專利名稱：故障限流器直流控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于飽和鐵芯型電力線路故障限流器直流控制技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
近年來，電力系統(tǒng)容量逐年增加，電網(wǎng)短路電流也隨之增大，目前已成為制約電網(wǎng)運行和發(fā)展的重要因素。因此，限制電力系統(tǒng)短路電流已成為一個有待解決的問題。傳統(tǒng)的飽和鐵芯型電力線路限流器直流控制技術(shù)是僅僅是使用壓敏電阻吸收能量，使鐵芯中的磁場退出磁飽和狀態(tài)，而這種控制系統(tǒng)速度慢，維修量大，成本高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一個全自動的飽和鐵芯型電力線路故障限流器的控制系統(tǒng)。
飽和鐵心型電力線路故障限流器安裝在變電站出口、母線聯(lián)絡(luò)線間等位置，用于限制電網(wǎng)中的短路故障電流。在電網(wǎng)正常運行時，限流器對電網(wǎng)的運行影響很?。浑娋W(wǎng)發(fā)生短路故障時，限流器阻抗變大，將短路電流限制到滿足后級斷路器斷開所要求的電流水平；電網(wǎng)重合閘也需要限流器的配合。限流器這些功能的實現(xiàn)都需要限流器直流控制回路在各種情況下做出相應(yīng)地動作。
圖1中所示為單相限流器的電路結(jié)構(gòu)示意圖，限流器包括交流繞組、鐵心、直流繞組和直流控制回路，直流控制回路中又應(yīng)該包括直流恒流源、快速開關(guān)以及磁能釋放回路等功能器件。
限流器的工作狀態(tài)可以歸結(jié)為三個典型的狀態(tài) 限流器穩(wěn)態(tài)運行； 限流狀態(tài)； 重合閘狀態(tài)；對應(yīng)于這三個狀態(tài)，直流控制回路必須具有相應(yīng)地動作。
限流器長期在穩(wěn)態(tài)情況下運行，此時直流控制回路中開關(guān)處于閉合狀態(tài)，直流恒流源提供的勵磁電流將鐵心偏置到深度飽和態(tài)，交流繞組呈現(xiàn)小阻抗。
電網(wǎng)發(fā)生短路故障后，限流器的控制系統(tǒng)檢測到故障發(fā)生后，向直流控制回路發(fā)出信號，直流控制回路中的快速開關(guān)快速斷開，動作時間要迅速。直流繞組中存儲了大量的磁能，在開關(guān)斷開的瞬間會產(chǎn)生較大的切斷高壓，控制回路中的磁能釋放回路能將直流繞組內(nèi)的磁能迅速吸收，并將直流繞組電壓鉗制在安全的水平，保證直流回路迅速完全斷開。這時鐵心退出飽和，交流繞組呈現(xiàn)大阻抗，限制了電網(wǎng)的短路故障電流，后級斷路器能夠安全斷開。
延遲一段時間后，電網(wǎng)中的斷路器重合閘。為滿足在斷路器重合閘之前，限流器的交流繞組呈現(xiàn)小阻抗，故在斷路器重合閘之前，直流恒流源已經(jīng)將限流器鐵心偏置到深度飽和態(tài)，所以要求直流繞組的充磁時間必須控制在斷路器重合閘延時的這段時間之內(nèi)。
斷路器安全重合閘。如果電網(wǎng)中故障已經(jīng)消除，電網(wǎng)及限流器進入穩(wěn)態(tài)運行，否則重復(fù)上述動作過程，直到故障完全消除本發(fā)明的特征在于含有直流繞組電感L1、磁能釋放回路、快速開關(guān)IGBT1、勵磁恢復(fù)回路以及恒流回路，其中勵磁恢復(fù)回路，包含壓敏電阻R0，其箝位電壓為12KV，該壓敏電阻R0直流繞組電感L)并聯(lián)；第一串聯(lián)支路，由二極管D1與大電容C1串聯(lián)而成，C1＝500μF/12KV，該第一支串聯(lián)支路與壓敏電阻R0并聯(lián)，電阻R2，起能量緩慢釋放作用，與大電容C1并聯(lián)；第二串聯(lián)支路，由可控高電壓源V1、二極管D2、電阻R1依次串聯(lián)而成，二極管D2的陰極與該可控高電壓源V1的負極相連，V1＝0～10KV，該第二串聯(lián)電路與大電容C1并聯(lián)；勵磁釋放回路，包含第三串聯(lián)支路，由可控中電壓源V2、電阻R3、3300V/500A的快速開關(guān)IGBT2依次串聯(lián)而成，電阻R3接該可控中壓電源V2正極，該快速開關(guān)IGBT2的集電極接電阻R3，而發(fā)射極接直流繞組電感L1，電容C2為32000μF/1600V，兩端分別與該可控中電壓源V2的負極，與該快速開關(guān)IGBT2的集電極相連，快速開關(guān)IBGT1，15KV/500A，發(fā)射極與該可控中電壓源V2的負極相連，而集電級接該二極管D1的正極，恒流回路包含恒流源I1，0～5V/500A，其一端接快速開關(guān)IGBT1的發(fā)射極，而另一端正向接一個隔離二極管D3后與鐵芯直流繞組電感L1相連，依次正向串聯(lián)的二極管D7、D6、D5以及D4，該二極管D4的負極接快速開關(guān)IGBT1的發(fā)射極，二極管D7的正極接二極管D3的正極；在快速開關(guān)斷開后，磁能向所選磁能釋放回路釋放；恒流源I1用于充磁后維持磁通，在正常充磁后控制二極管D3和直流繞組電感L1，快速開關(guān)IGBT1的壓降小于二極管D4、D5、D6、D7壓降之和；在磁能吸收和充磁狀態(tài)下，恒流電流通過串聯(lián)的二極管D4、D5、D6、D7續(xù)流；在充磁階段后期，當直流繞組電感L1的電流接近恒流源電流時，快速開關(guān)IGBT2斷開，直流繞組電感L1的電流由恒流源電流續(xù)流。
所述直流控制系統(tǒng)由一個具有與上位機通信接口的單片機來控制，該單片機設(shè)有直流繞組電感L1的電流、電壓，兩個電容C1、C2的電壓，恒流源I1輸出電流的采樣輸入，該單片機還設(shè)有兩個快速開關(guān)IGBT1、IGBT2，可控高壓電源V1，可控中電壓源V2的以及恒流源I1的控制信號的控制輸出。
本發(fā)明在單機控制下能實行全自動控制。


圖1單相限流器電路結(jié)構(gòu)示意圖，三相對應(yīng)具有六個鐵心，L1為直流繞阻。
圖2本發(fā)明的電路原理圖。
具體實施例方式
現(xiàn)把本發(fā)明的主要部分介紹如下1、磁能釋放回路如原理圖中所示D1、C1、R2、V1、D2、R1、R0組成的回路V1高壓電壓源0～10kV可調(diào)，功率1kW(0.1A)C1、R1、D2V1通過R1、D2向C1充電，正常穩(wěn)態(tài)工況時VC1＝V1R2能量緩慢釋放電阻R0壓敏電阻，箝位電壓12kVC1選擇大容量電容，V1調(diào)至10kV，則VC1＝10kV。IGBT1斷開后，iL1給C1充電，由于C1較大，VC1上升緩慢，能量由L1的磁能轉(zhuǎn)變?yōu)镃1的儲能，并由R1緩慢釋放。
磁能釋放時，L1兩端加上-10kV的箝位電壓VL1，由于 故dB=VL1NSdt,]]>L1中的磁感應(yīng)強度快速下降，起到磁能釋放的作用。
系統(tǒng)要求在5ms內(nèi)將L1中的B盡量快速降低，以便使L1退出深飽和，使磁路系統(tǒng)產(chǎn)生限流效果，若VL1＝-10kV，由于N＝600，S＝0.9m2，在Δt＝5ms內(nèi)，ΔB=∫05×10-3-10×103600×0.9dt=-0.092T.]]>如果該ΔB1不能夠使磁路系統(tǒng)產(chǎn)生理想限流效果，要增大ΔB的絕對值，從上式中可以看出可提高|VL1|或增大Δt如果Δt不允許增大，只有提高|VL1|。
C1的選擇選C1＝500uF/12kV，一次磁能吸收后，VC1由10kV變?yōu)閂C1’，有12C1(VC1′2-VC12)=5000J,]]>則VC1’＝10954V，VC1增大954V，第二次磁能吸收后，VC1’＝11832V。
2、勵磁恢復(fù)回路如原理圖中所示V2、R3、C2、IGBT2組成的回路V2中壓電壓源，0～1600V可調(diào)，功率1kW(0.625A)C2、R3V2通過R3向C2充電，正常穩(wěn)態(tài)工況時VC2＝V2
磁能恢復(fù)時，IGBT1、IGBT2導(dǎo)通，VC2通過IGBT2加到L1兩端，VL1＝VC2＞0，據(jù)dB=VL1NSdt,]]>L1中的磁感應(yīng)強度增加，當V2＝1350V時，在Δt＝0.8秒內(nèi)，ΔB=∫00.81350600×0.9dt=2T,]]>因此，只要V2≥1350，就可以滿足在要求的時間內(nèi)將勵磁恢復(fù)。
取C2＝32000uF/1600V，一次勵磁恢復(fù)后，VC2由1600V降至VC2’，則有12C2(VC22-VC2′2)=5000J,]]>則VC2’＝1500V，以此類推，重合閘2次后，12C2(VC22-VC2′2)=2×5000J,]]>VC2’＝1390＞1350V，該電壓能滿足系統(tǒng)第3次重合閘的需求。
3、恒流源I1為0～500A可調(diào)，最大輸出電壓5V恒流源的作用是充磁后磁通的維持，在正常充磁后，控制D3、L1、IGBT1的壓降小于D4、D5、D6、D7的壓降，則iI1通過D3、L1、IGBT1流動。磁能吸收和充磁狀態(tài)時，iI1均通過D4、D5、D6、D7續(xù)流。在充磁階段的末期，當系統(tǒng)檢測到iL1已接近iI1時，將IGBT2斷開，iL1轉(zhuǎn)由iI1續(xù)流。
4、直流控制單元控制單元采用TI公司的TMS320C240DSP為核心的單片機控制，具有與上位機的通訊接口，接收來自上位機的磁能吸收、充磁等指令，并把狀態(tài)反饋給上位機。
控制單元對iL1、uL1、VC1、VC2、II1等模擬量進行采樣，并對IGBT1、IGBT2的導(dǎo)通和關(guān)斷進行控制，對V1、V2、I1的輸出電壓、電流進行設(shè)定。
5、主電路主要元件參數(shù)列表

權(quán)利要求
1.故障限流器直流控制系統(tǒng)，其特征在于，含有直流繞組電感(L1)、磁能釋放回路、快速開關(guān)(IGBT1)、勵磁恢復(fù)回路以及恒流回路，其中勵磁恢復(fù)回路，包含壓敏電阻(R0)，其箝位電壓為12KV，該壓敏電阻(R0)與直流繞組電感(L1)并聯(lián)；第一串聯(lián)支路，由二極管(D1)與大電容(C1)串聯(lián)而成，(C1)＝500μF/12KV，該第一支串聯(lián)支路與壓敏電阻(R0)并聯(lián)，電阻(R2)，起能量緩慢釋放作用，與大電容(C1)并聯(lián)；第二串聯(lián)支路，由可控高電壓源(V1)、二極管(D2)、電阻(R1)依次串聯(lián)而成，二極管(D2)的陰極與該可控高電壓源(V1)的負極相連，(V1)＝0～10KV，該第二串聯(lián)電路與大電容(C1)并聯(lián)；勵磁釋放回路，包含第三串聯(lián)支路，由可控中電壓源(V2)、電阻(R3)、3300V/500A的快速開關(guān)(IGBT2)依次串聯(lián)而成，電阻(R3)接該可控中壓電源(V2)正極，該快速開關(guān)(IGBT2)的集電極接電阻(R3)，而發(fā)射極接直流繞組電感(L1)，電容(C2)為32000μF/1600V，兩端分別與該可控中電壓源(V2)的負極，與該快速開關(guān)(IGBT2)的集電極相連，快速開關(guān)(IBGT1)，15KV/500A，發(fā)射極與該可控中電壓源(V2)的負極相連，而集電級接該二極管(D1)的正極，恒流回路包含恒流源(I1)，0～5V/500A，其一端接快速開關(guān)(IGBT1)的發(fā)射極，而另一端正向接一個隔離二極管(D3)后與鐵芯直流繞組電感(L1)相連，依次正向串聯(lián)的二極管(D7)、(D6)、(D5)以及(D4)，該二極管(D4)的負極接快速開關(guān)(IGBT1)的發(fā)射極，二極管(D7)的正極接二極管(D3)的正極；在快速開關(guān)斷開后，磁能向所選磁能釋放回路釋放；恒流源(I1)用于充磁后維持磁通，在正常充磁后控制二極管(D3)和直流繞組電感(L1)，快速開關(guān)(IGBT1)的壓降小于二極管(D4)、(D5)、(D6)、(D7)壓降之和；在磁能吸收和充磁狀態(tài)下，恒流電流通過串聯(lián)的二極管(D4)、(D5)、(D6)、(D7)續(xù)流；在充磁階段后期，當直流繞組電感(L1)的電流接近恒流源電流時，快速開關(guān)(IGBT2)斷開，直流繞組電感(L1)的電流由恒流源電流續(xù)流。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的故障限流器直流控制系統(tǒng)，其特征在于，所述直流控制系統(tǒng)由一個具有與上位機通信接口的單片機來控制，該單片機設(shè)有直流繞組電感(L1)的電流、電壓，兩個電容(C1)、(C2)的電壓，恒流源(I1)輸出電流的采樣輸入，該單片機還設(shè)有兩個快速開關(guān)(IGBT1)、(IGBT2)，可控高壓電源(V1)，可控中電壓源(V2)的以及恒流源(I1)的控制信號的控制輸出。
全文摘要
故障限流器直流控制系統(tǒng)，屬于飽和鐵芯型電力線路故障限流器技術(shù)領(lǐng)域，具特征在于含有磁能釋放回路、快速開關(guān)IGBT1、勵磁恢復(fù)回路、恒流回路以及快速開關(guān)IGBT2。磁能釋放回路由壓敏電阻箝位、大電容C1吸收能量，可控高電壓電源來解決磁能釋放時間。勵磁恢復(fù)回路通過快速開關(guān)2的導(dǎo)通來提供恢復(fù)勵磁的能量，利用可控中電壓源來調(diào)整勵磁恢復(fù)時間。恒流回路在正常狀態(tài)維持磁通。本發(fā)明用一個與上位機具有通信接口的單片機來實現(xiàn)全自動地完成，三個典型運行狀況限流器穩(wěn)態(tài)運行、限流狀態(tài)、重合閘狀態(tài)。
文檔編號H02H9/02GK101022217SQ20071006324
公開日2007年8月22日 申請日期2007年1月5日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月5日
發(fā)明者周偉松, 曾嶸, 趙前哲, 志大器, 黃新 申請人:清華大學(xué), 清華大學(xué)電力電子廠