（电工理论与新技术专业论文）高温超导限流器的短路实验研究.pdf

t e s t s y s t e mo ft h r e e - p h a s eh i g h t c s u p e r c o n d u c t i n g f a u l tc u r r e n t l i m i t e r z h a n g ，j i a c h e n g ( e l e c t r i c a le n g i n e e r i n gt h e o r ya n da d v a n c e dt e c h n o l o g y ) d i r e c t e db yx i a o l i y e a b s t r a c t t h es h o r t c i r c u i tt e s ti se s s e n t i a lt od e v e l o pan e w h i g ht cs u p e r c o n d u c t i n g f a u l tc u r r e n tl i m i t e rf h t s f c l ) t h ep e r f o r m a n c eo fh t s f c lc a nb eo b t a i n e db y t h es h o r t - c i r c u i tt e s t i nt h et e s t ，b o t hh i g hs c a nr a t ea n d h i g hd a t aa c q u i r i n gp r e c i s i o n m u s tb ea c h i e v e dt h r o u g ht h es h o r t c i r c u i tt e s ts y s t e m a n dt h ei n i t i a lf a u l tc u r r e n t a n g l ew h e n t h es b o r tc i r c u i to c c u r ss h o u l da l s ob ea c c u r a t e l yc o n t r o l l e d a3 8 0 v 2 5 as h o r t c i r c u i tt e s ts y s t e m ，w h i c hi su s e dt ot e s tt h eh t s f c l i s d e v e l o p e da n dd e s c r i b e di nt h i st h e s i s t h es y s t e mi sc o m p o s e do ft w op a r t s ：t h e s h o r t c i r c u i tt e s tp l a t f o r ma n dt h er e a l t i m ed a t aa c q u i s i t i o na n dc o n t r o ls y s t e m t h es h o r t c i r c u i tt e s tp l a t f o r mc o n s i s t so fe l e c t r i cs o u r c e ，r e a c t a n c e ，j n d u c t a n c e a n ds oo n t h eb a c k t o b a c kc o n n e c t e dt h y r i s t o r sa r eu s e da ss h o r t i n gs w i t c h e s t o t e s th t s f c l t h ef a u l tc u r r e n t si nt h el i n e ss h o u l db em e a s u r e d n om a t t e rt h e h t s f c li s i m p l e m e n t e do rn o t t h ea b i l i t vo fh t s f c l t ol i m i tt h ef a u l tc u r r e n t c o u l db el e a r n e db yc o m p a r i n gt h e s et w os e to f r e s u l t s 。 t h er e a l - t i m ed a t aa c q u i s i t i o na n dc o n t r o ls y s t e mi su s e dt om e a s u r et h ef a u l t c u r r e n ta n dc o n t r o lt h ei n i t i a lf a u l tc u r r e n ta n g l e t h eh a r d w a r eo ft h es y s t e mi n c l u d e s p c id a t aa c q u i s i t i o nb o a r d ，c o m p u t e r , v o l t a g ea n dc u r r e n ts e n s o r ，t h ei n i t i a lf a u l t c u r r e n ta n g l ec o n t r o l l e r , t h eb a c k - t o - b a c kc o n n e c t e dt h y r i s t o r sc o n t r o l l e ra n ds oo n t h es o t t w a r ei sd e v e l o p e du n d e rl a b v i e w w h e nd a t aa r et r a n s f e f r e di n t oc o m p u t e r , t h e ya r ea n a l y z e da n dp r o c e s s e da n dt h e nac o n t r o ls i g n a li ss e n to u tt ot r i g g e rt h e i n i t i a lf a u l tc u r r e n t a n g l ec o n t r o l l e r , w h i c hr i g g e r s t h eb a c k - t o b a c kc o m a e c t e d t h y r i s t o r sc o n t r o l l e rw h e nt h ep h a s ea n g l eo fl i n ec u r r e n ti se q u a lt ot h es p e c i f i e d v a l u e t h e nt h eb a c k - t o - b a c kc o n n e c t e dt h y r i s t o r sc o n t r o l l e rt r i g g e rt h et h v r r i s t o r st o s h o r tl i n e s 、 w i t ht h es h o r t c i r c u i tt e s t s y s t e m a b o v e t h e3 8 0 v 2 5 ah t s f c lw a s s u c c e s s f u l l yt e s t e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h es h o r t - c i r c u i tt e s ts y s t e mc a ns a r i s f ya 1 1 t h er e q u i r e m e n t st ot e s th t s f c l k e yw o r d s ：h i g h t c s u p e r c o n d u c t i n gf a u l t c u r r e n tl i m i t e r , r e a l - t i m ed a t aa c q u i s i t i o n ， s h o r t c i r c u i tt e s t 中国科学院电i 研究所硕十论文 第一章绪论 1 1 高温超导限流器的发展现状与应用简介 1 1 1 高温超导限流器的发展现状 高温超导限流器( h t s f c l h i 曲t e m p e r a t u r es u p e r c o n d u c t i n gf a u l tc u r r e n t l i m i t e r ) 是基于高温超导材料研制成的故障电流限制装置。在系统正常时， h t s f c l 呈现一个很小的阻抗，不影响系统的运行；而当系统发生故障时，立即 转变为一个大阻抗，从而进行限流。h t s f c l 集检测、转换和限流于一身，能有 效地限制故障电流。 目前，美国、德国、日本、法国、瑞士、加拿大等国都开展了h t s f c l 的 研究工作。 美国洛斯阿拉莫斯实验室( l a n l ) 、美国超导公司( a s c ) ，洛克希德马丁 公司( l m c ) ，美国通用原子能公司( g a ) 和i g c 于1 9 9 9 年研制出一台 】5 k v 1 2 k a 桥路型高温超导故障限流器，故障电流缩减率达到8 0 t “。 法国电力公司( e d f ) 、o e ca l s t h o m 公司和a l c a t e la l s t h o m 公司于1 9 9 2 年研制了6 3 k v r m s 1 2 5 k a r m s 5 3 k a p e a k 的混合型s f c l t ”。在1 9 9 4 年又研制了 1 5 0 v 5 0 a 混合型s f c l 模型引，解决了快速恢复超导性的问题，并且降低了占 总损耗大部分的电流引线损耗问题。 瑞士a b b 公司利用b i 2 2 1 2 研制成功一台三相1 2 m w 的磁屏蔽型超导故 障限流器【4 】并将其安装在瑞士l o e n t s c h 水电站进行长期运行和性能试验。限 流器顺利通过6 0 k a 的短路电流试验，结果表明它能有效限制短路电流。 德国s i e m e n s 公司和加拿大h y d r o q u e b e c 公司利用y b c o 薄膜研制成 1 0 0 k v a 电阻型s f c l ，并准备进一步研制1 0 m v a 电阻型s f c l t5 1 。加拿大 h y d r o - q u e b e c 公司从1 9 9 3 年以来一直开展屏蔽型高温超导限流器的研究工作， 采用高温超导体块材烧结成的中空圆筒作为次级屏蔽筒弘”1 。 1 1 2 高温超导限流器的应用 h t s f c l 除了提高电力系统的稳定性、安全性、可靠性和电能质量外，它 还具有以下功能： 1 1 2 1 用于保护整个母线 当负荷增大导致采用容量更大的变压器时，可以不用更换短路器和隔离开 中国科学院电工研究所硕七论文 关等电气设备；在新的功率水平上，可采用大功率低阻抗变压器维持电压调节 水平，并可使短路电流对变压器的破坏得到限制：当变压器的高压线路上的故 障电流得以限制后，在中等电压等级的母线发生短路故障时，可使高压母线的 电压降减少到最低程度。 1 1 2 2 用于联络两段母线 具有较小额定电流容量的h t s f c l 即可满足要求。分离的母线联接后，短路 电流对母线的影响并不会明显加剧；当某一母线发生短路故障时，h t s f c l 中的 电压降可保证未发生故障的另一母线的电压水平，使其维持正常运行；联络多 段母线后，可使多台变压器并联运行，从而降低系统阻抗，增强变压器的调压 能力，并可避免使用变压比可调节的变压器：一段母线上的过剩的电能可供另 一段母线上的负载使用，从而使变压器额定容量的利用率提高。 1 1 2 3 用于保护母线上的单个负荷 可用于保护难以更换的设备( 例如：地下电缆或安装在地下室的变压器) ， 从而降低设备和线路的改造费用：此外，也可保护其它情形的单个负荷 1 1 2 4 其它应用 用于两系统的联络母线以保护一系统不受另一系统故障的影响；与静态电 容、电感等电气设备配合使用可调节电力系统的潮流分布；采用h t s f c l ，短路 电流的水平可按要求限制到任意水平，例如可将短路电流限制到线路容许的过 载水平，从而可使断路器对瞬态故障不作出反应；在发电机端配备h t s f c l ，可 以减少故障对发电机组的冲击；在变压器端配备s f c l ，可以减少合闸时的冲击 电流。 1 2 对高温超导限流器进行短路试验的必要性 高温超导限流器的主要作用就是要在电力系统短路时，限制短路电流。因 此，对高温超导限流器必须进行短路试验。短路试验的主要内容包括：当发生 不同的故障时( 单相短路接地，三相短路，两相短路接地和两相短路) ，测取线 路在有、无限流器两种情况下电流值，以便计算出故障电流缩减率，得到限流 器的的限流效果 中国科学院电一i 研究所硕士论文 1 3 对高温超导限流器短路试验系统的要求 2 0 0 1 年中国科学院电工研究所应用超导研究室开发出一台3 8 0 v 2 5 a 的高 温超导限流器。为了测试这台高温超导限流器抑制故障电流的能力，同时考虑 到将来也要测试其他设备，实验室需要研制一套短路试验系统。 进行短路试验时，线路中的短路电流由周期交流分量和非周期直流分量两 部分组成”1 ，其公式如下： ，：。s i n 如+ 口一妒。) + 【，。s i n ( a 一妒) 一j s i n ( a 一妒。灌一；( i - i ) 其中： ，：喜，l 是短路后线路的等值电抗，r 是短路后线路的等值电阻； ，。是短路电流周期分量的幅值： a 是短路瞬间电源电压的相角； 口是短路前线路的阻抗角； j 。，是短路前线路中的电流幅值； 仇是短路后线路的阻抗角，仇= 协n 。c 警 ； 一妒) 即是短路瞬间线路电流的相角，或者称为合闸角。 图1 1 是线路发生短路后的电流波形。其中：a 是短路电流中的非周期直 流衰减分量k 的初始值，fi d c 的时间常数，i k 是短路电流中的周期交流分 量。 短路冲击电流f 。，是短路电流的最大值。由公式( 1 1 ) 可知，冲击电流f ， 和短路瞬间电源电压的相角口有关，口不同，i 。也不同，改变口，就可以改变i 。 短路试验线路中，f 、，。、伊、l 和纯是固定不变的，当口为某一个值时， 可以使得i 达到最大值：由于短路瞬间线路电流的合闸角口等于 一妒) ，所以 如果能够控制线路短路的时刻，使得线路在0 为( 口。一矿) 的时刻发生短路，由于 此时d 等于口。，那么短路冲击电流就会达到最大值。 一_ ! 里型堂堕生! ：堡塑堕堡堡塞 2 下包络线 图1 1 电力系统短路电流的波形 时间( s ) 图1 2 4 中国科学院电工研究所硕士论文 釜 砦 i ： ffl 盥f i- 心 鞭 m 峨一 城。旺 拼旷 如图1 2 和1 3 所示的是同一条线路中的电流在不同的合闸角下，发生短路 时的电流波形图。 电流在正常时，有效值为2 5 9 a 。当在电流的相角为一4 0 0 时，发生短路，短 路冲击电流达到2 5 7 7 a ；当在电流相角为3 0 0 时，发生短路，短路冲击电流达 到2 1 8 ，4 a ；可见，选择不同的线路电流合闸角短路，会对短路冲击电流造成很 大的影响。 短路冲击电流i 。是用来校验电力设备和载流导体所承受的电动力的重要数 据。1 ，评判高温超导限流器的限流能力一个很重要的依据，就是要看它把短路 冲击电流i 。的最大值限制到一个什么样的水平，以便降低电力系统对于系统内 的电力设备和载流导体在电动力承受方面的要求。所以要确切了解高温超导限 流器的限流能力，首先必须得到线路在有、无h t s f c l 两种情况下发生短路，两 个短路冲击电流的最大值。有了这两个值，就可以通过它们之间的差距，知道 高温超导限流器抑制故障电流的能力。因此，用于对高温超导限流器进行试验 的短路试验系统，必须能够精确控制短路瞬间线路电流的合闸角目的大小，使 得短路冲击电流达到最大值。 另外，由于是通过短路试验来测试h t s f c l 性能，需要测取短路过程中各参 量的瞬时变化曲线，短路时线路参量往往在很短的时间内会发生急剧的变化， 40 1 ) 问 3 时 图 00bqo 中国科学院电i ：研究所硕士论文 例如短路电流可能仅仅在短路后的半个周期内( 约1 0 m s ) ，就上升到其正常时 几十倍，所以短路试验系统在数据采集方面还必须能够快速响应，而且具有很 高的精度，这样才可以满足短路试验的需要。 由上面的讨论可知，用于试验高温超导限流器的短路试验系统，采集数据 的精度要高，响应速度要快，并且能够精确控制故障发生时线路电流合闸角的 大小。 1 4 现有短路试验系统的优缺点 目前已有的短路试验系统，有如下几种： 第一种如图1 4 所示，当短路电流分别为大电流和小电流时，可以用不同的支 路进行试验“o 3 。 三栩 电源 q f 2q i ( 2 r 【_ j 0 2 图1 4 o f l 一高压少油断路器q k l 一上端口刀开关q f 2 一高压真空断路器q k 2 一下端口刀开关 t 一冲击试验变压器0 1 一电流传感器z 1 - - 前接阻抗q f 3 一低压合闸开关( d w l 51 6 0 0 ) q f 4 一低压合闸开关2 ( 1 4 e 2 5 0 0 ) s a 一低压选相合闸开关0 2 一电压传感器z 2 一后接阻抗 当进行小电流短路试验时( 1 0 k a 及以下) ，先手动合上高压真空断路器q f 2 。 试验中，先合上选相合闸开关s a ，当采集了足够多的数据后，分开低压合闸开 关q f 3 ，然后再延时分s a 。 当进行大电流短路试验时( 1 0 k a 以上) ，采用低合高分方案，即先合上低压 合闸开关q f 4 ，在系统数据采集结束后，分开高压真空断路器o f 2 ，然后再延时分 6 中国科学院电l 一研究所硕士论文 开q f 4 。 这种短路试验系统的优点是对不同水平的短路电流，可以用不同的支路来实 现短路，因而既适用于小短路电流的情况，也适用于大短路电流的情况。但是， 这种试验系统在短路电流比较小时，利用选相合闸开关控制合闸角的大小，其选 相准确度受开关固有动作时间影响很大，常需测定和校正，误差比较大，在毫秒 量级，这对于线路中一个周期只有2 0 毫秒的工频正弦交变信号来说，意味着合闸 角的误差达几十度之多：在短路电流比较大时，采用低压合闸开关来实现短路， 无法控制合闸角的大小。另外，在试验开始前，线路断开，没有电流流过。线路 正常运行时，高温超导限流器串入线路。由于需要了解限流器对线路正常运行的 影响，在短路试验中，还要求测量短路前线路中的电流，因此在短路发生前，线 路应该正常运行，不应该处于开断状态。总而言之，这种短路试验系统并不适用 于对高温超导限流器进行短路试验。 第二种如图1 5 所示的是一套单相短路试验系统1 。 变压器 图1 5 短路开关k 打开时，线路正常，无故障，正常电流流过试品；闭合k ，线 路发生短路故障，线路中电流激增；当采集了足够的数据后，打开短路开关k ， 线路恢复为正常态。短路试验过程中，测量工作由一套基于p c i 总线的实时数 据采集系统来完成。数据采集系统的硬件以美国国家仪器公司( n i ) 的1 2 位p c i 总线结构a d c 板卡和霍尔电流传感器为核心，软件用l a b v i e w 开发。这套数据 采集系统响应快，可以高速采集数据，而且精度很高，很适合于测量短路瞬间 线路中参量的突变情况。但是，由于用短路开关k 来实现短路，存在着不能控 制线路电流合闸角的问题，所以以这套单相短路试验系统为基础的三相短路试 验系统，是不能满足高温超导限流器的短路试验要求的。 中国科学院电：l 研究所硕十论文 第三种如图1 6 所示“，是一套用于测试大容量变压器的短路试验系统。系统 采用电流互感器c t 来测量线路中的短路电流。但是由公式( 1 1 ) 可知，短路 电流还包含直流衰减分量，用c t 来测量这个直流衰减分量，效果没有第一种系 统中的霍尔电流传感器好。同时，这套短路试验系统采用选相开关实现短路， 来控制合闸角的大小，会和第二种类型的短路试验系统一样碰到选相准确度误 差很大的问题。而且，系统也没有测量在正常时线路中的电流。所以，如果使 用这套系统来测试高温超导限流器的性能，是无法得到满意的实验结果的。 三相 电源 图1 6 i t 试验变压器n b l 、n b 2 选相开关c t 电流互感器d v 电容分压器l 电抗器 第四种如图1 7 所示“，系统主要由三大部分构成，即一次模拟系统、智能化 监控系统和继电保护装置。 图17 一次模拟系统，主要由双侧电源、模拟线路、断路器、t v ，t a 和控制回 路等部分组成，完成一次系统的模拟和手动控制功能。智能化监控系统主要由 模拟量采集模块、开关量采集模块、5 8 6 工业控制计算机、可编程逻辑控制器 ( p l c ) 、执行继电器箱和打印机等部分组成。主要有以下功能：a 采集和处理模 拟线路两端电压、电流等模拟量；b 模拟线路主接线和运行参数的定时显示及 故障数据的存储和分析：c 监视两侧断路器位置及各开关量位置，监视保护动 作出口的状态；d 线路两侧断路器的跳、合闸控制；e 在模拟线路的1 1 个短路 中国科学院电r 研究所硕十论文 模拟点上，选定任意一个短路模拟点，设置故障类型、合闸角及故障时间；f 控 制短路开关( d l a b c ) 的关断。继电保护装置为微机实现的数字式超高压线路成 套快速保护装置。利用这套系统，可以任意设置合闸角的大小。而且系统以快 速晶闸管为基础的短路开关替代机电开关制造短路，使得合闸角的控制更为精 确。这套系统从技术上来说，是可以满足对高温超导限流器进行试验的要求的， 但是这套系统的成本太高。 上述四种短路试验系统的优缺点总结如下 优点缺点 适用于不同水平的短路 无法保证精确控制合闸 第一种角；无法测得被测装置在 电流下的试验。 正常时的运行情况。 第二种测量数据响应快，精度高无法控制合闸角 对直流量的测量效果不 适合于试验大容量变压好：不能精确控制合闸 第三种 器。角；不能测取被测装置在 正常时的运行情况。 可以精确控制合闸角，数 第四种成本太高。 据采集精度高，响应快。 1 5 论文工作概要 由于目前现有的短路试验系统，不能很好满足要求，所以有必要开发一套 新的短路试验系统，以便测试高温超导限流器的限流性能。 课题属于中国科学院知识创新工程项目“高温超导限流器及其在电网中的 应用研究”的一部分，要求研制一套新型短路试验系统，以便对高温超导限流 器的性能进行有效的测试。 论文的主要研究工作是，在已有短路试验系统的基础上，开发出一套精度 高，响应快，并且对线路电流合闸角的大小能够精确控制的成本比较低的新型 短路试验系统。以这套系统为基础，对一台高温超导限流器进行短路试验。 ( 1 ) 建立一个3 8 0 v 2 5 a 的短路试验平台。它作为整个短路试验系统的一部 分，是进行短路试验的基础。 中国科学院电j ：研究所硕十论文 ( 2 ) 在短路试验平台的基础上，建立一套实时数据采集和控制系统，实现高 速，高精度采集数据和精确控制线路电流合闸角的功能。实时数据采集 和控制系统与短路试验平台共同构成一套新型短路试验系统。 ( 3 ) 利用这套短路试验系统，对一台3 8 0 v 2 5 a 的高温超导限流器限制故障 电流的能力进行测试。进行单相短路接地，三相短路，两相短路接地和 两相短路总共四组短路试验。并且对试验进行仿真，利用仿真结果来验 证这套短路试验系统所测量得到的实验数据的可靠性和精确性，以及试 验系统本身的可靠性。根据实验和仿真结果，分析这台限流器的故障电 流削减率。 中国科学院电工研究所硕士论文 第二章短路试验系统的结构 短路试验系统由短路试验平台与实时数据采集和控制系统两大部分组成。 高温超导限流器接入短路试验平台，进行短路试验：数据采集和控制系统测量 线路参量，并对短路试验进行控制。 短路试验平台采集数据 高温超导 限流器 进行控制 数据采集和控制系统 图2 1 短路试验系统总体构成 2 1 短路试验平台 图2 2 是短路试验平台的原理图。这个平台是进行短路试验的基础。 c 相 图2 2 短路试验平台的原理图 短路试验平台中的电源取自电力网络的2 2 0 v 负荷端。 线路装有过流保护装置，一旦线路中的电流超过定的值，装置动作，自 动跳开，以保护系统中的其他部分。过流保护装置的参数如下： 、 额定绝缘电压u i ：3 8 0 v ； 额定频率5 0 h z ： 额定工作电压u e ：a c3 8 0 v ，d c2 2 0 v ； 额定电流i n ：i o o a ； 瞬时过电流脱扣器整定值：l o i n 2 0 ； 交流额定极限短路分断能力i c u ：1 2 k a 。 l s 和r s 接在被测装置前面，作为系统电抗和系统电阻。 中国科学院r 研究所硕士论文 高温超导限流器串入线路，通过2 2 中所述的实时数据采集和控制系统， 来测量它的有关信号。 利用反并联可控硅代替普通的开关来实现短路，每个反并联可控硅由两只 晶闸管反并联组成。普通开关动作的时间误差可达毫秒量级，使得合闸角的误 差达到几十度。而反并联可控硅开关动作的误差则只有微秒量级，合闸角的误 差可以缩小1 0 0 0 倍，精度大大提高，有利于精确控制短路瞬问线路电流合闸角 的大小。反并联可控硅的具体参数如下： i t ( 。，( 通态平均电流) = 1 5 0 0 a v s m ( 反向重复峰值电压) - - - - v 。( 断态重复峰值电压) 1 8 0 0 v v 。( 额定电压) 1 8 0 0 v in m ( 反向重复峰值电流) 和i m ( 断态重复峰值电流) 应在毫安量级 d 断态电压临界上升率应大于1 0 0 0 v 微秒 工作温度8 0 0 c 可调电阻r l o a d 作为负荷电阻，阻值在o u 2 5 欧姆之间可调。l l o a d 是 系统的负荷电抗。 2 2 实时数据采集和控制系统 除了短路试验平台外，还开发了一台实时数据采集和控制系统。系统的硬 件包括n i 公司的p c i 总线e 系列数据采集卡，霍尔电压电流传感器，合闸角控 制器和反并联可控硅开关控制器等其他部分，软件以l a b v i e w 为开发平台。通 过该系统，可以同时获得高采样速率和高采集精度，并且能够精确控制短路瞬 间合闸角的大小“。 霍尔电压电流传感器的精度高，响应速度快，反应时间只有1us ，所以能 测取线路中电压电流信号在短路前后的瞬时变化过程。被测的电压电流参量通 过磁场感应，产生输出信号，测量回路与被测线路没有电气上的直接联系，它 们之间高度绝缘，被测线路短路不会损坏传感器本身。霍尔器件还具有取样方 便、交直流都能测量等优点。 霍耳电流传感器的接线方法如图2 3 所示，电阻r 上的电压v 是它的输出， 输入到接线端子中，被计算机读取。被测电流通过霍耳电流传感器产生磁场b ， 而磁场b 的大小与霍尔器件的输出呈线性关系，因此被测电流i 与输出v 有如下 的线性关系： i = k v( 2 - 1 ) 中国科学院电 。研究所硕士论文 式中： i - - - 穿过传感器的的被测电流( a ) ； v 传感器的输出电压( v ) ： k - - - 比例常数( a v ) ，可以通过电流传感器的参数计算得到。 霍耳电流传感器的精度为额定电流的1 ，线性度优于0 1 ，响应时间在 微秒量级，适用于交、直流电流的测量。 霍耳电压传感器的接线方法如图2 4 所示。与电流传感器类似，霍耳电压 传感器内部工作原理是把被测的电压信号通过磁场感应，转换为与之成正比的 电压输出信号，进而输入到接线端子中。电阻r m e s 上的电压v 是它的输出。 霍耳电压传感器的精度为额定电压的l ，线性度优于o 1 ，反应时间在微秒 量级，适用于交、直流电压信号的测量。 - v d e 。= - 图2 3 利用电流传感器测量线路电流的接线图 中国科学院电工研究所硕士论文 + 图2 4 利用电压传感器测量电压的接线图 合闸角控制器由加法器，有源低通滤波器，电压比较器，放大器，光电隔 离器，微分电路和正边沿触发器组成；反并联可控硅开关控制器包括光电隔离 器，双与非门，振荡器，整形单元，5 5 5 定时器单元和变压器单元。 图2 5 短路试验平台 中国科学院电工研究所硕士论文 图2 6 用于对短路试验平台进行操作的工作台 图2 5 所示的是短路试验平台的外观图。两组反并联可控硅在右下角。中 间的是三台系统电抗，由于要流过比较大的短路电流，电抗器的体积较大。系 统电抗上面的是可调电阻。通过图2 6 所示的工作台，可以方便地实现各种短 路下的不同连线方式。 中国科学院电工研究所硕士论文 第三章数据采集和控制系统 用于对高温超导限流器进行试验的短路试验系统，在数据采集方面必须精 度高，响应快，并且能够精确控制线路合闸角的大小。为此，论文除了上一章 所述的短路试验平台外，还设计了一套实时数据采集和控制系统，以实现这些 功能，两者共同组成了高温超导限流器的短路试验系统。图3 1 是利用这套系 统，结合短路试验平台，对高温超导限流器进行短路试验的原理图。以此为基 础，对高温超导限流器进行了短路试验，成功地完成了采集数据和控制合闸角 的工作。 3 1 实时数据采集和控制系统的设计原理 系统的设计思想是计算机通过数据采集子系统从线路中获取有关信号，再 经过控制予系统向线路反馈回控制信号，控制线路的运行。系统的硬件由美国 国家仪器公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t s ) 提供的1 2 位p c i 总线结构数据采集板、 6 8 芯屏蔽电缆、接线端予、计算机、电压电流传感器、合闸角控制器、反并联 可控硅开关控制器组成。软件在开发平台l a b v i e w 上编制，能够实时采集数据， 显示和存储结果；而且系统仅仅通过软件操作，就可以任意调节合闸角的大小， 满足短路试验的需要。 一。型甾 图3 1 将实时数据采集和控制系统应用于短路试验平台中，对高温超导限流器进行短路 试验的原理图 图3 2 是总体设计框图，当系统采集数据时，线路中的电压电流信号通过 霍尔传感器转换成测量信号，由6 8 芯屏蔽电缆和接线端子输入到数据采集板 一一 ! 里型兰堕皇! ：堕壅堕堕主笙茎 上，再由计算机实时显示测量结果，存储和处理数据，根据处理结果，发出控 制电平，来触发合闸角控制器，使得合闸角控制器在设定的角度下发出信号给 反并联可控硅开关控制器，并使之给反并联可控硅的门极提供触发脉冲，以便 使得可控硅导通，实现短路。 图3 2实时数据采集和控制系统的总体设计框图 3 1 1 硬件组成 为了能够获得高采样频率和高采集精度，并能精确控制合闸角的大小，采 用以下各个器件来构成系统。 数据采集板选用n i 公司的1 2 位基于p c i 总线结构的e 系列a d c 板卡n 5 3 。 它在高采样速率的情况下，仍然能够保证采集的精度，可以高质量地完成高速 动态数据的实对采集工作。这种数据采集板的单通道采样速率可达到5 0 0 k s s ， 多通道采样速率可达到2 5 0k s s ，它有1 6 个单端( s i n g l e - e n d e d ) 或8 个差 分( d i f f e r e n t a i l ) 精度达到1 2 位的模拟输入通道，2 个精度同样为1 2 位的 模拟输出通道，8 通道数字输入输出( d i g i t a li o ) ，2 通道t i m i n gi o ，支 持模拟数字触发方式。 如图3 1 所示，线路总共采集8 路信号( c o c 7 ) ，输入计算机：a ，b ，c 三相 线路电流( c o ，c l ，c 2 ) ，超导线圈的电压和电流( c 3 ，c 4 ) ，合闸角控制器内部的三 个信号( c 5 ，c 6 ，c 7 ) 。计算机输出两路信号( c 0 。，c l 。) 。计算机通过接线端子来 获取或者输出这些信号。表3 i 和表3 2 是这十路信号在接线端子上相对应的 管脚号： 中国科学院电工研究所硕士论文 表3 i 输入信号通道号高电位管脚低电位管脚信号说明 c o6 8 ( a c h o )6 7 ( a i g n d )线路a 相线电流 c 13 3 ( a c h l )3 2 ( a i g n d )线路b 相线电流 c 26 5 ( a c h 2 )6 4 ( a i g n d )线路c 相线电流 c 33 0 ( a c h 3 )2 9 ( a i g n d )超导线圈上电压 c 42 8 ( a c h 4 )2 7 ( a i g n d )超导线圈内电流 c 56 0 ( a c h s )5 9 ( a i g n d ) c 62 5 ( a c h 6 )2 4 ( a i g n d ) c 75 7 ( a c h 7 )5 6 ( a i g n d ) 表3 2 输出信号通道号高电位管脚 低电位管脚信号说明 c o 。2 2 ( d a c o o u t )5 5 ( a o g n d )输出方波 c 1 川2 1 ( d a c i o u t )5 4 ( a o g n d )输出方波 合闸角控制器由美国国家半导体公司( n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o r ) 生产的电 压比较器和德州仪器公司( t e x a si n s t r u m e n t s ) 生产的双d 型正边沿触发器等 集成电路组成。反并联可控硅开关控制器包括双与非门，5 5 5 定时器和变压器 等器件。 由于整个合闸角控制子系统的组成部分：计算机、d a q 数据采集板、屏蔽电 缆、接线端子、合闸角控制器、反并联可控硅开关控制器的误差都非常小，这 就使得系统能够精确控制合闸角的大小。 3 1 2 软件设计 实时数据采集和控制系统软件在图形化开发环境- - l a b v i e w 5 0 下开发完 成。l a b v l e w 将g 语言和图形化的开发环境融合在起“，可以用来完成数据 采集和控制设备等工作。图3 3 是软件的设计框图。首先设定合闸角的大小， 系统采集线路中的信号，然后系统结合合闸角值输出相应的数据给模拟输出部 分。与此相并行的是数据采集过程。d a o 卡根据配置的情况，采集线路中的信 号，同时实时显示采集的结果。这个过程采用条件循环结构( w h i l el o o p ) ，当 程序运行出现错误或使循环控制变为f a l s e 时，程序结束数据采集，存储数据， 中国科学院电：研究所硕士论文 释放缓冲区。 图3 3 实时数据采集和控制系统软件设计框图 利用l a b v i e w 编制的虚拟仪器程序( v i ) 主要由程序前面板( f r o n tp a n e ) 和框图程序( b l o c k i a g r a m ) 两部分组成“”。 在前面板上，可以改变合闸角的大小，使系统在不同的角度下发生短路。 另外，还可以对数据采集过程进行相关的配置。本系统使用了如下的控制对象 函数。( 1 ) i ) e v i c e - - 用来指定数据采集板的设备编号。( 2 ) c h a n n e l s - - 是描述模 拟输入通道的字符串。( 3 ) b u f f e rs i z e 一可以调节存储数据的缓冲区的大小。 ( 4 ) s c a nr a t e 一指定计算机的采样速率。( 5 ) w a v e f o r mc h a r t 一实时显示各 通道采集的数据，可以实时观测各个被测信号的瞬时变化过程。( 6 ) b u t t o n 一 控制数据采集过程，点击为s t o p 状态即可终止采集。( 7 ) f i l ep a t h 一指定数 据存储的路径和文件名。 与前面板相对应的框图程序，包含一系列由图标表示的功能模块，相当于 子程序，主程序通过调用、组合子程序来创建实际应用程序。本软件包括的子 程序有：( 1 ) c o n f i g v i 一设定数据采集卡的设备编号、指定模拟输入通道号以 及缓冲区的大小。( 2 ) s t a r t v i 一根据设置的采样速率，以后台工作方式开始 连续数据采集过程。( 3 ) r e a d v i 一在条件循环中连续采集数据。( 4 ) w a v e f o r m 一实时显示采集的数据。( 5 ) b u i l da r r a y 一将每次采集的数据依次组成数组。 ( 6 ) s t o p 一循环控制逻辑，t r u e 时，程序在w h i l el o o p 中不断采集数据；f a l s e 时，程序跳出循环，终止采集过程。( 7 ) t r a n s p o s e2 da r r a y 一将数组转换为 以列为分界的数组，以便于存储。( 8 ) c l e a r v i 一停止数据采集后，释放缓冲 中国科学院电工研究所硕士论文 区。( 9 ) a o c o n f i g v l - - 设置d a q 卡的编号和模拟输出通道号。( 1 0 ) a os i n 9 1 e u p d a t e v i 一根据指定的数据，输出模拟信号。 n i - - d a q 驱动程序“是软件和硬件接口之间的桥梁。它具有通用的应用编程 接口( a p t ) ，能够通过接口把硬件设备和计算机相连接，交换数据。借助于n i - - d a q ，利用l a b v i e w 开发的各种实际应用程序，可以支持多种操作系统，可移 植性强“。 3 2 实时数据采集和控制系统的实际应用效果 利用上述这套实时数据采集和控制系统，我们进行了相关的短路试验。图 3 4 是设定合闸角为l o 。，采样速率为2 0 0 0 0 ( s c a n s s e c o n d ) 时，线路中电流 信号在短路瞬间的变化曲线，通过分析获取的数据，可知此时合闸角的误差 + 5o 。 图3 4 合闸角= 1 0 。，线路中电流信号的瞬变过程曲线 可见： ( 1 ) 利用这套实时数据采集和控制系统，能够实时显示短路前后被测参量 的瞬时变化过程。 ( 2 ) 这套系统能够精确控制合闸角的大小。 ( 3 ) 通过这套系统采集数据，可以同时获得高采样速率和高采集精度。 ( 4 ) 综上所述，这套实时数据采集和控制系统能很好地满足对高温超导限 流器进行短路试验的要求。 中国科学院电 研究所硕士论文 第四章合闸角控制器和反并联可控硅开关控制器的设计 在开发实时数据采集和控制系统的过程中，研制了系统所需的合闸角控制 器和反并联可控硅开关控制器。图4 1 是图3 1 中合闸角控制器和反并联可控 硅开关控制器的内部框图。合闸角控制器包括加法器，有源低通滤波器，电压 比较器，放大器，光电隔离器，微分电路和正边沿触发器；反并联可控硅开关 控制器由光电隔离器，双与非门，振荡器，整形单元，5 5 5 定时器单元和变压 器单元构成。 4 1 合闸角控制器的设计原理 a 相正弦电流i 通过霍尔电流传感器，转化为一个和它大小成正比，相位 相同的正弦电压量u ( ，) ，通过接线端子c o 通道，输入计算机。同时，u ，) 作为 整个合闸角控制器的一个输入，还接到加法器上，如图4 1 所示。 由于在任意时刻，i 。的相角和u ( ，) 的相角是相同的。因此，如果当u ( t ) 的 相角为口时，线路发生短路，那么短路时，i 的相角也是0 ，或者说i 合闸角 是0 。 故障相合闸角0 的大小，可以通过图3 2 所示的基于l a b v i e w 编制的v i 程 序来设定，- 9 0 。0 + 9 0 。由于对称性，当合闸角口在 + 9 0 。，+ 2 7 0 。 范围内发 生故障时，故障后线路内各个参量的波形和当合闸角为( 口一1 8 0 。) 时的各个参量 的波形关于x 轴对称，因此只需研究一9 0 。0 + 9 0 。的情况就可以了。 u ( f ) 的波形如图4 2 所示。设u ( r ) 故障前为： 【，o ) = u 。s i n ) ( 4 - 1 ) 此信号经加法器后，被叠加一个正向直流电平u 。；然后又经过有源低通滤 波器，被滤掉高频杂散信号。成为信号u 1 。 、 u l = u 。s i n 向) + u o ( 4 - 2 ) 计算机测取信号u l ，分析出u l 所包含的u 。，结合目和u 。，得到使得短 路时u ( t 1 的相角为0 ( 也即a 相线电流i 一的合闸角为0 ) 的计算机输出c o 。的 低电平值，c o 。通过接线端子输出： = u 。s i n ( g ) + u o ( 4 3 ) 旨曲矗蹿斟 | |b l糖 1 、宴 一 卜 韶囊鼙j 召辱三睡 e t 璺i j 广 孽f 装j 广 蠢f 母l 蟊l 班1 韶1 广 薹| 、 l器1 层莲 星r箍1 帮 l 。、r 一 晗蕃卦i空譬帮 卜 ”一 蟮 离 帮 船 爿l 鲫琳审捌空群瑚排j空壁帮 匣a l|岭香盐空墅鞠曾河擎泵习j空群洋卅空壁帮哥省丰匡圈 两琳鼎蘸 中国科学院电 ：研究所硕士论文 罗 口b 地 o o 1 - ir t l e ( s ) 图4 2 与故障相a 相线电流成正比的电压信号c ，“1 c o 。和u l 一起作为电压比较器的输入，输出信号u 2 。图4 3 是u l ，c o 。和u 2 的波形。当c o 。为高电平，比u l 大时，电压比较器输出