CN107851534B - 电力配电开关柜和电力电流切断方法 - Google Patents

电力配电开关柜和电力电流切断方法 Download PDF

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Abstract

电力配电开关柜(11)连接在电网与电力设备(12)之间。该开关设备包括(i)同步真空开关装备(16)，该同步真空开关装备(16)被配置成使用同步技术来切断到电力设备(12)的电流以避免在切断期间的逆弧并且因此避免由这种逆弧所引起的任何暂态；和(ii)连接到电力设备(12)的电涌放电器装置(17)，该电涌放电器装置(17)被设计和配置成仅处理由在切断期间的电流斩波所引起的暂态。由此，电涌放电器装置(17)可以远离电力设备(12)被布置，诸如例如被布置成与同步真空开关装备(16)在同一壳体(21)中。

Description

电力配电开关柜和电力电流切断方法
技术领域
本发明涉及电力配电开关柜和电力电流切断方法。
背景技术
电力配电网络由开关装备保护和控制。
断路器可以是自动操作的电气开关，其被设计成保护电路免受由过载或短路引起的损坏。其基本功能是检测故障状况并中断电流流动。与操作一次则必须更换的保险丝不同，断路器可以被(手动或自动地)重置以恢复正常操作。
断路器也越来越多地用于接通和关断负载。
断路器做成各种尺寸，从保护单个家用电器的小型装置到被设计成保护对整个城市供电的高压电路的大型开关柜。
断路器触点必须在不过热的情况下承载负载电流，并且还必须承受在中断(断开)电路时产生的电弧热量。触点可以由铜或者铜合金(诸如例如铜钨合金、银合金)和其它高导电性材料制成。触点的使用寿命受到中断电流时因电弧引起的触点材料侵蚀的限制。微型断路器和塑壳断路器在触头磨损时通常被丢弃，但是电力断路器和高压断路器具有可更换的触点。
当电流被中断时会产生电弧。必须以受控的方式遏制、冷却和熄灭该电弧，以使得触点之间的间隙可以再次承受电路中的电压。不同的断路器使用真空、空气、绝缘气体或油来作为电弧在其中形成的介质。
其他类型的电气开关是负载断路开关和接触器。它们也用于接通和关断负载。
发明内容
真空断路器能够中断高频电流，因此在中断处可能出现多个逆弧，尤其是在纯电感性负载或部分电感性负载的情况下。
当使用真空断路器断开在电力系统的两个通电部分之间的配电电流时，将该操作与通过断路器的电流的相位角进行同步是有益的。如果这种匹配或“同步”过程没有正确完成，那么可能导致电力系统的干扰并且可能损坏电力设备。为了正确进行同步，必须知道或密切监视断路器的以下不同方面：
·电压和/或电流的幅度
·电压和/或电流的频率
·电压和/或电流的相角
真空断路器的同步已经得到了广泛的研究并且存在许多同步技术，但是这些技术通常局限于特定操作情况。可以设计真空断路器的同步，以避免由于在断路器断开期间的逆弧和虚拟电流斩波而引起的暂态。由于它们的幅值、陡度以及频率(至少不是)，这些暂态是最坏的暂态。
本发明基于这样的认识：虽然同步技术通常具有良好的性能，但是由于可能发生不同的现象，因此也仍然难以处理可能切断过程的所有方面，因为可能发生不同的现象，这些现象可需要必须以不同的方式来处理。因此，不同的同步技术在不同环境中具有不同的性能，在不同的环境中切断过程期间发生不同现象。
本发明的目的是提供一种电力配电开关柜，其包括同步真空断路器，但是该电力配电开关柜在执行切断过程的同时仍然能够减轻或至少缓解暂态过电压的问题。
这些目的通过如所附专利权利要求中所述的电力配电开关柜和切断配电电流的方法来达到。
根据第一方面，电力配电开关柜连接在电网与电力设备之间，构成纯电感性负载或部分电感性负载。在一个实施例中，电力设备是三相电力系统的变压器。
电力配电开关柜包括：
(i)同步真空开关装备，例如真空断路器或真空接触器或真空负载断路开关，其被配置成使用与通过该装备的电流同步的技术来切断到所述电力设备的电流，以避免在切断期间的逆弧以及因此避免由这种逆弧所引起的暂态过电压；和
(ii)连接到所述电力设备的电涌放电器装置，该电涌放电器装置被设计和配置成仅处理由断开时负载电流的电流斩波所引起的暂态。
真空断路器的同步使得真空断路器在相电流不等于零的相角处切断每相的电流。在一种变形中，同步真空断路器大致在相电压具有过零点的相角时或者在此之后，开始断开每相的触点。对于纯电感性负载，这意味着触点在离电流过零点大约四分之一周期或更短处开始断开。对于50Hz的三相系统，触点可以在电流过零点之前大约1、2、3、4或5ms处断开。
开关装备的触点分离应当在电流的相角处开始以确保在电流被中断之前的燃弧时间，该电弧时间足够长以使得触点分离足够大以承受电流被中断之后的恢复电压，这样防止逆弧和重放电。过短的燃弧时间可能导致逆弧，而过长的燃弧时间可能导致开关装备触点的磨损。合适的燃弧时间可以从大约0.5ms到对应于通过开关装备电流的大约四分之一周期。典型地，由所述逆弧所引起的暂态过电压可以具有第一频率成分，并且由切断时负载电流的电流斩波所引起的暂态可以具有第二频率成分，该第二频率成分比第一频率成分的范围小或小得多。因此，由逆弧所引起的暂态过电压难以通过诸如电涌放电器的传统保护装置进行处理，因为它们需要被放置在非常靠近其旨在保护的设备的位置，然而电涌放电器装置可以容易地被设计和配置成处理由断路时的电流斩波所引起的较低频率(例如kHz区域)的缓慢变化的过电压。另一个好处是，较低频率的过电压允许电涌放电器装置的位置远离其旨在保护的设备。这里的“远”指的是远离该设备的选定距离，而不是绝对接近该设备。
这里的电流斩波被理解为当电弧熄灭时交流电的中断，该中断在交流点的中性零点之前或略微之前。
通过上述规定，电涌放电器装置不需要位于与其所保护的电力设备直接连接的位置，而是可以如上所述位于远离该电力设备的位置。这是因为由电流斩波所引起的暂态过电压的频率较低(通常在kHz范围内)。
在一个实施例中，电力配电开关柜包括具有容纳开关装备和电涌放电器装置两者的隔室的外壳，其中电涌放电器装置被连接到电力配电开关柜的电力设备侧以便处理由切断电流时电流斩波所引起的缓慢变化的过电压。
由此，开关装备和电涌放电器装置都可以被放置在共同的机柜中。尽管同步真空开关装备的电极可以被布置在真空室中，但是该同步真空开关设备的一部分或全部以及可选地还有电涌放电器装置，可以被布置在密封的气密封装中，该气密封装可以包括介电绝缘介质。介电绝缘介质可以包括绝缘气体，优选为GWP小于2300的气体，并且优选为小于150的GWP的气体。合适的介电绝缘气体可以是有机氟化合物和/或环氧乙烷，有机氟化合物选自由氟环氧乙烷、氟胺、含氟酮、氟代烯烃以及它们的混合物和/或分解产物所组成的组。
在一个实施例中，同步真空开关装备是多极装备，其中所有相被同时中断。然而，上述类型的多极装备可以被可用于最初中断一相中的电流，并且在小于半个周期(相对于使用的交流电)之后的时间处中断所有其他相。例如，对于50Hz的系统，第二次中断可以在给定50Hz的系统的第一次中断的小于10ms(诸如例如大约5ms)之后启动。
根据第二方面，提供了一种切断电力配电开关柜中的电力电流的方法。根据该方法，通过同步真空开关装备，使用与通过开关装备(到电力设备)的电流同步的技术，来切断到电力设备的电流，以便避免在切断期间的逆弧以及因此避免由这种逆弧所引起的任何暂态过电压。此外，由切断时电流所引起的暂态通过连接到电力设备的电涌放电器装置进行处理，该电涌放电器装置被设计和配置成仅处理由电流斩波引起的过电压，该过电压与具有较高频率并且通过同步切断而被避免的其他暂态相比是缓慢变化的(例如在kHz范围内)。
由电涌放电器装置处理的暂态电压由于其更缓慢的电压水平变化而(与其它暂态相比)更容易被电涌放电器装置进行处理，结果，电涌放电器装置不必被布置成与待保护的电力设备直接连接，而是可以被布置在距离该电力设备的选定距离处，诸如在电力配电开关柜的机柜内，于是该机柜容纳同步真空开关装备和电涌放电器装置两者。电流斩波导致的暂态过电压频率越低，那么距离待保护设备越远，电涌放电器装置可以在被安装而同时仍然处理其职责。
应当理解的是，上面公开的关于第一方面的细节和实施例等同地比照可适用于第二方面的方法。
上面公开的电力配电开关柜可以是额定电压为72kV或更低的中压装置，因此，电力设备和该电力设备所连接的电网也具有在中压范围内的额定电压。
从以下给出的本发明优选实施例的详细描述以及附图1-3，本发明的其它特性和优点将是显而易见的，这些特性和优点仅作为说明给出，因此并不限制本发明。
附图说明
图1示意性地图示了根据实施例的包括电力配电开关柜的电力配电系统的电路图。
图2示意性地图示了图1的电力配电开关柜的端视图。
图3示意性地图示了切断电力电流的方法的实施例的流程图。
具体实施方式
图1示意性地图示了根据实施例的包括电力配电开关柜11的三相电力配电系统的电路图。
电力配电系统包括经由电力线13连接的电力设备12、电力配电开关柜11和连接到电网的电力线14。电力设备12可以构成电感性负载15，并且可以例如包括变压器。
电力配电开关柜11包括用于切断电力线13、14之间的电流的同步真空断路器16，以及用于在实行断电过程的情况下保护电力设备12免受某种暂态的电涌放电器装置17。
在切断过程期间真空断路器16与通过其电感性电流的同步被用于避免第一类暂态，即在切断期间可能由于逆弧和虚拟电流斩波而发生的暂态。这些暂态用电涌放电器装置处理是复杂且昂贵的，但是这些暂态可以通过在切断过程期间真空断路器16的适当同步来部分或完全地被避免。
真空断路器16的同步可以使得真空断路器触点以电流的相角断开，这对于50Hz的系统而言允许在电流被电流斩波中断之前的大约1、2、3、4或5ms的燃弧时间。
在一种变形中，同步真空断路器的触点大致在相电压具有过零点的相角时断开或者在此之后断开。对于纯电感性负载，这意味着触点在离电流过零点大约四分之一周期处(即在最大电流处)开始断开，或者在此之后(但仍然在电流过零点之前)开始断开，诸如在50Hz系统中的电流过零点之前大约1、2、3、4或5ms时。相电流的这种断开将使逆弧的风险最小化，也就是说，在断路器电极分离的最初部分期间，电流幅值的绝对值朝向零递减。当电流幅值到达斩波电平时，断路器电极之间的距离将会足够大以使逆弧的风险最小化。
该同步不处理由切断(即自然过零点之前电流的瞬间切断)时负载电流的电流斩波所引起的暂态，但是由此所引起的过电压暂态具有比使用同步处理且避免的暂态更低或低得多的频率成分。该过电压暂态具有相当低的频率(诸如例如在kHz范围内)，并且可以容易且方便地通过电涌放电器装置进行处理，该电涌放电器装置也不必位于与其保护的电力设备12直接连接的位置，而是可以远离该电力设备12被布置，例如甚至被布置在电力线13的另一端。
由此，获得了电力配电开关柜11，其使用同步真空断路器16与电涌放电器装置17组合用于切断电流同时避免在切断期间由逆弧(以及可选地由虚拟电流斩波)所引起的任何暂态过电压，电涌放电器装置17用于处理由切断时负载电流的电流斩波所引起的更缓慢变化的暂态过电压。后者可以通过电涌放电器装置17而容易地实现，该电涌放电器装置17甚至可以位于远离电力设备12的位置。电涌放电器装置17可以有利地与同步真空断路器16一起位于共同的壳中。
图2示意性地图示了图1的电力配电开关柜的这种实施例的端视图。
电力配电开关柜11包括具有不同隔室22a-e的封装、壳体或壳21。隔室22a是紧凑的气体管道通道，隔室22b是低压隔室，隔室22c是断路器隔室，隔室22d是母线隔室，并且隔室22e是电涌放电器隔室。同步真空断路器16可以被布置在隔室22c中，电涌放电器装置17可以被布置在隔室22e中，并且汇流装置23可以被布置在隔室22d中。注意，尽管电涌放电器装置17可以位于远离电力设备12的位置(参见图1)，但是其仍然例如经由隔室22d中的汇流装置23而连接到电力线13。
容纳部分或整个同步真空断路器16的壳21或至少壳21的一部分可以包括密封的气密封装。在该密封的气密封装中可以存在诸如空气或介电绝缘气体的介电绝缘介质，该介电绝缘气体包括有机氟化合物和/或环氧乙烷，有机氟化合物选自由氟醚、氟胺、含氟酮、氟代烯烃以及它们的混合物和/或分解产物所组成的组。
图3示意性地图示了在诸如图1-2中的任一个的电力配电开关柜中切断电力电流的方法的实施例的流程图。
在步骤31中，通过同步真空开关装备，使用与通过同步真空开关装备的电流同步的技术，来切断到电力设备的电流，以便避免在切断期间的逆弧以及因此由这种逆弧所引起的任何暂态过电压。
在步骤32中，剩余暂态，即由切断时负载电流的电流斩波所引起的暂态，通过连接到电力设备的电涌放电器装置进行处理，其中该电涌放电器装置被设计和配置成仅处理由切断时负载电流的电流斩波所引起的这种暂态。
由切断时电流斩波所引起的缓慢变化的暂态过电压(其可以在kHz区域内)可以由电涌放电器装置进行处理，该电涌放电器装置可以甚至远离电力设备被布置，诸如例如与同步真空开关装备一起被布置在电力配电开关柜的共同外壳中。
应当明白的是，参考图1-3的实施例所公开的各种实施例和细节中的每一个都可以在小的修改之后可应用于任何其他所示的实施例。
还应当明白的是，上面公开的实施例仅是说明性示例，因此它们不应被解释为或者限制本发明的任何保护范围。

Claims (15)

1.一种电力配电开关柜(11)，所述电力配电开关柜(11)连接在电网与电力设备(12)之间，其中所述电力设备为电感性负载并且所述电力配电开关柜包括：
-同步真空开关装备(16)，所述同步真空开关装备(16)的额定电压适应于所述电力配电开关柜的额定电压，所述同步真空开关装备(16)被配置成使用与通过所述同步真空开关装备(16)的电流同步的技术来切断到所述电力设备的电流，以避免在所述切断期间的逆弧并且因此避免由这种逆弧所引起的任何暂态过电压，
其特征在于
-所述电力配电开关柜还包括连接到所述电力设备的电涌放电器装置(17)，所述电涌放电器装置(17)被设计和配置成仅处理由切断时负载电流的电流斩波所引起的暂态。
2.根据权利要求1所述的电力配电开关柜，其中所述电涌放电器装置(17)远离所述电力设备(12)被布置。
3.根据权利要求1或2所述的电力配电开关柜，其中所述电力配电开关柜包括具有隔室(22)的外壳(21)，所述隔室(22)容纳所述同步真空开关装备(16)和所述电涌放电器装置(17)。
4.根据权利要求1或2所述的电力配电开关柜，其中由所述逆弧所引起的暂态过电压具有第一频率并且所述由切断时负载电流的电流斩波所引起的暂态具有第二频率，所述第二频率低于或远低于所述第一频率。
5.根据权利要求1或2所述的电力配电开关柜，其中所述电力设备(12)包括变压器。
6.根据权利要求1或2所述的电力配电开关柜，其中所述电力配电开关柜(11)为三相装置，并且所述电涌放电器装置(17)每相包括至少一个电涌放电器。
7.根据权利要求1或2所述的电力配电开关柜，其中所述电力配电开关柜(11)包括密封的气密封装，所述同步真空开关装备(16)被布置在所述封装中。
8.根据权利要求7所述的电力配电开关柜，其中在所述封装中存在介电绝缘介质。
9.根据权利要求8所述的电力配电开关柜，其中所述介电绝缘介质为介电绝缘气体，所述介电绝缘气体包括有机氟化合物和/或环氧乙烷，所述有机氟化合物选自由氟醚、氟胺、含氟酮、氟代烯烃以及它们的混合物和/或分解产物所组成的组。
10.根据权利要求1或2所述的电力配电开关柜，其中所述同步真空开关装备(16)为真空断路器(16)、真空接触器或真空负载断路开关。
11.一种在电力配电开关柜(11)中切断电力电流的方法，所述电力配电开关柜(11)连接在电网与电力设备(12)之间，其中所述电力设备具有电感性负载并且所述方法包括以下步骤：
-通过同步真空开关装备(16)，使用与通过所述同步真空开关装备(16)的电流同步的技术，来切断到所述电力设备的电流，以便避免在切断期间的逆弧以及因此避免由这种逆弧所引起的任何暂态过电压，
其特征在于以下步骤：
-通过连接到所述电力设备的电涌放电器装置(17)，仅处理由切断时负载电流的电流斩波所引起的暂态，所述电涌放电器装置被设计和配置成仅处理由所述电流斩波所引起的暂态。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述电涌放电器装置(17)远离具有电感性负载的所述电力设备(12)被布置。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述电涌放电器装置(17)与所述同步真空开关装备(16)一起被布置在所述电力配电开关柜(11)的共同壳(21)中。
14.根据权利要求11-13中任一项所述的方法，其中由所述逆弧所引起的暂态过电压具有第一频率并且所述由切断时负载电流的电流斩波所引起的暂态具有第二频率，所述第二频率低于或远低于所述第一频率。
15.根据权利要求11-13中任一项所述的方法，其中所述方法在三相系统中执行，并且所述电涌放电器装置每相包括至少一个电涌放电器。
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