CN104682403A - 一种并联电抗器智能投切装置 - Google Patents

Abstract

一种并联电抗器智能投切装置，由IGBT组、电流互感器、控制器、光电转换系统、深度滤波器和触发板组成，光电转换系统包括光电转换器和传输光纤，其主要功能是实现控制器和IGBT组触发板之间的电信号进行光电信号的转换，并将光信号通过光纤传输；触发板与每个IGBT的控制极相连，用以输出触发IGBT组所需的触发信号，电流互感器检测A相、B相和C相的相电流，输出相应的电压信号，三相电压信号经过深度滤波器后与控制器相连，电流互感器的另一端连接相应的电抗器，控制器通过光电转换系统与触发板相连，通过执行上位机发出的指令，发送触发信号给IGBT组的触发板，使得与其并联的接触器得以实现电流过零切断的效果。

Description

一种并联电抗器智能投切装置

技术领域

本发明涉及到涉及一种并联电抗器智能投切装置，特别适用于35kV等并联电抗器的智能投切。

背景技术

35kV并联电抗器在电力系统中主要用于无功补偿，当系统无功发生变化时需要及时对这些电抗器进行投切。近年来，在投切并联电抗器时发生了多起由于操作过电压引起的事故，这些事故轻则引起过电压保护装置动作(如避雷器等)，严重的将造成设备烧毁，甚至爆炸。空母线投切并联电抗器时的线路侧操作过电压甚至会引起所变损毁，主变出口短路等故障。35kV并联电抗器投切过电压的问题严重威胁着电力系统的安全运行和电站运维人员的人身安全。

对并联电抗器投切过电压产生机理，已经有很多非常成熟的研究成果。目前认为并联电抗器投切过电压的产生主要有以下几个原因：(1)截流过电压。当断路器在开断电感性小电流时，由于电弧不稳定，在电流过零前会出现电流截断现象。并联电抗器投切等效回路以电容、电感为主，这种回路电压电流不能突变，截流必然引起强烈的电磁振荡，造成过电压。(2)复燃过电压。断路器开断过程中如果断口间恢复电压上升率大于绝缘恢复速度，恢复电压会将断口击穿产生复燃过电压。复燃发生后，断路器断口间出现高频电流，高频电流过零时，断口再次熄弧，熄弧后由于断口开距不够，仍将出现复燃。由于电压级升效应，断口重复“开断-复燃”这一过程，直到断口间的绝缘距离足够大时，电弧熄灭。经统计，单次开断中复燃次数最高达128次，三相复燃过程持续时间最长达5ms，后复燃相瞬态恢复电压上升率可高达13kV/μs，无保护情况下相间过电压可超过8.0pu，相对地过电压均可超过4.0pu，严重威胁设备安全。

目前常用的并联电抗器操作过电压抑制措施主要是在线路中安装氧化锌避雷器和RC阻容吸收装置，这些装置实施复杂、成本高，且不足以有效治理并联电抗器投切过电压。

发明内容

本发明的目的是：克服现有技术的不足，提供一种并联电抗器智能投切装置，通过引入深度滤波器进行高压并联电容器的智能投切，以实现35kV等高压设备的无功补偿设备的智能投切。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种并联电抗器智能投切装置，由IGBT组、电流互感器、控制器、光电转换系统、深度滤波器和触发板组成，其中IGBT组包括A相IGBT、B相IGBT和C相IGBT，光电转换系统包括光电转换器和传输光纤，其主要功能是实现控制器和IGBT组触发板之间的电信号进行光电信号的转换，并将光信号通过光纤传输；触发板与每个IGBT的控制极相连，用以输出触发IGBT组所需的触发信号，电流互感器检测A相、B相和C相的相电流，输出表征A相、B相和C相相电流的电压信号，三相电压信号经过深度滤波器后与控制器相连，其中深度滤波器包括低通滤波电路、电压比较电路和光耦隔离电路；电流互感器的另一端连接相应的电抗器，控制器通过光电转换系统与触发板相连，通过执行上位机发出的指令，发送触发信号给IGBT组的触发板，使得与其并联的接触器得以实现电流智能投切的效果；所述并联电抗器投切装置在投切时，首先通过控制器对于IGBT组的触发极施加正向电压，使得IGBT组导通，并联电抗器正常运行，当控制器接收到上位机发出的分闸指令后，控制器检测深度滤波器传输过来的电压过零信号，即系统中的电流过零信号，当系统某一相电流过零时，便停止对相应的IGBT的触发极施加正向电压，则IGBT断开，实现了并联电抗器的切断。

所述深度滤波器中B相和A相之间电压的低通滤波电路的幅频特性、相频特性和截止频率为：

$\left\{\begin{array}{c}\left|H\left(\mathrm{\ω}\right)\right|=\frac{{u_{\mathrm{BA}}}^{,}}{u_{\mathrm{BA}}}\frac{1}{\sqrt{{(R_1/R_2+1)}^2+{\left(R_1\mathrm{C\ω}\right)}^2}}\\ \mathrm{\ψ}\left(\mathrm{\ω}\right)=-\arctan \left(\frac{R_1\mathrm{C\ω}}{R_1/R_2+1}\right)\\ f_{\mathrm{Ao}}=\frac{R_1+R_2}{2\mathrm{\π}{R}_1{R}_{2}C}\end{array}\right.$

其中，R₁和R₂代表分压电阻；C代表滤波电容；u_BA’代表滤波后的电压信号，|H(ω)|、ψ(ω)和f_c分别代表滤波器的幅频特性，相频特性和截止频率，ω为频域特性中的频率坐标。

电压信号u_BA’经过电压比较器，要满足以下输入电压条件：

其中，V_C代表电压比较器的电源电压；u_BAp-p代表电压u_BA的峰峰值；u_d(0)代表初始相电压；f_L和f_H分别代表所设定的下限频率和上限频率；λ＝1.5～2代表安全系数，最优值为1.78。

所述深度滤波器中A相和C相之间电压的低通滤波电路的幅频特性、相频特性和截止频率为：

$\left\{\begin{array}{c}\left|H\left(\mathrm{\ω}\right)\right|=\frac{{u_{\mathrm{CA}}}^{,}}{u_{\mathrm{CA}}}\frac{1}{\sqrt{{(R_1/R_2+1)}^2+{\left(R_1\mathrm{C\ω}\right)}^2}}\\ \mathrm{\ψ}\left(\mathrm{\ω}\right)=-\arctan \left(\frac{R_1\mathrm{C\ω}}{R_1/R_2+1}\right)\\ f_{\mathrm{Co}}=\frac{R_1+R_2}{2\mathrm{\π}{R}_1{R}_{2}C}\end{array}\right.$

其中，R₁和R₂代表分压电阻；C代表滤波电容；u_BA’代表滤波后的电压信号，|H(ω)|、ψ(ω)和f_c分别代表滤波器的幅频特性，相频特性和截止频率，ω为频域特性中的频率坐标。

电压信号u_CA’经过电压比较器，要满足以下输入电压条件：

其中，V_C代表电压比较器的电源电压；u_CAp-p代表电压u_CA的峰峰值；u_d(0)代表初始相电压；f_L和f_H分别代表所设定的下限频率和上限频率；λ＝1.5～2代表安全系数，最优值为1.65。

所述深度滤波器中C相和B相之间电压的低通滤波电路的幅频特性、相频特性和截止频率为：

$\left\{\begin{array}{c}\left|H\left(\mathrm{\ω}\right)\right|=\frac{{u_{\mathrm{CB}}}^{,}}{u_{\mathrm{CB}}}\frac{1}{\sqrt{{(R_1/R_2+1)}^2+{\left(R_1\mathrm{C\ω}\right)}^2}}\\ \mathrm{\ψ}\left(\mathrm{\ω}\right)=-\arctan \left(\frac{R_1\mathrm{C\ω}}{R_1/R_2+1}\right)\\ f_{\mathrm{Bo}}=\frac{R_1+R_2}{2\mathrm{\π}{R}_1{R}_{2}C}\end{array}\right.$

其中，R₁和R₂代表分压电阻；C代表滤波电容；u_CB’代表滤波后的电压信号，|H(ω)|、ψ(ω)和f_Bo分别代表滤波器的幅频特性，相频特性和截止频率，ω为频域特性中的频率坐标。

电压信号u_CB’经过电压比较器，要满足以下输入电压条件：

其中，V_C代表电压比较器的电源电压；u_CBp-p代表电压u_CB的峰峰值；u_d(0)代表初始相电压；f_L和f_H分别代表所设定的下限频率和上限频率；λ＝1.5～2代表安全系数，最优值为1.96。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)、采用电流互感器将相电流变为电压，之后利用电压过零采集技术，将使得电流过零检测更加准确，因此可使得电抗器智能投切更加准确。

(2)、采用深度滤波器的设计，可有效减小电压检测的谐波成分，也会使得电流检测过零更加准确。

附图说明

图1为本发明所述并联电抗器投切装置系统拓扑图。

图2为本发明所述深度滤波器组成图。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，一种并联电抗器智能投切装置，由IGBT组、电流互感器、控制器、光电转换系统、深度滤波器和触发板组成，其中IGBT组包括A相IGBT、B相IGBT和C相IGBT，光电转换系统包括光电转换器和传输光纤，其主要功能是实现控制器和IGBT组触发板之间的电信号进行光电信号的转换，并将光信号通过光纤传输；触发板与每个IGBT的控制极相连，用以输出触发IGBT组所需的触发信号，电流互感器检测A相、B相和C相的相电流，输出表征A相、B相和C相相电流的电压信号，三相电压信号经过深度滤波器后与控制器相连，其中深度滤波器包括低通滤波电路、电压比较电路和光耦隔离电路；电流互感器的另一端连接相应的电抗器，控制器通过光电转换系统与触发板相连，通过执行上位机发出的指令，发送触发信号给IGBT组的触发板，使得与其并联的接触器得以实现电流智能投切的效果；

所述深度滤波器中B相和A相之间电压的低通滤波电路的幅频特性、相频特性和截止频率为：

$\left\{\begin{array}{c}\left|H\left(\mathrm{\ω}\right)\right|=\frac{{u_{\mathrm{BA}}}^{,}}{u_{\mathrm{BA}}}\frac{1}{\sqrt{{(R_1/R_2+1)}^2+{\left(R_1\mathrm{C\ω}\right)}^2}}\\ \mathrm{\ψ}\left(\mathrm{\ω}\right)=-\arctan \left(\frac{R_1\mathrm{C\ω}}{R_1/R_2+1}\right)\\ f_{\mathrm{Ao}}=\frac{R_1+R_2}{2\mathrm{\π}{R}_1{R}_{2}C}\end{array}\right.$

其中，R₁和R₂代表分压电阻；C代表滤波电容；u_BA’代表滤波后的电压信号，|H(ω)|、ψ(ω)和f_c分别代表滤波器的幅频特性，相频特性和截止频率，ω为频域特性中的频率坐标。

电压信号u_BA’经过电压比较器，要满足以下输入电压条件：

其中，V_C代表电压比较器的电源电压；u_BAp-p代表电压u_BA的峰峰值；u_d(0)代表初始相电压；f_L和f_H分别代表所设定的下限频率和上限频率；λ＝1.5～2代表安全系数，最优值为1.78。

所述深度滤波器中A相和C相之间电压的低通滤波电路的幅频特性、相频特性和截止频率为：

$\left\{\begin{array}{c}\left|H\left(\mathrm{\ω}\right)\right|=\frac{{u_{\mathrm{CA}}}^{,}}{u_{\mathrm{CA}}}\frac{1}{\sqrt{{(R_1/R_2+1)}^2+{\left(R_1\mathrm{C\ω}\right)}^2}}\\ \mathrm{\ψ}\left(\mathrm{\ω}\right)=-\arctan \left(\frac{R_1\mathrm{C\ω}}{R_1/R_2+1}\right)\\ f_{\mathrm{Co}}=\frac{R_1+R_2}{2\mathrm{\π}{R}_1{R}_{2}C}\end{array}\right.$

其中，R₁和R₂代表分压电阻；C代表滤波电容；u_BA’代表滤波后的电压信号，|H(ω)|、ψ(ω)和f_c分别代表滤波器的幅频特性，相频特性和截止频率，ω为频域特性中的频率坐标。

电压信号u_CA’经过电压比较器，要满足以下输入电压条件：

其中，V_C代表电压比较器的电源电压；u_CAp-p代表电压u_CA的峰峰值；u_d(0)代表初始相电压；f_L和f_H分别代表所设定的下限频率和上限频率；λ＝1.5～2代表安全系数，最优值为1.65。

所述深度滤波器中C相和B相之间电压的低通滤波电路的幅频特性、相频特性和截止频率为：

$\left\{\begin{array}{c}\left|H\left(\mathrm{\ω}\right)\right|=\frac{{u_{\mathrm{CB}}}^{,}}{u_{\mathrm{CB}}}\frac{1}{\sqrt{{(R_1/R_2+1)}^2+{\left(R_1\mathrm{C\ω}\right)}^2}}\\ \mathrm{\ψ}\left(\mathrm{\ω}\right)=-\arctan \left(\frac{R_1\mathrm{C\ω}}{R_1/R_2+1}\right)\\ f_{\mathrm{Bo}}=\frac{R_1+R_2}{2\mathrm{\π}{R}_1{R}_{2}C}\end{array}\right.$

其中，R₁和R₂代表分压电阻；C代表滤波电容；u_CB’代表滤波后的电压信号，|H(ω)|、ψ(ω)和f_Bo分别代表滤波器的幅频特性，相频特性和截止频率，ω为频域特性中的频率坐标。

电压信号u_CB’经过电压比较器，要满足以下输入电压条件：

其中，V_C代表电压比较器的电源电压；u_CBp-p代表电压u_CB的峰峰值；u_d(0)代表初始相电压；f_L和f_H分别代表所设定的下限频率和上限频率；λ＝1.5～2代表安全系数，最优值为1.96。

本发明所述并联电抗器投切装置在投切时，首先通过控制器对于IGBT组的触发极施加正向电压，使得IGBT组导通，并联电抗器正常运行，当控制器接收到上位机发出的分闸指令后，控制器检测深度滤波器传输过来的电压过零信号，即系统中的电流过零信号，当系统某一相电流过零时，便停止对相应的IGBT的触发极施加正向电压，则IGBT断开，实现了并联电抗器的切断，从而保证每一相的燃弧时间均最大化，从而避免并联电抗器操作过电压的发生。

IGBT组由三相IGBT组成，每组设有阻容吸收回路、均压回路、换向过电压保护和击穿保护电路、故障自诊断系统。IGBT组可采用冗余设计以增加系统可靠性，任意一层IGBT损坏，整个系统仍能继续正常工作。IGBT组具体参数如下：

●额定电流：    600A；

●IGBT组额定电压：  35kV；

●IGBT额定电压：    6.5kV；

本实施例额定电压等级为10kV，额定电流为200A，额定频率为50HZ。本发明所述IGBT组控制系统主要包括控制器、光电转换器、传输光纤、触发板、高频电流源(给触发板供电)等。IGBT导通与关断均采用光电触发方式，具有无干扰、一二次绝缘性好、体积与损耗小等优点。

控制器是系统构成中最核心的软件部分，包括：CPLD芯片或DSP芯片、电平转换器、光电隔离，其主要功能是接收上位机发出的分闸信号，检测IGBT电流是否过零(通过检测深度滤波器输出判断)。其中深度滤波器输出的信号通过电平转换器与CPLD芯片或DSP芯片相连，CPLD芯片或DSP芯片根据深度滤波器输出的信号发出触发信号，该信号经过电平转换芯片输出至光电转换系统进行隔离，再传输至触发板。本实施例中的CPLD芯片采用EPM1270T144C，如果是DSP芯片，则采用TMS320F28335。电平转换芯片采用具有可配置电压转换和3态输出的16位双电源总线收发器的SN74LVC16T245。

光电转换系统是系统构成中的软硬件交接通信部分，包括：光电转换器、传输光纤。其主要功能是实现控制器和IGBT组触发板之间的电信号进行光电信号的转换，并将光信号通过光纤传输，光纤不仅能进行信号传输，还能起到高压装置和低压控制系统之间的隔离作用。通过光纤传输的信号除了各个开关状态等数字量输入输出，还包括过零信号等状态信号。

本发明所述光电转换系统的主要功能是实现光电信号的转换，然后通过光纤传输，从而实现高低压的隔离，增加控制器的可靠性和安全性。IGBT触发电子单元(高电位板)的电源采用电磁感应方式取能。借鉴世界知名SVC生产厂家(阿尔斯通、ABB等)的触发电路的优点，控制器通过光纤来触发IGBT，实现强弱电之间的高压隔离。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (1)

1.一种并联电抗器智能投切装置，其特征在于：由IGBT组、电流互感器、控制器、光电转换系统、深度滤波器和触发板组成，其中IGBT组包括A相IGBT、B相IGBT和C相IGBT，光电转换系统包括光电转换器和传输光纤，其主要功能是实现控制器和IGBT组触发板之间的电信号进行光电信号的转换，并将光信号通过光纤传输；触发板与每个IGBT的控制极相连，用以输出触发IGBT组所需的触发信号，电流互感器检测A相、B相和C相的相电流，输出表征A相、B相和C相相电流的电压信号，三相电压信号经过深度滤波器后与控制器相连，其中深度滤波器包括低通滤波电路、电压比较电路和光耦隔离电路；电流互感器的另一端连接相应的电抗器，控制器通过光电转换系统与触发板相连，通过执行上位机发出的指令，发送触发信号给IGBT组的触发板，使得与其并联的接触器得以实现电流过零切断的效果；所述并联电抗器投切装置在投切时，首先通过控制器对于IGBT组的触发极施加正向电压，使得IGBT组导通，并联电抗器正常运行，当控制器接收到上位机发出的分闸指令后，控制器检测深度滤波器传输过来的电压过零信号，即系统中的电流过零信号，当系统某一相电流过零时，便停止对相应的IGBT的触发极施加正向电压，则IGBT断开，实现了并联电抗器的切断。

所述深度滤波器中B相和A相之间电压的低通滤波电路的幅频特性、相频特性和截止频率为：

$\left\{\begin{array}{c}\left|H\left(\mathrm{\ω}\right)\right|=\frac{{u_{\mathrm{BA}}}^{,}}{u_{\mathrm{BA}}}\frac{1}{\sqrt{{(R_1/R_2+1)}^2+{\left(R_1\mathrm{C\ω}\right)}^2}}\\ \mathrm{\ψ}\left(\mathrm{\ω}\right)=-\arctan \left(\frac{R_1\mathrm{C\ω}}{R_1/R_2+1}\right)\\ f_{\mathrm{Ao}}=\frac{R_1+R_2}{2\mathrm{\π}{R}_1{R}_{2}C}\end{array}\right.$

其中，R₁和R₂代表分压电阻；C代表滤波电容；u_BA’代表滤波后的电压信号，|H(ω)|、ψ(ω)和f_c分别代表滤波器的幅频特性，相频特性和截止频率，ω为频域特性中的频率坐标。

电压信号u_BA’经过电压比较器，要满足以下输入电压条件：

其中，V_C代表电压比较器的电源电压；u_BAp-p代表电压u_BA的峰峰值；u_d(0)代表初始相电压；f_L和f_H分别代表所设定的下限频率和上限频率；λ＝1.5～2代表安全系数，最优值为1.78。

所述深度滤波器中A相和C相之间电压的低通滤波电路的幅频特性、相频特性和截止频率为：

$\left\{\begin{array}{c}\left|H\left(\mathrm{\ω}\right)\right|=\frac{{u_{\mathrm{CA}}}^{,}}{u_{\mathrm{CA}}}\frac{1}{\sqrt{{(R_1/R_2+1)}^2+{\left(R_1\mathrm{C\ω}\right)}^2}}\\ \mathrm{\ψ}\left(\mathrm{\ω}\right)=-\arctan \left(\frac{R_1\mathrm{C\ω}}{R_1/R_2+1}\right)\\ f_{\mathrm{Co}}=\frac{R_1+R_2}{2\mathrm{\π}{R}_1{R}_{2}C}\end{array}\right.$

其中，R₁和R₂代表分压电阻；C代表滤波电容；u_BA’代表滤波后的电压信号，|H(ω)|、ψ(ω)和f_c分别代表滤波器的幅频特性，相频特性和截止频率，ω为频域特性中的频率坐标。

电压信号u_CA’经过电压比较器，要满足以下输入电压条件：

其中，V_C代表电压比较器的电源电压；u_CAp-p代表电压u_CA的峰峰值；u_d(0)代表初始相电压；f_L和f_H分别代表所设定的下限频率和上限频率；λ＝1.5～2代表安全系数，最优值为1.65。

所述深度滤波器中C相和B相之间电压的低通滤波电路的幅频特性、相频特性和截止频率为：

$\left\{\begin{array}{c}\left|H\left(\mathrm{\ω}\right)\right|=\frac{{u_{\mathrm{CB}}}^{,}}{u_{\mathrm{CB}}}\frac{1}{\sqrt{{(R_1/R_2+1)}^2+{\left(R_1\mathrm{C\ω}\right)}^2}}\\ \mathrm{\ψ}\left(\mathrm{\ω}\right)=-\arctan \left(\frac{R_1\mathrm{C\ω}}{R_1/R_2+1}\right)\\ f_{\mathrm{Bo}}=\frac{R_1+R_2}{2\mathrm{\π}{R}_1{R}_{2}C}\end{array}\right.$

其中，R₁和R₂代表分压电阻；C代表滤波电容；u_CB’代表滤波后的电压信号，|H(ω)|、ψ(ω)和f_Bo分别代表滤波器的幅频特性，相频特性和截止频率，ω为频域特性中的频率坐标。

电压信号u_CB’经过电压比较器，要满足以下输入电压条件：

其中，V_C代表电压比较器的电源电压；u_CBp-p代表电压u_CB的峰峰值；u_d(0)代表初始相电压；f_L和f_H分别代表所设定的下限频率和上限频率；λ＝1.5～2代表安全系数，最优值为1.96。