受控开合装置及其使用方法
【专利说明】受控开合装置及其使用方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2013年12月20日在美国专利商标局提交的美国专利申请号61/919，617、名称为“受控开合装置及其使用方法”的优先权，该专利内容通过引用并入本文中。
技术领域
[0003]本发明主要涉及电气工程领域。更准确的说，本发明涉及一种基于分析负载中可能存在的残余电压，通过控制断路器操作减小或消除浪涌电流实现电容性负载快速开合的装置和方法。以电容性负载为例:无功补偿电容器组、谐波滤波器和隔离输电线中的电容器。本发明还涉及受控开合装置(CSD)及其使用方法。
【背景技术】
[0004]由于输电或配电线路的物理特性或用于串联或并联补偿或谐波过滤增加的电容器，电力系统具有不同的电容性负载。串联或并联补偿用以保持输配电线路的电压恒定分布。根据需要，使用断路器开启或闭合此类电容性负载。
[0005]电容器组断电时，一些直流残余电压电荷仍然处于其静电场中。由于电容器组具有自放电特性，电压电荷水平为动态变化并随着电容器从断电到完全放电逐步减小。断路器开闸后，电容器组自放电可能需要花费15分钟。
[0006]为了减少或消除电容器组通电产生的浪涌电流之类的电压瞬态，开启放电电容器的最佳时刻为波形上电压过零时。为精确时间执行此操作，需要配备受控开合装置(CSD)。在一般电网的正常运行条件下，电容器组在一天内可能开合数次。
[0007]很多应用场合都需要使用电容性负载开合。例如，分布式能源(DER)集成、静止无功补偿器(SVC)和静止同步补偿器(STATC0M)系统每天可能开合电容器组数次以实现电压调节。但是，在使用现有技术的情况下，电容器组断电时，电力系统或分布式能源(DER)操作员需要等到电容器完全放电后方能再次通电，以避免电网出现浪涌电流。如图1所示浪涌电流(2)显示电网中未受控电容性负载开合操作的结果。该浪涌电流可能产生非常严重的后果，其可能损坏设备，从而降低系统可靠性。在实例中，还显示了电压(I)。此外，瞬变会在电网中传输引发保护跳闸，从而降低电网稳定性，严重情况下可能导致重大停电事故。
[0008]现有技术通过使用预插电阻或CSD降低电容器组的浪涌电流。但是，在采用此类解决方案的情况下，为避免在执行开合操作时产生浪涌电流，电容器组需要放电。此外，电容器组需要15分钟放电时间，使得电力系统或DER操作人员不能及时闭合系统，以免引发非优化操作。
[0009]在很多情况下，使用阻塞定时器控制电路断路器合闸，避免在电容性负载充电时操作。每次断路器开闸时，定时器发挥作用，从而阻止断路器合闸。
[0010]因此，需要使用一种新技术，可在最大限度地减少浪涌电流的同时大幅度降低电容性负载开合等待时间。
【发明内容】
[0011]本发明涉及通过控制电路断路器(CB)合闸达到减小或消除电容性负载通电所产生浪涌电流的目的从而实现电容性负载快速切换的装置和方法。更具体地说，此类装置和方法根据可能存在于负载中的直流残余电压电荷的幅值和极性确定CB的最佳切换角度。并可通过CSD计算或测量电容性负载直流残余电压。本发明还阐述了一种计算电路断路器开闸后电容性负载残余电压值的技术和一种估算直流残余电压随时间变化的技术。基于本方法，CSD在电路断路器开闸后可在任何时间合闸，从而实现了电容性负载的快速开合。
[0012]基于本发明的目的之一，本发明公开了一种在配有电路断路器(4)的电路中降低电容性负载(5)通电所产生浪涌电流的方法。该方法包括以下步骤，在电路中安装适合向电路断路器(4)发送合闸命令给受控开合装置(6)，以实现同步机械操作减少送至电路的瞬变。在示例中，CSD连接到电网电压互感器(7)和电流互感器(8)，还显示了电源(3)。所述方法允许电容性负载的快速开合。在此示例中，电容性负载的电路断路器开闸时，该方法可使所述电路断路器在开闸几毫秒内重新合闸。
[0013]基于本发明的目的之一，在此公开的方法还包括以下步骤，调整CSD以达到最佳相角(electrical angle)关闭电路断路器，减少浪涌电流实现电容性负载的快速开合。
[0014]基于本发明的目的之一，受控开合装置连接到电容性负载。该方法还包括以下步骤，计算电容性负载内残余电压电荷以计算断路器合闸的最佳相角。
[0015]基于本发明的目的之一，在此公开的方法还包括以下步骤，减少或消除电容性负载通电期间产生的浪涌电流，尽管存在直流残余电压。
[0016]本发明使用一种通过以最佳相角闭合电路中的电路断路器控制电容性负载通电，减少传送至电路的浪涌电流的受控开合装置。
[0017]上述减少浪涌电流的方法通过受控开合装置，可替代地称之为波形点(POW)控制器来实现。
[0018]在现有技术情况下，电容性负载放电时间可能需要长达15分钟。因此，每次通过保护跳闸或发送自动命令关闭电容性负载(断电)，设备操作人员需要等到电容性负载完全放电方可再次通电。在本发明中，每次切断断路器，获取电流和电压波形，从而确定电容性负载每个相位的残余电压。此外，CSD不断估算电容性负载残余电压，以根据电源电压和电网频率动态计算最佳合闸相角。
[0019]基于本发明的目的之一，公开了一种实现电路中电容性负载快速开合的方法。该电路包括断路器及电容性负载，为电流馈电电路。该方法包括以下步骤，在电路中安装适合在电容性负载完全断电前向断路器发送开或合闸命令的受控开合装置(CSD)，以实现开合闸同步机械操作减少送至电路的浪涌电流。
[0020]基于本发明的目的之一，所述方法还包括以下步骤，尽管残余电压不为零，仍然向电路断路器发送合闸命令。此外，所述方法还包括以下步骤，在电流电压等于电容电压时，测量电容性负载的通电相角(angle to re-energize)。
[0021]所述方法还包括基于测量电容性负载电压电平的步骤，自动调节断路器开合相角(electrical switching angle)。
[0022]基于本发明的目的之一，公开了一种实现电容性负载快速开合的方法。所述电路为电流反馈电路，包括一个断路器、至少一个输出残余电压的电容性负载以及一个受控开合装置，该受控开合装置适合在电容性负载完全断电前，向断路器发送开合闸命令以实现开合闸同步机械操作减少传送至电路的浪涌电流。
[0023]基于本发明的目的之一，公开了一种在包括断路器和电容性负载的电路中使用的受控开合装置(CSD)，其中CSD在电容性负载完全断电前，向断路器发送开合闸命令以实现断路器开合闸同步机械操作减少送至电路的浪涌电流，该电路包括该受控开合装置和至少一个电容性负载。
[0024]本发明的独特性和前瞻性说明在所附文件中有具体阐述。
【附图说明】
[0025]通过以下描述结合【附图说明】，可以更充分的了解本发明以上所述及其他目的、特征以及优点，其中:
[0026]图1通过图形显示浪涌电流随时间变化的函数图例(现有技术)。
[0027]图2为使用配有受控开合装置(CSD)的电路断路器(CB)的典型受控电容性负载电路(现有技术)。
[0028]图3通过图形显示受控电容性负载电流通电实例。
[0029]图4通过图形显示一种根据本发明原理，基于负载/CB电流测量和电源电压测量计算直流残余电荷的技术。
[0030]图5通过图形显示典型的电容器残余电压曲线，以秒为单位的时间函数，其中，电容器放电过程中有I分钟为恒定电流，为典型的电容器自放电实例。
[0031]图6通过图形显示根据电源电压和动态变化直流残余电压所得最佳开合相角。
[0032]图7显示一般电容性负载电路安装实例。其中包括一个使用CSD的CB。通过符合本发明原理的CSD测量变化直流残余电压。
【具体实施方式】
[0033]以下描述一种新型受控开合装置及其使用方法。尽管本发明以特定实例进行描述说明，但本文所描述实例仅作为示例参考，本发明的应用范围并不局限于此。
[0034]本发明涉及通过使用CSD控制CB操作减小或消除浪涌电流实现电容性负载快速开合的装置和方法。其中，CSD根据负载中直流残余电压电荷的幅值和极性，确定CB的最佳开合相角。CS