CN110291603B - 用于控制断路器的方法以及断路器控制器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于控制断路器的方法。该断路器连接在具有电感负载的三相***中，并且该方法包括用于控制断路器的方法，该断路器连接在具有电感负载的三相***中，该方法包括：在第一相(L1)中的电流的过零之前断开(S110)三相***的第一相(L1)，在断开第一相(L1)之后的四分之一周期时断开(S120)三相***的第二相和第三相(L2和L3)，在第一相与第二相(L1与L2)之间的电压的峰值电压处闭合(S140)第一相和第二相(L1和L2)，以及在闭合第一相和第二相(L1和L2)之后的四分之一周期时闭合(S150)第三相(L3)。还提出了一种断路器控制器。

Description

用于控制断路器的方法以及断路器控制器
技术领域
本发明涉及一种用于控制断路器的方法和一种断路器控制器。
背景技术
长期以来，断路器的控制已经以不同的方式被利用。关于如何做到这一点以便达到不同益处，已经提出了若干解决方案，例如如何以最佳方式断开断路器或如何以最佳方式闭合断路器、如何最小化断路器触头的腐蚀、以及如何最小化浪涌电流。这主要在高电压等级和更高电压等级中使用。
US 6,493,203描述了包括用于保护诸如变压器的电抗负载的基于相的切断/闭合控制器(break/make controller)的相控开关装置。
EP 3125264描述了用于电流的同步切断的配电开关设备。
GB 2090702描述了在混合触头中闭合两个其他相之后80度时第三相的闭合。
发明内容
在电感负载断开连接时，可能发生严重的瞬态过电压。这是正在获得越来越多关注的现象，因为其中开关被执行得比以前频繁得多的应用正在出现。还应当注意的是，特别是在干式变压器中，对于切换过电压应当是灵敏的。
本发明的一个目的是实现用于三相***的断路器的改进控制。
根据第一方面，提出了一种用于控制断路器的方法。断路器连接在具有电感负载的三相***中，并且该方法包括：在第一相中的电流过零之前断开三相***的第一相，在断开第一相之后的四分之一周期时断开三相***的第二相和第三相，在第一相与第二相之间的电压的峰值电压处闭合第一相和第二相，以及在闭合第一相和第二相之后的四分之一周期时闭合第三相。
该方法可以包括测量第一相中的电流，以及测量第一相与第二相之间的电压。
该方法可以包括通过测量相电压来估计第一相中的电流，以及测量第一相与第二相之间的电压。
第一相可以在第一相中的电流的过零之前的四分之一周期时被断开。
第一相可以在第一相中朝向正电流的过零之前被断开，并且其中第一相和第二相在第一相与第二相之间的相间电压的负峰值电压时被闭合。
第一相可以在第一相中朝向正电流的过零之前被断开，并且其中第一相和第二相在第一相与第二相之间的相间电压的正峰值电压时被闭合。
根据第二方面，提出了一种用于具有电感负载的三相***的断路器控制器。断路器控制器包括断路器控制器，该断路器控制器被配置为：测量三相***中的第一相电流，断开三相***的第一相，在断开第一相之后断开三相***的第二相和第三相，测量第一相与第二相之间的相间电压，闭合第一相和第二相，以及在闭合第一相和第二相之后闭合第三相。
断路器控制器可以被配置为在第一相中的电流的过零之前的四分之一周期时断开第一相。
第二相和第三相可以在第一相的断开之后的四分之一周期时被断开，并且其中第三相可以在第一相和第二相闭合之后的四分之一周期时被闭合。
通常，权利要求中使用的所有术语应根据它们在技术领域中的普通含义来解释，除非在本文中另有明确地定义。对“一/一个/该元件、装置、部件、构件、步骤等”的所有引用将被开放式地解释为指代该元件、装置、部件、构件、步骤等的至少一个实例，除非另有明确地说明。本文所公开的任何方法的步骤不必以所公开的确切顺序执行，除非明确地说明。
附图说明
现在参照附图，以示例的方式来描述本发明，其中：
图1示意性地示出了三相***中的相序；
图2示意性地示出了断路器中的长燃弧时间；
图3示意性地示出了断路器中的短燃弧时间；
图4示意性地示出了在一相中的可能的断开实例；
图5示意性地示出了可能的闭合实例；
图6是在无负载期间断开之后的、无负载期间的相的闭合的表格；
图7是在负载期间断开之后的、无负载期间的相的闭合的表格；
图8是示出用于控制三相***中的断路器的方法的流程图；以及
图9示意性地示出了根据一个实施例的具有断路器的三相***。
具体实施方式
现在将在下文中参照附图来更全面地描述本发明，在附图中示出了某些实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式来实施，并且不应当被解释为限于本文所阐述的实施例；相反，以下实施例以示例的方式提供，使得本公开将是彻底的和完整的，并且将向本领域技术人员完整地传达本发明的范围。在整个说明书中，相同的附图标记指代相同的元件。
本发明包括：为了防止严重的瞬态过电压的、具有功率因数为0≤pF<1的电感负载的断开连接应当以最佳方式与随后的激励相结合，以便还使浪涌电流最小化。通过知道来自前一个断开连接事件的历史，可以以最佳方式执行激励。
本发明既通过断开断路器显著地减少了诸如变压器的电感负载的断开连接时的瞬态过电压，又以最佳方式在断路器闭合时激励变压器。这限制了连接到***(诸如变压器)的设备上的应力，并且使浪涌电流最小化，这也导致应力的减小并且使***更快速地达到稳定状态。目的在于将浪涌电流保持在标称负载电流或更低。
本发明用于三相***中。在图1中示出了三相***的相序。第一相被定义为L1，第一相具有电压U1(t)＝Usin(ωt)，第二相被定义为L2，第二相具有电压U2(t)＝Usin(ωt-2π/3)，以及第三相被定义为L3，第三相具有电压U3(t)＝Usin(ωt-4π/3)。
断路器的断开最初将提供触头分离，如果电流高于电流斩波水平，则将点燃电弧。如果电流低于电流斩波水平，则电流将被立即中断。此后，在发生电流斩波的情况下，在电流过零时、或更精确地在电流过零之前不久，点燃的电弧将被中断。在图2和图3中示出了触头分离和电流中断。在图2中，示出了长燃弧时间，长燃弧时间将在电流中断处提供足够的触头距离以防止再点燃。在图3中，示出了短燃弧时间，短燃弧时间将在电流中断处给出过短的触头距离，这将有再点燃的风险。在本说明书中，断路器的“断开”是指触头分离。
所提出的方法的优点例如在于，与具有铁芯的变压器连接不需要剩余磁通检测单元。
在一个实施例中，断路器用于中压(MV)断路器(CB)，即用于1-71kV的三相***。
取决于断路器闭合时的相角和变压器中的剩余磁通，变压器的激励可能导致浪涌电流。至少有以下四个自由度要考虑：
1.选择相的断开顺序；
2.选择使用哪个电流过零以用于断开；
3.选择使用哪个电压峰值(正或负)以用于闭合；以及
4.选择相的闭合的顺序。
与普通的MV断路器不同，同步断开被使用并且总是按以下中断：
1.在相之间以相同的顺序；以及
2.在电流过零之前的电流的已知符号(正或负)处。
一个结果是，具有铁芯的电感负载中(诸如变压器芯的每个支路中)的剩余磁通的符号是已知的。
因此，在激励期间将在电感负载中发生的浪涌电流可以通过以下而被最小化：
1.了解感应负载芯的每个支路中的剩余磁通的符号；以及
2.选择用于断路器闭合瞬间的电压峰值。
尽管以上已经假定AC***，其中电弧将在断开期间点燃，但是所提出的***也将在诸如其它类型的断路器和耦合设备(诸如基于电力电子的断路器)之类的其他应用中是有用的。
将参考图9来描述切断/闭合三相***(break/make three phase system)(无接地)。在切断期间断开的第一相被称为L1。第一相L1可以是三相***的三相的任意相。期望在相中的电流过零之前断开相L1，以最小化***中的过电压。在电流中断之前，应当足够长地启动该相的断开，使得断路器在电流中断之前具有实现触头分离的时间。优选地在电流中断之前至少1ms时达到触头分离。在图4中示出了可能的断开实例，并且从标记的“可能的断开实例”直到下一个电流过零的时间窗口应当被避免，并且触头分离应当发生在标记的“可能的断开实例”之前和前一个电流过零的时间窗口中。为了确保电弧在过零之后不会再点燃，触头分离更优选地在具有四分之一周期(即，对于50Hz***为5ms)的安全裕度的过零之前进行。通过在两个过零之间的中间断开触头，利用安全裕度来防止再点燃。然而，电弧将在断路器触头的初始断开时点燃，但是该电弧将在随后的过零时被熄灭。
电流具有π弧度的半个周期(在两个过零之间)，并且因此优选地在期望的过零之前的该周期的一半π/2时进行断开。对于50Hz的***，这对应于大约5ms。
在L1相已被断开之后，四分之一周期后，L2和L3相同时被断开。在第一相中电流已被中断之后，两个剩余相最后具有相同的电流(然而在相反的方向上)，并且仅断开一个相将提供相同的结果。因此，这两个剩余相严格地同时断开并不重要。
如本文中所呈现的，断开(opening)或切断(breaking)具有电感负载的三相***是基于手动触发的断开，从而允许延迟断开直到最佳时间为止。短路期间的受控断开被省略，并且这种情况对于所提出的解决方案是不相关的。
为了确定最佳断开时间点，测量相L1的电流。检测到相L1的电流的下一个过零，并且添加足够的时间偏移，使得该偏移时间和将断路器实现触头分离的时间一起在最佳时刻产生触头分离。此后，进行相L2和L3的断开。
当***要再次启动时，断路器触头将以预定的方式被闭合，以最小化浪涌电流。在这种情况下，测量L1和L2上的电压以找到最佳闭合时间点，该最佳闭合时间点取决于断路器触头的先前断开。期望在相L1和L2上的电压处于峰值时闭合相L1和L2，以最小化***中的浪涌电流。图5中示出了可能的闭合实例。仅闭合一个相将不产生闭合电路，并且仅在两相闭合之后，***被再次部分地闭合。当在通过L1的电流的负半周期上已经执行了断开时，最佳闭合时间点在相L1和L2上的电压的负峰值处。可以通过测量来确定这个时间点。
为了使浪涌电流最小化，在启动通过L1相的断开之后，通过使对应的断路器极闭合来闭合相L1和L2。最后的相L3在四分之一周期后被闭合。
断路器的断开可以例如针对带载变压器或针对空载变压器而发生，但是闭合应当针对处于空载模式的变压器来进行。
已经对于峰值浪涌电流进行了测试，这在图6和图7中示出。在无负载期间断开之后，针对在无负载期间的闭合来执行图6中所示的测试。可以看出，假如以上述顺序断开相(即首先断开相L1，然后断开相L2和L3)，对于L3作为在相间电压L1-L2的负峰值处的相L1和L2闭合之后的延迟相而言，峰值浪涌电流明显是最低的。闭合相的顺序取决于断开相的顺序，即，当L1已经被首先断开时延迟L3的闭合使得浪涌电流最小化。在负载期间断开之后，针对在无负载期间的闭合来执行图7中所示的测试。同样对于这个情况，在相间电压L1-L2的负峰值时的L1和L2的闭合之后延迟L3的闭合，峰值浪涌电流是最低的一个。在相间电压L3-L1的正峰值处的L1和L3的闭合之后延迟L2，峰值浪涌电流同样是低的。闭合相的顺序取决于断开相的顺序，即，当L1已经首先被断开时延迟L3或L2的闭合使得浪涌电流最小化。通过在相间电压L1-L2的负峰值处的L1和L2的闭合之后的闭合期间选择延迟L3，不需要考虑***在断开期间是否是有载的。然而，闭合应当针对没有附加电感负载的***进行，例如针对无负载变压器进行。
参照图8给出了一种用于控制断路器的方法。断路器连接在具有电感负载的三相***中，并且该方法包括：在第一相L1中的电流的过零之前断开S110三相***的第一相L1，在断开第一相L1之后的四分之一周期时断开S120第二相L2和第三相L3，在第一相L1与第二相L2之间的电压的峰值电压处闭合S140第一相L1和第二相L2，以及在闭合第一相L1和第二相L2之后的四分之一周期时闭合S150第三相L3。即，闭合相L1-L3的顺序取决于断开相L1-L3的顺序。
四分之一周期在断开步骤S120和闭合步骤S150中是理论最佳周期，但是在实际解决方案中，该周期可以在某种程度上变化。
该方法可以包括测量S100第一相L1中的电流，以及测量S130第一相L1与第二相L2之间的电压L1-L2。测量第一相L1中的电流意味着电流被直接或间接地测量。即，电流可以在第一相L1中被直接地测量，或者另一相的电流被测量并针对它们之间的相位差进行调节。
该方法可以包括通过测量相电压来估计第一相L1中的电流，以及测量S130在第一相L1与第二相L2之间的电压。
第一相L1可以在第一相L1中的电流的过零之前的四分之一周期时被断开。
第一相L1可以在第一相L1中朝向正电流的过零之前被断开，并且其中第一相L1和第二相L2在相间电压L1-L2的负峰值电压时被闭合。备选地，第一相L1可以在第一相L1中朝向负电流的过零之前被断开，并且其中第一相L1和第二相L2在相间电压L1-L2的正峰值电压时被闭合。
提出了一种用于三相***的断路器控制器。三相***具有电感负载，并且断路器控制器包括断路器控制器，该断路器控制器被配置为：测量三相***中的第一相L1电流，断开三相***的第一相L1，在断开第一相L1之后断开三相***的第二相L2和第三相L3，测量第一相L1与第二相L2之间的相间电压，闭合第一相L1和第二相L2，一系在闭合第一相L1和第二相L2之后闭合第三相L3。即，闭合相L1-L3的顺序取决于断开相L1-L3的顺序。
断路器控制器可以被配置为在第一相L1中的电流的过零之前的四分之一周期时断开第一相L1。
在第一相L1的断开之后的四分之一周期时，第二相L2和第三相L3可以被断开，并且其中，在第一相L1和第二相L2的闭合之后的四分之一周期时，第三相L3可以被闭合。
断路器控制器可以包括处理器，该处理器使用以下中的一个或多个的任何组合：适当的中央处理单元、CPU、多处理器、单片机、数字信号处理器、DSP、应用专用集成电路等，能够执行存储在存储器中的计算机程序的软件指令。因此，存储器可以被认为是计算机程序产品的一部分或者形成计算机程序产品的一部分。处理器可以被配置为执行存储在其中的计算机程序，以使断路器控制器执行所需的步骤。
以上已经主要参考一些实施例描述了本发明。然而，如本领域技术人员容易理解的，与以上公开的实施例不同的其他实施例同样可能在如由所附专利权利要求限定的本发明的范围内。

Claims (4)

1.一种用于控制断路器的方法，所述断路器连接在具有电感负载的三相***中，所述方法包括：
测量(S100)第一相(L1)中的电流，或者通过测量相电压来估计所述第一相(L1)中的所述电流；
在所述第一相(L1)中的所述电流的过零之前，断开(S110)所述三相***的所述第一相(L1)；
在断开所述第一相(L1)之后的四分之一周期时，断开(S120)所述三相***的第二相和第三相(L2和L3)；
测量(S130)所述第一相(L1)的电压与所述第二相(L2)的电压之间的相间电压(L1-L2)；
在所述相间电压(L1-L2)的峰值电压处，闭合(S140)所述第一相和所述第二相(L1和L2)；以及
在闭合所述第一相和所述第二相(L1和L2)之后的四分之一周期时，闭合(S150)所述第三相(L3)；
其中所述第一相(L1)在所述第一相(L1)中朝向正电流的过零之前被断开，并且其中所述第一相和所述第二相(L1和L2)在无负载期间的所述相间电压(L1-L2)的负峰值电压处被闭合；或者
其中所述第一相(L1)在所述第一相(L1)中朝向负电流的过零之前被断开，并且其中所述第一相和所述第二相(L1和L2)在无负载期间的所述相间电压(L1-L2)的正峰值电压处被闭合。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一相(L1)在所述第一相(L1)中的所述电流的所述过零之前的四分之一周期时被断开。
3.一种用于具有电感负载的三相***的断路器控制器，所述断路器控制器包括：
断路器控制器，被配置为：测量所述三相***中的第一相(L1)的电流，或者通过测量相电压来估计所述第一相中的所述电流；断开所述三相***的所述第一相(L1)；在断开所述第一相(L1)之后的四分之一周期时，断开所述三相***的第二相和第三相(L2和L3)；测量所述第一相(L1)与所述第二相(L2)之间的相间电压(L1-L2)；在所述相间电压(L1-L2)的峰值电压处，闭合所述第一相和所述第二相(L1和L2)；以及在闭合所述第一相和所述第二相(L1和L2)之后的四分之一周期时，闭合所述第三相(L3)；
其中所述第一相(L1)在所述第一相(L1)中朝向正电流的过零之前被断开，并且其中所述第一相和所述第二相(L1和L2)在无负载期间的所述相间电压(L1-L2)的负峰值电压处被闭合；或者
其中所述第一相(L1)在所述第一相(L1)中朝向负电流的过零之前被断开，并且其中所述第一相和所述第二相(L1和L2)在无负载期间的所述相间电压(L1-L2)的正峰值电压处被闭合。
4.根据权利要求3所述的断路器控制器，其中所述第一相(L1)在所述第一相(L1)中的所述电流的过零之前的四分之一周期时被断开。
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