CN107872049A - 用于控制供电网中的断路器的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于控制供电网中的断路器的方法和装置。在用于控制供电网中的断路器(15)的方法中，借助供电网的保护或控制技术设备(11)产生开关信号并且将开关信号传输到断路器(15)的控制单元(14)，其中控制单元(14)在接收到开关信号时促使断路器(15)的开关触点断开。为了在可能出现要通过断路器切换的电流的无过零点阶段的供电网中也确保尽可能快速的开关过程，提出了采集流过断路器(15)的电流并且关于过零点的出现进行检查，并且一直阻止将开关信号传输到控制单元(14)，直至识别出至少一个过零点为止。

Description

用于控制供电网中的断路器的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种用于控制供电网中的断路器的方法，其中借助供电网的 保护或控制技术设备产生开关信号并且将开关信号传输到断路器的控制单 元，其中控制单元在接收到开关信号时促使断路器的开关触点断开。
本发明还涉及一种用于控制供电网中的断路器的装置。
背景技术
开头提到的类型的方法例如从WO 2015/028062A1中已知。在已知的方 法中在供电网中发生故障的情况下借助差动保护设备产生故障信号形式的 开关信号并且将其传输到断路器，以便促使其开关触点断开。
在接通过程中或在供电网中发生故障、例如短路时，在特定条件下可能 导致要利用断路器中断的电流具有高的直流分量。特别是在具有大电感部分 的供电网中观察到这种影响，如其例如通过电抗器线圈引起的那样。
在不利的开关或故障发生状态或电网参数的情况下(例如在电网侧的大 的时间常数的情况下，例如在与欧姆部分相比电感部分大的情况下)，可能 的是，流过断路器的电流由于直流部分而暂时不再具有过零点。
这尤其可能起到关键作用，因为仅当存在电流过零点时，断路器才能抑 制通常在断开时形成的开关电弧。实际的开关过程原则上在电流过零点中进 行。如果没有过零点，则开关电弧继续燃烧，并且在最坏的情况下会导致断 路器损坏。
因此，通常通过动态电网计算，来分析是否会出现上面提到的影响。通 过合适的仿真计算确定不利条件，在该不利条件下会出现没有过零点的电 流。由此得出电流无过零点的理论上最大可能的时间。为了排除由于没有过 零点的阶段期间的开关过程而损坏断路器，开关信号被相应地延迟。根据仿 真计算加上安全余量来确定待设置的时间。这种方法的缺陷是，时间延迟原 则上被应用于所有开关信号，从而断路器的断开仅以设置的延迟进行。然而， 这违背了电网保护的基本理念，据此在发生故障后，损坏的扩大应当通过尽可能快的故障断开来限制。此外，所谓的“电网导则(Gridcode)”(针对供 电网的运行的规定)要求一定的故障清除时间，特别是用于确保电网稳定性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，在可能出现要通过断路器切换的电流的无 过零点阶段的供电网中也确保尽可能快速的开关过程。
为了解决上述技术问题，提出了开头提到的类型的方法，其中采集流过 断路器的电流，并且关于过零点的出现进行检查，并且一直阻止将开关信号 传输到控制单元，直至识别出至少一个过零点为止。
通过按照本发明的解决方案，可以确保与供电网的当前状态所允许的一 样快地将开关信号施加到断路器的控制单元。控制单元一方面包括断路器的 驱动装置，另一方面包括开关控制装置，该开关控制装置在接收到开关信号 之后，例如确定断路器的最优的开关时间点并且相应地控制驱动装置。
为此，检查流过断路器的电流的电流过零点。一旦存在电流过零点，就 将开关信号传输到断路器的控制单元。由此，在开关信号被传输之前，不必 等待固定设置的延迟时间结束，从而当存在过零点时，为了确保可靠地切换 断路器时，立即传输开关信号。
该方法可以在多相供电网中、例如在三相系统中对于任意断开电路单独 执行。
按照本发明的方法的优选的实施方式在于，借助保护或控制技术设备关 于故障的发生对由断路器限制的供电网的片段进行监视，并且在识别出关于 该片段的故障的情况下由保护设备产生开关信号。
在该实施方式中，开关信号由于对相关片段关于可能的故障、例如短路 进行的保护监视而产生。
为了监视供电网的主要部件(例如电缆、导线、变压器等)，使用所谓 的保护或控制技术设备，以识别并自动断开所监视的各个主要部件的不允许 的运行状态，其例如可能由于短路或接地短路引起。为此，保护或控制技术 设备通常在供电网中的一个或多个测量位置处记录测量参量，例如以表征主 要部件的运行状态的电流测量值和/或电压测量值的形式。为了执行其保护功 能，设备接着在执行所谓的保护算法、也就是用于分析所记录的测量参数的 计算和/或逻辑组合规范的条件下分析测量参量，并且在需要时依据分析结果产生故障信号，该故障信号促使与设备连接的断路器断开其开关触点，以将 有故障的片段与其余供电网分离。
通常用于监视供电网的保护算法的示例是距离保护方法、差动保护方法 或过电流保护方法。这些保护方法和其它保护方法对于本领域技术人员是充 分已知的，因此在此不深入探讨。
作为由于进行保护监视而产生的开关信号的替换，还可以设置为，借助 保护或控制技术设备在接收到外部断开命令时产生开关信号。
在此，例如可以通过供电网的操作人员的手动开关操作或者通过来自控 制室的相应的调节信号发起外部断开命令。
按照本发明的方法的另外的优选的实施方式在此设置为，当识别出电流 的符号变换时，对于流过断路器的电流的每个周期持续时间识别出过零点。
通过这种方式可以极其简单地，也就是通过单纯观察流过断路器的电流 的符号，来识别电流过零点。
根据按照本发明的方法的另外的优选的实施方式可以设置为，当关于流 过断路器的电流识别出至少一个过零点时，借助保护或控制技术设备产生释 放信号，并且当存在开关信号以及释放信号时，将开关信号传输到控制单元。
通过这种方式，可以以电路技术上特别简单的方式解决开关信号的传 输，因为为此仅须将开关信号与释放信号例如通过“与(UND)”元件简单 地逻辑关联。如果在相同的时间存在两个信号，则将开关信号传输到断路器 的控制单元。
此外，在此根据按照本发明的方法的优选的扩展可以设置为，在流过断 路器的电流的每个周期持续时间期间循环地产生释放信号。
通过这种方式，将释放信号连续地与存在的各个电网状况相匹配。由此 例如可以通过循环地检查释放信号的前提条件，来确保在已经识别出过零点 之后过零点再次消失的情况下再次撤回释放信号。
此外，具体地在本发明的范围内可以设置为，为了确定电流的周期持续 时间，确定流过断路器的电流的频率。
频率的确定可以根据通常的频率测量方法进行。在获知频率的情况下可 以简单地确定周期持续时间。
此外，根据按照本发明的方法的另外的优选的实施方式可以设置为，一 直阻止向控制单元传输开关信号，直至识别出至少预定数量的过零点为止。
在该实施方式中，可以确保开关信号不是在识别出单个过零点时就被传 输到控制单元，而是在传输开关信号之前必须出现一定数量的过零点。由此 可以提高所述方法相对于测量误差和不准确性的稳健性。
此外，根据按照本发明的方法的另外的优选的实施方式可以设置为，当 从产生开关信号起经过了预定的持续时间时，独立于流过断路器的电流的过 零点的存在地向控制单元传输开关信号。
由此可以确保在最大可容忍时间结束之后开关信号在任意情况下被传 输到控制单元，从而不超过直至执行开关过程的最大持续时间。
因为如解释的那样，特别是直流部分是无过零点的主要原因，因此必须 在测量方法中考虑直流部分通过电流互感器的传输。这尤其在具有较小的电 流互感器时间常数的电流互感器中是必要的，因为其几乎滤除了非周期的直 流部分。在此，在电流互感器在次级侧输出的电流中几乎不存在直流部分， 由此模拟具有过零点的电流。
因此，根据按照本发明的方法的另外的优选的实施方式提出了，借助电 流互感器采集流过断路器的电流，并且对电流互感器在次级侧输出的电流曲 线进行校正，以便在次级侧反映在初级侧存在的电流中包含的直流部分。
具体地为此可以设置为，为了对电流互感器在次级侧输出的电流曲线进 行校正，使用数字滤波器，其系数依据电流互感器类型和/或电流互感器的时 间常数形成。
通过这些信息，可以对在次级侧输出的电流进行可靠的校正。
按照本发明的方法的另外的优选的实施方式设置为，在保护或控制技术 设备中关于过零点的出现对流过断路器的电流进行检查。
由此，是否可以传输开关信号的检查可以有利地在也产生开关信号的同 一个设备中进行。
但是作为其替换，也可以设置为，在设置在保护或控制技术设备之后且 在断路器之前的装置中，关于过零点的出现对流过断路器的电流进行检查。
在此，是否可以传输开关信号的检查利用单独的装置进行。
上面提到的技术问题还通过用于控制供电网中的断路器的装置来解决。
按照本发明，设置用于接收借助供电网的保护或控制技术设备产生的开 关信号的信号输入和用于将开关信号输出到断路器的控制单元的信号输出。 此外设置为，所述装置构造为，关于过零点的出现对流过断路器的电流进行 检查，并且一直阻止将开关信号传输到控制单元，直至识别出了至少一个过 零点为止。
关于按照本发明的装置，上面和下面关于按照本发明的方法进行的所有 描述都适用，并且以相应的方式反之亦然，特别地，按照本发明的装置构造 为用于执行按照本发明的方法的任意实施方式或任意实施方式的组合。关于 按照本发明的装置的优点，也参见关于按照本发明的方法所描述的优点。
具体地，关于按照本发明的装置可以设置为，所述装置被集成在保护或 控制技术设备中或者构造为与保护或控制技术设备分开的装置。
附图说明
下面根据实施例对本发明作进一步的说明。实施例的特定构造不应理解 为对于按照本发明的方法和按照本发明的装置的一般构造是限制性的；相 反，实施例的各个构造特征可以以任意的方式自由地彼此组合以及与前面描 述的特征组合。
为此：
图1示出了借助保护或控制技术设备监视的供电网片段的示意性视图；
图2示出了具有接通过程期间的示例性电流曲线的线图；
图3示出了具有单相故障期间的示例性电流曲线的线图；
图4示出了具有三相故障期间的示例性电流曲线的线图；
图5示出了具有电流互感器的初级电流和次级电流的曲线的线图，该电 流互感器具有小的电流互感器时间常数；
图6示出了用于解释用于控制断路器的方法的示例性流程图；和
图7示出了具有电流互感器的初级电流和次级电流以及校正后的次级 电流的曲线的线图。
具体实施方式
图1示出了没有进一步示出的供电网的片段10。片段10例如可以是供 电网的导线。但是取而代之，片段10也可以包括供电网的其它主要部件(变 压器、发电机等)或其组合。
借助保护或控制技术设备11关于故障、例如短路的发生对片段10进行 监视。为此，借助电流互感器12和电压互感器13采集测量值，测量值给出 流过片段10的电流或施加在片段10上的电压。借助保护或控制技术设备11， 借助计算装置16(例如相应地编程的微处理器)在使用所谓的保护算法(例 如距离保护算法、差动保护算法、过电流保护算法等)的条件下，检查所记 录的测量值是否给出在所监视的片段10上存在故障。如果识别出故障，就 由保护或控制技术设备的计算装置16产生开关信号S，其被传输到与断路 器15相关联的控制单元14。控制单元包括用于移动断路器的至少一个开关 触点的开关驱动装置以及开关控制装置，开关控制装置以合适的方式实施开 关信号S以控制断路器，例如方法是，确定最优的开关时间点，以便相对于 流过断路器的电流的电流过零点尽可能近地断开断路器。此外，利用开关控 制装置还可以实施断路器的重新接通功能和其它开关功能。
虽然在图1中为简单起见以单相系统的形式示出了片段10，但是下面 描述的用于控制断路器的方法同样可以用于多相、特别是三相系统中。
具有很大部分的电感的供电网中的开关过程和故障，可能导致直流部分 暂时叠加在流过断路器15的电流上。这种影响尤其在具有大的时间常数 (L/R)的供电网，也就是具有与电感部分相比较小的欧姆部分的供电网中 存在。与开关状态或故障发生有关，在此可能形成不出现电流过零点的电流 曲线。
当电流具有过零点时，原则上可以通过断路器无问题地控制交流电路。 断路器在过零点中断电路。但是如果没有电流过零点，则不再能够抑制在断 开过程中出现的电弧，并且断路器热过载。不能排除断路器的损坏。
图2示出了具有相电流的曲线的线图，其中示出了海底电缆的接通过程 中的这种影响。海底电缆通过电抗器来补偿，由此具有很大的电感部分。由 于大的电感而出现已知的导致大的直流时间常数、由此导致无过零点的接通 过程。在图2中可以看到，直至所记录的持续时间结束也没有出现过零点。
图3示例性地示出了在单相接地短路期间的相电流的曲线。在上方的线 图31中示出了有故障的相L1，而在下方的线图中示出了不涉及故障的相L2 和L3。相L1的故障电流示出了典型的叠加了直流部分的短路电流曲线。通 过设备配置，现在出现到两个无故障的导体L2、L3的转移。其在发生故障 之后的一定时间内没有过零点。
图4示出了暂时没有出现电流过零点的故障的另外的示例。在图4中示 出的线图中示出了不是同时在所有相中出现三极短路的情况。在线间电压的 电压过零点出现了双极短路(由此出现最大直流部分)，并且随后在四分之 一周期之后转变为三极短路。图4中以附图标记41表示的相在此暂时没有 过零点。
为了在一个或多个相电流不具有过零点的情况下也能够可靠地利用断 路器中断电流，产生的开关信号S不直接被传输到断路器15的控制单元14 (参见图1)。相反，借助用于控制断路器15的装置17，例如以电流互感器 12在次级侧输出的电流的形式，采集、采样并且关于过零点的出现检查流过 该断路器的电流。替换地，还可以为过零点识别的目的而使用单独的电流互 感器。例如可以借助在两个相继的测量值之间发生的符号改变来识别过零 点。当识别出至少一个过零点时，才由装置17将正在等待的开关信号S传 输到断路器15的控制单元14。此外可以设置为，为了将开关信号S传输到 断路器15的控制单元14，必须识别出最小数量的过零点。由此，所述方法 可以构造为相对于测量精确性相对稳健。
保护或控制技术设备11还可以构造为，当接收到外部断开命令A时， 产生开关信号S。该外部断开命令A例如可以在电网控制系统的电网控制中 心中产生并且被传输到保护或控制技术设备11。作为其替换，也可以通过在 保护或控制技术设备11的操作单元上的手动输入，来输入外部断开命令A。
在图1的实施例中，装置17集成在保护或控制技术设备11中。然而作 为其替换，该装置也可以是布置在保护或控制技术设备11之后并且布置在 控制单元14之前的单独的装置(在图1中未示出)。
具体地，例如可以设置为，当在流过断路器15的电流中识别出至少一 个过零点时，装置17产生释放信号。如果同时存在释放信号和开关信号S， 则将开关信号传输到断路器15的控制单元14。
在图2至图4中示出的电流曲线分别示出了在电流互感器12的初级侧 存在的电流。电流互感器不精确地反映由保护或控制技术设备11或装置17 处理后的次级电流。也就是，电流互感器通常具有高通元件的特征，由此明 显影响直流部分的传输。电流互感器时间常数越小，则边界频率越高。由此 更强烈地抑制直流部分。线性核心转换器(Linearkernwandler)(TPZ转换器) 是这种情况的典型代表。
图5示出了电流互感器关于具有直流部分的电流的传输特性。可以看 到，与初级电流的电流曲线51相比，次级电流的电流曲线52关于直流部分 被扭曲地传输。
在极端条件下存在一种紧急情况，其中大的电网时间常数(例如在接通 过程期间，所谓的“浪涌(In-Rush)”)在秒范围内与通过线性核心转换器的 传输(小的转换器时间常数)同时发生。由于直流部分的扭曲传输，在次级 电流曲线中可以看到过零点，该过零点在初级电流侧不具有对应点。由于该 原因，对于上面解释的用于控制断路器的方法的执行，在一些情况下需要对 电流互感器12在次级侧输出的电流进行校正。
图6示出了用于执行用于控制断路器的方法的示例性流程图。虽然图6 为了解释该方法示出了多个单个的块，但是该方法也可以在对于处理器的相 应的软件编程中实现。该方法由装置17实施。
如上面已经关于图1解释的，该方法的核心思路在于，当在流过断路器 15的电流中出现电流过零点时，才将开关信号S传输到断路器15的控制单 元14。为此，首先采集电流互感器在次级侧输出的电流i(k)。在块61中， 通过附加的滤波器对电流i(k)进行校正，使得尽可能精确地在次级电流中反 映在初级电流中存在的直流部分。为此，通过校正滤波器发送所采样的电流， 以重建对应于初级电流的原始的直流部分。如实地传输叠加的正弦部分。通 过关于转换器类型(例如P,PX,TPZ,...)的输入参数P和/或转换器时间常数 (例如1s,60ms)，确定校正所使用的滤波器的滤波器系数。在输出侧输出 由滤波器校正后的次级电流值ikorr(k)。该次级电流值被传送到块62。
在块62中，通过测量方法(例如观察采样值的符号改变)连续地(在 三相电流系统中对于每一相)关于过零点对电流进行检查。检查优选循环地 在电网周期内进行，因为由于可能的直流部分转移可能出现电流的偏移。为 了确定电网周期，需要当前的电网频率f。电网频率通过合适的频率测量方 法确定并且提供给块62。
关于过零点对校正后的次级电流ikorr(k)进行检查。在找到过零点的情况 下，在块63中产生释放信号F。循环地确定并更新该释放信号F。
当在输入侧在“与”元件64上施加开关信号S和释放信号时，由计算 装置16(参见图1)产生的开关信号S被传输到控制单元14。
此外，在可选的实施方式中，可以设置时间元件65，同样对其施加开 关信号S，并且当预定的持续时间结束时，该开关信号(独立于释放信号的 存在地)被传输到控制单元。由此可以确保开关信号S在任何情况下最迟在 预定的持续时间结束之后导致开关操作。
图7示例性地示出了校正滤波器(图6中的块61)的效果。曲线71表 示具有直流部分的初级电流。曲线72示出了被传送到块61的电流互感器的 (未校正的)次级电流i(k)。可以明显看出，在未校正的情况下发生了直流 部分的抑制。通过数字校正滤波器，尽可能精确地复制初级电流。在图7中 作为曲线73示出了校正后的电流ikorr(k)。
虽然本发明在细节上通过优选的实施例详细阐述和描述，但是本发明不 局限于所公开的示例，本领域技术人员可以从中导出其它方案，而不脱离本 发明的保护范围。

Claims (15)

1.一种用于控制供电网中的断路器(15)的方法，其中
-借助供电网的保护或控制技术设备(11)产生开关信号；和
-将开关信号传输到断路器(15)的控制单元(14)，其中控制单元(14)在接收到开关信号时促使断路器(15)的开关触点断开；
其特征在于，
-采集流过断路器(15)的电流并且关于过零点的出现进行检查；和
-一直阻止将开关信号传输到控制单元(14)，直至识别出至少一个过零点为止。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
-借助保护或控制技术设备(11)关于故障的发生对由断路器(15)限制的供电网的片段(10)进行监视；和
-在关于所述片段(10)识别出故障的情况下由保护或控制技术设备(11)产生开关信号。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
-在接收到外部断开命令时，借助保护或控制技术设备(11)产生开关信号。
4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，
-当识别出电流的符号的改变时，对于流过断路器(15)的电流的每个周期持续时间识别出过零点。
5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，
-当关于流过断路器(15)的电流识别出至少一个过零点时，借助保护或控制技术设备(11)产生释放信号；和
-当存在开关信号以及释放信号时，将开关信号传输到控制单元(14)。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，
-在流过断路器(15)的电流的每个周期持续时间期间循环地产生释放信号。
7.根据权利要求5或6中任一项所述的方法，其特征在于，
-为了确定电流的周期持续时间，确定流过断路器(15)的电流的频率。
8.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，
-一直阻止将开关信号传输到控制单元(14)，直至识别出至少预定数量的过零点为止。
9.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，
-当从产生开关信号起经过了预定的持续时间时，与流过断路器(15)的电流的过零点的存在无关地将开关信号传输到控制单元(14)。
10.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，
-借助电流互感器(12)采集流过断路器(15)的电流；和
-对电流互感器(12)在次级侧输出的电流曲线进行校正，以在次级侧反映在初级侧存在的电流中所包含的直流部分。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，
-为了对电流互感器(12)在次级侧输出的电流曲线进行校正，使用数字滤波器，其系数依据电流互感器类型和/或电流互感器(12)的时间常数形成。
12.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，
-在保护或控制技术设备(11)中关于过零点的出现对流过断路器(15)的电流进行检查。
13.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其特征在于，
-在布置在保护或控制技术设备(11)之后且布置在断路器(15)之前的装置中关于过零点的出现对流过断路器(15)的电流进行检查。
14.一种用于控制供电网中的断路器(15)的装置，其特征在于，
-信号输入，用于接收借助供电网的保护或控制技术设备(11)产生的开关信号；
-信号输出，用于将开关信号输出到断路器(15)的控制单元(14)；其中
-所述装置构造为，关于过零点的出现对流过断路器(15)的电流进行检查；和
-所述装置构造为，一直阻止将开关信号传输到控制单元(14)，直至识别出至少一个过零点为止。
15.根据权利要求14所述的装置，其特征在于
-所述装置被集成在保护或控制技术设备(11)中或者构造为与保护或控制技术设备(11)分开的装置。
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