CN117410129A - 一种基于快速开关的并补电容器组精准相控合闸装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于快速开关的并补电容器组精准相控合闸装置，该装置通过控制器根据电压相位向快速开关发出合闸指令，实现电压过零时刻的精准合闸，并在合闸后，电容器负荷电流通过合闸保持电磁铁线圈可使真空灭弧装置维持合闸状态，以及在合闸保持电磁铁线圈电流降为零，保持力降为零时，实现真空灭弧装置自动开断。本发明采用基于推拉式电磁机构和真空灭弧装置的快速开关和相应控制策略可实现快速精准合闸，进而可避免并补电容器投切过程中产生的涌流和过电压，另外本发明采用自取电设计和合闸保持设计，无需外接电源供电，以及本发明的精准相控合闸装置与系统中原有断路器串联使用，不改变原控制保护系统，具有安装方便、易于推广的优点。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统技术领域，尤其涉及一种基于快速开关的并补电容器组精准相控合闸装置。
背景技术
为了改善电压水平，减少无功传输产生的系统网损，变电站往往按照主变容量的20-30％配置就地无功补偿装置，并根据系统负荷情况进行自动投切操作。目前，常用的真空开关和SF6(六氟化硫)开关投入电容器时容易产生合闸涌流，冲击设备和系统，同时真空开关存在截流过电压导致母线短路的问题，从而严重威胁系统和设备的安全稳定运行。
避免合闸涌流的一种方法是采用相控技术控制合闸相角，但是由于真空开关和SF6开关合闸时间长、分散性大和合闸过程中存在不可控的预击穿问题，所以难以实现精准相控操作。因此，有必要提供一种精准相控合闸装置来避免合闸涌流问题和截流过电压问题。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提供一种基于快速开关的并补电容器组精准相控合闸装置，该装置能够实现精准相控合闸，从而能够保证系统和设备的安全稳定运行。
为达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种基于快速开关的并补电容器组精准相控合闸装置，包括控制器、两个电压互感器、两个快速开关、两个供电电源、两个储能电容和两个晶闸管，其中，第一电压互感器的一次侧分别与第一相线和第二相线相连，第二电压互感器的一次侧分别与第二相线和第三相线相连，第一快速开关设置在第一相线上，第二快速开关设置在第三相线上，每一电压互感器的二次侧通过相应的供电电源与所述控制器相连，每一供电电源还通过相应的储能电容和晶闸管与相应的快速开关相连；
其中，所述控制器用于获取两个储能电容的充电电压信号、第一相线和第二相线之间的第一线电压信号，以及第二相线和第三相线之间的第二线电压信号，并在根据所述充电电压信号确定两个储能电容充电完成时，分别根据所述第一线电压信号和所述第二线电压信号确定第一电压过零时刻和第二电压过零时刻，并在第一电压过零时刻之前的第一预设时间向第一晶闸管发送合闸指令，以控制所述第一快速开关在所述第一电压过零时刻合闸，以及在发送完合闸指令后的第二预设时间向第二晶闸管发送另一合闸指令，以控制所述第二快速开关在所述第二电压过零时刻合闸，从而实现两快速开关精准合闸。
优选的，每一所述快速开关包括推拉式电磁机构、真空灭弧装置和绝缘拉杆，所述推拉式电磁机构通过所述绝缘拉杆与所述真空灭弧装置相连，所述推拉式电磁机构通过所述绝缘拉杆驱动所述真空灭弧装置闭合或者断开，以实现快速开关合闸或者分闸。
优选的，所述推拉式电磁机构包括第一线圈和第二线圈，所述第一线圈和所述第二线圈以及相应的晶闸管串联，并在串联后与相应的储能电容并联在相应的供电电源的充电端。
优选的，所述第一线圈为动斥力线圈或者斥力盘，所述第二线圈为静斥力线圈。
优选的，该装置还包括两个合闸保持TC和两个整流器，所述推拉式电磁机构还包括合闸保持电磁铁和衔铁，每一合闸保持TC通过相应的整流器与相应的所述合闸保持电磁铁连接，所述合闸保持TC、整流器、合闸保持电磁铁和衔铁用于保持相应的快速开关处于合闸状态。
优选的，所述推拉式电磁机构还包括分闸保持弹簧，用于在所述合闸保持TC的输出电流为零时，驱动所述真空灭弧装置断开，以使相应的所述快速开关处于分闸状态。
优选的，所述供电电源用于给相应的储能电容充电，并给所述控制器供电。
优选的，所述控制器为DSP控制器。
本发明至少具有以下技术效果：
1、本发明提供了一种基于快速开关的并补电容器组精准相控合闸装置，该装置中的控制器可获取两个储能电容的充电电压信号、第一相线和第二相线之间的第一线电压信号，以及第二相线和第三相线之间的第二线电压信号，并在根据充电电压信号确定两个储能电容充电完成时，分别根据第一线电压信号和第二线电压信号确定第一电压过零时刻和第二电压过零时刻，并在第一电压过零时刻之前的第一预设时间向第一晶闸管发送合闸指令，以控制第一快速开关在第一电压过零时刻合闸，以及在发送完合闸指令后的第二预设时间向第二晶闸管发送另一合闸指令，以控制第二快速开关在第二电压过零时刻合闸，从而可实现两快速开关精准合闸，由此可以解决目前并联补偿电容器投入过程中产生的涌流问题；在不存在涌流问题时，则不需要运行限流电抗器，可拆卸传统装置的限流电抗器，从而可解决电容器退出时导致的截流过电压问题，同时节省了限流电抗器的投资和限流电抗器运行中产生的能耗。
2、本发明中的快速开关的真空灭弧装置不需要开断电流，从而可将真空灭弧装置中的触头开距调节的较小，使得快速开关的合闸时间降得更低，分散性更小，进而便于实现并补电容器组的精准相控合闸。
3、本发明还提供了一种合闸保持设计方案，具体为在前置断路器闭合即三相供电时，合闸保持电磁铁可以通过合闸保持TC和整流器取电并吸住衔铁，使得真空灭弧装置中的动、静触头保持为闭合状态；并且，在前置断路器断开，合闸保持电磁铁中的电流降为0时，吸力消失，从而便于真空灭弧装置中动、静触头在分闸保持弹簧作用下自动断开。
4、本发明采用自取能设计，无需外接电源供电，本发明的精准合闸装置与原有断路器串联使用，不改变原控制保护系统，具有安装方便、易于推广的优点。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1为本发明实施例的基于快速开关的并补电容器组精准相控合闸装置的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参考附图描述本实施例的一种基于快速开关的并补电容器组精准相控合闸装置。
图1为本发明实施例的基于快速开关的并补电容器组精准相控合闸装置的结构示意图。如图1所示，该装置包括控制器11、两个电压互感器即第一电压互感器1和第二电压互感器2、两个快速开关即第一快速开关3和第二快速开关4、两个供电电源即第一供电电源5和第二供电电源8、两个储能电容即第一储能电容6和第二储能电容9和两个晶闸管即第一晶闸管7和第二晶闸管10。所述装置应用于三相线路中即图1所示的ABC三相线路中，其中，A相主回路连接有断路器SA和并补电容器CA，B相主回路连接有断路器SB和并补电容器CB，C相主回路连接有断路器SC和并补电容器CC。
所述装置与三相线路的连接关系具体如下：第一电压互感器1的一次侧分别与第一相线即A相线和第二相线即B相线相连，第二电压互感器2的一次侧分别与第二相线即B相线和第三相线即C相线相连，第一快速开关3设置在A相线上，第二快速开关4设置在C相线上，其中，第一电压互感器1的二次侧的第一输出端通过第一供电电源5与控制器11相连，第一供电电源5还通过第一储能电容6和第一晶闸管7与第一快速开关3相连；第二电压互感器2的二次侧的第一输出端通过第二供电电源8与控制器11相连，第二供电电源8还通过第二储能电容9和第二晶闸管10与第二快速开关4相连。第一电压互感器1的二次侧的第二输出端和第二电压互感器2的二次侧的第二输出端均与控制器11连接，其中，第一供电电源5用于给第一储能电容6充电，第二供电电源8用于给第二储能电容9充电，两供电电源还输出AC220V即220V交流电给控制器11供电，其中，控制器11优选为DSP(数字信号处理器)控制器。
本实施例中，控制器11用于获取两个储能电容的充电电压信号即V1和V2、A相线和B相线之间的第一线电压信号即UAB，以及B相线和C相线之间的第二线电压信号即UBC，并在根据充电电压信号V1和V2确定两个储能电容充电完成时，分别根据第一线电压信号UAB和第二线电压信号UBC确定第一电压过零时刻和第二电压过零时刻，并在第一电压过零时刻之前的第一预设时间向第一晶闸管7发送合闸指令即一电流信号i1，以控制第一快速开关3在第一电压过零时刻合闸，以及在发送完合闸指令后的第二预设时间如5ms向第二晶闸管10发送另一合闸指令即另一电流信号i2，以控制第二快速开关4在第二电压过零时刻合闸，从而实现两快速开关精准合闸。
由此可以解决目前并联补偿电容器投入过程中产生的涌流问题，在不存在涌流问题时，则不需要运行限流电抗器，可拆卸传统装置的限流电抗器，从而可解决电容器退出时导致的截流过电压问题，同时节省了限流电抗器的投资和限流电抗器运行中产生的能耗。
请继续参考图1，第一快速开关3包括第一推拉式电磁机构31、第一真空灭弧装置32和第一绝缘拉杆33，第一推拉式电磁机构31通过第一绝缘拉杆33与第一真空灭弧装置32相连，第一推拉式电磁机构31通过第一绝缘拉杆33驱动第一真空灭弧装置32闭合或者断开，以实现第一快速开关3合闸或者分闸。类似的，第二快速开关4包括第二推拉式电磁机构41、第二真空灭弧装置42和第二绝缘拉杆43，第二推拉式电磁机构41通过第二绝缘拉杆43与第二真空灭弧装置42相连，第二推拉式电磁机构41通过第二绝缘拉杆43驱动第二真空灭弧装置42闭合或者断开，以实现第二快速开关4合闸或者分闸。
进一步的，第一推拉式电磁机构31和第二推拉式电磁机构41结构相同。以第一推拉式电磁机构31为例对其结构进行说明，第一推拉式电磁机构31包括第一线圈311和第二线圈312，第一线圈311和第二线圈312以及相应的第一晶闸管7串联，并在串联后与相应的第一储能电容6并联在相应的第一供电电源5的充电端。
其中，第一线圈311为动斥力线圈或者斥力盘，第二线圈312为静斥力线圈。
进一步的，该装置还包括两个合闸保持TC(TC为电流互感器)即第一合闸保持TC12、第二合闸保持TC14和两个整流器即第一整流器13和第二整流器15，第一推拉式电磁机构31还包括第一合闸保持电磁铁313和第一衔铁314，第二推拉式电磁机构41还包括第二合闸保持电磁铁413和第二衔铁414。以第一快速开关3为例，对相应的合闸保持TC的连接关系进行说明。第一合闸保持TC12通过相应的第一整流器13与相应的第一合闸保持电磁铁313连接，第一合闸保持TC12、第一整流器13、第一合闸保持电磁铁313和第一衔铁314用于保持相应的第一快速开关3处于合闸状态。
请继续参考图1，第一推拉式电磁机构31还包括第一分闸保持弹簧315，第二推拉式电磁机构41还包括第二分闸保持弹簧415。分闸保持弹簧用于在合闸保持TC的输出电流为零时，驱动相应的真空灭弧装置断开，以使相应的快速开关处于分闸状态。
为使本领域技术人员能够清晰地了解该装置，下面结合附图1对该装置的工作原理进行详细阐述。
首先，需要说明的是，该装置在常态下分闸保持弹簧会克服真空灭弧装置的自闭力，使真空灭弧装置中的动、静触头保持常开状态，即使得相应的快速开关处于分闸状态，其中，动、静触头开距可以采用调节螺母调节。由于本实施例中的快速开关的真空灭弧装置不需要开断电流，从而可将真空灭弧装置中的触头开距调节的较小，使得快速开关的合闸时间降得更低，分散性更小，进而便于实现并补电容器组的精准相控合闸。所述装置的工作原理具体如下：
当需要将并补电容器组CA、CB和CC投入时，可闭合前置断路器SA、SB和SC，两电压互感器一次侧带电，二次侧输出的第一输出端输出AC220V交流电为控制器11提供电源，控制器11开始工作，同时为两储能电容充电。
进一步的，控制器11通过两电压互感器二次侧的第二输出端检测系统母线电压即第一线电压信号UAB和第二线电压信号UBC，并检测第一储能电容5的充电电压信号V1和第二储能电容9的充电电压信号V2。在通过充电电压信号V1和V2判断储能完成后，根据第一线电压信号UAB和第二线电压信号UBC的相位分别预测A相和C相电容器电压过零点时刻，得到第一电压过零时刻和第二电压过零时刻，并在第一电压过零时刻前第一预设时间向A相快速开关即第一快速开关3发出合闸指令即一电流信号i1，并控制第一快速开关3在第一电压过零时刻闭合，在向第一快速开关3发出合闸指令5ms后，再向C相快速开关即第二快速开关4发送合闸指令即另一电流信号i2，使A相、C相的真空灭弧装置中的触头在相应的系统电压过零点时刻精准闭合，从而可避免合闸涌流的产生。
在快速开关触头闭合后，合闸保持TC二次输出电流经二极管整流电路即整流器送入合闸保持电磁铁线圈中，衔铁和合闸保持电磁铁之间产生电磁吸力使得真空灭弧装置保持闭合状态。
例如，在第一快速开关3的触头闭合后，第一合闸保持TC12的二次输出电流经第一整流器13送入第一合闸保持电磁铁313的线圈中，第一衔铁314和第一合闸保持电磁铁313之间产生电磁吸力，从而使得第一真空灭弧装置32保持闭合状态。类似的，可使得第二真空灭弧装置42保持闭合状态。由此，可将三相并补电容器组CA、CB和CC投入系统。
当需要退出电容器时，断开前置断路器SA、SB和SC，回路电流降为0，合闸保持电磁铁线圈电流降为0，衔铁和合闸保持电磁铁之间电磁吸力消失，真空灭弧装置中的动触头在分闸保持弹簧弹力作用下与静触头分离，电容器组停电退出。
例如，当需要退出电容器时，断开前置断路器SA、SB和SC，回路电流降为0，第一合闸保持电磁铁313线圈电流降为0，第一衔铁314和第一合闸保持电磁铁313之间电磁吸力消失，第一真空灭弧装置32中的动触头在第一分闸保持弹簧315弹力作用下与静触头分离，从而实现第一快速开关3的分闸，类似的可实现第二快速开关4的分闸，进而可实现电容器组停电退出。
其中，推拉式电磁机构的动斥力线圈和静斥力线圈工作原理如下：以第一快速开关3为例，静斥力线圈即第二线圈312和动斥力线圈即第一线圈311流过同一个电流，但是两个线圈的极性相反，因此产生电磁斥力，推动第一绝缘拉杆33动作，使得第一真空灭弧装置32闭合。当然，也可以采用斥力线圈和斥力盘实现相同功能：例如，使静斥力线圈即第二线圈312不变，将动斥力线圈即第一线圈311改为斥力盘，静斥力线圈通过电流后在空间中形成电磁场，斥力盘中产生感应电流，静斥力线圈和斥力盘极性相反，产生电磁斥力，推动第一绝缘拉杆33动作，使得第一真空灭弧装置32闭合。
综上所述，本发明提供了一种基于快速开关的并补电容器组精准相控合闸装置，该装置中的控制器可获取两个储能电容的充电电压信号、第一相线和第二相线之间的第一线电压信号，以及第二相线和第三相线之间的第二线电压信号，并在根据充电电压信号确定两个储能电容充电完成时，分别根据第一线电压信号和第二线电压信号确定第一电压过零时刻和第二电压过零时刻，并在第一电压过零时刻之前的第一预设时间向第一晶闸管发送合闸指令，以控制第一快速开关在第一电压过零时刻合闸，以及在发送完合闸指令后的第二预设时间向第二晶闸管发送另一合闸指令，以控制第二快速开关在第二电压过零时刻合闸，从而可实现两快速开关精准合闸，由此可以解决目前并联补偿电容器投入过程中产生的涌流问题；在不存在涌流问题时，则不需要运行限流电抗器，可拆卸传统装置的限流电抗器，从而可解决电容器退出时导致的截流过电压问题，同时节省了限流电抗器的投资和限流电抗器运行中产生的能耗；另外，本发明中的快速开关的真空灭弧装置不需要开断电流，从而可将真空灭弧装置中的触头开距调节的较小，使得快速开关的合闸时间降得更低，分散性更小，进而便于实现并补电容器组的精准相控合闸；以及，本发明还提供了一种合闸保持设计方案，具体为在前置断路器闭合即三相供电时，合闸保持电磁铁可以通过合闸保持TC和整流器取电并吸住衔铁，使得真空灭弧装置中的动、静触头保持为闭合状态；并且，在前置断路器断开，合闸保持电磁铁中的电流降为0时，吸力消失，从而便于真空灭弧装置中动、静触头在分闸保持弹簧作用下自动断开；再者，本发明采用自取能设计，无需外接电源供电，本发明的精准合闸装置与原有断路器串联使用，不改变原控制保护系统，具有安装方便、易于推广的优点。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (8)
1.一种基于快速开关的并补电容器组精准相控合闸装置，其特征在于，包括控制器、两个电压互感器、两个快速开关、两个供电电源、两个储能电容和两个晶闸管，其中，第一电压互感器的一次侧分别与第一相线和第二相线相连，第二电压互感器的一次侧分别与第二相线和第三相线相连，第一快速开关设置在第一相线上，第二快速开关设置在第三相线上，每一电压互感器的二次侧通过相应的供电电源与所述控制器相连，每一供电电源还通过相应的储能电容和晶闸管与相应的快速开关相连；
其中，所述控制器用于获取两个储能电容的充电电压信号、第一相线和第二相线之间的第一线电压信号，以及第二相线和第三相线之间的第二线电压信号，并在根据所述充电电压信号确定两个储能电容充电完成时，分别根据所述第一线电压信号和所述第二线电压信号确定第一电压过零时刻和第二电压过零时刻，并在第一电压过零时刻之前的第一预设时间向第一晶闸管发送合闸指令，以控制所述第一快速开关在所述第一电压过零时刻合闸，以及在发送完合闸指令后的第二预设时间向第二晶闸管发送另一合闸指令，以控制所述第二快速开关在所述第二电压过零时刻合闸，从而实现两快速开关精准合闸。
2.如权利要求1所述的基于快速开关的并补电容器组精准相控合闸装置，其特征在于，每一所述快速开关包括推拉式电磁机构、真空灭弧装置和绝缘拉杆，所述推拉式电磁机构通过所述绝缘拉杆与所述真空灭弧装置相连，所述推拉式电磁机构通过所述绝缘拉杆驱动所述真空灭弧装置闭合或者断开，以实现快速开关合闸或者分闸。
3.如权利要求2所述的基于快速开关的并补电容器组精准相控合闸装置，其特征在于，所述推拉式电磁机构包括第一线圈和第二线圈，所述第一线圈和所述第二线圈以及相应的晶闸管串联，并在串联后与相应的储能电容并联在相应的供电电源的充电端。
4.如权利要求3所述的基于快速开关的并补电容器组精准相控合闸装置，其特征在于，所述第一线圈为动斥力线圈或者斥力盘，所述第二线圈为静斥力线圈。
5.如权利要求4所述的基于快速开关的并补电容器组精准相控合闸装置，其特征在于，还包括两个合闸保持TC和两个整流器，所述推拉式电磁机构还包括合闸保持电磁铁和衔铁，每一合闸保持TC通过相应的整流器与相应的所述合闸保持电磁铁连接，所述合闸保持TC、整流器、合闸保持电磁铁和衔铁用于保持相应的快速开关处于合闸状态。
6.如权利要求5所述的基于快速开关的并补电容器组精准相控合闸装置，其特征在于，所述推拉式电磁机构还包括分闸保持弹簧，用于在所述合闸保持TC的输出电流为零时，驱动所述真空灭弧装置断开，以使相应的所述快速开关处于分闸状态。
7.如权利要求1所述的基于快速开关的并补电容器组精准相控合闸装置，其特征在于，所述供电电源用于给相应的储能电容充电，并给所述控制器供电。
8.如权利要求1-7任一项所述的基于快速开关的并补电容器组精准相控合闸装置，其特征在于，所述控制器为DSP控制器。
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