CN101783497A - 多模冗余灭磁保护回路 - Google Patents
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Abstract
Description
多模冗余灭磁保护回路
技术领域
[0001] 本发明涉及电机励磁控制领域，主要涉及励磁装置内的多模冗余灭磁保护回路。
背景技术
[0002] 励磁装置是向发电机转子磁场绕组提供可调励磁电流装置的组合，励磁装置一般 由励磁调节柜、励磁整流柜、灭磁及过电压保护柜组成。它的主要作用是根据发电机和电力 系统的需求提供满足需要的定量励磁电流，同时该电流可以根据需要进行可靠的调节和控 制。当发电机内部或电力系统发生诸如短路及接地等事故时，励磁装置应能够迅速切断励 磁电流并将蓄藏在磁场绕组中的磁场能量快速消耗在灭磁回路中，这样可以避免事故的扩 大，对发电机和电力系统起到保护作用，这是励磁装置的一项重要功能。灭磁保护回路就是 励磁装置中为满足这个要求而设置的。快速灭磁主要有两种方式，一种是耗能型的，另一种 是移能型的。
[0003] —、耗能型灭磁方式，即将磁场能量消耗在磁场开关中。在正常运行过程中，磁场 开关处于合闸状态，励磁整流柜处于整流状态，它输出的直流电流通过开关施加到发电机 转子上。在出现了故障事故后需要灭磁时，外部分闸命令启动分闸，同时闭锁整流柜的输 出，由于发电机磁场绕组具有很大的电感，流过磁场绕组的电流不能突变，其蓄藏在磁场绕 组中的磁场能量将强行续流，在两端产生较高的电弧电压并同时维持电流通过，磁场开关 在结构上具有由多达几十片灭弧栅片组成的灭弧室，可以将较高的电弧电压分割成几十个 小的电弧，储存在发电机励磁回路中的磁场能量形成电弧后在燃烧室中燃烧，将电能转换 为热能直至熄弧完成整个灭磁过程。虽然这种方式具有结构简单的优点，但也有不少的缺 点，比如：对开关的要求非常高，开关的制造技术难度很大，开关成本高，生产该类型开关的 厂家很少。每次分闸断弧过程都会对磁场开关的主触头进行一定的烧损，需要定期对主触 头进行打磨维护，同时也需要对灭弧室进行定期清扫，工作量很大。
[0004] 二、移能型灭磁方式，即将磁场能量由磁场断路器转移到耗能元件上，磁场断路器 不承但耗能作用。在移能过程中，各类耗能元件接入方式有磁场断路器常闭触头接入、可控 硅跨接器接入等多种方式，耗能元件包括线性电阻、SiC非线性电阻或Zn0非线性电阻等种 类，现分别介绍如下：
[0005] 1、磁场断路器常闭触头接入耗能元件的方案。
[0006] 该方案中，在出现了故障事故后需要灭磁时，外部分闸命令启动磁场断路器分闸， 同时闭锁整流柜的输出。磁场断路器在结构上具有功率型的常闭触头，在磁场断路器主触 头分离前的一定时刻，常闭触头接通，将耗能元件与发电机磁场绕组接成闭环电路，然后磁 场断路器主触头再分离。此时磁场绕组的电流只能通过磁场断路器的常闭触头、耗能元件 构成回路并流过，蓄藏在磁场绕组中的磁场能量快速消耗在耗能元件中。该方式结构相对 简单，但要求开关在结构上必须具备功率型的常闭触头，开关的制造技术难度很大，开关成 本高，生产该类型开关的厂家很少。经常需要对常闭触头进行机械结构检查和动作时间测 量和检查，维护工作量较大。[0007] 2、可控硅跨接器接入耗能元件的方案。
[0008] 该方案中，利用可控硅元件具有一定正、反向电压阻断能力，同时可以正向可控触 发导通的特性，将可控硅跨接器等效于一个电子开关，触发器起对可控硅跨接器进行触发 导通。在出现了故障事故后需要灭磁时，外部分闸命令启动磁场断路器分闸，同时闭锁整 流柜的输出。通过外部控制命令启动控制触发器将可控硅触发导通，将耗能元件与发电机 磁场绕组接成闭环电路，然后磁场断路器主触头分离。此时磁场绕组的电流只能通过可控 硅跨接器、耗能元件构成回路并流过，蓄藏在磁场绕组中的磁场能量快速消耗在耗能元件 中。该方式结构也相对简单，但是也有很多缺点，比如：首先要求作为电子开关的可控硅跨 接器和触发可控硅的触发器要非常可靠， 一旦任何一个部件出现故障，如跨接器故障、触发 故障、触发器工作电源丢失等都会使得可控硅跨接器无法导通，磁场绕组中的电流不能形 成闭环电路而处于开路状态，导致蓄藏在磁场绕组中的磁场能量无法有效释放，由于磁场 绕组具有很大的电感量，这将会在磁场绕组两端产生很高的感应电压，严重时会危及到磁 场绕组及相连接部件的绝缘安全。中国专利号为ZL 200820226917. 3的一种励磁柜自动灭 磁装置，它包括灭磁可控硅，灭磁可控硅两端通过导线并联连接灭磁控制器，灭磁控制器内 设有灭磁电路板，灭磁电路板上安装交流接触器和时间继电器。本发明的优点在于：结构设 计合理，在灭磁可控硅不工作的情况下也能够完成灭磁，灭磁操作可自动进行，不需人工操 作。但是，该专利虽然可以自动进行灭磁操作，但是灭磁可靠性并不高。
发明内容
[0009] 本发明旨在针对现有技术灭磁可靠性不高的缺陷，提供一种基于多模冗余可控硅 跨接器接入耗能元件的多模冗余灭磁保护回路。本发明采用多模冗余可控硅跨接器接入耗 能元件，大大提高了在事故状态下耗能元件灭磁的可靠性。 [0010] 本发明通过下述技术方案实现：
[0011] 多模冗余灭磁保护回路，包括可控硅跨接器及其控制触发器、磁场断路器、发电机 磁场绕组，其特征在于：所述可控硅跨接器是高阻断电压的大功率可控硅，至少三个可控硅 跨接器并联后其负级端与发电机磁场绕组的正极相连，正级端与耗能元件的一端相连，耗 能元件的另一端与发电机磁场绕组的负极相连，所述可控硅跨接器各与一个控制触发器相 连。
[0012] 所述可控硅跨接器的电流为3500A，正、反向阻断电压为5200V。
[0013] 所述耗能元件为SiC非线性电阻，一端与并联后的可控硅跨接器正极端连接，另
一端与发电机磁场绕组的负极连接。
[0014] 所述耗能元件为线性电阻，一端与并联后的可控硅跨接器正极端连接，另一端与 发电机磁场绕组的负极连接。
[0015] 所述耗能元件为ZnO非线性电阻，一端与并联后的可控硅跨接器正极端连接，另 一端与发电机磁场绕组的负极连接。
[0016] 本发明采用多模冗余可控硅跨接器灭磁保护回路，具有以下优点： [0017] —、第一可控硅跨接器Vl、第二可控硅跨接器V2、第三可控硅跨接器V3为三个独 立的可控硅跨接器，技术参数完全一致，电路上为冗余并联结构。当任何一个可控硅跨接器 启动开通后，都可以实现灭磁功能，大大提高了灭磁的可靠性。同时可控硅跨接器选用元件
4为高阻断电压的大功率可控硅，电流为3500A，正、反向阻断电压为5200V。可以满足各种事 故工况下的灭磁要求。
[0018] 二、第一控制触发器U1、第二控制触发器U2，内部电路完全一致，但其外部供电电 源分别采用两路完全独立的电源系统，两套控制触发器同时接收外部的控制指令，同时触 发对应的可控硅跨接器，第一控制触发器U1、第二控制触发器U2做到了电源、器件、外部指 令的双冗余，大大提高了可靠性。
[0019] 三、第三控制触发器U3，内部电路和工作原理与第一控制触发器U1、第二控制触 发器U2完全不一样，其采用无源工作模式，完全独立的控制电路，无需外部控制电路控制。 如果由于非常特殊的原因，在第一可控硅跨接器VI 、第二可控硅跨接器V2和第一控制触发 器U1、第二控制触发器U2同时发生故障的条件下，磁场断路器分闸后，转子反向电压会持 续升高，当达到第三控制触发器U3触发回路设定动作值后，第三可控硅跨接器V3接通，将 耗能元件接入回路完成灭磁，实现了第三路灭磁通道的冗余，进一步加大了系统的可靠性。 [0020] 四、在出现了故障事故后需要灭磁时，外部分闸命令启动磁场断路器分闸，同时闭 锁整流柜的输出，外部控制信号启动控制触发器将可控硅跨接器触发导通，磁场断路器主 触头在可控硅跨接器导通后再分离。磁场绕组的电流只能通过可控硅跨接器、耗能元件构 成回路并流过，蓄藏在磁场绕组中的磁场能量快速消耗在耗能元件中，磁场开关不承担灭 磁功能，有效地保护了开关，大大延长了开关的使用寿命。
附图说明
[0021] 图1为本发明的电路结构图
[0022] 图2为本发明第一控制触发器U1的电路结构图 [0023] 图3为本发明第二控制触发器U2的电路结构图 [0024] 图4为本发明第三控制触发器U3的电路结构图
具体实施方式 [0025] 实施例1
[0026] 多模冗余灭磁保护回路，包括可控硅跨接器及其控制触发器，第一可控硅跨接 器Vl、第二可控硅跨接器V2、第三可控硅跨接器V3为三个独立的可控硅跨接器，技术参 数完全一致，均为高阻断电压的大功率可控硅，其额定电流为3500A，正、反向阻断电压为 5200V。第一可控硅跨接器V1、第二可控硅跨接器V2、第三可控硅跨接器V3的负级端相互 并联后与发电机磁场绕组L的正极相连，正级端相互并联后与SiC非线性电阻的一端相连， SiC非线性电阻的另一端与发电机磁场绕组L的负极相连，所述第一可控硅跨接器VI、第二 可控硅跨接器V2、第三可控硅跨接器V3的控制触发器分别为第一控制触发器U1、第二控制 触发器U2、第三控制触发器U3，第一控制触发器U1、第二控制触发器U2的内部电路结构完 全一致，第一控制触发器Ul与第一可控硅跨接器VI连接，第二控制触发器U2与第二可控 硅跨接器V2连接，第三控制触发器U3与第三可控硅跨接器V3连接。Ml为电源转换隔离 模块，用于将输入的DC220V电源转换成板内电路工作所需的DC24V电源，稳压器V21再将 DC24V电源转换成板内电子器件工作所需的DC5V电源。Nl为555时基电路模块，用于产生 频率为lOK的振荡脉冲，功率放大三极管Vll用于驱动高压隔离脉冲变压器Tll。由于发电连的部件是高压系统，而第一控制触发器Ul、第二控制触发器U2为 低压控制部件，两者之间必须要进行隔离，我们选用的脉冲变压器T11原副边隔离电压高 达20KV，另外脉冲变压器T11还输出系列触发脉冲，用于对可控硅跨接器进行触发。所述第 一控制触发器U1的外部工作电源为DC220V厂用一段工作电源，第二控制触发器U2的外部 工作电源为DC220V蓄电池供电的后备二段工作电源，两路电源完全独立，可以确保做到电 源的双冗余。第三控制触发器U3是一套独立的触发器，其中内部的R1、R2为线性电阻，RN 为热敏电阻。第三控制触发器U3两端跨接在发电机磁场绕组的正、负极之间，第三端接到 第三可控硅跨接器V3的触发极，第三控制触发器U3无需工作电源，用于在反向磁场电压超 过整定值后，通过线性电阻R1、线性电阻R2的分压比作用，触发第三可控硅跨接器V3。如 果反向磁场电压超过设定值过高，RN发热后的电阻值会大大升高，限制其流过的电流，对第 三可控硅跨接器V3的触发极起到保护作用。
[0027] 在出现了故障事故后需要灭磁时，外部分闸命令启动磁场断路器FB分闸，同时闭 锁整流柜的输出。通过外部控制命令启动控制触发器将可控硅触发导通，将耗能元件RL与 发电机磁场绕组L接成闭环电路，然后磁场断路器FB主触头分离。此时发电机磁场绕组L 的电流只能通过可控硅跨接器、耗能元件RL构成回路并流过，蓄藏在发电机磁场绕组L中 的磁场能量快速消耗在耗能元件RL中。 [0028] 实施例2
[0029] 多模冗余灭磁保护回路，包括可控硅跨接器及其控制触发器，第一可控硅跨接 器Vl、第二可控硅跨接器V2、第三可控硅跨接器V3为三个独立的可控硅跨接器，技术参 数完全一致，均为高阻断电压的大功率可控硅，其额定电流为3500A，正、反向阻断电压为 5200V。第一可控硅跨接器Vl、第二可控硅跨接器V2、第三可控硅跨接器V3的负级端相互 并联后与发电机磁场绕组L的正极相连，正级端相互并联后与线性电阻的一端相连，线性 电阻的另一端与发电机磁场绕组L的负极相连，所述第一可控硅跨接器V1、第二可控硅跨 接器V2、第三可控硅跨接器V3的控制触发器分别为第一控制触发器Ul、第二控制触发器 U2、第三控制触发器U3，第一控制触发器U1、第二控制触发器U2的内部电路结构完全一致， 第一控制触发器Ul与第一可控硅跨接器VI连接，第二控制触发器U2与第二可控硅跨接器 V2连接，第三控制触发器U3与第三可控硅跨接器V3连接。Ml为电源转换隔离模块，用于 将输入的DC220V电源转换成板内电路工作所需的DC24V电源，稳压器V21再将DC24V电源 转换成板内电子器件工作所需的DC5V电源。Nl为555时基电路模块，用于产生频率为10K 的振荡脉冲，功率放大三极管VI1用于驱动高压隔离脉冲变压器Tl 1 。由于发电机磁场绕组 L及与其相连的部件是高压系统，而第一控制触发器Ul、第二控制触发器U2为低压控制部 件，两者之间必须要进行隔离，我们选用的脉冲变压器T11原副边隔离电压高达20KV，另外 脉冲变压器Tll还输出系列触发脉冲，用于对可控硅跨接器进行触发。所述第一控制触发 器U1的外部工作电源为DC220V厂用一段工作电源，第二控制触发器U2的外部工作电源为 DC220V蓄电池供电的后备二段工作电源，两路电源完全独立，可以确保做到电源的双冗余。 第三控制触发器U3是一套独立的触发器，其中内部的R1、 R2为线性电阻，RN为热敏电阻。 第三控制触发器U3两端跨接在发电机磁场绕组的正、负极之间，第三端接到第三可控硅跨 接器V3的触发极，第三控制触发器U3无需工作电源，用于在反向磁场电压超过整定值后， 通过线性电阻R1、线性电阻R2的分压比作用，触发第三可控硅跨接器V3。如果反向磁场电
6压超过设定值过高，RN发热后的电阻值会大大升高，限制其流过的电流，对第三可控硅跨接器V3的触发极起到保护作用。
[0030] 在出现了故障事故后需要灭磁时，外部分闸命令启动磁场断路器FB分闸，同时闭锁整流柜的输出。通过外部控制命令启动控制触发器将可控硅触发导通，将耗能元件RL与发电机磁场绕组L接成闭环电路，然后磁场断路器FB主触头分离。此时发电机磁场绕组L的电流只能通过可控硅跨接器、耗能元件RL构成回路并流过，蓄藏在发电机磁场绕组L中的磁场能量快速消耗在耗能元件RL中。[0031] 实施例3
[0032] 多模冗余灭磁保护回路，包括可控硅跨接器及其控制触发器，第一可控硅跨接器Vl、第二可控硅跨接器V2、第三可控硅跨接器V3为三个独立的可控硅跨接器，技术参数完全一致，均为高阻断电压的大功率可控硅，其额定电流为3500A，正、反向阻断电压为5200V。第一可控硅跨接器Vl、第二可控硅跨接器V2、第三可控硅跨接器V3的负级端相互并联后与发电机磁场绕组L的正极相连，正级端相互并联后与ZnO非线性电阻的一端相连，ZnO非线性电阻的另一端与发电机磁场绕组L的负极相连，所述第一可控硅跨接器VI、第二可控硅跨接器V2、第三可控硅跨接器V3的控制触发器分别为第一控制触发器U1、第二控制触发器U2、第三控制触发器U3，第一控制触发器U1、第二控制触发器U2的内部电路结构完全一致，第一控制触发器Ul与第一可控硅跨接器VI连接，第二控制触发器U2与第二可控硅跨接器V2连接，第三控制触发器U3与第三可控硅跨接器V3连接。Ml为电源转换隔离模块，用于将输入的DC220V电源转换成板内电路工作所需的DC24V电源，稳压器V21再将DC24V电源转换成板内电子器件工作所需的DC5V电源。Nl为555时基电路模块，用于产生频率为lOK的振荡脉冲，功率放大三极管Vll用于驱动高压隔离脉冲变压器Tll。由于发电机磁场绕组L及与其相连的部件是高压系统，而第一控制触发器Ul、第二控制触发器U2为低压控制部件，两者之间必须要进行隔离，我们选用的脉冲变压器T11原副边隔离电压高达20KV，另外脉冲变压器T11还输出系列触发脉冲，用于对可控硅跨接器进行触发。所述第一控制触发器Ul的外部工作电源为DC220V厂用一段工作电源，第二控制触发器U2的外部工作电源为DC220V蓄电池供电的后备二段工作电源，两路电源完全独立，可以确保做到电源的双冗余。第三控制触发器U3是一套独立的触发器，其中内部的R1、R2为线性电阻，RN为热敏电阻。第三控制触发器U3两端跨接在发电机磁场绕组的正、负极之间，第三端接到第三可控硅跨接器V3的触发极，第三控制触发器U3无需工作电源，用于在反向磁场电压超过整定值后，通过线性电阻R1、线性电阻R2的分压比作用，触发第三可控硅跨接器V3。如果反向磁场电压超过设定值过高，RN发热后的电阻值会大大升高，限制其流过的电流，对第三可控硅跨接器V3的触发极起到保护作用。
[0033] 在出现了故障事故后需要灭磁时，外部分闸命令启动磁场断路器FB分闸，同时闭锁整流柜的输出。通过外部控制命令启动控制触发器将可控硅触发导通，将耗能元件RL与发电机磁场绕组L接成闭环电路，然后磁场断路器FB主触头分离。此时发电机磁场绕组L的电流只能通过可控硅跨接器、耗能元件RL构成回路并流过，蓄藏在发电机磁场绕组L中的磁场能量快速消耗在耗能元件RL中。
[0034] 本发明不限于以上实施例，但均应落入本发明权利要求保护范围之内。
Claims (5)
- 多模冗余灭磁保护回路，包括可控硅跨接器及其控制触发器、磁场断路器FB、发电机磁场绕组L，其特征在于：所述可控硅跨接器是高阻断电压的大功率可控硅，至少三个可控硅跨接器并联后其负级端与发电机磁场绕组L的正极相连，正级端与耗能元件RL的一端相连，耗能元件RL的另一端与发电机磁场绕组L的负极相连，所述可控硅跨接器各与一个控制触发器相连。
- 2. 根据权利要求1所述多模冗余灭磁保护回路，其特征在于：所述可控硅跨接器的电 流为3500A，正、反向阻断电压为5200V。
- 3. 根据权利要求1所述多模冗余灭磁保护回路，其特征在于：所述耗能元件RL为SiC 非线性电阻，一端与并联后的可控硅跨接器正极端连接，另一端与发电机磁场绕组的负极 连接。
- 4. 根据权利要求l所述多模冗余灭磁保护回路，其特征在于：所述耗能元件RL为线性 电阻，一端与并联后的可控硅跨接器正极端连接，另一端与发电机磁场绕组的负极连接。
- 5. 根据权利要求1所述多模冗余灭磁保护回路，其特征在于：所述耗能元件RL为ZnO 非线性电阻，一端与并联后的可控硅跨接器正极端连接，另一端与发电机磁场绕组的负极 连接。
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