受控开关设备及其使用方法与流程

本发明通常涉及到电气工程领域。本发明特别涉及一种减少由三相断路器(CB)控制的电力变压器通电时产生涌流大小的设备和方法，三相断路器的三个极同时动作，也被称为三极联动断路器或组合联动断路器。这项专利也可以应用于独立动作的单极断路器，可同时闭合所有三个电极。本发明也涉及到受控开关设备(CSDs)及其使用方法。

背景技术：

电力系统通常包括几个电力变压器装置。这样的电力变压器可以用作升压或降压变压器，这意味着他们是用来增加或减少一个电路的电压水平。电力变压器通常被电力公司用于发电、输电和配电等应用，也被应用于大型能源消费者，例如但不限于工业、石油和天然气、铁路运营商、大型建筑物和设施。

当一个电力变压器断电时，剩余磁通可能留在电力变压器的核心。众所周知，通常由于剩余磁通，变压器不受控制的激发有可能产生涌流，涌流可达到变压器的额定电流值的数个数量级。这样的情况可能会对电气设备增加或产生压力，这些电气设备包括但不限于电力变压器和相关的断路器。带来的压力可能导致这些设备过早的损坏，可能会影响电力系统或发电厂的可靠性，也可能导致大停电或发电厂停机。

很多年来，各种技术被发展用来减轻和(或)减少涌流事件。一项著名的用来缓解电力变压器涌流的技术是使用配备预插入电阻或合闸电阻的断路器。当前另一项减轻涌流的技术是使用断路器的时候同时使用滤波电感器。然而，这两个已知的技术需要使用更复杂的具有附加组件的断路器，结果证明很大程度增加了安装和维护成本。因此，众所周知，这些机械附件增加了维护操作的频率，降低了整体的可靠性。

一篇题为“通过控制开关消除变压器涌流-I和II部分”的文章发表在期刊《美国电气和电子工程师协会-电力传输学报》(IEEE transactions on power delivery)上，2001年4月的第16卷第2期，该文章公开了一种使用控制开关技术的新方法。文中描述了一种对断路器合闸进行控制的方法，基于变压器剩余磁通的大小和极性进行计算得到一个精确的电角值。这篇文章也证明使用同步电极动作的断路器可能减轻在合闸断路器时由于剩余磁通而产生的涌流。这种方法可能通过在一个最佳点同时合闸CB的三个相来实现，这个最佳点是与剩余磁通模式相关的函数。这种技术需要知道三个相中的剩余磁通，其中两相的剩余磁通大小要高于确定的阈值，而且要遵循典型的剩余磁通模式(+r-r 0)。因此，这种技术限制了这种方法的使用范围。

另一篇文章，题为“考虑到核心剩余磁通量的变压器可控制开关：一个真实案例的研究”,2002年发表在国际大电网会议(CIGRE)13–201论文集上，该文显示了在已证明领域使用上述技术的结果。使用具有独立动作极的断路器进行可控开关已证明能够有效地消除涌流。这种方法使用的断路器具有不同的关闭电角，根据变压器核心剩余磁通进行计算(延迟合闸策略)。变压器的每个相由于断电所产生的剩余磁通，对变压器电压进行数学积分计算得到。当电力变压器通电时，也采用这种方式对断路器的闭合角进行调整，从而使预期的通电所产生的磁通与这个相中剩余磁通相匹配或相等。在第一个相被合闸之前，电压零交叉边缘之后的n个半周期，合闸其他两个相。

虽然这两篇文献显示了使用具有独立动作电极的断路器减轻涌入电流的方法是有效的，但是需要为同步动作断路器寻找一个类似的方法。例如，中压系统中安装的很多变压器使用了三相断路器，这些断路器的三个电极是同步动作的。

美国专利US8310106公开了一种减轻电力变压器通电时产生涌流的方法，通过使用三相同时合闸的断路器或无相分离操作型断路器，不使用具有电阻器或其他设备的断路器。美国专利US8310106的这个方法规定了一个特定的使用范围，这里所有的三个相必须同时通电以减轻涌入电流。这个特定的使用范围也被规定该区域中所有三个相的稳态磁通和剩余磁通的极性要一致。同时，所述的这种方法规定了在特定的区域内标记的点，是稳态磁通和剩余磁通的交点，对于三相变压器中剩余磁通最小的相。另外，这个方法还规定了另一个点，就是三个相应该同时合闸。这一点是相的稳态磁通达到峰值时具有最大的剩余磁通。这种方法有一定的局限性，因为存在以下情况，即对于所有三个相，稳态磁通和剩余磁通的极性在同一区域不能达到一致。例如，如果电力变压器中不是采用三角形接法，三个剩余磁场通量之和总是不为0，它们都具有相同的极性。另外，也没有什么可以保证三个相中剩余磁通最小的相的稳态磁通和剩余磁通的交点总是处于特定的领域之内，如美国专利US8310106权利要求项1所描述的那样。

因此需要开发一个新技术用来减轻现有技术中的缺点，目的是减少瞬变，比如但不限于变压器通电所产生的涌流和电压瞬变，因为使用了具有联动电极动作或三相独立电极断路器(即所有三个相因某个特定事件而同时动作)，而不管所说的变压器内的磁通量模式如何。因此，有一个需要来支持所有可能的变压器配置，例如但不限于Y-Δ、Y-Y、Δ-Δ和Δ-Y，具有浮动或接地中性线，以及任何向量组。

技术实现要素：

本发明涉及通过控制断路器(3)的合闸来实现控制电力变压器(5)的可控开关的设备和方法，断路器(3)具有三相联动或独立电极动作(所有三个相同时动作)，目的是减少变压器通电所产生的涌流。更具体地说，这些设备和方法可以确定断路器(3)的最优电气开关角，根据变压器核心的每个相在先前断电时所产生的剩余磁通量。每个相的剩余磁通量是通过对变压器电压的数学积分计算得到，变压器电压采用仪器互感器(6或选择性8)进行测量。对每个剩余磁通量进行计算后，受控开关装置将确定断路器的关闭角，由此对应于具有最小剩余磁通的相。由于采用这种方法，受控开关装置能够在最佳电角时闭合断路器，然后实现在变压器通电时涌流的减少。

根据本发明的一个目标，本发明公开了一种用来降低电力变压器(5)通电时产生涌流的方法，该电路中含有具有三极联动(3)或独立电极动作(所有三个相同时动作)的断路器。该方法包含的步骤为电路提供一个受控开关装置(7)用来给断路器(3)发送一合闸命令，目的是使其机械操作达到同步从而减少涌流。在这个例子中，CSD被连接到变压器高压侧的电压互感器(6)或选择连接到低压侧的电压互感器(8)上。该方法可实现变压器的开关可控。优选的方案是，当变压器中具有三相联动或独立电极动作(所有三个相同时动作)的三相断路器开闸或电力变压器未通电时，该方法允许所述的断路器在一最佳电角时重新合闸从而减少涌流。

目前所公开的内容可应用于变压器任何类型的连接，可以但不限于Y-Δ、Y-Y、Δ-Δ和Δ-Y，具有浮动或接地的中性线，以及任何向量组。

本发明的另一个目标，该方法在此进一步公开了以下步骤，调整CSD以在最佳电角时合闸电路的断路器，从而减少电力变压器通电时所产生的涌流。

本发明的进一步目标，受控开关设备被连接到任何空载的电力变压器。然后该方法进一步包括了以下步骤，通过测量变压器高压侧和低压侧的电压来计算变压器磁芯内的剩余磁场通量，从而计算CB的最优电气关闭角。

本发明的另一个目标，这里公开的方法包含了以下步骤，当知道变压器的剩余磁通时，减少由具有三极联动或独立电极动作(所有三个相由某个原因而同时动作)的三相断路器所控制的电力变压器通电时所产生的涌流。

本发明使用CSD控制电力变压器通电，通过在最佳电角时合闸具有同步电极动作或独立电极动作(所有三个相由某个原因而同时动作)的三相断路器，从而减少电路中的涌流。

所述的涌流减少是通过使用一受控的开关装置实现的，或者称为点波(POW)控制器。

正如在现有技术中所发现的，变压器每次断电时，比如接收到跳闸保护信号或自发的命令或电力系统的电压损失，剩余磁通都可能会留在变压器磁芯的每相中。为了优化下一次通电时减轻涌流，所述的剩余磁场通量必须被考虑用来计算最优电角，在此时合闸断路器。本专利提供的方法是，每次变压器断电时，测量变压器高压侧或低压侧的电压，然后计算剩余磁通，然后信息由受控开关装置进行处理。此外，根据剩余磁通信息，受控开关装置将能够确定最优合闸角，为之后变压器通电做准备，因此可以最优地减少涌流。

在本发明的另一个目标，一种可以最优地减轻变压器通电所产生涌流的方法，变压器由电路中具有三极联动或独立电极动作(所有三个相由某个原因而同时动作)的三相断路器进行控制。这样的电路包括断路器(具有三极联动或独立电极动作(所有三个相由某个原因而同时动作))、由电流供电的空载电力变压器，该方法包括以下步骤，为电路提供一受控开关装置，其能够根据变压器的剩余磁通给断路器发送开闸或合闸命令，从而减少进入电路的涌流。

本发明的进一步目标，该方法可能会进一步使用以下步骤，确定最低磁通同时合闸策略(MFSCS)以用来为变压器通电。这个策略是基于在一角度合闸断路器,这个角度要与变压器核心的最低剩余磁通相符合。

这个方法可能进一步包含，在进一步计算变压器核心所有三个相的剩余磁通量的基础上，自动调整断路器的电气开关角。

本发明的另一个目标，公开了在包含三相断路器(具有三极联动或独立电极动作(所有三个相由某个原因而同时动作))的电路和电力变压器中使用CSD。其中CSD是适应于给断路器发送合闸命令，从而控制电力变压器的通电，目的是使断路器合闸的机械操作达到同步，减少进入电路的涌流，该电路包含受控开关装置和至少一个变压器。

本发明的特性被认为是新颖的，在附加权利要求项中体现了其特性。

附图说明

本发明的上述和其他目标、特征和优点会通过以下附图的说明和参考变得更加清楚：

图1用图形说明了涌流是关于时间的函数的一个例子(现有技术)；

图2说明了一个典型的电力变压器的电路，变压器由具有联动电极动作的三相断路器控制，包括一受控开关装置；

图3用图形说明了一个示例，显示了三相电压信号与相关的变压器内部的磁通量之间的关系；

图4用图形说明了一个示例，显示了剩余磁通的最佳关闭角，相对应的通量模式为(+0.25,-0.75,+0.5)，分别对应A、B和C相。

具体实施方式

以下将描述一种新型的受控开关装置及其使用方法。尽管本发明以特定实例进行描述说明，需要明白的是本文所描述的实施例仅作为例子参考，本发明的应用范围并不局限于此。

这项发明涉及的是通过使用CSD控制断路器的动作来开关电力变压器，以减轻和(或)消除涌流，其中CSD根据变压器核心的剩余磁通的大小和极性自动确定断路器的最优电气开关角。CSD通过对变压器断电时高压侧和低压侧所测得的电压进行数学积分来评估剩余磁通。

对于图2，展示了一个实例，电路连接到变压器(5)，变压器又连接到电压源(1)，变压器的高压侧使用一断路器(3)，这样的安装通常包括CSD(7)和仪表互感器(6或选择性8)。断路器(3)控制变压器(5)的通电。

本发明提供了一种新的方法在最佳电角时对空载电力变压器进行通电，以减轻/减少涌流。在优选的实施例中，CSD使用电力变压器所有三个相中的剩余磁通的水平，运行计算机程序实现一个可以减少涌流的算法。在这个实施例中，电力变压器可能是三个单相变压器或一三相电力变压器。这样的方法应用于具有三极联动极动作的断路器，为电力变压器通电。

对于图3，举例说明了三相电压A(30)、B(31)和C(32)的振幅和磁通量振幅A(33)、B(34)和C(35)的三个相。这些值的单位用pu(per unit)来表示。可以看出磁通量比电压滞后90度(36)。

本方法包含通过对变压器高压侧和低压侧所测得的电压进行数学积分来计算电力变压器断电时每个相所产生的剩余磁通量，如图2所示。在变压器断电后，CSD计算变压器在通电的状态下的预期通量。电力变压器被通电，通过在某个特定电角同时闭合所有断路器电极，在此电角时在一个相上产生的预期通量具有最小绝对剩余磁通，对于另外两个相也具有最低的匹配关闭角离差值。

对于图4，说明了一个实例，A、B和C三个相剩余磁通对应的最佳关闭角分别为+0.25p.u.(40)、-0.75p.u.(41)、+0.5p.u.(42)。根据这个实施例，关闭角的选择应根据具有最低绝对剩余磁通量的相。在这个例子中，因为A相的剩余磁通是+0.25p.u.(40)，应当被选择。在使用三相系统的实施例中，相对应A相的最小剩余磁通只存在2个解决方案((40)和(43))。在第1个解决方案(46)(在(40)时合闸所有的三个相)中，在电压器通电时B相(41)和C相(42)的剩余磁通量与各自的预期磁通量的差值最小。在第2个解决方案(47)中，在电压器通电时B相(48)的预期磁通与其剩余磁通(44)存在一个100度的关闭角离差。因为第1个解决方案(46)的最大关闭角度离差值小于第2个解决方案(47)，所以第2个解决方案(47)应该被放弃，从而得到CB的最佳关闭角。因为第1个解决方案(46)的最大关闭角度离差值更小，所以这个解决方案应该被选择，从而得到CB的最佳关闭角。

根据本发明的原理，用一CSD监测变压器高压侧和低压侧的电压，用来计算每个相中的剩余磁通量，计算式如下：

φ(t)＝∫v(t)dt

这里

φ是指磁通量

v是指变压器的相电压

熟练该技术的人应当明白，任何现有技术的电器元件或这些组件未来的衍生品，例如但不限于断路器、电流和电压互感器、电容负载、点波器和CSD可能用于本方法的联合体中。特别是，美国专利US6433980 B1公开的CSD的主要功能可能用在这里。此外，美国专利US 7576957 B2描述了点波器的主要功能也可能用在这里。专利US6433980 B1和US 7576957 B2的内容被本文附上作为参考。

尽管本发明用来说明的优选的实施例已经在上面进行了详细描述，需要说明的是本创新概念可能另有不同的实施和运用，附加的权利要求项是用来解释包含这种差异，除了现有技术所限制的范围。