CN110989442B - 快速开关系统的控制方法 - Google Patents

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Abstract

公开了快速开关系统及控制方法，快速开关系统中，断路器QF一端连接所述互感器T0后接地，电抗器L一端连接所述断路器QF，另一端与快速机械开关S的高压端相连；快速机械开关S另一端连接等离子体喷射触发开关TSG的低压端；电阻分压器PT高压端与所述等离子体喷射触发开关TSG的高压端相连，另一端与地相连，罗格夫斯基线圈CT套在所述等离子体喷射触发开关TSG的低压端，驱动模块输出端与等离子体喷射触发开关TSG的触发端连接，控制器的输入端与所述电阻分压器PT的测量信号连接，控制器的第一输出端与驱动模块的驱动输入端连接，第二输出端与快速机械开关S的控制端连接。

Description

快速开关系统的控制方法
技术领域
本发明涉及快速开关技术领域，特别是一种快速开关系统的控制方法。
背景技术
现代开关设备作为电力系统的关键控制和保护设备，快速操作能够缩短故障持续时间，快速恢复供电，能显著提高系统稳定性和开关开合性能，具有显著的技术经济意义。随着电力系统快速控制和保护的发展，对于开关设备快速动作的要求越来越高。传统开关设备，特高压GIS断路器，采用液压操动机构，分闸时间≤30ms，合闸时间≤120ms；VS1型10kV真空断路器，采用弹簧操动机构，分闸时间≤50ms，合闸时间≤70ms，由于机械操动机构体积庞大，结构复杂，传动环节多，动作时间的缩短受到很大限制，在一些特殊应用领域，已经不能完全满足使用需求。
在故障电流限制领域，希望开关能在故障电流发生后将限流电抗器快速接入线路，发挥限流作用；在开关选相操作领域，希望开关动作时间短，分散性小，大幅度提高选相操作的成功率；在电能质量领域，希望开关能快速将故障或低质电源切除，将健康优质电源接入，尽量缩短负载无电流时间，使不影响其正常工作；对于敏感负载，如串联电容器组、电力电子装置，希望开关能在电力系统或负载发生故障后能快速将负载旁路退出运行，以保护负载或避免故障扩大化；直流系统中短路故障发生后，短路电流上升非常，要求直流开关能快速开断以降低预期故障电流值；另电流强迫过零型直流开关，还希望有开关能在短路故障发生后快速使电容器放电以制造电流零点。
在上述场合中，通常要求开关动作时间低至数ms以内，传统开关设备已无法完全满足使用需求，需要结合新型快速开关设备，设计开关投切控制策略，既能够缩短开关动作时间，提升开关开合性能，快速切除故障，又能保证线路可靠开断，实现系统保护，提高系统稳定性。
在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了快速开关系统及控制方法。本发明的目的是通过以下技术方案予以实现。
一种快速开关系统包括，
互感器T0，
断路器QF，其一端连接所述互感器T0后接地，
电抗器L，其一端连接所述断路器QF，另一端与快速机械开关S的高压端相连；
快速机械开关S，其另一端连接等离子体喷射触发开关TSG的低压端；
电阻分压器PT，其高压端与所述等离子体喷射触发开关TSG的高压端相连，另一端与地相连，
罗格夫斯基线圈CT，其套在所述等离子体喷射触发开关TSG的低压端，
驱动模块，其输出端与等离子体喷射触发开关TSG的触发端连接，
控制器，其输入端与所述电阻分压器PT的测量信号连接，控制器的第一输出端与驱动模块的驱动输入端连接，第二输出端与快速机械开关S的控制端连接。
所述的快速开关系统中，控制器包括依次连接的阶跃波斩断器、转换方波模块、驱动回路、IGBT器件、脉冲变压器原边放电回路、前级触发器和后级触发器。
所述的快速开关系统中，快速机械开关S并联等离子体喷射触发开关TSG，所述转换方波模块包括运放比较器、光电发送器和光电接收器。
所述的快速开关系统中，控制器包括单片机、专用集成电路ASIC或现场可编程门阵列FPGA，控制器包括存储单元，存储单元包括一个或多个只读存储器ROM、随机存取存储器RAM、快闪存储器或电子可擦除可编程只读存储器EEPROM。
所述的快速开关系统中，控制器连接显示信息的柔性触摸屏和无线通信设备，所述无线通信设备至少包括无线局域网通信设备和/或移动通信网络设备，无线局域网通信设备包括蓝牙、ZigBee和/或Wi-Fi模块，所述移动通信网络设备包括2G无线通信芯片、3G无线通信芯片、4G无线通信芯片和/或5G无线通信芯片。
根据本发明另一方面，一种所述快速开关系统的控制方法包括以下步骤，
闭合断路器QF，t1时刻，控制器第二输出端输出控制信号闭合快速机械开关S，
t2时刻，触发源利用直流控制信号作为控制信号通过光纤传输到控制器，经过运放变换控制信号控制IGBT器件导通，在脉冲变压器原边形成脉冲放电产生脉冲输出进而触发后级触发器中的气体开关导通，产生触发脉冲作为等离子体喷射触发开关TSG的触发脉冲信号以触发导通等离子体喷射触发开关TSG，
t3时刻，快速机械开关S完全闭合，等离子体喷射触发开关TSG电流全部转移到快速机械开关S中，其中，t1时刻与t3时刻的时间差为快速机械开关S的合闸时间，通过调节t1时刻和t2时刻调整等离子体喷射触发开关TSG通流时间；
快速机械开关S闭合后，等离子体喷射触发开关自然熄弧退出，快速机械开关S在系统故障切除后打开，重新形成双断口。
所述的控制方法中，触发源利用220V的直流控制信号作为控制信号并转为5V电压信号，并通过光纤传输到控制器，然后变换为5V电信号，经过运放变换为20V控制信号控制IGBT器件导通，在脉冲变压器原边形成脉冲放电，在脉冲变压器副边产生幅值为30kV的脉冲输出，进而触发后级触发器中的气体开关导通，产生幅值为60-70kV的触发脉冲作为等离子体喷射触发开关TSG的触发脉冲信号。
所述的控制方法中，快速机械开关S具有30ms动作时间，等离子体喷射触发开关TSG通流时间为t2时刻与t3时刻的时间差。
所述的控制方法中，当等离子体喷射触发开关TSG的SF6触发间隙两端电压高于最低可触发电压时，通过控制器触发导通SF6触发间隙，触发延迟时间不超过100μs。
所述的控制方法中，等离子体喷射触发开关TSG的SF6触发间隙额定电压等级40.5kV，最低可触发电压13kV，短路通流能力80kA，持续时间为15ms。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的等离子体开关在100μs内导通，在15ms的时间内承受传导电流，直至机械开关闭合，等离子体开关自然熄弧退出，机械开关在系统故障切除后打开，重新形成双断口，既能够缩短开关动作时间，提升开关开合性能，快速切除故障，又能保证线路可靠开断，实现系统保护，提高系统稳定性。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使得本发明的技术手段更加清楚明白，达到本领域技术人员可依照说明书的内容予以实施的程度，并且为了能够让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，下面以本发明的具体实施方式进行举例说明。
附图说明
通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。
在附图中：
图1是本发明一种快速开关系统的示意图；
图2是本发明的触发脉冲示意图；
图3是本发明的控制方法步骤示意图；
图4是本发明一种等离子体喷射触发开关试验回路动作时序图。
以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。
具体实施方式
下面将参照附图1至附图4更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。
为了更好地理解，如图1所示，一种快速开关系统包括，
互感器T0，
断路器QF，其一端连接所述互感器T0后接地，
电抗器L，其一端连接所述断路器QF，另一端与快速机械开关S的高压端相连；
快速机械开关S，其另一端连接等离子体喷射触发开关TSG的低压端；
电阻分压器PT，其高压端与所述等离子体喷射触发开关TSG的高压端相连，另一端与地相连，
罗格夫斯基线圈CT，其套在所述等离子体喷射触发开关TSG的低压端，
驱动模块，其输出端与等离子体喷射触发开关TSG的触发端连接，
控制器，其输入端与所述电阻分压器PT的测量信号连接，控制器的第一输出端与驱动模块的驱动输入端连接，第二输出端与快速机械开关S的控制端连接。
本发明实现现代开关设备的快速操作与可靠投切，具有操作简单、便于推广等特点。
所述的快速开关系统的优选实施例中，控制器包括依次连接的阶跃波斩断器、转换方波模块、驱动回路、IGBT器件、脉冲变压器原边放电回路、前级触发器和后级触发器。
所述的快速开关系统的优选实施例中，快速机械开关S并联等离子体喷射触发开关TSG，所述转换方波模块包括运放比较器、光电发送器和光电接收器。
所述的快速开关系统的优选实施例中，控制器包括单片机、专用集成电路ASIC或现场可编程门阵列FPGA，控制器包括存储单元，存储单元包括一个或多个只读存储器ROM、随机存取存储器RAM、快闪存储器或电子可擦除可编程只读存储器EEPROM。
所述的快速开关系统的优选实施例中，控制器连接显示信息的柔性触摸屏和无线通信设备，所述无线通信设备至少包括无线局域网通信设备和/或移动通信网络设备，无线局域网通信设备包括蓝牙、ZigBee和/或Wi-Fi模块，所述移动通信网络设备包括2G无线通信芯片、3G无线通信芯片、4G无线通信芯片和/或5G无线通信芯片。
为了进一步理解本发明，在一个实施例中，开关系统包括等离子体喷射触发开关与机械开关，等离子体喷射触发开关与机械开关并联连接。
更进一步的，通过控制器输出控制信号闭合机械开关S。
更进一步的，机械开关具有30ms动作时间。
更进一步的，当SF6触发间隙两端电压高于最低可触发电压时，通过控制器触发导通SF6触发间隙，触发延迟时间≤100μs。
如图2所示，在一个实施例中，触发源利用220V的直流控制信号作为整机控制信号，将该信号转为5V电压信号，并通过光纤传输到控制器，然后变换为5V电信号，进一步经过运放变换为20V控制信号，控制IGBT器件导通，在脉冲变压器原边形成脉冲放电，在脉冲变压器副边产生幅值约为30kV的脉冲输出，进而触发后级触发器中的气体开关导通，产生幅值约为60-70kV的触发脉冲，为主间隙提供触发脉冲信号。
如图3所示，一种所述快速开关系统的控制方法包括以下步骤，
闭合断路器QF，t1时刻，控制器第二输出端输出控制信号闭合快速机械开关S，
t2时刻，触发源利用直流控制信号作为控制信号通过光纤传输到控制器，经过运放变换控制信号控制IGBT器件导通，在脉冲变压器原边形成脉冲放电产生脉冲输出进而触发后级触发器中的气体开关导通，产生触发脉冲作为等离子体喷射触发开关TSG的触发脉冲信号以触发导通等离子体喷射触发开关TSG，
t3时刻，快速机械开关S完全闭合，等离子体喷射触发开关TSG电流全部转移到快速机械开关S中，其中，t1时刻与t3时刻的时间差为快速机械开关S的合闸时间，通过调节t1时刻和t2时刻调整等离子体喷射触发开关TSG通流时间；
快速机械开关S闭合后，等离子体喷射触发开关自然熄弧退出，快速机械开关S在系统故障切除后打开，重新形成双断口。
所述的控制方法的优选实施方式中，触发源利用220V的直流控制信号作为控制信号并转为5V电压信号，并通过光纤传输到控制器，然后变换为5V电信号，经过运放变换为20V控制信号控制IGBT器件导通，在脉冲变压器原边形成脉冲放电，在脉冲变压器副边产生幅值为30kV的脉冲输出，进而触发后级触发器中的气体开关导通，产生幅值为60-70kV的触发脉冲作为等离子体喷射触发开关TSG的触发脉冲信号。
如图4所示，所述的控制方法的优选实施方式中，快速机械开关S具有30ms动作时间，等离子体喷射触发开关TSG通流时间为t2时刻与t3时刻的时间差。
所述的控制方法的优选实施方式中，当等离子体喷射触发开关TSG的SF6触发间隙两端电压高于最低可触发电压时，通过控制器触发导通SF6触发间隙，触发延迟时间不超过100μs。
所述的控制方法的优选实施方式中，等离子体喷射触发开关TSG的SF6触发间隙额定电压等级40.5kV，最低可触发电压13kV，短路通流能力80kA，持续时间为15ms。
所述的控制方法的优选实施方式中，t1时刻＜t2时刻，t2时刻＜t3时刻。
所述的控制方法的优选实施方式中，t2时刻与t1时刻的时间差小于100μs，t3时刻与t1时刻的时间差大于15ms且小于30ms。
所述的控制方法的优选实施方式中，t3时刻，S完全闭合，SF6触发间隙电流全部转移到S中，t1与t3的时间差为S的合闸时间，通过合理选择t1和t2时刻可以调整SF6触发间隙通流时间(t2与t3的时间差)。
可见，根据本发明所提供的快速开关系统投切的时序控制可以实现现代开关设备的快速操作与可靠投切，具有操作简单、便于推广等特点。综上可见，本发明是根据现代开关设备控制策略的缺失，提供了一种用于快速开关系统投切的时序控制，缩短开关动作时间，提升开关开合性能，快速切除故障，又能保证线路可靠开断，实现系统保护，提高系统稳定性，具有操作简单、便于推广等特点。
工业实用性
本发明所述的快速开关系统及控制方法可以在快速开关领域制造并使用。
以上结合具体实施例描述了本申请的基本原理，但是，需要指出的是，在本申请中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本申请的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本申请为必须采用上述具体的细节来实现。
为了例示和描述的目的已经给出了以上描述。此外，此描述不意图将本申请的实施例限制到在此公开的形式。尽管以上已经讨论了多个示例方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些变型、修改、改变、添加和子组合。

Claims (9)

1.一种快速开关系统的控制方法，其包括以下步骤，
快速开关系统包括，
互感器T0，
断路器QF，其一端连接所述互感器T0后接地，
电抗器L，其一端连接所述断路器QF，另一端与快速机械开关S的高压端相连；
快速机械开关S，其另一端连接等离子体喷射触发开关TSG的低压端；
电阻分压器PT，其高压端与所述等离子体喷射触发开关TSG的高压端相连，另一端与地相连，
罗格夫斯基线圈CT，其套在所述等离子体喷射触发开关TSG的低压端，
驱动模块，其输出端与等离子体喷射触发开关TSG的触发端连接，
控制器，其输入端与所述电阻分压器PT的测量信号连接，控制器的第一输出端与驱动模块的驱动输入端连接，第二输出端与快速机械开关S的控制端连接，闭合断路器QF，t1时刻，控制器第二输出端输出控制信号闭合快速机械开关S，
t2时刻，触发源利用直流控制信号作为控制信号通过光纤传输到控制器，经过运放变换控制信号控制IGBT器件导通，在脉冲变压器原边形成脉冲放电产生脉冲输出进而触发后级触发器中的气体开关导通，产生触发脉冲作为等离子体喷射触发开关TSG的触发脉冲信号以触发导通等离子体喷射触发开关TSG，
t3时刻，快速机械开关S完全闭合，等离子体喷射触发开关TSG电流全部转移到快速机械开关S中，其中，t1时刻与t3时刻的时间差为快速机械开关S的合闸时间，通过调节t1时刻和t2时刻调整等离子体喷射触发开关TSG通流时间；
快速机械开关S闭合后，等离子体喷射触发开关自然熄弧退出，快速机械开关S在系统故障切除后打开，重新形成双断口。
2.如权利要求1所述的控制方法，其中，触发源利用220V的直流控制信号作为控制信号并转为5V电压信号，并通过光纤传输到控制器，然后变换为5V电信号，经过运放变换为20V控制信号控制IGBT器件导通，在脉冲变压器原边形成脉冲放电，在脉冲变压器副边产生幅值为30kV的脉冲输出，进而触发后级触发器中的气体开关导通，产生幅值为60-70kV的触发脉冲作为等离子体喷射触发开关TSG的触发脉冲信号。
3.如权利要求1所述的控制方法，其中，快速机械开关S具有30ms动作时间，等离子体喷射触发开关TSG通流时间为t2时刻与t3时刻的时间差。
4.如权利要求1所述的控制方法，其中，当等离子体喷射触发开关TSG的SF6触发间隙两端电压高于最低可触发电压时，通过控制器触发导通SF6触发间隙，触发延迟时间不超过100µs。
5.如权利要求1所述的控制方法，其中，等离子体喷射触发开关TSG的SF6触发间隙额定电压等级40.5kV，最低可触发电压13kV，短路通流能力80kA，持续时间为15ms。
6.如权利要求1所述的控制方法，其中，控制器包括依次连接的阶跃波斩断器、转换方波模块、驱动回路、IGBT器件、脉冲变压器原边放电回路、前级触发器和后级触发器。
7.如权利要求6所述的控制方法，其中，快速机械开关S并联等离子体喷射触发开关TSG，所述转换方波模块包括运放比较器、光电发送器和光电接收器。
8.如权利要求1所述的控制方法，其中，控制器包括单片机、专用集成电路ASIC或现场可编程门阵列FPGA，控制器包括存储单元，存储单元包括一个或多个只读存储器ROM、随机存取存储器RAM、快闪存储器或电子可擦除可编程只读存储器EEPROM。
9.如权利要求1所述的控制方法，其中，控制器连接显示信息的柔性触摸屏和无线通信设备，所述无线通信设备至少包括无线局域网通信设备和/或移动通信网络设备，无线局域网通信设备包括蓝牙、ZigBee和/或Wi-Fi模块，所述移动通信网络设备包括2G无线通信芯片、3G无线通信芯片、4G无线通信芯片和/或5G无线通信芯片。
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火花放电喷射等离子体触发气体开关导通特性及工作模式分析;刘善红 等;《高电压技术》;20150630;第1830-1836页 *

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