CN114142440B - 基于线路电感能量自检的混合式断路器及其存储介质、控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于线路电感能量自检的混合式断路器及其存储介质、控制方法。其中方法包括：当混合式断路器接到吸合指令时，控制混合式断路器中作为电流转移支路的固态开关导通；在所述电流转移支路吸合之初，检测混合式断路器所在主回路的线路电感能量W，若所述线路电感能量W超过第一设定阈值，则控制电流转移支路断开并终止所述混合式断路器的导通控制逻辑，否则控制所述混合式断路器中作为主通流支路的机械开关导通，并在主通流支路完全吸合后断开所述电流转移支路。本发明在传统混合式断路器保护模式基础上增设了线路电感能量保护方式，不但拓展了混合式断路器的使用范围，而且增强了其适应性，且没增加成本。

Description

基于线路电感能量自检的混合式断路器及其存储介质、控制 方法

技术领域

本发明涉及电子电力技术，尤其是一种基于线路电感能量自检的混合式断路器及其存储介质、控制方法。

背景技术

混合式直流断路器包含三条并联支路：主通流支路、电流转移支路和能量吸收支路，如图1所示。在混合式直流断路器开断直流电流时，为了防止产生过电压以及电弧重燃，过程中会释放大量能量，因此需要用氧化锌避雷器构成的能量吸收支路来吸收这部分能量，保证直流电的成功开断。氧化锌避雷器需吸收的能量来自线路电感，根据公式W＝0.5×L×I²可得，需吸收能量大小与线路电感L成正比，与电流I平方成正比。线路电感越大，需要避雷器吸收能量的容量就越大；断开时电流越大，需要的避雷器吸收能量的容量也就越大。但作为混合式断路器能量吸收支路的避雷器容量不可能无限大，有一个参数适用范围(W＝0.5×5×10^-3×5000²＝62500J)，如线路电感感量不能超过5mH，断开时电流不能超过5000A等指标；同时，用户提供不出线路电感大小，或提供不准确等都会影响到断路器的成功断开。在能量吸收支路容量有限的情况下，若线路电感和断开时电流超出了能量吸收支路容量范围，且断路器从吸合状态转到断开状态时，则能量吸收支路(避雷器)由于不能吸收巨大能量而将烧断。在能量吸收支路烧断后，剩余的能量将会在断路器两端形成超出额定电压多倍的尖峰电压，击穿电流转移支路或主通流支路，断路器将确底损坏，甚至引发系统层面的大型事故。

现有混合式断路器安装前必须事先知道线路电感的大小，由线路电感大小和最大保护电流等参数计算出能量吸收支路容量值，再考虑一部分裕量。断路器在吸合后只检测电流的大小，在电流超过设定值或限制值时才断开，因此需要对线路电感和保护电流有准确的了解，才能设计出合适的带能量吸收支路的混合式断路器，严重的限制了混合式直流断路器的发展，也给断路器本身和断路器使用系统带来了巨大安全风险。

发明内容

本发明提供一种基于线路电感能量自检的混合式断路器及其存储介质、控制方法，其在传统混合式断路器保护模式基础上增设了线路电感能量保护方式，不但拓展了混合式断路器的使用范围，而且增强了其适应性，且没增加成本。

为实现所述目的，本发明第一方面公开了一种基于线路电感能量自检的混合式断路器控制方法，包括：

当混合式断路器接到吸合指令时，控制混合式断路器中作为电流转移支路的固态开关导通；

在所述电流转移支路吸合之初，检测混合式断路器所在主回路的线路电感能量W，若所述线路电感能量W超过第一设定阈值，则控制电流转移支路断开并终止所述混合式断路器的导通控制逻辑，否则控制所述混合式断路器中作为主通流支路的机械开关导通，并在主通流支路完全吸合后断开所述电流转移支路。

作为一种可选实施方案，在本发明第一方面中，所述在主通流支路完全吸合后断开所述电流转移支路之后，进一步包括：

检测混合式断路器所在主回路的线路电感能量W，若所述线路电感能量W超过第一设定阈值，则控制所述电流转移支路导通，并控制主通流支路断开；以及

在所述主通流支路完全断开后，断开所述电流转移支路。

作为一种可选实施方案，在本发明第一方面中，执行所述检测混合式断路器所在主回路的线路电感能量W的同时，并行执行有：

检测混合式断路器所在主回路的电流参数I，若所述电流参数I超过第二设定阈值，同样控制电流转移支路断开并终止所述混合式断路器的导通控制逻辑，否则控制主通流支路导通，并在主通流支路完全吸合后断开所述电流转移支路。

作为一种可选实施方案，在本发明第一方面中，所述在主通流支路完全吸合后断开所述电流转移支路之后，进一步包括：

检测混合式断路器所在主回路的电流参数I，若所述电流参数I超过第二设定阈值，则控制所述电流转移支路导通，并控制主通流支路断开；以及

在所述主通流支路完全断开后，断开所述电流转移支路。

作为一种可选实施方案，在本发明第一方面中，所述检测混合式断路器所在主回路的线路电感能量W，进一步包括：

计算所述主回路的线路电感的感值L；

采集混合式断路器所在主回路的电流参数I；

基于W＝0.5×L×I²计算所述线路电感能量W。

作为一种可选实施方案，在本发明第一方面中，所述计算所述主回路的线路电感的感值L，进一步包括：

获取加在所述主回路的线路电感和负载上的电压值U；

连续两次采集混合式断路器所在主回路的电流参数I，其中间隔采样时间为△t；

以当前电流采样值减去上一次电流采样值从而得到电流变化量△i；

基于

计算出线路电感L。

作为一种可选实施方案，在本发明第一方面中，所述获取加在所述主回路的线路电感和负载上的电压值U，进一步包括：

检测所述混合式断路器两端电压差；

以事先设置的系统电源电压减去混合式断路器两端电压差从而得到加在所述主回路的线路电感和负载上的电压值U。

本发明第二方面公开了一种计算机可读存储介质，其存储有一个或多个程序，所述一个或多个程序被控制器执行时实现上述的基于线路电感能量自检的混合式断路器控制方法。

本发明第三方面公开了一种混合式断路器，包括：

作为主通流支路的机械开关；

作为电流转移支路的固态开关，其并联于所述主通流支路两端；

作为能量吸收支路的氧化锌避雷器，亦并联于所述主通流支路两端；

还设有被安排成存储计算机可执行指令的存储器，所述可执行指令在被执行时使所述控制器实现上述的基于线路电感能量自检的混合式断路器控制方法。

作为一种可选实施方案，在本发明第三面中，混合式断路器进一步包括：

检测电路，用于检测所述混合式断路器的电参数；

驱动电路，用于驱动所述主通流支路或电流转移支路的通断；

编码开关，用于分档位设置断路器电流值和线路电感能量值的大小；

人机交互装置，用于交互混合式断路器的电参数、参数设置以及控制断路器的通断。

相对于现有技术，本发明能够达到以下有益效果：

1、拓展现有混合式直流断路器的使用范围，尤其是现有特高压混合式断路器微型化(电压10kV以下，电流10kA以下)后的市场使用率；

2、增强其适用性，尽量减小其对使用环境的依赖，在对线路电感和最大断开电流不明确的情况下，即使混合式断路器开关吸合也不会损坏，并且会提醒还需增配多大的避雷装置才能满足当前的运行条件等重要信息；

3、提高器性能后，不增加成本，甚至还降低成本。

所述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的所述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，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。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。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的台件。

在附图中：

图1为现有技术中混合式断路器主回路拓扑结构；

图2为本发明的基于线路电感能量自检的混合式断路器控制方法的程序流程图；

图3为本发明的混合式断路器工作时主回路拓扑图；

图4为本发明的混合式断路器控制框图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开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公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

实施例一

参见图2、图3，本发明实施例提供的基于线路电感能量自检的混合式断路器控制方法，控制部分主要是对三条并联支路进行检测和控制，包括：

S101.当混合式断路器接到吸合指令时，控制器首先控制混合式断路器中作为电流转移支路的固态开关导通；

S102.在所述电流转移支路吸合之初，控制器检测混合式断路器所在主回路的线路电感能量W、主回路电流参数I，若所述线路电感能量W超过第一设定阈值或所述电流参数I超过第二设定阈值，则控制电流转移支路断开并终止所述混合式断路器的导通控制逻辑，否则控制所述混合式断路器中作为主通流支路的机械开关导通，并在主通流支路完全吸合后断开所述电流转移支路。

本发明实施例提供混合式断路器控制方法，在吸合过程中和吸合后对线路电感储存能量实时检测，并要以电感储存能量实时值作为混合式断路器自我保护的重要判断条件，若发现线路电感能量超过设定允许值，则迅速断开，以确保能量能够在能量吸收支路允许的范围内正常吸收，也确保断路器和系统不损坏，同时，断路器断开后，控制器还需具有提醒用户当前线路电感大小和最大允许开断电流，或提醒还需增配多大的避雷装置才能满足当前的运行条件等重要信息。如此，在传统混合式断路器保护模式基础上，通过检测线路电感储存能量值作为检测判断依据进行保护，实现了不但拓展混合式断路器的使用范围，而且增强了其适应性，且没增加成本。

作为一种可选实施方式，在主通流支路完全吸合后断开所述电流转移支路之后，控制器一直检测检测混合式断路器所在主回路的线路电感能量W、主回路电流参数I，若所述线路电感能量W超过第一设定阈值或所述电流参数I超过第二设定阈值，控制器一边控制所述电流转移支路导通，同时控制主通流支路断开，并在所述主通流支路完全断开后，断开所述电流转移支路。

作为另一种可选实施方式，检测混合式断路器所在主回路的线路电感能量W的方法进一包括：

获取加在所述主回路的线路电感和负载上的电压值U，连续两次采集混合式断路器所在主回路的电流参数I，其中间隔采样时间为△t，以当前电流采样值减去上一次电流采样值从而得到电流变化量△i，基于

计算出线路电感L；

采集混合式断路器所在主回路的电流参数I；

基于公式W＝0.5×L×I²计算所述线路电感能量W。

其中，获取加在所述主回路的线路电感和负载上的电压值U的方式可以是检测所述混合式断路器两端电压差，以事先设置的系统电源电压减去混合式断路器两端电压差从而得到加在所述主回路的线路电感和负载上的电压值U，能够获取实际的电压值U，提升控制的准确性及方法的细粒度；或者是基于断路器吸合后压差基本为0V的特性，直接取值OV，以简化程序流程，加快反应时间。

具体而言，参加图3，由于线路电感的存在，在混合式断路器吸合之初，主回路电流逐渐从0A增大到系统额定电流。此时，混合式断路器控制器通过检测断路器两端电压差(断路器吸合后，一般取压差为0V)，再结合事先设置的系统电源电压，可计算出加在线路电感和负载上的电压值U；控制器电流间隔采样时间△t为已知(控制器内部设置)，通过两次连续的电流采样，当前电流采样值减去上一次电流采样值即可得到电流变化量△i，再结合公式

即可以计算出线路电感L。如：系统直流电源电压为1000V，控制器电流采样间隔时间为5us，两次相邻的电流采样值分别是500A和700A，则计算出的线路电感L＝25uH。

在混合式断路器吸合之初测量出线路电感，电流慢慢增大，直到电流上升进入稳态。过程中一直根据公式W＝0.5×L×I²实时计算线路电感储存能量，若大于吸收能量设置值，迅速发出断开指令，使断路器断开。即使正常进入稳态后，线路电感能量也是一直检测和计算，且反复与设定值比较，一旦超过设定值，断路器迅速断开。

该可选实施方式中，由于增加了检测线路电感储存能量值的检测判断依据，是电感与电流平方的乘积，所以，在线路电感值很大时，只要当前电流较小，断路器和系统也是很安全的。

相对于现有技术，本发明能够达到以下有益效果：

1、拓展现有混合式直流断路器的使用范围，尤其是现有特高压混合式断路器微型化(电压10kV以下，电流10kA以下)后的市场使用率。

2、增强其适用性，尽量减小其对使用环境的依赖，在对线路电感和最大断开电流不明确的情况下，即使混合式断路器开关吸合也不会损坏，并且会提醒还需增配多大的避雷装置才能满足当前的运行条件等重要信息。

3、通过增设程序保护模块，不但没有增加硬件成本，而且性能功性能显著提升。

实施例二

本发明实施例公开了一种计算机可读存储介质，其存储用于电子数据交换的计算机程序，其中，该计算机程序使得计算机执行实施例一所描述的方法中部分或者全部的步骤。

实施例三

本发明实施例公开了一种计算机程序产品，该计算机程序产品包括存储了计算机程序的非瞬时性计算机可读存储介质，且该计算机程序可操作来使计算机执行实施例一所描述的方法中部分或者全部的步骤。

实施例四

参考图4，本发明实施例公开的一种混合式断路器，其中，该混合式断路器包括：

控制器，主要由PFGA构成；

作为主通流支路的机械开关、作为电流转移支路的固态开关、作为能量吸收支路的氧化锌避雷器，其中三条支路相互并联；

检测电路，用于检测所述混合式断路器的电参数；

驱动电路，用于驱动所述主通流支路或电流转移支路的通断；

编码开关，用于分档位设置断路器脱扣电流值和线路电感能量值的大小；

人机交互装置，优选为触摸屏，用于交互混合式断路器的各种参数、故障状态、参数设置、以及控制断路器的通断等；

还设有被安排成存储计算机可执行指令的存储器，所述可执行指令在被执行时使所述控制器执行实施例一所描述的基于线路电感能量自检的混合式断路器控制方法。

其中，存储器可以是EEPROM，可掉电保存，在上电时，PFGA主动读取EEPROM中数据。

需要说明的是：

在此提供的算法和显示不与任何特定计算机、虚拟装置或者其它设备固有相关。各种通用装置也可以与基于在此的示教一起使用。根据上面的描述，构造这类装置所要求的结构是显而易见的。此外，本发明也不针对任何特定编程语言。应当明白，可以利用各种编程语言实现在此描述的本发明的内容，并且上面对特定语言所做的描述是为了披露本发明的最佳实施方式。

在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

本发明的各个部件实施例可以以硬件实现，或者以在一个或者多个处理器上运行的软件模块实现，或者以它们的组合实现。本发明还可以实现为用于执行这里所描述的方法的一部分或者全部的设备或者装置程序(例如，计算机程序和计算机程序产品)。这样的实现本发明的程序可以存储在计算机可读介质上，或者可以具有一个或者多个信号的形式。这样的信号可以从因特网网站上下载得到，或者在载体信号上提供，或者以任何其他形式提供。

应该注意的是所述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。

Claims (7)

1.基于线路电感能量自检的混合式断路器控制方法，其特征在于，包括：

当混合式断路器接到吸合指令时，控制混合式断路器中作为电流转移支路的固态开关导通；

在所述电流转移支路吸合之初，检测混合式断路器所在主回路的线路电感能量W，若所述线路电感能量W超过第一设定阈值，则控制电流转移支路断开并终止所述混合式断路器的导通控制逻辑，否则控制所述混合式断路器中作为主通流支路的机械开关导通，并在主通流支路完全吸合后断开所述电流转移支路；

所述在主通流支路完全吸合后断开所述电流转移支路之后，进一步包括：

检测混合式断路器所在主回路的线路电感能量W，若所述线路电感能量W超过第一设定阈值，则控制所述电流转移支路导通，并控制主通流支路断开；以及

在所述主通流支路完全断开后，断开所述电流转移支路；

所述检测混合式断路器所在主回路的线路电感能量W，进一步包括：

计算所述主回路的线路电感的感值L；

采集混合式断路器所在主回路的电流参数I；

基于W＝0.5×L×I²计算所述线路电感能量W；

所述计算所述主回路的线路电感的感值L，进一步包括：

获取加在所述主回路的线路电感和负载上的电压值U；

连续两次采集混合式断路器所在主回路的电流参数I，其中间隔采样时间为△t；

以当前电流采样值减去上一次电流采样值从而得到电流变化量△i；

基于

计算出线路电感L。

2.如权利要求1所述的基于线路电感能量自检的混合式断路器控制方法，其特征在于，执行所述检测混合式断路器所在主回路的线路电感能量W的同时，并行执行有：

检测混合式断路器所在主回路的电流参数I，若所述电流参数I超过第二设定阈值，同样控制电流转移支路断开并终止所述混合式断路器的导通控制逻辑，否则控制主通流支路导通，并在主通流支路完全吸合后断开所述电流转移支路。

3.如权利要求2所述的基于线路电感能量自检的混合式断路器控制方法，其特征在于，所述在主通流支路完全吸合后断开所述电流转移支路之后，进一步包括：

检测混合式断路器所在主回路的电流参数I，若所述电流参数I超过第二设定阈值，则控制所述电流转移支路导通，并控制主通流支路断开；以及

在所述主通流支路完全断开后，断开所述电流转移支路。

4.如权利要求1所述的基于线路电感能量自检的混合式断路器控制方法，其特征在于，所述获取加在所述主回路的线路电感和负载上的电压值U，进一步包括：

检测所述混合式断路器两端电压差；

以事先设置的系统电源电压减去混合式断路器两端电压差从而得到加在所述主回路的线路电感和负载上的电压值U。

5.存储介质，其存储有一个或多个程序，其特征在于，所述一个或多个程序被控制器执行时实现如权利要求1-4任一项所述的基于线路电感能量自检的混合式断路器控制方法。

6.混合式断路器，包括：

作为主通流支路的机械开关；

作为电流转移支路的固态开关，其并联于所述主通流支路两端；

作为能量吸收支路的氧化锌避雷器，亦并联于所述主通流支路两端；

其特征在于，还设有被安排成存储计算机可执行指令的存储器，所述可执行指令在被执行时使控制器实现如权利要求1-4任一项所述的基于线路电感能量自检的混合式断路器控制方法。

7.如权利要求6所述的混合式断路器，其特征在于，进一步包括：

检测电路，用于检测所述混合式断路器的电参数；

驱动电路，用于驱动所述主通流支路或电流转移支路的通断；

编码开关，用于分档位设置断路器电流值和线路电感能量值的大小；

人机交互装置，用于交互混合式断路器的电参数、参数设置以及控制断路器的通断。

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