CN109031109B - 基于结构电容动态测量与补偿的断路器弧后电流测量装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于结构电容动态测量与补偿的断路器弧后电流测量装置及方法，包括直流充电电源、充电电阻、高压储能电容、高压控制开关、谐振电感、阻尼电阻、测量控制单元、用于检测高压储能电容两端电压的电压传感器以及用于检测高压储能电容与待测灭弧室结构电容之间电压的电压传感器，该装置及方法能够较为准确的测量断路器弧后电流。

Description

基于结构电容动态测量与补偿的断路器弧后电流测量装置及 方法
技术领域
本发明属于断路器大容量试验技术领域，涉及一种基于结构电容动态测量与补偿的断路器弧后电流测量装置及方法。
背景技术
断路器分断过程的成败取决于弧后介质恢复特性与系统恢复电压的竞争，因此，弧后介质恢复特性决定了断路器的开断能力，由于介质恢复特性与弧后电流及其临界值存在对应关系，并且在一定程度上可作为弧后热击穿的判据，因此，通过实验测量方式，研究不同技术条件对弧后电流的影响规律和影响趋势，对于研究并提高断路器的分断能力具有重要的意义。
弧后电流的时间窗口一般为微秒级，其数值一般为几百毫安至数十安培，与断路器的分断电流相差较大，因此，对弧后电流的精确测量必须解决以下问题：宽频响、高信噪比传感技术、以及高速、高分辨率模拟量采集技术，以满足对一次侧原始信号的测量要求；合理消除灭弧室结构电容所引入的容性电流影响。
对于上述第一个问题，随着数字采样以及传感器技术的发展，已得到较好的解决，对于后一个问题，即，合理消除灭弧室结构电容所引入的容性电流影响，目前仍存在较大的困难，而该容性电流的典型值一般为几百mA至数A，与弧后电流的实际值具有同样的数量级，因此，如不能有效消除其附加影响，测量结果将会失去应有的意义。
对于以上问题，荷兰KEMA试验站所采用的零区电流测量设备，其基本的结构电容补偿原理是，假定小电流开断实验中的弧后电流近似为零，因而将电流零区出现的电流信号认定为附加电容所引入的容性电流。
根据以上假定，将试验中施加于灭弧室两端的电压信号进行微分运算，便可计算出等效的灭弧室结构电容值，即，i＝cddtU，该公式中，u和i均可通过测量获得，c即为灭弧室结构电容。
以上的参数测量和补偿设置，对于同一台断路器只需进行一次，对后续其他实验数据均依此进行补偿。
可以看出，该方法至少存在以下问题：首先，其基本假定存在较大误差，对于断路器的小电流分断情况，零区的断口电流并非全部为容性电流，依然存在与介质热恢复过程相关的弧后电流，而且随着断路器分断能力的不同，该方法无法形成统一、定量的补偿依据，其实际操作存在较大的随机性；其次，更为重要的是，由于灭弧室的结构电容与触头开距直接相关，现有的方法只能针对某一特定开距下的容性电流补偿，对于实际试验中的不同开距情况，显然存在较大的偏差；第三，原有测量方法的测量时间窗口有限，仅为弧后的数微秒时间，对于更大范围的测量需求，例如，暂态恢复阶段的全部过程以及工频恢复阶段的电流测量需求，原方法显然无法满足，因此现有技术仍然不能较为准确的测量断路器弧后电流。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种基于结构电容动态测量与补偿的断路器弧后电流测量装置及方法，该装置及方法能够较为准确的测量断路器弧后电流。
为达到上述目的，本发明所述的基于结构电容动态测量与补偿的断路器弧后电流测量装置包括直流充电电源、充电电阻、高压储能电容、高压控制开关、谐振电感、阻尼电阻、测量控制单元、用于检测高压储能电容两端电压的电压传感器以及用于检测高压储能电容与待测灭弧室结构电容之间电压的电压传感器；
直流充电电源经充电电阻与高压储能电容的一端及高压控制开关的一端相连接，高压控制开关的另一端经谐振电感及阻尼电阻与待测灭弧室结构电容的一端相连接，待测灭弧室结构电容的另一端与高压储能电容的另一端相连接，测量控制单元与电压传感器的输入端、电流传感器的输入端及高压控制开关的控制端相连接。
设阻尼电阻的阻值为R，谐振电感的电感为L，待测灭弧室结构电容的电容值为C，则有
Figure BDA0001742748820000031
本发明所述的基于结构电容动态测量与补偿的断路器弧后电流测量方法包括以下步骤：
在各测量周期开始时，直流充电电源通过充电电阻向高压储能电容充电，当高压储能电容充电完成后，测量控制单元控制高压控制开关导通，此时，电路在高压储能电容、谐振电感、阻尼电阻及待测灭弧室结构电容的参与下进行阻尼振荡，测量控制单元通过电流传感器及电压传感器检测阻尼振荡的电流信号及电压信号，再根据检测得到的阻尼振荡的电流信号及电压信号计算待测灭弧室结构电容的电容值，然后根据待测灭弧室结构电容的电容值计算断路器的容性电流，最后通过断路器的弧后电流测量值减去断路器的容性电流，得断路器弧后电流的真实值。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的基于结构电容动态测量与补偿的断路器弧后电流测量装置及方法在具体操作时，先通过直流充电电源给高压储能电容充电，然后控制高压控制开关导通，此时电路在高压储能电容、谐振电感、阻尼电阻及待测灭弧室结构电容的参与下进行阻尼振荡，再根据电压传感器及电流传感器测量得到的结果计算断路器灭弧室结构电容的电容值，实现对断路器灭弧室结构电容的电容值的动态测量及补充，然后计算测量得到的断路器灭弧室结构电容的电容值计算灭弧室弧后电流，以实现对灭弧室弧后电流的精确测量，在实际操作时，可以合理选择及确定电路参数，以提高测量的触发频率，实现断路器灭弧室结构电容的大动态范围测量以及测量时间分辨率的提高，实现断路器全行程范围的灭弧室结构电容测量，以满足整个断路器弧后电流阶段的测量需要，测量范围可延伸至整个暂态恢复阶段及工频恢复阶段。
附图说明
图1为本发明的电路图；
图2a为仿真实验中待测灭弧室结构的电容值为15pF的仿真结果图；
图2b为仿真实验中待测灭弧室结构的电容值为50pF的仿真结果图；
图2c为仿真实验中待测灭弧室结构的电容值为150pF的仿真结果图；
图3为仿真实验中待测电路的端口电压响应图；
图4为待测灭弧室结构的等效电路图。
其中，1为直流充电电源、2为充电电阻、3为高压储能电容、4为高压控制开关、5为谐振电感、6为阻尼电阻、7为待测灭弧室结构电容、8为电流传感器、9为电压传感器、10为测量控制单元。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参考图1，本发明所述的基于结构电容动态测量与补偿的断路器弧后电流测量装置包括直流充电电源1、充电电阻2、高压储能电容3、高压控制开关4、谐振电感5、阻尼电阻6、测量控制单元10、用于检测高压储能电容3两端电压的电压传感器9以及用于检测高压储能电容3与待测灭弧室结构电容7之间电压的电压传感器9；直流充电电源1经充电电阻2与高压储能电容3的一端及高压控制开关4的一端相连接，高压控制开关4的另一端经谐振电感5及阻尼电阻6与待测灭弧室结构电容7的一端相连接，待测灭弧室结构电容7的另一端与高压储能电容3的另一端相连接，测量控制单元10与电压传感器9的输入端、电流传感器8的输入端及高压控制开关4的控制端相连接。
本发明所述的基于结构电容动态测量与补偿的断路器弧后电流测量方法包括以下步骤：
在各测量周期开始时，直流充电电源1通过充电电阻2向高压储能电容3充电，当高压储能电容3充电完成后，测量控制单元10控制高压控制开关4导通，此时，电路在高压储能电容3、谐振电感5、阻尼电阻6及待测灭弧室结构电容7的参与下进行阻尼振荡，测量控制单元10通过电流传感器8及电压传感器9检测阻尼振荡的电流信号及电压信号，再根据检测得到的阻尼振荡的电流信号及电压信号计算待测灭弧室结构电容7的电容值，然后根据待测灭弧室结构电容7的电容值计算断路器的容性电流，最后通过断路器的弧后电流测量值减去断路器的容性电流，得断路器弧后电流的真实值。
仿真实验
当图1中的灭弧室结构电容分别为15pF、50pF、100pF时，对图1进行电路仿真，主要电路参数设置如下：高压储能电容3的充电电压为1000V，高压储能电容3为10nF，谐振电感5的电感值为100μH，阻尼电阻6的电阻值为500Ω，当高压控制开关4在1μs时刻动作时，其电流仿真结果如图2a至图2c所示。由仿真结果可见，当待测灭弧室结构电容7的电容值变化时，测量波形的谐振及阻尼情况将发生相应的变化。
图3给出了在高压控制开关4闭合瞬间，图1右侧虚线框的端口电压仿真结果，可以看出，该结果对应于虚线框内的二阶电路阶跃响应，当高压储能电容3远大于待测灭弧室结构电容7时，可采用图4的电路加以分析。
根据电路原理得：
Figure BDA0001742748820000061
解微分方程可得到：
Figure BDA0001742748820000062
Figure BDA0001742748820000071
Figure BDA0001742748820000072
确保
Figure BDA0001742748820000073
该电路为振荡放电过程，令：
Figure BDA0001742748820000074
因此，线路电流如下：
Figure BDA0001742748820000075
为简化计算起见，根据测量得到的电流波形，由其振荡过零的时间间隔可求出：
Figure BDA0001742748820000076
再根据
Figure BDA0001742748820000077
求出待测灭弧室结构电容7的电容值。例如，图1中待测灭弧室结构电容7的仿真给定值为150pF，由图2c得到的Δt1＝0.4044×10-6s，得待测灭弧室结构电容7的电容值为150.15pF，误差为0.1％；然后根据灭弧室结构的电容值计算断路器弧后电流。

Claims (3)

1.一种基于结构电容动态测量与补偿的断路器弧后电流测量装置，其特征在于，包括直流充电电源(1)、充电电阻(2)、高压储能电容(3)、高压控制开关(4)、谐振电感(5)、阻尼电阻(6)、测量控制单元(10)、用于检测高压储能电容(3)两端电压的电压传感器(9)以及用于检测高压储能电容(3)与待测灭弧室结构电容(7)之间电压的电压传感器(9)；
直流充电电源(1)经充电电阻(2)与高压储能电容(3)的一端及高压控制开关(4)的一端相连接，高压控制开关(4)的另一端经谐振电感(5)及阻尼电阻(6)与待测灭弧室结构电容(7)的一端相连接，待测灭弧室结构电容(7)的另一端与高压储能电容(3)的另一端相连接，测量控制单元(10)与电压传感器(9)的输入端、电流传感器(8)的输入端及高压控制开关(4)的控制端相连接，其中，电压传感器(9)的一端接于充电电阻(2)与高压储能电容(3)之间的线路上，电压传感器(9)的另一端接于高压储能电容(3)与待测灭弧室结构电容(7)之间的线路上。
2.根据权利要求1所述的基于结构电容动态测量与补偿的断路器弧后电流测量装置，其特征在于，设阻尼电阻(6)的阻值为R，谐振电感(5)的电感为L，待测灭弧室结构电容(7)的电容值为C，则有
Figure FDA0002525093850000011
3.一种基于结构电容动态测量与补偿的断路器弧后电流测量方法，其特征在于，基于权利要求1所述的基于结构电容动态测量与补偿的断路器弧后电流测量装置，包括以下步骤：
在各测量周期开始时，直流充电电源(1)通过充电电阻(2)向高压储能电容(3)充电，当高压储能电容(3)充电完成后，测量控制单元(10)控制高压控制开关(4)导通，此时，电路在高压储能电容(3)、谐振电感(5)、阻尼电阻(6)及待测灭弧室结构电容(7)的参与下进行阻尼振荡，测量控制单元(10)通过电流传感器(8)及电压传感器(9)检测阻尼振荡的电流信号及电压信号，再根据检测得到的阻尼振荡的电流信号及电压信号计算待测灭弧室结构电容(7)的电容值，然后根据待测灭弧室结构电容(7)的电容值计算断路器的容性电流，最后通过断路器的弧后电流测量值减去断路器的容性电流，得断路器弧后电流的真实值。
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