一种断路器分闸重燃和电容器投切过电压过电流抑制电路
一种断路器分闸重燃和电容器投切过电压过电流抑制电路
本发明提供了一种断路器分闸重燃和电容器投切过电压过电流抑制电路，通过创新的电路设计和控制策略，实现了对并联电容器合闸、分闸和放电各环节的全面保护。该技术不仅能够有效抑制合闸涌流和过电压，还能利用电容器剩余电压抑制断路器重燃，具有重要的工程应用价值。
本发明属于电力系统高压保护领域，具体涉及一种断路器分闸重燃和电容器投切过电压过电流抑制电路。
背景技术
变电站通过频繁地使用断路器切换并联电容器，不仅有效地提高了电网的功率因数，减少了无功功率损耗，而且显著提高了电能质量，为电力系统的安全、稳定、高效运行提供了有力的保障。因此，确保并联电容器装置安全可靠稳定运行对提高电压质量和变电站经济运行有着重要意义。
断路器重燃过电压是指在断路器开断电路时，由于某种原因电弧未能完全熄灭，随后又重新点燃，导致电路中电压瞬间升高的现象。这种过电压对电力设备和系统具有潜在的危害，可能导致设备损坏、绝缘击穿甚至引发系统事故。
电容器在合闸瞬间会产生较大的合闸涌流，目前变电站多采用安装串联电抗器进行保护，且在合闸瞬间，串联电抗器上会出现较高过电压。近年来，由于并联电容器频繁投切，变电站常发生串联电抗器烧毁的事故。
为使变电站并联电容器在分闸后残压能尽快释放，多数变电站在电容器两端加装放电线圈。由于投切过程中电容器上会产生过电压，可能会烧毁放电线圈。此外，放电线圈的安装使并联电容器组所在支路更加复杂，有可能增加发生谐振过电压的风险。
中国实用新型专利cn204167900 u于2015年2月18日公开的《一种并联电容器开关恢复过电压抑制电路》通过在并联电容器两端安装抑制器,降低了断路器两端的恢复过电压,提高了断路器的可靠性,避免了断路器发生重燃的概率。中国授权发明专利cn111884233 b于2024年1月30日公开的《一种并联电容器过电流过电压抑制系统》主要实现对真空断路器合闸的选相控制，抑制过电流、过电压的产生。中国发明专利cn117013513a于2023年11月7日公开的《一种通过串联非线性电阻抑制重燃过电压的组合开关》通过加装非线性电阻、避雷器和辅助开关，限制断路器断口电压，从而降低了单相重燃引发的两相、三相重燃以及多次重燃的概率。
综上所述，现有技术中还存在以下问题：
1.部分保护电路仅考虑运行过程中的单一环节，例如仅考虑分闸环节或仅考虑合闸环节，不能保护并联电容器的全部运行过程；
2.多数保护电路未考虑电容器放电这一环节，同时未考虑后续加装放电线圈后对原设备的影响。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本发明提供了一种断路器分闸重燃和电容器投切过电压过电流抑制电路，解决了现有技术中存在的保护电路无法保护并联电容器运行过程的全部环节的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种断路器分闸重燃和电容器投切过电压过电流抑制电路，包括交流电源、断路器s1、保护电路和电容器c1，所述保护电路包括开关器件控制模块、变压器、可变电阻r1、电阻r2、电阻r3、电阻r4、开关器件k1、开关器件k2、开关器件k3、开关器件k4、辅助断路器s2、二极管d1、二极管d2、二极管d3、二极管d4、二极管d5、二极管d6、电抗器l1和直流电源dc；所述开关器件k1、开关器件k2、开关器件k3和开关器件k4均为绝缘栅双极型晶体管；所述断路器s1一端与交流电源相连，所述变压器一次侧绕组一端与断路器s1另一端相连，所述变压器一次侧绕组另一端分别与电容器c1一端、二极管d5阳极和电阻r2一端相连，所述变压器二次侧绕组一端分别与辅助断路器s2一端、电容器c2一端和电抗器l1一端相连，所述变压器二次侧绕组另一端分别与可变电阻r1另一端、电容器c2另一端、开关器件k3发射极、开关器件k2集电极、二极管d3阳极和二极管d2阴极相连；所述辅助断路器s2另一端与可变电阻r1一端相连，所述电抗器l1另一端分别与开关器件k1发射极、开关器件k4集电极、二极管d1阳极和二极管d4阴极相连；所述直流电源dc的正极分别与开关器件k1集电极、开关器件k3集电极、二极管d1阴极和二极管d3阴极相连，所述直流电源dc的负极分别与二极管d5阴极和二极管d6阴极相连；所述电阻r2另一端分别与电阻r3一端、开关器件k2发射极、开关器件k4发射极、二极管d2阳极和二极管d4阳极相连；所述电阻r4一端分别与二极管d6阳极和电阻r3另一端相连；所述电阻r4另一端与电容器c1另一端相连。
作为本发明再进一步的方案：所述保护电路具有四种工作模式，分别为：模式一：合闸涌流及合闸过电压抑制；模式二：低阻抗；模式三：重燃和过电压抑制及电容器放电；模式四：电容器放电；四种工作模式对应断路器投切电容器的不同过程，即模式一和模式二分别对应断路器合闸和电容器稳态运行；模式三对应断路器分闸和电容器放电；模式四对应电容器放电；
所述断路器s1合闸时刻为ta，分闸时刻为tb；t1、t2和t3分别为保护电路所设定的三个时间段，t1为可变电阻r1阻值变化持续时间，t2为断路器s1分闸前开关器件控制模块输出高频pwm波控制信号持续时间，t3为断路器s1分闸后开关器件控制模块输出高频pwm波控制信号持续时间；ta、tb、t1和t2满足条件(ta+t1)<(tb-t2)；t为断路器投切电容器及电容器运行过程中的任意时刻；
所述保护电路的运行过程有以下六个阶段：
阶段一，0≤t＜ta：保护装置工作在模式一，即合闸前，可变电阻r1工作在高阻抗状态，开关器件k1关断、k2关断、k3关断、k4关断，并保持辅助断路器s2处于闭合状态；
阶段二，ta≤t＜(ta+t1)：保护装置由模式一到模式二的过渡状态，t=ta时刻，断路器s1合闸；ta＜t＜(ta+t1)，可变电阻r1阻值在t1时间内降低到低阻抗状态；
阶段三，(ta+t1)≤t＜(tb-t2)：保护装置工作在模式二；
阶段四，(tb-t2)≤t＜tb：保护装置工作在模式二到模式三的过度状态，t=(tb-t2)时刻，辅助断路器s2分闸；(tb-t2)＜t＜tb，开关器件k1、k2、k3、k4处于高频开关状态，由开关器件控制模块输出高频pwm波控制信号控制通断，断路器s1未分闸，同时电容器进行放电；
阶段五，tb≤t＜(tb+t3)：保护装置工作在模式三，t=tb时刻，断路器s1分闸；tb＜t＜(tb+t3)，开关器件k1、k2、k3、k4处于高频开关状态，由开关器件控制模块输出高频pwm波控制信号控制通断，抑制断路器重燃，同时电容器进行放电；
阶段六，t≥(tb+t3)：保护装置工作在模式四，t=(tb+t3)时刻，开关器件切换为以下状态：k1关断、k2关断、k3关断、k4关断；t＞(tb+t3)时，电容器进行放电。
作为本发明再进一步的方案：所述开关器件控制模块的功能为控制模块输出持续的开通、关断信号或高频pwm波控制信号其中的一种，控制开关器件k1、开关器件k2、开关器件k3和开关器件k4的通断；
变压器一次侧电压为u4，电源对地电压为u1，电容器c1一端对地电压为u2，u3=u1-u2，采用pwm控制方法时，载波为三角波，调制波为um=n×u3，采用负反馈控制，给定量为u3，误差输入为，被控量为n；
变压器一次侧与二次侧变比为k:1，电阻r2、电阻r3和电阻r4阻值分别为r2、r3和r4，且r2=r3＜r4。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明可以取代无功补偿电容器组中的串联电抗器、放电线圈等，彻底解决串联电抗器和放电线圈由于发生过电压而烧毁的问题，实现保护功能的同时减少对应一次设备的投入。
2.本发明可以对并联电容器的合闸、分闸和放电各环节进行保护，避免了传统保护装置仅能保护单一环节的问题。
3.本发明可以同时抑制合闸阶段的合闸涌流和合闸过电压，解决了传统保护装置仅能抑制涌流或过电压的问题
4.本发明利用并联电容器分闸后剩余电压来抑制断路器重燃，合理利用了电容器多余电能，节约了能源。