CN114496675A - 一种高压断路器及其合闸控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高压断路器及其合闸控制方法，属于高压断路器合闸控制技术领域。传统的液压弹簧操动机构断路器，开关实时的在母线电压任意角度下合闸，如果不并联合闸电阻，高压断路器在合闸时，存在过电压的危险；本发明针对电机驱动的高压断路器，在收到合闸命令时，通过捕获随机合闸点和经过固有的合闸时间段下一个交流电压过零点，将此两点时间段减去固有的合闸时间，就实现了随机合闸命令的延时。采用本发明，可以实现电机驱动类高压断路器的选相合闸，从而在断路器结构上省去容性负载对断路器灭弧室弧触头烧损的设计，防止灭弧室弧触头烧损。

Description

一种高压断路器及其合闸控制方法

技术领域

本发明提供了一种高压断路器及其合闸控制方法，属于高压断路器合闸控制技术领域，尤其涉及一种高压断路器的选相合闸方法。

背景技术

国内外高压产品的智能技术，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。产品的智能化运作，即根据产品运行时的状态信息(电流，电压，功因数等参数)及各参数之间的关系，来确定断路器所需开断速度的大小，自动调节和控制断路器的分合闸速度。

传统的高压开关，使用的是机械式液压机构、弹簧机构等，其分合闸动作特性曲线单一，不能在实际电路的参数发生变化时，动作特性也作出相应的变化，因此传统的高压开关无法实现高压产品的智能化。

现有的高压变电站，特别是550KV以上的变电站，电力系统在投切长距离输电线路时，由于线路分布电容的容升效应，合闸时在线路末端易产生严重的操作过电压，从而导致灭弧室弧触头的烧损。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高压断路器及其合闸控制方法，用于解决高压断路器合闸时因操作过电压导致灭弧室弧触头易烧损的问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种高压断路器的合闸控制方法，包括如下步骤：

1)获取母线交流电压波形；

2)在收到合闸命令时，根据所述母线交流电压波形，获取经过设定时间后的第一个交流电压过零点，并计算出收到合闸命令时刻到该第一个交流电压过零点时刻的时刻段时间；所述设定时间为断路器的固有合闸时间；

3)在收到合闸命令后，延时合闸命令延时时间段，驱动电机操动机构执行合闸命令，所述合闸命令延时时间段为步骤2)中获取的时刻段时间与设定时间的差值。

传统的液压弹簧操动机构断路器，开关实时的在母线电压任意角度下合闸，如果不并联合闸电阻，高压断路器在合闸时，存在过电压的危险；本发明针对电机驱动的高压断路器，在收到合闸命令时，通过捕获随机合闸点和经过固有的合闸时间段下一个交流电压过零点，将此两点时间段减去固有的合闸时间，就实现了随机合闸命令的延时。采用本发明，可以实现电机驱动类高压断路器的选相合闸，从而在断路器结构上省去容性负载对断路器灭弧室弧触头烧损的设计，防止灭弧室弧触头烧损。

进一步地，在上述方法中，在每一次执行合闸命令之后，根据上一次合闸时的固有合闸时间，计算新的固有合闸时间作为下一次合闸控制时的设定时间。

考虑到断路器的电机操动机构在运行过程中，因产品磨损，零部件老化，等一系列原因，固有合闸时间一定会发生变化，因此在程序设计时，增加反馈控制系统，将上一次合闸时间作为反馈值，反馈到程序中，得到新的固有合闸时间。

进一步地，在上述方法中，步骤3)中，通过如下方法驱动电机操动机构执行合闸命令：通过监测高压断路器所在母线的电压、电流技术参数，在满足所述固有合闸时间的条件下，通过CPLD控制器确定断路器的合闸速度；DSP处理器根据得到的合闸速度生成PWM驱动波形，驱动电机操动机构执行合闸命令。

电机操动机构执行合闸命令时，通过CPLD控制器，对断路器所在高压母线的电流电压进行监测，进而确定出断路器的合闸速度，通过DSP处理器对合闸速度进行处理，得到PWM波波形，进而根据PWM波形对电机供电进行控制，驱动电机操动机构执行合闸命令。

进一步地，在上述方法中，DSP处理器采用SVPWM空间矢量控制算法，使断路器动触头的速度值满足所述合闸速度。

确定合闸速度时，采用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CPLD控制器输出的平均值与给定的电压矢量值相等，使断路器动触头运动时的速度满足合闸速度，提高合闸控制的精准度，而且能够提高断路器合闸操作功。

进一步地，在上述方法中，通过程序设计，预先设计满足所述合闸速度的动触头行程曲线，通过对驱动电机进行位置伺服控制，使断路器的动触头沿所述动触头行程曲线进行运动，实现断路器的合闸。

通过预先设计的动触头行程曲线，对驱动电机进行伺服控制，使断路器动触头按不同的行程曲线运动，实现伺服电机与断路器动触头的直动运行，完成所需要的合闸动作。

本发明还提供一种断路器，包括设置于母线上的灭弧室和电机驱动机构，灭弧室内设置有动触头和静触头，动触头和静触头形成主断口；电机驱动机构驱动动触头实现主断口的闭合与断开；电机驱动机构通过如下步骤实现断路器合闸：

1)获取母线交流电压波形；

2)在收到合闸命令时，根据所述母线交流电压波形，获取经过设定时间后的第一个交流电压过零点，并计算出收到合闸命令时刻到该第一个交流电压过零点时刻的时刻段时间；所述设定时间为断路器固有合闸时间；

3)在收到合闸命令后，延时合闸命令延时时间段，驱动电机操动机构执行合闸命令，所述合闸命令延时时间段为步骤2)中获取的时刻段时间与设定时间的差值。

进一步地，在上述断路器中，在每一次执行合闸命令之后，根据上一次合闸时的固有合闸时间，计算新的固有合闸时间作为下一次合闸控制时的设定时间。

进一步地，在上述断路器中，电机驱动机构包括CPLD控制器和DSP处理器；步骤3)中，通过如下方法驱动电机操动机构执行合闸命令：通过监测高压断路器所在母线的电压、电流技术参数，在满足所述固有合闸时间的条件下，通过CPLD控制器确定断路器的合闸速度；DSP处理器根据得到的合闸速度生成PWM驱动波形，驱动电机操动机构执行合闸命令。

进一步地，在上述断路器中，DSP处理器采用SVPWM空间矢量控制算法，使断路器动触头的速度值满足所述合闸速度。

进一步地，在上述断路器中，通过程序设计，预先设计满足所述合闸速度的动触头行程曲线，通过对驱动电机进行位置伺服控制，使断路器的动触头沿所述动触头行程曲线进行运动，实现断路器的合闸。

附图说明

图1为现有技术中高压断路器的结构示意图；

图2为现有技术中高压断路器的PLC控制器的结构示意图；

图3为本发明方法实施例中断路器分合闸控制的流程框图；

图4为本发明方法实施例中断路器合闸控制时的合闸原理示意图；

图5为本发明方法实施例中母线交流电压频率为50Hz时断路器合闸控制的合闸原理示意图；

图6为本发明断路器实施例中高压断路器的结构示意图；

图7为本发明断路器实施例中PLC控制器的结构示意图。

图中10为汇控柜，11为检修平台，12为液压机构，13为支柱，14为均压环，15为五连箱，16为合闸电阻，17为导电管，18为灭弧室，22为电机驱动机构，25为三连箱。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明了，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

现有技术中的550KV高压断路器采用机械式液压机构或弹簧机构，分合闸动作特性曲线单一，当分合闸电路中的参数，如电流、电压、功因数等，发生变化时，分合闸动作特性不能及时做出相应变化。如图1所示为一种采用液压机构的高压断路器，液压机构12安装在检修平台11上的机构箱内，在地面设置有高压断路器的汇控柜10，液压机构12通过支柱13内的传动结构与灭弧室18内的触头连接，还包括均压环14。同时，该高压断路器在灭弧室18的弧触头上通过导电管17并联一个合闸电阻16，该合闸电阻16需要在灭弧室合闸前几个毫秒投入，在灭弧室合闸完成后几个毫秒后自动断开，从而实现对高压断路器弧触头的保护。由于使用了合闸电阻，因此该高压断路器必须使用五连箱15作为灭弧室组件。

如图2所示，550KV高压断路器的PLC汇控柜使用CPU作为控制器，通过随机的母线容量采集，进行断路器分合闸控制。断路器从接受到分闸命令到断路器弧触头断开的瞬间，所需时间为18～23毫秒。PLC在运行时，其CPU与各设备之间的信息交换、用户程序的执行、信息的采集、控制量的输出等操作都是按照固定的顺序以循环扫描的方式进行，每个循环都要对所有的功能进行查询、判断和操作，不能人为改变，完成一次循环扫描所用的时间称为扫描周期。一个扫描周期内的循环扫描过程为：公共处理→执行用户程序→扫描周期计算→输入/输出刷新→外设端口服务→公共处理。在一个扫描周期内，CPU对整个用户程序只能执行一遍，实时性差，扫描时间过长，导致断路器分合闸时间过长。

方法实施例：

本发明的提供的一种高压断路器的合闸控制方法，为了实现高压断路器的选相合闸，保证在交流电压过零点时合闸，使得合空载线路时过电压最小，从而保护灭弧室内的弧触头不被烧损，采用如图3所示的分合闸控制流程，实现高压断路器的合闸控制，包括如下步骤：

1)系统初始化，装置自检并设置相关参数。

2)启动看门狗，中断，等待中断循环。

3)判断是否符合分合操作条件，在合闸操作条件满足的情况下，当程序收到合闸命令，监测系统捕捉随机合闸点和经过固有合闸时间段的下一个交流电压过零点，将随机合闸点与交流电压过零点之间的时间段减去固有合闸时间段，就得到了随机合闸命令的延时时间t，如图4所示。因此在捕获的随机合闸点延迟时间t后进行合闸，就可以实现灭弧室的主断口在电压为零时断开或闭合，保护弧触头不被烧损。

针对我国高压输电线采用50Hz交流电压的情况可知，正弦交流电每秒变化50次，方向改变100次，交流电的周期为20ms。如图5所示，假设550KV高压断路器的固有合闸时间为62ms，在程序收到合闸命令时，检测系统捕捉经过62ms后的交流电压过零时刻，然后在该过零时刻前62ms执行合闸命令，则此合闸命令一定在交流电压过零点开断，即灭弧室的动触头和静触头在交流电压为零时闭合或断开，保护了弧触头的正常运行。

采用上述的合闸控制方法，可以取消传统高压断路器中合闸电阻及相应的驱动机构，进一步改善了高压断路器的结构设计，使高压断路器结构简化、成本降低。

4)由于产品在运行过程中，因产品磨损、零部件老化等问题，断路器的固有合闸时间会发生变化，因此在程序设计时，增加反馈控制系统，将上一次合闸控制时采用的固有合闸时间作为反馈值，输入反馈控制系统，得到新的固有合闸时间，用于下一次合闸控制。

传统的液压弹簧操动机构断路器，开关实时的在母线电压任意角度下合闸，如果不并联合闸电阻，高压断路器在合闸时，存在过电压的危险。使用电机驱动机构后，可以控制开关在交流电压过零点合闸，这样可以保障合空载线路时过电压最小，同时可以取消合闸电阻，使断路器的结构得到精简。

断路器实施例：

如图6所示，本发明的高压断路器对现有技术中的高压断路器进行改进，通过将液压机构12替换为电机驱动结构22，而且取消了合闸电阻16，并将原有的五连箱15换成三连箱25。灭弧室包括动触头和静触头，动触头和静触头之间形成主断口。动触头通过相应的传动部件和传动结构与操作结构连接，电机驱动机构22与操作机构连接，通过伺服电机驱动操作机构执行分合闸动作。而且，如图7所示，高压断路器的PLC汇控柜采用CPLD可编程控制器，输入输出电路采用现有PLC汇控柜内的输入输出电路。

CPLD可编程控制器执行指令实现方法实施例中高压断路器的合闸控制方法，关于该方法的实现，在方法实施例中已经介绍的清楚明白，此处不在赘述。

CPLD属于高密度可编程逻辑器件，可以在制造完成后由用户根据自己的需求定义其逻辑功能。并且CPLD使用的是一个集中式逻辑互连方案，其宏单元的逻辑阵列通过E2PROM和Flash工艺组合可以实现计算机复杂的乘法运算，因此，CPLD可以实现传统的PLC可编程控制器的功能。而且，CPLD很重要的一个特点是在对输入输出信号进行逻辑控制时，不需要执行指令和程序，不需要执行循环扫描，没有“指令周期”的概念，输入信号仅通过CPLD芯片逻辑门阵列的不同组合来控制输出信号，系统对输入信号的相应时间仅取决于门阵列的传输延时，这对于PLC来说具有显著的优势。

CPLD取代原有的CPU作为新的中央处理器时，不再需要设置相关的存储器。输入电路用于将各种现场输入的信号转换为逻辑信号，CPLD的输入端口与输入电路连接，获取输入信号进行处理；输出电路与CPLD的输出端口连接，用于将CPLD输出的控制信号经过光电隔离和驱动，以继电器方式或晶闸管方式提供给系统的执行电路。相较于CPU，采用CPLD缩短了合闸命令的执行时间。

为了满足断路器的分合闸，使其动触头的速度值满足断路器技术要求，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，使其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曲线，通过对永磁同步电机进行位置伺服控制，使断路器动触头按不同的行程曲线运动，从而实现伺服电机与断路器动触头的直动运行，可以提高电机直流母线电压的利用率，便于断路器的数字控制。

为了实现断路器的智能操作，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；充分利用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；具体实施过程为：通过适时监测电路(主母线)的电流、电压技术参数，在满足断路器技术条件(即断路器固有合闸时间)的情况下，确定断路器各个参数下的合闸速度，通过DSP数字信号处理器，得到驱动电机所需速度的PWM驱动波形，从而实现断路器的智能控制。

合闸速度的确定，既可以使用瞬时值，也可以使用速度段，速度段的最大值以其额定电流技术参数为上限，具体情况以产品设计的精度来确定。

本发明通过运用数字控制理论，确定合闸交流电过零点时发出合闸命令，实现高压550KV断路器的智能操作，从而解决合闸时容性负载对弧触头的烧损，采用本发明，可以解决系列化高压产品合闸时烧损弧触头的技术问题，同时，产品的一次设计，降低了成本，适应当今数字化技术的要求。

Claims (10)

1.一种高压断路器的合闸控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)获取母线交流电压波形；

2)在收到合闸命令时，根据所述母线交流电压波形，获取经过设定时间后的第一个交流电压过零点，并计算出收到合闸命令时刻到该第一个交流电压过零点时刻的时刻段时间；所述设定时间为断路器的固有合闸时间；

3)在收到合闸命令后，延时合闸命令延时时间段，驱动电机操动机构执行合闸命令，所述合闸命令延时时间段为步骤2)中获取的时刻段时间与设定时间的差值。

2.根据权利要求1所述的高压断路器的合闸控制方法，其特征在于，在每一次执行合闸命令之后，根据上一次合闸时的固有合闸时间，计算新的固有合闸时间作为下一次合闸控制时的设定时间。

3.根据权利要求2所述的高压断路器的合闸控制方法，其特征在于，步骤3)中，通过如下方法驱动电机操动机构执行合闸命令：通过监测高压断路器所在母线的电压、电流技术参数，在满足所述固有合闸时间的条件下，通过CPLD控制器确定断路器的合闸速度；DSP处理器根据得到的合闸速度生成PWM驱动波形，驱动电机操动机构执行合闸命令。

4.根据权利要求3所述的高压断路器的合闸控制方法，其特征在于，DSP处理器采用SVPWM空间矢量控制算法，使断路器动触头的速度值满足所述合闸速度。

5.根据权利要求4所述的高压断路器的合闸控制方法，其特征在于，通过程序设计，预先设计满足所述合闸速度的动触头行程曲线，通过对驱动电机进行位置伺服控制，使断路器的动触头沿所述动触头行程曲线进行运动，实现断路器的合闸。

6.一种高压断路器，包括电机驱动机构，其特征在于，电机驱动机构通过如下步骤实现断路器合闸：

1)获取母线交流电压波形；

2)在收到合闸命令时，根据所述母线交流电压波形，获取经过设定时间后的第一个交流电压过零点，并计算出收到合闸命令时刻到该第一个交流电压过零点时刻的时刻段时间；所述设定时间为断路器固有合闸时间；

3)在收到合闸命令后，延时合闸命令延时时间段，驱动电机操动机构执行合闸命令，所述合闸命令延时时间段为步骤2)中获取的时刻段时间与设定时间的差值。

7.根据权利要求6所述的高压断路器，其特征在于，在每一次执行合闸命令之后，根据上一次合闸时的固有合闸时间，计算新的固有合闸时间作为下一次合闸控制时的设定时间。

8.根据权利要求7所述的高压断路器，其特征在于，电机驱动机构包括CPLD控制器和DSP处理器；步骤3)中，通过如下方法驱动电机操动机构执行合闸命令：通过监测高压断路器所在母线的电压、电流技术参数，在满足所述固有合闸时间的条件下，通过CPLD控制器确定断路器的合闸速度；DSP处理器根据得到的合闸速度生成PWM驱动波形，驱动电机操动机构执行合闸命令。

9.根据权利要求8所述的高压断路器，其特征在于，DSP处理器采用SVPWM空间矢量控制算法，使断路器动触头的速度值满足所述合闸速度。

10.根据权利要求9所述的高压断路器，其特征在于，通过程序设计，预先设计满足所述合闸速度的动触头行程曲线，通过对驱动电机进行位置伺服控制，使断路器的动触头沿所述动触头行程曲线进行运动，实现断路器的合闸。

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