CN113466677A

CN113466677A - 测试断路器容性电流开合的方法

Info

Publication number: CN113466677A
Application number: CN202110268236.3A
Authority: CN
Inventors: D.阿尔伯托; J-P.高蒂尔; A.帕皮伦; X.戈德肖特
Original assignee: Schneider Electric Industries SAS
Current assignee: Schneider Electric Industries SAS
Priority date: 2020-03-13
Filing date: 2021-03-12
Publication date: 2021-10-01
Also published as: EP3879288B1; FR3108212A1; EP3879288A1; US11828803B2; US20210286006A1; FR3108212B1

Abstract

一种用于测试断路器的容性电流开合的方法，包括以下步骤：通过断路器实现容性电流开合(E2)，在容性电流开合后测量断路器的端子处的电压(E2)，计算测量的电压的梯度(E3)，确定是否存在其幅度表现出大于第一预定阈值的绝对值的至少一个梯度点(E4)，并且当这样的点被确定时，识别所确定的点出现的时刻以及将该时刻电压变化的幅度识别为电压降(E5)。

Description

测试断路器容性电流开合的方法

技术领域

本发明涉及断路器，更具体地，涉及断路器的容性电流开合(capacitive currentswitching)的耐久性测试领域。

背景技术

当考虑电气装备(例如电线或电容器电池)时，容性电流现象在电气装备通电时会出现。这是一种永久交流电，其穿过相和地之间的电气装备的电容。

通过实施断路器来为电气装备提供保护是已知的实践。断路器通过电流产生和断开测试进行测试，这些测试主要由国际IEC标准(International ElectrotechnicalCommission，国际电工委员会)62271-100或标准IEEE((Institute of Electrical andElectronics Engineers，电气和电子工程师协会))C37.100.2定义。这些测试的目的是证明中压和/或高压交流断路器的性能水平。

在这些测试中，人们的兴趣集中在容性电流的产生和断开上。最典型的应用案例是空载条件(在另一端断路)下架空线路的通电和断电、空载条件下电缆的通电和断电以及电容器电池的通电和断电。

在断路器的寿命期间，例如在日常操作的情况下，必须执行的容性电流开合操作的数量可以是几千个。因此，希望存在允许执行大量(通常为10,000次)容性开合操作的测试站。

在每一个测试结果中，寻找瞬态现象，即极迅速的电压降。所寻找的现象很少并且相对难以检测。因此，识别这些极迅速的电压降至关重要。

因此，测试活动包括大量测试和对测量结果的处理，以检测本质上随机的瞬态现象。

发明内容

本发明的目的是通过提供一种用于测试断路器的容性电流开合的方法来解决现有技术的问题，其特征在于，该方法包括以下步骤：

-通过断路器实现容性电流开合，

-在容性电流开合后测量断路器的端子处的电压，

-计算测量的电压的梯度，

-确定是否存在其幅度表现出大于第一预定阈值的绝对值的至少一个梯度点，并且当这样的点被确定时，

-识别所确定的点出现的时刻并将该时刻电压变化的幅度确定为电压降。

借助于本发明，可以测试断路器的容性电流开合能力，以便能够对其进行鉴定(qualify)、执行预测性维护或者甚至测量老化对其容性电流开合性能水平的影响。更具体地，本发明使得可以检测对应于重燃(restrike)的极迅速的电压降。因此，可以评价断路器的重燃故障。

根据优选特征，电压以大于10MHz的采样频率测量。因此，可以检测到极迅速的所寻找的现象。

根据优选特征，计算测量的电压的梯度的步骤包括对测量的电压进行高通滤波。

根据优选特征，断路器包括几个相，该方法针对每个相执行，该方法包括附加步骤：

-在电压降的时刻之后，对断路器端子处的电压测量值进行插值，以获得针对每个相的电压曲线，

-对于每个相，计算获得的电压曲线的再充电时间，

-对于每个相，将获得的电压曲线的再充电时间与预定再充电时间进行比较，

-识别在计算的再充电时间与预定再充电时间之间存在匹配的相。

根据可选的优选特征，断路器包括几个相，该方法针对每个相执行，该方法包括附加步骤：

-对于为每个相确定的每个点，将梯度幅度的绝对值与第二预定阈值进行比较，

-识别在所确定的点处梯度幅度的绝对值大于第二预定阈值的相。

因此，对于多相断路器来说，可以辨别与重燃对应的极迅速的电压降发生的相和仅遭受串扰效应的一个或多个相。

本发明还涉及一种用于测试断路器的容性电流开合的站，其特征在于，它包括：

-适于通过断路器执行容性电流开合的电气模块，

-数据采集和处理链，适于在容性电流开合后测量断路器端子处的电压，以计算测量电压的梯度，以确定是否存在其幅度表现出大于第一预定阈值的绝对值的至少一个梯度点，并且当这样的点被确定时，识别所确定的点出现的时刻以及将该时刻电压变化的幅度识别为电压降。

根据优选特征，用于测试断路器的容性电流开合的站包括：

-用于产生浪涌电流的电气模块，

-用于产生容性电流的电气模块，

-用于在容性开合后产生恢复电压的电气模块，

-用于同步以上电气模块的同步模块。

根据优选特征，用于在容性开合后产生恢复电压的电气模块包括具有可调幅度和频率的低压源、升压变压器和整流电路。

在特定实施例中，用于测试断路器的容性电流开合的站包括计算机。计算机被理解为意指可编程信息处理系统(例如处理模块)，尤其是允许执行根据本发明的方法的可编程信息处理系统。

根据本发明的方法的步骤，尤其是步骤E3至E8，是由计算机程序指令实施的。

因此，本发明的目标还在于信息介质上的计算机程序，该程序能够在计算机中实施，该程序包括适于实施上述方法的步骤的指令。

该程序可以使用任何编程语言，并且可以是源代码、目标代码或者源代码和目标代码之间的中间代码的形式，诸如部分编译的形式，或者任何其他期望的形式。

本发明的目标还在于一种计算机可读信息介质，包括适于实施上述方法的步骤的计算机程序指令。

信息介质可以是能够存储程序的任何实体或设备。例如，介质可以包括诸如ROM(例如CD ROM或微电子电路ROM)的存储装置，或者甚至例如软盘或硬盘的磁存储装置。

另一方面，信息介质可以是诸如电信号或光信号的可传输介质，其可以经由电缆或光缆、通过无线电或其他方式来传输。根据本发明的程序尤其可以通过互联网类型的网络下载。

可选地，信息介质可以是其中结合有程序的集成电路，该电路适于执行或适于在执行根据本发明的方法时使用。

附图说明

通过阅读以下参考附图进行描述的作为非限制性示例给出的优选实施例的描述，其他特征和优点将变得显而易见，其中：

图1示出了根据本发明实施例的用于测试断路器的容性电流开合的方法；

图2示出了当断路器开合容性电流时在断路器的相的端子处测量的电压的示例；

图3示出了图2中表示的电压梯度；

图4示出了当断路器开合容性电流时在断路器的相的端子处测量的电压的另一示例；

图5示出了图2中表示的电压的再充电；

图6示出了根据本发明实施例的用于测试断路器的容性电流开合的站；

图7示出了在本发明的上下文中实施的浪涌电流的示例；

图8示出了在本发明的上下文中实施的容性电流和恢复电压的示例；

图9示出了在用于测试图6的断路器的容性电流开合的站中用于产生恢复电压的电气模块。

在不同附图中相同、相似或等效的部分具有相同的数字标号，以便于从一个图转换到另一个图。

附图中表示的各个部分不一定按照统一的比例表示，以使附图更加清晰。

各种可能性(变型和实施例)应该理解为不是相互排斥的，并且可以彼此结合。

具体实施方式

根据图1所示的优选实施例，用于测试断路器的容性电流开合的方法包括步骤E1至E8，该步骤应用于断路器以访问其容性电流开合容量。

该方法在用于供应可调浪涌电流(例如在2到20kA之间)以及例如10到52kV之间的中压或更高电压值的高压的测试站中实施。用于测试断路器的容性电流开合的站包括两个主要部分：

*电容测试站，和

*用于执行高精度测量的数据采集和处理链。

下文将更详细地描述用于测试断路器的容性电流开合的站。

正在研究的断路器更具体地说是真空断路器。它也可以是SF6(六氟化硫)断路器。

所测量的现象是极迅速的电压降。因此，有必要以高采样频率测量它们，例如至少10MHz。这些极迅速的电压降被测量、存储和计数。

应该注意的是，对于多相断路器，测量是逐相进行的，以检测每个相上极迅速的电压降。如下文详述的，比较在不同相上获得的结果，以确定哪个相经历了与重燃对应的极迅速的电压降现象，从而区分重燃现象和串扰效应。

假设在测试站的测试条件下已经布置了断路器。断路器被放置在电路中，以便处于能够开合容性电流的位置。

步骤E1是浪涌电流的建立。

步骤E2是容性电流的建立，随后是该容性电流的开合，然后是恢复电压的出现，在容性电流开合期间并且尤其是在出现恢复电压期间，在断路器的端子处进行电压测量。

对于多相断路器，测量是逐相执行的。测量结果被存储。

图2示出了当断路器开合容性电流时，在断路器的相的端子处测量的电压的示例。

在所示的示例中，在时刻t₀＝0和t₁＝150ms之间电压为零。从对应于断路器断开的时刻t₁＝150ms开始，电压迅速增加到大约30kV的值。在大约170ms的时刻t₂，电压表现出极迅速的下降，在此期间其值变得基本为零。在时刻t₂和大约为200ms的时刻t₃之间，电压值上升回30kV，并有少量振荡。最后，从时刻t₃开始，电压值基本上保持等于30kV。

所研究的现象是在170ms左右出现的极迅速的电压降。这是一种瞬态现象，因此有必要以高采样频率执行测量，通常大于10MHz，或大于20MHz，甚至大于30MHz。

下一步骤E3是对测量电压进行高通滤波，以揭示迅速现象并消除信号的缓慢变化。在对几个相进行电压采集的情况下，对每个相执行高通滤波。

对所测量电压进行高通滤波是例如通过计算测量电压的梯度或者甚至漂移来执行的。

图3表示图2所示的电压梯度。除了时刻t₁和t₂，梯度保持在以零为中心的值的范围内。

在本图中，可以看出电压梯度在对应于断路器断开的时刻t₁处表现出第一峰值。

还可以看出，电压梯度在时刻t₂处表现出第二峰值。

下一步骤E4是确定是否存在其幅度表现出大于第一预定阈值的绝对值的至少一个梯度点。这个阈值最好取决于噪声的功率。

在图3的示例中，第二峰值被识别为对步骤E4的测试做出了肯定的回应。

在这种情况下，也就是说，当这样的点被确定时，步骤E4之后是步骤E5，步骤E5是识别和存储所确定的点出现的时刻t₂以及将该时刻电压变化的幅度识别和存储为极迅速的电压降。

所识别和存储的现象是断路器的重燃。

在断路器包括几个相的情况下，对每个相进行前述步骤E2至E5。

在对包括几个相的断路器进行电容耐久性测试活动中，电压信号可能由于串扰效应而在几个相上表现出同步突变。

“串扰效应”或甚至“镜像效应”被理解为是意指由于相之间的电容耦合，一个相上极迅速的电压降也会导致另一相上极迅速的电压降，即便在其它相上没有任何重燃。

为了说明这种现象，图4示出了在断路器开合容性电流时，在断路器的与图2所示的相不同的相的端子处测量的电压，该相经历串扰效应。

在所示的示例中，在时刻t₀＝0和t₁＝150ms之间的电压为零。从对应于断路器断开的时刻t₁＝150ms开始，电压迅速增加到大约30kV的值。

在大约170ms的时刻t₂处，电压表现出极迅速的下降，其幅度低于图2所示的相同时刻的电压。从时刻t₂开始，电压值稳定在30kV左右，并有少量振荡。

应该注意的是，串扰效应引起的电压降不会劣化断路器的性能，因此应被排除在分析之外。

在这种情况下，为了能够区分真正的重燃现象和由相之间的电容耦合引起的串扰效应，有必要进行分类和更详细的分析。

根据第一变型实施例，该方法包括以下附加的步骤E6至E8。

步骤E6是在极迅速的电压降之后，也就是说在电压上升期间，对电压值进行插值以获得电压曲线。给定电压上升是指数的(电容器再充电定律)，估算断路器的每个相的再充电时间，并将它们与预定再充电时间τ进行比较，再充电时间τ是测试站的配置的函数。

预定再充电时间τ对应于用于测试断路器的测试站的等效总电阻R_eq和等效电容C_eq的乘积。

τ＝R_eq*C_eq

图5示出了在时刻171.5ms和175.5ms之间，图2中表示的电压的再充电。

对于实际经历了极迅速的电压降现象的相，其再充电时间，与由于相之间的电容耦合引起的串扰效应相反，接近于测试站的再充电时间。

因此，图5所示的再充电曲线可以用以下类型的方程来建模：

f(t)＝-a.e^-t/τ1+c

其中t表示时间，a和c是常数，τ1是再充电时间。表示函数f(t)的曲线用虚线画出。

对于实际上经历了极迅速的电压降现象的相，再充电时间τ1基本上等于预定再充电时间τ。

对于经历串扰效应的相，再充电时间τ1与预定再充电时间τ有很大不同。

可以量化插值质量的第二个参数是调整质量——通常大于99％。

应当注意，当步骤E4中的检测仅在一个相上执行时，无论是在单相情况下还是在仅在一个相上检测到极迅速的电压降的多相情况下，插值的步骤E6仍然被执行。这使得可以区分真正的重燃和噪声现象。

下一步骤E7是根据步骤E6的结果，识别在迅速电压下降后断路器的再充电时间与预定再充电时间之间存在匹配的相。

下一步骤E8是存储步骤E7的结果。

如果要测试的产品类型是已知的，并且已经采集了几百个电压测量值，则可以免除插值步骤。因此，根据第二变型实施例，该方法包括以下附加步骤E6至E8。

步骤E6是针对为每个相确定的每个点，将梯度幅度的绝对值与第二预定阈值进行比较。

第二预定阈值通过分析可用的测量值来定义。该阈值使得可以对检测到的现象的性质进行判定，并且在对几个相进行同步检测的情况下，可以区分真正的极迅速的电压降和串扰效应。

下一步骤E7是识别在所确定的点处梯度幅度的绝对值大于第二预定阈值的相。该相是已经历了真正的重燃故障的相。在所确定的点处梯度幅度的绝对值小于第二预定阈值的其他相已经历了串扰效应。

换句话说，对于其中一相，电压变化大于其他相。该相的电压梯度比其他相的电压梯度具有更大的幅度。

下一步骤E8是存储步骤E7的结果。

在断路器测试活动期间，前面描述的步骤会重复多次。

应当注意，检测到的两个连续故障之间的时间间隔被考虑在内。实际上，每个检测到的重燃故障被认为是与先前故障相同的现象，每个检测到的重燃故障跟随在先前重燃故障之后，且时间间隔小于与测试站的再充电时间基本相等的时间段。

参考图6，用于测试断路器的容性电流开合的站包括电容测试站1和用于执行高精度测量的数据采集和处理链2。为了简化该图，电容测试站1和数据采集和处理链2之间的链接未被示出。同样，测试站配备了未显示的电压测量传感器。

测试站的电容测试站1是合成型的。这意味着不使用中压或高压网络或发电站，而是使用在这种网络的断开和闭合操作过程中合成电压和电流特性的实验装置。

电容测试站1包括下列元件：

*用于产生浪涌电流的电气模块11，

*用于产生容性电流的电气模块12，

*用于在容性开合后产生恢复电压的电气模块13，

*同步模块14。

电气模块11、12和13经由各自的接触器或中压或高压断路器15、16和17链接到测试D下的断路器。

用于产生浪涌电流的电气模块11包括电压源、电容组和电感组。电容组包括串联和/或并联组装的电容器，以获得测试所需的电容值C。电感组包括串联和/或并联组装的电感器，以获得测试所需的电感值L。电容器被充电到网络的额定峰值电压Vc＝Va x(2/3)^0.5，其中Va是为测试保留的电压，例如标准化电压。

电感和电容组的电容值C和电感值L被确定如下：

C＝Ic/Vc x 1/(2πf) [1]

L＝Vc/Ic x 1/(2πf) [2]

其中，Ic为峰值浪涌电流，Vc如上定义，f为频率。根据不同的变型，浪涌电流值可以是标准推荐的值，也可以是更高的值，甚至更低的值。频率可以是标准中指示的4250Hz或标准可接受的值。浪涌电流的示例如图7所示。

用于产生容性电流的电气模块12使用低压电路产生，例如几百伏的低压电路。该模块的功能是产生50Hz或60Hz的波。根据不同的变体，容性电流值是标准推荐的值，或者更高的值，或甚至更低的值。这种波是通过给电容器充电并经由电感器对其放电而产生的。电容值和电感值通过使用类似于等式[1]和[2]的等式来确定。

容性电流的示例如图8所示。容性电流是t＝0和t＝T之间的半正弦曲线。

用于产生恢复电压的电气模块13如图9所示。该模块的功能是产生比电容测试的恢复电压更大或相等的恢复电压。

该模块考虑了标准的特定点：在第一季度期间(50Hz时为5ms，60Hz时为4.2ms)，重然是可接受的。

用于产生恢复电压的电气模块13首先包括具有可调幅度和频率的低压源31。

图8还示出了从注入恢复电压的时刻T1开始出现的恢复电压，该时刻晚于先前定义的时刻T。从时刻T1开始，恢复电压表现出上升沿，而不是稳定在平稳值。

对频率的调整使得可以调整电压上升的速率。因此，可以通过增加频率来增加电压上升的速率。因此，源31使得可以获得迅速的电压上升沿，该沿能够比用发电站执行的电容测试而获得的电压上升沿更迅速。通过增加电压，可以增加图8的电压曲线的平稳部分的电压值。

具有可调幅度和频率的低压源31的输出被链接到中压或高压升压变压器32的输入。升压变压器32可以是中心抽头升压变压器(称为“拉图尔(Latour)”)，其产生的电压是施加给它的电压的两倍。

作为一种变型，可以使用几个升压变压器来获得期望的功率。

升压变压器32的输出被链接到负载电阻R1，负载电阻在发生故障时起保护作用。

负载电阻R1被链接到整流电路33的输入端，例如格拉茨(Graetz)整流桥。

格拉茨整流桥的输出被链接到一个或多个滤波电容器C1和一个或多个限流电阻R2。

滤波电容器C1对获得的电压进行滤波，并以可调的幅度和频率消除低压源的频率。限流电阻R2限制峰值击穿电压。例如电阻是6.25MOhm。

同步模块14同步电气模块11、12和13。它是使用可编程逻辑控制器或计算机生产的。因此，在容性电流之后立即施加恢复电压，控制在小于大约100微秒之内。恢复电压电平控制在容性电流为零后执行，以检查断路测试的有效性。同步的示例如图8所示，其中注入恢复电压的时刻T1正好在容性电流被消除的时刻T之后。

再次参考图6，数据采集和处理链2具有计算机的一般结构。它尤其包括运行实施根据本发明的方法的计算机程序的处理器100、存储器101、输入接口102和输出接口103。

这些各种元件通常由总线105链接。

输入接口102被链接到电压传感器，并且用于接收测量的量。

处理器100执行上述过程。这些过程以计算机程序的代码指令的形式实现，这些代码指令在被处理器100执行之前由存储器101存储。

存储器101存储测量值、参考值和做出的诊断。存储器101可以分成不同的部分，以分离指令、参考值和测量值。

例如输出接口103被链接到人机接口。

Claims

1.一种用于测试断路器的容性电流开合的方法，包括以下步骤：

通过断路器实现容性电流开合(E2)，

在容性电流开合后测量断路器的端子处的电压(E2)，

计算测量的电压的梯度(E3),

确定是否存在其幅度表现出大于第一预定阈值的绝对值的至少一个梯度点(E4)，并且当这样的点被确定时，

识别所确定的点出现的时刻，以及将该时刻电压变化的幅度确定为电压降(E5)。

2.根据权利要求1所述的用于测试断路器的容性电流开合的方法，其中，所述电压是以大于10MHz的采样频率测量的。

3.根据权利要求1或2所述的用于测试断路器的容性电流开合的方法，其中，计算测量的电压的梯度的步骤(E3)包括对测量的电压进行高通滤波。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的用于测试断路器的容性电流开合的方法，所述断路器包括几个相，所述方法针对每个相执行，所述方法包括附加步骤：

在电压降的时刻之后，对断路器端子处的电压测量值进行插值(E6)，以获得对于每个相的电压曲线，

对于每个相，计算获得的电压曲线的再充电时间(E6)，

对于每个相，将获得的电压曲线的再充电时间与预定再充电时间进行比较(E6)，

识别在计算的再充电时间与预定再充电时间之间存在匹配的相(E7)。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的用于测试断路器的容性电流开合的方法，所述断路器包括几个相，所述方法针对每个相执行，所述方法包括附加步骤：

对于为每个相确定的每个点，将其梯度幅度的绝对值与第二预定阈值进行比较(E6)，

识别在所确定的点处梯度幅度的绝对值大于第二预定阈值的相(E7)。

6.一种用于测试断路器的容性电流开合的站，其包括：

电气模块(11，12，13)，适于通过断路器执行容性电流开合，

数据采集和处理链(2)，其适于在容性电流开合后测量断路器的端子处的电压，以计算测量的电压的梯度，以确定是否存在其幅度表现出大于第一预定阈值的绝对值的至少一个梯度点，并且当这样的点被确定时，识别所确定的点出现的时刻以及将该时刻电压变化的幅度确定为电压降。

7.根据权利要求6所述的用于测试断路器的容性电流开合的站，包括：

用于产生浪涌电流的电气模块(11),

用于产生容性电流的电气模块(12),

用于在容性开合后产生恢复电压电气模块(13)，

用于同步以上电气模块的同步模块(14)。

8.根据权利要求7所述的用于测试断路器的容性电流开合的站，其中，用于在容性开合后产生恢复电压的电气模块(13)包括具有可调幅度和频率的低压源(31)、升压变压器(32)和整流电路(33)。

9.根据权利要求6至8中任一项所述的用于测试开合的站，包括用于执行计算机程序的计算机，所述计算机程序包括用于执行根据权利要求1至5中任一项所述的方法的步骤的指令。

10.根据权利要求9所述的用于测试开合的站，包括在其上存储计算机程序的存储介质。