一种列车车载变压器励磁涌流抑制方法及组合断路器系统与流程

本发明涉及一种具有抑制励磁涌流功能的断路器控制系统及实施方法，属于断路器技术领域。

背景技术：

断路器作为一种可以关合电路、承载冲击电流的开关装置，被广泛应用于列车牵引传动控制系统中。

列车停车或在过分相前瞬间需要利用断路器完成电路关断操作，当断路器分闸时，由于电压超过空气的耐受力使空气电离变成导体今儿产生电弧。电弧一般会绕过绝缘体沿着绝缘体表面产生，因而对绝缘体产生损坏，如电弧的高温会使绝缘体融化或碎裂，进而对人身、生命财产安全造成损害。

当列车启动或者在过分相后瞬间需要利用断路器完成电路闭合操作，当断路器合闸时，由于变压器原边突然的电压变化，会导致牵引变压器过饱和，进而产生非常大的励磁涌流，励磁涌流大小一般是是额定电流的五倍以上，会对高速列车产生非常的冲击，进而引起继电器误动作。

本发明在深入研究电弧和励磁涌流产生原因及危害的基础上提出了一种列车车载变压器励磁涌流抑制方法及组合断路器系统，借助较为成熟的pll锁相环技术、固态断路器等技术，消除电弧、励磁涌流对牵引传动系统的冲击，防止保护继电器误动作。在关断电路时，首先借助pll锁相环电路锁定接触网基波电流相位，当电流过零点时关断电路，这样可以有效消除拉弧现象。在闭合电路时，首先借助pll锁相环电路锁定接触网基波电压相位，然后根据系统预设的合闸相位角确定合闸时刻，合闸相位角的选取标准是确保合闸偏磁为零，以抑制车载变压器饱和。该发明能有效消除拉弧和牵引变压器励磁涌流，减少继电器误动作，减少励磁涌流的危害。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种一种列车车载变压器励磁涌流抑制方法及组合断路器系统，其结构简单，能够达到抑制列车车载变压器在启动或者过分相瞬间励磁涌流的目的，减少对牵引传动系统的冲击。

为实现上述目的，本发明提出一种列车车载变压器励磁涌流抑制方法及组合断路器系统，其结构组成包括两大部分：主电路和控制回路两部分，主电路包括固态断路器模块、机械断路器等；控制电路包括控制器、电压传感器、电流传感器等。

本发明所提出的一种列车车载变压器励磁涌流抑制方法及组合断路器系统，断路器合闸相位角控制方法如下：

本发明采用选相合闸控制策略抑制车载牵引变压器励磁涌流。具体整定过程如下：

设控制过程主要参数如下：

断路器开闸相位角为α；

断路器再次合闸相位角β；

剩磁φres；

偏磁φp；

稳态磁通φs；

剩磁衰减系数k1；

整个控制过程可以分为两个步骤：步骤一：.断路器断开后的剩磁计算过程；步骤二：再次合闸时合闸相位角整定过程。

步骤一：剩磁计算过程

断路器断开时刻的开闸相位角α与瞬时电压u1的关系为

断路器断开之后的剩磁φres为

其中，k1为剩磁衰减系数，k1随变压器所处环境中的温度、湿度等条件变化，其数值根据开合闸间隔长短而整定，变化范围为0-1.

步骤二：合闸角整定过程

断路器再次闭合瞬间的稳态磁通φs与合闸相位角β为

考虑磁通不能瞬变

φres＝φp+φs(4)

将φres、φs代入等式(4)可得式(5)

为了使车载变压器不饱和，需要合闸偏磁为零，也即如式(6)所示

φp＝0(6)

根据式(6)，可得到断路器合闸相位角需要满足：

β＝arccos(k1cosα)(7)

本发明所提出的一种列车车载变压器励磁涌流抑制方法及组合断路器系统，具体实施过程包括如下两个阶段：阶段一：列车过分相启动阶段；阶段二：列车过分相结束阶段阶段，。具体操作过程如下：

阶段一：列车过分相启动阶段

动车组接收到过分相启动信号后，断路器开合操作过程如下：

第一步：当系统接收到过分相启动信号后，首先通过调节变流器切除负载；

第二步：然后确认负载被切除后闭合固态断路器；

第三步：在确保固态断路器模块完全闭合的前提下断开机械断路器，机械断路器在断开的过程中由于机械断路器两端电压始终为零，所以机械断路器断开过程不会出现拉弧放电现象；

第四步：当电流相位检测模块检测到电流相位过零点时断开固态断路器，同时控制器记录固态断路器断开时刻电压波形的相位α用以计算车载变压器剩磁φres。

阶段二：列车过分相结束阶段阶段

动车组接收到过分相结束信号后，断路器开合操作过程如下：

第一步：当接收到过分相结束信号后，在电压互感器检测到的电压波形相位与系统预设的合闸初相角相同时闭合固态断路器模块，预设合闸初相角根据牵引变压器剩磁与偏磁互补原则整定，使按整定后的预设合闸初相角合闸时合闸偏磁与剩磁正好互补；

第二步：当确定固态断路器完全闭合之后闭合机械断路器，在机械断路器闭合的过程中由于机械断路器两端电压为零，机械断路器在闭合过程不会出现拉弧现象；

第三步：当确定机械断路器完全闭合之后断开固态断路器；

第四步：在固态断路器完全断开之后调节变流器使牵引电机运转，动车组车载变压器开始带载运行。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明一种列车车载变压器励磁涌流抑制方法及组合断路器系统的具体实施方式，但是本发明的实施不限于以下的实施例。

图1为本发明提供的一种列车车载变压器励磁涌流抑制方法及组合断路器系统的系统结构图，其结构组成包括两大部分：主电路和控制回路两部分，主电路包括固态断路器模块、机械断路器等；控制电路包括控制器、电压传感器、电流传感器等。

图2本发明提供的一种列车车载变压器励磁涌流抑制方法及组合断路器系统选相合闸控制策略算法整定过程示意图。本发明采用选相合闸控制策略抑制车载牵引变压器励磁涌流。具体整定过程如下：

设控制过程主要参数如下：

断路器开闸相位角为α；

断路器再次合闸相位角β；

剩磁φres；

偏磁φp；

稳态磁通φs；

剩磁衰减系数k1；

整个控制过程可以分为两个步骤：步骤一：.断路器断开后的剩磁计算过程；步骤二：再次合闸时合闸相位角整定过程。

步骤一：剩磁计算过程

断路器断开时刻的开闸相位角α与瞬时电压u1的关系为

断路器断开之后的剩磁φres为

其中，k1为剩磁衰减系数，k1随变压器所处环境中的温度、湿度等条件变化，其数值根据开合闸间隔长短而整定，变化范围为0-1.

步骤二：合闸角整定过程

断路器再次闭合瞬间的稳态磁通φs与合闸相位角β为

考虑磁通不能瞬变

φres＝φp+φs(4)

将φres、φs代入等式(4)可得式(5)

为了使车载变压器不饱和，需要合闸偏磁为零，也即如式(6)所示

φp＝0(6)

根据式(6)，可得到断路器合闸相位角需要满足：

β＝arccos(k1cosα)(7)

所以为确保车载变压器无励磁涌流，需要合闸相位角满足：β＝arccos(k1cosα)。

图3为本发明所提出的一种列车车载变压器励磁涌流抑制方法及组合断路器系统中列车过分相启动过程组合断路器开合时序图，图4为本发明所提出的一种列车车载变压器励磁涌流抑制方法及组合断路器系统中列车过分相结束过程组合断路器开合时序图。本发明所提出的一种列车车载变压器励磁涌流抑制方法及组合断路器系统，可以分为如下两个阶段：阶段一：列车过分相启动阶段；阶段二：列车过分相结束阶段阶段。

阶段一：列车过分相启动阶段

在此过程组合断路器开合过程的时序图如图3所示。动车组接收到过分相启动信号后，组合断路器开合操作过程如下：

第一步：当系统在t0时刻接收到过分相启动信号后，首先在t0时间段内通过调节变流器切除负载；

第二步：然后确认负载被切除后于t1时刻闭合固态断路器；

第三步：在确保固态断路器模块完全闭合的前提下于t2时刻断开机械断路器，机械断路器在断开的过程中由于机械断路器两端电压始终为零，所以机械断路器断开过程不会出现拉弧放电现象；

第四步：当电流相位检测模块检测到电流相位过零点时于t3时刻断开固态断路器，同时控制器记录固态断路器断开时刻电压波形的相位α用以计算车载变压器剩磁φres。

阶段二：列车过分相结束阶段

此过程组合断路器开合过程的时序图如图4所示。动车组接收到过分相结束信号后，断路器开合操作过程如下：

第一步：当系统在t4时刻接收到过分相结束信号后，在电压互感器检测到的电压波形相位与系统预设的合闸初相角相同时闭合固态断路器模块，此时时刻为t5。

第二步：当确定固态断路器完全闭合之后闭合机械断路器，此时时刻计为t6，在机械断路器闭合的过程中由于机械断路器两端电压为零，机械断路器在闭合过程不会出现拉弧现象；

第三步：当确定机械断路器完全闭合之后断开固态断路器，此时时刻为t7；

第四步：在固态断路器完全断开之后调节变流器使牵引电机运转，动车组车载变压器开始带载运行。

附图说明

图1：:组合断路器系统结构图

图2：选相合闸控制策略算法整定示意图

图3：开闸过程断路器操作时序图

图4：合闸过程断路器操作时序图。