受控開合裝置及其使用方法
【專利說明】受控開合裝置及其使用方法
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請要求于2013年12月20日在美國專利商標局提交的美國專利申請號61/919，617、名稱為“受控開合裝置及其使用方法”的優先權，該專利內容通過引用并入本文中。
技術領域
[0003]本發明主要涉及電氣工程領域。更準確的說，本發明涉及一種基于分析負載中可能存在的殘余電壓，通過控制斷路器操作減小或消除浪涌電流實現電容性負載快速開合的裝置和方法。以電容性負載為例:無功補償電容器組、諧波濾波器和隔離輸電線中的電容器。本發明還涉及受控開合裝置(CSD)及其使用方法。
【背景技術】
[0004]由于輸電或配電線路的物理特性或用于串聯或并聯補償或諧波過濾增加的電容器，電力系統具有不同的電容性負載。串聯或并聯補償用以保持輸配電線路的電壓恒定分布。根據需要，使用斷路器開啟或閉合此類電容性負載。
[0005]電容器組斷電時，一些直流殘余電壓電荷仍然處于其靜電場中。由于電容器組具有自放電特性，電壓電荷水平為動態變化并隨著電容器從斷電到完全放電逐步減小。斷路器開閘后，電容器組自放電可能需要花費15分鐘。
[0006]為了減少或消除電容器組通電產生的浪涌電流之類的電壓瞬態，開啟放電電容器的最佳時刻為波形上電壓過零時。為精確時間執行此操作，需要配備受控開合裝置(CSD)。在一般電網的正常運行條件下，電容器組在一天內可能開合數次。
[0007]很多應用場合都需要使用電容性負載開合。例如，分布式能源(DER)集成、靜止無功補償器(SVC)和靜止同步補償器(STATC0M)系統每天可能開合電容器組數次以實現電壓調節。但是，在使用現有技術的情況下，電容器組斷電時，電力系統或分布式能源(DER)操作員需要等到電容器完全放電后方能再次通電，以避免電網出現浪涌電流。如圖1所示浪涌電流(2)顯示電網中未受控電容性負載開合操作的結果。該浪涌電流可能產生非常嚴重的后果，其可能損壞設備，從而降低系統可靠性。在實例中，還顯示了電壓(I)。此外，瞬變會在電網中傳輸引發保護跳閘，從而降低電網穩定性，嚴重情況下可能導致重大停電事故。
[0008]現有技術通過使用預插電阻或CSD降低電容器組的浪涌電流。但是，在采用此類解決方案的情況下，為避免在執行開合操作時產生浪涌電流，電容器組需要放電。此外，電容器組需要15分鐘放電時間，使得電力系統或DER操作人員不能及時閉合系統，以免引發非優化操作。
[0009]在很多情況下，使用阻塞定時器控制電路斷路器合閘，避免在電容性負載充電時操作。每次斷路器開閘時，定時器發揮作用，從而阻止斷路器合閘。
[0010]因此，需要使用一種新技術，可在最大限度地減少浪涌電流的同時大幅度降低電容性負載開合等待時間。
【發明內容】
[0011]本發明涉及通過控制電路斷路器(CB)合閘達到減小或消除電容性負載通電所產生浪涌電流的目的從而實現電容性負載快速切換的裝置和方法。更具體地說，此類裝置和方法根據可能存在于負載中的直流殘余電壓電荷的幅值和極性確定CB的最佳切換角度。并可通過CSD計算或測量電容性負載直流殘余電壓。本發明還闡述了一種計算電路斷路器開閘后電容性負載殘余電壓值的技術和一種估算直流殘余電壓隨時間變化的技術。基于本方法，CSD在電路斷路器開閘后可在任何時間合閘，從而實現了電容性負載的快速開合。
[0012]基于本發明的目的之一，本發明公開了一種在配有電路斷路器(4)的電路中降低電容性負載(5)通電所產生浪涌電流的方法。該方法包括以下步驟，在電路中安裝適合向電路斷路器(4)發送合閘命令給受控開合裝置(6)，以實現同步機械操作減少送至電路的瞬變。在示例中，CSD連接到電網電壓互感器(7)和電流互感器(8)，還顯示了電源(3)。所述方法允許電容性負載的快速開合。在此示例中，電容性負載的電路斷路器開閘時，該方法可使所述電路斷路器在開閘幾毫秒內重新合閘。
[0013]基于本發明的目的之一，在此公開的方法還包括以下步驟，調整CSD以達到最佳相角(electrical angle)關閉電路斷路器，減少浪涌電流實現電容性負載的快速開合。
[0014]基于本發明的目的之一，受控開合裝置連接到電容性負載。該方法還包括以下步驟，計算電容性負載內殘余電壓電荷以計算斷路器合閘的最佳相角。
[0015]基于本發明的目的之一，在此公開的方法還包括以下步驟，減少或消除電容性負載通電期間產生的浪涌電流，盡管存在直流殘余電壓。
[0016]本發明使用一種通過以最佳相角閉合電路中的電路斷路器控制電容性負載通電，減少傳送至電路的浪涌電流的受控開合裝置。
[0017]上述減少浪涌電流的方法通過受控開合裝置，可替代地稱之為波形點(POW)控制器來實現。
[0018]在現有技術情況下，電容性負載放電時間可能需要長達15分鐘。因此，每次通過保護跳閘或發送自動命令關閉電容性負載(斷電)，設備操作人員需要等到電容性負載完全放電方可再次通電。在本發明中，每次切斷斷路器，獲取電流和電壓波形，從而確定電容性負載每個相位的殘余電壓。此外，CSD不斷估算電容性負載殘余電壓，以根據電源電壓和電網頻率動態計算最佳合閘相角。
[0019]基于本發明的目的之一，公開了一種實現電路中電容性負載快速開合的方法。該電路包括斷路器及電容性負載，為電流饋電電路。該方法包括以下步驟，在電路中安裝適合在電容性負載完全斷電前向斷路器發送開或合閘命令的受控開合裝置(CSD)，以實現開合閘同步機械操作減少送至電路的浪涌電流。
[0020]基于本發明的目的之一，所述方法還包括以下步驟，盡管殘余電壓不為零，仍然向電路斷路器發送合閘命令。此外，所述方法還包括以下步驟，在電流電壓等于電容電壓時，測量電容性負載的通電相角(angle to re-energize)。
[0021]所述方法還包括基于測量電容性負載電壓電平的步驟，自動調節斷路器開合相角(electrical switching angle)。
[0022]基于本發明的目的之一，公開了一種實現電容性負載快速開合的方法。所述電路為電流反饋電路，包括一個斷路器、至少一個輸出殘余電壓的電容性負載以及一個受控開合裝置，該受控開合裝置適合在電容性負載完全斷電前，向斷路器發送開合閘命令以實現開合閘同步機械操作減少傳送至電路的浪涌電流。
[0023]基于本發明的目的之一，公開了一種在包括斷路器和電容性負載的電路中使用的受控開合裝置(CSD)，其中CSD在電容性負載完全斷電前，向斷路器發送開合閘命令以實現斷路器開合閘同步機械操作減少送至電路的浪涌電流，該電路包括該受控開合裝置和至少一個電容性負載。
[0024]本發明的獨特性和前瞻性說明在所附文件中有具體闡述。
【附圖說明】
[0025]通過以下描述結合【附圖說明】，可以更充分的了解本發明以上所述及其他目的、特征以及優點，其中:
[0026]圖1通過圖形顯示浪涌電流隨時間變化的函數圖例(現有技術)。
[0027]圖2為使用配有受控開合裝置(CSD)的電路斷路器(CB)的典型受控電容性負載電路(現有技術)。
[0028]圖3通過圖形顯示受控電容性負載電流通電實例。
[0029]圖4通過圖形顯示一種根據本發明原理，基于負載/CB電流測量和電源電壓測量計算直流殘余電荷的技術。
[0030]圖5通過圖形顯示典型的電容器殘余電壓曲線，以秒為單位的時間函數，其中，電容器放電過程中有I分鐘為恒定電流，為典型的電容器自放電實例。
[0031]圖6通過圖形顯示根據電源電壓和動態變化直流殘余電壓所得最佳開合相角。
[0032]圖7顯示一般電容性負載電路安裝實例。其中包括一個使用CSD的CB。通過符合本發明原理的CSD測量變化直流殘余電壓。
【具體實施方式】
[0033]以下描述一種新型受控開合裝置及其使用方法。盡管本發明以特定實例進行描述說明，但本文所描述實例僅作為示例參考，本發明的應用范圍并不局限于此。
[0034]本發明涉及通過使用CSD控制CB操作減小或消除浪涌電流實現電容性負載快速開合的裝置和方法。其中，CSD根據負載中直流殘余電壓電荷的幅值和極性，確定CB的最佳開合相角。CS