技术领域
[0001] 本
发明涉及一种用于控制电机驱动的真空断路器的方法以及一种电机驱动的真空断路器。
背景技术
[0002] 真空断路器通常被用于中压系统。在许多应用中
开关频率较低，但是存在一些开关频率非常高的应用，诸如
电弧炉。在
电弧炉中，断路器每天可以切换高达开关100次。
[0003] CN 103336474描述了一种真空断路器永磁机构。
发明内容
[0004] 本发明的目标是使得断路器的使用寿命提高。
[0005] 根据第一方面，提出了一种用于控制电机驱动的真空断路器的方法。该方法包括：开始打开断路器，其中断路器以断路器的触头对的平均打开速度从断路器的闭合
位置移动到打开位置，并且在到达打开位置之前，将触头对的打开速度减速至平均打开速度以下以避免超调；以及开始闭合断路器，其中断路器以触头对的平均闭合速度从打开位置移动到闭合位置；以及在闭合位置处的触头
接触之前，将触头对的闭合速度减速至平均闭合速度以下，其中断路器在触头接触处以减速的速度移动。
[0006] 通过利用电机以控制的方式来打开和闭合断路器，断路器的使用寿命提高。
[0007] 在断路器打开期间的减速可以在移动一半以上的处于打开位置的触头对之间的距离之后开始，并且在断路器闭合期间的减速可以在移动一半以上的处于打开位置的触头对之间的距离之后开始。
[0008] 在触头接触处的闭合速度与平均闭合速度相比可以降低20％-40％。
[0009] 断路器可以包括至少三个触头对和三个
电动机，每个电动机被控制以单独地打开和闭合每个触头对。
[0010] 可以以生成足够长的电弧时间来防止重燃的
相位角执行打开，并且可以以生成较低的暂态过
电压或生成较低的涌入
电流的相位角执行闭合。
[0011] 每个触头对的打开和闭合可以与断路器所连接至的系统的电压或电流的相位角同步。可以以防止重燃的系统的相位角执行打开。可以以将较低的暂态过电压作为目标的系统的相位角执行闭合。备选地，可以以将较低的涌入电流作为目标的系统的相位角执行闭合。
[0012] 根据第二方面，提出了一种电机驱动的真空断路器。该断路器包括
控制器和至少一个触头对，其中控制器被配置为：开始打开触头对，其中触头对以平均打开速度从断路器的闭合位置移动到打开位置，并且在到达打开位置之前，将触头对的打开速度减速至平均打开速度以下以避免超调，以及该控制器被配置为：开始闭合触头对，其中触头对以平均闭合速度从打开位置移动到闭合位置，并且在闭合位置处的触头接触之前，将触头对的闭合速度减速至平均闭合速度以下，其中触头对在触头接触处以减速的速度移动。
[0013] 该控制器可以进一步被配置为：以生成足够长的电弧时间来防止重燃的相位角开始打开，并且以生成较低的暂态过电压或生成较低的涌入电流的相位角开始闭合。
[0014] 该控制器可以包括处理器和存储指令的
计算机程序产品，当该指令由处理器执行时，使得控制器控制断路器。
[0015] 根据第三方面，提出了一种用于控制具有控制器和触头对的断路器的计算机程序。该计算机程序包括计算机程序代码，当计算机程序代码在控制器上运行时，使得控制器：开始打开触头对，其中触头对以平均打开速度从断路器的闭合位置移动到打开位置，并且在到达打开位置之前，将触头对的打开速度减速至平均打开速度以下以避免超调；以及开始闭合触头对，其中触头对以平均闭合速度从打开位置移动到闭合位置，并且在闭合位置处的触头接触之前，将触头对的闭合速度减速至平均闭合速度以下，其中触头对在触头接触处以减速的速度移动。
[0016] 还提出了一种计算机程序产品。该计算机程序包括计算机程序，并且还提出了一种其上存储该计算机程序的计算机可读存储装置。
[0017] 通常，
权利要求中使用的所有术语都应根据它们在技术领域中的常见含义来解释，除非本文另有明确定义。所有参考“一/一个/该元件、装置、部件、方法、步骤等”都应开放式地解释为元件、装置、部件、方法、步骤等的至少一个实例，除非明确相反说明。本文公开的任何方法的步骤不需要以公开的准确顺序执行，除非明确说明。
附图说明
[0018] 现在参考附图、通过示例来描述本发明，其中：
[0019] 图1示意性地示出了用于断路器闭合的行程曲线；
[0020] 图2示意性地示出了用于断路器打开的行程曲线；
[0021] 图3示意性地示出了三相系统的相序；
[0022] 图4示意性地示出了断路器中的长电弧时间；
[0023] 图5示意性地示出了断路器中的短电弧时间；
[0024] 图6示意性地示出了一个相中可能的打开实例；
[0025] 图7a和图7b分别示意性地示出了用于最小化暂态过电压和涌入电流的可能的闭合实例；以及
[0026] 图8是示出用于根据本文提出的方法来控制断路器的方法的
流程图。
具体实施方式
[0027] 现在下文将参考示出本发明的某些
实施例的附图来更全面地描述本发明。然而，本发明可以以许多不同的形式呈现并且不应被解释为限制于本文所提出的实施例；相反，通过示例提供这些实施例使得本公开将是彻底和全面的，并且将本发明的范围完全传达给本领域的技术人员。在整篇
说明书中，相同的标号表示相同的元件。
[0028] 在本发明中，电动机被用于以精确的方式控制可移动的真空断路器触头的移动。以这种方式，可移动触头的运动可以从断路器的触头对的打开位置到闭合位置被连续控制，并且反之亦然。提出了一种所谓的行程曲线(travel curve)，设计该曲线是为了使断路器的机械应
力以及某种程度上的电气
应力最小，从而提高断路器的使用寿命。在某种程度上，实现该断路器的系统也会表现出提高的使用寿命。
[0029] 电机是电动机，优选是旋转电动机。旋转电动机的轴向位置例如可以通过使用一个或多个
传感器来控制，以指示可移动触头的线性位置。可移动触头的不同位置还可以用于间接测量可移动触头的线速度。触头对的运动被描述为被连续控制，但是实际上触头位置的检测是通过检测离散位置(尽管在实践中被认为是连续的)的传感器进行的。
[0030] 断路器的触头对可以包括固定触头和可移动触头或者两个可移动触头(即，行程曲线的打开和闭合速度是可移动触头之间的相对速度、或者可移动触头与固定触头之间的绝对速度)。具有各自均被电机驱动的两个可移动触头，可以实现触头之间更高的
加速/减速，但是断路器的每个触头也需要一个
波纹管。具有被电机驱动的一个可移动触头，断路器只需要一个波纹管，但是使用相同的电机功率将会获得较低的加速/减速。在下面的描述中，将使用具有一个可移动触头和一个固定触头的触头对。
[0031] 行程曲线被设计为在断路器的打开(断开)和闭合(接通)操作期间可移动触头具有较高的平均速度。打开时需要较高的平均速度，以便使断路器的中断能力最大化并获得较短的电弧时间。闭合时较高的平均速度降低了预放电
能量，这降低了电气应力并且从而提高了断路器的使用寿命。
[0032] 行程曲线进一步被设计为，在闭合期间以控制的方式，将可移动触头在其到达固定触头(触头接触)之前减速到平均闭合速度以下。以这种方式，降低了机械应力并提高了使用寿命。
[0033] 行程曲线还被设计为，在打开期间以控制的方式，将可移动触头在其到达正常打开位置之前减速到平均打开速度以下。以这种方式，由于超调(即，通过可移动触头所需的末端位置)被最小化而降低了机械应力，并提高了使用寿命。
[0034] 断路器的打开和闭合可以进一步与相电压/电流同步，以提高断路器以及实现该断路器的系统的使用寿命。
[0035] 本发明允许与标准断路器解决方案相比具有显著提高的操作的数目。这在运行诸如电弧炉之类的设备时尤其有用，在这些设备中使用了极高的开关频率(高达每天100次)，并且维护/更换断路器的成本较高。
[0036] 闭合行程曲线在图1中示出，并且打开行程曲线在图2中示出。所示的示例是被布置在中压(MV)系统中的断路器。在MV真空断路器中，在打开位置中的触头对的触头之间的距离可以有大约10-25mm。可移动触头可以具有包括大约4mm压缩距离的压缩装置(诸如
压缩弹簧)的杆，并且在打开位置中的触头对之间的距离可以有大约16mm，这需要杆的总移动距离大约为20mm。具有压缩装置的杆的行程曲线在图1中示出，其中针对杆的行程曲线以虚线示出，并且针对杆的触头的行程曲线以实线示出。直到触头接触之前，虚线和实线实际上是完全重叠的，但是出于说明的目的而平行画出。对应地，出于说明的目的，杆及其触头的行程曲线也平行画出而并非重叠画出。
[0037] 在该示例中，闭合期间行程曲线的特征示出了1.3m/s的平均速度，这用点线标记。在触头接触之前将速度减速到0.8-1.0m/s(这针对行程曲线的导数以点线示出)足以使压缩装置能够吸收可移动触头剩余的行程能量。
[0038] 在该示例中，打开时行程曲线的特征示出了1.3m/s的平均速度，这用点线标记。在到达打开位置之前将速度减速是为了避免机械超调(即，通过触头对的所需的打开位置)。
[0039] 真空断路器的一个方面在于，如果满足大量的条件、诸如它们所安装的系统中的系统配置和它们执行的开关操作类型，则真空断路器可能会引起较高的暂态过电压。然而还存在一种取决于断路器操作在哪个相位角执行的统计现象。在非常频繁的开关的情况下，最终到达不利相位角的可能性明显增大。控制的行程曲线可以与
电网中的电压/电流的同步组合，以甚至进一步提高断路器的使用寿命和实现该断路器的系统的使用寿命。断路器的使用寿命提高是由于较低的预放
电能量和较短的电弧时间。系统的使用寿命提高是由于较少的暂态(过电压和/或涌入电流)。同步到电网电压/电流还可以解决打开和闭合期间系统中暂态过电压的问题。如果涌入电流被视为比过电压更重要的问题，同步可以代替用于进一步提高断路器的使用寿命以及最小化系统中的涌入电流。
[0040] 因此，除了打开和闭合操作的同步之外，行程曲线还可以分别用于外部电压/电流的相位角。
[0041] 对于同步而言，一个电机被用于每个断路器的触头对，即启用单极操作，即独立同步每相的电压/电流。断路器经常被用于三相系统中，并且三相系统的相序在图3中示出。
[0042] 同步外部电压/电流可以以如下方式执行：
[0043] 1a)在每个相中，以将尽可能低的相对地电压作为目标的相位角来执行闭合操作，从而最小化预放电能量并进一步提高断路器的电气寿命。这还最小化了接通/闭合操作的过电压的幅值。
[0044] 1b)备选地，以将尽可能低的涌入电流作为目标的相位角来执行闭合操作。如果涌入电流被视为比过电压更重要的问题，那么这是应该采用的选项。由于使用最佳行程曲线，断路器的使用寿命将仍然相当好，但是与使用解决方案1a处理同步相比，情况要差一些。
[0045] 2)以生成足够长的电弧时间的相位角来执行打开操作以避免重燃发生。以这种方式，防止发生较高的暂态过电压。为了最小化触头磨损，对于根据上述情况的重燃发生，可以选择尽可能短的电弧时间。
[0046] 系统中由断路器引起的过电压应力将被显著降低，从而意味着可以移除或最小化过
电压保护设备以节省成本并节省空间，并且消除了可能不利于生产的
电磁干扰问题。
[0047] 对于电感负载(即功率因数(pf)0≤pf<1)的断开连接而言，为了防止较高的暂态过电压，可以以最佳的方式执行后续通电，以同时最小化涌入电流。
[0048] 断路器的打开和闭合对电网电压/电流的同步可以降低断路器打开时的暂态过电压，并且最小化断路器闭合时的涌入电流。这进一步限制了连接到系统的设备(诸如
变压器)上的应力。实现断路器的具有最小化的涌入电流的系统到达稳态更快。目标在于保持涌入电流在标称负载电流或更低。断路器的打开和闭合对电网电压/电流的同步还可以降低断路器的电气应力。
[0049] 断路器的打开最初将提供触头对的触头分离，如果电流高于电流斩波电平，则这将会点燃电弧。如果电流低于电流斩波电平，电流会立刻被中断。点燃的电弧将在电流过零点时被中断、或者更精确地说在电流过零点前不久被中断，以防电流中断发生。触头分离和电流中断在图4和图5中示出。在图4中示出了长电弧时间，其在电流中断时将提供足够的触头距离以防止重燃。在图5中示出了短电弧时间，其在电流中断时给出的触头距离将过短，这将有引起重燃的
风险。出于同步的目的，断路器的打开意味着触头分离。
[0050] 期望在相位中的电流过零点前打开一相的触头对，以最小化系统中的过电压。在电流中断前应该使该相开始打开足够长的时间，使得断路器在电流中断之前有时间实现足够的触头分离。触头分离优选地在50Hz系统的电流中断至少1ms之前实现。为了确保电弧在过零点之后不重燃，触头分离优选在过零点之前进行，其中安全裕度为四分之一周期(即50Hz系统的5ms)或六分之一周期(即50Hz系统的3.33ms)。可能的打开距离在图6中示出。
[0051] 断路器可能的闭合实例在图7a中示出，以便最小化暂态过电压。断路器可能的闭合实例在图7b中示出，以便最小化涌入电流。
[0052] 参考图8，提出了一种用于控制电机驱动的真空断路器的方法。操作断路器从闭合位置到打开位置或者从打开位置到闭合位置，并且需要控制断路器的接通与断开两者。该方法包括，当断开断路器时，开始打开S100断路器。在打开期间，断路器以断路器的触头对的平均打开速度从断路器的闭合位置移动到打开位置。该方法随后包括，当断开断路器时，在到达打开位置之前将触头对的打开速度减速S110至平均打开速度以下以避免超调。该方法进一步包括，当接通断路器时，开始闭合S120断路器。在闭合期间，断路器以触头对的平均闭合速度从打开位置移动到闭合位置。该方法随后包括，当接通断路器时，在闭合位置处的触头接触之前将触头对的闭合速度减速S130至平均闭合速度以下，其中断路器在触头接触处以减速的速度移动。
[0053] 当断路器的打开开始时，触头对分离的速度迅速加速到期望的打开速度。在闭合位置与打开位置之间的平均速度被称为平均打开速度。如果闭合期间闭合速度已经恒定，那么任意减速将会将速度降低到平均打开速度以下，但是如果闭合期间闭合速度尚未完全恒定，那么减速到平均打开速度以下将需要降低一定量的打开速度，通过针对断路器的每种配置的反复试验可以容易地获得该量。在触头接触处的闭合速度因此降低到平均打开速度以下。
[0054] 在断路器打开期间的减速可以在移动一半以上的处于打开位置的触头对之间的距离之后开始，并且在断路器闭合期间的减速可以在移动一半以上的处于打开位置的触头对之间的距离之后开始。
[0055] 在接触触头处的闭合速度与平均闭合速度相比可以降低20％-40％。
[0056] 断路器可以包括至少三个触头对和三个电动机，每个电动机被单独控制以打开和闭合每个触头对。
[0057] 可以以生成足够长的电弧时间来防止重燃的相位角执行打开，并且可以以生成较低的暂态过电压或生成较低的涌入电流的相位角执行闭合。
[0058] 每个触头对的打开和闭合可以与断路器所连接至的系统的电压或电流的相位角同步。可以以防止重燃的系统的相位角执行打开操作。可以以将较低的暂态过电压作为目标的系统的相位角执行闭合操作。备选地，可以以将较低的涌入电流作为目标的系统的相位角执行闭合操作。
[0059] 提出了一种电机驱动的真空断路器。该断路器包括控制器和至少一个触头对，其中控制器被配置为：当断开断路器时，开始打开S100触头对，其中触头对以平均打开速度从断路器的闭合位置移动到打开位置，并且在到达打开位置之前，将触头对的打开速度减速S110至平均打开速度以下以避免超调。该控制器进一步被配置为：当接通断路器时，开始闭合S120触头对，其中触头对以平均闭合速度从打开位置移动到闭合位置，并且在闭合位置处的触头接触之前，将触头对的闭合速度减速S130至平均闭合速度以下，其中触头对在触头接触处以减速的速度移动。
[0060] 该控制器可以进一步被配置为：以生成足够长的电弧时间来防止重燃的相位角开始打开，并且以生成较低的暂态过电压或生成较低的涌入电流的相位角开始闭合。
[0061] 该控制器可以包括处理器和存储指令的计算机程序产品，当该指令由处理器执行时，使得控制器控制断路器。
[0062] 断路器控制器可以包括处理器，处理器使用能够执行存储在
存储器中的计算机程序的
软件指令的合适的中央处理单元CPU、多处理器、
微控制器、数字
信号处理器DSP、专用集成
电路等中的一个或多个的任意组合。存储器因此可以被认为是计算机程序产品或形成计算机程序产品的一部分。处理器可以被配置为执行其中存储的计算机程序以使得断路器控制器执行所需的步骤。
[0063] 提出了一种用于控制具有控制器和触头对的断路器的计算机程序。该计算机程序包括计算机程序代码，当计算机程序代码在控制器上运行时，使得控制器：当断开断路器时，开始打开S100触头对，其中触头对以平均打开速度从断路器的闭合位置移动到打开位置，并且在到达打开位置之前，将触头对的打开速度减速S110至平均打开速度以下以避免超调；以及当接通断路器时，开始闭合S120触头对，其中触头对以平均闭合速度从打开位置移动到闭合位置，并且在闭合位置处的触头接触之前，将触头对的闭合速度减速S130至平均闭合速度以下，其中触头对在触头接触处以减速的速度移动。
[0064] 还提出了一种计算机程序产品。该计算机程序产品包括计算机程序以及其上存储该计算机程序的计算机可读存储装置。
[0065] 上文主要参考一些实施例描述了本发明。然而，如本领域的技术人员所容易理解的，除了上文公开的实施例，其他实施例在所附
专利权利要求定义的本发明的范围内也是同样可能的。
