CN110504657B - 中压环网柜失电跳闸装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及风电控制领域，公开一种中压环网柜失电跳闸装置，包括超级电容器组、充电回路、放电回路、电源电压检测回路，本发明的中压环网柜失电跳闸装置，该中压环网柜失电跳闸装置以超级电容器组作为后备电源；当环网柜处于正常运行状态，外接控制电源为环网柜控制回路提供操作电源；环网柜控制电源能够通过充电回路向超级电容器组充电；同时，继电器ZJ带电吸合用于监视操作回路电源电压；当环网柜控制电源出现故障突然失电，继电器ZJ失电，电源电压检测回路接通超级电容器组的放电回路，此时超级电容器组通过放电出口Vout+向跳闸线圈TQ2供电，驱动主电路断路器QF跳闸，切断风力发电机与电力系统之间的电气连接，以起到失电跳闸保护作用。

Description

中压环网柜失电跳闸装置

技术领域

本发明涉及风电控制领域，尤其涉及中压环网柜失电跳闸装置。

背景技术

在风力发电领域，传统的风力发电机发出的电压为0.69kV，采用二次升压方式，即在每台风机塔筒外面配置一台35kV箱式升压变，先升压至35kV，经集电线路汇流后，再接入风电场110kV或220kV升压站，经二次升压后汇入电力系统。

以上的升压方式需要把风机发出的0.69kV电能经过长达上百米甚至数百米的低压电力电缆送至35kV升压变，随着装机容量的逐步增大，造成的线路损耗也随之增加，运行方式很不经济。目前，新的一种发展趋势是，把升压变压器直接就近安装于塔筒顶部的发电机旁，环网柜安装至塔筒内的中部或底部。风机发出的0.69kV电能直接升压至35kV，高压传输至塔筒内的环网柜，经环网柜汇流后把35kV电能传送至风电厂110kV或220kV升压站，再经升压后汇入电力系统，这样起到了很好的节能效果。另一方面，通过优化风机和环网柜内部的控制回路和信号回路功耗，控制电源由220V或110V改成24V电源供电，进一步降低电能消耗。

其中，环网柜作为连接风力发电机与电力系统的中间电气设备，其内置的高压开关设备能够起保护作用，如电力系统出现故障时，其能切断风力发电机与电力系统之间的连接，避免造成安全事故；如公开号为CN202454900U的实用新型专利就是类似的一种环网柜。

然而上述高压开关设备在运行过程中需要通过环网柜外置控制电源进行供电；若控制电源因出现故障而失电，则会导致高压开关设备失控，无法进行安全操作，存在较大安全隐患。

发明内容

本发明针对现有技术的缺点，提供了一种中压环网柜失电跳闸装置，具有环网柜控制电源失电后自动跳闸保护功能。

为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：

一种中压环网柜失电跳闸装置，包括

超级电容器组，包括充电进口Vin+、放电出口Vout+、及接地端GND，接地端GND连接于环网柜控制电源的负极KM-；

充电回路，包括电阻R，电阻R的一端连接于环网柜控制电源的正极KM+，另一端连接于超级电容器组的充电进口Vin+；

放电回路，包括断路器的常开辅助接点QF2与跳闸线圈TQ2，常开辅助接点QF2的一端连接于超级电容器组的放电出口Vout+，常开辅助接点QF2的另一端连接于跳闸线圈TQ2的一端，跳闸线圈TQ2的另一端连接于环网柜控制电源的负极KM-；还包括连接于风力发电机与电力系统之间的主电路断路器QF，跳闸线圈TQ2驱动控制主电路断路器QF的分闸操作，以断开风力发电机与电力系统的连接；

电源电压检测回路，包括继电器ZJ，继电器ZJ的线圈并联于环网柜控制电源的两端，继电器ZJ的常闭触点ZJ-1串联于放电回路的所在回路。

采用上述方案，该中压环网柜失电跳闸装置以超级电容器组作为后备电源；当环网柜处于正常运行状态时，外接控制电源为环网柜控制回路提供操作电源；环网柜控制电源能够通过充电回路向超级电容器组充电；同时，继电器ZJ带电吸合用于监视操作回路电源电压；当环网柜控制电源出现故障突然失电，继电器ZJ失电，电源电压检测回路接通超级电容器组的放电回路，此时超级电容器组通过放电出口Vout+向跳闸线圈TQ2供电，从而驱动主电路断路器QF跳闸，切断风力发电机与电力系统之间的电气连接，进而起到失电跳闸保护作用。

作为优选，还包括超级电容器组在线监测回路，超级电容器组在线监测回路包括断路器的常开辅助接点QF1、继电器K、及指示元件，常开辅助接点QF1与继电器K的线圈相串联，常开辅助接点QF1的另一端与继电器K的线圈的另一端并联于电阻R的两端；继电器K的常开触点K-1的一端连接于环网柜控制电源的正极KM+，另一端连接于指示元件的一端，指示元件的另一端连接于环网柜控制电源的负极KM-。

采用上述方案，随着使用时长的增加，超级电容器组的质量会逐步下降，使得超级电容器组充满电后，其产生的漏电流会随电容品质下降而增加；因此，在电阻R的两端并联超级电容器组在线监测回路，当环网柜控制电源处于正常运行状态，常开辅助接点QF1处于闭合状态，使得超级电容器组在线监测回路被导通；若超级电容器组的质量处于良好状态，则其在充满电后所产生的漏电流较小，不足以驱动继电器K的线圈，使得继电器K的常开触点K-1断开，以切断指示元件的供电回路，指示元件停止工作；反之，若超级电容器组的质量下降较为严重，则其在充满电后所产生的漏电流较大，此时能够驱动继电器K的线圈得电吸合，使得继电器K的常开触点K-1闭合，接通指示元件的供电回路，以使指示元件发出报警信号，从而提醒用户超级电容器组的使用寿命即将耗尽，需要进行更换，更加人性化。

作为优选，指示元件为指示灯HD。

采用上述方案，指示灯较为醒目，其能在用户需要查看时及时提供相应的提示信息，更加人性化。

作为优选，超级电容器组在线监测回路还连接有电流监测模块，电流监测模块连接有控制模块，控制模块连接有显示模块；控制模块包含有一缓存器并预设有一最大漏电流值Imax；电流监测模块用于检测超级电容器组在线监测回路的电流值并将获取的电流值发送至控制模块内的缓存器进行存储，并生成该电流值数据的检测时间点；控制模块根据缓存器内所存电流值的变化量及时间间隔计算出超级电容器组在线监测回路的电流变化率λ，然后计算最大漏电流值Imax与缓存器内最近一次所存电流值之间的电流差值ΔI，最后根据电流差值ΔI及电流变化率λ计算得出超级电容器组的剩余使用时长T，控制模块将计算得到的剩余使用时长T发送至显示模块进行显示。

作为优选，电流变化率λ的计算方法为：通过控制模块将缓存器内最近测得的电流值与前一次测得的电流值作差以得出电流差值Δi，根据控制模块计算出上述两个电流值所对应的检测时间点之间的时间间隔Δt；通过公式λ＝Δi/Δt计算出电流变化率λ的值；

电流差值ΔI的计算方法为：通过控制模块将最大漏电流值Imax与缓存器内最近测得的电流值作差，计算得出电流差值ΔI；

超级电容器组的剩余使用时长T的计算方法为：通过公式T＝ΔI/λ计算出超级电容器组的剩余使用时长T的值。

采用上述方案，电流监测模块能够实时监控流经超级电容器组在线监测回路的漏电流，通过控制模块的运算，能够计算出超级电容器组的剩余使用时长，并通过显示模块进行展示，使得用户能够随时了解超级电容器组的剩余使用寿命，更加人性化。

作为优选，控制模块还连接有警示模块，当控制模块监测到缓存器内存储的电流值大于等于最大漏电流值Imax，控制模块控制警示模块告警。

采用上述方案，当电流监测模块测得的漏电流值大于等于最大漏电流值Imax时，说明超级电容器组的使用寿命已耗尽，此时控制模块能够控制警示模块告警，以提醒用户及时更换超级电容器组，进一步提升使用便利性。

本发明由于采用了以上技术方案，具有显著的技术效果：该中压环网柜失电跳闸装置以超级电容器组作为后备电源；当环网柜处于正常运行状态时，外接控制电源为环网柜控制回路提供操作电源；环网柜控制电源能够通过充电回路向超级电容器组充电；同时，继电器ZJ带电吸合用于监视操作回路电源电压；当环网柜控制电源出现故障突然失电，继电器ZJ失电，电源电压检测回路接通超级电容器组的放电回路，此时超级电容器组通过放电出口Vout+向跳闸线圈TQ2供电，从而驱动主电路断路器QF跳闸，切断风力发电机与电力系统之间的电气连接，进而起到失电跳闸保护作用。

附图说明

图1为本实施例一的电路示意图；

图2为本实施例二的电路示意图；

图3为本实施例二的系统架构图。

以上附图中各数字标号所指代的部位名称如下：1、超级电容器组；2、电流监测模块；3、控制模块；4、显示模块；5、警示模块。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例一

如图1所示，本实施例公开的一种中压环网柜失电跳闸装置，包括超级电容器组1、充电回路、放电回路以及电源电压检测回路。

更具体的，超级电容器组1包括充电进口Vin+、放电出口Vout+、及接地端GND，接地端GND连接于环网柜控制电源的负极KM-；其中，环网柜控制电源为24V直流电源，以为环网柜供电。充电回路包括电阻R，电阻R的一端连接于环网柜控制电源的正极KM+，另一端连接于超级电容器组1的充电进口Vin+，该电阻R为限流电阻；放电回路包括断路器的常开辅助接点QF2与跳闸线圈TQ2，常开辅助接点QF2的一端连接于超级电容器组1的放电出口Vout+，常开辅助接点QF2的另一端连接于跳闸线圈TQ2的一端，跳闸线圈TQ2的另一端连接于环网柜控制电源的负极KM-；还包括连接于风力发电机与电力系统之间的主电路断路器QF，跳闸线圈TQ2驱动控制主电路断路器QF的分闸操作，以断开风力发电机与电力系统的连接；可以理解的是，主电路断路器QF受控于跳闸线圈TQ2进行动作，即当跳闸线圈TQ2处于得电状态时，其能控制主电路断路器QF分闸，以切断风力发电机与电力系统之间的连接。由于跳闸线圈TQ2属于集成于双稳态断路器QF当中的分闸线圈，因此，只需对跳闸线圈TQ2发送一个电脉冲，便能使主电路断路器QF分断，并维持在分断状态；除非集成于同个双稳态断路器当中的合闸线圈(未图示)得到合闸电脉冲，才能使其重新闭合，并维持在闭合状态，以使风力发电机与电力系统恢复连接。电源电压检测回路包括继电器ZJ，继电器ZJ的线圈并联于环网柜控制电源的两端，继电器ZJ的常闭触点ZJ-1串联于放电回路的所在回路。

更进一步的，中压环网柜失电跳闸装置还包括超级电容器组在线监测回路，超级电容器组在线监测回路包括断路器的常开辅助接点QF1、继电器K、及指示元件，指示元件为指示灯HD。常开辅助接点QF1与继电器K的线圈相串联，常开辅助接点QF1的另一端与继电器K的线圈的另一端并联于电阻R的两端；继电器K的常开触点K-1的一端连接于环网柜控制电源的正极KM+，另一端连接于指示元件的一端，指示元件的另一端连接于环网柜控制电源的负极KM-。

上述电路连接关系中，常开辅助接点QF1与常开辅助接点QF2均为双稳态断路器QF的辅助接点，其受控于双稳态断路器内置线圈(合闸线圈与分闸线圈)。当环网柜处于合闸状态时，双稳态断路器QF的常开辅助接点QF1与QF2能够同步闭合；反之，当环网柜处于分闸状态时，双稳态断路器QF的常开辅助接点QF1与QF2能够同步分断，其为现有技术，并为本领域技术人员所熟知，在此不再详细说明。另外，对于上述电路连接关系中元器件的选型，其可根据实际使用场合而选择，在此不再一一详细说明。

现结合附图对上述电路连接关系的工作原理进行详细说明：

环网柜控制电源KM上电后，其能快速通过限流电阻R向超级电容器组1充电。主充电方式在2～3秒钟即可完成，然后自动转入浮充电状态，浮充电流和超级电容器组1的漏电流大小相同；同时，继电器ZJ得电吸合，其对应的常闭触点ZJ-1断开。环网柜合闸后，主电路断路器QF由分闸转向合闸状态，使得风力发电机向电力系统送电。同时，断路器QF的常开辅助接点QF1与QF2也由分断状态转向闭合状态。此时，环网柜控制电源KM通过限流电阻R和超级电容器组在线监测回路并联向超级电容器组1进行浮充电，超级电容器组在线监测回路由常开辅助接点QF1与继电器K的线圈串联组成。

反之，若环网柜控制电源KM因故障而失电，继电器ZJ的线圈失电复位，其对应的常闭触点ZJ-1重新闭合，接通超级电容器组1的放电出口Vout+的放电回路，放电回路对跳闸线圈TQ2供电，以使跳闸线圈TQ2得电启动主电路断路器QF分闸，从而切断风力发电机与电力系统之间的连接，保证了电力系统与风力发电机的安全性。

关于超级电容器组在线监测回路的工作原理，当超级电容器组1充满电后，若超级电容器组1的质量处于良好状态，则其所产生的漏电流较小，不足以驱动继电器K的线圈，使得继电器K的常开触点K-1断开，切断指示元件的供电回路，指示元件停止工作；反之，若超级电容器组1的质量下降较为严重，则其在充满电后所产生的漏电流较大，能够驱动继电器K的线圈吸合，使得继电器K的常开触点K-1闭合，接通指示元件的供电回路，以使指示元件发出提示信号，从而提醒用户超级电容器组1的使用寿命即将耗尽，需要进行更换，更加人性化。

实施例二

如图2和图3所示，于实施例一的基础上，超级电容器组在线监测回路还连接有电流监测模块2，该电流监测模块2优选为数字式电流表；电流监测模块2连接有控制模块3，该控制模块3为具有数据处理能力的芯片或设备，包括但不限于单片机、PLC、CPU、MCU、ARM等。控制模块3连接有显示模块4，该显示模块4优选为液晶显示器或者触摸屏。更具体的，控制模块3包含有一缓存器并预设有一最大漏电流值Imax；该最大漏电流值Imax对应于超级电容器组1的使用寿命耗尽时所产生的漏电流值。电流监测模块2用于检测超级电容器组在线监测回路的电流值并将获取的电流值发送至控制模块3内的缓存器进行存储，并生成该电流值数据的检测时间点；控制模块3根据缓存器内所存电流值的变化量及时间间隔计算出超级电容器组在线监测回路的电流变化率λ，然后计算最大漏电流值Imax与缓存器内最近一次所存电流值之间的电流差值ΔI，最后根据电流差值ΔI及电流变化率λ计算得出超级电容器组1的剩余使用时长T，控制模块3将计算得到的剩余使用时长T发送至显示模块4进行显示。用户可根据显示模块4内所展示的剩余使用时长T的数值，了解超级电容器组1的剩余使用寿命，以便提前做好更换超级电容器组1的准备工作。

更进一步的，控制模块3还连接有警示模块5，该警示模块5优选为发声报警器电路。当控制模块3监测到缓存器内存储的电流值大于等于最大漏电流值Imax，控制模块3控制警示模块5告警，即通过发出警示音的方式提醒用户超级电容器组1的使用寿命已达上限，需要及时更换。

实施例三

于实施例二的基础上，电流变化率λ的计算方法为：通过控制模块3将缓存器内最近测得的电流值与前一次测得的电流值作差以得出电流差值Δi，根据控制模块3计算出上述两个电流值所对应的检测时间点之间的时间间隔Δt；通过公式λ＝Δi/Δt计算出电流变化率λ的值；

电流差值ΔI的计算方法为：通过控制模块3将最大漏电流值Imax与缓存器内最近测得的电流值作差，计算得出电流差值ΔI；

超级电容器组1的剩余使用时长T的计算方法为：通过公式T＝ΔI/λ计算出超级电容器组1的剩余使用时长T的值。

Claims (5)

1.一种中压环网柜失电跳闸装置，其特征在于：包括

超级电容器组(1)，包括充电进口Vin+、放电出口Vout+、及接地端GND，接地端GND连接于环网柜控制电源的负极KM-；

充电回路，包括电阻R，电阻R的一端连接于环网柜控制电源的正极KM+，另一端连接于超级电容器组(1)的充电进口Vin+；

放电回路，包括断路器的常开辅助接点QF2与跳闸线圈TQ2，常开辅助接点QF2的一端连接于超级电容器组(1)的放电出口Vout+，常开辅助接点QF2的另一端连接于跳闸线圈TQ2的一端，跳闸线圈TQ2的另一端连接于环网柜控制电源的负极KM-；还包括连接于风力发电机与电力系统之间的主电路断路器QF，跳闸线圈TQ2驱动控制主电路断路器QF的分闸操作，以断开风力发电机与电力系统的连接；

电源电压检测回路，包括继电器ZJ，继电器ZJ的线圈并联于环网柜控制电源的两端，继电器ZJ的常闭触点ZJ-1串联于放电回路的所在回路；

还包括超级电容器组在线监测回路，超级电容器组在线监测回路包括断路器的常开辅助接点QF1、继电器K、及指示元件，常开辅助接点QF1与继电器K的线圈相串联，常开辅助接点QF1的另一端与继电器K的线圈的另一端并联于电阻R的两端；继电器K的常开触点K-1的一端连接于环网柜控制电源的正极KM+，另一端连接于指示元件的一端，指示元件的另一端连接于环网柜控制电源的负极KM-；

超级电容器组在线监测回路还连接有电流监测模块(2)，电流监测模块(2)连接有控制模块(3)，控制模块(3)连接有显示模块(4)。

2.根据权利要求1所述的中压环网柜失电跳闸装置，其特征在于：指示元件为指示灯HD。

3.根据权利要求1所述的中压环网柜失电跳闸装置，其特征在于：控制模块(3)包含有一缓存器并预设有一最大漏电流值Imax；电流监测模块(2)用于检测超级电容器组在线监测回路的电流值并将获取的电流值发送至控制模块(3)内的缓存器进行存储，并生成该电流值数据的检测时间点；控制模块(3)根据缓存器内所存电流值的变化量及时间间隔计算出超级电容器组在线监测回路的电流变化率λ，然后计算最大漏电流值Imax与缓存器内最近一次所存电流值之间的电流差值ΔI，最后根据电流差值ΔI及电流变化率λ计算得出超级电容器组(1)的剩余使用时长T，控制模块(3)将计算得到的剩余使用时长T发送至显示模块(4)进行显示。

4.根据权利要求3所述的中压环网柜失电跳闸装置，其特征在于：

电流变化率λ的计算方法为：通过控制模块(3)将缓存器内最近测得的电流值与前一次测得的电流值作差以得出电流差值Δi，根据控制模块(3)计算出上述两个电流值所对应的检测时间点之间的时间间隔Δt；通过公式λ=Δi/Δt计算出电流变化率λ的值；

电流差值ΔI的计算方法为：通过控制模块(3)将最大漏电流值Imax与缓存器内最近测得的电流值作差，计算得出电流差值ΔI；

超级电容器组(1)的剩余使用时长T的计算方法为：通过公式T=ΔI/λ计算出超级电容器组(1)的剩余使用时长T的值。

5.根据权利要求3所述的中压环网柜失电跳闸装置，其特征在于：控制模块(3)还连接有警示模块(5)，当控制模块(3)监测到缓存器内存储的电流值大于等于最大漏电流值Imax，控制模块(3)控制警示模块(5)告警。