CN112768274B - 主动灭弧方法、装置及断路器、自动转换开关 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种主动灭弧方法，用于机械式开关的灭弧；在由电源和机械式开关所组成的第一供电支路之外为负载设置与第一供电支路并联的第二供电支路，并在机械式开关分闸过程中对第二供电支路进行控制：首先，以使得在时刻t的第一供电支路中电流I_n＝I_{n_ref}为控制目标，控制第二供电支路向第一供电支路注入电流，t为物理分闸时刻或之后的某个时刻，目标电流I_{n_ref}的方向与电源在时刻t的电压方向相反；然后，以负载两端电压相位跟踪电源供电条件下的负载两端电压相位为控制目标对第二供电支路的输出电压进行控制，并至少持续所述电源的一个周期的时间。本发明还公开了一种主动灭弧装置及断路器、自动转换开关。本发明可实现快速灭弧的效果。

Description

主动灭弧方法、装置及断路器、自动转换开关

技术领域

本发明涉及一种灭弧方法，尤其涉及一种主动灭弧方法。

背景技术

断路器在空气中开断电路时，只要电压超过12V～20V，被开断电流超过0.25A～1A，在触头间隙中通常产生一团温度极高、发出强光和能够导电的开关电弧。电弧的存在使得机械触头即使分离但电路仍然保持导通状态，不仅延长了开断时间，而且电弧的高温作用会使触头烧损，严重的会破坏绝缘，甚至引起开关电器的爆炸和火灾。

自动转换开关(ATS)在转换过程中，机械触头分离时同样会产生燃弧现象。若不及时将电弧熄灭，则可能引起两路电源短路的故障。为了提高可靠性，ATS除了设计常规的灭弧室外，还需控制开关的转换速度不能过快，转换时间通常设计成30ms或更长，这就导致了转换过程中负载的断电时间会较长。对于一些对连续供电要求较高的设备，ATS就无法满足其工作要求。因此，快速地灭弧既能够减小触头的烧损，又能够提双路电源切换时的可靠性，这为缩短负载电压的中断时间提供了条件。

目前，机械式开关快速灭弧的主要方法是采用机械、电力电子结合的混合式方案。最常见的是采用机械开关并联固态开关的方案，利用固态开关快速动作的特点，在机械开关分断前先闭合固态开关，从而实现机械开关的无弧分断。但固态开关需要配合谐振电路、吸收电路才能有效工作，电路设计相对复杂。此外，对于采用ATS的双电源转换系统，当切换至另一路电源时由于电压差会造成巨大的电流冲击，影响负载的性能甚至寿命。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足提供一种主动灭弧方法，可以对机械开关中的电弧进行主动调控，从而实现快速灭弧的效果。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种主动灭弧方法，用于机械式开关的灭弧；在由电源和机械式开关所组成的第一供电支路之外为负载设置与第一供电支路并联的第二供电支路，并在机械式开关分闸过程中按照以下方法对第二供电支路进行控制：首先，以使得在时刻t的第一供电支路中电流I_n＝I_{n_ref}为控制目标，控制第二供电支路向第一供电支路注入电流，t为所述机械式开关在本次分闸过程中的物理分闸时刻或之后的某个时刻，目标电流I_{n_ref}的方向与电源在时刻t的电压方向相反；然后，以负载两端电压相位跟踪电源供电条件下的负载两端电压相位为控制目标对第二供电支路的输出电压进行控制，并至少持续所述电源的一个周期的时间后，控制第二供电支路停止输出。

优选地，使用电压外环、电流内环的双环控制方式对第二供电支路的输出电压进行控制。

优选地，所述机械式开关为用于实现故障电源向目标电源切换的转换开关；所述目标电流I_{n_ref}的方向与目标电源在时刻t的电压方向相反；在时刻t之后，以负载两端电压相位跟踪目标电源供电条件下的负载两端电压相位为控制目标对第二供电支路的输出电压进行控制，并持续至经由所述转换开关输出的电流再次出现，或者直至所述转换开关的物理合闸时刻，或者直至达到预设延时时间后，控制第二供电支路停止输出。

进一步优选地，在以负载两端电压相位跟踪目标电源供电条件下的负载两端电压相位为控制目标对第二供电支路的输出电压进行控制的过程中，负载两端电压与目标电源供电条件下的负载两端电压存在压差Δu，Δu的方向由以下关系确定：

若I_{n_ref}>0(电流由电源流向负载)，Δu＞0；

若I_{n_ref}<0(电流由负载流向电源)，Δu＜0。

基于同一发明构思还可以得到以下技术方案：

一种主动灭弧装置，用于机械式开关的灭弧；该装置包括在由电源和机械式开关所组成的第一供电支路之外为负载所设置的与第一供电支路并联的第二供电支路，以及用于对第二供电支路进行控制的控制器；在机械式开关分闸过程中控制器按照以下方法对第二供电支路进行控制：以使得在时刻t的第一供电支路中电流I_n＝I_{n_ref}为控制目标，控制第二供电支路向第一供电支路注入电流，t为所述机械式开关在本次分闸过程中的物理分闸时刻或之后的某个时刻，目标电流I_{n_ref}的方向与电源在时刻t的电压方向相反；然后，以负载两端电压相位跟踪电源供电条件下的负载两端电压相位为控制目标对第二供电支路的输出电压进行控制，并至少持续所述电源的一个周期的时间后，控制第二供电支路停止输出。

优选地，控制器使用电压外环、电流内环的双环控制方式对第二供电支路的输出电压进行控制。

一种断路器，包括机械式开关，以及如上任一技术方案所述主动灭弧装置。

优选地，所述机械式开关为用于实现故障电源向目标电源切换的转换开关；所述目标电流I_{n_ref}的方向与目标电源在时刻t的电压方向相反；在时刻t之后，以负载两端电压相位跟踪目标电源供电条件下的负载两端电压相位为控制目标对第二供电支路的输出电压进行控制，并持续至经由所述转换开关输出的电流再次出现，或者直至所述转换开关的物理合闸时刻，或者直至达到预设延时时间后，控制第二供电支路停止输出。

进一步优选地，在以负载两端电压相位跟踪目标电源供电条件下的负载两端电压相位为控制目标对第二供电支路的输出电压进行控制的过程中，负载两端电压与目标电源供电条件下的负载两端电压存在压差Δu，Δu的方向由以下关系确定：

若I_{n_ref}>0(电流由电源流向负载)，Δu＞0；

若I_{n_ref}<0(电流由负载流向电源)，Δu＜0。

一种自动转换开关，包括机械式开关，以及如上任一技术方案所述主动灭弧装置。

相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：

本发明在由电源和机械式开关所组成的第一供电支路之外为负载所设置的与第一供电支路并联的第二供电支路，并通过对第二供电支路的电流电压进行主动控制，可实现对机械开关中的电弧进行主动调控，从而实现快速灭弧的效果，可广泛应用于使用机械式开关的断路器、自动转换开关等装备；此外，本发明还可向负载供能，从而缩短负载的断电时间，尤其适用于自动转换开关。

附图说明

图1是一种混合式双电源转换系统的原理框图；

图2是机械式开关物理分闸后电力电子装置的控制方法示意图；

图3是三相双电源切换过程的波形图。

具体实施方式

针对现有技术不足，本发明的解决思路是在由电源和机械式开关所组成的第一供电支路之外为负载所设置的与第一供电支路并联的第二供电支路，并通过对第二供电支路的电流电压进行主动控制，可实现对机械开关中的电弧进行主动调控，从而实现快速灭弧的效果。

本发明所提出的主动灭弧方法，用于机械式开关的灭弧；具体如下：

在由电源和机械式开关所组成的第一供电支路之外为负载设置与第一供电支路并联的第二供电支路，并在机械式开关分闸过程中按照以下方法对第二供电支路进行控制：首先，以使得在时刻t的第一供电支路中电流I_n＝I_{n_ref}为控制目标，控制第二供电支路向第一供电支路注入电流，t为所述机械式开关在本次分闸过程中的物理分闸时刻或之后的某个时刻，目标电流I_{n_ref}的方向与电源在时刻t的电压方向相反；然后，以负载两端电压相位跟踪电源供电条件下的负载两端电压相位为控制目标对第二供电支路的输出电压进行控制，并至少持续所述电源的一个周期的时间后，控制第二供电支路停止输出。

本发明所提出的主动灭弧装置，用于机械式开关的灭弧；该装置包括在由电源和机械式开关所组成的第一供电支路之外为负载所设置的与第一供电支路并联的第二供电支路，以及用于对第二供电支路进行控制的控制器；在机械式开关分闸过程中控制器按照以下方法对第二供电支路进行控制：以使得在时刻t的第一供电支路中电流I_n＝I_{n_ref}为控制目标，控制第二供电支路向第一供电支路注入电流，t为所述机械式开关在本次分闸过程中的物理分闸时刻或之后的某个时刻，目标电流I_{n_ref}的方向与电源在时刻t的电压方向相反；然后，以负载两端电压相位跟踪电源供电条件下的负载两端电压相位为控制目标对第二供电支路的输出电压进行控制，并至少持续所述电源的一个周期的时间后，控制第二供电支路停止输出。

采用上述技术方案可实现机械式开关分闸过程中的电弧快速抑制，可应用于单电源系统。在双电源系统中，为了进一步保证电源切换过程中负载供电不间断，并解决ATS转换过程中可能产生的两路电源短路的问题，本发明可进一步采用以下技术方案：

所述机械式开关为用于实现故障电源向目标电源切换的转换开关；所述目标电流I_{n_ref}的方向与目标电源在时刻t的电压方向相反；在时刻t之后，以负载两端电压相位跟踪目标电源供电条件下的负载两端电压相位为控制目标对第二供电支路的输出电压进行控制，并持续至经由所述转换开关输出的电流再次出现，或者直至所述转换开关的物理合闸时刻，或者直至达到预设延时时间后，控制第二供电支路停止输出。

在此基础上，为了解决合闸时由于电压差导致的电流冲击问题，可进一步采用以下技术方案：

在以负载两端电压相位跟踪目标电源供电条件下的负载两端电压相位为控制目标对第二供电支路的输出电压进行控制的过程中，负载两端电压与目标电源供电条件下的负载两端电压存在压差Δu，Δu的方向由以下关系确定：

若I_{n_ref}>0(电流由电源流向负载)，Δu＞0；

若I_{n_ref}<0(电流由负载流向电源)，Δu＜0。

优选方案为Δu的绝对值恒定。

上述的物理分闸时刻是指转换开关的动触头与静触头开始分离并产生电弧的时刻；物理合闸时刻是指转换开关的动触头与静触头稳定接触，不产生弹跳现象的时刻。

在上述情况中所述的“所述转换开关输出的电流再次出现”指的是转换开关的物理分闸时刻产生燃弧的动静触头之间的电弧重燃，或者是在接通另一路电源之前转换开关的动触头与另一路电源回路中的静触头之间的空气被击穿产生电弧，或者是转换开关的动触头与另一路电源回路中的静触头相接触产生电流。

在上述情况中所述的“达到预设延时时间”，指的是，在电力电子装置独立供电达到规定时间后，认为负载已经恢复供电的情况下，在保证后续转换开关接通另一路电源的时间小于负载供电的最大允许断电时间时，电力电子装置可提前退出，不再进行输出。

为了便于公众理解，下面通过一个具体实施例，并结合附图，来对本发明的技术方案进行详细说明：

图1显示了采用本发明技术方案的一种混合式双电源转换系统，如图1所示，其主要包括常用电源S1、备用电源S2、机械式自动转换开关ATS、电力电子装置以及用于控制电力电子装置的控制器。电力电子装置的输出端与负载连接，构成供电回路L1；负载通过ATS与电源相连，构成供电回路L2。控制器用于将采样得到的各个信息进行处理，并通过设定的算法进行运算，最终生成PWM信号对电力电子装置进行控制。

在电源转换过程中，控制器对电力电子装置的控制过程具体如下：

在机械开关触头分离前，根据机械开关触头分离时刻(即物理分闸时刻)或之后的t时刻目标电源工作电压U_s2的条件，得到一定向的电流控制目标I_{n_ref}；电力电子装置在该段时间t内通过支路L1向支路L2注入一电流I_L，将支路L2中的电流控制为I_n＝I_{n_ref}。其中，电流控制目标I_{n_ref}的方向是通过预测的方式得到的，例如对于断路器，电源正常波形为一正弦波，在某一时刻发生故障，在t时刻重新接入，则首先根据原有正弦波预测t时刻的电压方向，根据电压方向设定电流控制目标I_{n_ref}，若t时刻电压方向为负，则设定电流控制目标I_{n_ref}的方向设置为正；如果是双电源转换装置，则根据另一路转换的目标电源波形预测t时刻的电压方向，其过程与上述的一致；具体控制流程如图1所示。

请参阅图2，在t时刻之后，电力电子装置通过L1对P点的电位进行调控，具体的控制方法是：

电力电子装置以P的电位(即负载端电压)为目标，采用电压外环(电压控制器)、电流内环(控制器)的双环进行控制，其控制原理如上图。

电压外环的输入为Uc(负载电压反馈值)、Uc_ref(负载电压的指令值)和Us2(另一路/正常工作电源的电压值)，其中Uc_ref的相位跟踪Us2，幅值与Us2保持压差Δu，即Δu＝u_{c_ref}-u_s2。Δu的方向由以下关系确定：

若I_{n_ref}>0(电流由电源流向负载)，Δu＞0；

若I_{n_ref}<0(电流由负载流向电源)，Δu＜0。

这样，在电压控制过程中，a、b之间的电压方向始终与第一阶段预控制的电流In相反，则In必定会发生变向而形成过零点，从而使触头间电弧熄灭。电压控制器的输出是电力电子装置输出滤波电容中的指令电流值Ic_ref，作为电流内环的输入量之一。

电流内环的输入除了Ic_ref外，还有滤波电感L中电流I_L以及滤波电容C两端电压Uc(即负载电压)，电流控制器的输出即为电力电子装置输出电压的指令值Uo，再通过回路电压的关系，可以计算得到半导体开关的PWM控制信号。

采用上述控制方法，实现了机械触头分离时触头间电弧的快速熄灭，极大地减小了电弧对触头的烧损，提高了触头寿命。同时，电弧的快速熄灭以及熄灭后触头两端电压钳位控制消除了ATS转换过程中导致两路电源短路的问题，提高了系统的可靠性。电弧熄灭后，在ATS接通另一路电源S2前，电力电子装置预先将负载电压控制为同S2基本一致，可以解决合闸时由于电压差导致的电流冲击问题，进一步提供了系统的寿命及可靠性。

图3显示了上述双电源转换开关进行三相双电源切换过程的波形，上半部分波形为常用电源工作时的电流波形，可以看到当常用电源发生故障后，电力电子装置对电流进行了控制，使其满足In_ref；其中的4-1为电磁铁驱动信号；下半部分波形为负载的工作电压，可以看到，在整个切换过程中，负载的工作电压衔接平滑，并未出现幅值、相位方面的巨大差异。

Claims (10)

1.一种主动灭弧方法，用于机械式开关的灭弧，所述机械式开关和电源组成负载的第一供电支路；其特征在于，为负载设置与第一供电支路并联的第二供电支路，并在机械式开关分闸过程中按照以下方法对第二供电支路进行控制：首先，以使得在时刻t的第一供电支路中电流I_n＝I_{n_ref}为控制目标，控制第二供电支路向第一供电支路注入电流，t为所述机械式开关在本次分闸过程中的物理分闸时刻或之后的某个时刻，目标电流I_{n_ref}的方向与电源在时刻t的电压方向相反；然后，以负载两端电压相位跟踪电源供电条件下的负载两端电压相位为控制目标对第二供电支路的输出电压进行控制，并至少持续所述电源的一个周期的时间后，控制第二供电支路停止输出。

2.如权利要求1所述主动灭弧方法，使用电压外环、电流内环的双环控制方式对第二供电支路的输出电压进行控制。

3.如权利要求1所述主动灭弧方法，其特征在于，所述机械式开关为用于实现故障电源向目标电源切换的转换开关；所述目标电流I_{n_ref}的方向与目标电源在时刻t的电压方向相反；在时刻t之后，以负载两端电压相位跟踪目标电源供电条件下的负载两端电压相位为控制目标对第二供电支路的输出电压进行控制，并持续至经由所述转换开关输出的电流再次出现，或者直至所述转换开关的物理合闸时刻，或者直至达到预设延时时间后，控制第二供电支路停止输出。

4.如权利要求3所述主动灭弧方法，其特征在于，在以负载两端电压相位跟踪目标电源供电条件下的负载两端电压相位为控制目标对第二供电支路的输出电压进行控制的过程中，负载两端电压与目标电源供电条件下的负载两端电压存在压差Δu，Δu的方向由以下关系确定：

若I_{n_ref}>0，Δu＞0；

若I_{n_ref}<0，Δu＜0。

5.一种主动灭弧装置，用于机械式开关的灭弧，所述机械式开关和电源组成负载的第一供电支路；其特征在于，该装置包括：为负载所设置的与第一供电支路并联的第二供电支路，以及用于对第二供电支路进行控制的控制器；在机械式开关分闸过程中控制器按照以下方法对第二供电支路进行控制：以使得在时刻t的第一供电支路中电流I_n＝I_{n_ref}为控制目标，控制第二供电支路向第一供电支路注入电流，t为所述机械式开关在本次分闸过程中的物理分闸时刻或之后的某个时刻，目标电流I_{n_ref}的方向与电源在时刻t的电压方向相反；然后，以负载两端电压相位跟踪电源供电条件下的负载两端电压相位为控制目标对第二供电支路的输出电压进行控制，并至少持续所述电源的一个周期的时间后，控制第二供电支路停止输出。

6.如权利要求5所述主动灭弧装置，其特征在于，控制器使用电压外环、电流内环的双环控制方式对第二供电支路的输出电压进行控制。

7.如权利要求5所述主动灭弧装置，其特征在于，所述机械式开关为用于实现故障电源向目标电源切换的转换开关；所述目标电流I_{n_ref}的方向与目标电源在时刻t的电压方向相反；在时刻t之后，以负载两端电压相位跟踪目标电源供电条件下的负载两端电压相位为控制目标对第二供电支路的输出电压进行控制，并持续至经由所述转换开关输出的电流再次出现，或者直至所述转换开关的物理合闸时刻，或者直至达到预设延时时间后，控制第二供电支路停止输出。

8.如权利要求7所述主动灭弧装置，其特征在于，在以负载两端电压相位跟踪目标电源供电条件下的负载两端电压相位为控制目标对第二供电支路的输出电压进行控制的过程中，负载两端电压与目标电源供电条件下的负载两端电压存在压差Δu，Δu的方向由以下关系确定：

若I_{n_ref}>0，Δu＞0；

若I_{n_ref}<0，Δu＜0。

9.一种断路器，包括机械式开关，其特征在于，还包括如权利要求5或6所述主动灭弧装置。

10.一种自动转换开关，包括机械式开关，其特征在于，还包括如权利要求5～8任一项所述主动灭弧装置。

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