一种验证中低压直流配电开关设备开断性能的系统及方法与流程

1.本发明属于中低压直流配电开关设备试验技术领域。涉及一种验证中低压直流配电开关设备开断性能的系统及方法。


背景技术：

2.直流开关设备是切断直流线路故障的最直接和最经济的方式。由于直流系统无自然过零点，短路故障阻抗小，短路电流上升速度快，直流开关设备需要在几毫秒内切断故障电流，并耗散掉储存在系统电感中的能量，这就对直流开关设备的开断性能提出了很高的要求。为了验证直流开关设备的开断性能，目前实验室普遍采用lc振荡回路提供故障电流的方法，但是因为只有一个提供电流的电源，所以并未能考核到直流开关设备在开断后的绝缘性能和介质强度恢复能力。
3.专利文献cn110161405a公开了一种三电源直流开断合成试验回路及其试验方法，在电流源与换流源构成常规直流开断试验回路基础上，新增恢复电压源提供等效trv幅值及其持续作用，按照预设时序控制电流源、换流源和恢复电压源对试品开关提供大电流与高电压，提供等效试验参数的直流开断试验方法。该回路未将直流断路器当作被试整体看待，所述试验回路中的换流源即为直流断路器试品本身的转移支路，并且试验时未能接入直流断路器试品自身的能量吸收支路，该专利所述的回路和方法最终只对直流断路器的主支路开关进行了考核，未能对直流断路器试品整体开断性能进行全工况考核，等价性不足。
4.专利文献cn104535923a公开了一种用于直流断路器开断性能检测的试验回路及试验方法，该回路包括电流源以及与电流源连接的试验电路部分，其中电流源由低频振荡回路(或高频振荡回路)的电容经高压点火球、辅助开关ab1、电抗器104输出到直流断路器高压端。该回路同样未将直流断路器当作被试整体看待，试验中未能接入直流断路器试品自身的能量吸收支路，并且该专利所述的回路和方法最终只对直流断路器的主支路开关进行了考核，未能根据直流运行工况对直流断路器试品整体开断性能进行全工况考核，等价性不足。


技术实现要素：

5.针对上述现有技术的不足或缺陷，本发明提出一种验证中低压直流配电开关设备开断性能的系统及方法，可以对直流开关设备进行全电压全电流工况下的考核，满足直流开关设备开断试验的等价性及经济性要求，从而解决现有试验系统和方法只能考核电流开断能力、而无法考核电流开断后介质强度恢复能力的问题。
6.本发明通过以下技术手段解决上述问题：
7.一种验证中低压直流配电开关设备开断性能的系统，包括电流源、电压源、试品、电流及电压测量系统；
8.所述电流源包括直流充电装置101、充电开关102、电流源电容器组103、电流源电抗器104、电流源电阻105、电流源放电开关201、电流源保护开关202、电流源合闸开关203、
电流源保护球隙204和电流源保护避雷器205；
9.所述电压源包括电压源直流电源305、电压源合闸开关304、电压源调频电阻302和电压源调频电容303；
10.所述试品为被试直流开关401；
11.所述电流及电压测量系统包括总电压测量装置107、电流源电流测量装置106、电压源电流测量装置301和总电流测量装置402；
12.所述电流源中，直流充电装置101一端与充电开关102相连，另一端与电流源电容器组103低电位相连；充电开关102的另一端同时与电流源电容器组103的高压输出端和电流源电抗器104的一端相连；电流源电抗器104的另一端与电流源电阻105的一端相连；电流源电阻105另一端同时与电流源放电开关201和电流源保护开关202的一端相连；电流源放电开关201的另一端与被试直流开关401的低压端相连并接地；电流源保护开关202的另一端经过电流源合闸开关203与被试直流开关401的高压端相连；电流源保护球隙204和电流源保护避雷器205并联后的一端通过与电流源合闸开关203接在被试直流开关401的高压端，另一端与电流源放电开关201的接地端相连；。
13.所述电压源中，电压源直流电源305的高压端通过电压源合闸开关304与被试直流开关401的高压端相连，低压端与被试直流开关401的低压端相连并接地；电压源调频电阻302与电压源调频电容303串联后的一端与被试直流开关401的高压端相连，另一端与被试直流开关401的低压端相连并接地；
14.所述电流及电压测量系统中，总电压测量装置107高压端与被试直流开关401高压端相连，另一端与地相连；电流源电流测量装置106接在电流源电阻105与电流源保护开关202之间；电压源电流测量装置301接在电压源合闸开关304与电压源直流电源305之间；总电流测量装置接在被试直流开关401低压端与地之间。
15.所述电压源直流电源305为直流电压发生器，可用充好电的电容器组作为代替。
16.所述电流源电流测量装置106、电压源电流测量装置301和总电流测量装置402可以是罗氏线圈、分流器、霍尔ct。
17.所述总电压测量装置107是阻容分压器、电阻分压器或电容分压器。
18.所述电流源放电开关201与电流源电容器组103并联，其作用是当试验结束时，合上放电开关，泄放掉电容器组的电荷。
19.所述电流源保护开关202的作用是当试品直流开关无法开断短路电流时，时序控制打开保护开关，切断短路电流，防止试品长期通流造成损坏。
20.所述电流源合闸开关203和电压源合闸开关304，是可控的电力电子器件(晶闸管、igbt、iegt、igct等)，真空开关、sf6开关、球隙等。
21.所述的一种验证中低压直流配电开关设备开断性能的系统的验证方法，包括以下步骤：
22.试验前被试直流开关401处于合闸状态，电流源电容器组103充电完成，电压源直流电源305具备输出额定直流电压的条件，电流源放电开关201分闸，电流源保护开关202合闸，电流源合闸开关203和电压源合闸开关304均处于分闸状态；
23.在t1时刻电流源合闸开关203合闸；
24.在t2时刻被试直流开关401开始动作；
25.在t3时刻电流源保护开关202分闸；
26.在t4时刻电压源合闸开关304合闸，完成整个试验；
27.其中，t1＜t2＜t3＜t4；
28.t2为试品直流开关401收到脱扣指令的时刻，t3时刻为回路电流到达试验预期开断电流后100μs，t4与t3的时间间隔应在200μs
‑
500μs之间；
29.试验结果通过总电压测量装置107和总电流测量装置402读出，总电压测量装置107测得数据为被试直流开关401两端电压，总电流测量装置402测得数据为流过被试直流开关401的电流，依据被试直流开关401开断过程中的电压和电流，对比被试直流开关401的设计要求和设计准则，从而判断被试直流开关401实际开断性能，判断是否达到设计要求。
30.整个试验结束后，放电开关201合闸，将电流源电容器组103上残余的电荷泄放掉。
31.和现有技术相比较，本发明具备如下优点：
32.1.本发明相较以往测试开断性能的方法，加入了考察介质恢复情况和电弧重燃情况的有关结构和测试方法，更加符合实际工况，能够得到中低压直流配点开关设备的真实性能；
33.2.本发明操作流程简单，操作过程可以通过数字化和自动化手段完成，相较传统测试方式效率高，速度快；
34.3.本发明结构简洁明了，所用组件均为电气工程领域常用设备，便于加工制造和组装，适合在行业内进行推广；
附图说明
35.图1为本发明系统拓扑图。
36.图2为未考核介质强度恢复能力的试验波形图。
37.图3为引入电压源的合成试验预期波形图。
38.试验回路原理图符号说明：
39.101:直流充电装置
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201：电流源放电开关
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302：电压源调频电阻
40.102：充电开关
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202：电流源保护开关 303：电压源调频电容
41.103：电流源电容器组 203：电流源合闸开关 304：电压源合闸开关
42.104：电流源电抗器
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204：电流源保护球隙 305：电压源直流电源
43.105：电流源电阻
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205：电流源保护避雷器 401：被试直流开关
44.106：电流源电流测量装置 301：电压源电流测量装置402：总电流测量装置
45.107：总电压测量装置
具体实施方式
46.如附图1所示，一种验证中低压直流配电开关设备开断性能的系统包括电流源、电压源、试品、电流及电压测量系统；
47.所述电流源包括直流充电装置101、充电开关102、电流源电容器组103、电流源电抗器104、电流源电阻105、电流源放电开关201、电流源保护开关202、电流源合闸开关203、电流源保护球隙204和电流源保护避雷器205；
48.所述电压源包括电压源直流电源305、电压源合闸开关304、电压源调频电阻302和
电压源调频电容303；
49.所述试品为被试直流开关401；
50.所述电流及电压测量系统包括总电压测量装置107、电流源电流测量装置106、电压源电流测量装置301和总电流测量装置402；
51.所述电流源中，直流充电装置101一端与充电开关102相连，另一端与电流源电容器组103低电位相连；充电开关102的另一端同时与电流源电容器组103的高压输出端和电流源电抗器104的一端相连；电流源电抗器104的另一端与电流源电阻105的一端相连；电流源电阻105另一端同时与电流源放电开关201和电流源保护开关202的一端相连；电流源放电开关201的另一端与被试直流开关401的低压端相连并接地；电流源保护开关202的另一端经过电流源合闸开关203与被试直流开关401的高压端相连；电流源保护球隙204和电流源保护避雷器205并联后的一端通过与电流源合闸开关203接在被试直流开关401的高压端，另一端与电流源放电开关201的接地端相连；。
52.所述电压源中，电压源直流电源305的高压端通过电压源合闸开关304与被试直流开关401的高压端相连，低压端与被试直流开关401的低压端相连并接地；电压源调频电阻302与电压源调频电容303串联后的一端与被试直流开关401的高压端相连，另一端与被试直流开关401的低压端相连并接地；
53.所述电流及电压测量系统中，总电压测量装置107高压端与被试直流开关401高压端相连，另一端与地相连；电流源电流测量装置106接在电流源电阻105与电流源保护开关202之间；电压源电流测量装置301接在电压源合闸开关304与电压源直流电源305之间；总电流测量装置接在被试直流开关401低压端与地之间。
54.所述电压源直流电源305为直流电压发生器，可用充好电的电容器组作为代替。上述电流测量装置106、301、402可以是罗氏线圈、分流器、霍尔ct。
55.所述总电压测量装置107是阻容分压器、电阻分压器或电容分压器。
56.上述放电开关201与电流源电容器组103并联，其作用是当试验结束时，合上放电开关，泄放掉电容器组的电荷。
57.上述保护开关202的作用是当试品直流开关无法开断短路电流时，时序控制打开保护开关，切断短路电流，防止试品长期通流造成损坏。
58.上述电流源合闸开关203和电压源合闸开关304，是可控的电力电子器件(晶闸管、igbt、iegt、igct等)，真空开关、sf6开关、球隙等。
59.所述的一种验证中低压直流配电开关设备开断性能的系统，包括以下步骤：
60.试验前被试直流开关401处于合闸状态，电流源电容器组103充电完成，电压源直流电源305具备输出额定直流电压的条件，电流源放电开关201分闸，电流源保护开关202合闸，电流源合闸开关203和电压源合闸开关304均处于分闸状态；
61.在t1时刻电流源合闸开关203合闸；
62.在t2时刻被试直流开关401开始动作；
63.在t3时刻电流源保护开关202分闸；
64.在t4时刻电压源合闸开关304合闸，完成整个试验；
65.其中，t1＜t2＜t3＜t4；
66.t2为试品直流开关401收到脱扣指令的时刻，t3时刻为回路电流到达试验预期开
断电流后100μs，t4与t3的时间间隔应在200μs
‑
500μs之间。
67.试验结果通过总电压测量装置107和总电流测量装置402读出。总电压测量装置107测得数据为被试直流开关401两端电压，总电流测量装置402测得数据为流过被试直流开关401的电流。依据被试直流开关401开断过程中的电压和电流，对比被试直流开关401的设计要求和设计准则，从而判断被试直流开关401实际开断性能，判断是否达到设计要求。
68.整个试验结束后，放电开关201合闸，将电流源电容器组103上残余的电荷泄放掉。本发明通过合理的时序整定和设备动作次序配合，完成中低压直流配电开关设备完整开断性能的考核。
69.附图2显示的是未考察介质强度恢复能力的波形，该波形仅显示对被试直流开关进行电流开断测试，未考察开断电流后恢复电压加在直流开关两端的情况。工程实际应用中，直流开关开断电流后，系统恢复电压将立刻加在直流开关两端，若介质强度恢复速度慢，恢复的强度不足，则有可能被击穿而导致电弧的重燃，带来严重的线路故障。附图2显示的试验过程与工程实际情况不符，因此存在开断结果的失真，这种试验方法有待改进和优化。
70.附图3显示的是引入电压源的合成试验预期波形图。该波形图显示采用所述的适用于中低压直流配电开关设备开断性能验证的系统，并采用所述的步骤应用该系统验证中低压直流配电开关设备开断性能，是在被试直流开关开断电流试验的基础上，在t4时刻在被试直流开关两端引入一电压u，测试被试直流开关是否发生开断失败。该方法更加接近工程实际。
71.举例说明一种验证中低压直流配电开关设备开断性能的系统使用过程和判断性能方法。某型号1500v压缩空气直流断路器，开断短路电流时具有电弧电压较高的特点。该断路器所应用的系统最大短路电流100ka(时间常数10ms)，系统最高工作电压1800v，开断最大短路电流时间不超过10ms。采用所述验证开断性能的系统测试该直流断路器的开断能力，首先调整电流源电容器组103、电流源电抗器104、电流源电阻105数值到符合短路时间常数的配合参数，选取合适的直流充电装置101充电电压以产生符合系统最大短路电流要求。调整电压源直流电源305输出电压1800v。安装被试直流断路器作为被试直流开关401，开始试验。依照上述的试验方式进行试验，选取t1时刻为0时刻，t2时刻选择1ms，t3时刻选择5ms，t4时刻选择5.5ms。试验结束后读出总电流测量装置402和总电压测量装置107的数值，求得该直流断路器开断预期峰值电流100ka电流，开断时间小于10ms，开断后耐受恢复电压1800v未发生电弧重燃,证明该1500v直流断路器符合设计要求，通过性能测试。