一种弧后电流测量系统及其控制方法与流程

1.本发明涉及电流测量技术领域，尤其涉及一种弧后电流测量系统及其控制方法。


背景技术：

2.机械式气体断路器广泛应用于高压交流电网，也可用作高压直流开关设备的机械部件。由于电网安全可靠运行的关键作用，详细调查其开断行为非常重要。开断的关键时刻是电流零点附近的时间。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，在暂态恢复电压的作用下，存在弧后电流。弧后电流是断路器，特别是真空断路器开断过程的重要参量，弧后电流可以用于判断断路器的开断性能。电流为零时或电流为零前不久的电弧电阻以及弧后电流等测量值可用于评估测试断路器的开断能力。因此，过零附近电弧电流的精确测量提供了重要信息。
3.高压断路器零区测量的难点包括：1)不同时刻电弧电压、电流幅值差别较大，传感器量程难以兼顾。近区故障试验中，短路电流峰值高达上百ka，而弧后电流低至数百ma的数量级。同时，电弧电压仅有几kv甚至数百v，而暂态恢复电压高达数百kv；2)电弧电流、电压高低转换极快，对测量设备频率响应的要求很大；3)测量回路分布电感、断路器断口电容的存在使得电弧电压、电流难以直接、独立测量。
4.现有的零区测量方式包括传统方式和电流转移法。传统方式使用分流器和分压器直接测量，方式简单，但是想要得到理想的结果，需要在特质的分流器，而且需要根据回路的参数来计算电流电压。电流转移法使用机械开关帮助分流器承担大电流，可以较好的保护分流器，但是操作复杂需要在弧前特定时间控制机械开关的关合。


技术实现要素：

5.本发明目的在于，提供一种弧后电流测量系统及其控制方法，以解决弧后电流测量困难的问题。
6.为实现上述目的，本发明实施例提供一种弧后电流测量系统，包括并联连接的大电流电路模块、电流注入电路模块、电压形成网络模块和零区电流测量网络模块；
7.所述大电流电路模块包括依次串联的第一电容、第一辅助断路器、第一电感和第二辅助断路器；
8.所述电流注入电路模块包括依次串联的第二电感、第三辅助断路器和第二电容；
9.所述电压形成网络模块包括依次串联的电路电阻和第三电容；
10.所述零区电流测量网络模块包括依次串联的测试断路器和零区电流测量装置。
11.优选地，在所述第一电容和所述第二电容被充电后，第一辅助断路器和第三辅助断路器将分别在大电流电路模块和电流注入电路模块中启动电流流动。
12.优选地，所述零区电流测量装置包括分流器，以及在所述分流器两端反并联的若干个二极管。
13.优选地，所述第一电容、所述第一电感和所述电路电阻用于决定主电流的频率，所
述第一电容的充电电压用于决定主电流的峰值。
14.优选地，所述第二电容、所述第二电感和所述电路电阻用于决定注入电流的频率，所述第二电容的充电电压用于决定注入电流的峰值。
15.本发明实施例还提供一种弧后电流测量系统的控制方法，包括：
16.将第一辅助断路器闭合，使得通过测试断路器的正弦主电流开始流动；
17.在主电流过零前，将第二辅助断路器和测试断路器断开；
18.在主电流过零前，闭合第三辅助断路器，注入第二个正弦电流；
19.在主电流的电流零点，使第二辅助断路器开断大电流，注入电流仍流过测试断路器；
20.在下一个电流为零时，通过使用测试断路器开断注入电流，使得瞬态恢复电压上升；
21.通过选择电路电阻、第三电容、第一电感、第二电感、第一电容和第二电容的适当值来调整测试对象上的瞬态恢复电压波形；
22.通过零区电流测量网络测得弧后电流。
23.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
24.本发明提供一种弧后电流测量系统，包括大电流电路模块、电流注入电路模块、电压形成网络模块和零区电流测量网络模块；所述大电流电路模块包括依次串联的第一电容、第一辅助断路器、第一电感和第二辅助断路器；所述电流注入电路模块包括依次串联的第二电感、第三辅助断路器和第二电容；所述电压形成网络模块包括依次串联的电路电阻和第三电容；所述零区电流测量网络模块包括依次串联的测试断路器和零区电流测量装置。在本发明中，零区电流测量装置的分流器两端反并联若干二极管，当大电流流过测量单元时二极管自动起到传导电流作用，测量精度可以根据并联二极管的数量和种类来调节。
附图说明
25.为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
26.图1是本发明某一实施例提供的弧后电流测量系统的结构示意图；
27.图2是本发明某一实施例提供的未设置二极管的电路图；
28.图3是本发明某一实施例提供的设置了二极管的电路图；
29.图4是本发明某一实施例提供的二极管未导通时的测量结果图；
30.图5是本发明某一实施例提供的二极管导通时的测量结果图；
31.图6是本发明某一实施例提供的二极管保持更长时间导通时的测量结果图；
32.图7是本发明某一实施例提供的大电流下二极管的分流效果的测试结果图。
具体实施方式
33.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，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
34.应当理解，文中所使用的步骤编号仅是为了方便描述，不作为对步骤执行先后顺序的限定。
35.应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
36.术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
37.术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
38.请参阅图1，图1是本发明某一实施例提供的弧后电流测量系统的结构示意图。在本实施例中，弧后电流测量系统包括大电流电路模块a、电流注入电路模块b、电压形成网络模块c和零区电流测量网络模块d；所述大电流电路模块a包括依次串联的第一电容c1、第一辅助断路器s1、第一电感l1和第二辅助断路器s2；所述电流注入电路模块b包括依次串联的第二电感l2、第三辅助断路器sg和第二电容c2；所述电压形成网络模块c包括依次串联的电路电阻r和第三电容cn；所述零区电流测量网络模块d包括依次串联的测试断路器to和零区电流测量装置d。
39.具体地，在所述第一电容c1和所述第二电容c2被充电后，第一辅助断路器s1和第三辅助断路器sg将分别在大电流电路模块a和电流注入电路模块b中启动电流流动。
40.在某一实施例中，所述零区电流测量装置d包括分流器，以及在所述分流器两端反并联的若干个二极管。
41.可以理解地，当大电流流过测量单元时二极管自动起到传导电流作用，测量精度可以根据并联二极管的数量和种类来调节，测量单元的电感影响着测试的电流变化率。
42.具体地，所述第一电容c1、所述第一电感l1和所述电路电阻r用于决定主电流的频率，所述第一电容c1的充电电压用于决定主电流的峰值。
43.具体地，所述第二电容c2、所述第二电感l2和所述电路电阻r用于决定注入电流的频率，所述第二电容c2的充电电压用于决定注入电流的峰值。
44.本发明实施例还提供一种弧后电流测量系统的控制方法，应用于上述任一实施例所述的弧后电流测量系统，包括：
45.将第一辅助断路器s1闭合，使得通过测试断路器to的正弦主电流开始流动；在主电流过零前，将第二辅助断路器s2和测试断路器to断开；在主电流过零前，闭合第三辅助断路器sg，注入第二个正弦电流；在主电流的电流零点，使第二辅助断路器s2开断大电流，注入电流仍流过测试断路器to；在下一个电流为零时，通过使用测试断路器to开断注入电流，使得瞬态恢复电压上升；通过选择电路电阻r、第三电容cn、第一电感l1、第二电感l2、第一电容c1和第二电容c2的适当值来调整测试对象上的瞬态恢复电压波形；通过零区电流测量网络测得弧后电流。
46.为了精确测量过零前后毫安或一位数安培范围内的电流，需要在高电流阶段限制输出信号的测量系统，故提供一种弧后电流测量系统。
47.在本发明实施例中，反并联连接的二极管不会传导低于某个阈值电压(正向电压
vf)的大电流。因此，可以认为测量系统两端的电压与限定范围内的总电流成比例。
48.i0＝vf/rs49.id(vf)≤x
·
i050.其中，i0为测量得到的电流，vf为某一阈值电压(正向电压)，rs为所选分流电阻，id为正向偏置二极管电流，x为所需精度值。
51.一旦超过阈值电压vf，即电流上升到更高的水平，正向偏置二极管将接管越来越大的份额的电流。这导致电压的上升急剧下降。有效地限制了测量系统的输出电压。由于这种效果，数据采集系统的输入范围可以相应地调整，并且可以记录电流零附近的范围，从而提高准确性。
52.可以理解地，弧后电流测量系统可以选择分流电阻和二极管阈值电压来匹配所需的测量范围。静态电压电流特性定义了测量范围的宽度(vf)和削波能力(正向斜率电阻rf、峰值正向电流)。此外，整个系统需要适合高频，以便快速换向进出分流器的电流(杂散电感、反向恢复、封装电感)。通常，必须做出权衡，因为高功率二极管不适合高频，反之亦然。由于对系统带宽和低输出电压的高要求，考虑寄生元件和二极管的非理想行为至关重要。
53.由于系统的总载流能力可以通过多个单元的并联组件来提高，肖特基二极管和快速恢复二极管优于高功率二极管。然而，为了避免并联二极管的热失控，相当大的安全裕度是重要的。如果应用需要传导非常高的电流，可能需要并联额外的高功率二极管。
54.由于系统的总载流能力可以通过多个单元的并联组件来提高，肖特基二极管和快速恢复二极管优于高功率二极管。然而，为了避免并联二极管的热失控，相当大的安全裕度是重要的。如果应用需要传导非常高的电流，可能需要并联额外的高功率二极管。
55.在分流器两端反并联若干二极管，当大电流流过测量单元时二极管自动起到传导电流作用，测量精度可以根据并联二极管的数量和种类来调节，测量单元的电感影响着测试的电流变化率。
56.选择分流电阻和二极管的阈值电压能够匹配所需的测量范围。
57.静态电压-电流特性定义了测量范围的宽度(
±vf
)以及削波能力(正向斜率电阻rf，正向峰值电流)。此外，整个系统需要适用于高频，以实现电流进出分流器的快速换向(杂散电感、反向恢复、封装电感)。通常，必须进行权衡，因为高功率二极管不适合高频，反之亦然。由于对系统带宽和低输出电压的高要求，考虑寄生元件和二极管的非理想行为至关重要。
58.由于系统的总载流能力可以通过多个单元的并联组装来增加，肖特基二极管和快速恢复二极管比高功率二极管更可取。然而，为了避免并联二极管的热失控，相当大的安全裕度很重要。如果应用需要传导非常高的电流，则可能需要并联额外的高功率二极管。
59.本发明实施例提供低功率测试，对于不同类型的二极管和系统组件的第一次评估，使用一个预充电的低压lc电路。调谐到两位数千赫范围内的谐振频率，并提供超过组件的选定线性范围至少五倍的电流。使用该测试设置，可以轻松调整电流的最大上升速率，以确定不同类型二极管和组件的动态极限性能。由于电路的阻尼，在每次测量中都观察到多个电流过零点，电流上升速率降低，这可以确定系统在不同条件下的性能。一旦确定了合适的组件，就可以使用并联将其放大到所需的电流水平。这种测试设置的主要缺点是不可能产生与断路器测试的预期电流幅度相似的电流。因此，二极管不能用测量系统实际应用中
使用的低欧姆分流器进行测试。
60.本发明实施例提供高功率测试，一旦确定了合适的二极管配置，就必须对具有低欧姆分流和多个二极管并联的放大版本进行验证。如果电压和电流参数可以充分调整，这可以在断路器测试台上完成。
61.在某一具体实施例中，搭建的回路模型分为有无二极管和二极管电路如图2、图3所示，v1为有效值可改变的50hz交流电压源；s1为延时开关，可以控制开关的时间，设置为开关时间为0.0s导通，0.02s关断，正好为一个周期；r5模拟关断时的回路电阻，阻值为1000欧姆，r1模拟分流器的电阻，于回路电阻相比应该是极小的，设置为r5的0.001倍，阻值为1欧姆；xsc1为示波器，通道1监测总体的电压变化，通道2监测r1两端的电压；d1、d2为理想二极管，经检测，导通电压约为u0＝0.25v。
62.当二极管未导通时：设置v1＝170v，此时二极管应为未导通状态，因此，回路属于两个电阻串联，那么示波器测量的两个信号值应该相差约1000倍，因此将通道1和通道2的量程调到差1000倍，如图4所示，两条曲线完全重合，而且和无二极管的仿真结果一致，说明此时二极管两端电压低，二极管未导通。
63.当二极管导通时：设置v1＝200v，此时二极管应为应该在电压上升时的某一时刻t1导通，因此，当t《t1时回路属于两个电阻串联，当5ms》t》t1时，二极管导通，会分担电流，此时电压值会小于没有二极管时的电压值。继续将通道1和通道2的量程调到差1000倍，如图5所示，图5(a)中两条曲线仍然完全重合，而图5(b)中在3.59ms时二极管导通，此时二极管两端的电压为0.250v。
64.当二极管保持更长时间导通时：设置v1＝2000v，仿真结果如图6所示，无二极管的仍然会重合，而图6(b)中有二极管则会早早的达到二极管的导通电压，使得二极管为r1分流，虽然在大电流阶段无法准确测量流过的电流，但是在小电流区间0-307us内，是可以测量到精准的电流的。
65.本发明实施例提供保护功能，当设置v1＝2000v时，二极管两端电压ud＝389mv，也就是分流器两端的电压；当设置v1＝20000v时，仿真结果如图7所示，ud＝550mv，这说明二极管能帮助分流器分流的同时还保护了分流器。
66.以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。