CN102998620B - 高压晶闸管阀组快速在线故障检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

高压晶闸管阀组快速在线故障检测装置及方法，属于晶闸管在线检测领域，本发明为解决目前检测高压晶闸管阀组的检测电路结构复杂，且成本高的问题。本发明包括高频交变电流源、能量耦合单元、整流滤波电路、稳压电路、处理器、调理电路、检测电路和光纤，高频交变电流源的输出端与能量耦合单元的输入端相连，能量耦合单元的输出端与整流滤波电路的交流输入端相连，整流滤波电路的直流输出端与稳压电路的输入端相连，稳压电路的输出端同时与处理器、调理电路和检测电路的直流供电端相连，调理电路接收高压晶闸管阀组中待检测的晶闸管端电压信号，调理电路的输出端与检测电路的输入端相连，检测电路的输出端通过光纤与处理器的信号输入端相连。

Description

高压晶闸管阀组快速在线故障检测装置及方法

技术领域

本发明涉及高压晶闸管阀组快速在线故障检测装置及方法，属于晶闸管在线检测领域。

背景技术

在高电压大电流的电力电子领域，往往需要将多个耐压等级较低的功率半导体器件串联使用以使半导体开关达到更高的耐压等级，串联多只低压功率半导体开关的成本要比使用单只高耐压等级的开关器件低。在串联阀组工作中，组内器件的安全运行直接影响阀组工作的可靠性。以晶闸管为例，由于受晶闸管耐压等级的限制，在中高压领域里，必须将多个晶闸管串联使用。由于单只晶闸管损坏后常体现为短路特性，因而间接增加了组内其余未损坏器件的受压。当组内晶闸管损坏个数超过设计裕量时，如果阀组没有及时从主回路中切除，易造成整个阀组的耐压等级不足，全部击穿。因而在晶闸管串联阀组工作过程中，确保其运行可靠性的关键技术为实时检测阀组的工作状态，当阀组耐压等级不足时，及时切除阀组。而目前检测高压晶闸管阀组的检测电路结构复杂，不易操作，反应速度慢，且成本高。

发明内容

本发明目的是为了解决目前检测高压晶闸管阀组的检测电路结构复杂，不易操作，反应速度慢，且成本高的问题，提供了一种高压晶闸管阀组快速在线故障检测装置及方法。

本发明所述高压晶闸管阀组快速在线故障检测装置，它包括高频交变电流源、能量耦合单元、整流滤波电路、稳压电路、处理器、调理电路、检测电路和光纤，

高频交变电流源的输出端与能量耦合单元的输入端相连，能量耦合单元的输出端与整流滤波电路的交流输入端相连，整流滤波电路的直流输出端与稳压电路的输入端相连，稳压电路的输出端同时与处理器、调理电路和检测电路的直流供电端相连，

调理电路接收高压晶闸管阀组中待检测的晶闸管端电压信号，调理电路的输出端与检测电路的输入端相连，检测电路的输出端通过光纤与处理器的信号输入端相连。

能量耦合单元采用磁环变压器来实现。

调理电路包括放大器、电阻R₁、电阻R₂、电阻R₃、电阻R₄、电阻R₇、电阻R_S和电容C_S，

电阻R_S和电容C_S串联后并联在高压晶闸管阀组中待检测的晶闸管的两端；

电阻R₁和电阻R₂串联后并联在电阻R_S和电容C_S的串联支路两端；

电阻R₁和电阻R₂的连接点与电阻R₃的一端相连，电阻R₃的另一端与放大器的反相输入端相连；

电阻R₁和电阻R₂串联支路的电阻R₂侧与电阻R₇的一端相连，电阻R₇的另一端与放大器的同相输入端相连，

电阻R₄跨接在放大器的反相输入端和输出端之间。

检测电路包括单限比较器、滞回比较器、电阻R₅、电阻R₆、电阻R₈、电阻R₉、电阻R₁₀、电阻R₂₀、双向稳压二极管D1和稳压二极管D2，

放大器的输出端与单限比较器的反相输入端相连，单限比较器的同相输入端接参考电压V_ref1，单限比较器的输出端与电阻R₁₀的一端相连，电阻R₁₀的另一端接第一监测电压u_o1；

放大器的输出端还与电阻R₈的一端相连，电阻R₈的另一端与滞回比较器的反相输入端相连，

电阻R₅的一端接参考电压V_ref2，电阻R₅的另一端与滞回比较器的同相输入端相连，滞回比较器的输出端与电阻R₉的一端相连，电阻R₉的另一端接第二监测电压u_o2；

电阻R₅的另一端还与电阻R₆的一端相连，电阻R₆的另一端与电阻R₉的另一端相连；

电阻R₆的另一端同时还与双向稳压二极管D1的一端相连，双向稳压二极管D1的另一端接地；

电阻R₂₀的一端接第二监测电压u_o2，电阻R₂₀的另一端与稳压二极管D2的负极相连，稳压二极管D2的正极接地。

基于所述高压晶闸管阀组快速在线故障检测装置的检测方法为：

调理电路并联在高压晶闸管阀组中某个晶闸管KT的两端，并把当前被检测晶闸管KT调理后的端电压信号发送给检测电路，检测电路将第一监测电压u_o1和第二监测电压u_o2通过光纤输出给处理器，处理器对第一监测电压u_o1和第二监测电压u_o2分别进行监测分析，来决定是否切除高压晶闸管阀组：

一、处理器对第一监测电压u_o1的监测分析：

当u_o1＝0，表明高压晶闸管阀组中当前被检测的晶闸管KT的工作状态正常，不切除高压晶闸管阀组；

当u_o1＝1，表明高压晶闸管阀组中当前被检测的晶闸管KT损坏，处理器发出命令，切除高压晶闸管阀组；

二、处理器对第二监测电压u_o2的监测分析：

当u_o2为方波信号时，表明高压晶闸管阀组中损坏的晶闸管数量大于或等于2；处理器发出命令，切除高压晶闸管阀组；

当u_o2为恒压信号时，表明高压晶闸管阀组中损坏的晶闸管数量为0或1个，不切除高压晶闸管阀组。

本发明的优点：

1、只需检测阀组中一只晶闸管的端电压即可检测阀组的安全工作情况，电路简单，反应速度快。

2、检测电路采用隔离供电，实现检测电路与主电路间有效的电气隔离，确保检测电路自身的安全运行。

3、检测保护电路简单易行，工作可靠。

附图说明

图1是本发明所述高压晶闸管阀组快速在线故障检测装置的结构示意图；

图2是检测高压晶闸管阀组的原理图；

图3是高压晶闸管阀组正常工作时滞回比较器的输入输出示意图；

图4是高压晶闸管阀组中有1个晶闸管损坏时滞回比较器的输入输出示意图；

图5是高压晶闸管阀组中有2个晶闸管损坏时滞回比较器的输入输出示意图；

图6是检测装置供电部分的电路图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1和图6说明本实施方式，本实施方式所述高压晶闸管阀组快速在线故障检测装置，它包括高频交变电流源1、能量耦合单元2、整流滤波电路3、稳压电路4、处理器5、调理电路6、检测电路7和光纤8，

高频交变电流源1的输出端与能量耦合单元2的输入端相连，能量耦合单元2的输出端与整流滤波电路3的交流输入端相连，整流滤波电路3的直流输出端与稳压电路4的输入端相连，稳压电路4的输出端同时与处理器5、调理电路6和检测电路7的直流供电端相连，

调理电路6接收高压晶闸管阀组中待检测的晶闸管端电压信号，调理电路6的输出端与检测电路7的输入端相连，检测电路7的输出端通过光纤8与处理器5的信号输入端相连。

能量耦合单元2采用磁环变压器来实现。参见图6所示，供电电路原理为：高频交变电流源1通过磁环变压器实现能量耦合，高频交变电流源1连接磁环变压器的原边绕组2-1，是磁环变压器的低压侧，能量从低压侧传递至高压侧，通过高压电缆2-2上的磁环耦合得到高频交变方波电压，并对交变方波电压从副边绕组2-3输出给整流滤波电路3，由整流滤波电路3进行整流滤波，由稳压电路4进行稳压，得到幅值恒定的±12V直流电压，为调理电路6、检测电路7和处理器5中的有源器件供电。利用高压电缆2-2和磁环变压器的配合的能量耦合单元2实现高压侧主电路与低压侧检测电路7间的电气隔离。

在高压电缆上串联磁环，磁环的原边绕组连接高频交变电流源，由磁环变压器的作用两个副边输出为同频率的交流电压，电压幅值由磁环副边的匝数确定。将两个副边绕组串联，中点接地，后接整流滤波电路。其中滤波电容采用两个电容串联的方式，电容的中点接地，通过调整副边匝数，使副边整流输出为存在较小脉动的±12V直流电压。整流滤波电路3之后连接了两路自动稳压电路4，以其中一路为例进行说明。

图6所示电路中T₁为NPN型晶体管，T_Z1为发光二极管，运放采用OP07，其余为普通的电阻。整流电路工作后，发光二极管T_Z1导通，使运放的反相输入端电压稳定为发光二极管的导通电压。由R₁₃，R₁₄对整流输出的脉动较小的直流电压进行分压，其中R₁₄的分压接至运放的同相输入端。通过调整R₁₃，R₁₄的分压比例，可以对稳压精度进行控制。同时由整流滤波电路3的输出为运放供电。稳压电路4工作情况如下：当整流滤波电路3工作后，输出的较小脉动的±12V直流电压将为运放供电，同时该电压被R₁₃，R₁₄分压，R₁₄的分压通过与发光二极管T_Z1的分压进行比较，用以控制晶体管T₁的导通和关断。当直流电压大于允许的脉动上限时，R₁₄的分压上升，运放的同相输入端电压大于反向输入端，运放输出为高电平，T₁导通，电容C₁上的电荷通过T₁放电，输出直流电压降低。当直流电压小于允许的脉动下限时，R₁₄的分压下降，运放的同相输入端电压小于反向输入端，运放输出为低电平T₁截止，电容C₁继续充电，输出直流电压升高。由此实现了对输出电压自动的精细稳压作用。经过稳压电路4，输出为稳定的+12V和-12V直流电压，同时，由于采用整流滤波的输出电压对运放进行供电省去了辅助的供电电路，使电路更加简单。

具体实施方式二：本实施方式对实施方式一作进一步说明，调理电路6包括放大器6-1、电阻R₁、电阻R₂、电阻R₃、电阻R₄、电阻R₇、电阻R_S和电容C_S，

电阻R_S和电容C_S串联后并联在高压晶闸管阀组中待检测的晶闸管的两端；

电阻R₁和电阻R₂串联后并联在电阻R_S和电容C_S的串联支路两端；

电阻R₁和电阻R₂的连接点与电阻R₃的一端相连，电阻R₃的另一端与放大器6-1的反相输入端相连；

电阻R₁和电阻R₂串联支路的电阻R₂侧与电阻R₇的一端相连，电阻R₇的另一端与放大器6-1的同相输入端相连，

电阻R₄跨接在放大器6-1的反相输入端和输出端之间。

具体实施方式三：本实施方式对实施方式一或二作进一步说明，检测电路7包括单限比较器7-1、滞回比较器7-2、电阻R₅、电阻R₆、电阻R₈、电阻R₉、电阻R₁₀、电阻R₂₀、双向稳压二极管D1和稳压二极管D2，

放大器6-1的输出端与单限比较器7-1的反相输入端相连，单限比较器7-1的同相输入端接参考电压V_ref1，单限比较器7-1的输出端与电阻R₁₀的一端相连，电阻R₁₀的另一端接第一监测电压u_o1；

放大器6-1的输出端还与电阻R₈的一端相连，电阻R₈的另一端与滞回比较器7-2的反相输入端相连，

电阻R₅的一端接参考电压V_ref2，电阻R₅的另一端与滞回比较器7-2的同相输入端相连，滞回比较器7-2的输出端与电阻R₉的一端相连，电阻R₉的另一端接第二监测电压u_o2；

电阻R₅的另一端还与电阻R₆的一端相连，电阻R₆的另一端与电阻R₉的另一端相连；

电阻R₆的另一端同时还与双向稳压二极管D1的一端相连，双向稳压二极管D1的另一端接地；

电阻R₂₀的一端接第二监测电压u_o2，电阻R₂₀的另一端与稳压二极管D2的负极相连，稳压二极管D2的正极接地。

具体实施方式四：基于实施方式三所述高压晶闸管阀组快速在线故障检测装置的检测方法，该方法为：

调理电路6并联在高压晶闸管阀组中某个晶闸管KT的两端，并把当前被检测晶闸管KT调理后的端电压信号发送给检测电路7，检测电路7将第一监测电压u_o1和第二监测电压u_o2通过光纤8输出给处理器5，处理器5对第一监测电压u_o1和第二监测电压u_o2分别进行监测分析，来决定是否切除高压晶闸管阀组：

一、处理器5对第一监测电压u_o1的监测分析：

当u_o1＝0，表明高压晶闸管阀组中当前被检测的晶闸管KT的工作状态正常，不切除高压晶闸管阀组；

当u_o1＝1，表明高压晶闸管阀组中当前被检测的晶闸管KT损坏，处理器5发出命令，切除高压晶闸管阀组；

二、处理器5对第二监测电压u_o2的监测分析：

当u_o2为方波信号时，表明高压晶闸管阀组中损坏的晶闸管数量大于或等于2；处理器5发出命令，切除高压晶闸管阀组；

当u_o2为恒压信号时，表明高压晶闸管阀组中损坏的晶闸管数量为0或1个，不切除高压晶闸管阀组。

用该方法检测阀组内每只晶闸管的端电压，当当前被检测晶闸管的端电压为零时认定其损坏。当损坏个数超过设定值时(本实施方式设定为2)切除整个阀组。

根据晶闸管串联均匀技术，正常工作时高压晶闸管阀组内每只晶闸管的端电压为U/N(其中U为阀组耐压，N为串联晶闸管个数。)，考虑到晶闸管损坏时呈现短路特性，导致组内其余晶闸管的端电压上升，大于U/N，可通过检测组内一只晶闸管的端电压来判断是否有晶闸管损坏及损坏晶闸管的个数，当损坏的个数超出设计裕量时及时将阀组切除。

具体实施方式五：下面结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式中给出一个具体实施例，来具体分析。

以U＝10kV阀组，串联晶闸管个数为N＝12为例。检测电路检测串联阀组中一只晶闸管的端电压。正常情况下阀组内每个晶闸管的分压为10kV/12≈833.33V，当组内有一只晶闸管损坏时，平均每只晶闸管的分压为：10kV/11≈909.091V，当组内有多于一只晶闸管损坏时，平均每只晶闸管的分压将大于：10kV/10＝1000V。若被检测晶闸管的端电压大于1000V，则说明阀组内有2只或两只以上的晶闸管损坏，则认定该阀组的工作已经不可靠，应当予以切除。另一种情况，若被检测晶闸管的端电压为接近零则说明该晶闸管已经损坏，由于检测晶闸管损坏，无法继续监控该阀组的运行情况，应当切除该组阀组。

检测晶闸管的端电压经调理后与设定的电压值进行比较，比较器的输出信号通过光纤8传递至处理器5，处理器5判断高压晶闸管阀组的工作是否安全可靠。若检测结果不安全则处理器5将给出阀组切除指令，从而将高压晶闸管阀组从主电路中切除。

参见图2进行具体分析判断过程：

首先由电阻R₁和R₂对当前被检测晶闸管KT两端的电压进行分压。取值R₁＝497Ω，R₂＝3Ω，R₃＝R₄，则放大器6-1的放大比为1，则放大器6-1的输出电压：其中n为实际正常工作的晶闸管个数。输出电压u_m经两路比较电路。

其中一路为单限比较器7-1，取值参考电压V_ref1＝1V，输出电压为u_o1。此路用于指示当前被检测晶闸管KT是否正常工作。当当前被检测晶闸管KT正常工作时，若全部晶闸管工作正常，则电压若存在晶闸管损坏，则检测到的电压u_m＞5V。若当前被检测晶闸管损坏则呈现短路特性，u_m＝0V。所以若当前被检测晶闸管损坏则经过比较器后输出电压u_o1将输出高电平，应切除该组高压晶闸管阀组。所以该路的输出电压u_o1反映了检测晶闸管的工作情况。

另一路为滞回比较器7-2，取值参考电压V_ref2＝8.55V滞回比较器7-2输出的电压u_o2反映高压晶闸管阀组中损坏的晶闸管个数。该滞回比较器7-2的上限阈值电压为其中U_Z为双向稳压二极管D1稳压值，且取值U_Z＝5V，下限阈值电压为 $U_{\mathrm{TH}2}=\frac{R_5}{R_5+R_6}{V}_{\mathrm{ref}2}-\frac{R_6}{R_5+R_6}{U}_Z,$ 回差电压： $\mathrm{\ΔU}=\frac{2R_5}{R_5+R_6}{U}_Z.$ 当有一个晶闸管损坏时，u_m的峰值为：当有两个晶闸管损坏时，u_m的峰值为：考虑晶闸管端电压可能存在的谐波，设定滞回比较器7-2上限阈值电压为8.2V，设计回差电压为ΔU＝1V。则当损坏的晶闸管达到或超过两个时，u_m信号经过滞回比较器7-2的输出u_o2将为方波信号，而当损坏晶闸管的个数少于两个时，u_m信号的幅值没有达到上限阈值电压，故输出信号为恒压信号。

以10kV阀组为例，图3是高压晶闸管阀组正常工作时滞回比较器的输入输出示意图，此时无晶闸管损坏下，滞回比较器7-2的输入u_m与输出u_o2之间的关系的示意图。

图4是高压晶闸管阀组中有1个晶闸管损坏时滞回比较器的输入输出示意图；此时有1个晶闸管损坏下，滞回比较器7-2的输入u_m与输出u_o2之间的关系的示意图。由于在上述两种情况下u_m都没有达到滞回比较器7-2的上限阈值电平，输出u_o2为恒定直流电压。

图5是高压晶闸管阀组中有2个晶闸管损坏时滞回比较器的输入输出示意图，高压晶闸管阀组内有2个晶闸管损坏的情况，达到损坏晶闸管个数的上限。此时输出u_o2为方波信号。

Claims (3)

1.高压晶闸管阀组快速在线故障检测装置，其特征在于，它包括高频交变电流源(1)、能量耦合单元(2)、整流滤波电路(3)、稳压电路(4)、处理器(5)、调理电路(6)、检测电路(7)和光纤(8)，

高频交变电流源(1)的输出端与能量耦合单元(2)的输入端相连，能量耦合单元(2)的输出端与整流滤波电路(3)的交流输入端相连，整流滤波电路(3)的直流输出端与稳压电路(4)的输入端相连，稳压电路(4)的输出端同时与处理器(5)、调理电路(6)和检测电路(7)的直流供电端相连，

调理电路(6)接收高压晶闸管阀组中待检测的晶闸管端电压信号，调理电路(6)的输出端与检测电路(7)的输入端相连，检测电路(7)的输出端通过光纤(8)与处理器(5)的信号输入端相连；

调理电路(6)包括放大器(6-1)、电阻R₁、电阻R₂、电阻R₃、电阻R₄、电阻R₇、电阻R_S和电容C_S，

电阻R_S和电容C_S串联后并联在高压晶闸管阀组中待检测的晶闸管的两端；

电阻R₁和电阻R₂串联后并联在电阻R_S和电容C_S的串联支路两端；

电阻R₁和电阻R₂的连接点与电阻R₃的一端相连，电阻R₃的另一端与放大器(6-1)的反相输入端相连；

电阻R₁和电阻R₂串联支路的电阻R₂侧与电阻R₇的一端相连，电阻R₇的另一端与放大器(6-1)的同相输入端相连，

电阻R₄跨接在放大器(6-1)的反相输入端和输出端之间；

检测电路(7)包括单限比较器(7-1)、滞回比较器(7-2)、电阻R₅、电阻R₆、电阻R₈、电阻R₉、电阻R₁₀、电阻R₂₀、双向稳压二极管D1和稳压二极管D2，

放大器(6-1)的输出端与单限比较器(7-1)的反相输入端相连，单限比较器(7-1)的同相输入端接参考电压V_ref1，单限比较器(7-1)的输出端与电阻R₁₀的一端相连，电阻R₁₀的另一端接第一监测电压u_o1；

放大器(6-1)的输出端还与电阻R₈的一端相连，电阻R₈的另一端与滞回比较器(7-2)的反相输入端相连，

电阻R₅的一端接参考电压V_ref2，电阻R₅的另一端与滞回比较器(7-2)的同相输入端相连，滞回比较器(7-2)的输出端与电阻R₉的一端相连，电阻R₉的另一端接第二监测电压u_o2；

电阻R₅的另一端还与电阻R₆的一端相连，电阻R₆的另一端与电阻R₉的另一端相连；

电阻R₆的另一端同时还与双向稳压二极管D1的一端相连，双向稳压二极管D1的另一端接地；

电阻R₂₀的一端接第二监测电压u_o2，电阻R₂₀的另一端与稳压二极管D2的负极相连，稳压二极管D2的正极接地。

2.根据权利要求1所述高压晶闸管阀组快速在线故障检测装置，其特征在于，能量耦合单元(2)采用磁环变压器来实现。

3.基于权利要求1所述高压晶闸管阀组快速在线故障检测装置的检测方法，其特征在于，该方法为：

调理电路(6)并联在高压晶闸管阀组中某个晶闸管KT的两端，并把当前被检测晶闸管KT调理后的端电压信号发送给检测电路(7)，检测电路(7)将第一监测电压u_o1和第二监测电压u_o2通过光纤(8)输出给处理器(5)，处理器(5)对第一监测电压u_o1和第二监测电压u_o2分别进行监测分析，来决定是否切除高压晶闸管阀组：

一、处理器(5)对第一监测电压u_o1的监测分析：

当u_o1＝0，表明高压晶闸管阀组中当前被检测的晶闸管KT的工作状态正常，不切除高压晶闸管阀组；

当u_o1＝1，表明高压晶闸管阀组中当前被检测的晶闸管KT损坏，处理器(5)发出命令，切除高压晶闸管阀组；

二、处理器(5)对第二监测电压u_o2的监测分析：

当u_o2为方波信号时，表明高压晶闸管阀组中损坏的晶闸管数量大于或等于2；处理器(5)发出命令，切除高压晶闸管阀组；

当u_o2为恒压信号时，表明高压晶闸管阀组中损坏的晶闸管数量为0或1个，不切除高压晶闸管阀组。