CN112151287B

CN112151287B - 一种高压断路器

Info

Publication number: CN112151287B
Application number: CN202010700773.6A
Authority: CN
Inventors: 钱凯; 韩国辉; 刘宇; 邓渊; 何保营; 何大伟; 陈富国; 许家源; 杨锐; 闫飞越; 雷琴; 范乃元; 惠勇锋
Original assignee: State Grid Corp of China SGCC; Pinggao Group Co Ltd
Current assignee: State Grid Corp of China SGCC; Pinggao Group Co Ltd
Priority date: 2020-07-20
Filing date: 2020-07-20
Publication date: 2023-06-30
Anticipated expiration: 2040-07-20
Also published as: CN112151287A

Abstract

本发明涉及一种高压断路器，属于智能型高压断路器技术领域。包括设置于母线上的动触头、驱动动触头动作的伺服电机、供电连接伺服电机的逆变电路、驱动逆变电路的电机驱动器，所述电机驱动器实时采集母线信息，并在接收分闸信号后，按照根据预设的母线信息与断路器分闸特性关系获得的对应断路器分闸特性输出对应的驱动信号，控制伺服电机带动动触头按照对应的分闸特性执行分闸动作；所述母线信息包括容量、母线电流或母线温度，所述分闸特性包括动触头位移‑时间关系或动触头速度‑时间关系。本发明实现了断路器的智能化运作，能够根据母线状态调整分闸特性。

Description

一种高压断路器

技术领域

本发明涉及一种高压断路器，属于智能型高压断路器技术领域。

背景技术

高压产品的智能技术，即通过综合应用通信，计算机和控制技术，运用传感器，控制器对高压开关进行技术升级，实现了一二次的融合创新和状态感知，通过从模拟接口到全数字接口的升级，为产品的智能化奠定了一定的技术保证。目前的高压产品智能化仅仅停留在断路器的在线监测阶段，产品的在线监测，运用上述技术为高压产品安全运行提供了可靠的技术保证。高压产品的智能化运作，是要能够根据产品运行时的状态信息，自动调节断路器的动作特性。

目前的高压开关，全部由传统机械式的蝶形弹簧液压机构、弹簧机构、气动机构等组成，其分合闸动作特性曲线单一，其机构一旦设计完毕，产品特性就已基本定型，其分合闸动作特性不能根据应用环境及电路参数的变化而改变；因此，传统的高压开关无法实现高压产品的智能化。随后出现的电机驱动机构断路器，在技术上实现了断路器的数字控制，以及动作特性的可调，但依然不能实现高压产品智能化运作。

高压断路器为了能够及时切断电流、熄灭电弧，需要较高的分断速度，同时为了最快接通电路，防止拉弧烧毁触头，也需要尽快的合闸速度。但是分闸速度并非是越快越好，首先，分闸速度过高，会引起动触头弹跳增大，弹跳过大会引起燃弧同时对断路器结构部件冲击较大，不利于断路器寿命和可靠运行。而且若操作功过大，则有可能在高压开关分闸后几分钟出现二次重合的现象，这种分闸后再次跳合的情况会给电网及运维人员带来极大的安全隐患。

而即使是同一电压等级下的交流母线的运行状态(例如母线容量)也是大为不同的，因此不同母线状态下对应有着不同的最适宜的高压开关分闸操作功或分闸速度，而动作特性单一的非智能化运作的高压开关器件，不能根据母线状态调节分闸的操作功或者说是分闸速度。

发明内容

本发明的目的是提供一种高压断路器，用以解决现有高压开关产品不能实现智能化运作、不能根据母线状态调整分闸速度特性的问题。

为实现上述目的，本发明的方案包括：

本发明的一种高压断路器，包括设置于母线上的动触头、驱动动触头动作的伺服电机、供电连接伺服电机的逆变电路、驱动逆变电路的电机驱动器，所述电机驱动器实时采集母线信息，并在接收分闸信号后，按照根据预设的母线信息与断路器分闸特性关系获得的对应断路器分闸特性输出对应的驱动信号，控制伺服电机带动动触头按照对应的分闸特性执行分闸动作；所述母线信息包括容量、母线电流或母线温度，所述分闸特性包括动触头位移-时间关系或动触头速度-时间关系。

本发明的高压断路器能够根据母线运行时的状态信息(电流、容量、温度等)来确定所需开断速度的大小，自动调节和控制断路器合适的分闸速度。实现了高压开关产品的智能化运作。在分闸时采用最匹配最合适的操作功及分闸速度曲线，不会因速度过慢分闸时间长导致的无法成功切断母线电流、燃弧烧毁触点等问题。也实现了分闸操作根据母线情况判断，需要多快的分闸速度，就响应多快的操作速度，而避免了像目前非智能断路器在任何一次分闸动作时，都只能采取设计时给定的操作功以最大速度进行分闸；避免了每次分闸时都要承受最大分闸速度带来的冲击和振动，减少了故障率，降低了设备材料强度要求，提高了机械寿命。同时也避免了分闸速度过高造成分闸弹跳进而重新燃弧二次重合的问题。

进一步的，对伺服电机的控制实施电流外环电压内环的双闭环PWM控制；通过采集伺服电机的旋变信号计算速度反馈量Q与行程反馈量

速度反馈量Q与速度给定值Q_ref叠加经过比例调节生成行程参考值/>

行程参考值/>

与所述行程反馈量/>

叠加经过比例积分调节生成q轴电流参考值iq_ref。

基于速度和行程的双反馈调节，增加了控制的精确度，更加精准的基于分闸特性曲线进行伺服电机的控制。

进一步的，d轴电流参考值id_ref设为0。

通过d轴电流参考值等于0的控制，降低了电机的无功功率，提升了效率。

进一步的，母线电流大于设定电流值时，断路器分闸按最大速度执行。

当出现较大的断路电流时，保证断路电流的迅速切断，保护下游设备安全。

进一步的，电机驱动器通过母线电流互感器获得母线电流。

基于现有的在线监测设施实现相关参数的采集，实现了资源共享，提高了设备利用率，精简了高压断路器的结构，降低了成本。

进一步的，所述逆变电路还包括用于重合闸的储能单元。

采用PLC和简单继电器实现对断路器的分合闸控制，程序执行时间长，对断路器分合闸时间造成了一定程度的影响，不利于高压断路器的切断故障电流的能力；本发明需要实现根据母线状态匹配最佳的断路器分闸时间，在既能够可靠分断母线电流的前提下，降低分闸操作功来减少分闸冲击，因此在分闸时间的控制上需要更加的精准，因此传统的PLC控制难以满足本发明的需求，给分闸的时间控制上带来不确定性，因此本发明进而将CPLD控制技术应用在PLC中，采用基于PLC的CPLD技术，进一步降低程序执行时间，使得最短分合闸时间进一步减少，也有效增加了分合闸控制在时间上精准度。

附图说明

图1是高压断路器结构图；

图2(a)是高压断路器动触头位移-时间曲线示意图；

图2(b)是高压断路器动触头速度-时间曲线示意图；

图3是本发明的断路器电路原理示意图；

图4是本发明的高压断路器分闸速度控制示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

如图1所示的高压断路器结构，包括断路器灭弧室1、断路器电机驱动系统2、与断路器驱动电机主轴传动相连的传轴31，灭弧室1中设置有分断母线的断路器刀闸，刀闸上对应设置有动触点和静触点，转轴31通过拐臂32传动连接刀闸的动触点，当断路器驱动电机转动，带动转轴31和拐臂32，进而拉动断路器动触点，实现刀闸的分合控制。断路器驱动电机采用伺服电机。

本发明的高压断路器在灭弧室及其中的刀闸以及从驱动电机到动触头的传动部分，可以采用现有技术中的电机驱动机构断路器，因此不再详细介绍。电机驱动系统2是断路器的控制核心部分，电机驱动系统主要由6部分组成：

一、充电单元：其结构由三部分组成，即滤波器(B1)，变压器(T1)，整流器(Z1)，其作用是为储能电容(C)提供瞬时能量的保证；同时，为驱动电机的逆变电路提供所需的直流电源。

二、储能单元：主要包括储能电容(C)，为断路器提供可靠的自动重合闸能量储备保障，同时满足断路器在正常能量消耗时，下次动作所需能量的快速补充。

三、逆变控制器：通过PWM脉宽调控信号实现对驱动功率小、通流容量大的IGBT进行控制，从而为伺服电机所需的电流波形提供近似于理想的正弦波形。

四、分合闸控制器(CPU)：此装置通过光纤电缆实现断路器动作的各种信息的实时采集，满足单片机信息所需，应用于程序的设计之中，形成断路器虚拟的分合闸线圈。向电机驱动器输出分合闸控制命令、采集断路器分合闸状态信息，在分合闸命令的控制下，实现断路器的正常操作。

五、伺服电机驱动器：本实施例中，驱动器主要由DSP+CPLD组成：DSP数字信号处理器，通过对伺服电机电流信号、转速及转角信号以及母线参数(包括母线电流和母线电压等)的采集和处理，为CPLD可编程逻辑控制器提供各种数字信息，从而实现对伺服电机M的智能控制。

六、伺服电机(M)：断路器驱动电机采用永磁同步电机及旋变数字编码器组成，其中电机的功率，转矩，转速是断路器的主要动力参数；伺服电机的旋变数字编码器的输出与DSP的事件管理器相连，实现伺服电机的速度控制及精确定位，从而满足断路器分合闸技术要求。

如图3的本发明的断路器电路原理示意图所示，由断路器分断的母线上设有电流互感器CT和电压互感器PT以及断路器刀闸，刀闸动触点由伺服电机主轴传动连接；逆变电路包括充电单元、储能单元以及逆变控制器，交流电源通过充电单元接入逆变电路，为储能电容(C)和逆变控制器供能，逆变控制器输出PWM波形驱动伺服电机(M)。伺服电机驱动器向逆变控制器提供驱动控制信号，伺服电机控制器采集连接母线上的电流互感器CT和电压互感器PT，连接采集定子电流的霍尔电流传感器，还采集连接驱动电机的转速传感器和转角位置传感器，本实施例中，直接连接作为驱动电机的伺服电机的旋变数字编码器，通过编码器的输出脉冲即可获得电机转速和转角。伺服电机控制器通过双通道光纤连接分合闸控制器(CPU)，通过分合闸控制器获取分合闸控制指令。

断路器的分合闸，通过伺服电机的正反转，带动断路器动触头直动，实现断路器分合闸。

为了满足断路器的分合闸技术要求，提高断路器分合闸操作功，伺服电机的驱动采用SVPWM控制方法，提高电机直流母线电压的利用率，便于断路器的数字控制。

以上硬件构造基于现有技术中的电机驱动机构断路器，本发明的核心在于，断路器通过采集母线相关信息，判断当前母线状态(功率水平或者说容量等级)，根据母线的当前状态调整断路器分闸操作功，以相应适当的操作功进行断路器分闸控制，实现高压断路器的智能化。

为了实现断路器的智能控制，即当母线参数发生变化时，用相应的操作功实施对电机的驱动控制；利用CPLD可编程逻辑控制器技术，在程序控制中，将母线参数转换成CPLD控制命令；具体实施过程：通过适时监测线路(主母线)的电流和电压参数，计算出母线容量等能够反应出母线当前状态的参数，根据母线当前容量确定断路器对应的分闸操作功，通过DSP数字信号处理器，得到电机所需对应速度的PWM驱动波形，从而实现断路器的智能控制。采用PLC和简单继电器实现对断路器的分合闸控制，程序执行时间长，对断路器分合闸时间造成了一定程度的影响，不利于高压断路器的切断故障电流的能力；本发明需要实现根据母线状态匹配最佳的断路器分闸时间，在既能够可靠分断母线电流的前提下，降低分闸操作功来减少分闸冲击，因此在分闸时间的控制上需要更加的精准，因此传统的PLC控制难以满足本发明的需求，给分闸的时间控制上带来不确定性，因此本发明进而将CPLD控制技术应用在PLC中，采用基于PLC的CPLD技术，进一步降低程序执行时间，使得最短分合闸时间进一步减少，也有效增加了分合闸控制在时间上精准度。

为了实现断路器分合闸命令驱动断路器，使其动触头的速度值满足对应母线参数下的技术要求，通过DSP数字控制技术，运用SVPWM空间矢量控制算法，在一个开关周期内，通过对电压矢量加以组合，使逆变控制器输出的平均值与给定的电压矢量值相等的原理，用程序设计的方法，绘出系列的动触头行程-时间曲线(如图2(a)所示)或者动触头速度-时间曲线(如图2(b)所示)，通过对永磁同步电机进行位置(转角)伺服控制；使断路器动触头根据不同母线容量下的操作功及速度要求，按不同的行程-时间曲线或速度时间曲线运动，从而实现伺服电机与断路器动触头的直动运行，实现断路器开断速度根据母线参数可调。

本发明的高压断路器的控制方法具体包括如下步骤：

1)断路器实时监测母线信息，母线信息包括母线电流和母线电压，监测方法可以通过采集母线上设置的电流互感器、电压互感器以及其他传感器数据获得。

2)根据监测得到的母线信息计算当前母线的容量，根据母线容量确定所需的断路器操作功以及对应的断路器(动触头)行程-时间曲线(如图2(a)所示；也可以是速度-时间曲线，如图2(b)所示；这两种曲线都能够准确的描述断路器的分闸特性，例如确定分闸所需时间t0，且可以相互转换；图2(a)中S0为动触头最大位移)；对应的行程-时间曲线(也即分闸特性)应当满足对应母线状态下的断路器分闸技术条件，例如对分闸时间的要求、对灭弧的要求等；分闸特性与母线状态的对应关系的制定可以参考和基于国家标准GB1984-2014交流高压断路器来制定，也可以通过大量实验或统计数据来制定。

举例来说，当母线容量为AB时，根据技术指标，断路器必须在t0毫秒以内断开以熄灭电弧切断故障电流，动触头速度和位移应当分别满足图2(a)和图2(b)的曲线，则分闸特性与母线状态的对应关系包括：母线容量＝AB对应图2(a)和图2(b)的曲线；则当测出母线电压为A、母线电流达到B值时，断路器根据图2(a)或图2(b)的曲线驱动控制动触头。

不同技术参数反应了母线状态(本实施例中母线容量为反应母线状态的技术参数)，不同的母线状态与不同的分闸特性一一对应生成相应的数据库或表格，存入可编程逻辑控制器(CPLD)的存储器中，供断路器控制程序随时调用。

交流输电母线电压等级一般都是恒定的，作为其他实施例，也可以仅实时采集母线电流，而将额定的母线电压作为恒定的电压值写入系统中，基于该恒定的电压值计算当前母线容量，不再实时采集母线电压。当然，这样计算出的母线实时容量精确度较低。

3)断路器查表得到当前母线状态下对应的分闸特性，按照对应所需的分闸特性的速度-时间和/或行程-时间曲线通过伺服电机驱动控制动触头的执行。具体的，断路器可以实时对母线信息进行监测，每当母线信息变化达到不同的断路器分闸特性级别时(速度-时间、行程-时间曲线)，断路器读取对应的新的分闸特性曲线，等待分闸控制信号来时按照对应的分闸特性曲线执行分闸动作；或者，每当分闸控制信号来时，断路器刷新母线信息，即在有分闸指令时检测母线信息，对应获取分闸特性曲线并执行分断动作。

具体断路器的按照分闸特性曲线的控制方法如图4所示：当断路器接收到分闸命令时，控制信息通过计算机进入CPLD程序控制器，按照速度-时间曲线获取对应时刻所需的分闸速度参考值Q_ref(速度给定值)，由旋变数字编码器输出的脉冲信号经DSP数字信号处理器运算处理后得到电机的转速，转化为刀闸动触头速度(速度反馈量Q)后与速度给定值Q_ref相比较，送给速度环P调节器，比例调节后得到动触头行程参考值

由旋变数字编码器输出的脉冲信号经DSP数字信号处理器运算处理后得到电机的转角，转化为动触头的行程

(或者说位移)后与动触头行程参考值/>

相比较，送给位移环PI调节器，经比例积分调节后得到定子相电流参考输入信号iq_ref和id_ref。由霍尔电流传感器检测出定子电流i_a、i_b、i_c＝-i_a-i_b，经DSP进行A/D转换，通过Clark+Park变换得到磁场定向电流分量i_d、i_q，与定子相电流参考输入信号相比后，经PI调节器，实现给定值与实际输出值的调节，通过id_ref＝0的控制，得到同步旋转坐标系下的参考值V_dref、V_qref，通过反Park变换，得到V_d、V_q，用来产生空间矢量SVPWM的波形，从而驱动逆变控制器中的IGBT实现断路器分闸的实时控制。

以上为断路器所在母线带电运行时的速度控制策略，当断路器不带电运行时，例如合闸工况下，断路器分合闸动作满足断路器所有新产品试验运行和新产品出厂试验要求，或者按照断路器最快合闸速度合闸。

产品带电运行时，若监测到母线电流超出设定电流值，断路器程序按短路电流所需速度控制分闸，或者按照最快分闸速度分闸。

上述实施例中，断路器通过母线电流和母线电压计算母线容量作为反应母线状态的技术参数。其他实施例，断路器也可以根据其他母线参数来反应母线状态，并对应获得分闸速度要求，例如考虑到母线电压等级一定，因此仅实时采集母线电流，并将母线电流作为反应当前母线状态的技术参数，根据相关标准或实验测得的数据构建母线状态与分闸特性曲线的对应关系。或者，母线的发热也一定程度反应了当前的母线状态，因此采集母线的温度作为反应当前母线状态的技术参数，根据相关标准或实验测的数据构建母线温度与分闸特性曲线的对应关系。

Claims

1.一种高压断路器，其特征在于，包括设置于母线上的动触头、驱动动触头动作的伺服电机、供电连接伺服电机的逆变电路、驱动逆变电路的电机驱动器，所述电机驱动器实时采集母线信息，根据母线信息计算当前母线容量，并在接收分闸信号后，按照根据预设的母线容量与断路器分闸特性关系获得的对应断路器分闸特性输出对应的驱动信号，控制伺服电机带动动触头按照对应的分闸特性执行分闸动作；所述母线信息为母线电流，或母线信息为母线电流和母线电压，所述分闸特性包括动触头位移-时间关系或动触头速度-时间关系；按照根据预设的母线容量与断路器分闸特性关系获得的对应断路器分闸特性输出对应的驱动信号的过程为：根据当前母线容量从预设的母线容量与断路器分闸特性关系中获取当前母线容量对应的断路器分闸特性，按照当前母线容量对应的断路器分闸特性输出驱动信号，实现伺服电机与断路器动触头的直动运行。

2.根据权利要求1所述的高压断路器，其特征在于，对伺服电机的控制实施电流外环电压内环的双闭环PWM控制；通过采集伺服电机的旋变信号计算速度反馈量Q与行程反馈量

行程参考值/>

与所述行程反馈量/>

叠加经过比例积分调节生成q轴电流参考值iq_ref。

3.根据权利要求2所述的高压断路器，其特征在于，d轴电流参考值id_ref设为0。

4.根据权利要求1、2或3所述的高压断路器，其特征在于，母线电流大于设定电流值时，断路器分闸按最大速度执行。

5.根据权利要求4所述的高压断路器，其特征在于，电机驱动器通过母线电流互感器获得母线电流。

6.根据权利要求5所述的高压断路器，其特征在于，所述逆变电路还包括用于重合闸的储能单元。