CN100470991C - 故障限流器直流控制系统 - Google Patents

Abstract

故障限流器直流控制系统，属于饱和铁芯型电力线路故障限流器技术领域，其特征在于含有：磁能释放回路、第一快速开关IGBT1、励磁恢复回路和恒流回路。磁能释放回路由压敏电阻箝位、第一电容C1吸收能量、可控高压电压源来解决磁能释放时间控制。第一快速开关IGBT1断开时，磁能释放回路起磁能释放作用。励磁恢复回路通过第二快速开关IGBT2的导通来提供恢复励磁的能量，利用可控中压电压源来调整励磁恢复时间。恒流回路在正常状态时维持磁通。本发明用一个与上位机具有通信接口的单片机来实现全自动地完成，三个典型运行状况：限流器稳态运行、限流状态、重合闸状态。

Description

故障限流器直流控制系统

技术领域

本发明属于饱和铁芯型电力线路故障限流器直流控制技术领域。

背景技术

近年来，电力系统容量逐年增加，电网短路电流也随之增大，目前已成为制约电网运行和发展的重要因素。因此，限制电力系统短路电流已成为一个有待解决的问题。传统的饱和铁芯型电力线路限流器直流控制技术是仅仅是使用压敏电阻吸收能量，使铁芯中的磁场退出磁饱和状态，而这种控制系统速度慢，维修量大，成本高。

发明内容

本发明的目的是提供一个全自动的饱和铁芯型电力线路故障限流器的控制系统。

饱和铁心型电力线路故障限流器安装在变电站出口、母线联络线间等位置，用于限制电网中的短路故障电流。在电网正常运行时，限流器对电网的运行影响很小；电网发生短路故障时，限流器阻抗变大，将短路电流限制到满足后级断路器断开所要求的电流水平；电网重合闸也需要限流器的配合。限流器这些功能的实现都需要限流器直流控制回路在各种情况下做出相应地动作。

图1中所示为单相限流器的电路结构示意图，限流器包括交流绕组、铁心、直流绕组和直流控制回路，直流控制回路中又应该包括直流恒流源、快速开关以及磁能释放回路等功能器件。

限流器的工作状态可以归结为三个典型的状态：

限流器稳态运行；

限流状态；

重合闸状态；

对应于这三个状态，直流控制回路必须具有相应地动作。

限流器长期在稳态情况下运行，此时直流控制回路中开关处于闭合状态，直流恒流源提供的励磁电流将铁心偏置到深度饱和态，交流绕组呈现小阻抗。

电网发生短路故障后，限流器的控制系统检测到故障发生后，向直流控制回路发出信号，直流控制回路中的快速开关快速断开，动作时间要迅速。直流绕组中存储了大量的磁能，在开关断开的瞬间会产生较大的切断高压，控制回路中的磁能释放回路能将直流绕组内的磁能迅速吸收，并将直流绕组电压钳制在安全的水平，保证直流回路迅速完全断开。这时铁心退出饱和，交流绕组呈现大阻抗，限制了电网的短路故障电流，后级断路器能够安全断开。

延迟一段时间后，电网中的断路器重合闸。为满足在断路器重合闸之前，限流器的交流绕组呈现小阻抗，故在断路器重合闸之前，直流恒流源已经将限流器铁心偏置到深度饱和态，所以要求直流绕组的充磁时间必须控制在断路器重合闸延时的这段时间之内。

断路器安全重合闸。如果电网中故障已经消除，电网及限流器进入稳态运行，否则重复上述动作过程，直到故障完全消除。

本发明提出一种故障限流器直流控制系统，其特征在于，含有：直流绕组电感(L1)、磁能释放回路、第一快速开关(IGBT1)、励磁恢复回路和恒流回路，其中：

该磁能释放回路，包含：

压敏电阻(R0)，其箝位电压为12kV，该压敏电阻(R0)与该直流绕组电感(L1)并联，

第一串联支路，由第一二极管(D1)与第一电容(C1)串联而成，其中该第一电容为500μF/12kV，该第一串联支路与该压敏电阻(R0)并联，

第二电阻(R2)，起能量缓慢释放作用，与该第一电容(C1)并联，

第二串联支路，由可控高压电压源(V1)、第二二极管(D2)、第一电阻(R1)依次串联而成，该第二二极管(D2)的阴极与该可控高压电压源(V1)的负极相连，该可控高压电压源为0～10kV，该第二串联支路与该第一电容(C1)并联；

该励磁恢复回路，包含：

第三串联支路，由可控中压电压源(V2)、第三电阻(R3)、3300V/500A的第二快速开关(IGBT2)依次串联而成，该可控中压电压源为0～1600V可调，该第三电阻(R3)一端接该可控中压电压源(V2)的正极，该第二快速开关(IGBT2)的集电极接该第三电阻(R3)的另一端，而该第二快速开关(IGBT2)的发射极接该直流绕组电感(L1)，

第二电容(C2)为32000μF/1600V，其两端分别与该可控中压电压源(V2)的负极、该第二快速开关(IGBT2)的集电极相连；

第一快速开关(IGBT1)，15kV/500A，其发射极与该可控中压电压源(V2)的负极相连，其集电极连接该第一二极管(D1)的阳极；

该恒流回路，包含：

恒流源(I1)，0～5V/500A，其负端接该第一快速开关(IGBT1)的发射极，其正端接第三二极管(D3)的阳极，该第三二极管(D3)的阴极与该第二快速开关(IGBT2)的发射极相连，

依次正向串联的第七二极管(D7)、第六二极管(D6)、第五二极管(D5)和第四二极管(D4)，该第四二极管(D4)的阴极接该第一快速开关(IGBT1)的发射极，该第七二极管(D7)的阳极接该第三二极管(D3)的阳极，

在第一快速开关(IGBT1)断开后，磁能向磁能释放回路释放，

恒流源(I1)用于充磁后维持磁通，在正常充磁后该第三二极管(D3)、该直流绕组电感(L1)和该第一快速开关(IGBT1)的压降之和小于该第七二极管(D7)、该第六二极管(D6)、该第五二极管(D5)和该第四二极管(D4)的压降之和；在磁能吸收和充磁状态下，恒流源电流通过串联的该第七二极管(D7)、该第六二极管(D6)、该第五二极管(D5)和该第四二极管(D4)续流；在充磁阶段后期，当该直流绕组电感(L1)的电流接近恒流源电流时，该第二快速开关(IGBT2)断开，该直流绕组电感(L1)的电流由恒流源(I1)电流续流；

所述直流控制系统由一个具有与上位机通信接口的单片机来控制，该单片机对该直流绕组电感(L1)的电流和电压(i_L1和u_L1)、该第一电容(C1)的电压(V_C1)、该第二电容(C2)的电压(V_C2)以及恒流源(I1)电流(I_I1)的模拟量进行采样，对该第一快速开关(IGBT1)和该第二快速开关(IGBT2)的导通和关断进行控制，并对该可控高压电压源(V1)的输出电压、该可控中压电压源(V2)的输出电压以及恒流源(I1)电流进行设定。

本发明在单机控制下能实行全自动控制。附图说明：

图1单相限流器电路结构示意图，三相对应具有六个铁心，L1为直流绕阻。

图2本发明的电路原理图。

具体实施方式

现把本发明的主要部分介绍如下：

1、磁能释放回路：

如原理图中所示D1、C1、R2、V1、D2、R1、R0组成的回路

V1：高压电压源0～10kV可调，功率1kW(0.1A)

C1、R1、D2：V1通过R1、D2向C1充电，正常稳态工况时V_C1＝V1

R2：能量缓慢释放电阻

R0：压敏电阻，箝位电压12kV

C1选择大容量电容，V1调至10kV，则V_C1＝10kV。IGBT1断开后，i_L1给C1充电，由于C1较大，V_C1上升缓慢，能量由L1的磁能转变为C1的储能，并由R1缓慢释放。

磁能释放时，L1两端加上-10kV的箝位电压V_L1，由于

故 $\mathrm{dB}=\frac{V_{L1}}{\mathrm{NS}}\mathrm{dt},$ L1中的磁感应强度快速下降，起到磁能释放的作用。

系统要求在5ms内将L1中的B尽量快速降低，以便使L1退出深饱和，使磁路系统产生限流效果，若V_L1＝—10kV，由于N＝600，S＝0.9m²，在

内， $\mathrm{\ΔB}={\∫}_0^{5\×{10}^{-3}}\frac{-10\×{10}^3}{600\×0.9}\mathrm{dt}=-0.092T.$ 如果该

不能够使磁路系统产生理想限流效果，要增大

的绝对值，从上式中可以看出可提高|V_L1|或增大

如果不允许增大，只有提高|V_L1|。

C1的选择：

选C1＝500uF/12kV，一次磁能吸收后，V_C1由10kV变为V_C1’，有 $\frac{1}{2}{C}_1(V_{C1}^{\′2}-V_{C1}^2)=5000J,$ 则V_C1’＝10954V，VC1增大954V，第二次磁能吸收后，V_C1’＝11832V。

2、励磁恢复回路：

如原理图中所示V2、R3、C2、IGBT2组成的回路

V2：中压电压源，0～1600V可调，功率1kW(0.625A)

C2、R3：V2通过R3向C2充电，正常稳态工况时V_C2＝V2

磁能恢复时，IGBT1、IGBT2导通，V_C2通过IGBT2加到L1两端，V_L1＝VC2>0，据 $\mathrm{dB}=\frac{V_{L1}}{\mathrm{NS}}\mathrm{dt},$ L1中的磁感应强度增加，当V2＝1350V时，在

秒内， $\mathrm{\ΔB}={\∫}_0^{0.8}\frac{1350}{600\×0.9}\mathrm{dt}=2T,$ 因此，只要V2≥1350V，就可以满足在要求的时间内将励磁恢复。

取C2＝32000uF/1600V，一次励磁恢复后，V_C2由1600V降至V_C2’，则有 $\frac{1}{2}{C}_2(V_{C2}^2-V_{C2}^{\′2})=5000J,$ 则V_C2’＝1500V，以此类推，重合闸2次后， $\frac{1}{2}{C}_2(V_{C2}^2-V_{C2}^{\′2})=2\×5000J,$ V_C2’＝1390>1350V，该电压能满足系统第3次重合闸的需求。

3、恒流源：I1为0～500A可调，最大输出电压5V

恒流源的作用是充磁后磁通的维持，在正常充磁后，控制D3、L1、IGBT1的压降小于D4、D5、D6、D7的压降，则i_I1通过D3、L1、IGBT1流动。磁能吸收和充磁状态时，i_I1均通过D4、D5、D6、D7续流。在充磁阶段的末期，当系统检测到i_L1已接近i_I1时，将IGBT2断开，i_L1转由i_I1续流。

4、直流控制单元

控制单元采用TI公司的TMS320C240DSP为核心的单片机控制，具有与上位机的通讯接口，接收来自上位机的磁能吸收、充磁等指令，并把状态反馈给上位机。

控制单元对i_L1、u_L1、V_C1、V_C2、I_I1等模拟量进行采样，并对IGBT1、IGBT2的导通和关断进行控制，对V1、V2、I1的输出电压、电流进行设定。

5、主电路主要元件参数列表

 

元件编号	属性	参数
			R0	压敏电阻	20kA/12kV
C1	电容	500uF/12kV

 

V1	可控高压电压源	10kV/0.1A
			V2	可控中压电压源	1600V/0.625A
I1	恒流源	0~5V/500A
			C2	电容	32000uF/1600V
IGBT1	IGBT(串联)	15kV/500A
			IGBT2	IGBT	3300V/500A

Claims (1)

1.故障限流器直流控制系统，其特征在于，含有：直流绕组电感(L1)、磁能释放回路、第一快速开关(IGBT1)、励磁恢复回路和恒流回路，其中：

该磁能释放回路，包含：

压敏电阻(R0)，其箝位电压为12kV，该压敏电阻(R0)与该直流绕组电感(L1)并联，

第一串联支路，由第一二极管(D1)与第一电容(C1)串联而成，其中该第一电容为500μF/12kV，该第一串联支路与该压敏电阻(R0)并联，

第二电阻(R2)，起能量缓慢释放作用，与该第一电容(C1)并联，

第二串联支路，由可控高压电压源(V1)、第二二极管(D2)、第一电阻(R1)依次串联而成，该第二二极管(D2)的阴极与该可控高压电压源(V1)的负极相连，该可控高压电压源为0～10kV，该第二串联支路与该第一电容(C1)并联；

该励磁恢复回路，包含：

第三串联支路，由可控中压电压源(V2)、第三电阻(R3)、3300V/500A的第二快速开关(IGBT2)依次串联而成，该可控中压电压源为0～1600V可调，该第三电阻(R3)一端接该可控中压电压源(V2)的正极，该第二快速开关(IGBT2)的集电极接该第三电阻(R3)的另一端，而该第二快速开关(IGBT2)的发射极接该直流绕组电感(L1)，

第二电容(C2)为32000μF/1600V，其两端分别与该可控中压电压源(V2)的负极、该第二快速开关(IGBT2)的集电极相连；

第一快速开关(IGBT1)，15kV/500A，其发射极与该可控中压电压源(V2)的负极相连，其集电极连接该第一二极管(D1)的阳极；

该恒流回路，包含：

恒流源(I1)，0～5V/500A，其负端接该第一快速开关(IGBT1)的发射极，其正端接第三二极管(D3)的阳极，该第三二极管(D3)的阴极与该第二快速开关(IGBT2)的发射极相连，

依次正向串联的第七二极管(D7)、第六二极管(D6)、第五二极管(D5)和第四二极管(D4)，该第四二极管(D4)的阴极接该第一快速开关(IGBT1)的发射极，该第七二极管(D7)的阳极接该第三二极管(D3)的阳极，

在第一快速开关(IGBT1)断开后，磁能向磁能释放回路释放，

恒流源(I1)用于充磁后维持磁通，在正常充磁后该第三二极管(D3)、该直流绕组电感(L1)和该第一快速开关(IGBT1)的压降之和小于该第七二极管(D7)、该第六二极管(D6)、该第五二极管(D5)和该第四二极管(D4)的压降之和；在磁能吸收和充磁状态下，恒流源电流通过串联的该第七二极管(D7)、该第六二极管(D6)、该第五二极管(D5)和该第四二极管(D4)续流；在充磁阶段后期，当该直流绕组电感(L1)的电流接近恒流源电流时，该第二快速开关(IGBT2)断开，该直流绕组电感(L1)的电流由恒流源(I1)电流续流；

所述直流控制系统由一个具有与上位机通信接口的单片机来控制，该单片机对该直流绕组电感(L1)的电流和电压(i_L1和u_L1)、该第一电容(C1)的电压(V_C1)、该第二电容(C2)的电压(V_C2)以及恒流源(I1)电流(I₁₁)的模拟量进行采样，对该第一快速开关(IGBT1)和该第二快速开关(IGBT2)的导通和关断进行控制，并对该可控高压电压源(V1)的输出电压、该可控中压电压源(V2)的输出电压以及恒流源(I1)电流进行设定。

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