一种抑制容性负载关合涌流和开断过电压的装置及方法与流程

本发明涉及中压配电设备技术领域，特别涉及一种抑制容性负载关合涌流和开断过电压的装置及方法。

背景技术：

断路器投切容性负载的主要问题是：关合涌流和开断过电压，既在合闸时会产生关合涌流，在分闸时会产生开断过电压。

如图1所示，在断路器上加装并联电阻能限制关合涌流和开断过电压，但由于容性电路中抑制关合涌流或开断过电压对并联电阻阻值的要求不同，常规并联电阻只能单一缓解关合涌流或开断过电压问题，不能利用一套并联电阻同时抑制关合涌流和开断过电压。

因此，需要对容性负载用断路器的并联电阻电路结构加以改进，以满足利用一套并联电阻同时抑制关合涌流和开断过电压的目的。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于一种抑制容性负载关合涌流和开断过电压的装置及方法，能够同时解决有效抑制投入容性负载时的关合涌流和切除容性负载时的开断过电压问题。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种抑制容性负载关合涌流和开断过电压的装置，包括容性负载用断路器100以及控制容性负载用断路器100中开关合闸和闭合的控制模块200，所述容性负载用断路器100包括第一辅助开关K1、第二辅助开关K2、主开关K3、第一电阻R1和第二电阻R2；第一辅助开关K1与第一电阻R1串联后与第二电阻R2并联，再与第二辅助开关K2串联后与主开关K3并联，其中：第一电阻R1和第二电阻R2并联后形成的并联电阻为限流电阻，第二电阻R2为限压电阻。

所述限流电阻为百欧级电阻，所述限压电阻为千欧级电阻。

所述第一电阻R1的阻值为130欧姆，第二电阻R2的阻值为1835欧姆。

所述的装置抑制容性负载关合涌流和开断过电压的方法，适用于中压配电系统的容性负载，所述装置串联于中压配电系统的容性负载上；当所述容性负载用断路器100合闸时，控制模块200控制第一辅助开关K1先闭合，将第一电阻R1串入回路；预定时间段后，控制模块200再控制第二辅助开关K2闭合，将第一电阻R1和第二电阻R2的并联电阻即限流电阻串入电路；预定时间段后，最后控制模块200控制主开关K3闭合，将限流电阻短接，然后控制第一辅助开关K1和第二辅助开关K2分闸，能够有效限制断路器的关合涌流；当所述容性负载用断路器100分闸时，控制模块200控制第二辅助开关K2先合闸；预定时间段后，控制模块200再控制主开关K3分闸，使第二电阻R2即限压电阻串入电路；预定时间段后，最后控制模块200控制所述第二辅助开关K2分闸，开断电路，能够有效限制断路器的开断过电压，分闸时，设置的动作时间间隔大于电源电压半个周期，以确保实际开断的先后顺序。

所述合闸的预定时间段的取值为10ms，分闸的预定时间段的取值为20ms。

本发明和现有技术相比较，具备如下优点：

本发明提供的装置和方法从关合涌流、开断过电压和并联电阻能耗三个方面进行容性负载投切断路器中并联电阻的阻值选择，可以实现对关合涌流和开断过电压两个问题的抑制，满足中压配电系统中断路器投切容性负载的要求。由于容性电路中抑制关合涌流或开断过电压对并联电阻阻值的要求不同，所以常规并联电阻只能单一缓解关合涌流或开断过电压问题，不能利用一套并联电阻同时抑制关合涌流和开断过电压。本发明确定了主辅开关的动作顺序以及并联电阻的合适阻值，既能保证对关合涌流的抑制，又可以保证对开断过电压的抑制，同时还可以满足设备耐受能力的要求。

附图说明

图1是常规抑制容性负载关合涌流或开断过电压的装置示意图。

图2是本发明抑制容性负载关合涌流和开断过电压的装置实施例示意图。

图3是本发明抑制容性负载关合涌流方法的开关合闸顺序图(百欧级R1与千欧级R2的并联电阻构成限流电阻)，其中，图3(a)为K1先合，图3(b)为K2再合，图3(c)为K3再合，图3(d)K1、K2最后分闸。

图4是35kV系统主、辅开关最大关合涌流峰值与并联电阻的关系曲线图。

图5是本发明抑制容性负载开断过电压方法的开关分闸顺序图(千欧级R2为限压电阻)，其中，图5(a)为K2先合，图5(b)为K3再分，图5(c)为K2最后分。

图6是35kV系统主、辅开关开断时最大恢复电压与并联电阻的关系曲线图。

图7是本发明提供的抑制容性负载关合涌流或开断过电压的方法实施例流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部地实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图2所示，为本发明抑制容性负载关合涌流和开断过电压的装置实施例示意图。本实施例提供的抑制容性负载关合涌流和开断过电压的装置，包括：容性负载用断路器100和控制模块200。

所述容性负载用断路器100包括：主开关K3、第一电阻R1、第二电阻R2和第一辅助开关K1、第二辅助开关K2；所述第一辅助开关K1与第一电阻R1串联后与第二电阻R2并联，再与第二辅助开关K2串联后与主开关K3并联。

并联电阻包括限流电阻即第一电阻R1与第二电阻R2的并联和限压电阻即第二电阻R2。并联电阻的阻值在预定范围内，根据断路器主辅开关的关合涌流、开断过电压以及电阻能耗来综合决定。

所述控制模块200，用于在所述容性负载用断路器100合闸时，控制第一辅助开关K1先闭合，将第一电阻R1串入回路；预定时间段后，再控制第二辅助开关K2闭合，将第一电阻R1和第二电阻R2的并联电阻即限流电阻串入电路；预定时间段后，最后控制主开关K3闭合，将限流电阻短接，然后控制第一辅助开关K1和第二辅助开关K2分闸，可有效限制断路器的关合涌流；所述控制模块200，还用于在所述容性负载用断路器100分闸时，控制第二辅助开关K2先合闸，；预定时间段后，再控制主开关K3分闸，使第二电阻R2即限压电阻串入电路；预定时间段后，最后控制所述第二辅助开关K2分闸，开断电路，可有效限制断路器的开断过电压。

如图2所示，所述容性负载用断路器100连接在中压配电系统中。

在本发明实施例中，在容性负载用断路器100中设置并联电阻使得电源测对容性负载合闸时的回路电阻增大，可以对容性负载关合涌流和开断过电压的幅值起到一定限制作用，并可对关合涌流和开断过电压的振荡过程起到阻尼作用，有利于加速幅值的衰减。

需要说明的是，虽然都是并联电阻，容性负载投入时用断路器和切除时用断路器是两个不同的器件，分别用于满足容性负载用断路器的合闸操作过程中的关和涌流和分闸操作过程中的开断过电压问题的限制需求。由于两者工况的电磁暂态问题及抑制机理存在差异，对合闸电阻和分闸电阻的阻值要求不同，因此不能用一个并联电阻同时抑制关和涌流和开断过电压问题。本发明正是为了解决这个问题提供的容性负载用断路器。以下实施例中没有特别指出出现的断路器均是指中压配电系统中的容性负载用断路器。

增大并联电阻阻值、延长并联电阻接入时间可以进一步加强和延长电阻对容性回路的阻尼作用，从而对关合涌流和开断过电压起到进一步的限制作用，避免高幅高频关合涌流和暂态恢复电压的出现；容性负载回路的关合涌流与负载开关合闸瞬间断路器两端的压差和回路阻抗有关，并联电阻越大，与之串联的辅助开关合闸电流就越小，与之并联的主开关的电流就越大；容性负载开关的开断过电压主要由断路器暂态恢复电压决定，并联电阻的存在，不仅给电容上的电荷提供了释放的通道，使电容上的电压降低，而且也降低了断口上恢复电压的幅值，可避免或减少重燃，从而降低断路器开断过电压。并联电阻可起到分压作用，其值越大，与之串联的辅助开关分闸时电压就越小，但与之并联的主开关上电压越大。增大并联电阻阻值、延长并联电阻接入时间有利于减小关合涌流和开断过电压的幅值，并缩短回路震荡衰减时间。

本发明实施例提供的装置从关合涌流、开断过电压和并联电阻能耗三个方面进行断路器中并联电阻的阻值选择。不管对关合涌流还是开断过电压，主辅开关对并联电阻的阻值要求不同。并联电阻越大，与并联电阻串联的辅助开关的涌流和最大恢复电压越小，但是与并联电阻并联的主开关的涌流和最大恢复电压越大，同时并联电阻的能耗会增大。本发明经过研究确定了并联电阻的合适阻值，既能保证对主辅开关涌流和开断过电压的抑制，又可以满足设备耐受能力的要求。

为使本领域技术人员更好地理解和实施本发明的技术方案，下面首先介绍在断路器中设置并联电阻的作用。

参见图1，该图为常规抑制容性负载关合涌流或开断过电压的装置示意图。并联电阻R与辅助开关K1串联后再与主开关K2并联。

投入电容器组时，会产生频率达几百到几千赫兹，幅值高达正常工作电流几十倍的合闸涌流。设置并联电阻，投入电容器组时，主、辅开关动作的每一个阶段起始值和稳态值之差减小，降低了电容器两端最大过电压自由分量的幅值，又由于电阻的阻尼作用，加速了振荡过程的衰减，幅值进一步收到限制。与不带并联电阻的断路器相比，不管主开关支路还是辅助开关支路合闸涌流值都有一定程度的减弱。

切除电容器组时，由于负载的特殊性，开关触头间存在更高的恢复电压。开关断口上的恢复电压由三部分叠加而成：由系统决定的强制分量、并联补偿电容器上残留电荷决定的直流分量、开关动作导致的暂态分量。其中强制分量为固定值，不受断路器并联电阻的影响，直流分量和暂态分量随并联电阻变化。

设置并联电阻，切除电容器组时，回路串入的并联电阻一起分担正常运行时施加于电容器两端的电压，随着电阻的增大，电容器分得的电压逐渐减小，辅助开关K1动作开断电容器后，电容器上的残余电荷也随之减小，降低了电容器组的初始直流分量。

并联电阻接入电路后，改变了负载的属性，由容性负载变为电阻与电容串联的负载。普通断路器投切容性负载时，电流与电压之间存在90度相位差，当电流过零息弧时，电压正处于峰值。采用带并联电阻断路器后，电阻和电容串联，减小了电压与电流的相位差，电流过零息弧时，电压尚未达到峰值，降低了触头动作时的电压幅值，从而抑制了暂态分量。

为了更好地说明本发明的优点，下面介绍现有技术中抑制容性负载关合涌流和开断过电压的方法。

现有技术中(图1)，投入电容器组时，先合闸辅助开关K1，将并联电阻R串入电路，再关合主开关K2使并联电阻R退出电路，中压配电系统中抑制合闸涌流的并联电阻值为百欧级。切除电容器组时，先分闸主开关K2，辅助开关K1闭合，此时回路串入并联电阻，再分闸辅助开关K1断开电路。中压配电系统中抑制开断过电压的并联电阻阻值为千欧级。因此现有技术不能用一个并联电阻同时满足关合涌流和开断过电压的抑制需求。

针对以上问题，本发明提出一种抑制容性负载关合涌流和开断过电压的装置和方法，利用一套并联电阻同时满足关合涌流和开断过电压的抑制需求。与现有技术方案相比，采用本发明的装置可以对合闸涌流、开断过电压起到有效的抑制作用，有利于保障设备安全和电网安全稳定运行。

本发明提供的实施例中(图2)，所述并联电阻阻值的预定范围为：限流电阻(第一电阻R1与第二电阻R2的并联电阻)为百欧级电阻，限压电阻(第二电阻R2)为千欧级电阻。

优选地，所述并联电阻阻值取为：R1取值为130欧姆，R2取值为1835欧姆。

优选地，所述合闸的预定时间段的取值为10ms，分闸的预定时间段的取值为20ms。

下面结合具体数据详细说明本发明提供的容性负载用断路器中的并联电阻的阻值选择和接入时间的选择。

基于典型数据搭建的仿真模型，对某35kV无功补偿系统容性负载用断路器投切操作进行计算分析，分别从断路器并联电阻阻值和接入时间两个方面进行比较：

下面首先分别从合闸和分闸时主、辅开关对并联电阻阻值的需求进行比较。

(1)并联电阻阻值对主、辅开关合闸涌流的影响

下面对并联电阻阻值的选取进行分析。

图3为本发明抑制容性负载关合涌流方法的开关合闸顺序示意图。当所述容性负载用断路器合闸时，主、辅开关先后闭合引起两次暂态过程，两次动作受电阻值的影响不同。第一辅助开关K1、第二辅助开关K2先后闭合将限流电阻(第一电阻R1与第二电阻R2的并联电阻)串入电路，线路导通，引起线路首次暂态过程；随后闭合主开关K3将限流电阻从线路中切除，线路完成闭合动作，引起第二次暂态过程。

图4为本发明提供的主、辅开关最大关合涌流峰值与限流电阻值(第一电阻R1与第二电阻R2的并联值)的关系曲线图。

从图4可以看出，在百欧级阻值范围内，首次暂态过程中，第二辅助开关K2支路最大合闸涌流随限流电阻值的增大而减小；第二次暂态过程中，主开关K3支路最大合闸涌流随限流电阻值的增大而增大。阻值在122欧附近，主、辅开关支路暂态过程引起的合闸涌流最大值趋近于相等，可有效限制断路器的关合涌流。

投入电容器组时，仿真结果表明延长限流电阻接入时间，可对关合涌流的衰减起到加速作用，但关合涌流的最大值主要由关合时刻影响，考虑主、辅开关的合闸时刻对涌流的影响以及限流电阻的能耗，合闸时选取限流电阻接入时间为10ms。

图5为本发明抑制容性负载开断过电压方法的开关分闸顺序示意图。当所述容性负载用断路器分闸时，并联电阻对主、辅开关恢复电压的影响也是不同的。第二辅助开关K2先闭合将第二电阻R2即限压电阻串入电路，再断开主开关K3，引起线路首次暂态过程；最后断开第二辅助开关K2，线路断开，引起第二次暂态过程。

图6为本发明提供的主、辅开关开断时最大恢复电压与限压电阻值(第二电阻R2阻值)的关系曲线图。

从图6可以看出，在千欧级阻值范围内，首次暂态过程中，主开关K3的最大恢复电压随限压电阻值的增大而增大；第二次暂态过程中，第二辅助开关K2的最大恢复电压随限压电阻值的增大而减小。阻值在1835欧附近，主、辅开关动作的恢复电压最大值趋近于相等，有效限制断路器的开断过电压。

切除电容器组时，因为断路器的开断时间是在设置时刻之后电流过零点真正断开，故限压电阻的接入时间的设置应使得主、辅开关设置的动作时间间隔大于工频电压的半个周期，以确保主、辅开关实际开断的先后顺序，又考虑到限压电阻的能耗，分闸时选取限压电阻接入时间设置为20ms。

从电阻能耗方面，文献[Kamikawaji T，Shiori T，Funahashi T，et a1.An investigation into major factors in shunt capacitor switching performances by vacuum circuit breakers with copperchromium contacts[J].IEEE Transactions on Power Delivery，1993，8(4)：1789—1795.]中对投切过程中电阻的能耗进行了研究，以上分析得到的阻值范围内，电阻能耗可以满足要求。

从以上分析可以看出，从关合涌流、开断过电压和并联电阻能耗三个方面综合比较，35kV无功补偿系统中容性负载用断路器装设第一电阻R1为130欧、第二电阻R2为1835欧的并联电阻，合闸时限流电阻接入时间取为10ms、分闸时限压电阻接入时间取为20ms较优。

与现有技术相比，采用本发明提供的装置可以对断路器投切容性负载时产生的关合涌流、开断过电压起到有效限制作用，并且满足断路器设备制造水平的要求。

基于以上实施例提供的一种抑制容性负载用断路器关合涌流和开断过电压的装置，本发明实施例还提供一种抑制容性负载用断路器关合涌流和开断过电压的方法，下面结合附图详细说明。

参见图7，该图为本发明提供的一种抑制容性负载用断路器关合涌流和开断过电压的方法实施例—流程图。

本实施例提供的一种抑制容性负载用断路器关合涌流和开断过电压的方法，应用于中压配电系统的容性负载用断路器控制中，所述容性负载用断路器串联于中压配电系统中，包括以下步骤：

S701：当所述容性负载用断路器100合闸时，控制所述容性负载用断路器中的第一辅助开关K1先闭合将所述第一电阻R1串入回路中，再闭合第二辅助开关K2将限流电阻(第一电阻R1与第二电阻R2的并联电阻)串入电路；

S702：从所述第一辅助开关K1、第二辅助开关K2闭合后开始预定时间段后，控制所述容性负载用断路器的主开关K3闭合，将所述限流电阻短接，最后断开第一辅助开关K1、第二辅助开关K2，可有效限制断路器的关合涌流。

S703：当所述容性负载用断路器分闸时，在开关运行的状态下，控制所述容性负载用断路器中的第二辅助开关K2先闭合，再断开主开关K3使第二电阻R2即限压电阻串入电路；

S704：从所述主开关K3断开后开始预定时间段后，控制所述第二辅助开关K2开断电路，可有效限制断路器的开断过电压。

并联电阻的阻值在预定范围内，根据断路器主辅开关的关合涌流、开断过电压以及电阻能耗来综合决定。

增大并联电阻阻值、延长并联电阻接入时间可以进一步加强和延长电阻对容性负载回路的阻尼作用，从而对容性负载用断路器的关合涌流和开断过电压的幅值起到进一步限制作用，并加速幅值的衰减。

本发明实施例提供的装置从主、辅开关的关合涌流、暂态恢复电压和并联电阻能耗三个方面进行容性负载用断路器中并联电阻的阻值选择。主开关的关合涌流和暂态恢复电压均随并联电阻阻值的增大而增大，但同时辅助开关的关合涌流和暂态恢复电压均随并联电阻阻值的增大而减小。本发明经过研究分别确定了并联电阻在合闸时的限流电阻和分闸时的限压电阻的合适阻值，既能保证对主、辅开关合闸涌流的抑制，也能保证对主、辅开关开断过电压的抑制，还能满足设备耐受能力的要求。

本发明实施例中经过仿真实验分析出在中压容性负载用断路器中，所述并联电阻的阻值取值范围优选为：限流电阻(第一电阻R1与第二电阻R2的并联电阻)为百欧级电阻，限压电阻(第二电阻R2)为千欧级电阻。

经过实验分析，所述合闸预定时间段的取值为10ms，分闸预定时间段的取值为20ms。

优选地，所述并联电阻阻值取为：第一电阻R1取值为130欧姆，第二电阻R2取值为1835欧姆。

具体实验数据可参见图4和图6，在此不再赘述。

采用本发明的方法，可以用一套并联电阻对容性负载用断路器操作时的关合涌流和开断过电压起到有效抑制作用，减小重击穿的发生概率，有利于保障设备安全和电网安全稳定运行。采用本发明提供的并联电阻的阻值和接入时间，可以实现该断路器进行容性负载投切时的关合涌流和开断过电压问题满足控制的要求。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，但并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。