CN117293777A - 减少变压器浪涌电流 - Google Patents

Abstract

一种用于在闭合开关装置(2)时减少到变压器(3)的浪涌电流的启动方法。开关装置包括三个单极操作的电流中断部件。该方法包括监视电压(U)。该方法包括：对于迭代序列中的每个迭代：在相对于电压的参考角度的相同的断开角度处，开始开关装置的断开序列；在相对于参考角度的闭合角度处，开始开关装置的闭合序列，该闭合角度相对于序列中的所有其他迭代的闭合角度是偏移的；以及获取由闭合引起的总浪涌电流的指示。该方法包括选择与序列中的其他迭代相比总浪涌电流相对较低的迭代中的一个迭代的闭合角度，用于未来与上述断开角度一起使用。

Description

减少变压器浪涌电流

技术领域

本公开涉及在闭合电气三相系统中布置在交流(AC)电压源与变压器之间的开关装置时减少到变压器的浪涌电流。

背景技术

断路器的同步涉及控制电气触头的断开和/或闭合发生在参考信号(系统中的电压或电流)的特定相角处。在中等电压电平(即，在1kV至72kV范围内)的大多数断路器不使用同步操作。使用同步操作的一个目的可以是使变压器浪涌电流最小化。已经提出了不同方法来寻找触头闭合的最佳相角以减少变压器浪涌电流。变压器磁芯中的剩余磁通将影响最佳闭合角度。因此，提出了用于估计磁通并且将其考虑在内的不同方法。

为了使变压器浪涌电流最小化而寻找断路器闭合的最佳相角的问题是，因此变压器磁芯的磁状态将影响最佳角度。对变压器磁芯中的剩余磁通进行良好估计是一个挑战。在文献中，可以找到如下方法，其中电压传感器安装在断路器下游(除了用于参考信号的上游传感器之外)，并且电压相对于时间被积分，以便给出剩余磁通的估计值。然后，可以将估计的剩余磁通与如果在上游电压的特定相角处闭合将生成的预期磁通进行比较，从而可以找到最佳角度。

备选地，可以执行将要安装断路器的现场的模拟，同时考虑现场布局和变压器的负载条件。基于这样的模拟，可以进行找到最佳相角的尝试。然而，这与不确定性相关联，因为可能很难获取所有所需要的参数的值。此外，依赖于特定现场模拟的方法需要为每个断路器安装付出大量的工程努力。

发明内容

本发明的目的是提供一种减少AC电气系统中变压器浪涌电流的备选并且不太复杂的方法。

根据本发明，开关装置在启动过程期间对于多个迭代在特定的不同闭合角度处闭合，随后在迭代中中的每一个迭代在相同的断开角度处断开开关装置，之后可以基于对这些迭代期间浪涌电流的分析来确定优选的闭合角度，以在开关装置的未来操作期间减小浪涌电流。优点是，无需估计即可考虑剩余磁通。开关装置是单极操作的，这表示它包括三个可独立操作的电流中断部件，每相一个，例如单相断路器、或三相断路器的触头对。这与更常见的同时操作的断路器(其中断路器对于所有相同时断开或闭合的)形成对比。

根据本发明的一个方面，提供了一种用于在闭合电气三相系统中布置在AC电压源与变压器之间的开关装置时减少到变压器的浪涌电流的启动方法。开关装置包括三个单极操作的电流中断部件，每相一个。该方法包括在开关装置与电压源之间监视相中的一个相上的电压以确定参考角度，例如电压的正过零点。该方法还包括：对于迭代的序列中的每个迭代：在相对于所监视的电压的参考角度的相同的断开角度处，开始开关装置的断开序列，断开开关装置；在相对于参考角度的闭合角度处，开始开关装置的闭合序列，闭合开关装置，该闭合角度相对于序列中的所有其他迭代的闭合角度是偏移的；以及例如对于相中的每个相获取由开关装置的闭合引起的总浪涌电流的峰值的指示。该方法还包括选择迭代中的一个迭代的闭合角度用于未来与上述相同的断开角度一起使用，该迭代中的一个迭代与序列中的其他迭代相比总浪涌电流相对较低。

根据本发明的另一方面，提供了一种控制器，该控制器包括处理电路系统，以及存储通过上述处理电路系统可执行的指令的数据存储装置，由此上述控制器可操作以执行本公开的方法的实施例。

根据本发明的另一方面，提供了一种开关装置，该开关装置包括本公开的控制器的实施例，用于监视电压的电压传感器，以及用于获取总浪涌电流的峰值的指示的浪涌传感器。

根据本发明的另一方面，提供了一种电气系统，该电气系统包括本公开的控制器的实施例、开关装置的实施例和变压器的实施例。

根据本发明的另一方面，提供了一种计算机程序产品，该计算机程序产品包括计算机可执行部件，用于当计算机可执行部件在控制器中包括的处理电路系统上运行时引起控制器执行本公开的方法的实施例。

只要开关装置总是在相同的断开角度处断开，变压器磁芯中的剩余磁通就会相同，只要系统没有实质性改变，例如，只要负载条件和/或系统布局相同。通过考虑对于不同闭合角度的浪涌电流，可以选择导致浪涌电流减少的闭合角度以供未来在系统内使用。因此，不需要为了选择合适的闭合角度而估计剩余磁通。仅需要监视/测量单个电压，即开关装置上游的相中的一个相上的随时间变化的电压，以便获取断开角度和闭合角度的参考角度。设想了三相系统，但是本发明可以用于任何数目的一个或至少两个AC相。

开关装置是单极操作的，即，它可以对于独立于其他相每个相而断开和闭合。本文中的术语“断开”是指触头对中的触头在物理上彼此分离时，由于电弧作用不一定与电流断开相同，电弧作用可能会在稍后在触头移动得彼此足够远离以熄灭电弧时发生。类似地，本文中的术语“闭合”是指触头对中的触头在物理上彼此接触时，由于电弧不一定与电流产生相同，电弧作用可能会在早先在触头移动得彼此足够靠近以引起预放电时发生。控制信令可以被及时调节以考虑这种电弧作用。

由于开关装置是单极操作的，并非所有相都必须同时断开或闭合，这就是为什么要使用术语“断开序列”和“闭合序列”。对于每个迭代，断开和闭合序列是相同的(固定的)，并且可以包括在与断开或闭合序列的开始同时间或不同时间断开或闭合电流中断部件。如果所有电流中断部件在断开或闭合序列期间没有同时断开或闭合，则它们在断开或闭合序列期间仍然以彼此固定的时间关系断开或闭合。断开序列的开始是首先断开的电流中断部件中触头对中的触头在物理上彼此分离的时间点。类似地，闭合序列的开始是首先闭合的电流中断部件中触头对中的触头在物理上彼此接触的时间点。如本文中讨论的，优选的断开序列可以是在相对于所监视电压的参考角度的断开角度处断开单极操作的电流中断部件中的第一个电流中断部件，并且在四分之一周期之后断开单极操作的电流中断部件中的另外两个电流中断部件。备选地，所有单极操作的电流中断部件可以在上述断开角度处同时断开。这里所指的周期是所监视的(参考)电压的(波形)的周期。以此方式，对于所有相，相应电弧作用时间可以更加相同，这可以有利地导致不同相的触头更加均匀地磨损。类似地，优选的闭合序列可以是在相对于参考角度的闭合角度(即，同时)处闭合所有单极操作的电流中断部件。然而，备选的闭合序列(例如，当在开关装置断开之后变压器磁芯中没有足够的剩余磁通时)可以是在上述闭合角度处闭合两个单极操作的电流中断部件，并且在四分之一周期之后闭合单极操作的电流中断部件中的最后一个电流中断部件。因此，在开关装置中使用单极操作的电流中断部件的优点在于，即使在没有显著水平的剩余磁通的情况下，也可以找到所得到的浪涌电流较低的闭合角度。

需要注意的是，任何方面的任何特征都可以应用于任何其他方面，只要合适。同样，任何方面的任何优点都可以应用于任何其他方面。所附实施例的其他目的、特征和优点将从以下详细公开、所附从属权利要求以及附图中很清楚。

通常，权利要求中使用的所有术语应当根据其在技术领域中的普通含义进行解释，除非本文中另有明确定义。除非另有明确说明，否则对“元件、装置、部件、手段、步骤等”的所有提及均应当公开解释为提及该元件、装置、部件、手段、步骤等的至少一个实例。除非明确说明，否则本文中公开的任何方法的步骤不必以公开的确切顺序执行。对本公开的不同特征/部件使用“第一”、“第二”等仅旨在将该特征/部件与其他类似特征/部件区分开来，而不是赋予该特征/部件任何顺序或层次。

附图说明

将参考附图以示例的方式描述实施例，在附图中：

图1是根据本发明的一些实施例的电气系统的示意性电路图。

图2A-图2F是示出根据本发明的一个示例的在不同闭合角度处闭合开关装置之后三个不同相的变压器浪涌电流随时间的变化的曲线图。

图3是本发明的方法的示意性流程图。

图4是根据本发明的一些实施例的开关装置的控制器的示意性框图。

具体实施方式

下面将参考附图更全面地描述实施例，附图中示出了某些实施例。然而，在本公开的范围内，很多不同形式的其他实施例是可能的。相反，以下实施例通过示例的方式提供使得本公开将是彻底和完整的，并且将向本领域技术人员充分传达本公开的范围。在整个描述中，相同的数字指代相同的元素。

图1示出了AC系统10，该AC系统10包括AC电压源1、变压器3、以及开关装置2，开关装置2连接在电压源与变压器之间并被布置为断开变压器的一次侧3a的电流I。开关装置2在本文中以断路器2为例，但可以备选地使用任何其他合适的开关装置。可选地，负载4可以连接到变压器的二次侧3b，并且因此也被包括在系统10中。

电压源1可以提供中压(MV)范围内的AC电压，例如，对于相间电压的均方根(rms)值，在1kV至72kV范围内，但本发明的实施例也可以用于该范围之外的电压U。由电压源提供的多相电压通常是电压之间具有120°相移的三相电压，每个相电压是或接近正弦曲线并且具有一定的幅度或均方根值和频率，例如50或60Hz。在一些实施例中，变压器3可以被布置为将其一次侧3a的MV变换为其二次侧3b的低电压(LV)，低电压即至多1kV的AC电压，例如在10-1000V范围内。然而，变压器3可以是将其一次侧3a的任何电压变换为其二次侧3b的任何其他或相同电压的任何类型的变压器，例如从上述MV范围内的较高电压变换为上述MV范围或LV范围内的任何较低电压。

断路器2是单极操作的，如上所述，这就是为什么断开序列或闭合序列是在相对于所监视的电压的参考角度的预先确定的相角处开始的。在这样的序列中，电流中断部件中的每个电流中断部件可以在序列开始之后在同时间或不同时间断开或闭合。通常，断路器2是真空断路器，但是其他类型的断路器也可以与本发明的一些实施例一起使用。

系统10的电压传感器6a可以用于监视断路器2上游的相中的一个相上的电压U，以为断路器的断开和闭合角度提供参考。由于不同相上的电压以恒定偏移相对于彼此相移，因此仅监视相中的一个相就足够了。电压传感器6a可以向断路器2的控制器5发送参考信号8。控制器5可以被布置为借助于从控制器发送的控制信号9来控制断路器2的断开和闭合。

在正常操作过程中，控制器5可以被布置为当断开断路器2时，总是在相对于所监视的电压U的参考角度的相同的断开角度处断开断路器(使用断开序列)，并被布置为当闭合断路器2时，总是在相对于所监视的电压U的参考角度(在本发明的启动方法期间所选择的)的相同的所选择的闭合角度处闭合断路器(使用闭合序列)。可选地，在正常操作期间，断开角度可以被控制为不同于在启动方法期间使用的相同的断开角度，例如，以在触头上引起更均匀的磨损。然而，由于断路器是单极操作的，因此通过在断开序列期间不同时断开所有单极操作的电流中断部件，可以使磨损更加均匀。此外，再次在启动方法之后的正常操作期间，所使用的闭合角度可以被控制为不同于所选择的闭合角度，但通常基于在断路器闭合之前直接使用的断开角度。电压传感器6a可以是控制器5的一部分，并且控制器5和/或电压传感器6a可以是断路器2的一部分和/或是系统10的控制架构的一部分。

在启动方法期间，获取在闭合断路器2时到变压器3的总浪涌电流的峰值的指示，例如借助于浪涌传感器6b，例如电流传感器和/或电压传感器，该浪涌传感器6b被布置为直接或间接地感测相中的每个相上的浪涌电流。通常，浪涌传感器6b可以感测变压器3的一次侧3a、断路器2上游(即，朝向电压源1)或下游(即，朝向变压器3)的浪涌电流。如果浪涌传感器6b是或包括电流传感器，则浪涌电流可以在相中的每个相上直接感测。附加地或备选地，如果浪涌传感器是或包括电压传感器，则浪涌电流可以通过测量相中的每个相上的压降来间接地测量。可以存在获取浪涌电流的峰值的指示的其他方式，例如借助于浪涌传感器6b。例如，该指示可以是声学的，例如由声学浪涌传感器6b感测，其中由浪涌电流产生的声音的类型和/或大小可以提供峰值的指示。因此，例如对于相中的每个相，浪涌传感器可以提供由断路器2的闭合引起的浪涌电流的峰值的指示。该指示或其的其他信息可以在传感器信号7中发送给例如控制器5或另一计算机装置用于进一步处理。此外，浪涌传感器6b可以被包括在控制器5和/或断路器2中。

总浪涌电流可以由控制器5基于从浪涌传感器6b接收到的传感器信号7中的信息来自动估计或计算。例如，总浪涌电流可以被估计或计算作为相之间的峰值浪涌电流的最高绝对值(即，任何相中的浪涌电流的最大绝对值)，或者作为相之间的峰值浪涌电流的平均绝对值。

然后，可以由控制器5自动选择所选择的的闭合角度。备选地，所选择的闭合角度可以例如由人类操作者选择，例如基于呈现给上述操作者的浪涌电流的(多个)峰值的图形表示(诸如如图2所示)。如果例如来自浪涌传感器6b的输出的(多个)峰值的感测对于自动选择来说不够清楚，则可以优选由人类操作者进行选择。因此，在一些实施例中，选择闭合角度以供未来使用包括从操作者接收输入，操作者通常是人类操作者。

根据本发明的一些实施例，浪涌电流通过获取浪涌电流的例如对于每个相的峰值的指示来研究。这然后对于多个迭代中的每个迭代来进行，其中对于所有迭代使用相同的断开角度(相对于所监视的电压的参考角度)，但是对于每个迭代闭合角度不同。以此方式，可以选择在断路器2的常规操作期间使用的合适的闭合角度用于未来使用。不同的闭合角度(每个迭代一个)可以在所监视的相电压的波形的360°的周期或周期的一部分上分布，例如均匀地分布(即，等距地)。例如，如果电压源1提供50Hz的AC电压，则其周期为20毫秒(ms)，在此期间，相角完成了从0°到360°的充分旋转。迭代次数可以在6至36范围内，对应于迭代序列中在任何两个连续闭合角度之间的角度偏移(或距离)，如果闭合角度在该周期在60°至10°上均匀分布，在50Hz AC电压U的情况下，其对应于在3.333ms至0.555ms的两个连续闭合角度之间的时移(或距离)。在一个示例中，使用1ms的时移，这表示在50Hz的情况下20个迭代以覆盖整个周期，角度偏移为18°。

在一些实施例中，不同的闭合角度(每个迭代一个)可以仅在一个周期的一部分上分布，对应于小于完整的0-360°的角度范围。该部分可以是预先确定的，例如基于关于在哪个角度范围内期望较低浪涌电流的先验知识，或者如果已经找到要选择的合适的闭合角度，则可以在使用为之准备的所有闭合角度之前停止迭代序列。

可选地，对于相对于所监视的电压的参考角度的不止一个的相同的断开角度，可以执行启动方法。这表示可以首先对于第一相同的断开角度执行迭代，然后对于第二相同的断开角度执行迭代，可选地然后对于第三相同的断开角度执行迭代，以及可选地然后对于(多个)另外的断开角度执行迭代。备选地，根据在不同相之间大约120度相移的假定和关于相序(包括正极性或负极性)的知识，代替对于不止一个的断开角度执行启动方法，可以基于对于单个相同断开角度的启动方法的结果来估计断开角度和闭合角度的一个或若干合适的组合。然而，如前所述，则需要关于电压源1的三相电压的相序(也称为相旋转)的先验知识。

在图2A-图2F的示例中，六个迭代的序列，在所监视的电压U的一个周期上，闭合角度等距分布，由此任何两个连续闭合角度之间的角距离为60°。和往常一样，对于序列中的每个迭代使用相同的断开角度。如本文所述，闭合(和断开)角度与所监视的电压U的参考角度有关。因此，图2A示出了闭合角度为0°时三个相中的每个相的浪涌电流，图2B示出了闭合角度为60°时三个相中的每个相的浪涌电流，图2C示出了闭合角度为120°时三个相中的每个相的浪涌电流，图2D示出了闭合角度为180°时三个相中的每个相的浪涌电流，图2E示出了闭合角度为240°时三个相中的每个相的浪涌电流，图2F示出了闭合角度为300°时三个相中的每个相的浪涌电流。在图2A中，对于三个相中的每个相，相应峰值浪涌电流21、22和23被示意性标记。从图2中可以清楚地看出，在该示例中，例如，当比较浪涌电流的绝对值时，240°的闭合角度是优选的。

图3示出了本发明的方法的一些实施例。该方法是启动方法，用于在闭合断路器2时减小到变压器3的浪涌电流，断路器2在电气三相系统10中布置在AC电压源1与变压器3之间。断路器包括三个单极操作的电流中断部件，每相一个。该方法包括：在断路器2与电压源1之间监视S1相中的一个相上的电压U以确定参考角度，例如电压的正过零点。该方法还包括：对于迭代序列S2中的每个迭代：在相对于所监视S1的电压的参考角度的相同的断开角度处，开始S21断路器2的断开序列，断开断路器；在相对于参考角度的闭合角度处，开始S22断路器2的闭合序列，闭合断路器，该闭合角度相对于序列中的所有其他迭代的闭合角度是偏移的；以及例如对于每个相获取S23由断路器2的闭合引起的总浪涌电流的峰值21、22和/或23的指示。该方法还包括选择S3与序列中的其他迭代相比总浪涌电流相对较低的迭代中的一个迭代的闭合角度，用于未来与上述相同的断开角度一起使用。

在本公开的方法的一般实施例中，该方法是用于在闭合断路器2时减少到变压器3的浪涌电流的启动方法。断路器包括三个单极操作的电流中断部件。该方法包括监视S1电压U。该方法包括：对于迭代序列S2中的每个迭代：在相对于所监视的电压的参考电压的相同的断开角度处，开始S21断路器2的断开序列；在相对于参考角度的闭合角度处，开始S22断路器2的闭合序列，该闭合角度相对于序列中的所有其他迭代S2的闭合角度是偏移的；以及S23获取由闭合引起的总浪涌电流的指示。该方法包括选择S3与序列中的其他迭代相比总浪涌电流相对较低的迭代S2中的一个迭代的闭合角度，以用于未来与上述断开角度一起使用。

图4示意性地示出了本公开的控制器5的实施例。控制器5包括处理电路系统41，例如中央处理单元(CPU)。处理电路系统41可以包括(多个)微处理器形式的一个或多个处理单元。然而，具有计算能力的其他合适的装置可以被包括在处理电路系统41中，例如专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或复杂可编程逻辑装置(CPLD)。处理电路系统41被配置为运行存储在一个或若干存储单元的存储装置42(例如，存储器)中的一个或若干计算机程序或软件(SW)43。存储单元被视为计算机可读装置42，与存储在其上的作为计算机可执行部件的SW43一起形成计算机程序产品，并且例如可以是随机存取存储器(RAM)、闪存或其他固态存储器、或硬盘、或其组合的形式。处理电路系统41还可以被配置为根据需要将数据存储在存储装置42中。控制器5可以可选地包括另外的装置，例如收发器，用于在控制器5内或与系统10的其他部分的通信，例如用于接收参考信号8和/或传感器信号7，和/或用于发送控制信号9。

以上主要参考了若干实施例对本公开进行了描述。然而，如本领域技术人员容易理解的，在如所附权利要求限定的本公开的范围内，除了上述公开的实施例之外的其他实施例也是同样可能的。

Claims (15)

1.一种启动方法，用于在闭合三相电气系统(10)中布置在AC电压源(1)与变压器(3)之间的开关装置(2)时减小到所述变压器(3)的浪涌电流，所述开关装置包括三个单极操作的电流中断部件，每相一个电流中断部件，所述方法包括：

在所述开关装置(2)与所述电压源(1)之间监视(S1)所述相中的一个相上的电压(U)；

对于迭代(S2)序列中的每个迭代：

在相对于所监视(S1)的电压的参考角度的相同的断开角度处，开始(S21)所述开关装置(2)的断开序列，断开所述开关装置；

在相对于所述参考角度的闭合角度处，开始(S22)所述开关装置(2)的闭合序列，闭合所述开关装置，所述闭合角度相对于所述序列中的所有其他迭代的所述闭合角度是偏移的；以及

获取(S23)由所述开关装置(2)的闭合产生的总浪涌电流的峰值(21、22和/或23)的指示；以及

以所述相同的断开角度选择(S3)所述迭代中的一个迭代的所述闭合角度用于未来使用，在所述一个迭代中，与所述序列中的其他迭代相比，所述总浪涌电流相对较低。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述断开序列使得：

所述三个单极操作的电流中断部件中的第一个电流中断部件在所述相同的断开角度处断开；以及

所述三个单极操作的电流中断部件中的另外两个电流中断部件在四分之一周期之后断开。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述断开序列使得所述三个单极操作的电流中断部件中的全部电流中断部件以所述断开角度断开。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述闭合序列使得所述三个单极操作的电流中断部件中的全部电流中断部件在所述闭合角度处闭合。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中所述闭合序列使得：

所述三个单极操作的电流中断部件中的两个电流中断部件在所述闭合角度处闭合；以及

所述三个单极操作的电流中断部件中的第三个电流中断部件在四分之一周期之后闭合。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中通过所有迭代的所述闭合角度等距分布在所监视的相电压的周期或所述周期的一部分上，所述闭合角度相对于其他迭代的相应闭合角度被偏移。

7.根据权利要求6所述的方法，其中所述闭合角度以10°至60°范围内的角距离等距分布，例如以18°的角距离等距分布，和/或所述闭合角度以0.55至3.33ms范围内的时间距离等距分布，例如以1ms的时间距离等距分布。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中指示的获取(S23)包括：借助于在所述变压器(3)的所述一次侧(3a)上的电流传感器(6b)，在所述开关装置(2)的所述闭合(S22)时测量在所述相中的每个相上的电流。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中指示的获取(S23)包括：借助于所述变压器(3)的所述一次侧(3a)的电压传感器(6b)，在所述开关装置(2)的所述闭合(S22)时测量在所述相中的每个相上的电压降。

10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述电压源(1)提供在1kV至72kV范围内的相间电压。

11.根据前述权利要求任一项所述的方法，其中所述开关装置(2)是真空断路器。

12.一种控制器(5)，包括：

处理电路系统(41)；以及

数据存储装置(42)，存储由所述处理电路系统可执行的指令(43)，由此所述控制器可操作以执行根据前述权利要求任一项所述的方法。

13.一种开关装置(2)，包括：

根据权利要求12所述的控制器(5)，

电压传感器(6a)，用于所述电压(U)的监视，以及

浪涌传感器(6b)，用于所述总浪涌电流的峰值的指示的获取。

14.一种电气系统(10)，包括：

根据权利要求13所述的控制器(5)，

所述开关装置(2)，以及

所述变压器(3)。

15.一种计算机程序产品(42)，包括计算机可执行组件(43)，所述计算机可执行组件(43)用于当所述计算机可执行组件在控制器(5)中包括的处理电路系统(41)上运行时使所述控制器(5)执行根据权利要求1至11中任一项所述的方法。