CN110428999A - 一种多断口真空断路器电压分布的外加磁场控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于高压真空开关技术领域，涉及一种多断口真空断路器电压分布的外加磁场控制系统。一种改善多断口真空断路器电压分布的外加磁场控制系统，包括电源单元、故障电流检测与控制单元、球隙点火单元、磁场发生单元。系统能够快速预测出故障电流峰值，与预设的数值相对比，得到本电流下各断口最佳磁场施加时刻，并分别发送给对应的球隙点火单元完成磁场施加。本发明采用多套独立的电源单元、球隙点火单元与磁场发生单元，通过调节系统参数，能够更细致地分别控制不同断口外加磁场的强度、施加时刻和施加时长，最终达到改善电压分布的目的。

Description

一种多断口真空断路器电压分布的外加磁场控制系统

技术领域

本发明属于高压真空开关技术领域，涉及一种多断口真空断路器电压分布的外加磁场控制系统。

背景技术

将多个单断口真空断路器串联组成多断口真空断路器是一种将真空断路器推广到高电压等级的可行方案。但在开断短路电流的过程中，多断口真空断路器会出现各个断口承担电压值不一样的现象，这种差异会对断路器的开断能力有很大影响。以两个完全相同的商用灭弧室串联组成的双断口真空断路器为例，在承担开断任务时，高压侧一般会承受总电压的60％～70％。这就使得高压侧容易发生击穿现象，若低压侧不能承受全部的暂态恢复电压发生击穿，就会导致开断失败。

宏观上，两个断口的真空开关的等值电路如图1所示。图中，R₁(t)、R₂(t)分别为两个断口随时间变化的等效电阻，R₁(t)为高压断口等效电阻；R₂(t)低压断口等效电阻，C₁(t)、C₂(t)分别为两个断口随时间变化的等效电容，C₁(t)为高压断口等效电容，C₂(t)为低压断口等效电容；C_g对地杂散电容，C_g为对地杂散电容。在开断短路电流过程中，电流过零后，在弧后介质恢复初期，断口间的分压特性主要由弧后电阻决定。当弧阻增大到一定值后，断口间的分压特性由弧阻与断口本身等效电容共同决定。

微观上，承担暂态恢复电压的部分叫做鞘层。鞘层的发展过程如下：假设触头间隙中的等离子体为准中性等离子体，即电子和离子的数量基本一致。由于电子质量远小于离子质量，电子的速度会远快于离子的速度。在燃弧阶段，电子以远超离子的速度奔向阳极，同时由于触头材料、电场和磁场的影响，断口间的等离子体出现分布不均现象。电弧熄灭后，断口之间的等离子体并不会立刻消失，还会残存一定密度的等离子体，加上真空灭弧室的两端有较高的暂态恢复电压，电子的运动速度逐渐减小并最终反向，使新阴极(也就是原阳极)处形成了正离子鞘层，鞘层几乎承受所有的暂态恢复电压。而断口鞘层的不同发展情况使得每个断口的弧后电流大小不同，弧后电流电荷不平衡注入等效电容中导致弧后电压分布不均，其中根据电流与电荷关系可知：

不平衡电压U_un可表示为：

电弧由等离子体组成，等离子体能够受到磁场的控制。在电弧外施加一个磁场后，磁场会约束等离子体，使其在一定范围内运动，加快其向扩散型电弧转变。改变施加磁场的强度、施加时刻和施加时长可以改变弧后断口间的残留等离子体密度与分布情况，进而改变注入等效电容中的电荷量，最终达到均压的效果。

发明内容

本发明的目的在于针对现有的多断口真空断路器电压分布不均的问题，提供一种多断口真空断路器电压分布的外加磁场控制系统。此系统能够调节外加磁场的强度、施加时刻与施加时长。系统能够快速预测故障电流峰值，并以此为依据控制多个断口的磁场施加时刻，最终达到均压的效果。

本发明的技术方案：

一种多断口真空断路器电压分布的外加磁场控制系统，包括电源单元、故障电流检测与控制单元、球隙点火单元和磁场发生单元；

所述电源单元包括蓄电池、逆变器、充电开关S₁、隔离变压器T₁、限流电阻R₁、充电二极管D₁与D₂、电压表V₁、点火电容C₁和续流电容C₂。蓄电池分为并联的两路，蓄电池一路与球隙点火单元中的电压转换模块相连，另一路通过充电开关S₁、逆变器与隔离变压器T₁的一侧相连构成回路。隔离变压器T₁的输出侧与限流电阻R₁、充电二极管D₁、点火电容C₁连接构成回路。充电二极管D₂反向与续流电容C₂相连且并联在充电二极管D₁、点火电容C₁上。C₁支路与C₂支路并联后，电压表V₁并联到点火电容C₁两端，测量其上电压。充电开关S₁为红外遥控开关，可以在远处控制开关开断。

故障电流检测与控制单元包括罗氏线圈、A/D转换模块、控制单元和多个光纤输出模块。罗氏线圈、A/D转换模块、控制单元顺序相连。控制单元与多个光纤输出模块相连。罗氏线圈用于测量主回路中故障电流参数。A/D转换模块用于将罗氏线圈输出的模拟信号转换成数字信号发送给控制单元。控制单元用于将接收到的数据经过运算后输出多路电压信号。光纤输出模块用于将控制器输出的电压信号转换成光信号，发送给球隙点火单元。

球隙点火单元包括电压转换模块、光电转换模块、晶闸管SCR、高压包、二极管D₄、硅堆D₅、电阻R₂和球隙SG。

所述电压转换模块输入端与电源单元中蓄电池相连，电压转换模块输出端与光电转换模块相连。光电转换模块输出端与晶闸管SCR的控制端相连。硅堆D₅与续流电容C₂反向连接，硅堆D₅的正极一路与电阻R₂、二极管D₄、高压包和晶闸管SCR的正极顺序相连；晶闸管SCR的负极与电源单元中的点火电容C₁的负极相连；硅堆D₅的正极另一路与球隙SG一端、磁场线圈连接，球隙SG与磁场发生单元并联。

电压转换模块将蓄电池的电压转化为光电转换模块需要的电压值，光电转换模块用于将接收到的光信号转变为电信号，晶闸管SCR用于接收电压导通信号实现回路导通，高压包用于产生足以击穿球隙间隔的高压，球隙SG用于控制外加磁场回路的导通，电阻R₂用于限流。二极管D₄和硅堆D₅均起到单向保护的作用。

磁场发生单元包括开关S₂、隔离变压器T₂、调压器、二极管D₃、电容C₃、电压表V₂和磁场线圈。市电与充电开关S₂、变压器T₂的一侧构成回路；变压器T₂的另一侧与限流电阻R₃、整流二极管D₃、电容C₃顺序连接，构成电容C₃的充电回路。电压表V₂并联到电容C₃两端，测量其上电压。电容C₃、磁场线圈与球隙点火单元中的球隙SG两端相连，构成放电回路。其中，调压器调节电容C₃的充电幅值，磁场线圈在通电时可以产生均匀的磁场。

设计要求：

采用亥姆霍兹线圈作为磁场产生装置，线圈中心的磁感应强度为：

其中μ₀为磁常数，N为线圈匝数，I为流经线圈的电流，R为线圈半径。首先确定需要的磁感应强度B，再根据应用场合确定线圈的尺寸R。此时就可以根据需要通过的电流I的值确定导线规格和线圈匝数N。待线圈的结构确定后，再根据公式：

计算出线圈电感L。其中D为线圈的平均直径，W为线圈的宽度，H为线圈的厚度，N为线圈的匝数。

磁场线圈和电容C₃构成的LC振荡电路的周期公式为：

其中L是磁场线圈的电感，C是电容C₃的容值。L的值确定后，通过改变电容C₃的值来控制LC电路的放电时间。

本发明用于开断工频短路电流，所以半个周期的时间要小于工频电流的半波时间，放电周期应满足：

本发明具备的有益效果：

1.本发明可以控制外加磁场的强度、施加时刻与施加时长。

2.本发明通过对故障电流的采集分析，能够快速预测出故障电流峰值，与预设的数值相对比，得到本电流下各断口最佳磁场施加时刻，并分别发送给对应的球隙点火单元完成磁场施加。

3.本发明能够配套多套独立的电源单元，球隙点火单元与磁场发生单元，能够分别对不同断口的外加磁场进行更细致地控制，达到更好的均压效果。

附图说明

图1是双断口真空断路器等值电路图。

图2是电源单元与球隙点火单元等值电路图。

图3是装置原理图。

图4是装置流程图。

图1中：R₁(t)高压断口等效电阻；R₂(t)低压断口等效电阻；C₁(t)高压断口等效电容；C₂(t)低压断口等效电容；C_g对地杂散电容。

图2中：U_H高压断口电压；U_L低压断口电压。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

结合图1～图4，一种多断口真空断路器电压分布的外加磁场控制系统，包括电源单元、故障电流检测与控制单元、球隙点火单元、磁场发生单元。

闭合遥控充电开关S₁，蓄电池直流电压经过逆变器转变为交流电压，经过隔离变压器T₁后由于二极管的单向导通特性，电压正半波给点火电容C₁充电，负半波给续流电容C₂充电，通过电压表V₁确认达到要求后关闭开关S₁。闭合充电开关S₂，220V市电经过隔离变压器T₂后由调压器调节充电幅值，通过电压表V₂确认达到要求后关闭开关S₂，准备工作完成。

实验时通过罗氏线圈测量故障电流数据，经过A/D转换模块后输出信号给控制单元。控制芯片进行运算，预测电流峰值大小并将其与内置数据进行比较，输出适合此电流值的多路导通信号，分别通过光纤传给每个球隙点火单元中的晶闸管SCR控制端来控制其导通。晶闸管SCR导通后，点火电容C₁通过高压包放电，在高压包输出端产生一个可达15kV的高压脉冲，从而使得球隙SG被击穿，磁场发生单元形成放电回路。C₃通过磁场线圈和球隙SG放电，磁场线圈产生磁场成功施加到断口外。与此同时，续流电容C₂通过硅堆D₅、球隙SG放电进行续流，以保证点火球隙可靠导通。在准备阶段，可以通过调节电容C₃的充电电压大小，来改变磁场线圈产生的磁场的强度；还可以调节电容C₃的电容值来改变磁场的持续时间，最终达到均压的效果。

其中，球隙相当于一个常开开关，当球隙点火装置中的高压包输出一个15kV的高压脉冲时，这个高压脉冲击穿了球隙中间的空气，产生了电弧，电弧连接了球隙的两端，而电弧就是一种导体。这个操作相当于开关闭合，此时电容C₃与磁场线圈、球隙SG串联形成通路，电容C₃上的电就释放出去。

Claims (3)

1.一种多断口真空断路器电压分布的外加磁场控制系统，其特征在于，包括电源单元、故障电流检测与控制单元、球隙点火单元和磁场发生单元；

所述电源单元包括蓄电池、逆变器、充电开关S1、隔离变压器T1、限流电阻R1、充电二极管D1与D2、电压表V1、点火电容C1和续流电容C2；蓄电池分为并联的两路，蓄电池一路与球隙点火单元中的电压转换模块相连，另一路通过充电开关S1、逆变器与隔离变压器T1的一侧相连构成回路；隔离变压器T1的输出侧与限流电阻R1、充电二极管D1、点火电容C1连接构成回路；充电二极管D2反向与续流电容C2相连且并联在充电二极管D1、点火电容C1上；C1支路与C2支路并联后，电压表V1并联到点火电容C1两端，测量其上电压；

所述故障电流检测与控制单元包括罗氏线圈、A/D转换模块、控制单元和多个光纤输出模块；罗氏线圈、A/D转换模块、控制单元顺序相连；控制单元与多个光纤输出模块相连；罗氏线圈用于测量主回路中故障电流参数；A/D转换模块用于将罗氏线圈输出的模拟信号转换成数字信号发送给控制单元；控制单元用于将接收到的数据经过运算后输出多路电压信号；光纤输出模块用于将控制器输出的电压信号转换成光信号，发送给球隙点火单元；

所述球隙点火单元包括电压转换模块、光电转换模块、晶闸管SCR、高压包、二极管D4、硅堆D5、电阻R2和球隙SG；电压转换模块输入端与电源单元中蓄电池相连，电压转换模块输出端与光电转换模块相连；光电转换模块输出端与晶闸管SCR的控制端相连；硅堆D5与续流电容C2反向连接，硅堆D5的正极一路与电阻R2、二极管D4、高压包和晶闸管SCR的正极顺序相连；晶闸管SCR的负极与电源单元中的点火电容C1的负极相连；硅堆D5的正极另一路与球隙SG一端、磁场线圈连接，球隙SG与磁场发生单元并联；

所述磁场发生单元包括开关S2、隔离变压器T2、调压器、二极管D3、电容C3、电压表V2和磁场线圈；市电与充电开关S2、变压器T2的一侧构成回路；变压器T2的另一侧与限流电阻R3、整流二极管D3、电容C3顺序连接，构成电容C3的充电回路；电压表V2并联到电容C3两端，测量其上电压；电容C3、磁场线圈与球隙点火单元中的球隙SG两端相连，构成放电回路。

2.如权利要求1所述的多断口真空断路器电压分布的外加磁场控制系统，其特征在于，所述的充电开关S1为红外遥控开关，在远处控制开关开断；所述的磁场发生单元的磁场线圈采用亥姆霍兹线圈。

3.如权利要求1或2所述的多断口真空断路器电压分布的外加磁场控制系统，其特征在于，所述电容C₃的值确定方法如下：

线圈中心的磁感应强度为：

其中μ₀为磁常数，N为线圈匝数，I为流经线圈的电流，R为线圈半径；

线圈电感L：

其中D为线圈的平均直径，W为线圈的宽度，H为线圈的厚度，N为线圈的匝数；

用于开断工频短路电流，放电周期应满足：

磁场线圈和电容C₃构成的LC振荡电路的周期公式为：