CN112886536A - 一种具有瞬时速断保护功能的变压系统及其速断保护方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有瞬时速断保护功能的变压系统，包括速断变压装置，所述速断变压装置的输出侧设有采用由IGBT模块构成的反向H桥结构的直流‑交流转换单元，直流‑交流转换单元的各输出侧IGBT模块分别设有各自的分流旁路，分流旁路上设有晶闸管。本发明还涉及上述变压系统的速断保护方法，当判断出漏电故障时，控制各晶闸管导通，使直流‑交流转换单元中的各输出侧IGBT模块自行关断，各分流旁路采用过阻尼电路将电流快速衰减至零，晶闸管自行关断，切断交流供电系统供电。本发明切断交流供电系统供电的时间不超过0.35毫秒，可有效防止煤矿井下低压供电系统因漏电或短路造成人身触电安全事故，提高供电系统的安全性、可控性和稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及一种适用于煤矿井下低压交流系统的电力电子变压技术，尤其涉及一种具有瞬时速断保护功能的变压系统及其速断保护方法。
背景技术
煤矿井下低压1140V、660V和127V供电系统所处环境最为复杂，人工操作用电设备最多。同时，随着掘进和开采的推进，井下移动变电站应尽可能小型化且便于移动。并且，井下低压用电设备多为感性负载，因用电设备启动时，启动电流较大，故而易造成对漏电或短路故障的误判且在出现漏电或短路故障时不具备瞬时速断保护功能，容易造成人身触电安全事故，既影响供电系统的安全性，又影响其可控性和稳定性。
发明内容
为克服现有技术的上述缺陷，本发明提供了一种具有瞬时速断保护功能的变压系统及其速断保护方法，可快速判断出供电系统是否出现漏电或短路故障，并在出现故障时快速切断供电系统的供电。
本发明实现上述目的的技术方案是：一种具有瞬时速断保护功能的变压系统，包括速断变压装置，所述速断变压装置的输出侧设有采用由IGBT模块构成的反向H桥结构的直流-交流转换单元，所述直流-交流转换单元的各输出侧IGBT模块分别设有各自的分流旁路，所述分流旁路上设有晶闸管。
所述晶闸管优选为门极可关断晶闸管。
优选的，所述分流旁路上还设有关断电容和泄流电阻，所述关断电容、所述泄流电阻和所述晶闸管串联。
各所述分流旁路构成所述具有瞬时速断保护功能的变压系统的瞬时速断模块(或称瞬时速断保护执行电路)。
优选的，所述速断变压装置的输出侧引线上设有零序电流传感器、零序电压传感器和线电压传感器，构成所述具有瞬时速断保护功能的变压系统的漏电信号采集单元。
所述零序电压传感器的电压采集电路可以采用由三个并联的采用电容构成，三个所述采样电容的输入分别接入所述速断变压装置的三相输出侧引线，三个所述采样电容的输出接地(适用于三相交流供电系统)。
优选的，所述速断变压装置包括依次连接的交流-交流输入转换模块、高频变压模块和交流-交流输出转换模块，所述交流-交流输入转换模块包括三组相串联的滤波电感和组合单元模块，三组所述相串联的滤波电感和组合单元模块级联，所述组合单元模块包括交流-直流转换单元和直流-交流转换单元，二者之间并联有高压滤波电容，所述交流-交流输出转换模块包括三个级联的所述组合单元模块，所述交流-交流输出转换模块的直流-交流转换单元为所述速断变压装置的输出侧的直流-交流转换单元。
优选的，所述交流-直流转换单元采用由四个所述IGBT模块构成的H桥结构。
优选的，所述直流-交流转换单元采用由四个所述IGBT模块构成的反向H桥结构。
优选的，所述高频变压模块为固定变比的高频电压变换器。
优选的，所述速断变压装置的数量为一个或三个，分别对应于单相或三相交流供电系统，所述速断变压装置的输入和输出分别接入交流供电系统的相应相的高压侧和低压侧。
优选的，所述具有瞬时速断保护功能的变压系统还包括中央控制系统，所述中央控制系统包括CPU，所述零序电流传感器、所述零序电压传感器和所述线电压传感器的信号输出接入所述CPU的相应信号输入端，所述CPU的速断控制信号输出接入各所述晶闸管的门极，所述CPU的变压控制信号输出接入各所述IGBT模块中的IGBT的门极。
所述CPU可以采用ARM STM32系列芯片作为处理芯片。
所述中央控制系统优选还包括两个光耦驱动电路和一个A/D转换电路，所述CPU的速断控制信号输出通过一个所述光耦驱动电路处理后再接入各所述晶闸管的门极，所述CPU的变压控制信号输出通过另一个所述光耦驱动电路处理后再接入各所述IGBT模块中的IGBT的门极，所述零序电流传感器、所述零序电压传感器和所述线电压传感器的信号输出通过所述A/D转换电路转换后再接入所述CPU的相应信号输入端。
所述中央处理单元还可以包括显示屏，所述CPU的相应显示信号输出接入所述显示屏，用于显示所述CPU的分析计算结果、输出的控制信号、交流供电系统的运行状态等信息。
一种具有瞬时速断保护功能的变压系统的速断保护方法，采用本发明的任一种所述的具有瞬时速断保护功能的变压系统，当所述CPU判断出交流供电系统出现漏电故障时，所述CPU发出速断控制信号，同时停止发出变压控制信号，控制各所述分流旁路中的所述晶闸管导通，电流分流流入各所述分流旁路，使所述速断变压装置的输出侧的直流-交流转换单元中的各输出侧IGBT模块所在支路的电流逐渐减小至零，所述IGBT模块自行关断，电流全部流过各所述分流旁路，各所述分流旁路采用过阻尼电路将电流快速衰减至零，所述晶闸管自行关断，切断交流供电系统供电。
优选的，所述CPU判断交流供电系统出现漏电故障的方法为所述CPU依据所述零序电流传感器、所述零序电压传感器和所述线电压传感器采集的信号计算出所述速断变压装置的输出侧的接地电阻值，将所述接地电阻值与工程实际需求动作的电阻整定值进行比较，当所述接地电阻值小于所述电阻整定值时，判断为交流供电系统出现漏电故障。
本发明的有益效果是：
1、本发明的所述分流旁路的设置，当所述CPU判断出交流供电系统出现漏电故障时，可以通过控制所述晶闸管导通对各输出侧IGBT模块所在支路进行分流，使各所述IGBT模块自行关断，再通过所述晶闸管的关断快速切断交流供电系统的供电，切断交流供电系统供电的时间不超过0.35毫秒，有效防止煤矿井下低压供电系统因漏电或短路造成人身触电安全事故，提高供电系统的安全性、可控性和稳定性。相比于传统的强行切断主回路电流(假设此时电流不为交流电流过零点时刻)的切断供电方式，可以有效避免在IGBT模块的两端产生巨大的电压差，引起IGBT模块过电压的情况，也可有效克服等待交流电流过零点时再关断IGBT模块(此时不会引起过电压)造成关断死区(最长等待时间为10毫秒，工频信号一个周期两次过零点，每10毫秒一次)，无法实现快速断电的缺陷。
2、本发明通过所述零序电流传感器、所述零序电压传感器和所述线电压传感器采集的信号计算所述速断变压装置的输出侧的接地电阻值，再通过比较所述接地电阻值与工程实际需求动作的电阻整定值来判断交流供电系统是否出现漏电故障，漏电故障判断准确，可有效避免因低压用电设备多为感性负载，用电设备启动时的启动电流较大造成对漏电或短路故障的误判。
3、本发明既具有供电系统在漏电或短路时的瞬时速断保护功能，又具有高压交流-低压直流-低压交流的电压变换功能，可根据现场实际需求配置单相或三相所述速断变压装置，所述速断变压装置具有模块化功能结构，采用标准化统一设计，可有效降低生产成本。与传统的井下移动变电站的变压器相比，所述变压系统还具有体积小、易移动、输出稳定可控等特点。
附图说明
图1是本发明的变压系统的系统架构图；
图2是本发明的变压系统的单相电路结构示意图；
图3是本发明的变压系统的漏电故障判断等效电路结构示意图；
图4是本发明的变压系统的单个速断保护电路结构示意图。
具体实施方式
参见图1-4，本发明公开了一种具有瞬时速断保护功能的变压系统及其速断保护方法，主要用于煤矿井下低压交流供电系统在漏电或短路时的速断保护，所述变压系统包括速断变压装置(或称速断变压系统)、中央控制系统和漏电信号采集单元，所述速断变压装置的数量为一个或三个，分别对应于单相或三相交流供电系统。当交流供电系统为三相时，三个所述速断变压装置的结构完全相同，每个所述速断变压装置分别连接低压供电系统高压侧和低压侧A、B、C三相。所述速断变压装置包括包括交流-交流输入转换模块、高频变压模块、交流-交流输出转换模块和瞬时速断模块四部分。所述中央控制系统可实现变压控制和瞬时速断判断及控制功能，其主要由相应的CPU(中央处理分析模块CPU)以及与所述CPU连接的A/D转换电路和显示屏组成，所述CPU可以采用ARM STM32系列芯片作为处理芯片，也可以采用其他现有技术下具有分析计算功能的芯片作为处理芯片。
所述漏电信号采集单元包括设于所述速断变压装置的输出侧引线上的零序电流传感器、零序电压传感器和线电压传感器，所述零序电压传感器的电压采集电路由三个并联的相同的采样电容构成。所述零序电流传感器和所述零序电压传感器用于检测输出侧的三相零序电流和零序电压，所述线电压传感器用于检测低压输出侧A、B、C相的线电压。检测信号送入所述A/D转换电路，经所述A/D转换后送入所述CPU进行计算分析。在所述CPU判断出漏电故障后，发送速断控制信号(经光耦驱动电路处理后)控制所述瞬时速断模块执行断电功能。所述CPU为判断出漏电故障时(低压交流供电系统正常运行时)，所述变压系统执行变压控制功能，由所述CPU发出变压控制信号(PWM信号，经光耦驱动电路处理后)控制交流-交流输入转换模块和交流-交流输出转换模块中各整流及逆变桥，完成电压的高压到低压变换。
参见图2，所述交流-交流输入转换模块包含三个滤波电感和三组相同的组合单元模块级联构成，所述滤波电感分别为L1，L2，L3，所述组合单元模块分别为Unit1，Unit2，Unit3。
所述组合单元模块包括交流-直流转换单元和直流-交流转换单元，所述交流-直流转换单元可以为四个IGBT模块构成的H桥结构，也可以采用适宜的现有元件和现有技术，所述直流-交流转换单元可以为四个相同的IGBT模块构成反向H桥结构，也可以采用适宜的现有元件和现有技术。所述交流-直流转换单元和所述直流-交流转换单元之间并联有高压滤波电容CL。
L1，L2，L3和CL可以根据下列公式确定：
其中，Uh为高压侧相电压，U0为端口输入电压，满足：Uh＝3U0，r为IGBT模块导通等效电阻，i为端口输入电流，m为IGBT调制系数，θ为相角，dr为IGBT开关占空比。
所述速断变压装置采用标准化统一设计，可有效降低生产成本。其作用在于将工频高压交流转换为高频高压交流，可以采用其他现有技术或器件设备进行相同的电压频率变换。高压侧电压等级一般为3300V、1140V或660V，模块中的IGBT器件参数根据实际使用的高压侧电压等级确定。
所述高频变压模块可以为固定变比的高频电压变换器。设高压供电侧相电压等级为Uh，低压用电端需求相电压等级为UL，则高频电压变换器匝数比为：
参见图2，所述交流-交流输出转换模块由三组相同的组合单元模块级联构成，所述组合单元模块也包括交流-直流转换单元和直流-交流转换单元，交流-直流转换单元可以为四个IGBT模块构成的H桥结构，也可以采用适宜的现有元件和现有技术，所述直流-交流转换单元可以为四个相同的IGBT模块构成反向H桥结构，也可以采用适宜的现有元件和现有技术，所述交流-直流转换单元与所述直流-交流转换单元之间并联有高压滤波电容CL2。所述瞬时速断模块的各分流旁路与所述交流-交流输出转换模块的直流-交流转换单元的输出IGBT并联。
所述瞬时速断模块包括多个分流旁路单元，每个分流旁路单元包括串联的关断电容C、泄流电阻R和门极可关断晶闸管。其作用为当所述瞬时速断模块收到来自所述CPU的速断控制信号时，门极可关断晶闸管导通，分流逆变电路中的电流，随后IGBT关闭，电流全部流过分流旁路单元，通过控制所述门极可关断晶闸管关断实现速断保护，切除供电。所述门极可关断晶闸管其最大可承受电压应与所述IGBT器件可承受最大电压相同，一般为额定电压的2-5倍。以低压输出侧电压为127V为例，则IGBT及门极可关断晶闸管的开路最大可承受电压为250V-500V。同时考虑到低压输出侧漏电故障电流对所述装置的影响，以煤矿容量2.5kVA的127V低压供电系统为例，其最大短路电流可达150A，则所述门极可关断晶闸管和IGBT的可承受最大浪涌电流应大于短路电流2倍，则其可承受最大浪涌电流应大于300A。
本发明既具有供电系统在漏电或短路时的瞬时速断保护功能，又具有高压交流-低压直流-低压交流的电压变换功能。
其中，电压变换技术原理如下：
三相高压工频交流流入变压系统的各相速断变压装置，流入各相交流电压经过三组级联的交流-交流输入转换模块，电压由高压工频交流整流成高压直流，再经过逆变变为高压高频交流，高压高频交流电压经过高频变压模块变为低压高频交流，低压高频交流经过交流-交流输出转换模块，电压由低压高频交流整流成高压直流，在经过逆变变为低压工频交流输出。
瞬时速断保护技术原理如下：
(1)漏电判断算法技术原理：
参见图3，对于经过变压后的低压三相配电系统，CT为所述零序电流传感器，Ra，Rb，Rc分别为各相对地绝缘电阻，Ca，Cb，Cc为各相分布电容，以系统A相发生单相漏电为例：发生漏电时系统会产生零序电流和零序电压，设CT采集到的零序电流为I0，因单相漏电产生的零序电压U0(可通过所述电压采集电路获得)，漏电接地电阻为Rj，三相并联对地绝缘总阻抗为R总，三相并联对地分布电容为C总，则可得微分方程：
其中，Ua为漏电后A相线电压。
设发生漏电时刻为t0，则根据发生漏电时刻暂态过程，求解微分方程得：
其中，U’0为电容稳态电压；E为电容最大电压；α为A相线电压初相；ψ为电容电压与A相线电压的相角差；τ为时间常数，其满足下列关系：
对t0＝0时刻的U0求导可得：
可以看出，当所述速断变压装置的低压输出侧出现漏电故障时刻，零序电压变化率由0变为
公式(7)中零序电压U0可通过所述电压采集电路获得，Ua可通过所述线电压传感器获得，可根据现场实际所有电缆参数获得C总，α可通过采集的零序电流与A相线电压进行傅式分解计算获得，因此，可通过公式(7)计算接地电阻Rj的值，通过Rj与工程实际需求动作整定值Rz做比较，Rz值参照《煤矿安全标准》确定，当Rj＜Rz时，判定为漏电故障，执行速断保护功能。
(2)瞬时速断模块执行速断保护技术原理：
参见图4，以单个速断保护电路为例，当判断出漏电故障后，所述CPU发出速断控制信号，同时停止发出变压控制信号，分流旁路的晶闸管Q2受门极正向电压控制信号而导通，电流分流流入晶闸管所在的分流旁路，由于晶闸管Q2的钳位作用，使输出侧IGBT模块(Q1)所在支路的电流逐渐减小至零，IGBT模块(Q1)两端的电压降为零，IGBT模块(Q1)自行关断，电流全部流过分流旁路，因为是交流信号，同时泄流电阻R和关断电容C构成过阻尼电路，将分流旁路中的电流快速衰减至零，晶闸管Q2自行关断完全切除供电，实现速断保护。
设Q1关断响应时间为tQ1，Q2关断响应时间为tQ2，则速断保护执行时间T总为：
T总＝tQ1+tQ2 公式(8)
Q1的关断时间与选取的IGBT器件性能相关，以infineon公司BSM100系列600V器件为例，其开关关断时间约为100μs。
Q2的关断可看作RC电路放电响应，当tQ2＝5τ时电路趋于稳态，则根据RC电路响应原理列出微分方程组：
电阻及电容参数以实际工程应用时选取，以R＝5Ω，C＝10μF为例，可计算tQ2＝250μs。
则瞬时速断保护执行时间T总为350μs，即速断保护模块可在判断出漏电后0.35ms内快速切除供电，有效防止煤矿井下低压供电系统因漏电或短路造成人身触电安全事故，提高供电系统的安全性、可控性和稳定性。
Claims (10)
1.一种具有瞬时速断保护功能的变压系统，其特征在于包括速断变压装置，所述速断变压装置的输出侧设有采用由IGBT模块构成的反向H桥结构的直流-交流转换单元，所述直流-交流转换单元的各输出侧IGBT模块分别设有各自的分流旁路，所述分流旁路上设有晶闸管。
2.如权利要求1所述的具有瞬时速断保护功能的变压系统，其特征在于所述速断变压装置的输出侧引线上设有零序电流传感器、零序电压传感器和线电压传感器。
3.如权利要求2所述的具有瞬时速断保护功能的变压系统，其特征在于所述速断变压装置包括依次连接的交流-交流输入转换模块、高频变压模块和交流-交流输出转换模块，所述交流-交流输入转换模块包括三组相串联的滤波电感和组合单元模块，三组所述相串联的滤波电感和组合单元模块级联，所述组合单元模块包括交流-直流转换单元和直流-交流转换单元，二者之间并联有高压滤波电容，所述交流-交流输出转换模块包括三个级联的所述组合单元模块，所述交流-交流输出转换模块的直流-交流转换单元为所述速断变压装置的输出侧的直流-交流转换单元。
4.如权利要求3所述的具有瞬时速断保护功能的变压系统，其特征在于所述交流-直流转换单元采用由四个所述IGBT模块构成的H桥结构。
5.如权利要求4所述的具有瞬时速断保护功能的变压系统，其特征在于所述直流-交流转换单元采用由四个所述IGBT模块构成的反向H桥结构。
6.如权利要求5所述的具有瞬时速断保护功能的变压系统，其特征在于所述高频变压模块为固定变比的高频电压变换器。
7.如权利要求6所述的具有瞬时速断保护功能的变压系统，其特征在于所述速断变压装置的数量为一个或三个，分别对应于单相或三相交流供电系统，所述速断变压装置的输入和输出分别接入交流供电系统的相应相的高压侧和低压侧。
8.如权利要求7所述的具有瞬时速断保护功能的变压系统，其特征在于还包括中央控制系统，所述中央控制系统包括CPU，所述零序电流传感器、所述零序电压传感器和所述线电压传感器的信号输出接入所述CPU的相应信号输入端，所述CPU的速断控制信号输出接入各所述晶闸管的门极，所述CPU的变压控制信号输出接入各所述IGBT模块中的IGBT的门极。
9.一种具有瞬时速断保护功能的变压系统的速断保护方法，其特征在于采用权利要求1-8中任一项所述的具有瞬时速断保护功能的变压系统，当所述CPU判断出交流供电系统出现漏电故障时，所述CPU发出速断控制信号，同时停止发出变压控制信号，控制各所述分流旁路中的所述晶闸管导通，电流分流流入各所述分流旁路，使所述速断变压装置的输出侧的直流-交流转换单元中的各输出侧IGBT模块所在支路的电流逐渐减小至零，所述IGBT模块自行关断，电流全部流过各所述分流旁路，各所述分流旁路采用过阻尼电路将电流快速衰减至零，所述晶闸管自行关断，切断交流供电系统供电。
10.如权利要求9所述的具有瞬时速断保护功能的变压系统的速断保护方法，其特征在于所述CPU判断交流供电系统出现漏电故障的方法为所述CPU依据所述零序电流传感器、所述零序电压传感器和所述线电压传感器采集的信号计算出所述速断变压装置的输出侧的接地电阻值，将所述接地电阻值与工程实际需求动作的电阻整定值进行比较，当所述接地电阻值小于所述电阻整定值时，判断为交流供电系统出现漏电故障。
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