CN108879951A - 一种实现合环判定的高压断路器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种实现合环判定的高压断路器，包括断路器本体，本体设置在控制箱中，本体包括灭弧装置、互感导流装置和操作机构，本体上还设置取能装置、合环判定模块和合环数据模块，合环判定模块与合环数据模块分别与取能装置连接，合环判定模块包括FTU馈线终端、信号转换装置与驱动信号输出装置，合环判定模块与合环数据模块之间通过通信装置连接；合环数据模块包括电压同期检测装置、电压相序检测装置和开关状态检测模块。本发明能够判定合环条件，实现线路合环操作，并能够在通过对电源取能、远程控制、隔离安全、数据快速响应等方面的改进，实现高压断路操作的全面化、智能化，经济效益和优质服务社会效益明显。

Description

一种实现合环判定的高压断路器

技术领域

本发明涉及高压负荷开关技术领域，尤其涉及一种实现合环判定的高压断路器。

背景技术

随着经济的发展、社会的进步，科技和信息化水平的提高，电气设备的智能化协调发展面临着新课题和新挑战。依靠现代信息、通信和控制技术，提高电网智能化水平是未来发展的趋势。为此，各供电企业都加快了电网信息化、自动化建设的步代，龙其在高压设备自动化方面，升级改造工作非常迫切。

高压合环是指在高压系统电气操作中将线路、变压器或断路器串构成的网络闭合运行的操作；在合环操作时，必须保证合环点两侧相位相同，电压差、相位角应符合规定；应确保合环网络内，潮流变化不超过电网稳定、设备容量等方面的限制，对于比较复杂环网的操作，应先进行计算或校验，操作前后要与有关方面联系，所以，传统的合环操作需要计算大量数据，并对是否达到合环条件进行判定；无论是操作流程，还是操作时间，均比较繁琐。此时，如果能够通过研究合环条件和合环判定，设计出一种自动实现合环条件判定的高压断路设备，就可以大大减少技术人员的工作时间与工作量。

专利号为200920277443.X的实用新型提供了一种具备手动快速合闸功能的永磁式高压真空断路器,包括箱壳以及与箱壳内设置的主轴相连的合闸操作装置、手动分闸装置、真空辅助开关及真空灭弧装置,所述合闸操作装置为手动快速合闸操作装置,包括动力输入机构、通过轴承与动力输入机构相连的传动机构、与传动机构通过轴承连接的驱动机构以及储能机构,其中,驱动机构分别与所述主轴及储能机构相连,动力输入机构连接着复位机构,传动机构连接着固力机构。本实用新型具有手动快速合闸操作装置,可带负荷手动合闸,且在无操作电源的情况下,也可实现电流三段式保护功能,因此本实用新型完全符合电力系统运行规程要求,为尽快实现架空高压电网自动化,发挥着积极的促进作用。

专利号为201020649867.7的实用新型公开了一种高压交流真空断路器,包括断路器本体,连接在断路器本体上的电流互感器与隔离开关,以及电压互感器,所述电压互感器与断路器本体安装在同一支座上,电压互感器分别通过绝缘电缆连接断路器本体与电流互感器,从而构成一个有机的整体。所述断路器本体采用三相分离的柱式结构,将三相一次回路安装在各相的绝缘套筒内,单相发生故障时,不会引起三相短路。并且,导电体全部安装在所述绝缘套筒内,绝缘性能大大提高。二次接线进行优化,将以前的航空插座更改为接线盒,易于维修,更加适合自动化高压电网。本实用新型结构设置巧妙,将电压互感器与断路器设计成一体式结构,解决了以前断路器高压电网自动化的电源采集难题。

发明内容

本发明的目的在于解决上述技术问题，通过研究合环条件和合环判定，提供一种实现合环判定的高压断路器，可以判定是否具备合环条件，实现线路合环操作，方便安装与维护。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种实现合环判定的高压断路器，包括断路器本体，所述本体设置在控制箱中，所述本体包括灭弧装置、互感导流装置和操作机构，所述本体上还设置取能装置、合环判定模块和合环数据模块，所述合环判定模块与所述合环数据模块分别与所述取能装置连接，所述合环判定模块包括FTU馈线终端、信号转换装置与驱动信号输出装置，所述合环判定模块与所述合环数据模块之间通过通信装置连接；所述合环数据模块包括电压同期检测装置、电压相序检测装置和开关状态检测模块。

进一步地，所述取能装置包括高压电容分压装置，与灭弧装置的上端电连接，从高压运行线路上取电。

进一步地，所述取能装置为感应取能装置，包括平板电容器及其连接的整流稳压单元，所述平板电容器位于高压运行线路的交变电场中。

进一步地，所述信号转换装置设置于控制箱中，包括电流互感装置及其所连接的降压转换器，处理取能装置的输出信号和互感导流装置的输出信号。

进一步地，所述驱动信号输出装置设置于操作机构上，包括驱动电压发生模块和分合闸动作模块，所述分合闸动作模块包括储能电容和功率开关器件，所述分合闸动作模块与合环数据模块连接。

进一步地，所述通信装置包括开关量传输单元与串行通信单元，所述开关量传输单元包括开关量输入电平转换电路和继电器输出电路，所述串行通信单元包括RS485串行通信接口电路。

进一步地，所述断路器本体外围设置隔离开关，所述本体与所述隔离开关设置机械联锁装置。

进一步地，所述控制箱为绝缘箱体结构，所述控制箱内设置屏蔽网。

本发明的有益效果主要在以下几个方面：

1)自带高压取能装置，为装置各元件运行提供低压电源。

通过在控制箱上加装高压取能装置，使断路器与取能装置一体化。取能装置采用线路分压取电方式，或感应取能方式，不受天气、负荷电流变化影响，均能为用电单元提供可靠工作电源，稳定可靠。

2)具备实时采集功能和合环判读安全防护设计。

合环数据模块实时检测线路电流、电压相序幅值、断路器状态等信息，同时可以扫收FTU馈线终端指令，远程进行断路器的控制；所有互感导流装置的出线都经过了二级电流互感器的转换处理，信号转换装置负责将电流互感器的一次信号，转换为二次弱电信号，能够彻底避免互感导流装置开路造成的安全事故，在合环数据模块未安装时，不需要考虑互感导流装置误开路的风险，减少现场施工误操作事故。

3)具备可见隔离断电开关。

本装置通过在断路器外围加装隔离开关，包括隔离断电开关或刀闸开关，形成了高压断路器与隔离开关的组合电器，增加了可见隔离断开点，并具有可靠的连锁操作，提高了该装置的工作可靠性和安全性能。

5)功能可扩展为远程操作与故障报警。

本装置还可以实现开断线路合环报障功能，实现就地控制操作和由合环数据模块接收系统指令实现远程控制操作；不仅能完成功能数据采集，即实时采集线路三相电流、电压、断路器状态等数据；还可以实现远程的故障报警，通过检测线路相间短路断路故障、幅值相序错误等并发送故障信息至自动化主站。

本发明能够判定合环条件，实现线路合环操作，并能够在通过对电源取能、远程控制、隔离安全、数据快速响应等方面的改进，实现高压断路操作的全面化、智能化，经济效益和优质服务社会效益明显，同时为高压电网运行自动化和专业化提供了有效的辅助手段，提高了生产管理水平。

附图说明

图1是本发明装置的结构示意图。

图2是本发明装置电源取能模块的整流稳压单元电路图。

图3是本发明装置驱动信号输出装置的驱动电压发生模块图。

具体实施方式

实施例一

如图1至图3所示，一种实现合环判定的高压断路器，包括断路器本体1，本体设置在控制箱中，本体包括灭弧装置2、互感导流装置3和操作机构4，本体上还设置取能装置5、合环判定模块和合环数据模块7，合环判定模块与合环数据模块7分别与取能装置5连接，合环判定模块包括FTU馈线终端8、信号转换装置9与驱动信号输出装置10，合环判定模块与合环数据模块7之间通过通信装置11连接；合环数据模块7包括电压同期检测装置12、电压相序检测装置13和开关状态检测模块14。

取能装置5包括高压电容分压装置，与灭弧装置的上端电连接，从高压运行线路上取电。

信号转换装置9设置于控制箱中，包括电流互感装置15及其所连接的降压转换器16，处理取能装置的输出信号和互感导流装置的输出信号。

驱动信号输出装置10设置于操作机构上，包括驱动电压发生模块17和分合闸动作模块，分合闸动作模块包括储能电容18和功率开关器件19，分合闸动作模块与合环数据模块连接。

通信装置11包括开关量传输单元20与串行通信单元21，开关量传输单元包括开关量输入电平转换电路和继电器输出电路，串行通信单元包括RS485串行通信接口电路。

断路器本体1外围设置隔离开关22，本体与隔离开关22设置机械联锁装置6。

控制箱为绝缘箱体结构，控制箱内设置屏蔽网。

本发明设计了一种全新的合环条件判定型断路器，可以判定是否具备合环条件，实现线路合环操作，其中，合环条件的判定包括开关状态的判定，即开关处于分闸状态；线路电压的判定，即分别比较线路电源侧和负荷侧的电压的相位、幅值及电压同期判定，A、B、C三相均需比较；在实际应用时，合环判定是在开关两侧均有电压，接到合闸操作指令时首先判断是否开关处于分闸状态，然后是实时比较电源侧和负荷侧三相电压的相位和幅值是否超过设定值，若任意一相的任意一项不满足设定值，判定不满足合环条件，只有在任意一相的任意一项均满足设定值，才能判定符合合环条件，最后是判定电源侧和负荷侧A相电压的同期是否满足要求。若不满足则FTU不动作，同时FTU上报合环不成功；若满足，则进行检同期合闸，同时FTU上报合环成功。

在具体实施时，高压断路器的操作机构采用小型化弹簧操作机构，分合闸能耗低；操作过程分为储能、合闸、分闸及过流脱扣等过程，其中，储能操作时，拉动储能手柄，或电动机转动，在传动齿轮的带动下使凸轮转动，合闸弹簧被逐渐拉长，当弹簧过中后，凸轮由定位件保持不再转动，开关处准备合闸状态，同时凸轮与传动轴脱离，使机构不能再次储能；合闸操作时储能完毕后，拉动手动合闸手柄，或给合闸线圈施加电压，使合闸半轴转动，合闸拐臂与合闸法轴解扣，合闸弹簧释放能量，带动传动轴使开关合闸，同时分闸弹簧被储能；分闸及过流脱扣过程时，断路器合闸后，拉动分闸手柄或给分闸线圈施加电压或当线路电流超过消涌流装置的设定值时过流线圈被驱动，都使得分闸半轴转动，分闸拐臂与分闸半轴解扣，分闸弹簧释放能量，带动传动杆使开关分闸；机构传动采用直动传输方式，分合闸部件小，可靠性高，操作机构置于密封的断路器机构箱中，解决了机构锈蚀的问题，提高了机构的可靠性；分、合闸可手动或电动操作及远方操作(远方操作须配用相应的带通讯功能的控制器)，可与控制器配套实现配电自动化，也可以与重合控制器配合组成重合器；断路器可以装设二相或三相CT，可通过箱体内专用复合控制器供过流自动脱扣保护使用，也可将二次线引出箱体进行微机控制保护；加装隔离开关和断路器形成一体化，断路器与隔离开关具有可靠的机械联锁装置，断路器腔体侧面设置防水航空插头。

作为高压断路器的智能核心部件，合环判定模块包括FTU馈线终端、信号转换装置与驱动信号输出装置，其中，FTU馈线终端是与高压馈线连接上的智能终端设备。它可以与远方的配电子站通信，将配电设备的运行数据发送到配电子站，还可以接受配电子站的控制命令，对配电设备进行控制和调节，具有遥控、遥信，故障检测功能，并与配电自动化主站通信，提供配电系统运行情况和各种参数即监测控制所需信息，包括开关状态、电能参数、相间故障、接地故障以及故障时的参数,并执行配电主站下发的命令，对配电设备进行调节和控制，实现故障定位、故障隔离和非故障区域快速恢复供电等功能。

实际应用时，FTU还可以配合无线天线与收发模块，实现远程信号的接收与传输；FTU馈线终端可以将控制指令、参数与驱动信号远程互联传输给信号转换装置和驱动信号输出装置，无线天线与收发模块可以与远程中央控制室实现通信，便于对断路器进行远程定值设定和远程控制，既可以远程调整开关保护定值，合理配置线路开关保护参数，又可以远程进行分合闸操作，减少线路维护时间，提高工作效率。

信号转换装置主要是为了应对普通断路器在更换制器的时候，有可能出现电流互感器二次开路的情况，这时电流互感器一次电流均成为励磁电流，使铁芯的磁通密度急剧上升，从而在二次绕组感应出高达数千伏的感应电势，可能会对操作人员造成危险，本发明装置经过安全防护设计，所有电流互感器的出线都在底座内经过了电流互感装置和降压转换器的二次转换处理，能够彻底避免电流互器二次开路的问题，保证安装操作员的安全。

驱动信号输出装置设置于操作机构上，用于监控断路器储能电容器的性能与电压，处于高压断路器的操动机构中，包括驱动电压发生模块和分合闸动作模块，分合闸动作模块包括储能电容和功率开关器件，分合闸动作模块与合环数据模块连接。

驱动电压发生模块包括线性光耦；线性光耦工作在光电压模式下，线性度可达到12位精度，工作频率最大为40kHz。储能电容器上的电压通过电阻分压，得到幅值小于15V的电压信号，该信号经跟随器驱动后输入线性光耦隔离传输部分。在二次侧输出的电压信号首先通过RC电路滤除高频信号，再经铁氧体磁珠L2滤除数字噪声，最后输入控制芯片；功率开关器件为绝缘栅双极型晶体管，其工作原理为：驱动器对储能电容电压进行实时监测。若电压不足则进行充电：若收到远控/近控或者上位机传来的分闸或合闸指令，首先判断断路器的位置是否正确电容器电压是否达到预设值。相符则驱动IGBT进行分、合闸操作。当到达分、合闸位置或已经超过分、合闸预设操作时间则立即关断IGBT，停止分、合闸操作，将断路器位置上传至上位合环判定模块。所以，这种特殊的工作机理要求实时性比较强，特别是在分、合闸过程中，可以实现精确的换向控制。

通信装置包括开关量传输单元与串行通信单元，开关量传输单元包括开关量输入电平转换电路和继电器输出电路，串行通信单元包括RS485串行通信接口电路，开关量输入单元用于接受断路器操作命令示。当操作按钮闭合后，光耦一次侧导通发出光信号。光耦二次侧受光导通，操作信号送人控制器，在按钮断开时，为线路中的反向自感电动势提供一个电流通路。避免因产生的自感电动势过高而损坏光耦。开关量输出单元用于指示断路器的运行状态，过流分闸、失压分闸，以及断路器操动机构故障报警信号等。在断路器构成断路器监控网络时，装置要把电网的参数、电容电压值、断路器的状态信号及时上传到中控主机上，由于距离较大，所以可采用工业上常用的Rs-485通信，具有传输距离长、速度较高、电平容性好、使用灵活方便、成本低廉和可靠度高等优点，在智能管理、在线控制、地质勘探等许多领域都有着广泛的应用。

实施例二

如图1至图3所示，一种实现合环判定的高压断路器，包括断路器本体1，本体设置在控制箱中，本体包括灭弧装置2、互感导流装置3和操作机构4，本体上还设置取能装置5、合环判定模块和合环数据模块7，合环判定模块与合环数据模块7分别与取能装置5连接，合环判定模块包括FTU馈线终端8、信号转换装置9与驱动信号输出装置10，合环判定模块与合环数据模块7之间通过通信装置11连接；合环数据模块7包括电压同期检测装置12、电压相序检测装置13和开关状态检测模块14。与实施例一的区别主要区别在于，取能装置为感应取能装置，包括平板电容器及其连接的整流稳压单元，平板电容器位于高压运行线路的交变电场中。将感应取能技术应用于装置中，一方面，减少了供源的复杂度和困难度，能够合理利用资源，另一方面，在感应取能的供电单元中加入整流稳压单元，整流稳压单元包括整流器和降压器，低损耗整流器和高效率降压转换器通过收集电场环境中产生的高压线路耦合能量，将这种能量转换成良好调节的输出，为供电元件组件提供能量；稳压单元能够有效避免线路元件在大电流下取能单元吸取能量过剩而烧损电源电路，减小电源的发热量，并将多余的吸取能量进行有效储存，整流稳压单元还可以连接保护电容，能防止取能单元饱和，且使取能单元能够发出瞬时大功率，增强取能电源带负载能力以及适应能力。

作为对该装置的功能拓展，断路器可以连接远程控制单元，实现系统化的短路监控，远程控制单元可以包括PLC控制器、信号收发装置及报警装置，实现远程控制、语音、短信方式报警。本发明的断路器相比于传统的高压电网高压断路器，将断路器本体、取能单元、测量单元以及合环数据模块等进行了一体化的设计，取能装置提供低压工作电源，电流互感器采集电流信号，经二次转换后和断路器控制信号一起通过电缆通讯线输入合环数据模块，合环数据模块经过信号滤波处理后，通过通讯模块将信号传至系统后台，可以按照预定控制策略控制断路器合环、跳闸、隔离故障等操作，还可通过合环数据模块接收后台控制指令对断路器进行分合闸操作。

Claims (8)

1.一种实现合环判定的高压断路器，包括断路器本体，所述本体设置在控制箱中，所述本体包括灭弧装置、互感导流装置和操作机构，其特征在于：所述本体上还设置取能装置、合环判定模块和合环数据模块，所述合环判定模块与所述合环数据模块分别与所述取能装置连接，所述合环判定模块包括FTU馈线终端、信号转换装置与驱动信号输出装置，所述合环判定模块与所述合环数据模块之间通过通信装置连接；所述合环数据模块包括电压同期检测装置、电压相序检测装置和开关状态检测模块。

2.如权利要求1所述的实现合环判定的高压断路器，其特征在于：所述取能装置包括高压电容分压装置，与灭弧装置的上端电连接，从高压运行线路上取电。

3.如权利要求1所述的实现合环判定的高压断路器，其特征在于：所述取能装置为感应取能装置，包括平板电容器及其连接的整流稳压单元，所述平板电容器位于高压运行线路的交变电场中。

4.如权利要求2或3所述的实现合环判定的高压断路器，其特征在于：所述信号转换装置设置于控制箱中，包括电流互感装置及其所连接的降压转换器，处理取能装置的输出信号和互感导流装置的输出信号。

5.如权利要求2或3所述的实现合环判定的高压断路器，其特征在于：所述驱动信号输出装置设置于操作机构上，包括驱动电压发生模块和分合闸动作模块，所述分合闸动作模块包括储能电容和功率开关器件，所述分合闸动作模块与合环数据模块连接。

6.如权利要求2或3所述的实现合环判定的高压断路器，其特征在于：所述通信装置包括开关量传输单元与串行通信单元，所述开关量传输单元包括开关量输入电平转换电路和继电器输出电路，所述串行通信单元包括RS485串行通信接口电路。

7.如权利要求1所述的实现合环判定的高压断路器，其特征在于：所述断路器本体外围设置隔离开关，所述本体与所述隔离开关设置机械联锁装置。

8.如权利要求1所述的实现合环判定的高压断路器，其特征在于：所述控制箱为绝缘箱体结构，所述控制箱内设置屏蔽网。