大容量组合开关跳合闸角度精确控制系统研制

张凤鸽，韩士杰，严 蕾，吴 彤，杨德先，胥岱遐

大容量组合开关跳合闸角度精确控制系统研制

张凤鸽1，韩士杰2，严 蕾3，吴 彤1，杨德先1，胥岱遐2

（1. 华中科技大学 电气与电子工程学院，强电磁工程与新技术国家重点实验室，电力安全与高效湖北省重点实验室，湖北 武汉 430074；2. 国网电力科学研究院有限公司，江苏 南京 210061；3. 山东省水利勘测设计院，山东 济南 250013）

研制了一种大容量高精度组合开关和具有多路参考电压的合闸角程序控制器，能够对开关跳合闸角度进行精确控制，实现了对电力系统的短路时刻、变压器励磁涌流实验角度和转换性故障的转换时间等精确控制；能动态模拟再现实际电力系统各种故障波形，能开展0~360°不同时刻的故障实验和故障波形分析。实验表明，该开关的控制精度可由原来的±5 ms提高到±0.1 ms，满足了科学研究实验需要。

电力系统；励磁涌流；故障波形；合闸角；动模实验

目前电力变压器的励磁涌流与和应涌流仍然是变压器保护控制研究的最关键和最困难的问题。在同一母线上连接两台或两台以上的变压器时，如果一台变压器进行空载合闸，受铁芯中的剩余磁通和励磁磁通等因素的影响，将在绕组中将产生励磁涌流，涌流大小不仅与变压器合闸时刻有关，而且与该变压器上一次跳闸时刻也有关。同时，浪涌电流也会出现在与其在同一母线上并联运行的其他变压器绕组中，称之为和应涌流[1-2]，和应涌流与励磁涌流密切相关。励磁涌流与和应涌流的产生会使保护装置和稳控装置发生误动跳闸的事故，严重威胁电力系统安全稳定运行。

目前市场上能够精确控制动作时间的开关或断路器主要是固态开关，固态开关亦称电子开关，是指利用晶闸管、IGBT等电力电子器件实现电路通断的开关。对于一个最大关断电流800 A的大容量的电子开关，市场价需要几十万元左右，最关键的是电子开关在关断时存在漏电流，同时在导通时存在管压降，完全不适合用于变压器励磁涌流与和应涌流的研究。

为了开展变压器励磁涌流与和应涌流等问题的实验研究，必须采用能精确控制开关的跳合闸时间的机械开关，才能捕捉到变压器绕组剩磁和电源合闸角度对涌流的影响[3]。普通开关跳合闸容量和动作时间精度难以满足实验需求，在以往实验中只能通过多次重复、随机投切故障来进行该类实验。实验效果不好，无法控制和复现，往往多次实验都得不到想要的结果。因此必须研制一种能够承受大短路电流的大容量高精度组合开关和一种具有多路参考电压的合闸角程序控制器，通过两者结合，实现在动模实验室中对开关跳合闸时刻的精确控制[4]。

1 组合式开关的研制

在电力系统动态模拟实验室中，常用开关是交流控制的交流接触器或直流控制的交流接触器。交流控制的交流接触器因其使用交流50 Hz电源作为控制电源，开关控制线圈在电流过零点左右跳闸，在峰值前后合闸，开关合闸及跳闸时的动作时间的离散性很大，精度不高，理论上有±5 ms偏差，对于50 Hz的交流波形相当于±90°偏差，而且可控性差，所以不能采用交流控制的交流接触器。直流控制的交流接触器合闸精度很高，但跳闸精度不高。原因是其内部通过小阻抗线圈串非线性电阻方法来消耗跳闸时线圈的能量，回路时间常数大，衰减慢，大大降低了跳闸动作时间的精度。

1.1 组合开关研制应用

为了满足实验研究需要，提高开关动作时间精度，缩短开关的跳合闸时间差，进行了大容量高精度组合开关研制。对交流控制的交流接触器进行了改造，将其控制回路由交流控制改成直流控制，改造后的接触器（JQF）其跳闸时间精度大大提高。同时把直流控制的交流接触器（SQF）与改造后的接触器（JQF）并联组合使用，由JQF负责跳闸，SQF负责合闸，既提高了开关的跳合闸动作时间的精度，达到精确控制了电源合闸角度和切除角度的目的，又缩短跳合闸时间差，且使跳合闸之间的时间差可调可控。

变压器励磁涌流与和应涌流实验接线图如图1所示，虚线框内为大容量高精度组合开关。组合开关由接触器SQF、JQF并联组成，每个接触器的额定电流为170 A，绝缘电压为1000 V，最大可承受的短时冲击电流小于等于50 kA，试验时模型的运行电压为800 V。开关具有较大的容量，能承受模型试验中各种各样的短路电流的冲击。

图1 变压器励磁涌流与和应涌流接线

图1中W22、W23分别为50 kVA和100 kVA模拟无穷大电源[5]，通过组合可以模拟不同容量的电源系统。X72、X66、X75分别为不同长度的模拟线路，K39、K35、K41为对应线路的短接开关，通过开关的投切组合，可以控制电源系统的阻抗。02T和10T均为15 kVA模拟变压器，06T为31 kVA模拟变压器，其中02 T为被试变压器，通过开关的组合可以进行不同方式下变压器励磁涌流与和应涌流的研究实验。

1.2 开关控制回路的改造

图2为改造后的接触器JQF的控制回路接线图，分别设计了“远方”和“就地”控制按钮，控制方式灵活多样。

图2 改造后的接触器JQF控制回路接线图

改造前，图2中QF是接触器JQF的交流220 V控制线圈，合闸时最大冲击电流max=4.14 A，工作维持电流为0.25 A，QF线圈电阻w=175 Ω，线圈电感是一个变化量，合闸前=157 mH、合闸后=2740 mH，前后相差17倍之多。

经理论计算和实际测试，在JQF控制线圈回路中串联了保持电阻1，线性电阻1=800 Ω；QF线圈并联了线性电阻2和电容C，2=100 Ω，2的作用是缩短跳闸回路时间常数，提高开关跳闸动作时间的精度。电阻1和2值的选取要与线圈电阻值相匹配，不能太大或太小，1太大会使流经线圈的电流值达不到额定合闸工作电流，导致开关拒动；1太小，线圈保持电流超过额定值，开关长时间闭合时，会烧毁开关线圈。根据衰减时间常数计算公式可以计算出改造后的回路跳闸前后的衰减时间：

2 合闸角控制器

要实现开关跳合闸角度和时间差的精确控制，还需要有合闸角程序控制器。合闸角控制器首先要精确判断交流电压过零点的时刻0，其次根据测得机械开关的动作时间y，计算出指令发出时间，以满足整定的跳合闸角度。根据事先测得的开关动作时间y以计算出指令发出延时时间，K=+y即在K时刻发出合闸脉冲[6]，时间的计算要考虑参考电压波形周期的影响。

开关工作电源分直流电源、交流电源两种形式。使用直流电源控制的开关，跳合闸动作时间是稳定的。使用交流电源控制的开关，跳合闸动作时间是随上电时刻控制电源波形的角度而变化的。由于开关制作材料及生产工艺的不同，每个开关的动作时间并不一致[7]。即使是同一个开关，其动作时间也会随着运行工况的不同及使用次数的增加而产生变化。因此合闸角控制器必须具有自动跟踪开关动作时间和动态矫正指令发出延时时间的功能。

2.1 硬件设计

开关跳合闸的精确控制以及动态矫正开关动作时间，关键要解决3个问题：一是要正确采集开关跳合闸成功的反馈信号；二是要控制开关开始计时的时刻；三是要精确测量开关的合闸时间以及开关的跳闸时间。为了解决以上3个问题，对硬件电路进行了专门设计，硬件电路结构示意图见图3。

图3 硬件电路结构示意图

2.1.1 开关位置的反馈信号

判断开关跳合闸是否成功，就需要有开关合闸/跳闸成功的反馈信号。在本文设计的合闸角程序控制器装置中，反馈信号可以是开关的分位/合位信号，见图3中断路器开关位置模块；也可以是开关出线侧的电压信号或通过开关的电流信号，见图3中电压电流波形整形模块。通过采集如下3种信号去判别开关是否跳合闸成功各有优缺点，实验时可根据实验条件或实验要求三选一。

（1）开关的分位/合位信号。分合位信号是接触器辅助触点的信号，只有两种状态：分位和合位。对于信号处理电路来说，相对比较可靠简单。但接触器的辅助触点和主触头会有毫秒级的时间差，且有一定的离散性，因此以开关的分位和合位信号不能精确判断开关是否分合闸成功。

（2）开关出线侧的电压信号。在开关跳合闸瞬间，开关出线侧的电压信号有不确定角度的正弦波变为零，或由零变为不确定角度的正弦波，角度的不确定性使得快速捕捉变化变得非常困难。对此信号的处理采用软硬件结合的方式，首先由硬件处理回路把0~100 V电压转换成0~3 V信号。软件采用程序监测软件（也称作看门狗技术）实时监测电压量的变化。用户可以预先对装置监测电压值的上下限进行设定，监测软件能快速跟踪检测输入电压是否超出装置整定值，一旦监测到的电压超出整定值的范围，将会触发监测软件中断。电压信号二次额定值为57.74 V，正常运行系统的变化不大，所以采用出线侧电压信号比较灵敏、可靠。但实验系统需要增加出线侧的电压互感器。

（3）通过开关的电流信号。在有负载的情况下，在开关跳合闸瞬间，开关出线侧的电流信号有正弦波不确定角度变为零或由零变为正弦波的不确定角度。对此信号采用软硬件结合的方式，首先由硬件处理回路把电流转换成0~3 V信号。硬件方式不容易侦测电流变化时刻，采用模拟量监视定时器（看门狗）技术侦测电流的变化。一旦采集到的电流超出该上下限，将会立即触发模拟看门狗中断。电流信号二次额定值为5A，但由于负载的不同，电流变化很大，所以采用出线侧电流信号不灵敏。但一般现场均配备电流互感器，所以此信号容易获得。

2.1.2 过零点时刻和开关动作时间的处理

电压信号过零点时刻的精确提取是实现开关在信号波形指定相角处动作的关键。一般情况下电压信号过零点的提取是通过采用过零比较器来实现，主要是采用电压比较模块（LM393）将输入的正弦波信号变换成方波信号，以快速精确检测到信号过零点时刻。LM393电压比较器是一款专业的电压比较器，具有结构简单，响应速度快，灵敏度高等特点，比较适合应用于专门的电压比较电路中[8]。

在电压比较器电路中，是将接入的实时变化的电压信号与基准电压相比较，实时转换输出方波信号，然后将此方波信号直接输出至CPU的I/O中断信号，减少了响应时间，提高了计时精度。控制模块通过I/O中断信号能快速精确检测到过零点时刻[9]。

开关的跳闸/合闸是由控制板上的继电器控制开关操作电源来实现。由于继电器动作需要时间，为程序处理方便，对继电器和开关跳合闸时间进行了综合处理，把控制继电器时间和开关的动作延时时间进行综合考虑，开关跳/合闸时间的测量是从合闸继电器线圈带电起开始计时，直至开关主触头实际断开/闭合时停止[10]。

2.1.3 开关控制电源的测量

分合闸时间与控制电源电压的变化有很大的关系。为了提高角度控制单元的控制精度，需要对开关控制电源的电压信号进行实时测量。交流控制电源的幅值、频率及与主回路电压相位差均与开关跳合闸延时密切关系，所以对开关控制电源电压信号设计了专门的测量电路。

将控制电源电压信号变换成小信号输入到芯片的A/D回路，并连接到电压比较器中，这个实时变化的电压信号将与基准电压相比较后转换成方波信号输出，然后将此方波信号直接输入至CPU的I/O中断信号，可计算出交流控制电源的频率及与主回路电压的相位差[8]。

2.2 软件设计

软件设计是配合硬件电路来实现对主回路电压、控制电源和开关状态的测量与监控。主要完成数据采集，参考电压零点的提取，开关状态的反馈、触发启动条件判断、通信上传等功能。主程序包括系统初始化、开机自检（RAM自检、FLASH自检等）、数据采集、液晶显示检测、操作处理等[11]。主程序流程图如图4所示。

图4 主程序框图

系统初始化包括CPU时钟的初始化、数模转换模块的初始化，数据缓冲区的初始化。系统初始状态的初始化是指在装置没有收到任何操作指令时，系统要自动完成输入信号的采集检测、参考电压的过零点、实时上传监控数据等。当系统接到就地或远方的操作指令后，将触发CPU芯片的I/O中断，启动分合闸时间计算程序和过零点检测计算程序，根据开关的控制电源电压、与主回路相位关系等参数，自适应预测出开关操作回路的动作时间，并实时计算出开关执行单元的触发延时，及时调用相应的控制程序，精确控制开关在预设的电压角度处跳闸或合闸。

3 系统测试与应用

研制的大容量高精度组合开关和合闸角程序控制器如图5所示。通过两者结合，实现了对开关跳合闸时刻的精确控制。

首先针对合闸角程序控制器进行参数设置，可以选择定延时控制和定合闸角度控制。当选择定延时控制时，系统触发后将以出口1为参考，按照每个通道设定的出口延时和出口脉宽进行出口，主要用于系统故障持续时间及转换性故障的转换时间的精确控制。当选择定合闸角度控制时，首先要将参考电压信号、开关位置的反馈信号、交流控制电源电压信号、主回路的电压信号等接入合闸角控制器中，然后对参数进行整定。整定原理如图6所示，在系统第一次启动后程序会自动检测开关的动作时间y，延时时间则根据整定的合闸角度进行自动矫正，是个变化的量。合闸角开入量去抖动延时为1 ms，出口脉宽m默认值为100 ms；增角在0~360°范围可以设置；循环间隔时间为100周波（2000 ms）。在循环模式下，只需要触发一次即可，装置第一次会以设定的起始合闸角度进行合闸，第二次以起始合闸角度加上单次增角进行合闸，以此类推，每次合闸都在前次合闸角的基础上增加增角，直到最终合闸角度大于360°为止。图6为合闸角度的参数原理示意图。

图5 大容量高精度组合开关和合闸角程序控制器

图6 合闸角度的整定原理示意图

实验结果表明，合闸角控制器可以在0~360°范围内精确控制开关的合闸角度，合闸角度误差小于1°（0.05 ms），从发出合闸命令时刻起到匹配整定的合闸角度并出口，动作时间小于等于40 ms。针对组合开关进行测试，因受开关磁铁剩磁和机械阻力等因素的影响，开关跳合闸时间有一定的离散性，开关的动作误差为0.1 ms。组合开关系统的控制精度由原来单个接触器的±5 ms提高到±0.1 ms，开关的装置运行可靠，达到了设计的技术要求，能满足科学研究需要。

组合开关系统可以对发电机、输电线路的故障时刻和故障持续时间进行精确控制，也可以对变压器跳闸时刻和合闸时刻进行精确控制，图7为2台并联运行的变压器励磁涌流及和应涌流实验波形（下标a、b、c为相线编号，9—15为信号通道），02T为运行中的小容量变压器，06T为合闸操作中的大容量变压器，精确控制06T在绕组剩磁最大时跳闸，然后在200 ms后合闸，合闸时06T产生最大的励磁涌流，并且在02T上产生和应涌流。和应涌流在120 ms左右起振到最大，2400 ms才结束。通过实验找到控制涌流大小的方法和变压器保护的新原理和新判据，有助于提高电力系统安全稳定运行。

图7 变压器涌流实验波形（参考电压角度为0°）

4 结语

通过实验测试应用分析表明，所设计的大容量组合开关系统，具有开断容量大、能精确控制跳合闸角度、系统操作简便等优点，能在电力系统动态模拟实验室反复重复再现实际电力系统故障波形，能进行0~360°不同时刻的跳合闸实验和故障实验，实现了对电力系统短路时刻精确控制、故障转换时间的精确控制、变压器励磁涌流精确控制等，进一步发挥了动模实验室的物理模拟实验中的作用[12]。已经开展了系列暂态波形分析，为电力系统的科学研究、电力自动装置的检测、动模实验教学提供先进的实验手段。

[1] 韩士杰.动态模拟系统涌流控制及短路模拟智能开关的研究[D].保定：华北电力大学，2011.

[2] 白银浩，张璐，冯一展，等.一起涌流引起的主变跳闸事故仿真分析及其改进措施[J].河南科技，2014(21): 107-108.

[3] 吴彤.电力系统动模实验合闸角控制系统的研制[C]//第6届全国高等学校电气工程及其自动化专业教学改革研讨会论文集. 2009.

[4] 杨德先，吴彤，吴希再.复杂电力系统综合实验培训系统的研制[J].实验技术与管理，2005, 22(10): 68-71.

[5] ZHANG F G, YANG D X. Research on Infinite Bus System Model in the Power System dynamic Simulation[C]//procee­dings of the 2016 international conference on energy (EPEE), power and electrical engineering. Shenzhen: 2016, 56: 192-194.

[6] 郑贵林，陈曦.基于滑动窗口法的智能开关动作时间动态预测[J].自动化与仪表，2014, 29(8): 61-64.

[7] 李欣唐，邹贵彬，胡珂.具有合闸角控制功能的模拟故障过程控制器[J].电力自动化设备，2003(8): 46-49.

[8] 张凤鸽，韩士杰，吴彤，等.多功能电力系统动态功角测量装置开发与应用[J].实验技术与管理，2018, 35(12): 88-91, 96.

[9] 吕贺强.永磁机构真空断路器同步关合控制的研究[D].北京：北京交通大学，2011.

[10] 贾跃华，王银顺，高志刚. 用于电流冲击实验的合闸角控制系统[J].测控技术，2008(9): 27-29, 32.

[11] 陈虹丽，马国豪，李强. 基于单片机的步进电机升降速并行控制[J]. 实验技术与管理，2018, 35(7): 83-85.

[12] 张凤鸽，杨德先，易长松.电力系统动态模拟技术[M].北京：机械工业出版社，2014.

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

国家科技重大专项资助项目（2016ZX05038-001）

张凤鸽（1980—），女，安徽颍上，高级工程师，主要研究方向为电力系统物理建模与数字仿真、配电自动化等。E-mail: zfg@hust.edu.cn