CN102347608A - 基于晶闸管开关保护的变压器中性点隔直系统及工作方法 - Google Patents

Abstract

一种基于晶闸管开关保护的变压器中性点隔直系统，它包括控制断路器K、晶闸管固态交流开关信号检测模块、信号调理模块、远程通信模块、数据采集卡和驱动模块；其工作方法为：信号检测、数据存储、确定工作状态、分析条件、控制开关、断路器动作；其优越性在于：①硬件设备安装简单，软件编程通俗易懂；②避免了机械开关导通滞后的缺陷；③保护了电容器组又降低了晶闸管开关的损耗；④及时精确获得导通信号；⑤提高隔直系统的可靠性。

Description

基于晶闸管开关保护的变压器中性点隔直系统及工作方法

(一)技术领域：

本发明属于电力系统电力电子领域，尤其是一种基于晶闸管开关保护的变压器中性点隔直系统及工作方法。 

(二)背景技术：

电力系统在正常运行时，很多情况需要变压器中性点直接接地，然而近些年太阳“磁暴”产生的一种准直流效应的地磁感应电流通过变压器接地系统进入变压器内部，导致变压器产生直流偏磁现象。因此如何在保证变压器中性点有效接地的前提下抑制直流偏磁现象是现在关注的技术热点之一。目前主要的抑制措施中性点直流量的反向补偿法和中性点串接电阻法存在结构复杂、隔离直流不彻底等问题。本发明的隔直系统是通过软件的逻辑控制将隔直电容器组、晶闸管固态交流开关以及控制断路器等相关硬件有机融合为一体，由于属于机械类开关的断路器固有分合闸时间为毫秒级，开关动作较慢，当发生交流故障时，变压器中性点产生过电流会损坏隔直电容器组。 

(三)发明内容：

本发明的目的在于提供一种基于晶闸管开关保护的变压器中性点隔直系统及工作方法，它可以克服现有技术的不足，是一种结构简单、测量迅速、隔直彻底、实时显示、操作方便的变压器中性点隔直系统及其工作方法。 

本发明的技术方案：一种基于晶闸管开关保护的变压器中性点隔直系统，包括带有中性点的变压器，其特征在于它包括控制断路器K、晶闸管固态交流开关信号检测模块、信号调理模块、远程通信模块、数据采集卡和驱动模块；其中，所述控制断路器K连接于变压器中性点和地之间；所述信号检测模块的输入端采集变压器中性点高电压、大电流信号，其输出端连接信号调理模块的输入端；所述信号调理模块的输出端与数据采集卡的输入端连接；所述数据采集卡的输出端与驱动模块的输入端连接；所述驱动模块的输出端连接晶闸管固态交流开关；所述远程通信模块与信号调理模块呈双向连接。 

所述信号检测模块由霍尔传感器构成。 

所述霍尔传感器采用电磁平衡式霍尔传感器。 

所述信号调理模块由电压信号调理电路和电流信号调理电路组成。 

所述电压信号调理电路主要由分压单元、预滤波单元、隔离放大器和再滤波单元组成；所述分压单元由电阻R1和电阻Rp串联组成；所述预滤波单元由电阻R2、电阻R3、电容C1和运算放大器LM358构成，其中电阻R2的一端连接分压单元的分压点，另一端连接运算放大器LM358的正极输入端；所述电容C1的一端连接运算放大器LM358的正极输入端，另一端接地；所述运算放大器LM358的负极输入端经电阻R3与其输出端连接，其输出端连接隔离放大器的输入端；所述隔离放大器由AD215芯片构成，其输入端接收由预滤波单元输出的滤波后的信号，其输出端连接再滤波单元的输入端；所述再滤波单元由电阻R4、电阻Rf、电容C2和运算放大器LM358构成，其中电阻R4的一端连接隔离放大器的输出端，另一端连接运算放大器LM358的正极输入端；所述电容C2的一端连接运算放大器LM358的正极输入端，另一端接地；所述运算放大器LM358的负极输入端经电阻Rf与其输出端连接，其输出端连接数据采集卡的输入端。 

所述电流信号调理电路由电流/电压转换单元、预滤波单元、隔离放大器和再滤波单元组成；所述电流信号调理电路由电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻Rf、电容C1、电容C2、三个运算放大器LM358和隔离放大器AD215芯片组成；所述电阻Rf并联在运算放大器LM358的负极输入端和输出端之间；所述运算放大器LM358的正极输入端经电阻R1接地同时连接隔离放大器，其输出端经电阻R2连接第二级运算放大器LM358的正极输入端；所述第二级运算放大器LM358的正极输入端还经电容C1接地同时连接隔离放大器，其负极输入端经电阻R3与输出端连接，其输出端连接隔离放大器的输入端；所述隔离放大器的输出端经电阻R4与第三级运算放大器LM358的正极输入端连接；所述第三级运算放大器LM358的负极输入端经电阻R5与输出端连接，其正极输入端还经电容C1接地同时连接隔离放大器，其输出端连接数据采集卡的输入端。 

一种基于晶闸管开关保护的变压器中性点隔直系统的工作方法，其特征在于它包括以下步骤： 

①信号检测模块对变压器中性点参量实时监测，由远程监控计算机对数据的显示、存储； 

②通过传感器检测变压器中性点电压、电流信号，分析变压器中性点参量情况，确定隔直系统的工作状态，得出工作状态的个数； 

③通过信号调理模块，对变压器中性点参量信号滤波、放大后，分析隔直系统各个工作状态之间的转换条件，得到控制断路器及晶闸管固态交流开关的动作方法； 

④断路器及晶闸管固态交流开关根据步骤③中所述的方法依次动作。 

所述步骤②中的隔直系统的工作状态可以为两个，即保护工作状态和隔直工作状态；所述保护工作状态是变压器中性点隔直系统的控制断路器K闭合，电容器被旁路，变压器中性点直接接地的状态；所述隔直工作状态是变压器中性点隔直系统的旁路开关K打开，变压器中性点经电容器接地，隔直装置起到隔离直流电流的作用时的状态。 

所述步骤③中所述控制断路器及晶闸管固态交流开关的动作方法为： 

(1)将采集到的电量信号放大、滤波调整后提取出直流电压分量信号； 

(2)判断隔直系统采集调整后的直流电压信号是否达到驱动的触发区间，“是”则跳转入(3)，“否”则跳转入(4)； 

(3)判断隔直系统中电流互感器电流分量是否大于给定值，“是”则跳转(4)，“否”则跳转(7)； 

(4)判断隔直系统中电容器组是否过压或过流，“是”则跳转(12)，“否”则跳转(5) 

(5)交流系统发生故障，变压器中性线过电压或过电流，判断是否有手动合闸命令，“是”则跳转(12)，“否”则跳转(6)； 

(6)判断隔直系统中电容器组直流电压是否小于整定值，“是”则跳转(11)，“否”则跳转(7)； 

(7)判断隔直系统中控制断路器K是否已经分闸，“是”则跳转(14)，“否”则跳转(8)； 

(8)监测显示变压器中性线有直流分量，判断是否有手动分闸命令，“是”则跳转(11)，“否”则跳转(9)； 

(9)判断电流互感器交流分量是否小于给定值，“是”则跳转(10)，“否”则跳转(13)； 

(10)判断数据采集卡直流电压分量是否在给定范围，“是”则跳转(11)，“否”则跳转(14)； 

(11)隔直系统中控制断路器K进行分闸操作； 

(12)隔直系统中控制断路器K进行合闸操作； 

(13)出现报警信号，变压器中性线电流过大不能进行分闸操作； 

(14)保持系统中控制断路器K原始状态不动作。 

本发明的工作原理： 

本发明涉及的基于晶闸管固态交流开关保护的变压器中性点隔直系统的工作原理是：测试系统首先完成对传感器、信号调理模块及数据采集卡的参数配置并启动数据采集程序；传感器将变压器中性点参量信号转化为信号调理模块能够接受的低电压、弱电流信号；信号调理模块对传感器输出的电压或电流信号进行预滤波、隔离/放大、再滤波处理，并转化为数据采集卡所能接受的电压或电流范围；数据采集卡完成对变压器中性点电压、电流信号的采集，完成模拟信号到数字信号的转换；驱动电路接收到信号后实时触发晶闸管固态交流开关，在交流系统发生故障时，处于隔直状态的电容器组迅速被固态交流开关短路，数毫秒后控制断路器也合闸，关断晶闸管固态交流开关，避免了长时间大电流通过管子对其造成的损耗；远程监控计算机通过软件实现对相关数据信息的显示、存储，同时实现各变电站之间的数据资源的共享。 

信号检测模块是通过霍尔传感器把高电压、大电流信号转化为信号调理模块能够接受的低电压、弱电流信号；信号调理模块用于对传感器输出的电压或电流信号进行预滤波、隔离/放大、再滤波处理，并转化为数据采集卡所能接受的电压或电流范围。采用电磁平衡式霍尔传感器，在流过很大电流时，磁场饱和，感应电流不会继续增加，确保传感器的安全。 

电压信号调理电路主要由分压电路、预滤波、隔离放大器和再滤 波组成。分压电路采用电阻R1和Rp串联进行分压，分压之后的信号由运放LM358搭建的二阶低通RC预滤波电路滤掉高频干扰噪声，滤波后的信号送至隔离放大器AD215进行信号的隔离，隔离放大后的信号再经由二阶低通RC滤波电路滤掉噪声和纹波干扰；电流信号调理电路主要由电流/电压转换、预滤波、隔离放大器和再滤波组成，利用运算放大器LM358、R1、Rf搭建一个电流/电压转换电路，通过调整Rf的阻值的大小来调节该回路的增益。预滤波、隔离放大器、再滤波电路和电压信号调理电路相同，调理后的信号最后送至数据采集卡进行采样。 

软件模块通过对逻辑控制编程来控制对断路器和晶闸管开关的切换，逻辑控制如图3、图4所示，隔直装置投入运行后，设计有两种工作状态： 

(1)保护工作状态，即控制断路器K闭合，电容器被旁路，变压器中性点直接接地； 

(2)隔直工作状态，即控制断路器K打开，变压器中性点经电容器接地，隔直装置起到隔离直流电流的作用； 

装置在交直流系统均正常运行时，运行于保护工作方式；控制断路器K闭合，变压器直接接地；当交流系统发生不对称故障时，无论直流系统是否对称运行，装置将维持保护工作状态不变，让故障电流经变压器中性点流向大地；当交流系统正常，直流系统不对称运行，且接地直流电流大于整定的动作值时，装置转入隔直工作状态以保护变压器免受直流电流的伤害，此时控制断路器K打开，变压器中性点经电容器接地；当装置处于隔直工作状态时，如果交流系统发生不对称故障时，装置迅速转入保护工作状态以保护电容器。 

本发明的优越性在于：①硬件设备与逻辑控制相结合，硬件设备安装简单，软件编程通俗易懂；②采用了晶闸管固态交流开关作为电容器组的旁路保护，避免了机械开关导通滞后的缺陷；③通过逻辑控制对晶闸管固态交流开关和控制断路器的切换投入，既保护了电容器组又降低了晶闸管开关的损耗；④通过应用变压器中性点信号检测模块，晶闸管得到更加及时精确的导通信号；⑤利用计算机的数据处理传输能力，更好的监控硬件系统的运行工况，提高隔直系统的可靠性。 

(四)附图说明：

图1为本发明所涉基于晶闸管开关保护的变压器中性点隔直系统的整体结构框图； 

图2-a为本发明所涉基于晶闸管开关保护的变压器中性点隔直系统中电流信号调理模块原理图； 

图2-b为本发明所涉基于晶闸管开关保护的变压器中性点隔直系统中电压信号调理模块原理图； 

图3为本发明所涉基于晶闸管开关保护的变压器中性点隔直系统中控制断路器K分闸逻辑控制图； 

图4为本发明所涉基于晶闸管开关保护的变压器中性点隔直系统中控制断路器K合闸逻辑控制图。 

(五)具体实施方式：

实施例：一种基于晶闸管开关保护的变压器中性点隔直系统(见图1)，包括带有中性点的变压器，其特征在于它包括控制断路器K、晶闸管固态交流开关信号检测模块、信号调理模块、远程通信模块、数据采集卡和驱动模块；其中，所述控制断路器K连接于变压器中性点和地之间；所述信号检测模块的输入端采集变压器中性点高电压、大电流信号，其输出端连接信号调理模块的输入端；所述信号调理模块的输出端与数据采集卡的输入端连接；所述数据采集卡的输出端与驱动模块的输入端连接；所述驱动模块的输出端连接晶闸管固态交流开关；所述远程通信模块与信号调理模块呈双向连接。 

所述信号检测模块(见图1)由霍尔传感器构成。 

所述霍尔传感器(见图1)采用电磁平衡式霍尔传感器。 

所述信号调理模块(见图1)由电压信号调理电路和电流信号调理电路组成。 

所述电压信号调理电路(见图2-a)主要由分压单元、预滤波单元、隔离放大器和再滤波单元组成；所述分压单元由电阻R1和电阻Rp串联组成；所述预滤波单元由电阻R2、电阻R3、电容C1和运算放大器LM358构成，其中电阻R2的一端连接分压单元的分压点，另一端连接运算放大器LM358的正极输入端；所述电容C1的一端连接运算放大器LM358的正极输入端，另一端接地；所述运算放大器LM358的负极输入端经电阻R3与其输出端连接，其输出端连接隔离放大器的输 入端；所述隔离放大器由AD215芯片构成，其输入端接收由预滤波单元输出的滤波后的信号，其输出端连接再滤波单元的输入端；所述再滤波单元由电阻R4、电阻Rf、电容C2和运算放大器LM358构成，其中电阻R4的一端连接隔离放大器的输出端，另一端连接运算放大器LM358的正极输入端；所述电容C2的一端连接运算放大器LM358的正极输入端，另一端接地；所述运算放大器LM358的负极输入端经电阻Rf与其输出端连接，其输出端连接数据采集卡的输入端。 

所述电流信号调理电路(见图2-b)由电流/电压转换单元、预滤波单元、隔离放大器和再滤波单元组成；所述电流信号调理电路由电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻Rf、电容C1、电容C2、三个运算放大器LM358和隔离放大器AD215芯片组成；所述电阻Rf并联在运算放大器LM358的负极输入端和输出端之间；所述运算放大器LM358的正极输入端经电阻R1接地同时连接隔离放大器，其输出端经电阻R2连接第二级运算放大器LM358的正极输入端；所述第二级运算放大器LM358的正极输入端还经电容C1接地同时连接隔离放大器，其负极输入端经电阻R3与输出端连接，其输出端连接隔离放大器的输入端；所述隔离放大器的输出端经电阻R4与第三级运算放大器LM358的正极输入端连接；所述第三级运算放大器LM358的负极输入端经电阻R5与输出端连接，其正极输入端还经电容C1接地同时连接隔离放大器，其输出端连接数据采集卡的输入端。 

一种基于晶闸管开关保护的变压器中性点隔直系统的工作方法，其特征在于它包括以下步骤： 

①信号检测模块对变压器中性点参量实时监测，由远程监控计算机对数据的显示、存储； 

②通过传感器检测变压器中性点电压、电流信号，分析变压器中性点参量情况，确定隔直系统的工作状态，得出工作状态的个数； 

③通过信号调理模块，对变压器中性点参量信号滤波、放大后，分析隔直系统各个工作状态之间的转换条件，得到控制断路器及晶闸管固态交流开关的动作方法； 

④断路器及晶闸管固态交流开关根据步骤③中所述的方法依次动作。 

所述步骤②中的隔直系统的工作状态可以为两个，即保护工作状态和隔直工作状态；所述保护工作状态是变压器中性点隔直系统的控制断路器K闭合，电容器被旁路，变压器中性点直接接地的状态；所述隔直工作状态是变压器中性点隔直系统的旁路开关K打开，变压器中性点经电容器接地，隔直装置起到隔离直流电流的作用时的状态。 

所述步骤③中所述控制断路器及晶闸管固态交流开关的动作方法为(见图3、图4)： 

(1)将采集到的电量信号放大、滤波调整后提取出直流电压分量信号； 

(2)判断隔直系统采集调整后的直流电压信号是否达到驱动的触发区间，“是”则跳转入(3)，“否”则跳转入(4)； 

(3)判断隔直系统中电流互感器电流分量是否大于给定值，“是”则跳转(4)，“否”则跳转(7)； 

(4)判断隔直系统中电容器组是否过压或过流，“是”则跳转(12)，“否”则跳转(5) 

(5)交流系统发生故障，变压器中性线过电压或过电流，判断是否有手动合闸命令，“是”则跳转(12)，“否”则跳转(6)； 

(6)判断隔直系统中电容器组直流电压是否小于整定值，“是”则跳转(11)，“否”则跳转(7)； 

(7)判断隔直系统中控制断路器K是否已经分闸，“是”则跳转(14)，“否”则跳转(8)； 

(8)监测显示变压器中性线有直流分量，判断是否有手动分闸命令，“是”则跳转(11)，“否”则跳转(9)； 

(9)判断电流互感器交流分量是否小于给定值，“是”则跳转(10)，“否”则跳转(13)； 

(10)判断数据采集卡直流电压分量是否在给定范围，“是”则跳转(11)，“否”则跳转(14)； 

(11)隔直系统中控制断路器K进行分闸操作； 

(12)隔直系统中控制断路器K进行合闸操作； 

(13)出现报警信号，变压器中性线电流过大不能进行分闸操作； 

(14)保持系统中控制断路器K原始状态不动作。 

Claims (9)

1.一种基于晶闸管开关保护的变压器中性点隔直系统，包括带有中性点的变压器，其特征在于它包括控制断路器K、晶闸管固态交流开关信号检测模块、信号调理模块、远程通信模块、数据采集卡和驱动模块；其中，所述控制断路器K连接于变压器中性点和地之间；所述信号检测模块的输入端采集变压器中性点高电压、大电流信号，其输出端连接信号调理模块的输入端；所述信号调理模块的输出端与数据采集卡的输入端连接；所述数据采集卡的输出端与驱动模块的输入端连接；所述驱动模块的输出端连接晶闸管固态交流开关；所述远程通信模块与信号调理模块呈双向连接。

2.根据权利要求1中所述一种基于晶闸管开关保护的变压器中性点隔直系统，其特征在于所述信号检测模块由霍尔传感器构成。

3.根据权利要求2中所述一种基于晶闸管开关保护的变压器中性点隔直系统，其特征在于所述霍尔传感器采用电磁平衡式霍尔传感器。

4.根据权利要求1中所述一种基于晶闸管开关保护的变压器中性点隔直系统，其特征在于所述信号调理模块由电压信号调理电路和电流信号调理电路组成。

5.根据权利要求4中所述一种基于晶闸管开关保护的变压器中性点隔直系统，其特征在于所述电压信号调理电路主要由分压单元、预滤波单元、隔离放大器和再滤波单元组成；所述分压单元由电阻R1和电阻Rp串联组成；所述预滤波单元由电阻R2、电阻R3、电容C1和运算放大器LM358构成，其中电阻R2的一端连接分压单元的分压点，另一端连接运算放大器LM358的正极输入端；所述电容C1的一端连接运算放大器LM358的正极输入端，另一端接地；所述运算放大器LM358的负极输入端经电阻R3与其输出端连接，其输出端连接隔离放大器的输入端；所述隔离放大器由AD215芯片构成，其输入端接收由预滤波单元输出的滤波后的信号，其输出端连接再滤波单元的输入端；所述再滤波单元由电阻R4、电阻Rf、电容C2和运算放大器LM358构成，其中电阻R4的一端连接隔离放大器的输出端，另一端连接运算放大器LM358的正极输入端；所述电容C2的一端连接运算放大器LM358的正极输入端，另一端接地；所述运算放大器LM358的负极输入端经电阻Rf与其输出端连接，其输出端连接数据采集卡的输入端。

6.根据权利要求4中所述一种基于晶闸管开关保护的变压器中性点隔直系统，其特征在于所述电流信号调理电路由电流/电压转换单元、预滤波单元、隔离放大器和再滤波单元组成；所述电流信号调理电路由电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻Rf、电容C1、电容C2、三个运算放大器LM358和隔离放大器AD215芯片组成；所述电阻Rf并联在运算放大器LM358的负极输入端和输出端之间；所述运算放大器LM358的正极输入端经电阻R1接地同时连接隔离放大器，其输出端经电阻R2连接第二级运算放大器LM358的正极输入端；所述第二级运算放大器LM358的正极输入端还经电容C1接地同时连接隔离放大器，其负极输入端经电阻R3与输出端连接，其输出端连接隔离放大器的输入端；所述隔离放大器的输出端经电阻R4与第三级运算放大器LM358的正极输入端连接；所述第三级运算放大器LM358的负极输入端经电阻R5与输出端连接，其正极输入端还经电容C1接地同时连接隔离放大器，其输出端连接数据采集卡的输入端。

7.一种基于晶闸管开关保护的变压器中性点隔直系统的工作方法，其特征在于它包括以下步骤：

①信号检测模块对变压器中性点参量实时监测，由远程监控计算机对数据的显示、存储；

②通过传感器检测变压器中性点电压、电流信号，分析变压器中性点参量情况，确定隔直系统的工作状态，得出工作状态的个数；

③通过信号调理模块，对变压器中性点参量信号滤波、放大后，分析隔直系统各个工作状态之间的转换条件，得到控制断路器及晶闸管固态交流开关的动作方法；

④断路器及晶闸管固态交流开关根据步骤③中所述的方法依次动作。

8.根据权利要求7中所述一种基于晶闸管开关保护的变压器中性点隔直系统的工作方法，其特征在于所述步骤②中的隔直系统的工作状态可以为两个，即保护工作状态和隔直工作状态；所述保护工作状态是变压器中性点隔直系统的控制断路器K闭合，电容器被旁路，变压器中性点直接接地的状态；所述隔直工作状态是变压器中性点隔直系统的旁路开关K打开，变压器中性点经电容器接地，隔直装置起到隔离直流电流的作用时的状态。

9.根据权利要求7中所述一种基于晶闸管开关保护的变压器中性点隔直系统的工作方法，其特征在于所述步骤③中所述控制断路器及晶闸管固态交流开关的动作方法为：

(1)将采集到的电量信号放大、滤波调整后提取出直流电压分量信号；

(2)判断隔直系统采集调整后的直流电压信号是否达到驱动的触发区间，“是”则跳转入(3)，“否”则跳转入(4)；

(3)判断隔直系统中电流互感器电流分量是否大于给定值，“是”则跳转(4)，“否”则跳转(7)；

(4)判断隔直系统中电容器组是否过压或过流，“是”则跳转(12)，“否”则跳转(5)

(5)交流系统发生故障，变压器中性线过电压或过电流，判断是否有手动合闸命令，“是”则跳转(12)，“否”则跳转(6)；

(6)判断隔直系统中电容器组直流电压是否小于整定值，“是”则跳转(11)，“否”则跳转(7)；

(7)判断隔直系统中控制断路器K是否已经分闸，“是”则跳转(14)，“否”则跳转(8)；

(8)监测显示变压器中性线有直流分量，判断是否有手动分闸命令，“是”则跳转(11)，“否”则跳转(9)；

(9)判断电流互感器交流分量是否小于给定值，“是”则跳转(10)，“否”则跳转(13)；

(10)判断数据采集卡直流电压分量是否在给定范围，“是”则跳转(11)，“否”则跳转(14)；

(11)隔直系统中控制断路器K进行分闸操作；

(12)隔直系统中控制断路器K进行合闸操作；

(13)出现报警信号，变压器中性线电流过大不能进行分闸操作；

(14)保持系统中控制断路器K原始状态不动作。

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