大容量組合開關跳合閘角度精確控制系統研制

張鳳鴿，韓士杰，嚴 蕾，吳 彤，楊德先，胥岱遐

大容量組合開關跳合閘角度精確控制系統研制

張鳳鴿1，韓士杰2，嚴 蕾3，吳 彤1，楊德先1，胥岱遐2

（1. 華中科技大學 電氣與電子工程學院，強電磁工程與新技術國家重點實驗室，電力安全與高效湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430074；2. 國網電力科學研究院有限公司，江蘇 南京 210061；3. 山東省水利勘測設計院，山東 濟南 250013）

研制了一種大容量高精度組合開關和具有多路參考電壓的合閘角程序控制器，能夠對開關跳合閘角度進行精確控制，實現了對電力系統的短路時刻、變壓器勵磁涌流實驗角度和轉換性故障的轉換時間等精確控制；能動態模擬再現實際電力系統各種故障波形，能開展0~360°不同時刻的故障實驗和故障波形分析。實驗表明，該開關的控制精度可由原來的±5 ms提高到±0.1 ms，滿足了科學研究實驗需要。

電力系統；勵磁涌流；故障波形；合閘角；動模實驗

目前電力變壓器的勵磁涌流與和應涌流仍然是變壓器保護控制研究的最關鍵和最困難的問題。在同一母線上連接兩臺或兩臺以上的變壓器時，如果一臺變壓器進行空載合閘，受鐵芯中的剩余磁通和勵磁磁通等因素的影響，將在繞組中將產生勵磁涌流，涌流大小不僅與變壓器合閘時刻有關，而且與該變壓器上一次跳閘時刻也有關。同時，浪涌電流也會出現在與其在同一母線上并聯運行的其他變壓器繞組中，稱之為和應涌流[1-2]，和應涌流與勵磁涌流密切相關。勵磁涌流與和應涌流的產生會使保護裝置和穩控裝置發生誤動跳閘的事故，嚴重威脅電力系統安全穩定運行。

目前市場上能夠精確控制動作時間的開關或斷路器主要是固態開關，固態開關亦稱電子開關，是指利用晶閘管、IGBT等電力電子器件實現電路通斷的開關。對于一個最大關斷電流800 A的大容量的電子開關，市場價需要幾十萬元左右，最關鍵的是電子開關在關斷時存在漏電流，同時在導通時存在管壓降，完全不適合用于變壓器勵磁涌流與和應涌流的研究。

為了開展變壓器勵磁涌流與和應涌流等問題的實驗研究，必須采用能精確控制開關的跳合閘時間的機械開關，才能捕捉到變壓器繞組剩磁和電源合閘角度對涌流的影響[3]。普通開關跳合閘容量和動作時間精度難以滿足實驗需求，在以往實驗中只能通過多次重復、隨機投切故障來進行該類實驗。實驗效果不好，無法控制和復現，往往多次實驗都得不到想要的結果。因此必須研制一種能夠承受大短路電流的大容量高精度組合開關和一種具有多路參考電壓的合閘角程序控制器，通過兩者結合，實現在動模實驗室中對開關跳合閘時刻的精確控制[4]。

1 組合式開關的研制

在電力系統動態模擬實驗室中，常用開關是交流控制的交流接觸器或直流控制的交流接觸器。交流控制的交流接觸器因其使用交流50 Hz電源作為控制電源，開關控制線圈在電流過零點左右跳閘，在峰值前后合閘，開關合閘及跳閘時的動作時間的離散性很大，精度不高，理論上有±5 ms偏差，對于50 Hz的交流波形相當于±90°偏差，而且可控性差，所以不能采用交流控制的交流接觸器。直流控制的交流接觸器合閘精度很高，但跳閘精度不高。原因是其內部通過小阻抗線圈串非線性電阻方法來消耗跳閘時線圈的能量，回路時間常數大，衰減慢，大大降低了跳閘動作時間的精度。

1.1 組合開關研制應用

為了滿足實驗研究需要，提高開關動作時間精度，縮短開關的跳合閘時間差，進行了大容量高精度組合開關研制。對交流控制的交流接觸器進行了改造，將其控制回路由交流控制改成直流控制，改造后的接觸器（JQF）其跳閘時間精度大大提高。同時把直流控制的交流接觸器（SQF）與改造后的接觸器（JQF）并聯組合使用，由JQF負責跳閘，SQF負責合閘，既提高了開關的跳合閘動作時間的精度，達到精確控制了電源合閘角度和切除角度的目的，又縮短跳合閘時間差，且使跳合閘之間的時間差可調可控。

變壓器勵磁涌流與和應涌流實驗接線圖如圖1所示，虛線框內為大容量高精度組合開關。組合開關由接觸器SQF、JQF并聯組成，每個接觸器的額定電流為170 A，絕緣電壓為1000 V，最大可承受的短時沖擊電流小于等于50 kA，試驗時模型的運行電壓為800 V。開關具有較大的容量，能承受模型試驗中各種各樣的短路電流的沖擊。

圖1 變壓器勵磁涌流與和應涌流接線

圖1中W22、W23分別為50 kVA和100 kVA模擬無窮大電源[5]，通過組合可以模擬不同容量的電源系統。X72、X66、X75分別為不同長度的模擬線路，K39、K35、K41為對應線路的短接開關，通過開關的投切組合，可以控制電源系統的阻抗。02T和10T均為15 kVA模擬變壓器，06T為31 kVA模擬變壓器，其中02 T為被試變壓器，通過開關的組合可以進行不同方式下變壓器勵磁涌流與和應涌流的研究實驗。

1.2 開關控制回路的改造

圖2為改造后的接觸器JQF的控制回路接線圖，分別設計了“遠方”和“就地”控制按鈕，控制方式靈活多樣。

圖2 改造后的接觸器JQF控制回路接線圖

改造前，圖2中QF是接觸器JQF的交流220 V控制線圈，合閘時最大沖擊電流max=4.14 A，工作維持電流為0.25 A，QF線圈電阻w=175 Ω，線圈電感是一個變化量，合閘前=157 mH、合閘后=2740 mH，前后相差17倍之多。

經理論計算和實際測試，在JQF控制線圈回路中串聯了保持電阻1，線性電阻1=800 Ω；QF線圈并聯了線性電阻2和電容C，2=100 Ω，2的作用是縮短跳閘回路時間常數，提高開關跳閘動作時間的精度。電阻1和2值的選取要與線圈電阻值相匹配，不能太大或太小，1太大會使流經線圈的電流值達不到額定合閘工作電流，導致開關拒動；1太小，線圈保持電流超過額定值，開關長時間閉合時，會燒毀開關線圈。根據衰減時間常數計算公式可以計算出改造后的回路跳閘前后的衰減時間：

2 合閘角控制器

要實現開關跳合閘角度和時間差的精確控制，還需要有合閘角程序控制器。合閘角控制器首先要精確判斷交流電壓過零點的時刻0，其次根據測得機械開關的動作時間y，計算出指令發出時間，以滿足整定的跳合閘角度。根據事先測得的開關動作時間y以計算出指令發出延時時間，K=+y即在K時刻發出合閘脈沖[6]，時間的計算要考慮參考電壓波形周期的影響。

開關工作電源分直流電源、交流電源兩種形式。使用直流電源控制的開關，跳合閘動作時間是穩定的。使用交流電源控制的開關，跳合閘動作時間是隨上電時刻控制電源波形的角度而變化的。由于開關制作材料及生產工藝的不同，每個開關的動作時間并不一致[7]。即使是同一個開關，其動作時間也會隨著運行工況的不同及使用次數的增加而產生變化。因此合閘角控制器必須具有自動跟蹤開關動作時間和動態矯正指令發出延時時間的功能。

2.1 硬件設計

開關跳合閘的精確控制以及動態矯正開關動作時間，關鍵要解決3個問題：一是要正確采集開關跳合閘成功的反饋信號；二是要控制開關開始計時的時刻；三是要精確測量開關的合閘時間以及開關的跳閘時間。為了解決以上3個問題，對硬件電路進行了專門設計，硬件電路結構示意圖見圖3。

圖3 硬件電路結構示意圖

2.1.1 開關位置的反饋信號

判斷開關跳合閘是否成功，就需要有開關合閘/跳閘成功的反饋信號。在本文設計的合閘角程序控制器裝置中，反饋信號可以是開關的分位/合位信號，見圖3中斷路器開關位置模塊；也可以是開關出線側的電壓信號或通過開關的電流信號，見圖3中電壓電流波形整形模塊。通過采集如下3種信號去判別開關是否跳合閘成功各有優缺點，實驗時可根據實驗條件或實驗要求三選一。

（1）開關的分位/合位信號。分合位信號是接觸器輔助觸點的信號，只有兩種狀態：分位和合位。對于信號處理電路來說，相對比較可靠簡單。但接觸器的輔助觸點和主觸頭會有毫秒級的時間差，且有一定的離散性，因此以開關的分位和合位信號不能精確判斷開關是否分合閘成功。

（2）開關出線側的電壓信號。在開關跳合閘瞬間，開關出線側的電壓信號有不確定角度的正弦波變為零，或由零變為不確定角度的正弦波，角度的不確定性使得快速捕捉變化變得非常困難。對此信號的處理采用軟硬件結合的方式，首先由硬件處理回路把0~100 V電壓轉換成0~3 V信號。軟件采用程序監測軟件（也稱作看門狗技術）實時監測電壓量的變化。用戶可以預先對裝置監測電壓值的上下限進行設定，監測軟件能快速跟蹤檢測輸入電壓是否超出裝置整定值，一旦監測到的電壓超出整定值的范圍，將會觸發監測軟件中斷。電壓信號二次額定值為57.74 V，正常運行系統的變化不大，所以采用出線側電壓信號比較靈敏、可靠。但實驗系統需要增加出線側的電壓互感器。

（3）通過開關的電流信號。在有負載的情況下，在開關跳合閘瞬間，開關出線側的電流信號有正弦波不確定角度變為零或由零變為正弦波的不確定角度。對此信號采用軟硬件結合的方式，首先由硬件處理回路把電流轉換成0~3 V信號。硬件方式不容易偵測電流變化時刻，采用模擬量監視定時器（看門狗）技術偵測電流的變化。一旦采集到的電流超出該上下限，將會立即觸發模擬看門狗中斷。電流信號二次額定值為5A，但由于負載的不同，電流變化很大，所以采用出線側電流信號不靈敏。但一般現場均配備電流互感器，所以此信號容易獲得。

2.1.2 過零點時刻和開關動作時間的處理

電壓信號過零點時刻的精確提取是實現開關在信號波形指定相角處動作的關鍵。一般情況下電壓信號過零點的提取是通過采用過零比較器來實現，主要是采用電壓比較模塊（LM393）將輸入的正弦波信號變換成方波信號，以快速精確檢測到信號過零點時刻。LM393電壓比較器是一款專業的電壓比較器，具有結構簡單，響應速度快，靈敏度高等特點，比較適合應用于專門的電壓比較電路中[8]。

在電壓比較器電路中，是將接入的實時變化的電壓信號與基準電壓相比較，實時轉換輸出方波信號，然后將此方波信號直接輸出至CPU的I/O中斷信號，減少了響應時間，提高了計時精度。控制模塊通過I/O中斷信號能快速精確檢測到過零點時刻[9]。

開關的跳閘/合閘是由控制板上的繼電器控制開關操作電源來實現。由于繼電器動作需要時間，為程序處理方便，對繼電器和開關跳合閘時間進行了綜合處理，把控制繼電器時間和開關的動作延時時間進行綜合考慮，開關跳/合閘時間的測量是從合閘繼電器線圈帶電起開始計時，直至開關主觸頭實際斷開/閉合時停止[10]。

2.1.3 開關控制電源的測量

分合閘時間與控制電源電壓的變化有很大的關系。為了提高角度控制單元的控制精度，需要對開關控制電源的電壓信號進行實時測量。交流控制電源的幅值、頻率及與主回路電壓相位差均與開關跳合閘延時密切關系，所以對開關控制電源電壓信號設計了專門的測量電路。

將控制電源電壓信號變換成小信號輸入到芯片的A/D回路，并連接到電壓比較器中，這個實時變化的電壓信號將與基準電壓相比較后轉換成方波信號輸出，然后將此方波信號直接輸入至CPU的I/O中斷信號，可計算出交流控制電源的頻率及與主回路電壓的相位差[8]。

2.2 軟件設計

軟件設計是配合硬件電路來實現對主回路電壓、控制電源和開關狀態的測量與監控。主要完成數據采集，參考電壓零點的提取，開關狀態的反饋、觸發啟動條件判斷、通信上傳等功能。主程序包括系統初始化、開機自檢（RAM自檢、FLASH自檢等）、數據采集、液晶顯示檢測、操作處理等[11]。主程序流程圖如圖4所示。

圖4 主程序框圖

系統初始化包括CPU時鐘的初始化、數模轉換模塊的初始化，數據緩沖區的初始化。系統初始狀態的初始化是指在裝置沒有收到任何操作指令時，系統要自動完成輸入信號的采集檢測、參考電壓的過零點、實時上傳監控數據等。當系統接到就地或遠方的操作指令后，將觸發CPU芯片的I/O中斷，啟動分合閘時間計算程序和過零點檢測計算程序，根據開關的控制電源電壓、與主回路相位關系等參數，自適應預測出開關操作回路的動作時間，并實時計算出開關執行單元的觸發延時，及時調用相應的控制程序，精確控制開關在預設的電壓角度處跳閘或合閘。

3 系統測試與應用

研制的大容量高精度組合開關和合閘角程序控制器如圖5所示。通過兩者結合，實現了對開關跳合閘時刻的精確控制。

首先針對合閘角程序控制器進行參數設置，可以選擇定延時控制和定合閘角度控制。當選擇定延時控制時，系統觸發后將以出口1為參考，按照每個通道設定的出口延時和出口脈寬進行出口，主要用于系統故障持續時間及轉換性故障的轉換時間的精確控制。當選擇定合閘角度控制時，首先要將參考電壓信號、開關位置的反饋信號、交流控制電源電壓信號、主回路的電壓信號等接入合閘角控制器中，然后對參數進行整定。整定原理如圖6所示，在系統第一次啟動后程序會自動檢測開關的動作時間y，延時時間則根據整定的合閘角度進行自動矯正，是個變化的量。合閘角開入量去抖動延時為1 ms，出口脈寬m默認值為100 ms；增角在0~360°范圍可以設置；循環間隔時間為100周波（2000 ms）。在循環模式下，只需要觸發一次即可，裝置第一次會以設定的起始合閘角度進行合閘，第二次以起始合閘角度加上單次增角進行合閘，以此類推，每次合閘都在前次合閘角的基礎上增加增角，直到最終合閘角度大于360°為止。圖6為合閘角度的參數原理示意圖。

圖5 大容量高精度組合開關和合閘角程序控制器

圖6 合閘角度的整定原理示意圖

實驗結果表明，合閘角控制器可以在0~360°范圍內精確控制開關的合閘角度，合閘角度誤差小于1°（0.05 ms），從發出合閘命令時刻起到匹配整定的合閘角度并出口，動作時間小于等于40 ms。針對組合開關進行測試，因受開關磁鐵剩磁和機械阻力等因素的影響，開關跳合閘時間有一定的離散性，開關的動作誤差為0.1 ms。組合開關系統的控制精度由原來單個接觸器的±5 ms提高到±0.1 ms，開關的裝置運行可靠，達到了設計的技術要求，能滿足科學研究需要。

組合開關系統可以對發電機、輸電線路的故障時刻和故障持續時間進行精確控制，也可以對變壓器跳閘時刻和合閘時刻進行精確控制，圖7為2臺并聯運行的變壓器勵磁涌流及和應涌流實驗波形（下標a、b、c為相線編號，9—15為信號通道），02T為運行中的小容量變壓器，06T為合閘操作中的大容量變壓器，精確控制06T在繞組剩磁最大時跳閘，然后在200 ms后合閘，合閘時06T產生最大的勵磁涌流，并且在02T上產生和應涌流。和應涌流在120 ms左右起振到最大，2400 ms才結束。通過實驗找到控制涌流大小的方法和變壓器保護的新原理和新判據，有助于提高電力系統安全穩定運行。

圖7 變壓器涌流實驗波形（參考電壓角度為0°）

4 結語

通過實驗測試應用分析表明，所設計的大容量組合開關系統，具有開斷容量大、能精確控制跳合閘角度、系統操作簡便等優點，能在電力系統動態模擬實驗室反復重復再現實際電力系統故障波形，能進行0~360°不同時刻的跳合閘實驗和故障實驗，實現了對電力系統短路時刻精確控制、故障轉換時間的精確控制、變壓器勵磁涌流精確控制等，進一步發揮了動模實驗室的物理模擬實驗中的作用[12]。已經開展了系列暫態波形分析，為電力系統的科學研究、電力自動裝置的檢測、動模實驗教學提供先進的實驗手段。

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Development of accurate control system for tripping and closingangle of large capacity combination switch

ZHANG Fengge1, HAN Shijie2, YAN Lei3, WU Tong1, YANG Dexian1, XU Daixia2

(1. Hubei Key Laboratory of Electric Power Safety and High Efficiency, School of Electrical and Electronic Engineering, State Key Laboratory of Strong Electromagnetic Engineering and New Technologies, College of Electrical and Electronic Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China; 2. State Grid Electric Power Research Institute Co., Ltd., Nanjing 210061, China; 3. Shandong Survey and Design Institute of Water Resources, Ji’nan 250013, China)

A large capacity and high-precision combination switch and a program controller with multi-channel reference voltage are developed, which can accurately control the switching angle and realize precise control of short-circuit time, transformer inrush current experimental angle and switching time of transforming faults in power system. It can reproduce all kinds of fault waveforms in real power system in dynamic simulation laboratory, and carry out fault experiment and fault waveform analysis at different time from 0 to 360°. The experiment shows that the control accuracy of the switch can be increased from ±5 ms to ±0.1 ms, which meets the needs of scientific research and experiment.

power system; inrush current; fault waveform; switching angle; dynamic simulation experiment

TM712

A

1002-4956(2019)10-0100-06

10.16791/j.cnki.sjg.2019.10.024

2019-02-26

國家科技重大專項資助項目（2016ZX05038-001）

張鳳鴿（1980—），女，安徽潁上，高級工程師，主要研究方向為電力系統物理建模與數字仿真、配電自動化等。E-mail: zfg@hust.edu.cn