CN101783497A - 多模冗余灭磁保护回路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种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。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。

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)

  1. 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. 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. 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. 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. 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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