CN113791340A - 一种高压直流真空断路器的双向弧压测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高压直流真空断路器的双向弧压测量装置，由双向测量模块、吸收模块、高压抑制模块、光电耦合模块、采样模块及数据显示模块组成，其中双向测量模块由反向串联的二极管D1和二极管D2组成，吸收模块由吸收电阻R1以及吸收电容C1、吸收电容C2组成，高压抑制模块由两个压敏电阻或稳压二极管组成，光电耦合模块由线性光电耦合器和反并联功率二极管D3组成，采样模块包括采样电阻R2及电压探头，数据显示模块为示波器或数据采集系统；还公开了其测量方法。本发明既能实现真空电弧低压信号的准确测量，同时解决了真空断路器断口熄弧后较高的恢复电压损坏小功率型器件的问题。
Description
技术领域
本发明属于电气测量领域，尤其涉及一种高压直流真空断路器的双向弧压测量装置，以及其测量方法。
背景技术
直流断路器普遍应用于直流输配电、轨道交通及微网领域，在电力系统中扮演着开断和功率转换等不同角色，是系统稳定可靠运行至关重要的连接设备。
依据不同开断原理及功能应用，直流断路器可分为机械式直流断路器、固态式直流断路器和混合式直流断路器，其中混合式直流断路器结合了机械式断路器低损耗和固态式断路器快动作的特点，是目前工业领域应用较广泛的开关保护方案。真空介质有着优良的灭弧性能，且能适应当今国际环保理念，混合式直流断路器中的主通流开关多采用基于真空介质的灭弧室，而直流断路器在开断故障电流时，需对主开关动作状态进行实时监测，并将状态信号发送至中央控制器以匹配相应的保护策略。
燃弧过程是主开关分合承接的过渡状态，燃弧电压信号的测量能够较准确的反应开关动作状态，真空电弧电压一般为几十伏，现面临测量困境在于：若用高压探头测量低弧压信号，必然存在测量不够准确的问题；若用低压探头测量弧压信号，主开关可靠熄弧后，断口间较大的动态恢复电压超过低压探头测量量程，存在设备损坏的隐患。
发明内容
本发明的目的之一是为了克服现有技术的缺点和不足，提供一种无源双向电弧电压测量装置，既能实现真空弧压的准确测量，同时抑制高压串入小功率模块，避免器件发生击穿损坏；再者，装置采用光电隔离模式，能有效排除噪声信号干扰。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种高压直流真空断路器的双向弧压测量装置，由双向测量模块、吸收模块、高压抑制模块、光电耦合模块、采样模块及数据显示模块组成；所述的双向测量模块由反向串联的二极管D1和二极管D2组成；所述的吸收模块由与二极管D1、二极管D2并联的吸收电阻R1以及分别连接在吸收电阻R1与二极管D1、二极管D2之间的吸收电容C1、吸收电容C2组成；所述的高压抑制模块由连接在吸收电容C1、吸收电容C2之间的两个压敏电阻RV1、RV2或稳压二极管TVS1、TVS2组成；所述的光电耦合模块与吸收电阻R1串联，由线性光电耦合器和反并联功率二极管D3组成；所述的采样模块包括采样电阻R2及电压探头；所述的数据显示模块为示波器或数据采集系统，采集采样电阻R2上的电压信号。
所述的一种高压直流真空断路器的双向弧压测量装置，其吸收电容C1和吸收电容C2电容值相等，均取值uF级及以上，吸收电阻R1取值MΩ级及以上。
所述的一种高压直流真空断路器的双向弧压测量装置，其压敏电阻RV1、RV2的开通电压值或稳压二极管TVS1、TVS2的稳压值应稍高于真空电弧电压峰值。优选取值为300V。
所述的一种高压直流真空断路器的双向弧压测量装置，其采样电阻R2值取MΩ级及以上。
本发明的目的之二是提供上述测量装置用于测量高压直流真空断路器的双向弧压的方法，包括如下步骤：
1），将双向测量模块接入真空断路器主通流开关VCB断口并令其两端电压为U12；
2），当U12=0时，开关VCB处于闭合状态时，弧压测量装置处于不工作状态；
3），当U12＞0时，即断口间电弧电压为正向，当主通流开关VCB打开并处于燃弧状态时，由于U12＞0，此时二极管D1截止，二极管D2导通，燃弧电压小于高压抑制模块的开通电压值或稳压值，吸收模块的吸收电容C1-吸收电阻R1开始工作，弧压信号经吸收模块、光电耦合模块输出至采样电阻R2，通过采集采样电阻R2电压信号，并经一定传输比折算能够准确反应燃弧电压信号变化规律，根据如下二阶电路方程计算信号传输比：β=α*k*R2/R1，其中k为线性光电耦合器的耦合系数，α为电压探头衰减比例；当主通流开关VCB成功熄弧开断后，断口间的恢复电压远大于高压抑制模块开通电压或稳压值，高压抑制模块开通限压，保护光电耦合模块不被高压击穿；
4）当U12＜0时，即断口间电弧电压为反向，当主通流开关VCB打开并处于燃弧状态时，由于U12＜0，此时二极管D1导通，二极管D2截止，燃弧电压小于高压抑制模块的开通电压值或稳压值，吸收模块的吸收电容C2-吸收电阻R1开始工作，其他工作过程与正向电弧电压情况一致，这里不再赘述。
本发明的有益效果是：测量装置采用光电隔离输出模式，光电耦合器一次侧连接RC吸收支路采集高频电弧电压信号，能保证良好的响应度，二次侧连接采样电阻，将输出信号输送至数显系统并经一定传输比折算后可准确反应真实的弧压信号；测量装置采用高压抑制模块实现“低压采样，高压隔离”功能。
附图说明
图1为本发明的结构原理图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明公开了一种高压直流真空断路器的双向弧压测量装置，由双向测量模块、吸收模块、高压抑制模块、光电耦合模块、采样模块及数据显示模块组成。
所述的双向测量模块由反向串联的二极管D1和二极管D2组成，可实现双向电弧电压测量，D1及D2耐压等级依据系统电压而定。
所述的吸收模块由与二极管D1、二极管D2并联的吸收电阻R1以及分别连接在吸收电阻R1与二极管D1、二极管D2之间的吸收电容C1、吸收电容C2组成，C1与C2电容值相等均取数十uF级及以上，耐压等级依据系统电压而定，R1阻值取MΩ级及以上，目的在于使输出信号保持良好的响应度，避免失真、畸变现象发生，另外当真空开关VCB成功开断后，系统电压达到稳态时，由于吸收电容的“隔直”效应，避免了高压抑制模块长期开通而烧毁器件，吸收电阻取值MΩ级及以上，起到限流效果。
其中吸收电容C1、吸收电容C2与二极管D1、二极管D2的连接节点1、2分别为真空开关VCB断口触点，双向测量模块并联于节点1、2两端，二极管D1与二极管D2的连接节点3为双向测量模块中点位置，吸收模块、高压抑制模块及光电耦合模块相互连接后再并联于节点1、3两端，采样模块连接于光电耦合模块输出端并将采样信号输出至数据显示模块。
所述的高压抑制模块由连接在吸收电容C1、吸收电容C2之间的两个压敏电阻RV1、RV2或稳压二极管TVS1、TVS2组成；高压抑制模块可选用压敏电阻RV1、RV2或稳压二极管TVS1、TVS2，压敏电阻开通电压值或稳压二极管稳压值应稍高于真空电弧电压峰值，取值为300V；高压抑制模块能够保证真空开关VCB打开并可靠熄弧后，断口间的动态恢复电压不施加在光电耦合模块中的小功率器件上，避免器件发生击穿损坏。
所述光电耦合模块由线性光电耦合器和反并联功率二极管D3组成，其中线性光电耦合器耦合系数为k，D3用于保护光耦中发光二极管不被反压击穿，光电耦合模块与吸收电阻R1串联，其中线性光电耦合器耦合系数为k，D3用于保护光耦中发光二极管不被反压击穿，光电耦合模块能够实现光隔离、电输出模式，有效避免了噪声信号的干扰。
所述的采样模块包括采样电阻R2及电压探头，R2电阻值取MΩ级及以上，采用电压探头测量电阻R2上的电压，电压探头衰减比例为α。
所述的数据显示模块为示波器或数据采集系统，采集采样电阻R2上的电压信号。
本发明能够实现断口间双向电弧电压测量，现定义节点1、2之间的电位差为真空开关燃弧电压U12，定义传输比β为采样电阻R2上的电压信号与燃弧电压信号之比。
1）当U12＞0时，即断口间电弧电压为正向时：
当真空开关VCB处于闭合状态时，弧压测量装置处于不工作状态；当VCB打开并处于燃弧状态时，由于U12＞0，此时二极管D1截止，二极管D2导通，燃弧电压小于高压抑制模块开通电压或稳压值，吸收模块C1-R1开始工作，弧压信号经吸收模块、光电耦合模块输出至采样电阻R2，通过采集R2电压信号并经一定传输比折算能够准确反应燃弧电压信号变化规律，根据二阶电路方程，传输比β=α*k*R2/R1；当VCB成功熄弧开断后，断口间的恢复电压远大于高压抑制模块开通电压或稳压值，高压抑制模块开通限压，保护光电耦合模块不被高压击穿。
2）当U12＜0时，即断口间电弧电压为反向时：
当VCB打开并处于燃弧状态时，由于U12＜0，此时二极管D1导通，二极管D2截止，燃弧电压小于高压抑制模块开通电压或稳压值，吸收模块C2-R1开始工作，其他工作过程与正向电弧电压情况一致，这里不再赘述。
从本发明工作原理可以看出，此种测量方式不同于传统的分压器测量原理，采用的是阻容吸收方式采集高频弧压信号，并经过光电隔离输出相应反馈信号，本测量装置简易、方便，具备一定的工程使用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，以及部分运用的实施例，对于本领域的技术人员来说，在不偏离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种高压直流真空断路器的双向弧压测量装置，其特征在于：由双向测量模块、吸收模块、高压抑制模块、光电耦合模块、采样模块及数据显示模块组成；所述的双向测量模块由反向串联的二极管D1和二极管D2组成；所述的吸收模块由与二极管D1、二极管D2并联的吸收电阻R1以及分别连接在吸收电阻R1与二极管D1、二极管D2之间的吸收电容C1、吸收电容C2组成；所述的高压抑制模块由连接在吸收电容C1、吸收电容C2之间的两个压敏电阻或稳压二极管组成；所述的光电耦合模块与吸收电阻R1串联，由线性光电耦合器和反并联功率二极管D3组成；所述的采样模块包括采样电阻R2及电压探头；所述的数据显示模块为示波器或数据采集系统，采集采样电阻R2上的电压信号。
2.根据权利要求1所述的一种高压直流真空断路器的双向弧压测量装置，其特征在于，所述的吸收电容C1和吸收电容C2电容值相等，均取值uF级及以上，吸收电阻R1取值MΩ级及以上。
3.根据权利要求1所述的一种高压直流真空断路器的双向弧压测量装置，其特征在于，所述压敏电阻RV1、RV2的开通电压值或稳压二极管TVS1、TVS2的稳压值高于真空电弧电压峰值。
4.根据权利要求3所述的一种高压直流真空断路器的双向弧压测量装置，其特征在于，所述压敏电阻RV1、RV2的开通电压值或稳压二极管TVS1、TVS2的稳压值为300V。
5.根据权利要求1所述的一种高压直流真空断路器的双向弧压测量装置，其特征在于，所述的采样电阻R2值取MΩ级及以上。
6.一种如权利要求1所述测量装置的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
1），将双向测量模块接入真空断路器主通流开关VCB断口并令其两端电压为U12；
2），当U12=0时，开关VCB处于闭合状态时；
3），当U12＞0时，主通流开关VCB打开并处于燃弧状态时二极管D1截止，二极管D2导通，燃弧电压小于高压抑制模块的开通电压值或稳压值，吸收电容C1和吸收电阻R1开始工作，弧压信号经吸收模块、光电耦合模块输出至采样电阻R2，采集采样电阻R2电压信号，根据如下公式计算信号传输比：β=α*k*R2/R1，其中k为线性光电耦合器的耦合系数，α为电压探头衰减比例，当主通流开关VCB成功熄弧后，断口间的恢复电压远大于高压抑制模块开通电压或稳压值，高压抑制模块开通限压，保护光电耦合模块不被高压击穿；
4），当U12＜0时，主通流开关VCB打开并处于燃弧状态时二极管D1导通，二极管D2截止，燃弧电压小于高压抑制模块的开通电压值或稳压值，吸收电容C2和吸收电阻R1开始工作。
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