（电工理论与新技术专业论文）短路限流技术在电力系统中的应用研究.pdf

浙江大学硕士论文 a b s t r a c t a l o n g w i t ht h ee x p a n d i n gp o w e rn e t w o r k ，t h ef a u l tc u r r e n th a si n c r e a s e dg r e a t l y i tw i l lb r i n gh i d d e nt r o u b l e st ot h es e c u r i t y , s t a b i l i t y , c r e d i b i l i t yo ft h ep o w e rs y s t e m c o n v e n t i o n a lc u r r e n tl i m i t e r sg r a d u m l ys h o wt h e i rl i m i t a t i o na n dc a n tf i tt h er e q u e s t o f h i g hp o w e rq u a l i t y t h ef a u l tc u r r e n tl i m i t i n gt e c h n o l o g yh a sb e c o m eah o t s p o to f f a u l tp r o t e c tr e s e a r c h s o l i ds t a t e sf a u l tc u r r e n t l i m i t i n g ( s s f c l 、t e c h n o l o g y i san e wf a u l tc u r r e n t l i m i t i n gt e c h n o l o g y t h ef a c u l t yi nz h e j i a n gu n i v e r s i t yh a v ep r o v i d e d an o v e lb r i d g e t y p e s o l i ds t a t es h o r tc i r c u i tf a u l tc u r r e n tl i m i t e r i th a sm a n ya d v a n t a g e s ：( 1 ) t h e t o p o l o g i e si ss i m p l ea n di tm se a s yt or e a l i z e ；( 2 ) t h ec o n t r o la n da p p l i c a t i o nm o d e i s f l e x i b l e ；( 3 ) i th a sl o ww a s t a g e s oi t i sf e a s i b l et od e v e l o paw e l l p e r f o r m e df a u l t c u r r e n tl i m i t c r n o ww ea r er e s e a r c h i n go ne n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o no ft h en o v e ls o l i d s t a t ef a u l tc u r r e n tl i m i t i n g f i r s t ，t h ep a p e re x p a t i a t eo nt h ei m p o r t a n c ea n db a c k g r o u n do ff a u l t c u r r e n t l i m i t i n gt e c h n o l o g y i t m a k ea ns u m m a r yo ns o m ee x i s t i n gf a u l tc u r r e n t l i m i t i n g t e c h n o l o g i e sa n dt h e i ra d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s t h e nt h ep a p e rg i v e sa nn o v e l s o l i ds t a t ef a u l tc u r r e n tl i m i t e r i tp r o v i d e st h em a i nc i r c u i tt o p o l o g i e so fs i n g l e - p h a s e a n dt h r e e p h a s ef a u l tc u r r e n tl i m i t e r , a n de x p l a i n st h ep r i n c i p l eo ft h i sf c l d e t a i l e d l y a f t e rt h a tt h ea u t h o ra n a l y z e st h ee x p e r i m e n t a t i o no ft h e3 8 0 一v o l t a g el a bs a m p l e m a k e sas u m m a r i z a t i o na b o u tt h ep r o b l e m sa n dr e s o l v e n t si nt h ee x p e r i m e n t a t i o n a n dg i v et h er e s u l to ft h ee x p e r i m e n t a t i o nw i t hd i a g r a m c h a p t e r4i n t r o d u c e st h e c o n t r o ls y s t e mo ft h e1 0 k - v o l t a g en o v e ls o l i ds t a t e sf a u l tl i m i t e r d i s c u s st h ed e s i g n t h e o r ya n dt h ew a yo fr e a l i z a t i o n a tt h ee n dt h ea u t h o rt a l ka b o u ts o m ep r o b l e m s w h i c hs h o u l db ec o n s i d e r e di nt h ea p p l i c a t i o no ff c l t h ea u t h o ra l s om a k eag o o d e x p e c t a t i o nt ot h ed e v e l o p m e n t o ft h en o v e ls o l i ds t a t ef a u l tc u r r e n tl i m i t e r k e yw o r d s ：p o w e rs y s t e m ，s h o r tc i r c u i t ，f a u l tc u r r e n tl i m i t e r s o l i ds t a t ef a u l tc u r r e n tl i m i t e r t h y r i s t o r ，c o n t r o ls y s t e m , e x p e r i m e n t a t i o n r e s e a r c h 第一章绪论 第一章绪论 1 1 短路限流技术在电网中的意义 电能作为一种清洁无污染的能源，可以远距离、大容量地输送和使用。电能 利用的广度和深度，日益成为一个社会现代化程度的重要标志。我国电力工业在 九五期间已步人了高速发展时期，各大电网装机容量以每年1 0 _ 一2 0 的速度递 增。电力系统的运行要求安全可靠、电能质量高、经济性好。但是随着经济的发 展，电力需求日盏增长，电力系统的规模也逐渐扩大【1 】【2 】【3 1 。发电机单机容量的增 大、配电容量的扩张及各大电网的互联，配电母线或大型发电机出口的短路电流 值也将迅速提高，有可能达到1 0 0 - - 2 0 0 k a 的水平。电网的短路水平迅速提高。 这就给电网内各种电器设备，如断路器、变压器以及变电站的母线、构架、导线 和支承瓷瓶等带来了更苛刻的要求。旦发生短路，系统中的开关设备应能在尽 可能短的时间内隔离故障点。这既是发、变电设备安全性保护的要求，也是电力 系统安全、稳定及经济运行的需要。短路电流问题已开始成为影响我国电网发展 和运行的一个重要因素。因此，限制电力系统短路电流成为一个亟待解决的问题。 电力系统中发生短路故障的主因是电气设备载流部分的绝缘损坏，如果预防 性的绝缘试验没有进行，或者进行不够仔细，则随着绝缘的自然老化就可能引发 短路故障。此外，由于雷击等过电压和任何如掘沟时损伤电缆等机械损伤也许会 引起绝缘损坏；运行人员的未拆地线就合闸、带负荷拉隔离刀闸等误操作。鸟兽 跨越裸露的载流部分时，也将引发短路故障。 发生短路可能造成重大的危害【4 1 ： 1 、故障点很大的短路电流燃起的电弧，使故障设备损坏。 2 、从电源到短路点间流过短路电流，它们引起的发热和电动力将造成在该 路径中有关的非故障元件的损坏。 3 、靠近故障点的部分地区电压大幅度下降，使用户的正常工作遭到破坏或 影响产品质量。 4 、破坏电力系统并列运行的稳定性，引起系统振荡，甚至使该系统瓦解和 崩溃。 5 、不对称短路导致的不平衡电流，会在邻近的平行线路内感应出很大的电 动势，干扰通讯线路并危及设备和人身的安全。 为有效抑制短路故障给电力系统及其用户带来的巨大危害，以及保证电力系 统安全、可靠、稳定的运行，改善电能质量，必须采取行之有效的方法限制短路 电流。因此，故障限流技术已经成为了国内外电力行业的研究热点之一一【5 。 第一章绪论 1 2 故障限流技术的发展 限制短路电流是电力工程中一个古老的课题之一，经过半个多世纪的努力还 是未能找到理想的解决方法。传统的限制故障电流的措施，是从电力网结构、系 统运行方式和设备等三方面考虑的”“： 1 )从电力网结构方面考虑，变压器分开运行比变压器并联运行时的短路 阻抗要大，可以限制短路电流，但这样就影响了系统运行的灵活性， 功率损耗也更大。当电网容量日益扩大，短路电流相应增加到一定程 度时，可以发展高一级电网，低压电网分片或将母线分列、分段运行， 甚至将电网解列“1 。但发展高一级电网投资大并且涉及到环境污染问 题。 2 )从系统运行方式考虑，低压分片、采用多母线运行或母线分段运行、 甚至解列电网简单易行且效果显著，但一般只在必要时才采用，因为 它可能降低系统的安全裕度，限制运行操作和事故处理的灵活性，除 非不得己才采用。随着5 0 0 k v 电网的发展，2 2 0 k v 电网实施合理分区 运行后，当系统短路电流不再对设备造成威胁时，分裂厂站应重新合 环运行“。采用超高压直流联网也是减小短路电流的一种方法，大区 电网以直流互联的主要优点在于，两交流电网可以非同步运行，两网 可以互相隔离，不传送短路功率“”“”。但这种方法投资较大，随着可 控硅整流等电力用半导体元件的普及与推广，脉冲开断、可控硅集成 等技术的开发，可以期待成本会大幅度下降“。 3 )从没备方面考虑，目前系统内应用的限流设备已有串联电抗器、高阻 抗变压器、分裂电抗器、分段电抗器和出线电抗器等多种方式 “”“”1 “。在厂用电及l o 3 5 k y 变电所中有串联电抗器的方法，但 在高压电网中不宜采用，这种措施会导致电压降和网络损耗增加，并 降低系统的稳定性。串联电抗器限流技术在发生短路故障断开断路器 时，还会引起瞬态恢复电压( t r a n s i e n tr e c o v e r yv o l t a g e ，t r v ) ， 易将断路器及其他设备损坏。例如，加拿大b c h y d r o 的2 5 k y 线路 上采用2 1 m h 3 5 m h 的电抗器限制短路电流至1 2 5 k a ，但切断短路 故障时产生的瞬态恢复电压导致两条线路上的断路器损坏，安装限制 过电压的浪涌电容( s u r g ec a p a c i t o r ) 可以解决这一问题“”。在大 容量发电厂中为限制短路电流可采用低压侧带分裂绕组的变压器，在 水电厂扩大单元机组上也可采用分裂绕组变压器。为了限制6 l o k v 配电装置中的短路电流，可以在母线上装设分段电抗器。分段电抗器 能限制发电机回路、变压器回路、母线上发生短路时的短路电流，当 2 第一章绪论 在配电网络中发生短路时则主要由线路电抗器来限制短路电流。采用 高阻抗变压器、分段电抗器和出线电抗器的方法由于简单、可靠性高， 应用较为广泛，但是系统正常运行时有较大的电压降和有功功率无功 功率损耗，效率低。分裂电抗器在电力系统正常运行时因负载引起的 电压损失比普通电抗器要低，但是分裂电抗器有可能使无故障支路侧 电压超过额定电压n “。 总之，传统的限制短路电流的措施还存在这样或那样的缺点，但是随着电力 系统容量和规模的扩大，系统短路电流越来越大，使运行中的电气设备如断路器 和隔离开关的遮断容量逐渐与系统的短路容量不匹配，断路器及其他设备的遮断 容量和短路动稳定性不能满足要求，为此必须更换具有更大遮断容量的断路器和 其他电力设施“。此外随着短路电流的增大，开关等设备的选择也将出现困难。 短路电流越大，对这些电气设备要求也越高，制造成本也相应提高。可见，单纯 用提高电气设备承受短路电流能力的方法是十分不经济的。 当短路电流超过现有断路器遮断容量时，采取更换大容量断路器是最简单的 方法，但牵涉到设备制造能力、基础、辅件的动热稳定承受能力以及通讯干扰等 问题，需要综合考虑。一般认为系统短路电流和断路器设备遮断容量太大是不经 济的。而且，一般断路器的分闸时间约为2 0 - - 1 5 0 m s ，全开断时间f 包括燃弧时 间) 至少也需要几十毫秒，而故障电流的最大峰值往往出现在第一半波，这样， 采用高参数断路器，不仅其本身制造难度和造价很高，而且它根本不可能使发、 变电设备免受故障电流峰值电动力和热效应的冲击。解决这一问题更为经济可行 的办法是设法限制电力系统的短路电流o 。故障电流限制器( f c 卜f a u l tc u r r e n t l i m i t e r ，或c l d - - c u r r e n tl i m i t i n gd e v i c e ) 就是用来限制故障电流的一种设备。 研制这种设备已有二十多年的历史，人们作了大量研究工作。 短路电流限流器f c l ( f a u l tc u r r e n tl i m i t e r ) 是一种串接在线路中的电气 设备。它正常时阻抗为0 或很小，而故障时阻抗很大。它必须满足下列要求【2 1 】【2 2 】： 1 、线路正常运行时，限流装置呈低阻抗或零阻抗状态，系统的有功功率和 无功功率损耗小，而且不会产生系统不可接受的谐波； 2 、故障发生时，限流器应迅速从低阻抗状态切换到高阻抗状态，在故障电 流到达第一个峰值前有效限制短路电流； 3 、故障切除后，限流装置能较快地从限流时的高阻抗状态回到低阻抗状态， 不影响电力系统重合闸； 4 、限流过程中无过电压产生，不会引起系统暂态振荡； 5 、控制简单，无须高速短路故障检测技术； 6 、限制短路电流后无须更换，短期内可承受多次短路故障冲击，而且限流 性能不会变差； 第一章绪论 6 、对正常过载电流，如电容器放电、变压器涌流、电动机起动电流等不敏 感； 7 、不影响电力系统保护的选择性； 8 、如果故障限流器本身损坏，电力系统仍能安全运行； 9 、合理的成本价格，可以承受的体积和重量，可靠性高，需要的维修量少。 在7 0 年代国际上就有人提出短路电流限制器，此后至8 0 年代初期，不断有 人对此进行研究。这可视为f c l 发展的第一阶段。其特点足使用机械开关，其 主要技术是针对灭弧问题，但装置成本高，速度慢，难以限制短路电流的峰值， 故未能在电力系统中得到实际应用。8 0 年代中后期，由于新技术的出现及原有 技术的发展，又有一系列新型的f c l 被提出。经过二十多年的发展，已经取得 了一+ 定的成果。 f c l 是现代电力系统中的重要元件。使用f c l 的优越性有： 一般来说，电压等级越高，故障电流越大，越难以开断；而f c l 的使用 可直接减轻断路器的开断负担。 快速限制短路电流可减少线路的电压损耗和发电机的失步概率，如果能 配置恰当的限流器，则系统的功角稳定、电压稳定和频率稳定都能得到 有效的改善，电网和设备事故也就可得到有效的控制。 目前输电线路的实际输送能力均在稳定极限以下，如果限流器能在短路 电流达到峰值之前就发挥作用，大多数设备设计和选用时所要求的热稳 定极限及动稳定极限就可降低，电网的热极限及稳定极限比也可相应减 小，从而大大提高了输电线路的利用率，降低整个电网的投资。 高压电网短路电流水平的限制有利于架设在高压电力线路附近的通信 线路和铁道信号系统的工作。 基于上述优越性，预计电力系统对f c l 的需求必将会日益强烈。 1 3f c l 的实现方案 经过多年的发展，目前故障电流限流器已经有多种类型，主要有超导限流器、 磁元件限流器、p t c 电阻限流器、以及固态限流器等。 1 3 1 超导故障限流器 超导限流技术是种全新的技术【2 3 1 ，它利用超导体的超导i e 常( s n ) 态的 转变。由无阻态变到高阻态，以达蓟限制短路电流的目的。超导故障限流器 ( s u p e r c o n d u c t i n gf a u l tc u r r e n tl i m i t e r ，简称s f c l ) 的研究在世界范围内已引起 广泛的关注。 4 第一章绪论 超导发生s n 转变的电流称为临界电流，超导故障限流器( s f c l ) 接入电 网中，当电力系统正常运行时，传输电流在超导线临界电流以下，超导体的电阻 几乎为0 ，对电力系统运行无影响i 一旦电网发生短路，短路电流大于临界电流 时，超导体“失超”，由零阻抗表现为非线性高电阻，从而限制了短路电流。超 导故障限流器正是利用超导的s n 态转变来限流，并能在较高电压下运行，同时 集检测、转换和限流于一身，能在毫秒级时间内有效地限制故障电流。 此外，s f c l 还具有以下卓越特性： 1 、 保证电流不超过临界值，显著降低线路的机械和电动应力，可延长 电力设备的使用寿命； 2 、 能减少故障电流的持续时间，从而增加了电力系统的功率输送能力。 改善其动态稳定性： 3 、 正常运行时，发热和损耗都很小。 s f c l 基于“失超”现象，立刻把大的短路电流限制在线路正常运行电流的 2 3 倍水平以f ，从而不必在电网扩容时替换现有开关设备，节省电力部门的投 资。但其不能断开故障线路，因而必须与传统的断路器结合使用，利用传统断路 器来断开故障线路。此时断路器切断的仅仅是已被限制的短路电流，但要求切断 速度非常快，以隔离和抑制超导线圈的焦耳热。 现阶段，要将s f c l 实际应用到电力系统，仍然有若干关键问题需要解决。 除了提高超导线材的技术、经济性能，以及冷却系统的效率等般超导电力装置 所共同面临的问题之外，还必须考虑以下3 个方面的问题。“： a 限流水平的设定以及和电力系统现有断路器、继电保护手段相互配合的 问题； b 如何移走超导故障限流器在限制短路电流过程中产生的大量的焦耳热量 的问题。“，限流过程在超导体( 线圈) 中产生的热量对装置本身特性以及安全性影 响的问题； c s f c l 限流动作后的状态恢复问题，故障消除后超导体从高阻态恢复到 超导态的时间过长对实现电力系统的重合闸很不利“。 若高温超导材料的研究、生产工艺和性能取得新突破，低交流损耗的大电流 超导电缆、高电压高温超导交流电缆及高温超导线“失超”传播和保护等问题能 得以解决，那么超导故障限流器在电力系统中将具有广阔的应用前景。 5 第一章绪论 1 3 2 磁元件限流器 图1 1 磁元件限流器 采用磁元件构成的限流器又称磁饱和型短路限流器f 2 5 】，如图1 - 1 所示，它由 铁芯、一次和二次线圈、直流偏置电源等组成。选取适当的安匝数使两个电抗器 铁芯在正常工作情况下均处于磁饱和，因而交流绕组的电抗很小，当故障电流通 过交流绕组时，两个电抗器的铁芯分别在正、负半波磁通变得不饱和，而呈现很 大的电抗，起到了限制短路电流的作用。 1 3 3p t c 电阻限流器 p t c ( p o s i t i v et e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n t ) 电阻是一种非线性电阻【2 6 】【拥，在室 温时电阻非常低，当温度升高到一定值时，电阻迅速增加，其阻值比室温电阻高 出8 1 0 个数量级。p t c 电阻故障限流器是由能导电的活性物质和金属或非金属 填充物构成的合成物，在电路正常运行时电阻小压降低，产生的焦耳热损耗不用 专门的散热设备处理，通过和空气发生传导、对流、辐射等途径就能达到热平衡； 当发生短路时电阻温度迅速增加，在u s 时间内就增加到高电阻值，从而起到限 制短路电流的作用。但是p t c 电阻限流器也有固有的缺点：由于电阻迅速升高， 在限制感性电网电流时会产生很大的过电压，因此在p t c 电阻两端必须并联限 过压设备。p t c 电阻在限流过程中会膨胀，必须采用特殊的连接设备和充分考虑 连接设备的热和机械强度。p t c 电阻固有的电压和电流额定值不高，只有几百伏 几安，必须串并联使用，这限制了其在高压系统中的应用。 1 3 4 固态短路限流器 固态限流器是利用电力电子技术开发的一种新型短路限流器【8 1 【2 8 】 2 9 1 ，具有动 作速度快、允许动作次数多、控制简便等优点。随着电力电子器件技术水平的飞 速提高，柔性交流输电系统( f a c t s ) 正日益完善，固态短路限流器做为f a c t s 6 第一章绪论 组件成员之一，已经开始得到越来越多的关注。 图1 - - 2 固态限流器原理示意图 如图1 - 2 ，它主要由三部分组成：组能快速动作的g t o 开关，一个限制电 流的阻抗，一个氧化锌避雷器。此外，有一套检测电流装置及一套控制装置。在 正常负荷条件下，g t o 开关闭合并处于完全导通状态。故障时g t o 在几十微秒 内可转换为断开状态，并可断开很大的电流，使故障电流在达到有破坏性的数值 前很快受到限制，在g t o 关断瞬间，电流流向吸收保护的电容，吸收保护在g t o 管电压达到避雷器动作电压之前，限制了电压的上升速度。该电压也加在限流阻 抗上，由于限流阻抗的作用，故障电流受到了限制，当故障被清除，线路电流恢 复正常，g t o 开关则在电压为零或接近零时接通，这样可以避免吸收电容放电 电流太大，限流阻抗上的电流将在零点几秒内衰减掉【2 8 】。 西屋公司按与e p r i 签订的合同，已制造出一台( 1 3 8 k v ，6 7 5 a ) f c l ( 与 固态断路器s s c b 组合) ，并于9 5 年2 月安装于p s e & g 的变电站中投入运行【2 ”。 日本东北电力公司及日立公司研制了试验装置，并进行了实验f ”】。在实际实验 装置中，g t o 开关放在密闭的容器内，采用液体自循环冷却系统，不需要风扇 和泵。通过实验发现，d c l d ( d i s t r i b u t i o nc u r r e n tl i m i t i n gd e v i c e ，配电系统电 流限制器) 的动作是十分迅速的。在电流为4 0 0 a ，电压为6 6 k v 、通过功率为 4 5 7 0 k w 情况下，g t o 及二级管的损耗不大于通过功率的o 2 ，这表明采用自 循环冷却系统是完全可行的。这种电流限制器可用在对电源要求高的场合。 据西屋公司、e p r i ( e l e c t r i cp o w e rr e s e a r c hi n s t i t u t e ) 的纽约爱迪生公司对 美国些电力公司所作的调查表明【1 1 ，大家对于多次操作的电流限制器是有很大 需求的，有的一次性操作的熔断器类限制器己不能满足要求。e p r i 根据被调查 的美国电力公司的答复，归纳出对配电系统电流限制器( d c l d ) 的参数要求： ( 1 ) 、适用于1 5 k v 直接接地的配电系统，从统计来看，这种电压等级的配 电系统最多。 ( 2 ) 、馈电线的d c l d 连续电流额定值为6 0 0 a ，变压器主回路的d c l d 为 第一章绪论 1 6 0 0 a ，这两种电流下好与a n s ic 3 7 0 1 0 和c 3 7 ，2 & 0 标准的断路器相 匹配。 ( 3 ) 、故障电流不大于2 0 k a ( 三相对称，有效值) 。 ( 4 ) 、至少应该动作5 0 次，设备才需要进行修理更换，设备上应装设动作次 数记录器。 ( 5 ) 、正常运行下的功率损耗不大于1 0 m v a 变压器损耗的l 4 ，或不大于通 过设备功率的0 2 5 。 ( 6 ) 、每套设备的价格不超过5 万美元。 ( 7 ) 、安装的复杂程度及体积的大小应不超过断路器。 电流限制器应有的功能： ( 1 ) 、限制系统的短路电流。使其不超过设备允许的瞬时电流及遮断电流。 ( 2 ) 、保持限制故障电流，直至清除故障。 ( 3 ) 、故障清除后，电流限制器自动恢复。 ( 4 ) 、运行在电流限制模式时，系统的保护应能保持协调，保证正确动作。 e p r i 结合调查结论和当前限流技术的发展，指出以半导体器件为基础的固 态短路限流方案，是有可能满足各电力公司提出的以上各项要求的技术发展方 向，并推荐了如图1 2 所示的限流器结构。 固态限流器也有多种类型：g t o 开关型限流器、谐振式限流器、可变阻抗 式限流器、具有串联补偿作用的限流器、无损耗电阻器式限流器、混合限流器、 新型桥式固态短路限流器。下面将详细介绍新型桥式固态限流器。 第二章新型固态眼流器主电路结构及豫理 第二章新型固态限流器主电路结构及基本原理 固态短路限流器，作为柔性交流输电技术的组成部分，已成为限流技术发展 的新方向。浙江大学电气学院结合专利技术【3 2 1 1 ”】，提出了一种新型固态短路限 流技术思想，并在此思想基础上成功地开发出了可应用于各种电网环境中的限流 器结构。本章就这一短路限流保护技术的工作原理进行分析。 2 1 单相限流器主电路 如图2 一l ( a ) 所示，为理想单相桥式限流器原理图“4 “3 “。正常运行时对晶闸 管t h y l t h y 4 常加脉冲，使其构成单相桥，轮流导通线路电流i 。i 为正时 等效电路如图2 - 1 ( b ) ，i 为负时等效电路如图2 - 1 ( c ) 。电流源满足f c i 。 ( a ) 限流器拓扑 ( b ) 负载电流为正时等效电路( c ) 负载电流为负时等效电路 图2l 单相限流器原理图 由基尔霍夫电流定律可得 i 十b 4 = l f w i + f 日y 3 = f c 由桥式电路的对称性可得 t t h y l = b 2 i n n , 3 = i n n , 4 9 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) 第二章新型固态限流器主电路结构及原理 求解以上方程可得： b 。一i r m , 2 = 华 o = = 等 o 所以，4 个晶闸管都导通，限流器对i 不表现出任何阻抗。当负载侧发生短 路( 例如在电源电压正半波) 时，电流i 跳至i ，时t h y 3 截止，电流源立即自动 串入短路回路，限制了短路电流的上升速率和最大峰值，只要及时封锁t h y l 、 t h y 4 的门极脉冲，由于晶闸管有电流过零关断的特点，最多在1 0 m s ( 半个周 波) 内，t h y l 、t h y 4 在电流过零时关断，短路故障即可被切除。在限流过程 和切除故障时都不会产生过电压，故障切除后电流源电流可以通过t h y 2 、t h y 3 续流。 上述新型固态限流器基本上满足了理想的故障限流器要求，综合了限流式熔 断器、超导限流器、p t c 限流装置自动检测短路故障和自动限制短路电流的优点， 避免了机械式断路器和限流式熔断器、超导限流器、p t c 限流器、以及原有的固 态限流器等限流装置在限制电流时产生过电压的缺点，是一种性能良好的固态限 流器。 在实际工程应用中，可用一个电感代替图2 - 1 ( a ) 中的电流源，如图2 2 ( a ) 所示，电感在电路起动后的暂态过程中被充磁至负载电流的峰值，并在理想情况 下( 不计损耗) 保持为负载的峰值电流不变。但考虑到晶闸管的通态损耗及电感 线圈的铜耗，稳态时电感能量的损耗使电感电流略有下降，此时，将导致限流电 感在负载电流的峰值附近短时间串入负载回路，由电网电压为其充磁以补偿损耗 的能量，从而造成负载电流在峰值附近的失真。假如晶闸管及电感上的损耗与电 感的储能相比较足够小，由此引起的负载电流在峰值附近的失真可以忽略不计。 其它时间段的工作与图2 一l ( a ) 电路分析相同。电感电流、负载电流的波形如图 2 2 ( b ) 所示。 ( a ) 限流器工程拓扑( b ) 电流波形 图2 - 2 实际单相限流器拓扑 1 0 第二章新型固态限流器主电路结构及原理 2 2 三相限流器主电路 2 2 1 三相限流器拓扑 将单相桥式限流器工作原理拓展到三相系统，对于三相接地系统可以得到图 2 - 4 的电路拓扑【3 6 】【3 7 】【3 8 】。 图2 - 3 固态短路限流器主电路拓扑 图2 - ：3 的限流器工作原理简述如下：未发生过流故障时，8 个晶闸管的触发 脉冲常加。由于三相电路从拓扑的角度来看是对称的，故可取a 相进行单独分析。 工a ( a )( b ) ( a ) f 。为正时等效电路( b ) i 。为负时等效电路 图2 4a 相工作等效电路 当i 。为正时，与f 。相关的拓扑如图2 - 4 ( a ) 。当电感电流时，由基尔霍 夫电流定律知，一t 一芑o ，即t 8 导通，如果认为t 4 、t 8 的导通压降相等， 则a 2 点与地同电位，即相当于a 2 直接接地；当 串行外设借口模块( s p i ) 6 个外部中断：电源保护、复位、不可屏蔽中断( n m i ) 和3 个可屏蔽 中断。强大的中断控制系统，为实现实时控制提供了必备的硬件支持， 高速流水线指令处理为功能强大的程序提供条件。 电源管理包括4 种降低功耗的方法 由上面的特点可知该d s p 的强大的硬件支撑，为形成灵活的控制方式提供了 物质基础。 控制系统框图如图4 - 2 所示。本人主要负责所有信号预处理电路的设计。 图4 - 2 短路限流器控制系统框图 输入信号共1 0 路：电源侧三相电压，负载侧三相电压，线路中三相负载电 流，以及电感电流。这些采样数据供运行时做故障判断、显示和事后数据分析使 用。 第四章1 0 k v 限流器控制系统 输出信号为8 路晶闸管触发信号，为防l 七干扰，采用了光纤隔离。 d s p 和单片机之间采用串行通讯实现数据交互，同时可以用单片机实现与上 位机的通讯( 预留) 。 控制电路主体为线电压过零点检出电路和频率跟踪时钟脉冲电路。以线电压 过零点作为各晶闸管触发脉冲的参考基准，以电源信号的高倍锁相脉冲作为基准 时钟，从而可以实现晶闸管触发脉冲的准确延时。这两点是限流器实现灵活控制 策略的关键。 4 2 2 信号调理板各模块设计 ( 1 ) 模拟信号输入模块 如附图4 3 所示，各路模拟信号通过传感器转换成电压信号，然后通过a d 6 2 0 运放芯片放大。a d 6 2 0 是一种低损耗、高精度仪用运放，可以减少测量回路的 噪声引入。然后在线路末端通过r c 滤波送入d s p ，确保信号受干扰最小。输入 信号共1 0 路：电源侧三相线电压，负载侧三相相电压，线路中三相负载电流， 以及电感电流。这些采样数据是系统故障判断中的关键信息，通过以上这些措施 保证了信号的可靠性。 图4 - 3 模拟信号输入模块 ( 2 ) 频率跟踪时钟脉冲发生器 控制系统设计的个重要内容是频率跟踪时钟脉冲发生器，其目的是为了_ 产 生一个跟踪电力系统频率的倍频信号作为d s p 时钟，以实现控制的精确性a 电力系统中，其运行安全可靠性及电能质量标准，都要求测量控制装置精确 第四章1 0 k v 限流器控制系统 地测量电力系统状态相量，包括电压、电流相量，测量的精确程度不仅影响到功 率计算、电能计量的精度，而且与系统实时决策的准确性与可靠性密切相关。由 于数字处理技术的发展，基于数字处理算法的交流采样测控装置己逐步取代采用 直流变送器的测控装置。目前，交流采样应用最多的数字处理算法就是离散傅立 叶变换算法。离散傅立时变换算法可以同时获得被测相量的有效值与相角，因此， 随着同步测量技术的发展，其应用日趋广泛。 但离散傅立叶变换算法的精度基于其每一个数据窗内的采样数据是否反映 被测信号的一个完整周波( 指交流、基波，下同) ，因此受被测信号频率( 指交 流、基频，下同) 漂移的影响较大。通常采样频率与被测信号额定频率成一定的 倍数关系，因此，当被测信号频率与其额定频率发生偏移时，离散傅立叶变换算 法的计算误差不容忽略，对基于其计算结果的控制准确度有严重影响。然而，电 力系统负荷变化的随机性决定了电力系统的频率变化是不可避免的。 提高离散傅立叶变换算法精度的关键在于采样频率随输入信号频率的变化 而变化，从而保证离散傅立叶变换算法的每一个采样数据窗都能反映被测信号的 一个完整周波。目前我国各科研机构或生产厂家研发的数字化测控装置中，控制 a d d 转换器完成模数转换的采样脓冲般由微处理器产生，而且采样频率大部分 是固定不变的，少数具备自适应采样功能的测控装置，也是通过软件根据被测信 号频率变化时，由离散傅立叶变换算法所求得的电量误差来修正采样频率，这种 方法不仅实现起来复杂度高，而且由于离散傅立叶变换算法所得电量的误差只是 近似与频率偏移量成正比，因而仍存在修正误差。 因此我们设计了种价格低廉、结构简单且易于实现的频率跟踪型自适应等 间隔采样脉冲发生器，利用该发生器产生的采样脉冲控制a i d 转换器完成模数 转换，不但能够有效地跟踪并锁定被测信号的基波频率，实现自适应采样，而且 实现复杂度低，可靠性高。 本设计基于如下技术思路和已有的p l l ( p h a s el o c k e dl 0 0 p 一锁相环) 技术 及a d 转换技术： 不管系统的频率f 如何变化，其每个完整信号周波的电角度都是3 6 0 。如果 把3 6 0 按每周波m 等分，每份均为3 6 0 。m 。则不管被测信号的频率如何变化， 只要每隔3 6 0 9 肺电角度采样一次，就能保证一个数据窗内的采样数据反映一个 完整的周波，而且所有的采样点是等间隔的，从而实现采样频率能够自动跟踪被 狈9 信号频率变化的自适应等间隔采样。可以利用锁楣环( p h a s el o c k e dl o o p ， p l l ) 及计数器等芯片将系统的频率信号n 倍频产生频率为f * n ( t t z ) 的脉冲信号， 这里n = 7 2 0 0 ，则相对于原来的频率为f 的信号，这相邻两个脉冲之间的角度就 为3 6 0 。7 2 0 0 = 0 。0 5 。因此可以把这个高倍频的信号作为系统的时钟信号，再利 用d s p 芯片的定时器，就可以方便的得到晶闸管脉冲的延时角度。 第四章1 0 k v 限流器控制系统 主要电路如图4 4 所示，由模拟信号叠加电路、隔直带通滤波器、整形电 路、锁相倍频器( 由趟担孤和1 n 分频器构成) 、计数器及可重触发单稳态电路 等构成，其工作原理描述如下： 图4 - 4 信号预处理中的锁相部分 信号叠加： 警= 訾啦2 c t i = r 2 9 2 m = 半竽 u b c p g x v o - v x ：旦 r 2 r 2 2 1r 2 0 4 ( 式4 - 1 ) ( 式4 - 2 ) r 2 0 3 = 1 0 k ，r l = 1 0 k ，r - 5 k ，n v o = 2 ( u c w + u m ) 一，w 第四章1 0 k v 限流器控制系统 只要u 。、【，。、【，。有一相存在，k 就一定存在，从而保证锁相环工作正常 这就是信号叠加的目的。 隔直带通滤波： 圈4 - - 5 带通滤波电路 滤波电路设计原理如下：考虑输入阻抗为零，输出阻抗无穷大，则二端口网 络的输入输出电压之比( 传递函数) 为： f f s l ： 一塑盘刍l l 一( 式4 - 3 ) 圳 s 2 r 2 t 6 r 2 螗c z u c 必+ s 嵋2 1 6 c 2 2 5 + 尺2 l 6 c 拟+ r z i s c z u ) + l 用m a t l a b 作其频率响应，如图4 - 6 ： 图4 - 6r c 带通滤波器的频率响应 其中r c 取值同原理图( r m 。6 8 k ，r 2 i s = 6 8 k ，c 2 2 4 = 0 0 4 7 “，c 2 2 5 20 - 4 7 “) n 从 上图可以看出，r c 滤波器可以允许5 0 h z 的信号通过，其他信号被衰减滤除。5 0 h z 第四章l o k v 限流器控制系统 信号经过滤波器后相位基本不变，幅值衰减5 0 。信号经隔直带通滤波器滤除 直流成分和谐波分量后，获得- - x t 称的基波交流信号并送往整形电路进一步处 理。 整形电路 从上面分析可以看出，信号经过带通滤波后幅值虽有所减小，但不影响其过 零点位置的检出，可以通过过零比较形成方波，从而保证了正负过零点检测的正 确性。整形电路采用l f 3 5 3 作为比较器，将隔直带通滤波器输出的对称基波信 号转换成占空比为5 0 的矩形波信号。比较器正负输入端上反向并联了两个二极 管和一个电阻，可以限制比较器输入端的电压值。当信号叠加后输出的电压小于 二极管的导通电压时，二极管不导通，比较器的输入电压由并联电阻上的压降提 供；而大于二极管的导通电压时，二极管导通，比较器的输入电压就钳制在二极 管的导通压降上。d 。导通时，输出高电平，d 。导通时，输出低电平，从而形 成方波。 过零检测后输出的信号通过直速当塑芯片，光耦的作用是对矩形波进行信号 隔离与整形，然后输入单稳态触发器c d 4 0 9 8 。通过调整外部电阻r 和电容c 可 以调整输出脉冲的宽度，而触发延时以及复位延时的时间则与外部电阻r 和电 容c 无关。在我们设计的电路中，有两个c d 4 0 9 8 ，一个采用上升沿触发，一个 采用下降沿触发，两个输出脉冲分别代表被测信号基波分量的正、负两个过零点； 或门对 输出的两个正脉冲信号进行合成，从而获得与被测信号u221(4071) u 2 0 1 基波分量频率成倍频关系的脉冲信号正，并进一步送往锁相倍频器进行锁相倍频 处理。 正负过零点的检测实现了信号锁相前的预倍频，有利于进一步提高锁相环跟 踪系统基波频率的变化速度和锁相精度。设过零检测输出的脉冲信号为五，若设 被测交流信号基波频率为五，则显然有_ = z 晟，即整形电路不但检出被测信号基 波分量的过零点，而且对其进行预倍频。整形电路同时利用高速光耦实现模拟信 号系统与数字信号系统之间的隔离，以消除模拟系统与数字系统之间的相互影 响。 锁相倍频 由锁相环和l n ( n = 3 6 0 0 ) 分频器构成，实现对输入信号e 一的n 倍频并输 出倍频信号f k ，即f 眦= n e ，。( = 2 n f ) 。由于锁相倍频器能够保证输出 信号b 。频率“跟踪锁定”在输入信号e ，。，频率上，并与其成线性倍数关系，换 句话说，在一个固定周波内，脉冲个数总是。脉冲个数的n 倍并保持固 笙婴蔓! ! 竖墼堕墨墨型墨堑 定不变，因此每一个脉冲都代表个固定的电角度( 3 6 0 。7 2 0 0 ；0 0 5 。) 。 锁相环基本原理如图4 7 ： 图4 7 锁利环基本原理 锁相环的基本原理”“如图4 - 7 所示，图中p d 为相差比较器，其传递函数为 k - - k p ； ( 式4 4 ) v c o 为压控振荡器，其传递函数设为； 凡。：华； ( 式4 - 5 ) j w o c 、“ 取l p f ( 低通滤波器) 的传递函数为： 丁o ) = 警娟，珊 ( 朴6 ) 考虑系统频率是渐变信号，设吼= i 1 ，则系统的误差函数： 们i 趸墨气 ns 2 z 一尘笪2 i 1 ( 式4 7 ) s z n t l + k p k ，t 2 s + k p k ，s 2 s 。r s + 绎 j l v l ln i i 由终值定理易知其稳态误差为零”“， 对于锁相倍频电路，主要有以下几方面的要求： 实时捕捉并跟踪实际交流系统频率； 脉冲信号的周期t b ( t b = 1 f b ) 疏密均匀： f b 频率应足够高，以提高计数精度； 抗干扰能力强，对于交流系统频率或相位的瞬时性变化，电路能自动识 别并排除跟踪( 即维持瞬变签的p u 。脉冲输出) ； 具有上电复位功能，以便电路快速捕捉交流系统频率并进入锁定跟踪状 态； 有运行工况指示，以便运行入员维护等。 第四章l o k v 限流器控制系统 我们采用的锁相环芯片是7 4 h c 4 0 4 6 ，4 0 4 6 具有低功耗，高速度，频率漂移 小的特点，其包括一个具有良好线性的压控振荡器( v c o ) 和三个相位比较器 ( p c i 、p c 2 、p c 3 ) 。压控振荡器的频率范围是由其外部电阻r 和外部电容c 决 定的，即为本电路图中的尺2 “、月2 町和q 如其中r 2 盯为可变电阻器。而由于 v c o 的输入阻抗很高，使得电阻和电容具有很大的调节范围。 图中1 n 环节实现对锁相倍频输出信号的1 n 分频，以便获得与被测输入信 引司频率的锁相环路鉴相输入信号。由于所设计的锁相倍频输出信号频率为被测 信号基频的3 6 0 0 倍，因此使用4 位4 0 2 9 计数器作为分频电路时，需要3 片串联 实现。因为3 6