智能自动重合闸装置，包括分相精准快速开关；分相精准快速开关，包括真空灭弧室、绝缘拉杆、分闸线圈、合闸线圈、涡流盘、分闸储能电容、合闸储能电容、分闸放电控制开关、合闸放电控制开关和充电电源；绝缘拉杆一端连接真空灭弧室的动触头，另一端连接涡流盘；涡流盘的两侧分别布置有分闸线圈和合闸线圈；分闸储能电容的正极连接充电电源的正极和分闸放电控制开关的正极；分闸放电控制开关的负极连接分闸线圈的一个接线端，分闸线圈的另一个接线端连接分闸储能电容的负极连接充电电源的负极；合闸储能电容的正极连接充电电源的正极和合闸放电控制开关的正极；合闸放电控制开关的负极连接合闸线圈的一个接线端，合闸线圈的另一个接线端连接合闸储能电容的负极连接充电电源的负极。
进一步的，还包括微机综合控制器、电流互感器CT、电压互感器PT1和电压互感器PT2；分相精准快速开关所在线路上安装有电流互感器CT；分相精准快速开关的静触头端安装有用于检测静触头电压的电压互感器PT1；分相精准快速开关的动触头端安装有用于检测动触头电压的电压互感器PT2；电流互感器CT、电压互感器PT1和电压互感器PT2的输出端连接微机综合控制器的输入端；微机综合控制器的输出端连接分相精准快速开关，用于控制分相精准快速开关的分合闸操作。
进一步的，微机综合控制器策划了用于快速切除近端故障的快速过流Ⅰ段保护和用于重合闸后加速的快速过流Ⅱ段保护，用于在2ms内快速识别出短路电流的幅值并预测出过零点，根据分相精准快速开关的分闸时间、分闸分散度和预留时间，分别控制各相分相精准快速开关在电流过零时刻完成分闸，实现过零开断。
进一步的，微机综合控制器策划了以均方根作为判据的过流Ⅰ段、过流Ⅱ段、过流Ⅲ段和按照最大负荷电流整定的用于发出故障报警信号的过负荷保护，其中过流Ⅰ段、过流Ⅱ段和过流Ⅲ段保护在25ms之内识别出短路电流的幅值，并预测出短路电流的过零点，根据分相精准快速开关的分闸时间、分闸分散度和预留时间，分别控制各相分相精准快速开关在电流过零时刻完成分闸，实现过零开断。
进一步的，微机综合控制器在故障线路被切除后，按照预先设置的延时时间开始控制分相精准快速开关完成重合闸操作；在执行重合闸操作过程中，微机综合控制器通过设置在分相精准快速开关两侧的电压互感器检测触头之间的电压差，并在在计入分相精准快速开关合闸时间、合闸分散度并预留余量的情况下，依次精准控制各相分相精准快速开关在电压差为零的时刻完成合闸。
进一步的，智能自动重合闸装置重合于瞬时性故障则重合成功，立即负荷对线路的供电；若智能自动重合闸装置重合于永久性故障，则立即启动快速过流Ⅱ段，在20ms之内快速切除故障，实现快速重合闸后加速。
进一步的，分相精准快速开关采用涡流驱动机构，分闸时间小于5ms，合闸时间7～10ms，分闸分散度小于0.1ms，合闸分散度小于0.2ms。
进一步的，微机综合控制器采用欧拉拟合矩阵瞬态算法，实时拟合电流、电压曲线，通过矩阵动态矫正，预测出电流的幅值和过零时刻，根据需要按照预先设置的方式发出分相精准快速开关的分、合闸指令。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明一种智能自动重合闸装置，可在线路故障发生后短路电流的第一次过零点快速切除故障，保证非故障线路的重要敏感设备连续不间断运行，还可大大提高断路器开断能力和开断寿命；故障线路切除后达到设定的延时时间微机综合控制器自动选择在断路器两侧电压差为零的时刻完成合闸，避免空载合闸过电压或大电流冲击。
附图说明
图1为分相精准快速开关的结构示意图；
图2为智能自动重合闸装置的结构示意图。
具体实施方式
本发明是基于低分散度的分相精准快速开关、短路故障的快速识别技术、精准相控技术的一种智能自动重合闸装置。
一、分相精准快速开关
如图1所示，分相精准快速开关，包括真空灭弧室1、绝缘拉杆2、分闸线圈3、合闸线圈4、涡流盘5、分闸储能电容6、合闸储能电容7、分闸放电控制开关8、合闸放电控制开关9和充电电源10。
绝缘拉杆2一端连接真空灭弧室1的动触头，另一端连接涡流盘5；涡流盘5的两侧分别布置有分闸线圈3和合闸线圈4；分闸储能电容6的正极连接充电电源10的正极和分闸放电控制开关8的正极；分闸放电控制开关8的负极连接分闸线圈3的一个接线端，分闸线圈3的另一个接线端连接分闸储能电容6的负极连接充电电源10的负极；合闸储能电容7的正极连接充电电源10的正极和合闸放电控制开关9的正极；合闸放电控制开关9的负极连接合闸线圈4的一个接线端，合闸线圈4的另一个接线端连接合闸储能电容7的负极连接充电电源10的负极。
具体动作原理为：
正常工作时，通过充电电源10很快完成对分闸储能电容6、合闸储能电容7的充电。需要分闸时分闸放电控制开关8导通，分闸储能电容6向分闸线圈3放电，产生强度很高的脉冲电流，并产生脉冲磁场。脉冲磁场的磁力线穿过涡流盘5时在涡流盘5中感应出涡流，并产生涡流磁场。脉冲磁场对涡流磁场的排斥力推动涡流盘5向下运动，同时通过绝缘拉杆2带动真空灭弧室1的动触头完成分闸动作。合闸过程恰好相反，合闸线圈4的脉冲磁场推动涡流盘5向上运动，同时带动动触头完成合闸。
由于机构大大简化，运动部分的质量只有普通断路器的十分之一左右，为提高断路器的动作速度创造了条件。另一方面，采用电容储能，加大了驱动力，这就大大提高了分、合闸速度。
分相精准快速开关的主要特征，一是动作快，分闸时间在3～5ms以内，合闸时间在7～10ms；二是精准，分闸分散度小于0.1ms，合闸分散度小于0.2ms，能够做到合闸和开断过程冲击、无截流，不产生过电压。
二、短路故障快速识别技术
微机综合控制器采用欧拉拟合矩阵瞬态算法，实时拟合电流、电压曲线，通过矩阵动态矫正，在2ms之内预测出电流的幅值和过零时刻，根据需要按照预先设置的方式发出断路器的分、合闸指令。
三、精准相控技术
微机综合控制器实时检测三相电流的幅值并预测过零点，如果系统发生两相短路，则两相电流同时过零，微机综合控制器在考虑断路器分闸分散度情况下精确控制两相断路器在电流过零时刻完成分闸并分闸到位，使得电弧过零点熄灭后触头之间的绝缘迅速恢复，保证电弧熄灭后不再重燃，从而在电流的第一次过零点完成开断。
如果系统发生三相短路，对于电流最先过零的那一相，微机综合控制器在计入断路器分闸时间、分闸分散度并留有余量的情况下，精确控制首开相断路器在电流过零时刻完成分闸并分闸到位，使得电弧在过零点熄灭后触头之间的绝缘迅速恢复并完成开断；首开相完成开断后，系统由三相短路转变为两相短路，微机综合控制器精准地控制两个后开相在两相短路电流过零时刻完成分闸，最后开断三相短路故障。
实现过零开断后，各相断路器都是在电流过零前的时刻开断，使得在整个开断过程中电弧对触头的烧伤大大减轻，不仅提高了断路器的开断能力，也大幅度地提高了断路器的开断寿命，还可有效避免截流过电压。
工作原理：
1、线路发生相间短路时，如果故障点在微机综合控制器快速过流Ⅰ段保护范围内，则微机综合控制器的快速过流Ⅰ段保护分别控制分相精准快速开关在短路电流过零时刻分闸并完成开断，整个开断过程小于20ms，大大提高系统的动热稳定余度；如果故障点在微机综合控制器快速过流Ⅰ段保护范围以外，则微机综合控制器过流Ⅱ段或过流Ⅲ段保护按照设定的动作时限，分别控制分相精准快速开关在短路电流过零时刻分闸并完成开断，大大提高分相精准快速开关的开断余度和开断寿命。
2、线路故障被切除后，达到预定的延时时间(通常为1～2s)微机综合控制器分别控制三相的分相精准快速开关在触头之间电压差为零时刻合闸，减小合闸冲击。
3、若是瞬时性故障，第一次重合闸成功后线路恢复正常供电；若是永久性故障，则微机综合控制器自动按照整定值大约在3倍最大负荷电流快速过流的快速过流Ⅱ段保护整定值加速跳闸，在20ms内完成短路故障的过零开断。
4、当微机综合控制器接到操作后台发出的手动合闸命令或现地手动合闸命令后，分别控制三相的分相精准快速开关在触头之间电压差为零时刻合闸，减小合闸冲击。
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了解，下面具体结合图2进一步阐述本发明。
如图2所示，本发明一种智能自动重合闸装置，主要由微机综合控制器11、分相精准快速开关12、电流互感器CT、电压互感器PT1和电压互感器PT2组成。
分相精准快速开关12所在线路上安装有电流互感器CT；分相精准快速开关12的静触头端安装有用于检测静触头电压的电压互感器PT1；分相精准快速开关12的动触头端安装有用于检测动触头电压的电压互感器PT2；电流互感器CT、电压互感器PT1和电压互感器PT2的输出端连接微机综合控制器11的输入端；微机综合控制器11的输出端连接分相精准快速开关12，用于控制分相精准快速开关12的分合闸操作。
微机综合控制器11设置有基于短路故障快速识别技术的快速过流Ⅰ段保护和快速过流Ⅱ段保护，可以在短路故障发生后的2ms左右识别出短路电流的幅值并预测出短路电流的过零点。快速过流Ⅰ段整定值与常规速断保护相同，快速过流Ⅱ段保护一般整定为线路最大负荷电流的3倍左右，只有重合闸指令发出后才启用，作为重合闸后加速保护。
微机综合控制器11还设有以均方根作为判据的常规按照选择性和灵敏性整定的速断保护(过流Ⅰ段)、过流Ⅱ段保护、过流Ⅲ段保护、过负荷保护，采用均方根判据，采样时间为20ms，保护出口时间不大于25ms，过流Ⅰ段、过流Ⅱ段和过流Ⅲ段保护除计算各相电流的幅值(均方根)外还能预测短路电流的过零点，速断保护作为快速过流Ⅰ段保护的后备。
正常运行时三相分相精准快速开关均位于合闸状态，向线路负荷正常供电，微机综合控制器11通过电流互感器CT提供的二次电流信号实时监测三相电流的幅值。
当线路发生相间短路时，智能自动重合闸装置由切除故障线路到自动重合闸的动作过程的步骤如下：
1、短路故障点位于微机综合控制器的快速过流Ⅰ段保护范围内
一旦智能自动重合闸装置线路侧发生相间短路且短路故障点位于微机综合控制器11快速过流Ⅰ段保护范围内，则微机综合控制器11在短路故障发生后的2ms快速识别出短路电流的幅值并预测出过零时刻，立即分别控制故障相的分相精准快速开关12在短路电流过零时刻完成开断。
如果线路发生两相短路，则两相电流同时过零，微机综合控制器11在计入分相精准快速开关12分闸时间、分闸分散度并预留余量的情况下，精确控制两故障相的分相精准快速开关12在电流过零时刻完成分闸并分闸到位，使得电弧过零熄灭后触头之间的绝缘迅速恢复，电弧熄灭后不再重燃，从而完成开断。
如果系统发生三相短路，对于电流最先过零点的那一相，微机综合控制器11在计入分相精准快速开关12分闸时间、分闸分散度并预留余量情况下，精确控制首开相分相精准快速开关12在电流过零时刻完成分闸并分闸到位，使得电弧过零点熄灭后触头之间的绝缘迅速恢复并完成开断；首开相完成开断后，系统由三相短路故障转变为两相短路故障，微机综合控制器11精准地控制其余两相分相精准快速开关12在两相短路电流过零时刻完成分闸，最后开断三相短路故障。
2、短路故障点位于微机综合控制器11的快速过流Ⅰ段保护范围以外
如果故障点位于微机综合控制器快速过流Ⅰ段保护范围以外，则由微机综合控制器11的常规的以均方根作为判据的过流Ⅱ段或过流Ⅲ段保护按照预先设置的动作时限，分别控制故障相的分相精准快速开关12在短路电流过零时刻完成开断。
如果线路发生两相短路，则两相电流同时过零，微机综合控制器11在计入分相精准快速开关12分闸时间、分闸分散度并预留适当余量的情况下，精确控制两故障相的分相精准快速开关12在电流过零时刻完成分闸并分闸到位，使得电弧过零点熄灭后触头之间的绝缘迅速恢复，电弧熄灭后不再重燃，从而完成开断。
如果系统发生三相短路，对于电流最先过零点的那一相，微机综合控制器11在计入分相精准快速开关12分闸时间、分闸分散度并预留余量情况下，精确控制首开相分相精准快速开关12在电流过零时刻完成分闸并分闸到位，使得电弧过零点熄灭后触头之间的绝缘迅速恢复并完成开断；首开相完成开断后，系统由三相短路故障转变为两相短路故障，微机综合控制器11精准地控制其余两相的分相精准快速开关12在两相短路电流过零时刻完成分闸，最后开断三相短路故障。
微机综合控制器11的常规的以均方根作为判据的速断保护，即过流Ⅰ段保护，作为快速过流保护的后备。当快速过流保护因故障或短路电流位于快速过流Ⅰ段保护范围的边缘而拒动时，常规的以均方根作为判据的速断保护(过流Ⅰ段)分别控制各相的分相精准快速开关12在短路电流过零点完成开断。
3、智能自动重合闸动作过程
故障线路被切除后，智能自动重合闸装置的微机综合控制器11按照预先设置的延时时间(通常为1～2s)开始控制分相精准快速开关进行重合闸操作。微机综合控制器11通过电压互感器PT1和电压互感器PT2分别检测各相分相精准快速开关12触头两端的电压差，在计入分相精准快速开关合闸时间、合闸分散度并预留余量的情况下，依次精准控制各相分相精准快速开关在电压差为零的时刻完成合闸，避免合闸过程引起的大电流或高电压的冲击。
若线路发生的是瞬时性短路故障，则在短路故障被切除后故障点的电弧很快熄灭，故障点的绝缘在预先设定的延时时间(通常为1～2s)内迅速恢复，当智能自动重合闸装置完成重合闸动作后，线路即可恢复正常供电。
如果线路发生的是永久性短路故障，则由于线路故障点依然存在，智能自动重合闸装置将重合于永久性短路故障，电流迅速升高。微机综合控制器11启动快速过流Ⅱ段保护在20ms之内短路电流过零时刻完成开断，加速切除故障。
4、现地或远方的分、合闸操作过程
智能自动重合闸装置接收到来自于监控后台的远方合闸操作命令或者来自于现地的手动合闸操作命令后，微机控制器11通过电压互感器PT1和电压互感器PT2分别检测三相分相精准快速开关触头两端的电压差，在计入分相精准快速开关合闸时间、合闸分散度并预留适当余量的情况下，依次精准控制三相的分相精准快速开关在电压差为零的时刻完成合闸，避免合闸过程引起的大电流或高电压的冲击。
智能自动重合闸装置接收到来自于监控后台的远方分闸操作命令或者来自于现地的手动分闸操作命令后，微机控制器11通过电流互感器CT检测各相电流并预测过零点，依次控制分相精准快速开关在电流过零时刻完成分闸。

Claims (4)

1.智能自动重合闸装置，其特征在于，包括分相精准快速开关；分相精准快速开关，包括真空灭弧室(1)、绝缘拉杆(2)、分闸线圈(3)、合闸线圈(4)、涡流盘(5)、分闸储能电容(6)、合闸储能电容(7)、分闸放电控制开关(8)、合闸放电控制开关(9)和充电电源(10)；绝缘拉杆(2)一端连接真空灭弧室(1)的动触头，另一端连接涡流盘(5)；涡流盘(5)的两侧分别布置有分闸线圈(3)和合闸线圈(4)；分闸储能电容(6)的正极连接充电电源(10)的正极和分闸放电控制开关(8)的正极；分闸放电控制开关(8)的负极连接分闸线圈(3)的一个接线端，分闸线圈(3)的另一个接线端连接分闸储能电容(6)的负极连接充电电源(10)的负极；合闸储能电容(7)的正极连接充电电源(10)的正极和合闸放电控制开关(9)的正极；合闸放电控制开关(9)的负极连接合闸线圈(4)的一个接线端，合闸线圈(4)的另一个接线端连接合闸储能电容(7)的负极连接充电电源(10)的负极；
还包括微机综合控制器(11)、电流互感器CT、电压互感器PT1和电压互感器PT2；分相精准快速开关所在线路上安装有电流互感器CT；分相精准快速开关的静触头端安装有用于检测静触头电压的电压互感器PT1；分相精准快速开关的动触头端安装有用于检测动触头电压的电压互感器PT2；电流互感器CT、电压互感器PT1和电压互感器PT2的输出端连接微机综合控制器(11)的输入端；微机综合控制器(11)的输出端连接分相精准快速开关，用于控制分相精准快速开关的分合闸操作；
微机综合控制器(11)策划了用于快速切除近端故障的快速过流Ⅰ段保护和用于重合闸后加速的快速过流Ⅱ段保护，用于在2ms内快速识别出短路电流的幅值并预测出过零点，根据分相精准快速开关的分闸时间、分闸分散度和预留时间，分别控制各相分相精准快速开关在电流过零时刻完成分闸，实现过零开断；
微机综合控制器(11)还策划了以均方根作为判据的过流Ⅰ段、过流Ⅱ段、过流Ⅲ段和按照最大负荷电流整定的用于发出故障报警信号的过负荷保护，其中过流Ⅰ段、过流Ⅱ段和过流Ⅲ段保护在25ms之内识别出短路电流的幅值，并预测出短路电流的过零点，根据分相精准快速开关的分闸时间、分闸分散度和预留时间，分别控制各相分相精准快速开关在电流过零时刻完成分闸，实现过零开断；
微机综合控制器采用欧拉拟合矩阵瞬态算法，实时拟合电流、电压曲线，通过矩阵动态矫正，预测出电流的幅值和过零时刻，根据需要按照预先设置的方式发出分相精准快速开关的分、合闸指令。
2.根据权利要求1所述的智能自动重合闸装置，其特征在于，微机综合控制器(11)在故障线路被切除后，按照预先设置的延时时间开始控制分相精准快速开关完成重合闸操作；在执行重合闸操作过程中，微机综合控制器通过设置在分相精准快速开关两侧的电压互感器检测触头之间的电压差，并在在计入分相精准快速开关合闸时间、合闸分散度并预留余量的情况下，依次精准控制各相分相精准快速开关在电压差为零的时刻完成合闸。
3.根据权利要求1所述的智能自动重合闸装置，其特征在于，智能自动重合闸装置重合于瞬时性故障则重合成功，立即负荷对线路的供电；若智能自动重合闸装置重合于永久性故障，则立即启动快速过流Ⅱ段，在20ms之内快速切除故障，实现快速重合闸后加速。
4.根据权利要求1所述的智能自动重合闸装置，其特征在于，分相精准快速开关采用涡流驱动机构，分闸时间小于5ms，合闸时间7～10ms，分闸分散度小于0.1ms，合闸分散度小于0.2ms。
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