基于电流转移特性和磁吹的弧后电流测量装置的制作方法

本发明属于中高压断路器弧后电流测量领域，尤其涉及一种无地干扰、高精度的基于电流转移特性和磁吹的弧后电流测量装置。

背景技术：

随后国家智能电网的建设和电网容量的增加，对高压智能电网的保护开关-高压断路器提出了更高的要求。断路器在开断大电流时，电流过零后由于弧隙间残余等离子体，在暂态恢复电压（TRV）的作用下，存在弧后电流。弧后电流可用于判断断路器的开断性能，是断路器开断过程的重要参量。

目前，对于弧后电流的测量方法之一是采用同轴分流器、机械开关和保护间隙并联，在大电流阶段，由于机械开关电阻（微欧级）远小于同轴分流器电阻（毫欧级），大电流主要由机械开关承担；在主电流过零前1~2ms之内，要求机械开关快速分闸，进而起弧，电流开始由机械开关向同轴分流器转移，且在电流过零前完全转移到同轴分流器上，进而由同轴分流器测量主电流过零后的弧后电流。此种方法对同轴分流器的热容量和机械开关的控制精度要求高，信号较弱且有地干扰。还有一种测量方法是采用分流器或者特制罗氏线圈直接测量，但由于主电流与弧后电流的大小差异太大（主电流一般在几十千安，而弧后电流一般在1~2安），分流器或者特制罗氏线圈等电流测量设备难以承受大电流又可以精确测量小电流，测量精度低，而且高阻抗、低热容量分流器也有地干扰的存在，而特制的罗氏线圈由于是积分信号而无法得到准确的绝对时间信号且设计复杂。

技术实现要素：

本发明是为了解决现有技术所存在的上述技术问题，提供一种无地干扰、高精度的基于电流转移特性和磁吹的弧后电流测量装置。

本发明的技术解决方案是：一种基于电流转移特性和磁吹的弧后电流测量装置，设有真空开关，与真空开关的进线端或出线端串联有主电流传感器，在真空开关的进线端与出线端之间接有与真空开关触头串联的真空开关电流传感器，与相串联的真空开关触头及真空开关电流传感器并联有保护间隙及相串联的转移电阻和转移电阻电流传感器，在真空开关的真空灭弧室内固定有相对真空开关触头的脉冲横向磁场线圈，所述主电流传感器、真空开关电流传感器及转移电阻电流传感器的输出均与主控制器相接，与主控制器的输入端还相接有被测断路器状态检测单元，所述主控制器的输出与真空开关驱动机构及脉冲横向磁场线圈控制单元相接。

所述脉冲横向磁场线圈为霍姆赫兹线圈，所产生的脉冲横向磁场脉宽为3ms，磁场强度为0~300mT。

所述转移电阻为直线式康铜电阻，转移电阻的阻值，保护间隙的保护电压，式中：s为转移电阻的截面积，；l为转移电阻的长度，I_m为主电流峰值，Δt₂为真空开关电弧完全熄灭到主电流过零的时间，m为转移电阻的质量，ΔT是转移电阻所用材料的最高工作温升，k为转移电阻所用材料的电阻率，γ是康铜6J20的比热容。

本发明以电流转移特性为基础，以磁场吹弧为辅助，实现了测量回路与主回路的隔离测量，可有效避免地干扰信号；同时本发明通过转移支路电阻参数设计和磁吹作用，可有效控制转移电阻支路的电流，使得真空开关在主电流峰值之后分闸即可，因此对真空开关控制精度要求较低；具有测量精度高、干扰少，可靠性高等优点。另外，通过光纤隔离控制和数据通信，可满足电力系统弧后电流的在线测量。

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图。

图2是本发明实施例的脉冲横向磁场线圈结构示意图。

图3是本发明实施例的电路原理框图。

图4是本发明实施例的测量方法流程图。

图5是本发明实施例的工作原理示意图。

具体实施方式

本发明实施例的结构如图1所示，设有真空开关1，真空开关1为现有技术，最好是快速斥力机构驱动的真空开关。快速斥力机构驱动的真空开关的结构是有与触头相接的进线端、出线端、真空灭弧室、绝缘拉杆、超程连接件、快速斥力机构、位移传感器、驱动及智能控制系统和光线通信端等。本发明实施例是与真空开关1的进线端2或触头出线端3串联有主电流传感器4，用于检测主电流I，在真空开关1的触头进线端2与触头出线端3之间接有与真空开关触头5串联的真空开关电流传感器6，用于检测真空开关支路电流I_1，与相串联的真空开关触头5及真空开关电流传感器6并联有保护间隙7及相串联的转移电阻8和转移电阻电流传感器9，转移电阻电流传感器9用于检测转移电阻支路电流I_sh。各电流传感器采用泰克电流传感器TCP303，其脉冲最大电流500A，带宽15MHz，测量精度5mA。转移电阻8在大电流阶段承受的电流要远小于转移后的最大电流，即转移电阻8的电阻值通常是真空开关接触电阻的20~1000倍。转移电阻8最好为直线式康铜电阻，其阻值，保护间隙7的保护电压设置值，式中：s为转移电阻5的截面积，；l为转移电阻8的长度，I_m为主电流峰值，Δt₂为真空开关电弧完全熄灭到主电流过零的时间，m为转移电阻8的质量，ΔT是转移电阻8所用材料6J20的最高工作温升，k为转移电阻8所用材料6J20的电阻率，γ是康铜6J20的比热容。

在真空开关1的真空灭弧室10内固定有相对触头的脉冲横向磁场线圈11，所产生的脉冲横向磁场脉宽为3ms，磁场强度为0~300Mt可调。脉冲横向磁场线圈11可为如图2所示霍姆赫兹线圈，上下线圈的内径 r1为140mm，外径r2为160mm，高h为150mm，上下线圈的骨架分别可以满足铜线绕组绕制600匝，最后将上下铜线绕组串联起来并使得两个线圈中的电流方向一致。上下两个线圈的骨架通过绝缘支撑固定并通过在线圈骨架上设置的安装孔横向安装于真空灭弧室10的中间位置。

电路原理框图如图3所示：主电流传感器4、真空开关电流传感器6及转移电阻电流传感器9的输出均与主控制器12（单片机、微处理器等）相接，与主控制器12的输入端还相接有被测断路器状态检测单元13，主控制器12的输出与真空开关驱动机构14及脉冲横向磁场线圈控制单元15相接。被测断路器状态检测单元13是通过监测被测断路器触头之间的距离判断被测断路器是否处于开断状态，可以通过位移传感器和行程开关等实现，真空开关驱动机构14可以是真空开关1的快速斥力机构，脉冲横向磁场线圈控制单元15是控制脉冲横向磁场线圈的单元，可以是储能电容和晶闸管等控制电路。

本发明实施例主控制器的测量方法流程如图4所示：

将主电流传感器4串联在高压真空断路器或SF6断路器等断路器回路中。

在主电流过零前控制被测断路器开断（此命令可以由主控制下达，亦可通过手工控制或其它控制装置控制）；由被测断路器状态检测单元13监测被测断路器的状态；根据所监测的被测断路器的状态判断被测断路器是否开断；否，则视为无效而结束测量，是，则通过主电流传感器4、真空开关电流传感器6及转移电阻电流传感器9分别测量主电流I，真空开关支路电流I₁及转移电阻支路电流I_sh；判断主电流是否经过峰值；否，则视为无效而结束测量，是，则输出信号通过真空开关驱动机构14控制真空开关1分闸，在主电流过零前1.5ms通过脉冲横向磁场线圈控制单元15启动脉冲横向磁场线圈11，在真空灭弧室10产生脉冲横向磁场（磁吹）；判断真空开关电流I₁是否为零；否，则视为无效而结束测量，是，计算Δt₂=t₂-t_e, t₂是主电流过零的时刻，t_e是I₁为零时刻；判断Δt₂是否大于20μs，否，则视为无效而结束测量，是，记录主电流I过零后I_sh的反向电流，即为被试断路器的弧后电流，然后将所检测的弧后电流上传到主控制器，弧后电流测量结束。主控制器可通过对弧后电流的积分得到弧后电荷特性并分析弧后电流特性，用于判断试品开关VI_t的绝缘特性和电气开断寿命。

本发明实施例的工作原理如图5所示：如上所述，I、I₁和I_sh分别是主电流（主电路的电流）、真空开关支路电流和转移电阻支路电流。I_B是脉冲磁场电流，TRV为试品断路器开断过程中的暂态恢复电压，I_shm是转移电阻承受电流的最大值，t₀和t_e分别是真空开关1触头分离时刻和真空电弧熄灭时刻（即电流转移完成时刻I₁=0），t₂是主电流过零的时刻。在转移过程的Δt₀阶段：是转移电阻8与真空开关1触头接触电阻之间满足分流关系阶段，转移电阻8一般在毫欧级而触头接触电阻一般在微欧级，故此阶段主电流I主要由真空开关承担。在转移过程的Δt₁阶段：真空开关1的触头分离后，真空电弧产生，主电流I开始由真空开关1转移到转移电阻8上，随着主电路工频电流I的减小，真空电弧电流逐渐减小，在外加横向脉冲磁场磁吹的作用下，真空电弧完全熄灭，主电流I完全转移到转移电阻支路上。在转移过程的Δt₂阶段：真空电弧完全熄灭到主电流I过零，转移电阻支路上的反向电流即弧后电流。根据真空开关弧后介质恢复速度，真空开关的弧后鞘层阶段一般持续20μs以上，为了减小弧后电流测量装置中真空开关杂散电容参数的影响，需要控制Δt₂阶段远远大于20μs。

可以通过对本发明实施例进行自具电源设计（即母线电流取电和蓄电池储能设计），即可实现在线监测高压断路器的弧后电流，用于判断高压断路器的开断性能和电气寿命，为电力系统的状态检修提供可靠的数据。