一种适用于过电流试验装置的过电压保护方式

一种适用于过电流试验装置的过电压保护方式

1过电流保护装置应用于高压电子表格的过电流试验。它是大型能源电子实验室的重要组成部分。这是中国“东向西、南北互供、全国网络”发展战略的有力技术支持。该装置由低压大电流系统、高压谐振系统组成,这两套系统交替工作,通过晶闸管阀隔离,由控制系统控制各个阀的导通和闭锁来改变试品上的电压和电流。当控制系统或阀本身发生故障时,高压谐振系统的高电压就会串入低压大电流回路,引起大电流系统的过电压,而过电压会威胁到大电流系统中变压器和电抗器的纵绝缘甚至是主绝缘,必须采取适当的措施进行保护。电力系统过电压保护的传统方法主要是使用间隙和氧化锌避雷器。间隙的缺点是动作电压分散性大、稳定性低,受气候、环境条件的影响大,还存在续流、维护方面的问题;氧化锌避雷器的非线性电阻在大电流下可达到几十毫欧以上,保护动作后的残压较高,因此就要求保护设备耐受介于保护残压和保护动作值之间的高电压,精密设计的大功率设备尤其是电力电子设备很难满足该要求;且过电压需要很大泄放能量时所需要的并联避雷器会很多,占地面积太大[10,11,12,13,14,15];动作后避雷器较长的冷却时间也是一个问题。因此对过电流试验保护装置的动作精度、动作时间和吸收能量提出较高的要求。本文通过分析和研究过电流装置的故障过电压,并结合电力电子装置的特点,提出一种适合于频繁动作、动作电压准确性及稳定性高,动作电压调节方便、保护动作迅速、残压小,泄放能量大的新型过电压保护装置,即击穿二极管(BreakOverDiode,BOD)触发晶闸管阀。最后通过仿真分析和试验来验证该保护装置的有效性和实用性。2允许误差试验安装的误差2.1加热电源的工作过程晶闸管阀过电流试验装置的主电路结构如图1所示。图中,Cs1、Rs1、Cs2、Rs2、Cst、Rst构成了阻尼吸收回路;Rp1、Rp2、Rpt为静态均压电阻;1V、2V、tV分别为隔离阀、控制阀和试品阀;L1为限流电抗;L2为谐振电抗;Uac为加热电源。由图1可见,该装置可分为低压大电流回路和高电压谐振回路,前者由电流源和隔离阀组成,提供试品阀所需的稳态电流;后者由电容、电抗及控制阀组成,提供过电流及其前后的高电压。谐振过程试品阀Vt上的电流、电压波形如图2所示。该试验波形很好地模拟了高压阀过电流后闭锁故障的电流、电压。该试验装置的主要工作过程如下:(1)t1时刻之前,触发隔离阀1V和试品阀Vt,使试品通过稳态电流以模拟实际工况中的正常电流。(2)当试品阀tV达到热平衡且结温达到试验要求后,闭锁1V和tV。(3)t2时刻,连续触发控制阀2V使高电压首先加到试品阀tV上,模拟试品过电流前承受的正向电压。(4)t3时刻,触发试品阀tV,使其通过过电流。(5)t4时刻,半个谐振周期后谐振系统电容器电压反向,tV重新闭锁,此时连续触发2V阀使试品阀承受反向高电压。2.2变压器保护动作当出现控制阀2V和隔离阀1V同时导通而试品阀tV闭锁的严重故障时,谐振系统电容器上的高电压会对大电流回路产生过电压和过电流的威胁。为分析这种情况,将图1等效为图3所示的电路,其中变压器T采用的是直流电磁暂态计算(EMTDC)软件中的带饱和特性的变压器模型。故障开始时变压器对外表现为漏抗,整个回路的微分方程为式中TL为大电流回路变压器的等效电抗;ϕ为故障发生时大电流回路电源电压Uac的初相角;UC为电容器C上的初始电压;Um为变压器输出电压峰值;R、C分别为回路总电阻和电容器电容值。由式(1)～(3)可求解Cu,考虑回路电阻很小,可简化为由UA的表达式可见,如故障发生时ϕ角不同,故障发生后过电压最大值及其出现的时刻也不同。故障刚发生时变压器对外表现为漏抗,即TL较小,但由于UCUm,变压器上仍会承受过电压,从而造成大电流回路的变压器保护动作,导致其跳闸。跳闸以后变压器对外表现为励磁阻抗,即TL很大,变压器二次侧电压更高,几乎承受所有的高压回路电压,这必然对变压器造成致命的损坏。该故障过程中变压器的电压、电流波形如图4所示。图中,故障发生在0.04s,故障发生后变压器二次侧的电压、电流瞬间超过其额定值,变压器的保护系统动作。跳闸(约在0.06s)以后,故障电流减小,故障电压相应地迅速增大,变压器出现饱和。3电压特性保护方式根据第2节中对过电压的分析,在隔离的两系统连通的情况下,会出现能量较大的故障过电压。这种过电压的保护有两个显著特点:(1)正常工作电压、保护动作电压、保护动作残压相互之间的差别很小。在正常工作条件下,由于晶闸管反向恢复电荷的影响,会产生很大的反向恢复电压过冲,该冲击电压虽然可用阻容吸收回路来抑制,但仍可能达到额定电压的1.59倍;由于变压器感应耐压试验只能做到变压器额定电压的2倍,因此大电流回路所允许的最高峰值电压必须小于额定值的2倍,因此保护装置动作电压及残压必须限定在变压器额定电压的1.59～2倍之间。即在低于1.59倍额定电压时保护装置不能动作,而动作后保护装置上的电压不能高于额定电压的2倍。(2)故障发生时,过电压的能量来自高压脉冲电容器组,能量极大(1MJ以上),过电压保护装置必须具有如此大的能量泄放能力。由于传统的保护装置很难满足过电流试验装置的保护要求,本文提出了BOD触发晶闸管阀的保护方式,该方式的基本思想是将BOD保护动作的快速性与大功率晶闸管阀泄放能量大的优点结合起来,其保护原理如图5所示。图5中,晶闸管阀(保护阀)Vp是能量泄放的主体,Vp的动作由过电压中BOD击穿来触发,BOD是一种无门极的晶闸管,正向电压超过某一特定值时转换到通态,通过一种急剧的短路作用保护晶闸管免受过电压的危害,根据BOD的动作电压可决定过电压的保护水平。Vp的阻尼吸收回路Rs、Cs既可吸收Vp的关断过冲,还可起到减缓过电压波头的作用。Rp为保护阻尼电阻,可起到抑制电流、消耗能量的作用,其电阻值的选择也同时决定了保护动作残压的大小。该保护方式具有以下特点:(1)BOD的击穿动作电压分散性小,动作误差一般只有2%左右,这就使得该保护方式具有良好的动作电压稳定性。(2)BOD动作和晶闸管导通的快速性,使得该保护方式具有微秒级的动作速度。(3)大功率晶闸管串联技术已成熟,器件的水平不断提高,因此该保护方式可被应用于高压大电流领域。(4)保护阀的阻尼回路可起到缓解过电压波头和抑制暂态过电压的目的。(5)BOD触发电压、阀的串联数以及阻尼电阻的大小都可灵活调节,即阀的运行电压、保护动作电压、残压以及故障电流等都可调。保护装置具有良好的适应性和可调节能力。(6)保护残压由保护阻尼电阻决定,因此可调到很低。并联保护阀Vp后的等效原理图如图6所示,图中,Rsp、Csp分别为保护支路的阻尼电阻和电容,A为电流回路的保护点,B为保护支路的接入点,N为接地点。保护原理分析如下:发生在Vt阀不导通期间V1和V2通路的故障造成大电流系统过电压,在该过电压的作用下,BOD迅速击穿动作,进而触发导通保护阀Vp,Vp导通后既向高电压系统产生的过电压能量提供了一个泄放通道,又限制了A点电位,使大电流系统的过电压迅速消失,保护了大电流系统。4保护参数的选择保护阀处于整个系统的低压侧,正常运行状态下承受的电压很低,故障状态下虽然晶闸管导通,但不会承受过电压,因此保护阀的设计电压只要高于BOD的保护设定值即可。根据被保护装置的长期运行电压确定阀的串联数;根据被保护装置的电压耐受能力和其接入系统的电流耐受能力确定阻尼电阻的大小;这些参数确定后,可根据具体要求在它们之间选择BOD保护电压值。过电流试验装置的大电流系统有四种工作模式,这四种工作模式下的保护参数选择如表1所示。电阻值的选择决定了保护动作的残压和保护动作时保护支路电流的大小和衰减的快慢。通过对于不同的电阻值进行计算和仿真,最终选择阻尼电阻为0.15Ω。晶闸管虽然通过的电流很大,但持续时间很短,因此也可找到满足要求的器件。保护阀导通过程中的温升可用以下方法计算:晶闸管的瞬态耗散功率计算公式为式中duT(t)为晶闸管的通态压降;Ti(t)为晶闸管通态电流;A、B、C、D为厂家提供的计算参数。晶闸管的结与外壳之间的暂态热阻为式中n为厂家给出的参考点数;Rthn为厂家给出的参考热阻;τ为参考时间。晶闸管的温升计算公式为对于过电流装置的保护阀代入实际参数,选择ABB公司的5STP42U6500晶闸管,用Matlab仿真软件进行计算,单管电流和结温上升波形如图7所示。由图7可见,瞬时电流峰值虽然达到40kA,但晶闸管的最高温升只有30K。对于本文提出的保护策略,过电压的大部分能量都在保护阻尼电阻消耗了,晶闸管阀只有自身的导通损耗。图8为保护阻尼电阻的损耗曲线,由图8可见,电阻损耗最终为1.3MJ,而电容器总能量为1.316MJ,很明显,电阻承受了几乎所有的能量损耗。成本较低的电阻承担过电压的泄放能量,控制精度高的晶闸管阀负责保护动作,与避雷器相比,这种保护策略的优势是比较明显的。5高压回路电容器电压采用PSCAD-EMTDC仿真软件分析BOD触发晶闸管阀的过电压保护原理,变压器工作在1kV工作模式下,高压回路电容器电压为45kV。图9为BOD触发的晶闸管阀Vp可靠动作后的仿真结果,由于BOD触发Vp阀导通,故障发生后A点电位被限制为保护电阻电压,大电流系统的变压器电压、电流过冲都位于保护限值范围以内,从而不会遭受故障过电压的侵袭。6bod保护动作电压试验本文利用冲击电压发生器对BOD触发晶闸管阀的过电压保护动作特性进行了试验验证。晶闸管阀采用双向串联设计,每层BOD保护动作电压为4.8kV(峰值),3层串联,则该BOD触发晶闸管阀的保护动作电压为1