一種提高高壓直流斷路器機(jī)械開關(guān)觸發(fā)回路可靠性的方法

李樂(lè)樂(lè)，汪 濤，李漢杰，張茂強(qiáng)，田 杰

（南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102）

0 引言

柔性直流輸電系統(tǒng)具有可向無(wú)源網(wǎng)絡(luò)供電、不會(huì)出現(xiàn)換相失敗、運(yùn)行方式靈活等傳統(tǒng)直流無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，但是在發(fā)生直流側(cè)短路時(shí)，由于直流側(cè)等效電阻很小，所有換流器子模塊的儲(chǔ)能元件同時(shí)對(duì)故障點(diǎn)放電，會(huì)造成故障電流迅速上升。如果不對(duì)故障線路進(jìn)行隔離，只能利用換流器交流側(cè)的交流斷路器切除故障電流，或者通過(guò)本身具有電流切除能力的換流器閉鎖來(lái)切除短路電流[1-5]，最終結(jié)果是任何一條直流線路上發(fā)生短路故障，都會(huì)導(dǎo)致柔性直流輸電系統(tǒng)的所有換流器閉鎖、系統(tǒng)停運(yùn)，嚴(yán)重危害直流電網(wǎng)及相連的交流系統(tǒng)安全。

通過(guò)在直流線路兩側(cè)裝配高壓直流斷路器，在直流故障發(fā)生后，迅速將故障線路切除，可以保證整個(gè)系統(tǒng)不受故障線路影響[6-10]，但是如果高壓直流斷路器不能正確動(dòng)作，就無(wú)法起到應(yīng)有的故障切除作用。高壓直流斷路器已經(jīng)成為直流電網(wǎng)故障元件快速隔離、構(gòu)建直流電網(wǎng)的關(guān)鍵設(shè)備。

快速機(jī)械開關(guān)作為混合式高壓直流斷路器的關(guān)鍵組成部件，可以在幾毫秒內(nèi)完成分?jǐn)?，并將故障電流轉(zhuǎn)移至可以分?jǐn)喙收想娏鞯霓D(zhuǎn)移支路電力電子開關(guān)中[11-15]，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)短路故障電流的切斷?？焖贆C(jī)械開關(guān)之所以能達(dá)到這么快的分合閘速度，是通過(guò)觸發(fā)回路控制放電回路的半導(dǎo)體開關(guān)導(dǎo)通，將分合閘儲(chǔ)能電容中的能量迅速在分合閘線圈產(chǎn)生上千安培的電流，在斥力盤中產(chǎn)生強(qiáng)大的電磁斥力，帶動(dòng)觸頭實(shí)現(xiàn)分合閘操作[16-17]。機(jī)械開關(guān)觸發(fā)回路動(dòng)作的可靠性直接決定快速機(jī)械開關(guān)甚至整個(gè)斷路器能否正常運(yùn)行，文獻(xiàn)[18-19]對(duì)快速機(jī)械開關(guān)的動(dòng)作時(shí)間、絕緣性能進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)[20]對(duì)機(jī)械開關(guān)的動(dòng)作機(jī)構(gòu)進(jìn)行了研究，但少有文獻(xiàn)對(duì)機(jī)械開關(guān)觸發(fā)回路及其可靠性進(jìn)行研究，因此研究如何提高快速機(jī)械開關(guān)觸發(fā)回路的可靠性意義重大。

在實(shí)際工程應(yīng)用中，一般通過(guò)半導(dǎo)體器件的串聯(lián)來(lái)提高其防誤動(dòng)的可靠性，通過(guò)部分功能電路的冗余設(shè)計(jì)來(lái)提高其防拒動(dòng)的可靠性，但是往往因設(shè)計(jì)不足導(dǎo)致可靠性提升有限[21-28]。本文基于快速機(jī)械開關(guān)在高壓直流斷路器中的應(yīng)用工況以及工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，對(duì)如何進(jìn)一步提高快速機(jī)械開關(guān)觸發(fā)回路可靠性進(jìn)行深入研究。

1 快速機(jī)械開關(guān)觸發(fā)回路現(xiàn)狀研究

為了達(dá)到更高的絕緣水平，快速機(jī)械開關(guān)一般通過(guò)多個(gè)斷口串聯(lián)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，每個(gè)斷口有完全相同且獨(dú)立的觸發(fā)回路。如圖1 所示，觸發(fā)回路由一次放電回路和二次控制回路組成，放電回路通常用功率半導(dǎo)體器件實(shí)現(xiàn)，如SCR（晶閘管）控制回路用于實(shí)現(xiàn)放電回路的監(jiān)視和控制?？焖贆C(jī)械開關(guān)的動(dòng)作原理為： 控制回路接收上級(jí)下發(fā)的分合閘命令，控制放電回路導(dǎo)通，分合閘儲(chǔ)能電容中的能量在分合閘線圈中產(chǎn)生大電流，推動(dòng)斥力盤帶動(dòng)觸頭實(shí)現(xiàn)斷口的分閘或合閘操作。

快速機(jī)械開關(guān)觸發(fā)回路主要由電源模塊、命令接收模塊、FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列）模塊、觸發(fā)模塊、SCR 等五大模塊單元組成。為了提高觸發(fā)系統(tǒng)的可靠性，兼顧成本、體積、電氣隔離等限制措施，在實(shí)際工程應(yīng)用中通常會(huì)采取部分冗余措施以提升可靠性。

圖1 一個(gè)斷口的分合閘回路

如圖2 所示，一次放電回路中采用兩級(jí)SCR串聯(lián)，二次控制回路中控制板卡采用雙路電源冗余供電、雙路控制命令冗余接收，每只SCR 配備獨(dú)立的觸發(fā)回路等。

圖2 工程常用的觸發(fā)回路

一次放電回路通過(guò)兩級(jí)SCR 串聯(lián)在一定程度上可以降低觸發(fā)回路誤動(dòng)的概率，但是也增大了觸發(fā)回路拒動(dòng)的概率?？刂苹芈返娜哂嘣O(shè)計(jì)可以提高單級(jí)SCR 觸發(fā)可靠性，但是對(duì)于一次放電回路的整體觸發(fā)可靠性提升有限，本文對(duì)現(xiàn)有的觸發(fā)回路進(jìn)行深入分析，研究了能進(jìn)一步提高快速機(jī)械開關(guān)觸發(fā)回路可靠性的方法。

2 提高觸發(fā)回路可靠性分析

2.1 現(xiàn)有觸發(fā)回路分析

快速機(jī)械開關(guān)觸發(fā)回路是由電源模塊、命令接收模塊、FPGA 模塊、觸發(fā)模塊、SCR 等眾多模塊單元組成的混聯(lián)系統(tǒng)。該混聯(lián)系統(tǒng)可分解為串聯(lián)系統(tǒng)和并聯(lián)系統(tǒng)的組合，以下將從串、并系統(tǒng)的角度對(duì)觸發(fā)回路的可靠性進(jìn)行詳細(xì)分析。

2.1.1 串聯(lián)系統(tǒng)

串聯(lián)系統(tǒng)是組成系統(tǒng)的所有單元中任一單元失效就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)失效的系統(tǒng)，假定各單元是統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的。

系統(tǒng)可靠性數(shù)學(xué)模型為：

式中： Ra為系統(tǒng)可靠度；Ri為第i 單元可靠度。

系統(tǒng)失效率數(shù)學(xué)模型為：

式中： λa為系統(tǒng)失效率；λi為第i 單元失效率。

串聯(lián)系統(tǒng)的可靠度隨著單元可靠度的減小及單元數(shù)的增多而迅速下降，為了提高串聯(lián)系統(tǒng)的可靠性，單元數(shù)宜少，而且應(yīng)該重視改善最薄弱單元的可靠度。

2.1.2 并聯(lián)系統(tǒng)

并聯(lián)系統(tǒng)是組成系統(tǒng)的所有單元都失效時(shí)才失效的系統(tǒng)，假定各單元是統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的。

則系統(tǒng)可靠性數(shù)學(xué)模型為：

式中： Fi為第i 單元不可靠度；Ri+Fi=1。

則系統(tǒng)失效率數(shù)學(xué)模型為：

并聯(lián)系統(tǒng)對(duì)提高系統(tǒng)的可靠度有顯著效果，考慮到成本等因素，實(shí)際工程應(yīng)用中n 常取2，3。

假設(shè)快速機(jī)械開關(guān)觸發(fā)回路五大組成單元的可靠度及失效率分別為：

（1）電源回路可靠度為R1，失效率為λ1；

（2）光接收回路可靠度為R2，失效率為λ2；

（3）FPGA 可靠度為R3，失效率為λ3；

（4）觸發(fā)模塊可靠度為R4，失效率為λ4；

（5）SCR 可靠度為R5，失效率為λ5。

為便于進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，假設(shè)各單元的可靠度都相等，均為R1=R2=R3=R4=R5=R，各單元的失效率都相等，均為λ1=λ2=λ3=λ4=λ5=λ。

圖2 所示為工程常用的快速機(jī)械開關(guān)觸發(fā)回路，其觸發(fā)系統(tǒng)的等效模型如圖3 所示，并聯(lián)系統(tǒng)中任一單元故障，不影響觸發(fā)回路正常工作，快速機(jī)械開關(guān)可進(jìn)行正常的分合閘動(dòng)作；串聯(lián)系統(tǒng)中任一單元故障，則觸發(fā)回路故障，快速機(jī)械開關(guān)拒動(dòng)，導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常分合閘。

圖3 工程常用觸發(fā)回路等效模型

該系統(tǒng)分合閘正常動(dòng)作的可靠度為：

該系統(tǒng)分合閘發(fā)生拒動(dòng)的失效率為：

2.2 高可靠性觸發(fā)回路1 分析

為進(jìn)一步提升觸發(fā)系統(tǒng)的可靠性，本文對(duì)一次放電回路和二次控制回路分別加以優(yōu)化，如圖4 所示。

圖4 提高可靠性后的觸發(fā)回路1

（1）一次放電回路配置。采用4 只SCR 先串聯(lián)再并聯(lián)的方式，串聯(lián)保證了單級(jí)SCR 故障不會(huì)引起放電回路誤觸發(fā)，并聯(lián)保證了單級(jí)SCR 故障不會(huì)引起放電回路拒動(dòng)。

（2）二次控制板卡配置。采用2 塊獨(dú)立的控制板卡，分別控制2 個(gè)獨(dú)立的SCR 串聯(lián)放電回路，單一板卡故障，不影響另一套SCR 串聯(lián)放電回路正常工作。

（3）二次控制板卡。每個(gè)二次控制板均設(shè)計(jì)冗余電源單元、冗余光接收單元、冗余FPGA 配置，任一單元故障不影響該板卡正常工作，2 路獨(dú)立的SCR 觸發(fā)回路分別控制串聯(lián)放電回路的2只SCR。

圖5 為優(yōu)化后的觸發(fā)回路1 等效模型。

該系統(tǒng)分合閘正確動(dòng)作的可靠度為：

該系統(tǒng)分合閘發(fā)生拒動(dòng)的失效率為：

2.3 高可靠性觸發(fā)回路2 分析

為進(jìn)一步提高放電回路的冗余度，可以將放電回路設(shè)計(jì)為先并聯(lián)再串聯(lián)的方式（如圖6 所示），當(dāng)SCR1，SCR4 或SCR2，SCR3 同時(shí)發(fā)生觸發(fā)故障時(shí)，放電回路仍能正常工作。但是當(dāng)SCR1，SCR4 或SCR2，SCR3 晶閘管同時(shí)發(fā)生擊穿故障時(shí)，放電回路會(huì)發(fā)生誤觸發(fā)。該方案在提高觸發(fā)回路正常動(dòng)作可靠性的同時(shí)，也提高了誤觸發(fā)的動(dòng)作概率。

圖7 為優(yōu)化后的觸發(fā)回路2 等效模型。該系統(tǒng)分合閘正確動(dòng)作的可靠度為：

圖5 提高可靠性后的觸發(fā)回路1 等效模型

圖6 提高可靠性后的觸發(fā)回路2

圖7 提高可靠性后的觸發(fā)回路2 等效模型

該系統(tǒng)分合閘發(fā)生拒動(dòng)的失效率為：

2.4 不同觸發(fā)回路可靠性對(duì)比

為便于對(duì)3 種觸發(fā)回路的可靠性進(jìn)行對(duì)比分析，取可靠度R=0.999 9，失效率λ=0.000 1，計(jì)算各觸發(fā)回路的可靠性數(shù)據(jù)，如表1 所示。

表1 不同觸發(fā)回路可靠性數(shù)據(jù)比較

從表1 中可以看出，觸發(fā)回路2 的正確動(dòng)作可靠度是最高的，冗余設(shè)計(jì)可以在某單元發(fā)生故障時(shí)保證快速機(jī)械開關(guān)正常動(dòng)作，觸發(fā)回路1 的正確動(dòng)作可靠度略低，遠(yuǎn)高于工程常用觸發(fā)回路的可靠度；高可靠性觸發(fā)回路1 的拒動(dòng)失效率是最低的，在某單元發(fā)生故障時(shí)保證快速機(jī)械開關(guān)不會(huì)發(fā)生拒動(dòng)。在放電回路發(fā)生兩級(jí)SCR 擊穿故障時(shí)，高可靠性觸發(fā)回路1 發(fā)生誤動(dòng)的概率是最小的。不同觸發(fā)回路的可靠性直觀對(duì)比見(jiàn)圖8。

圖8 不同觸發(fā)回路可靠性對(duì)比

綜上，高可靠性觸發(fā)回路1 的實(shí)現(xiàn)方法能最大程度上保證機(jī)械開關(guān)動(dòng)作的可靠性。

3 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)高壓直流斷路器快速機(jī)械開關(guān)觸發(fā)回路，從其正確動(dòng)作可靠度、拒動(dòng)失效率、誤動(dòng)概率等方面進(jìn)行深入分析，提出了提高機(jī)械開關(guān)觸發(fā)回路可靠性的方法，通過(guò)對(duì)不同觸發(fā)回路組成的混聯(lián)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比分析，兼顧故障發(fā)生時(shí)觸發(fā)回路提高正常動(dòng)作可靠性，同時(shí)降低誤動(dòng)、拒動(dòng)發(fā)生的概率，提出了一種適合工程應(yīng)用的最優(yōu)觸發(fā)回路實(shí)現(xiàn)方案，在直流系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)確保高速機(jī)械開關(guān)觸發(fā)回路能可靠動(dòng)作，使高壓直流斷路器能及時(shí)、可靠地切除故障點(diǎn)，保障直流輸電系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行。