具有浪涌电流意识的电路测试闭合器装置及方法

专利名称：具有浪涌电流意识的电路测试闭合器装置及方法
技术领域：
本发明涉及在电路闭合前提供电路测试功能的装置及方法。
背景技术：
电路中断和重合设备用来隔离配电系统中的故障状态，并且一旦清 除了故障状态则重合该电路。配电系统中的故障可能由于多种原因而发 生，并且典型地为瞬时故障。故障的检测和隔离减轻了故障对系统的损 害。故障后电路的自动重合使配电系统快速返回正常操作，并且无需操 作者干预。
重合器设备可以被设计为在故障中断后进行操作，以重合故障过的 线路或多条线路。重合后，如果故障未被清除，则重合器设备将检测故 障并再次进行操作以打开并隔离该故障。在确定故障为持久故障(即为 需要修理干预的故障)并且重合器封锁以隔离该故障之前，闭合、故障 感应以及重开处理可能几次发生。
然而，重合回故障的处理具有有害的影响，可能使配电电路和连接 的负载重复遭受故障电流和其他潜在的损害电流异常。鉴于重合器设备 的闭合、感应、重开操作性质，在故障清除或重合器被封锁之前，这可 能几次发生。


图1是图示配电体系结构的单个线路和该配电体系结构内单个线路 故障的电路图。
图2是故障电流波形和确定持久线路故障的对应测试脉冲序列的图示。
图3是故障电流波形和确定瞬时线路故障与服务恢复的对应测试脉冲序列的图示。
图4描述了图示故障测试和服务恢复的处理的流程图。
图5是响应于测试脉冲的电压和电流环波形的图示。
图6和图7是响应于指示针对给定负载状态的持久故障和瞬时故障 的测试脉冲的电流波形的附加图示。
图8是根据这里描述的一种实施方式适合于提供测试脉冲的电路测 试闭合器的示意性剖面图。
图9是图8中图示的电路测试闭合器的致动部分的放大图。
图10是适合用于图8中图示的电路测试闭合器的致动部分的可替换 实施方式的放大图。
图11是根据这里描述的另一种实施方式适合于提供测试脉冲的电路 测试闭合器的示意性剖面图。
图12是处于已致动状态的图11中图示的电路测试闭合器的示意性 剖面图。
图13是根据这里描述的另一种实施方式的电路测试闭合器的框图。 图14是图13的电路测试闭合器的部分的一种实施方式的原理表示。
具体实施例方式
电路测试闭合器能够闭合中压(MV)配电电路并在下一电流零点处 中断产生的电流。电路测试闭合器具有由其支配的电流和电压测量元件， 或者为其必备的感应元件或者由外部感应元件所提供。 一旦检测到线路 故障，则电路测试闭合器可操作来断开接触以隔离该故障。接着，电路 测试闭合器测试故障的线路来确定该故障是否被清除。如果故障已经清 除，电路测试闭合器重合线路以恢复服务。可以以使电流异常最小化的 方式完成闭合。如果故障是持久性的，则在测试协议完成后，闭合器被 封锁、隔离故障直到可以做出修理。
根据这里描述的一种或更多种实施方式的电路测试闭合器可以包括 控制器以及包含操作程序的机器可读介质，或者可以例如通过无线通信 适当地链接到一控制器，所述控制器包括包含操作程序的机器可读介质。故障隔离后，控制器允许电路测试闭合器在重合之前系统地测试配电电 路。系统测试可以包括生成测试电流脉沖的短闭合序列，可以评估所述 测试电流脉冲来确定线路的故障状态。此外，.控制器可以协调脉冲时刻
和随后的线路闭合，以减小电流异常的可能性并确保遏制(quench)由 测试电流环引起的电弧(arc)。
参照图1，配电系统100包括交流电(电能)源102。如图1中所描 述，所述源为来自高压配电源的降压变压器，所述髙压配电源由对辅助 配电网络106进行馈送的发生源(generation source)(未描绘)提供。所 述辅助配电网络包括通过保险丝或电路断路设备U0耦合到变压器104 的配电总线108。配电总线108供给多个配电线路112、 114、 116以及118， 每个所述配电线路通过保险丝或电路断路设备(例如设备120)耦合到配 电总线。为了进行图示，和电容负载124—样，多个典型电感/电阻负载 (例如多个负载)通过保险丝或电路断路设备(例如设备122)被耦合到 配电线路112。线路112可以通过电路测试闭合器130分割成第一部分 126和第二部分128。线路112还可以通过另一电路测试闭合器132连接 到第二电能源(未描绘)。此外，虽然这些线路被示出为单个导线，但是 应理解，这些线路可以表示多相交流电配电系统的多个相，例如三相。 在这种安排中，典型地针对每个相提供电路测试闭合器。
如果线路112，或者线路112的任意相出现故障，例如耦合到地134， 则电路测试闭合器130可操作来检测故障134并断开以将该故障与能量 源隔离开。如果故障出现在电路测试闭合器130和能量源之间，则电路 测试闭合器可操作来将线路112的第二部分128与能量源隔离开，从而 第二部分128可以通过闭合电路测试闭合器132来耦合到第二能量源， 由此至少恢复配电网络100内的部分服务。
电路测试闭合器130可以操作来以任何合适和已知的方式检测故 障，例如在预定数目的循环(cycle)内检测在阈值之上的电流。电路测 试闭合器130检测初始故障134的方式对于电路测试闭合器130的整个 操作来说并不重要，可以采用任何合适的故障检测方法。参照图2，在三 相配电网络200中，存在三相202、 204以及206。至少两个循环中存在过量电流，这表明相204中有故障。该故障导致电路测试闭合器(诸如 与三相202、 204以及206中的每一个相关联的电路测试闭合器130)断 开，以隔离该故障。接着，在开始重合处理之前，电路测试闭合器开始 确定故障是否被清除的过程。
尽管测试处理可以以三相中的任意一相开始，但可预测故障出现在 哪一相上并以该相开始该处理。在没有此知识的情况下，可以使用反复 试验处理。g卩，可以测试第一相202，如果未发现故障，则可以测试第二 相204等等，直到发现一相具有持久故障或者所有三相都没有故障(这 指示故障已经清除)。图2通过电流脉冲、测试电流环或"查验(ping)" 的方式图示了线路测试。通过闭合电流测试闭合器以受控方式并在一短 的时段(例如循环片段)内生成电流脉冲。分析产生的电流脉冲，并确 认相位上存在故障。如图2中所示出的，在约60个循环或l秒的时间段 上两次测试相204，两次测试都指示故障。所以，针对相202、 204以及 206的电路测试闭合器被封锁，直到采用修理措施清除了持久故障。
通过"查验"相，仅生成较小的瞬时测试电流环，例如图2中的测试 电流环208和210。这些较小的瞬时电流环不会将应力引入到配电网络 200中，仅有将线路闭合为故障才会引入应力。测试电路环足够来确定故 障是否已经被清除或者是否为持久故障。第一查验可以在初始故障之后 立刻发生，随后的査验在时间上等距隔开，或者根据进度被隔开，其中 查验之间的剩余时间段根据情况可以被縮短或延长。
除电路测试闭合器生成第二测试电流环时(如在测试电流环210'指 示的)，故障已经被清理之外，图3图示了与图2中相同的情形。倘若剩 下的相是无故障的，则针对此实施例假设电路测试闭合器闭合每一相来 为配电网络200恢复服务。电路测试闭合器可以以预定顺序和/或根据合 适的协议重合相，以减小闭合处理期间的电流异常。
如从前面讨论中所理解的，电路测试闭合器针对后面的故障隔离， 采用算法或协议，进行测试，并闭合以恢复服务，或者进行测试并且如 果检测到的故障为持久故障，则封锁。图4图示了可以釆用的方法400。 根据三个闭合的相(步骤402)，电路测试闭合器可以针对故障进行监控，或者其他诊断系统可以针对故障进行监控。即，诸如电路测试闭合器130
的电路测试闭合器可以包括足够的感应能力，来感应并确定它所连接到 的线路/相中故障的存在。另选的是，另一控制元件可以被布置在系统中， 来针对故障进行感应并做出控制决定。在这种结构中，电路测试闭合器
130可以包括通信链路，来控制元件接收影响电路测试闭合器130的操作 的操作命令和指令。
在一种情况下，针对故障监控每一相(步骤404)。在三个相中的一 个中不存在故障时，系统继续针对故障进行监控。 一旦故障发生(步骤 404)，电路测试闭合器可以响应于该故障确定是否断开这些相(步骤 406)。如果这些相仍然闭合，则系统继续针对故障进行监控(步骤404)。 否则，针对每个相的电路测试闭合器断开，以在被断开的所有三个相中 隔离产生的故障(步骤408，或者如果用户进行了选择，则进行单相隔离)。 然后，电路测试闭合器启动测试处理，以确定故障是瞬时的还是持久的， 如果为持久故障，则确定故障在哪一相上发生。
首先确定要测试哪一相(步骤410)。可以基于这样的情况进行确定， 即如果己经测试了一个或更多个相并发现它们无故障，则因此选择并测 试未测试的相中的剩余的相。初始地，电路测试闭合器和/或控制元件可 以具有相位可能有的故障发生之前该相位的操作特性的知识。在这种情 况下，可以确定首先测试可疑的相。确定了测试的相之后(步骤410)， 测试过程开始。此外，可以期望检査横跨要闭合的接触部分(即闭合器 接触部分)的电压零点。 一个替换为感应源侧电压的电压零点。源侧电 压感应具有只需感应闭合器的一侧的优势，但是准确性较低。更多准确 的互接触(cross-contact)电压感应或源侧电压感应的选择可以依赖于用 来生成测试脉冲的装置。
为了确定相是否经历了故障电流或负载电流，电路测试闭合器可操 作来以脉冲方式闭合相，以生成测试电流环。测试电流环是相是有故障 还是故障被清除的指示。为了生成测试电流环，横跨该相的电压被测量 以确定电压零点(VQ)(步骤412)。确定电压零点允许在电压波形中一点 处生成电流环，从而生成的电流环足够用来评估，但是不生成如果相被闭合到故障中和/或在电压波形的较小优势点处可能发生的过大的电流 环。电压波形上电压零点之后的优势点是这样的点，即该点具有足够的 电压来破坏弱绝缘并接近零点以在脉冲电流开始之后立即提供电流零 点。尽管它是有优势的并且可以期望选择电压波形的该点来生成电流环 以帮助控制电流环的特性，但是不需要如描述的那样选择该时刻。
已经确定了电压零点以后，则可以在电压零点后的时刻ti生成电流
环。图5中图示的电压波形500示出了电压零点后的时刻"处电压波形 500的递减部分上的点502。该电流循环由靠近电路测试闭合器的接触部 分的脉冲生成。即，电路测试闭合器内的接触部分在短时段(循环的片 段，但是足够长来在相中生成电流环)内聚集，并然后被分离。在图5 中还图示了响应于闭合该相的脉冲的电流环504。分析产生的电流环，以 确定它是否为负载或故障的指示(步骤416)。即，可以分析各种特性， 例如电流环的大小、电流环的形状、电流环的偏移，来确定相是否有故 障。
如果观察到的电流环的特性为负载和无故障状态的指示，并且所有 相都无故障(步骤418)，则所述三个相可以再次被闭合(步骤420)。在 该点处恢复服务，并且所有三个相被再次闭合(步骤402)。
如果指示有故障，则被测试的相仍断开，直到下一测试间隔(步骤 422)。然而，如果测试量超过预定值(步骤424，所述预定值例如为预置 的进行的测试的数目)，则该故障可以被认为是持久的并封锁该相(步骤 426)。否则， 一旦重合间隔过期(步骤428)，电流环生成处理重复。
对于重合间隔，该间隔可以由常量时间组成，例如在测试之间的范 围0.5-15秒中选择的时间段。另选的是，该间隔可以变化。例如，故障 后可以相对快速地(例如在0.5秒内)进行第一测试。如果检测到故障， 则可以在约1.5秒处进行下一测试，而在约15秒处进行第三测试等。可 以基于电路测试闭合器重置并准备另一测试的能力、基于与直到瞬时故 障清理的平均时间有关的历史数据、或者基于和设备特性数据和/或历史 系统统计数据不同的其他合适数据来选择精确的间隔和间隔之间正确的 时间增加率。可以指定超过测试量之前的测试数目，例如在n个测试后进行封锁。另选的是，测试量可以基于从故障起算的时间，例如故障后
封锁m秒。如果如随后的多个测试所指出的故障所识别出的，故障在持 续，则可以进行其他诊断以确定故障的类型和位置。
尽管描述了顺序的处理，即测试一相并然后移动到下一相，但是可 同时测试这些相。在这种情况下，针对每个相的电路测试闭合器可以基 本同时地以脉冲方式闭合，来生成测试电流环以供分析。此外，尽管方 法400描述为仅在每个相被确定无故障后重合三个相的每一个，但是可 能在确定该相无故障之后在移动到测试另一相之前单独闭合该相。
上面参考的图示中的电流环210、210'以及504典型地为这样的情况， 即在电路测试闭合器的上游或下游存在很少或没有电容负载。存在电容 负载时，电路测试闭合器的脉冲闭合所产生的电流环会表现得很不同。 图6图示了响应于脉冲闭合(即通过电路测试闭合器进行的"査验")的 电流环602和604。图6还与故障电流600成比例地图示了测试电流环 602和604。在每种情况下，上游都存在电容负载。测试电流环602在大 小和形状上为故障的指示。另一方面，测试电流环604为临时故障清除 后的负载的指示。图7图示了响应于脉冲闭合(即通过电路测试闭合器 进行的"查验")的电流环702和704。图7还与故障电流700成比例地图 示了电流环702和704。在每种情况下，上游和下游都存在电容负载。测 试电流环702在大小和形状上为故障的指示。另一方面，测试电流环704 为临时故障清除后的负载的指示。
应理解，针对各种负载状态的故障和负载电流环可以被特征化，并 被测试闭合器利用来从测试的相的故障状态确定负载状态。例如，平均
电流与短路电流的大小的比例相对较高(即，平均Itestb。,"l。"自)指
示永久故障的线路段。另选的是，平均电流与短路电流的大小的比例相 对较低(即，平均ItesU。。p^'Iw^)指示无故障的线路段。然而，可能 不总是能够知道短路电流，因此，可能不能够比较测试环电流和短路电 流。在这种情况下，可能用相对值定义测试。例如，与阈值(例如800amp) 相比较较高的测试环电流，和/或在较长持续时间内(例如对于闭合角度 120。的4ms)的高于较低阈值(例如100amp)的测试环电流，指示永久故障的段。相对较低的平均测试环电流(例如小于100amp)或者在相对 较短持续时间内的平均测试环电流(例如小于4ms)可以为无故障线路 的指示。
可以观察电流脉冲的其他特性来确定永久故障的存在。例如，可观 察电流脉冲的峰值电流。脉冲的峰值电流超过500A可以指示永久故障。 另选的是，作为故障电流的平方根(RMS)的百分比的峰值脉冲电流超 过33%可以指示永久故障。具有超过75*脉冲持续时间(ms)的峰值电流 并且超过4ms的持续时间的脉冲可以指示永久故障。
可观察电流脉冲的积分(integral)来指示永久故障的存在。例如， 具有超过2A，s的电荷的脉冲可以指示永久故障。类似地，具有超过0.001 倍RMS—fault_current (故障电流平方根)(A)的电荷的脉冲可以指示永 久故障。
电流脉冲的di/dt符号的变化数目可以为临时故障的指示器。脉冲的 di/dt具有超过10次的符号变化可以指示临时故障。类似地，脉冲的具有 奇数次符号变化的di/dt也可以指示临时故障。
电流脉冲期间在负载侧的平均电压可以为故障的指示器。电路测试 期间超过0.1pu的平均负载侧电压可以指示临时故障。另选的是，电路测 试期间超过0.033x (脉冲持续时间(ms)-4) +0.05的平均电压可以指示临
时故障。
电流脉冲的能量可以为故障的指示器。能量在1333，(脉冲持续时间 (ms)-4)并且持续时间超过4ms的脉冲可以指示永久故障。
电流脉冲I2t可以为故障的指示器。I2t超过1000A2t的脉冲可以指示 永久故障。I2t超过0.5x(Ix短路RMS-500)的脉冲也可以指示永久故障。
故障前负载电流和当前脉冲电流或参数的比值和/或当前脉冲的波 形可以指示故障。故障前负载电流可以与其他脉冲参数结合使用来增加 故障检测准确性。例如，平均电流超过2，I故障前负载RMS+100的脉冲 可以指示永久故障。可以使用峰值电流和电荷找到类似关系。
脉冲波形和具体波形的标识可以指示永久故障。标准差超过0.1的 规格化信号误差指示临时故障。信号误差可以被定义为实际测试环电流和理想纯电感电路的测试环电流之间的差。类似地，脉冲波形标识技术 可以被用来估计短路电流的大小。例如，知道脉冲的脉冲角度(e)和平 均电流，可能使用下面的等式估计短路电流-
T一j^_o - ")_
腿短路电流一I. —-2普si,
基于估计的短路电流的大小，可针对给出的最小吸动电流(pickup current)确定馈电线(feeder)是否有故障。将理解，还可以采用这些技 术的各种组合。
由故障隔离导致断电(de-energize)的电路将可能包括一个或更多个 电源变压器(例如图1， 104)。在特定环境中，电源变压器可能包括残留 通量。在不合适的重新激励的情况下，变压器芯可能被驱动为饱和状态、 引起类似于故障的电流。如果这在电流环生成期间生成以确定故障的持 久性，则故障测试闭合器可能在不存在故障的情况下指示永久故障。
可通过如这里描述的任意一种故障测试闭合器的实施方式那样配置 故障测试闭合器以跟踪变压器中的通量，来避免电流脉冲生成期间变压 器饱和。可以通过对激励电压积分来确定变压器磁通量。 一旦断电，电 压积分变成时不变的，并且积分所得的大小和极性提供了残留通量的直 接指示。当电压极性与残留磁通量相反时选择重新激励避免了初始激励 期间的浪涌电流(inrushcurrent)。
避免将变压器浪涌电流误解释为故障电流的另一种方法是如这里描 述的任意一种故障测试闭合器的实施方式那样配置故障测试闭合器，以 按顺序两次产生脉冲，对每个脉冲使用不同极性。故障将允许故障电流 在两个脉冲期间流动，而变压器浪涌电流不会在两个极性的脉冲期间都 流动。然而，为了避免在每个测试循环期间生成两个脉冲并且限制脉冲 操作的总数，可能初始使用单个脉冲极性并且只有第一脉冲指示可能有 故障时才重新产生脉冲。限制脉冲的总数的另一替换是在测试序列中对 除最后脉冲之外的所有脉冲使用单个极性。如果在序列的最后或可能的 紧接最后的脉冲处仍然指示故障，则最后的脉冲或最后的脉冲之后重新 产生的脉冲可以被用来确认可能的故障。
如所描述的，闭合器130可以包括控制器或者可以被耦合到包含用于提供故障测试功能的控制程序的控制器。可以结合这些控制器或者可 以结合其他进行控制与做决定的设备及技术来采用描述的各种测试。例 如，小波变换分析和神经网络可以被用来实现用于确定测试的线路段的 故障状况的这些或其他算法。在这种情况下，控制器适合于高效地区分 与各种故障状态下的故障线路相关联的电流脉冲波形和无故障的线路的 电流脉冲波形。如果在电路测试期间避免了下游变压器的饱和，则可以 提高准确性。变压器浪涌电流可能具有相对较高的峰值电流和较长的持 续电流脉冲，使得较难从临时故障中区分永久故障。通过基于通量大小 选择初始闭合角度可以减小饱和效应。因此，对于正的通量，可接受的 初始闭合角度刚好在紧随负的峰值电压的电压零点之前，而对于负的通 量，可以使用刚好在紧随正的峰值电压的电压零点之前的初始闭合。此 外，通过测试两个极性的电流脉冲可以减小源自饱和变压器的浪涌电流
的混淆(confUsion stemming)。故障线路将在两个极性都展示故障的脉冲 指示，而由浪涌电流导致的故障指示将至少在一个极性处不存在。
尽管前面描述了供接地系统中使用的基于单相的算法，但是该算法 可以被扩展到供未接地系统使用。通过首先将它应用于两个相中(使用 相到相电压——并同时闭合两极)，然后将它应用于第三极——但是只有 前两极无故障时才应用(使用相到地电压)，完成该扩展。
这里结合的和结合图2-4描述的配电系统100和方法采用了电路测 试闭合器，例如电路测试闭合器130。电路测试闭合器可以是机械设备、 机电设备、或固态电子设备。图8是电路测试闭合器800的横截面视图。 电路测试闭合器800包括具有静态接触部分804和动态接触部分806的 真空中断器802。如本领域所熟知的，接触部分804和806被布置在真空 瓶808中，并且动态接触部分806从真空瓶808向外耦合到绝缘的致动 杆810，通过互轮管(bellow) 812维持其真空。致动杆810耦合到包括 主致动器816和辅致动器818的致动器组件814。如本领域所熟知的，真 空中断器802、绝缘致动杆810以及致动器组件814被布置在合适的外壳 (未描绘)内。如这里所描述的，还可以提供与合适控制程序相结合的 处理器来控制电路测试闭合器800的操作。图9是致动器组件814的放大图。操作元件被保留在一对端板820 和822 (该对端板820和822在被纵向螺杆824与螺帽826固定)之间并 在多个钢定子(stator)构件828内。主致动活塞830可以在致动器组件 814内从断开位置轴向滑动到闭合位置(图9中图示的为闭合位置)。主 致动活塞830耦合到弹簧保持器832，来保持绕主接触套圈(ferrule) 836 布置的主^触压縮弹簧834。通过保持断开磁体838使主致动活塞830保 持断开，并且可以通过激励主活塞线圈840而来提供磁力克服保持断开 磁体838的力和主致动活塞830的内部移动摩擦阻力，将主致动活塞830 驱动到闭合位置。主致动活塞830、弹簧保持器832、主接触压縮弹簧834 以及主接触套圈836被安排为一同从断开位置移动到闭合位置，直到接 触部分804和806接通，这时主接触套圈836停止。 一旦接触部分804 和806接通，主致动活塞830继续移动通过可移动接触部分806啮合真 空中断器802的静态接触部分804的位置，从而主接触压縮弹簧834被 压缩，分别在静态接触部分804和可移动接触部分806上提供需要的接 触力。通过主致动活塞保持闭合磁体842将主致动活塞830保持在闭合 位置。
为了断开接触部分804和806，结合接触压縮弹簧834的力，用和 极性相反的足够电流给主活塞线圈840施以脉冲，来克服主致动活塞保 持闭合磁体842的力，并且主致动活塞830向断开位置移动。主致动活 塞830持续向断开位置移动，并且弹簧保持器832碰撞螺接到主接触套 圈836的端部上的弹性螺帽844，这样，将接触部分804和806拉为断开。
辅致动器818包括用于在主接触套圈836和主接触压縮弹簧834上 滑动而布置的辅传动活塞846。通过辅传动保持闭合磁体848将辅传动活 塞846保持在闭合位置。在保持的闭合位置中，辅传动活塞846压縮辅 传动活塞846的轴肩(shoulder)部分852和固定到致动器组件814的端 部的弹簧保持器854之间的辅传动压缩弹簧850。在电路测试闭合器800 的正常断开和闭合操作中，辅传动活塞846被保持在闭合位置。
在故障导致主致动活塞830移动到断开位置并由此断开了接触部分 804和806之后，电路测试操作被设置为开始。向主致动器816施以脉冲，并且在主致动活塞线圈840中产生磁力克服主致动活塞保持断开磁体 838。主致动活塞830与主接触套圈836和经由绝缘连接杆810耦合的可 移动接触部分806 —起移向闭合位置。在主致动活塞830开始移向闭合 位置后不久，辅致动器818被施以脉冲，在辅传动活塞线圈858中产生 磁力，将辅传动活塞846从保持的闭合位置拉幵。辅传动活塞846开始 被辅传动压縮弹簧850驱动，在与主致动活塞830相反的方向上移动。 主致动器816的脉冲影响接触部分804和806的闭合，以生成短电流环。 如上面所描述的，主致动器816的脉冲可以被定时，从而接触部分804 和806在电压波上紧随电压零点的特定点处闭合。
也控制主致动器816和辅致动器818的脉冲之间的定时，以确保主 致动活塞830和辅致动器846之间的碰撞几乎与接触部分804和806的 闭合瞬时发生。在接触点处，主致动活塞830继续向闭合位置运行，以 充压主接触压縮弹簧834。接触部分804和806保持接触。现在，辅传动 活塞846比主致动活塞830运行得快得多，并且一旦碰撞，就由至少部 分充压的主接触压縮弹簧834进一步提供能量来向断幵位置驱动主致动 活塞830。随着主致动活塞830向断开位置运行，如正常操作那样，与螺 接到主接触套圈836的端部的弹性螺帽844的碰撞将接触部分拉为断开。 主致动活塞830和辅传动活塞846之间的碰撞在主致动活塞830上创造 了足够碰撞力，来将其朝断开地向回驱动，并与弹性螺帽844碰撞以达 到接触部分804和806的分离以及足够的断开间隙来消除电弧。辅致动 器818的脉冲的定时、向正在前进的主致动活塞830撤回辅传动活塞846 的运行时间、主致动活塞830的反向运行以及主致动活塞830与弹性螺 帽844碰撞可以足够精确，导致接触部分804和806基本在电流环零点 (例如见上面的电流环210、 201，以及504)处断开。 一旦接触部分804 和806断开，并通过主致动活塞保持断开磁体838将主致动活塞830保 持在它的保持断幵位置，可以向辅致动器818施以脉冲来将辅传动活塞 846返回到它的保持闭合位置。
图10图示了可在电路测试闭合器800内操作的致动组件1014的可 替换实施方式。致动组件1014包括主致动器1016和辅致动器1018。致动组件1014在和致动组件814相同原理下进行操作，所述原理为在生成 测试电流环之后并与电流环零点基本合拍地提供接触部分804与806相 对于电压波的协调闭合，和接触部分804与806的几乎瞬时的断开。在 这种概念中，故障后，主致动器1014被保持断开，其中通过主致动活塞 保持断开磁体1038保持主致动活塞。在由辅传动活塞保持闭合磁体1048 将辅传动活塞1046保持在闭合位置的情况下，辅致动器1018位于闭合 位置。向主致动器1016施以脉冲，来朝闭合位置驱动主致动活塞1030， 将主接触套圈1036和可移动接触部分806移向闭合位置。向辅传动线圈 1058施以脉冲，来拉开辅传动活塞1046。和上面针对致动器814所描述 的一样，将辅传动线圈1058的脉冲的定时定时为使辅传动活塞1046与 主致动器1016的碰撞和接触部分804与806的接触几乎瞬时发生。然而， 致动器1014的不同在于，用凹槽(recess) 1060和接触面1062形成辅致 动器，在所述凹槽内，主接触套圈1036纵向滑动。还用轴肩1064形成 主接触套圈。在接触面1062啮合轴肩1064的情况下，辅传动活塞1046 直接碰撞主接触套圈1036。该碰撞驱动接触部分804和806断开。但是， 在碰撞处，主致动活塞1030仍然移向闭合位置。在被套圈1036上的辅 传动活塞1046初始碰撞后不久，辅传动活塞1046碰撞主致动活塞1030， 将其朝断开位置向回驱动。两种碰撞的组合朝断开位置驱动主致动活塞 1030、主接触套圈1036以及动态接触部分806，创造了足够的间隙来消 除与电流环零点几乎瞬时出现的电弧。在主致动活塞1030和主接触套圈 1036保持在断幵位置的情况下，可以向辅传动活塞1046施以脉冲，使其 回到它的正常闭合位置。
需要调和的接触闭合和断开，以确保在接触部分804和806之间创 造足够的间隙来消除测试电流环弧。即使在故障时，特别是和满故障电 流相比较时，测试电流环在大小上较小，在持续时间上较短。因此，比 需要来消除满故障电流弧的间隙更小的间隙将令人满意地消除测试电流 环弧，例如约3-4mm可以是足够的。然而，即使接触早发生或晚发生几 毫秒，感生的较小环都将或者太小而不能获得用于清除的足够断开间隙， 或者在大小上太大，由此使上游电源系统遭受相当大的故障电流。电路测试闭合器800的保持断开磁体安排被采用为断开闭锁机制。保持断开 磁体安排在设备的生命过程中提供一致的断开力。此外，闭合器800允 许主致动活塞不受阻碍地向闭合运行，直到接触。采用如针对闭合器800 示出的保持断开磁体安排，考虑了这样的设计，即可以在+/-11113的公差 内获得多次接触。在此接触范围内感生的测试电流环在大小上都足够小， 以达到电路测试的目标，并且在持续时间上足够大，以允许有充足时间 发生接触分离。
图11和图12图示了电路测试闭合器1100。该电路测试闭合器包括 主接触部分1102和辅助接触部分1104，每个接触部分分别耦合到主致动 器1106和辅助致动器1108。如图11中所示出的，接触部分1102和1104 都位于完全断开位置。接触部分1102和1104可以针对正常操作开始接 触，在图12中，主接触致动器1106中的偏动弹簧1110提供了接触力。 偏动弹簧1110还提供柔度(compliance),所述柔度最小化了被传输到主 致动器1106的碰撞力。
主致动器1106和辅助致动器1108中的每一个包括电磁线圈1112和 1114，用于分别相对于基底1120和1122驱动电枢(armature)组件1116 和1118。各个电枢组件1116和1118的移动导致接触部分1102和1104 相互朝向或相互远离的对应移动。这样，接触部分1102和1104可以被 接通来导致短接触，以生成测试电流环。
故障后，接触部分1102和1104分别位于它们各自的完全断开位置。 为了生成测试电流环，将辅助致动器激励到它的闭合位置，由此将主接 触部分1102和辅助接触部分1104之间的间隙1124减半。主致动器1106 被激励来导致主接触部分1102闭合并与辅助接触部分1104接通。主致 动器1106的定时是这样的定时，即主接触部分1102和辅助接触部分1104 刚好在电压波上的电压零点之前接通。主接触部分1102碰撞辅助接触部 分1104。该碰撞移开辅助电枢组件1118，并充分断开辅助接触部分1104， 辅助致动器1108中的断开弹簧1124 (在约2ms内)完全断幵辅助接触部 分1104。还可以向辅助致动器1108施以脉冲，来使其刚好在接触之前到 达断开位置，以减小保持力，从而接触1102和1104接触到一起的更多的碰撞能量可以获得来加速辅助接触部分1104离开主接触部分1102。
碰撞后，主接触部分1102继续向它的完全闭合位置运行。现在，辅 助接触部分1104位于它的完全断开位置。尽管间隙不是完全断开间隙， 但是足够来消除测试电流环弧。出于封锁的目的，在断开弹簧1128的帮 助下，主致动器1106将主接触部分缩回到它的完全断开位置。
参照图13，闭合器1300包括机电切换设备1302 (例如真空中断器 组件)和耦合在配电系统1306的供给侧1306与负载侧1307之间的电流 脉冲生成器1304。 一旦故障检测隔离了故障并且一旦清除了故障，切换 设备1302可操作来携带相对较高的电流负载，以重合线路段恢复服务。 电流脉冲生成器1304可以是一对可控硅整流器(SCR)或三端双向可控 硅开关(图14)。故障检测和隔离后，为了测试电路，即为了生成电流脉 冲，在电源-频率电压波上的卯和150度之间开启SCR对(Q1或Q2) 中的任一个。可以在其后但是在第一电源-频率电流零点之前的任意点处 移除选通信号。延迟选通信号的移除可以有益地防止不期望的可能欺骗 检测算法的较早电路清除。当产生的较小的电流环穿过零点时，非选通 SCR关闭，并且分析产生的较小电流环来确定电路是否有故障。
在图13图示的实施方式中，电流脉冲生成器1304不携带连续电流。 可以通过控制器1308或其他合适的控制手段提供真空中断器1302和电 流脉冲生成器1304的控制。然而，SCR可以携带连续电流、切换负载， 并中断故障。因此，对于特定应用，特别是对于诸如120V-600V电压的 利用，可消除开关设备1302并仅利用电流脉冲生成器1304来提供电流 携带功能、负载转换、故障中断以及测试电流脉冲生成。尽管图14图示 单个SCR对，但是可以使用串行串禾B/或串行/并行串。
单个SCR可以被用来替换图14中描绘的三端双向可控硅开关安排。 在这种安排中，开关设备1302被用于所有正常转换，而SCR未被选通。 开关设备1302可以用于故障中断，其中在故障中断期间SCR未被开启。 如果SCR用于故障中断，则断开操作应该被定时，从而幵关设备1302 刚好在正的流动电流(going current)上的电流零点之后断开。然后，SCR 被选通，并且电流传递到SCR中。当SCR在下一电源-频率电流零点处中断电流时，开关设备1302的接触部分必须移动得足够快，来抵抗瞬时 恢复电压。对于电路测试，除了只有一个SCR的一个极性可以被确认之 外，如上面描述的那样开启和关闭SCR。
当与机电开关设备(例如通过常规磁致动器驱动的真空中断器)、固 体开关(例如SCR) —起使用时，可以在没有这些机制的情况下，在电 流零点处提供精确的波上点(point-on-wave)闭合和中断。仅使用SCR 来在一个方向传导的实施方式可以证明在中等或较低电压(例如4kV或 以下)处更经济并且可行。此外，因为不关心机械磨损，所以相对于机 电开关设备，固态转换部件允许在闭合或封锁之前进行多得多的电路测 试。
尽管本公开可以进行各种修改和替换形式，但是还是通过这里描述 的实施方式和图中的实施例以示例的方式示出了特定实施方式。然而， 应该理解，本公开并不意图将本发明限制在描述的具体形式，相反，本 发明意图覆盖所附权利要求书限定的所有修改、替换以及等同物。
还应该理解，除非在本发明中使用语句"如这里使用的，由此定义的 术语'—'意思是"或类似语句来在表达上定义，否则并不意图在表达上 或通过含义来限制该术语的意思超过它的简单或普通的意思，并且不应 该将该术语解释为限制在基于本发明的任何段落中做出的任何表述(不 同于权利要求书的语言)的范围内。本发明最后的权利要求书中引用的 任何术语以和单个意思一致的方式被本发明引用，这样做仅仅是为了清 晰，从而不会混淆读者，并且不意图通过含义或其他限制将该要求保护 的术语限制为所述单个意思。除非通过引用词语"方法"和未引用任何结 构的功能来定义要求保护的元件，否则没有这样的意图，即基于35 U.S.C.&112，第6节的应用来解释任何要求保护的元件的范围。
权利要求
1.一种闭合配电电路的方法，所述方法包括通过瞬间闭合所述电路在所述电路中生成测试信号；根据所述测试信号确定故障的存在；以及在不存在故障时闭合所述电路。
2. 如权利要求l所述的方法，其中生成测试信号包括在所述电路中 生成测试电流环。
3. 如权利要求l所述的方法，其中生成测试信号包括提供包含第一 接触部分与第二接触部分的闭合器、使所述第一接触部分和所述第二接 触部分之间接触，以及碰撞所述第一接触部分或所述第二接触部分中的 一个，来与所述第一接触部分和所述第二接触部分之间的接触基本同时 地分离所述第一接触部分和所述第二接触部分。
4. 如权利要求3所述的方法，其中碰撞所述第一接触部分或所述第 二接触部分中的一个包括碰撞与所述第一接触部分和所述第二接触部分 中的所述一个相关联的致动器的部分。
5. 如权利要求3所述的方法，其中碰撞包括将与所述第一接触部分 或所述第二接触部分中的所述一个相关联的致动器的部分和所述第一接 触部分或所述第二接触部分的致动器的部分进行碰撞。
6. 如权利要求3所述的方法，其中碰撞包括碰撞所述第一接触部分 或所述第二接触部分中的一个，来与感生测试电流环的电流零点基本同 时地分离所述第一接触部分和所述第二接触部分。
7. 如权利要求1所述的方法，其中生成所述测试信号包括确定所述 电压波的电压零点，和相对于所述电压零点瞬间闭合所述电路。
8. 如权利要求7所述的方法，其中确定电压零点包括横跨提供所述 故障断开的接触部分来确定电压零点。
9. 如权利要求7所述的方法，其中确定电压零点包括在提供所述故 障断开的接触部分的源侧上确定电压零点。
10. 如权利要求7所述的方法，其中生成所述测试信号包括在所述电压零点之前瞬间闭合所述电路。
11. 如权利要求l所述的方法，所述方法包括 通过瞬间闭合所述电路在所述电路内生成第二测试信号； 根据所述第二测试信号确定所述故障的存在；以及 在所述故障不存在时闭合所述电路。
12. 如权利要求1所述的方法，其中评估所述测试信号包括评估所述测试信号的大小或持续时间。
13. 如权利要求1所述的方法，其中评估所述测试信号包括将平均 测试信号电流和短路电流进行比较。
14. 如权利要求1所述的方法，其中评估所述测试信号包括将平均 测试信号电流和电流阈值进行比较。
15. 如权利要求1所述的方法，其中评估所述测试信号包括将平均 测试信号持续时间电流和持续时间阈值进行比较。
16. 如权利要求1所述的方法，其中评估所述测试信号包括评估从 信号特性组中选择的所述测试信号的特性，所述信号特性组包括测试 信号电流脉冲峰值电流、测试信号电流脉冲的积分、测试信号电流脉冲 的di/dt的符号的改变数、测试信号电流脉冲期间所述负载恻的平均电压、 测试信号电流脉冲的能量、测试信号电流脉冲I2t、故障前负载电流和测 试信号电流脉冲的比值以及测试信号电流脉冲的波形。
17. —种电路测试闭合器，该电路测试闭合器包括第一电接触部分，所述第一电接触部分相对于第二电接触部分可以 从所述接触部分未接通的断开位置移动到其中所述接触接通的闭合位置；耦合到所述第一接触部分的第一致动器，所述第一致动器具有对应 于所述第一接触部分位于所述闭合位置的第一位置，和对应于所述第一 接触部分位于所述断开位置的第二位置；第二致动器，所述第二致动器可相对于所述第一致动器可移动，以 将所述第一致动器的第一位置与所述第一致动器啮合，来在所述第一致 动器上引入碰撞力以将所述第一致动器向所述第一致动器的第二位置驱动；以及针对相对于所述第一致动器的操作对所述第二致动器进行定时，以 与所述第一致动器到达所述第一致动器的第一位置基本同时地引入所述 碰撞力。
18. 如权利要求17所述的电路测试闭合器，针对相对于电压零点的 操作对第一致动器进行定时。
19. 如权利要求17所述的电路测试闭合器，所述第一致动器和所述 第二致动器是可电磁致动的。
20. 如权利要求17所述的电路测试闭合器，所述电路测试闭合器包 括第一偏动构件，用于将所述第一致动器保持在所述第一位置；和第 二偏动构件，用于将所述第一致动器保持在所述第二位置。
21. 如权利要求20所述的电路测试闭合器，其中所述第一偏动构件和所述第二偏动构件分别包括第一磁体和第二磁体。
22. 如权利要求20所述的电路测试闭合器，其中所述第一偏动构件和所述第二偏动构件分别包括第一弹簧和第二弹簧。
23. 如权利要求17所述的电路测试闭合器，所述电路测试闭合器包括耦合到所述第一致动器和所述第二致动器的真空中断器，所述真空中 断器包括所述第一电接触部分和所述第二电接触部分。
24. 如权利要求23所述的电路测试闭合器，所述第二电接触部分可 相对于所述第一电接触部分移动，所述第二电接触部分被耦合到所述第 二致动器。
25. —种电路测试闭合器，所述电路测试闭合器包括-第一电接触部分和第二电接触部分，所述第一电接触部分相对于所述第二电接触部分可移动来进行接触或不接触，所述第一电接触部分和 所述第二电接触部分适合于耦合到配电系统的第一导电体和第二导电 体；耦合到所述第一接触部分的致动器组件，其将所述第一接触部分相 对于所述第二接触部分从其中所述第一接触部分和所述第二接触部分接 通的第一位置移动到其中所述第一接触部分和所述第二接触部分未接通的第二位置；以及致动器，所雄致动器可操作来将所述第一接触部分从所述第二位置 移动到所述第一位置，来在所述配电系统中生成测试电流环。
26. —种电路测试闭合器，所述电路测试闭合器包括-耦合在配电系统的供给侧和负载侧之间的故障隔离开关设备；以及 耦合到所述开关设备的电流脉冲生成器，所述电流脉冲生成器在故障隔离后在所述配电系统中生成用于测试所述配电系统的电流脉冲。
27. 如权利要求26所述的电路测试闭合器，其中所述电流脉冲生成器包括固体开关。
28. 如权利要求26所述的电路测试闭合器，其中所述电流脉冲生成器和所述故障隔离开关设备包括固体开关。
29. 如权利要求26所述的电路测试闭合器，其中所述电流脉冲生成 器包括可控硅整流器。
30. 如权利要求26所述的电路测试闭合器，其中所述电流脉冲生成 器和所述故障隔离开关设备包括可控硅整流器。
31. —种闭合配电电路的方法，所述方法包括 通过瞬间闭合所述电路以生成具有第一极性的电流环来在所述电路中生成第一测试信号；根据所述第一测试信号确定故障的存在；一旦指示故障，就通过瞬间闭合所述电路以生成具有和所述第一极 性相反的第二极性的电流环来在所述电路中生成第二测试信号； 根据所述第二测试信号确定故障的存在； 以及在故障不存在时闭合所述电路。
32. 如权利要求31所述的方法，所述方法包括在所述电路中生成多 个第一测试信号；根据所述多个第一测试信号的各第一测试信号确定故障的存在；以及然后生成所述第二测试信号。
33. 如权利要求31所述的方法，所述方法包括生成测试信号序列， 所述测试信号序列包括至少一个第一测试信号和至少一个第二测试信 号。
34. 如权利要求31所述的方法，所述方法包括将所述第二测试信号 生成为第一测试信号序列的最后一个测试信号。
35. 如权利要求31所述的方法，所述方法包括将所述第二测试信号生成为测试信号序列的倒数第二的第一测试信号之后的最终测试信号。
36. 如权利要求31所述的方法，所述方法包括仅当所述第一测试信号为故障的指示时生成所述第二测试信号。
37. —种闭合配电电路的方法，所述方法包括 通过瞬间闭合所述电路以生成具有和变压器残留通量相反的极性的电流环来在所述电路中生成测试信号；根据所述测试信号确定故障的存在；以及 在故障不存在时闭合所述电路。
38. 如权利要求37所述的方法，所述方法包括将变压器残留通量确 定为生成所述测试信号时或刚好在生成所述测试信号之前的电压积分的 积分所得的极性。
39. —种电路测试闭合器，包括故障隔离开关设备，所述故障隔离开关设备耦合在配电系统的供给 侧和负载侧之间；以及耦合到所述故障隔离开关设备的电流脉冲生成器，所述电流脉冲生 成器在故障隔离后，为了测试所述配电系统，在所述配电系统中生成具 有第一极性的第一电流脉冲和具有第二极性的第二电流脉冲。
40. 如权利要求39所述的电路测试闭合器，其中电流脉冲生成器包括与所述故障隔离开关设备耦合的致动器。
41. 如权利要求39所述的电路测试闭合器，所述电路测试闭合器能够被操作为仅当所述第一电流脉冲的测试结果指示故障时生成所述第二 电流脉冲。
42. 如权利要求39所述的电路测试闭合器，所述电路测试闭合器能够被操作为将所述第二电流脉冲生成为电流脉冲序列的电流脉沖。
43. 如权利要求39所述的电路测试闭合器，所述电路测试闭合器能 够被操作为在第一电流脉冲序列后生成所述第二电流脉沖。
44. 如权利要求39所述的电路测试闭合器，所述电路测试闭合器能 够被操作为将所述第二电流脉冲生成为电流脉冲序列的最后一个电流脉 冲。
全文摘要
一种电路测试闭合器能够闭合配电电路并在下一电流零点中断产生的电流。一旦检测到故障，所述电路测试闭合器可操作来断开接触以隔离所述故障。接着，所述电路测试闭合器测试故障的线路，以确定是否已经清除了所述故障。所述电路测试闭合器可以生成具有第一极性的第一测试信号和具有与所述第一极性相反的第二极性的第二测试信号。所述第二测试信号的生成可以被限制为当所述第一测试信号指示了故障时发生。
文档编号H02H11/00GK101297447SQ200680039930
公开日2008年10月29日 申请日期2006年10月3日 优先权日2005年10月27日
发明者亚历杭德罗·蒙特内格罗, 克里斯多佛·R·莱托, 约翰·C·奥普弗, 雷蒙德·P·奥利里 申请人:施恩禧电气有限公司