CN114709796A - 一种基于选相控制的发电机“失零”故障电流开断装置和方法 - Google Patents

一种基于选相控制的发电机“失零”故障电流开断装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于选相控制的发电机“失零”故障电流开断装置和方法，主回路、换流支路和吸能支路之间相互并联；主回路包括一个或多个并联的真空开关；换流支路包括依次串联的预充电电容、电感和快速合闸开关，预充电电容上并联有充放电电路；吸能支路包括避雷器；避雷器并联在预充电电容上；发电机断路器在最佳开断点进行开断动作。开断方法能在发电机断路器产生故障电流时，选择同时满足距离故障发生点时间最近、电流幅值较小和电流变化率为零的时刻进行开断，保证换流支路转移断路器的短路故障电流，最后由发电机断路器的真空开关开断电流。

Description

一种基于选相控制的发电机“失零”故障电流开断装置和方法
技术领域
本发明属于领域电力设备技术，具体属于一种基于选相控制的发电机“失零”故障电流开断装置和方法。
背景技术
发电机断路器是安装在发电机和升压变压器之间的对发电机进行控制、隔离和保护的大容量开关设备。发电机断路器作为发电机保护装置在整个电力系统中具有重要作用。目前发电机断路器主要有两种类型：SF6发电机断路器和真空发电机断路器。其中真空发电机断路器以其开断速度快和环保的特点而受到广泛关注。随着新型电力系统中大量电力电子器件的广泛普及，电力系统对发电机断路器的保护速度提出了更高的要求。由于发电机故障电流存在直流分量，传统发电机断路器需要等到电流自然过零点才能开断故障电流，通常开断时间在50毫秒以上，无法满足新型电力系统的要求。因此亟待研制快速发电机断路器来满足系统需求。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种基于选相控制的发电机“失零”故障电流开断装置和方法，用于解决上述问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于选相控制的发电机“失零”故障电流开断装置，包括主回路、换流支路和吸能支路；所述主回路、换流支路和吸能支路之间相互并联；
所述主回路包括一个或多个并联的真空开关；所述换流支路包括依次串联的预充电电容、电感和快速合闸开关，所述预充电电容上并联有充放电电路；所述吸能支路包括避雷器；避雷器并联在预充电电容上；
发电机断路器在最佳开断点进行开断动作。
优选的，还包括传感器，所述传感器串联在主回路上，所述传感器用于持续检测电压信号和电流信号。
优选的，多个所述真空开关同时动作时同步时间误差小于20微秒。
优选的，所述快速合闸开关为电力电子开关、点火球隙或真空触发间隙。
一种基于选相控制的发电机“失零”故障电流开断方法，包括以下过程，
当发电机发生短路故障时，对故障相的电压和电流进行连续快速采样，得到多个电流和电压数据；
利用预设算法对得到的电流和电压数据进行分析计算，识别故障类型；
当发电机发生三相非对称短路故障时，通过预设算法结合测得的电压与电流数据，预测出最佳开断点toptimal；
根据最佳开断点toptimal控制发电机断路器进行开断。
优选的，所述最佳开断点时电流变化率为零；所述最佳开断点时电流幅值的绝对值小于故障电流峰值的一半；所述最佳开断点时间距离故障出现时刻最短。
优选的，当发电机发生三相非对称短路故障时，短路电流表达式为：
Figure BDA0003622575320000021
其中，P和U分别是发电机的额定有功功率和额定电压；X″d为次瞬态电抗；X′d为瞬态电抗；Xd为同步电抗；T″d为次瞬态时间常数；T′d为瞬态时间常数；Ta为电枢时间常数。
优选的，依据公式tsignal-open＝toptimal-(twait+topen+tcommutation)计算发送分闸信号的时间；依据公式tsignal-close＝toptimal-tcommutation计算发送换流支路合闸信号的时间；
其中twait是分闸信号传输到发电机断路器操作机构所需的时间，topen是发电机断路器操作机构拉开触头到足够开距所需时间，tcommutation是从换流支路导通到完成换流，流经断路器电流过零所需时间。
优选的，具体包括以下步骤：
当故障发生时，主回路传感器持续检测故障电流大小和电压大小，对故障相的电压和电流进行连续快速采样，得到多个电流和电压数据；
利用预设算法对得到的电流和电压数据进行分析计算，识别故障类型；
当发电机发生三相非对称短路故障时，通过预设算法式结合测得的电压与电流数据，预测出最佳开断点toptimal；
在tsignal-open时刻向真空开关发送分闸信号，使真空开关开始分闸，真空开关的触头分离产生电弧；
在tsignal-close，向快速合闸开关发送合闸信号，快速合闸开关导通，电流转移到换流支路，断路器的真空开关电弧熄灭；换流回路两端电压不断上升，达到避雷器的动作电压，避雷器由高阻抗状态转换为低阻抗状态，吸能支路导通；
系统电流转移到吸能支路，系统中残余能量由吸能支路的避雷器进行吸收。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明提供了一种基于选相控制的发电机“失零”故障电流开断装置，基于高频人工过零技术的发电机断路器，能够在降低发电机断路器开断电流时间、运行损耗和成本的前提下，保证电流可靠开断。
本发明提供了一种基于选相控制的发电机“失零”故障电流开断方法，能在发电机断路器产生故障电流时，选择同时满足距离故障发生点时间最近、电流幅值较小和电流变化率为零的时刻进行开断，保证换流支路转移断路器的短路故障电流，最后由发电机断路器的真空开关开断电流。与现有技术相比，本发明能实现发电机故障电流快速开断，无需等待电流过零点。
附图说明
图1示出一种基于选相控制的发电机“失零”故障电流开断装置的结构示意图。
图2示出本发明实施例提供的一种基于选相控制的发电机“失零”故障电流开断装置的安装位置示意图。
图3示出本发明实施例提供的基于选相控制的发电机“失零”故障电流开断方法的电流示意图。
图4示出本发明实施例提供的基于选相控制的发电机“失零”故障电流开断方法的时序图。
图5示出本发明实施例提供的基于选相控制的发电机“失零”故障电流开断方法的流程图。
附图中：真空开关101；避雷器102；快速合闸开关103；电感104；预充电电容105；传感器106。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步的详细描述。所属实施例的示例自始至终相同或类似的符号表示相同或类似的元件或具有相同或相似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本发明的描述中，需要理解的是，术语指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了方便表述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应作广义解释。例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。为此，本发明的目的在于提出一种基于选相控制的发电机“失零”故障电流开断方法及装置。
实施例
为了实现上述目的，本发明的一方面的实施例公开了一种基于选相控制的发电机“失零”故障电流开断的发电机断路器装置，本实施例中的发电机断路器结构是采用现有人工过零技术的直流断路器拓扑结构。图1示出了一种基于选相控制的发电机“失零”故障电流开断装置的结构示意图。
该发电机断路器包括：主回路、换流支路和吸能支路，其中主回路由一个或多个真空开关101并联构成；换流支路可以由电力电子开关构成，也可以由电感和电容和快速合闸开关组成；本实施例中换流支路由预充电电容105、充放电电路、电感104、快速合闸开关103构成；吸能支路由避雷器102构成，其中主回路、换流支路和吸能支路相互并联。
根据本发明实施例的基于高频人工过零技术的发电机断路器，能够在降低发电机断路器开断电流时间、运行损耗和成本的前提下，保证电流可靠开断。另外，根据本发明上述实施例的基于高频人工过零技术的发电机断路器，还可以具有如下附加的技术特征：
主回路包括至少一个真空开关101或多个真空开关101并联，所述真空开关101在收到控制信号后可实现快速分断和关合动作，多个真空开关101同时动作时同步时间误差应小于20微秒，真空开关101可以在分断后可以提供足够的绝缘强度。
快速合闸开关103优选电力电子开关、点火球隙、真空触发间隙，但不限于这三类开关。
充放电电路对预充电电容105的充电可控制，且充电电压可调。
在实施例中，主回路传感器包括至少一个传感器106。所属传感器在使用中适用于主回路中的电流和电压中的至少一个。所属传感器可以另外地替换适用于检测下述至少一个物理量：声音、光、热、X射线。
为了实现上述目的，本发明的一方面的实施例公开了一种基于选相控制的发电机“失零”故障电流开断方法，包括上述基于高频人工过零技术的发电机断路器，如图2至图3所示，包括以下步骤：在系统保护继电器检测到故障发送给发电机断路器触发信号后；传感器106持续检测电压信号及电流信号，预测最佳开断点；由于真空开关从接收到分闸信号到触头运动到足够开距需要一定的时间，因此触头将在最佳开断点前开始运动，真空开关分闸，触头分离产生电弧，在最佳开断点时触头已经打开并且有足够的开距。
最佳开断点时刻应依次满足三个条件：1)电流变化率为零；2)电流幅值的绝对值小于故障电流峰值的一半；3)最佳开断点时间距离故障出现时刻最短。检测到故障电流达到最佳开断点时刻，快速合闸开关导通，预充电的振荡电容和振荡电抗器通过主回路真空开关振荡放电，产生方向与主回路电流方向相反的高频振荡电流。振荡电流叠加在待开断的故障电流上产生电流过零点，电弧熄灭。随后系统电流转移到换流支路中，对换流电容器进行充电，使得换流电容器两端电压不断上升，直至换流回路两端电压达到避雷器的动作电压，避雷器由高阻抗状态转换为低阻抗状态，吸能支路导通。系统电流转移到吸能支路，最终系统中残余能量由吸能支路避雷器进行吸收。
根据本发明实施例的发电机断路器快速电流开断方法，能够在降低发电机断路器开断电流时间、运行损耗和成本的前提下，保证电流在真空开关支路快速可靠开断。
实施例参照图4，本发明的实施例的一种适用于发电机断路器的快速电流开断方法具体的控制时序如下所示：
发电机断路器在发电机故障的“失零区域”选取最佳开断点进行开断。
所述最佳开断点时刻应依次满足三个条件：1)电流变化率为零；2)电流幅值的绝对值小于故障电流峰值的一半；3)最佳开断点时间距离故障出现时刻最短。
当发电机发生短路故障时，对故障相的电压和电流进行连续快速采样，得到多个电流和电压数据；
利用预设算法对得到的电流和电压数据进行分析计算，识别故障类型为三相非对称短路故障或其他类型的故障；
当发电机发生三相非对称短路故障时，短路电流表达式为：
Figure BDA0003622575320000071
其中P和U分别是发电机的额定有功功率和额定电压。X″d为次瞬态电抗，X′d为瞬态电抗，Xd为同步电抗，T″d为次瞬态时间常数，T′d为瞬态时间常数，Ta为电枢时间常数。
预设算法通过式(1)，结合测得的电压与电流数据，可以预测出最佳开断点toptimal。
利用选相控制的“失零”故障电流开断方法根据最佳开断点的时刻来控制发电机断路器进行开断。
选相控制的“失零”故障电流开断方法，在最佳开断点实现发电机断路器的开断，包括：
根据公式tsignal-open＝toptimal-(twait+topen+tcommutation)计算向发电机断路器发送分闸信号的时间，其中twait是分闸信号传输到发电机断路器操作机构所需的时间，topen是断路器操作机构拉开触头到足够开距所需时间，tcommutation是从换流支路导通到完成换流，流经断路器电流过零所需时间。
根据公式tsignal-close＝toptimal-tcommutation计算向换流支路合闸开关发送合闸信号的时间。
tfault时刻发生发电机短路故障，tdetect时刻系统检测到故障并向发电机断路器发送触发信号，传感器106检测电压波形及电流波形，预测最佳开断点，断路器在达到tsignal-open发送分闸信号，随后立即驱动真空开关101(通常采用电磁斥力驱动)分闸，使得在最佳开断点时触头已经打开到足够开距。在tsignal-close立即向快速合闸开关103发送合闸信号，快速合闸开关103触发导通，预充电电容105放电，主回路电流从真空开关101转移到换流支路，toptimal时刻为电流瞬时值、电流变化率和故障时刻同时满足最佳开断点的判据的时刻，电弧熄弧，真空开关两端出现恢复过电压，预充电电容开始被反充电。当过电压上升至避雷器102动作电压时，电流从换流支路向吸能支路转移，避雷器102开始吸收分断过程中的系统储能，电流逐渐减小直至到零。随着系统储能被避雷器102耗散掉，主回路电流减小到零，开断过程结束。
实施例参照图5，本发明的实施例的一种适用于发电机断路器的快速电流开断方法具体的控制流程图如下所示：
在正常通流状态下，发电机断路器的真空开关101处于合闸状态，发电机发出的电流通过发电机断路器。传感器采集电压电流数据，并对采集数据进行分析。
当发生故障时，控制系统对故障类型进行判断。
如果发生的故障类型为三相非对称短路故障，则在系统保护继电器检测到故障发送给发电机断路器触发信号后；传感器106持续检测电压信号及电流信号，预测最佳开断点；由于真空开关从接收到分闸信号到触头运动到足够开距需要一定的时间，因此触头将在最佳开断点前开始运动，真空开关分闸，触头分离产生电弧，在最佳开断点时触头已经打开并且有足够的开距。在最佳开断点处换流支路进行换流操作，随后吸能支路进行吸能直至开断过程结束。
如果发生的故障类型为其他故障，例如三相对称短路故障，则在系统保护继电器检测到故障发送给发电机断路器触发信号后；真空开关分闸，等待电流自然过零点，由于真空开关可以在电流过零点处熄灭电弧的特性，故障电流在自然过零点处熄灭，故障电流开断过程结束。

Claims (9)

1.一种基于选相控制的发电机“失零”故障电流开断装置，其特征在于，包括主回路、换流支路和吸能支路；所述主回路、换流支路和吸能支路之间相互并联；
所述主回路包括一个或多个并联的真空开关(101)；所述换流支路包括依次串联的预充电电容(105)、电感(104)和快速合闸开关(103)，所述预充电电容(105)上并联有充放电电路；所述吸能支路包括避雷器(102)；避雷器(102)并联在预充电电容(105)上；
发电机断路器在最佳开断点进行开断动作。
2.根据权利要求1所述的一种基于选相控制的发电机“失零”故障电流开断装置，其特征在于，还包括传感器(106)，所述传感器(106)串联在主回路上，所述传感器(106)用于持续检测电压信号和电流信号。
3.根据权利要求1所述的一种基于选相控制的发电机“失零”故障电流开断装置，其特征在于，多个所述真空开关(101)同时动作时同步时间误差小于20微秒。
4.根据权利要求1所述的一种基于选相控制的发电机“失零”故障电流开断装置，其特征在于，所述快速合闸开关(103)为电力电子开关、点火球隙或真空触发间隙。
5.一种基于选相控制的发电机“失零”故障电流开断方法，其特征在于，包括以下过程，
当发电机发生短路故障时，对故障相的电压和电流进行连续快速采样，得到多个电流和电压数据；
利用预设算法对得到的电流和电压数据进行分析计算，识别故障类型；
当发电机发生三相非对称短路故障时，通过预设算法结合测得的电压与电流数据，预测出最佳开断点toptimal；
根据最佳开断点toptimal控制发电机断路器进行开断。
6.根据权利要求5所述的一种基于选相控制的发电机“失零”故障电流开断方法，其特征在于，所述最佳开断点时电流变化率为零；所述最佳开断点时电流幅值的绝对值小于故障电流峰值的一半；所述最佳开断点时间距离故障出现时刻最短。
7.根据权利要求5所述的一种基于选相控制的发电机“失零”故障电流开断方法，其特征在于，当发电机发生三相非对称短路故障时，短路电流表达式为：
Figure FDA0003622575310000021
其中，P和U分别是发电机的额定有功功率和额定电压；X″d为次瞬态电抗；X′d为瞬态电抗；Xd为同步电抗；T″d为次瞬态时间常数；T′d为瞬态时间常数；Ta为电枢时间常数。
8.根据权利要求5所述的一种基于选相控制的发电机“失零”故障电流开断方法，其特征在于，依据公式tsignal-open＝toptimal-(twait+topen+tcommutation)计算发送分闸信号的时间；依据公式tsignal-close＝toptimal-tcommutation计算发送换流支路合闸信号的时间；
其中twait是分闸信号传输到发电机断路器操作机构所需的时间，topen是发电机断路器操作机构拉开触头到足够开距所需时间，tcommutation是从换流支路导通到完成换流，流经断路器电流过零所需时间。
9.根据权利要求5所述的一种基于选相控制的发电机“失零”故障电流开断方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
当故障发生时，主回路传感器(106)持续检测故障电流大小和电压大小，对故障相的电压和电流进行连续快速采样，得到多个电流和电压数据；
利用预设算法对得到的电流和电压数据进行分析计算，识别故障类型；
当发电机发生三相非对称短路故障时，通过预设算法式结合测得的电压与电流数据，预测出最佳开断点toptimal；
在tsignal-open时刻向真空开关(101)发送分闸信号，使真空开关(101)开始分闸，真空开关(101)的触头分离产生电弧；
在tsignal-close，向快速合闸开关(103)发送合闸信号，快速合闸开关(103)导通，电流转移到换流支路，断路器的真空开关(101)电弧熄灭；换流回路两端电压不断上升，达到避雷器(102)的动作电压，避雷器(102)由高阻抗状态转换为低阻抗状态，吸能支路导通；
系统电流转移到吸能支路，系统中残余能量由吸能支路的避雷器(102)进行吸收。
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