基于IGCT的三相短路限流控制方案

安徽理工大學(xué) 施其國(guó) 陶艷梅 任 俊

0 引言

隨著電網(wǎng)規(guī)模和電壓等級(jí)不斷提高，短路故障對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的影響越來(lái)越大。在各類型的短路中，三相短路的影響最為嚴(yán)重。通過(guò)此三相短路限流控制方案可以有效的減小限流器的體積、重量和成本。再通過(guò)真空高壓斷路器、高電壓互感器和DSP報(bào)警電路的相互配合，完成對(duì)高壓電網(wǎng)的故障檢測(cè)、故障限流、短路跳閘和報(bào)警等操作。

1 模塊簡(jiǎn)介

1.1 故障檢測(cè)模塊

本文以10KV的輸電線路為例，通過(guò)JDZ-10Q高電壓互感器可以將電網(wǎng)的電壓實(shí)時(shí)的反饋給用戶或操作人員。JDZ-10Q為全封閉結(jié)構(gòu)，繞組為環(huán)氧樹(shù)脂真空澆注全絕緣結(jié)構(gòu)，鐵芯采用優(yōu)質(zhì)硅鋼片卷制而成，絕緣依靠環(huán)氧樹(shù)脂，適用于額定頻率為50Hz或60Hz的電力輸電網(wǎng)絡(luò)。JDZ-10Q具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、絕緣性能良好的優(yōu)點(diǎn)，并且能夠保護(hù)繞組不受潮。當(dāng)準(zhǔn)確級(jí)為0.2/0.5/1時(shí)，額定電壓比為10KV/0.1KV，滿足輸電線路的基本要求。

1.2 限流模塊

限流模塊采用集成門極換流晶閘管IGCT帶直流限流電抗器方式。IGCT是一種中壓變頻器開(kāi)發(fā)的用于電力電子成套裝置中的新型電力半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件。IGCT兼有IGBT和GTO的優(yōu)點(diǎn) ，又克服了兩者的不足。IGCT具有以下優(yōu)點(diǎn)：1.通態(tài)壓降小，耐壓等級(jí)高，電壓等級(jí)高；2.開(kāi)關(guān)特性好且易于觸發(fā)；3.狀態(tài)監(jiān)視電路和IGCT的管芯一體化集成，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，大大提高了裝置的可靠性。利用這些優(yōu)點(diǎn)將IGCT與電感配合，限制三相短路電流。其具體電路設(shè)計(jì)如圖1所示：

圖1 三相接地系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

該三相接地系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖由IGCTT1～T8和直流限流電抗器L1、旁路電感L2、L3、L4、雙向晶閘管T9、T10、T11等組成。Ua、Ub、Uc為三相交流電壓，R1、R2、R3為電力系統(tǒng)所帶負(fù)載。具體工作方式為：當(dāng)電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，T1～T8加正向電壓，T1～T6處于不可控整流狀態(tài)。電抗器L1流過(guò)恒定的直流電流。當(dāng)檢測(cè)到發(fā)生三相接地短路時(shí)，封鎖開(kāi)關(guān)T7、T8，再控制T1～T6組成的整流橋處于有源逆變狀態(tài)，可以將直流電抗器的電流回饋至電網(wǎng)。此時(shí)的短路電流由旁路電感L2、L3、L4承擔(dān)。利用此電路不僅可以限制短路電流，還可以減小限流電抗器的體積、重量和成本。

圖2 MATLAB仿真圖

通過(guò)建立MATLAB仿真模塊模擬出三相短路時(shí)電流隨時(shí)間的變化曲線。由圖2所示我們可以看出當(dāng)發(fā)生三相短路時(shí)，IGCT與電抗器的配合可明顯縮短短路電流非周期分量持續(xù)的時(shí)間，因此可有效的限制三相短路電流。

1.3 短路跳閘模塊

采用ZW 20-12/630高壓真空斷路器作為短路時(shí)的跳閘器件。ZW 20-12/630高壓真空斷路器由真空斷路器本體、故障檢測(cè)控制器以及外置電壓互感器三部分組成。其額定電壓為10KV，三相交流頻率50Hz，內(nèi)部充以SF6氣體，具有良好的密封性能。斷路器可與相應(yīng)的控制器配合，在滿足配電系統(tǒng)自動(dòng)化的要求時(shí)，具有自動(dòng)重合閘的功能。不僅可以用于變電站等配電系統(tǒng)保護(hù)和控制，更適用于電網(wǎng)等頻繁操作的場(chǎng)合。當(dāng)設(shè)備處于過(guò)壓或者故障時(shí)，可以自動(dòng)切斷故障，保證電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

1.4 DSP報(bào)警模塊

DSP報(bào)警模塊采用高電壓可編程控制的TMS320LF2407 DSP，此裝置與KQ-300載波數(shù)據(jù)收發(fā)模塊配合可適用于10KV的電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。TMS320LF2407 DSP是一種大范圍的數(shù)字信號(hào)處理器，采用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)，使得控制電壓較低，減小了控制器的消耗；30MIPS的執(zhí)行速度使得執(zhí)行指令的周期較短，提高了控制器的實(shí)時(shí)控制能力。DSP報(bào)警模塊包括采樣輸入電路、直流穩(wěn)壓電源電路、載波通信電路和指示報(bào)警電路。

圖3 DSP報(bào)警模塊設(shè)計(jì)

采樣輸入電路的硬件組成為采樣電路、放大電路、濾波電路和比較電路。此電路從電網(wǎng)采集數(shù)字信號(hào)送入DSP，是高壓設(shè)備故障報(bào)警的重要組成部分之一。直流穩(wěn)壓電路由電源變壓器、整流器、濾波器等部分組成，可以為DSP提供電源引入信號(hào)。載波通信電路硬件以KQ-300電力載波數(shù)據(jù)收發(fā)模塊為中心，外圍接有載波信號(hào)輸入電路、載波信號(hào)接收電路、保護(hù)電路和高壓報(bào)警器結(jié)合濾波電路等。當(dāng)發(fā)生短路時(shí)，三相電流發(fā)生變化，利用電流的變化作為控制型號(hào)，編寫相應(yīng)的程序，控制TMS320LF2407 DSP指示電路所連接發(fā)光二極管的亮滅。通過(guò)二極管可以實(shí)時(shí)顯示電力系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

2 具體限流控制方案

電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，JDZ-10Q高電壓互感器可以將檢測(cè)到的電壓值實(shí)時(shí)顯示，忽略開(kāi)關(guān)管的功耗，限流模塊電抗器L1流過(guò)恒定的直流電流，DSP報(bào)警模塊控制的報(bào)警器不工作。當(dāng)發(fā)生短路時(shí)，三相電流發(fā)生變化， 限流電抗器L1向電源反饋電流，整流橋此時(shí)處于有源逆變狀態(tài)，旁路電感L2、L3、L4承擔(dān)相應(yīng)的短路電流；ZW 20-12/630高壓真空斷路器在有效時(shí)間內(nèi)跳閘；與此同時(shí)，DSP報(bào)警模塊發(fā)出報(bào)警信號(hào)。限流控制方案可用圖4表示：

圖4 三相短路限流控制方案

3 結(jié)束語(yǔ)

本文詳細(xì)敘述了一種電力網(wǎng)發(fā)生三相短路時(shí)的限流控制方案，主要利用故障檢測(cè)模塊、限流模塊、短路跳閘模塊、DSP報(bào)警模塊的相互配合達(dá)到對(duì)電網(wǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，短路故障的迅速切斷。本方案的限流效果較好，普遍適用于中高壓型電力網(wǎng)絡(luò)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

[1]王曉侃,蘇全衛(wèi).基于DSP的高壓設(shè)備和線路防盜遠(yuǎn)程報(bào)警裝置設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)電一體化,2014,10(18):78-80.

[2]費(fèi)萬(wàn)民,張艷莉,呂征宇.基于IGCT的三相接地系統(tǒng)故障限流器及其控制策略[J].電網(wǎng)技術(shù),2006,30(11):83-86.

[3]駱海峰.對(duì)三相恒定電壓源供電電路短路的研究[J].科技視界,2012,05(14):237-239.