一种工频续流遮断能力试验合成回路同步控制装置及方法与流程

本发明涉及电力系统防雷技术领域，具体是一种工频续流遮断能力试验合成回路同步控制装置及方法。

背景技术：

针对电力线路避雷器的工频续流遮断能力试验发达国家已展开长期的研究，目前已研制出测试线路避雷器工频续流遮断能力的大型试验装置，该装置集成雷电冲击和工频电源，真实模拟挂网运行线路避雷器遭受雷击的实际工况，但其同步控制方法是通过单片机或PLC控制系统来控制断路器合闸分闸来实现的，耗资和设备占用空间巨大。同时需要分别测试断路器的固有合闸时间与分闸时间以及点火装置的点火时间等等，需要按照一定的时序进行精确控制执行才能确保试验成功，试验失效率比较高。同时，由于合成回路试验中需要对工频高压大电流电源与数百千伏的雷电冲击电压进行同步控制，电磁兼容设计时如何避免受到工频大电流磁场和幅值高、上升速率很快的电磁脉冲干扰是一个关键技术，往往由于此类电磁干扰导致同步控制电路误触发而导致试验失败，甚至造成严重的设备故障和人身伤害。

专利CN101025433A公开了一种用于高压断路器合成试验的合成试验同步控制系统，其同步控制方法是通过采集短路电流，通过A/D转换后预测电流曲线，预测出短路电流过零点时刻，从而在过零点前发出同步控制脉冲，使点火球隙在预订的时刻击穿动作。由于回路短路电流不可突变，其上升沿时间为ms级，通过采集短路电流进行同步控制时间精度不够准确。系统是通过单片机或PLC控制系统控制低压电子电路进行数据采集、计算发出同步控制指令，存在电磁兼容设计困难，功能实现复杂等缺点。在高压冲击作用下，低压电子控制电路及微机控制系统容易受到干扰而失效。

国内厂家设计出一种用于带外串联间隙线路避雷器的续流切断试验回路能够有效进行线路避雷器动作负载试验，其雷电冲击电压作用时间是随机产生的，没有进行工频电压触发与冲击电压同步控制设计，无法模拟防雷装置在工频网压的各个相位遭受雷击击穿闪络条件下工频续流遮断能力的测试试验。

专利CN 104267277 B公开了一种过压保护装置的过压防护性能测试装置及控制方法与系统，其同步控制方法是通过采集雷电冲击电压信号来触发电力电子功率器件，实现工频振荡回路的快速投入，通过工频振荡回路和冲击电压回路同时发生来进行工频续流遮断能力测试试验。该方法只能模拟过压保护装置在工频电压峰值时遭受雷击闪络的工况，不能模拟过压保护装置在工频电压全周期各个相位处遭受雷击的工况条件。

专利CN 104237751 B公开了一种防雷装置工频续流遮断能力的测试装置，其同步控制原理为利用调节不同回路的球隙距离控制工频振荡回路与冲击放电的放电时刻，其具有安全可靠、简单易行、不受电磁兼容环境干扰等优点，显著提高了试验成功率。但由于其利用放电距离的不同来控制放电时间，容易受空气湿度、大气压力以及电极形状等因素影响，同时由于气隙放电具有一定的离散性而导致同步时间控制精度不够。

技术实现要素：

本发明提供一种工频续流遮断能力试验合成回路同步控制装置及方法，可避免通过检测合闸触头或回路电流信号带来的时延问题，提高了时间控制准确度；降低自身环路电磁耦合干扰，有效避免空间电磁耦合干扰和供电电源线路的传导干扰侵入，确保电路安全可靠运行；有效避免因系统在工频启动、冲击点火瞬间的大电流电磁干扰和强电磁脉冲空间耦合而带来的误触发事故发生，提高系统的运行可靠性和安全性。

一种工频续流遮断能力试验合成回路同步控制装置，包括工频振荡回路和依次连接的工频振荡启动检测单元、触发相位控制单元、光电转换及点火单元，所述工频振荡回路包括串联连接的工频振荡启动断路器K1、工频振荡电容C、工频振荡电感L；

所述工频振荡启动检测单元与工频振荡回路的输出端连接，用于将检测到工频振荡电感L上第一个电压突变上升沿转换为控制电路所需的逻辑电平信号，并将所述逻辑电平信号转换为光信号，通过光纤传送给触发相位控制单元；

所述触发相位控制单元，用于将工频振荡启动检测单元输出的光信号转换为逻辑高电平信号，并锁存保持高电平，触发相位控制单元以逻辑高电平上升沿为基准，经过预设的延时时间，输出一个固定脉冲宽度的脉冲电信号，并转换为与脉冲宽度时间相等的光信号，并通过光纤传送至光电转换及点火单元；

所述光电转换及点火单元，用于将触发相位控制单元输出的光信号转换为一个宽度与光信号持续时间相等的脉冲电信号，利用该脉冲电信号作为驱动信号，驱动放大隔离电路产生高压脉冲，高压脉冲作用在冲击电压点火球隙上，启动冲击电压回路，输出冲击电压施加在试品两端。

进一步的，所述工频振荡启动检测单元包括工频振荡触发电路和电光信号转换电路，工频振荡触发电路包括电阻分压装置、光耦OP1，电阻分压装置并联于工频振荡电感L的两端，电阻分压装置将工频振荡电感L上电压按比例分为低压信号后驱动光耦OP1输出触发信号，所述触发信号驱动电光信号转换电路发出光信号。

进一步的，所述电阻分压装置由电阻R1、R2、R3、R4依次串联形成，电阻R4一端接大地作为低压端，另一端接电阻R3作为高压端。

进一步的，所述工频振荡触发电路11还包括与电阻R4并联的瞬态抑制二极管D1，瞬态抑制二极管D1的阴极接电阻分压装置的高压端，阳极接低压端，瞬态抑制二极管D1的阴极连接至光耦OP1的发光二极管阳极，阳极连接至光耦OP1的发光二极管阴极，以防止光耦OP1原边受反向电压击穿。

进一步的，所述电光信号转换电路包括电阻R5、R6、R7、直流电源、功率驱动器U2、发光二极管U1，功率驱动器U2包括与非门和三极管，光耦OP1的输出发射极接供电电源地，集电极经电阻R5上拉后作为功率驱动器U2中与非门的一个输入，当工频振荡启动时，该输入变为低电平，与非门另一个输入接直流电源，直流电源经过电阻R7连接至发光二极管U1的阳极，经过电阻R6连接至发光二极管U1的阴极；U2中三极管122的集电极连接至电阻R6与发光二极管U1阴极的公共节点，发射极连接至电源地，当U2中的一个输入为低电平时，将驱动内置三极管导通，发光二极管U1发出光信号。

进一步的，所述触发相位控制单元包括串接的光电信号转换电路、锁存及延时控制电路、电光信号转换电路，

所述光电信号转换电路包括光信号接收头U3、电阻R8、R9、R10、R11、三极管Q1，光信号接收头U3的集电极经电阻R8上拉至+5V电源，当接收到工频振荡启动检测单元10传递来的光信号时，U3输出低电平信号通过电阻R9至三极管Q1基极，三极管Q1截止，其集电极跳变至高电平，通过电阻R11输送至锁存及延时控制电路；

所述锁存及延时控制电路包括高电平锁存电路和延时控制电路，高电平锁存电路将电阻R11传送的高电平信号进行锁存，延时控制电路接收到被锁存的高电平信号，以高电平上升沿为基准，经过一个预设的延时时间输出一个固定宽度的脉冲电平信号；

所述电光信号转换电路用于根据锁存及延时控制电路输出的固定宽度的脉冲电平信号输出持续时间与脉冲电平信号时间宽度相等的光信号。

进一步的，所述电光信号转换电路包括电阻R13、R14、R7、直流电源、功率驱动器U4、发光二极管U5，所述光锁存及延时控制电路输出的脉冲电平信号传送至功率驱动器U4与非门的一个输入端，与非门另一个输入接直流电源，始终为高电平信号，直流电源经过电阻R14连接至发光二极管U5的阳极，经过电阻R13连接至发光二极管U5的阴极；U4中三极管的集电极连接至电阻R13与发光二极管U5阴极的公共节点，发射极连接至电源地。

进一步的，所述光电转换及点火单元包括光电信号转换电路和点火单元，所述光电信号转换电路包括光信号接收头U6、电阻R15、电阻R16、电阻R17、电容C3、三极管Q2，光信号接收头U6收到触发相位控制单元20发出的光信号后，集电极跳变为低电平，低电平信号通过电阻R16连接至三极管Q2的基极，驱动三极管Q2截止，Q2的集电极跳变为高电平，所述点火单元包括电阻R18、R19、R20、储能电容C4、MOS管Q3、脉冲变压器T1、冲击电压点火球隙，三极管Q2集电极通的高电平信号通过电阻R18驱动MOS管Q3开通，开通时间与接收到的高电平信号持续时间相等，储能电容C4依次与脉冲变压器T1的原边绕组、MOS管Q3的漏极、MOS管Q3的源极、限流电阻R19串联至电源地，脉冲变压器T1次边绕组高电压脉冲通过电阻R20连接至冲击电压点火球隙的放电针。

一种工频续流遮断能力试验合成回路同步控制方法，应用上述装置进行，所述方法包括如下步骤：

步骤一、闭合工频振荡启动断路器K1，工频振荡回路开始启动；

步骤二、所述工频振荡启动检测单元将检测到工频振荡电感L上第一个电压突变上升沿转换为控制电路所需的逻辑电平信号，并将所述逻辑电平信号转换为光信号，通过光纤传送给触发相位控制单元；

步骤三、所述触发相位控制单元将工频振荡启动检测单元输出的光信号转换为逻辑高电平信号，并锁存保持高电平，触发相位控制单元以逻辑高电平上升沿为基准，经过预设的延时时间，输出一个固定脉冲宽度的脉冲电信号，并转换为与脉冲宽度时间相等的光信号，并通过光纤传送至光电转换及点火单元；

步骤四、所述光电转换及点火单元将触发相位控制单元输出的光信号转换为一个宽度与光信号持续时间相等的脉冲电信号，利用该脉冲电信号作为驱动信号，驱动放大隔离电路产生高压脉冲，高压脉冲作用在冲击电压点火球隙上，启动冲击电压回路输出冲击电压施加在试品两端，一次试验操作结束。

进一步的，频振荡启动检测单元的供电电源为钮扣电池，信号传递时延在100ns内；触发相位控制单元电路信号传递时延在200ns内；光电转换及点火单元电路信号传递时延在100ns内。

本发明具有下列优点：

1、通过电阻分压装置捕捉工频振荡回路中振荡电感电压信号作为工频振荡电压启动开始条件，利用了工频振荡回路中工频振荡启动断路器合闸后振荡电感压降突变的特点，避免了通过检测合闸触头或回路电流信号带来的时延问题，提高了时间控制准确度。

2、工频续流遮断能力试验合成回路中工频振荡启动检测单元及点火装置紧邻合成回路中功率器件，在合成回路试验启动中所受到的强工频电磁干扰和高强度电磁脉冲干扰最为严重。本发明通过自备电池组作为控制电源的方式可大大缩小单元体积和等效平面面积，无须外接供电电源线路，大大降低自身环路电磁耦合干扰，有效避免空间电磁耦合干扰和供电电源线路的传导干扰侵入，确保电路安全可靠运行。

3、合成回路中检测单元、时序控制单元与执行点火单元之间的光纤传输技术替代了电缆传输控制线路，有效避免了因系统在工频启动、冲击点火瞬间的大电流电磁干扰和强电磁脉冲空间耦合而带来的误触发事故发生，提高了系统的运行可靠性和安全性。

4、同步控制方法完全依靠硬件电路设计实现，光电转换及电平转换时延在ns级，一个完整的信号流程时延可控制在500ns以内，确保了工频续流遮断能力测试中工频振荡电压全相位控制精度。

附图说明

图1为本发明工频续流遮断能力试验合成回路同步控制装置进行工频续流遮断能力试验的结构示意图；

图2本发明工频续流遮断能力试验合成回路同步控制装置的电路原理框图；

图3本发明中工频振荡启动检测单元的电路原理图；

图4本发明中触发相位控制单元的电路原理图；

图5本发明中光电转换及点火单元的电路原理图；

图6本发明工频续流遮断能力试验合成回路同步控制方法的试验结果图。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。

请参考图1，本发明工频续流遮断能力试验合成回路同步控制装置其中一个实施例包括依次连接的工频振荡回路、工频振荡启动检测单元10、触发相位控制单元20、光电转换及点火单元30，所述工频振荡回路包括串联连接的工频振荡启动断路器K1、工频振荡电容C、工频振荡电感L。

利用本发明对试品40进行工频续流遮断能力试验，首先闭合工频振荡启动断路器K1，工频振荡回路开始启动。

所述工频振荡启动检测单元10与工频振荡回路的输出端连接，用于将检测到工频振荡电感L上第一个电压突变上升沿转换为控制电路所需的逻辑电平信号，并将所述逻辑电平信号转换为光信号，通过光纤传送给触发相位控制单元20；

所述触发相位控制单元20，用于将工频振荡启动检测单元10输出的光信号转换为逻辑高电平信号，并锁存保持高电平，触发相位控制单元20以逻辑高电平上升沿为基准，经过预设的延时时间，输出一个固定脉冲宽度的脉冲电信号，并转换为与脉冲宽度时间相等的光信号，并通过光纤传送至光电转换及点火单元30；

所述光电转换及点火单元30，用于将触发相位控制单元20输出的光信号转换为一个宽度与光信号持续时间相等的脉冲电信号，利用该脉冲电信号作为驱动信号，驱动放大隔离电路产生高压脉冲，高压脉冲作用在冲击电压点火球隙50上，启动冲击电压回路，一次试验操作结束。

请参考图2，所述工频振荡启动检测单元10包括串接的工频振荡触发电路11和电光信号转换电路12，所述触发相位控制单元20包括串接的光电信号转换电路21、锁存及延时控制电路22、电光信号转换电路23，所述光电转换及点火单元30包括串接的光电信号转换电路31和点火单元32。

图3所示为工频振荡启动检测单元10电路原理图，工频振荡启动检测单元10包括工频振荡触发电路11和电光信号转换电路12，其中工频振荡触发电路11包括电阻分压装置、瞬态抑制二极管D1、光耦OP1，由电阻R1、R2、R3、R4依次串联形成电阻分压装置，并联于工频振荡回路中工频振荡电感L的两端，电阻R4一端接大地作为低压端，另一端接电阻R3作为高压端(即电阻分压装置的输出端)，电阻R4将工频振荡电感L上电压按比例分为低压信号，该光耦OP1输出触发信号。瞬态抑制二极管D1与电阻R4并联，D1的阴极接高压端，阳极接低压端。D1的阴极连接至光耦OP1的发光二极管阳极，D1阳极连接至OP1的发光二极管阴极，用以防止光耦OP1原边受反向电压击穿。

所述电光信号转换电路12包括电阻R5、R6、R7、直流电源(例如+5V电源)、功率驱动器U2、发光二极管U1，光耦OP1的输出发射极接供电电源地，集电极经电阻R5上拉后作为功率驱动器U2中与非门121的一个输入，当工频振荡启动时，该输入(光耦OP1输出的触发信号)变为低电平。与非门121另一个输入接+5V电源，始终为高电平信号。+5V电源经过电阻R7连接至发光二极管U1的阳极，经过电阻R6连接至发光二极管U1的阴极；U2中三极管122的集电极连接至电阻R6与发光二极管U1阴极的公共节点，发射极连接至电源地。当U2中的一个输入为低电平时，将驱动内置三极管122导通，发光二极管U1发出光信号。

工频振荡启动检测单元10的供电电源为钮扣电池组件，信号传递时延在100ns内。

图4所示为触发相位控制单元20电路原理图，所述触发相位控制单元20包括串接的光电信号转换电路21、锁存及延时控制电路22、电光信号转换电路23。

所述光电信号转换电路21包括光信号接收头U3、电阻R8、R9、R10、R11、三极管Q1，光信号接收头U3的集电极经电阻R8上拉至+5V电源，当接收到工频振荡启动检测单元10传递来的光信号时，U3输出低电平信号通过电阻R9至三极管Q1基极，三极管Q1截止，其集电极跳变至高电平，通过电阻R11输送至锁存及延时控制电路22，U3集电极与供电电源地之间并联电容C1，用以滤除高频干扰信号。

所述锁存及延时控制电路22包括高电平锁存电路和延时控制电路，高电平锁存电路将电阻R11传送的高电平信号进行锁存，延时控制电路接收到被锁存的高电平信号，以高电平上升沿为基准，经过一个预设的延时时间输出一个固定宽度的脉冲电平信号。

所述电光信号转换电路23与工频振荡启动检测单元10中电光信号转换电路12的电路结构类似，包括电阻R13、R14、R7、直流电源(例如+5V电源)、功率驱动器U4、发光二极管U5。

所述光锁存及延时控制电路22输出的脉冲电平信号传送至功率驱动器U4与非门的一个输入端，与非门另一个输入接+5V电源，始终为高电平信号。+5V电源经过电阻R14连接至发光二极管U5的阳极，经过电阻R13连接至发光二极管U5的阴极；U4中三极管的集电极连接至电阻R13与发光二极管U5阴极的公共节点，发射极连接至电源地。

脉冲电平信号经过功率驱动器U4的与非门驱动内置三极管，三极管导通时间与脉冲电平信号时间宽度相等。在限流电阻R14和功率驱动器U4中三极管的共同作用下，发光二极管U5发光，其持续时间与脉冲电平信号时间宽度相等。触发相位控制单元20电路信号传递时延在200ns内。

图5所示为所述光电转换及点火单元30电路原理图，所述光电转换及点火单元30包括光电信号转换电路31和点火单元32。

所述光电信号转换电路31包括光信号接收头U6、电阻R15、电阻R16、电阻R17、电容C3、三极管Q2，光信号接收头U6收到触发相位控制单元20发出的光信号后，集电极跳变为低电平，低电平信号通过电阻R16连接至三极管Q2的基极，驱动三极管Q2截止，Q2的集电极跳变为高电平。

所述点火单元32包括电阻R18、R19、R20、储能电容C4、MOS管Q3、脉冲变压器T1、冲击电压点火球隙50。Q2集电极通的高电平信号通过电阻R18驱动MOS管Q3开通，开通时间与接收到的高电平信号持续时间相等。储能电容C4依次与脉冲变压器T1的原边绕组、MOS管Q3的漏极、MOS管Q3的源极、限流电阻R19串联至电源地。储能电容C4预充电，当MOS管Q3开通时，储能电容C4储存的电荷通过脉冲变压器T1原边绕组、Q3漏极和源极、限流电阻R19泄放至电源地，在脉冲变压器T1的次边绕组感应出高电压脉冲。脉冲变压器T1次边绕组高电压脉冲通过电阻R20连接至冲击电压点火球隙50的放电针，产生尖端放电火花，点火球隙空气被电离，启动冲击电压回路，输出冲击电压施加在试品40两端(如图1所示)。光电转换及点火单元30电路信号传递时延在100ns内。

本发明设计的工频续流遮断能力试验合成回路同步控制方法通过电阻分压装置捕捉工频振荡回路中振荡电感电压信号作为工频振荡电压启动开始条件，利用了工频振荡回路中工频振荡启动断路器合闸后振荡电感压降突变的特点，避免了通过检测合闸触头或回路电流信号带来的时延问题，提高了时间控制准确度。通过自备电池组作为控制电源的方式可缩小单元体积和等效平面面积，无须外接供电电源，大大降低自身环路电磁耦合干扰，有效避免空间电磁耦合干扰和供电电源线路的传导干扰侵入，确保电路安全可靠运行。单元之间的光纤传输技术替代了电缆传输控制线路，有效避免了因系统在工频启动、冲击点火瞬间的大电流电磁干扰和强电磁脉冲空间耦合而带来的误触发事故发生。同步控制方法完全依靠硬件电路设计实现，光电转换及电平转换时延在ns级，一个完整的信号流程时延可控制在500ns以内，确保了工频续流遮断能力测试中工频振荡电压全相位控制精度。图6为利用本发明控制方法进行一种线路防雷装置工频续流遮断能力测试的结果。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。