一種適用于過電流試驗(yàn)裝置的過電壓保護(hù)方式

一種適用于過電流試驗(yàn)裝置的過電壓保護(hù)方式

1過電流保護(hù)裝置應(yīng)用于高壓電子表格的過電流試驗(yàn)。它是大型能源電子實(shí)驗(yàn)室的重要組成部分。這是中國“東向西、南北互供、全國網(wǎng)絡(luò)”發(fā)展戰(zhàn)略的有力技術(shù)支持。該裝置由低壓大電流系統(tǒng)、高壓諧振系統(tǒng)組成,這兩套系統(tǒng)交替工作,通過晶閘管閥隔離,由控制系統(tǒng)控制各個(gè)閥的導(dǎo)通和閉鎖來改變?cè)嚻飞系碾妷汉碗娏鳌．?dāng)控制系統(tǒng)或閥本身發(fā)生故障時(shí),高壓諧振系統(tǒng)的高電壓就會(huì)串入低壓大電流回路,引起大電流系統(tǒng)的過電壓,而過電壓會(huì)威脅到大電流系統(tǒng)中變壓器和電抗器的縱絕緣甚至是主絕緣,必須采取適當(dāng)?shù)拇胧┻M(jìn)行保護(hù)。電力系統(tǒng)過電壓保護(hù)的傳統(tǒng)方法主要是使用間隙和氧化鋅避雷器。間隙的缺點(diǎn)是動(dòng)作電壓分散性大、穩(wěn)定性低,受氣候、環(huán)境條件的影響大,還存在續(xù)流、維護(hù)方面的問題;氧化鋅避雷器的非線性電阻在大電流下可達(dá)到幾十毫歐以上,保護(hù)動(dòng)作后的殘壓較高,因此就要求保護(hù)設(shè)備耐受介于保護(hù)殘壓和保護(hù)動(dòng)作值之間的高電壓,精密設(shè)計(jì)的大功率設(shè)備尤其是電力電子設(shè)備很難滿足該要求;且過電壓需要很大泄放能量時(shí)所需要的并聯(lián)避雷器會(huì)很多,占地面積太大[10,11,12,13,14,15];動(dòng)作后避雷器較長的冷卻時(shí)間也是一個(gè)問題。因此對(duì)過電流試驗(yàn)保護(hù)裝置的動(dòng)作精度、動(dòng)作時(shí)間和吸收能量提出較高的要求。本文通過分析和研究過電流裝置的故障過電壓,并結(jié)合電力電子裝置的特點(diǎn),提出一種適合于頻繁動(dòng)作、動(dòng)作電壓準(zhǔn)確性及穩(wěn)定性高,動(dòng)作電壓調(diào)節(jié)方便、保護(hù)動(dòng)作迅速、殘壓小,泄放能量大的新型過電壓保護(hù)裝置,即擊穿二極管(BreakOverDiode,BOD)觸發(fā)晶閘管閥。最后通過仿真分析和試驗(yàn)來驗(yàn)證該保護(hù)裝置的有效性和實(shí)用性。2允許誤差試驗(yàn)安裝的誤差2.1加熱電源的工作過程晶閘管閥過電流試驗(yàn)裝置的主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中,Cs1、Rs1、Cs2、Rs2、Cst、Rst構(gòu)成了阻尼吸收回路;Rp1、Rp2、Rpt為靜態(tài)均壓電阻;1V、2V、tV分別為隔離閥、控制閥和試品閥;L1為限流電抗;L2為諧振電抗;Uac為加熱電源。由圖1可見,該裝置可分為低壓大電流回路和高電壓諧振回路,前者由電流源和隔離閥組成,提供試品閥所需的穩(wěn)態(tài)電流;后者由電容、電抗及控制閥組成,提供過電流及其前后的高電壓。諧振過程試品閥Vt上的電流、電壓波形如圖2所示。該試驗(yàn)波形很好地模擬了高壓閥過電流后閉鎖故障的電流、電壓。該試驗(yàn)裝置的主要工作過程如下:(1)t1時(shí)刻之前,觸發(fā)隔離閥1V和試品閥Vt,使試品通過穩(wěn)態(tài)電流以模擬實(shí)際工況中的正常電流。(2)當(dāng)試品閥tV達(dá)到熱平衡且結(jié)溫達(dá)到試驗(yàn)要求后,閉鎖1V和tV。(3)t2時(shí)刻,連續(xù)觸發(fā)控制閥2V使高電壓首先加到試品閥tV上,模擬試品過電流前承受的正向電壓。(4)t3時(shí)刻,觸發(fā)試品閥tV,使其通過過電流。(5)t4時(shí)刻,半個(gè)諧振周期后諧振系統(tǒng)電容器電壓反向,tV重新閉鎖,此時(shí)連續(xù)觸發(fā)2V閥使試品閥承受反向高電壓。2.2變壓器保護(hù)動(dòng)作當(dāng)出現(xiàn)控制閥2V和隔離閥1V同時(shí)導(dǎo)通而試品閥tV閉鎖的嚴(yán)重故障時(shí),諧振系統(tǒng)電容器上的高電壓會(huì)對(duì)大電流回路產(chǎn)生過電壓和過電流的威脅。為分析這種情況,將圖1等效為圖3所示的電路,其中變壓器T采用的是直流電磁暫態(tài)計(jì)算(EMTDC)軟件中的帶飽和特性的變壓器模型。故障開始時(shí)變壓器對(duì)外表現(xiàn)為漏抗,整個(gè)回路的微分方程為式中TL為大電流回路變壓器的等效電抗;?為故障發(fā)生時(shí)大電流回路電源電壓Uac的初相角;UC為電容器C上的初始電壓;Um為變壓器輸出電壓峰值;R、C分別為回路總電阻和電容器電容值。由式(1)～(3)可求解Cu,考慮回路電阻很小,可簡化為由UA的表達(dá)式可見,如故障發(fā)生時(shí)?角不同,故障發(fā)生后過電壓最大值及其出現(xiàn)的時(shí)刻也不同。故障剛發(fā)生時(shí)變壓器對(duì)外表現(xiàn)為漏抗,即TL較小,但由于UCUm,變壓器上仍會(huì)承受過電壓,從而造成大電流回路的變壓器保護(hù)動(dòng)作,導(dǎo)致其跳閘。跳閘以后變壓器對(duì)外表現(xiàn)為勵(lì)磁阻抗,即TL很大,變壓器二次側(cè)電壓更高,幾乎承受所有的高壓回路電壓,這必然對(duì)變壓器造成致命的損壞。該故障過程中變壓器的電壓、電流波形如圖4所示。圖中,故障發(fā)生在0.04s,故障發(fā)生后變壓器二次側(cè)的電壓、電流瞬間超過其額定值,變壓器的保護(hù)系統(tǒng)動(dòng)作。跳閘(約在0.06s)以后,故障電流減小,故障電壓相應(yīng)地迅速增大,變壓器出現(xiàn)飽和。3電壓特性保護(hù)方式根據(jù)第2節(jié)中對(duì)過電壓的分析,在隔離的兩系統(tǒng)連通的情況下,會(huì)出現(xiàn)能量較大的故障過電壓。這種過電壓的保護(hù)有兩個(gè)顯著特點(diǎn):(1)正常工作電壓、保護(hù)動(dòng)作電壓、保護(hù)動(dòng)作殘壓相互之間的差別很小。在正常工作條件下,由于晶閘管反向恢復(fù)電荷的影響,會(huì)產(chǎn)生很大的反向恢復(fù)電壓過沖,該沖擊電壓雖然可用阻容吸收回路來抑制,但仍可能達(dá)到額定電壓的1.59倍;由于變壓器感應(yīng)耐壓試驗(yàn)只能做到變壓器額定電壓的2倍,因此大電流回路所允許的最高峰值電壓必須小于額定值的2倍,因此保護(hù)裝置動(dòng)作電壓及殘壓必須限定在變壓器額定電壓的1.59～2倍之間。即在低于1.59倍額定電壓時(shí)保護(hù)裝置不能動(dòng)作,而動(dòng)作后保護(hù)裝置上的電壓不能高于額定電壓的2倍。(2)故障發(fā)生時(shí),過電壓的能量來自高壓脈沖電容器組,能量極大(1MJ以上),過電壓保護(hù)裝置必須具有如此大的能量泄放能力。由于傳統(tǒng)的保護(hù)裝置很難滿足過電流試驗(yàn)裝置的保護(hù)要求,本文提出了BOD觸發(fā)晶閘管閥的保護(hù)方式,該方式的基本思想是將BOD保護(hù)動(dòng)作的快速性與大功率晶閘管閥泄放能量大的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來,其保護(hù)原理如圖5所示。圖5中,晶閘管閥(保護(hù)閥)Vp是能量泄放的主體,Vp的動(dòng)作由過電壓中BOD擊穿來觸發(fā),BOD是一種無門極的晶閘管,正向電壓超過某一特定值時(shí)轉(zhuǎn)換到通態(tài),通過一種急劇的短路作用保護(hù)晶閘管免受過電壓的危害,根據(jù)BOD的動(dòng)作電壓可決定過電壓的保護(hù)水平。Vp的阻尼吸收回路Rs、Cs既可吸收Vp的關(guān)斷過沖,還可起到減緩過電壓波頭的作用。Rp為保護(hù)阻尼電阻,可起到抑制電流、消耗能量的作用,其電阻值的選擇也同時(shí)決定了保護(hù)動(dòng)作殘壓的大小。該保護(hù)方式具有以下特點(diǎn):(1)BOD的擊穿動(dòng)作電壓分散性小,動(dòng)作誤差一般只有2%左右,這就使得該保護(hù)方式具有良好的動(dòng)作電壓穩(wěn)定性。(2)BOD動(dòng)作和晶閘管導(dǎo)通的快速性,使得該保護(hù)方式具有微秒級(jí)的動(dòng)作速度。(3)大功率晶閘管串聯(lián)技術(shù)已成熟,器件的水平不斷提高,因此該保護(hù)方式可被應(yīng)用于高壓大電流領(lǐng)域。(4)保護(hù)閥的阻尼回路可起到緩解過電壓波頭和抑制暫態(tài)過電壓的目的。(5)BOD觸發(fā)電壓、閥的串聯(lián)數(shù)以及阻尼電阻的大小都可靈活調(diào)節(jié),即閥的運(yùn)行電壓、保護(hù)動(dòng)作電壓、殘壓以及故障電流等都可調(diào)。保護(hù)裝置具有良好的適應(yīng)性和可調(diào)節(jié)能力。(6)保護(hù)殘壓由保護(hù)阻尼電阻決定,因此可調(diào)到很低。并聯(lián)保護(hù)閥Vp后的等效原理圖如圖6所示,圖中,Rsp、Csp分別為保護(hù)支路的阻尼電阻和電容,A為電流回路的保護(hù)點(diǎn),B為保護(hù)支路的接入點(diǎn),N為接地點(diǎn)。保護(hù)原理分析如下:發(fā)生在Vt閥不導(dǎo)通期間V1和V2通路的故障造成大電流系統(tǒng)過電壓,在該過電壓的作用下,BOD迅速擊穿動(dòng)作,進(jìn)而觸發(fā)導(dǎo)通保護(hù)閥Vp,Vp導(dǎo)通后既向高電壓系統(tǒng)產(chǎn)生的過電壓能量提供了一個(gè)泄放通道,又限制了A點(diǎn)電位,使大電流系統(tǒng)的過電壓迅速消失,保護(hù)了大電流系統(tǒng)。4保護(hù)參數(shù)的選擇保護(hù)閥處于整個(gè)系統(tǒng)的低壓側(cè),正常運(yùn)行狀態(tài)下承受的電壓很低,故障狀態(tài)下雖然晶閘管導(dǎo)通,但不會(huì)承受過電壓,因此保護(hù)閥的設(shè)計(jì)電壓只要高于BOD的保護(hù)設(shè)定值即可。根據(jù)被保護(hù)裝置的長期運(yùn)行電壓確定閥的串聯(lián)數(shù);根據(jù)被保護(hù)裝置的電壓耐受能力和其接入系統(tǒng)的電流耐受能力確定阻尼電阻的大小;這些參數(shù)確定后,可根據(jù)具體要求在它們之間選擇BOD保護(hù)電壓值。過電流試驗(yàn)裝置的大電流系統(tǒng)有四種工作模式,這四種工作模式下的保護(hù)參數(shù)選擇如表1所示。電阻值的選擇決定了保護(hù)動(dòng)作的殘壓和保護(hù)動(dòng)作時(shí)保護(hù)支路電流的大小和衰減的快慢。通過對(duì)于不同的電阻值進(jìn)行計(jì)算和仿真,最終選擇阻尼電阻為0.15?。晶閘管雖然通過的電流很大,但持續(xù)時(shí)間很短,因此也可找到滿足要求的器件。保護(hù)閥導(dǎo)通過程中的溫升可用以下方法計(jì)算:晶閘管的瞬態(tài)耗散功率計(jì)算公式為式中duT(t)為晶閘管的通態(tài)壓降;Ti(t)為晶閘管通態(tài)電流;A、B、C、D為廠家提供的計(jì)算參數(shù)。晶閘管的結(jié)與外殼之間的暫態(tài)熱阻為式中n為廠家給出的參考點(diǎn)數(shù);Rthn為廠家給出的參考熱阻;τ為參考時(shí)間。晶閘管的溫升計(jì)算公式為對(duì)于過電流裝置的保護(hù)閥代入實(shí)際參數(shù),選擇ABB公司的5STP42U6500晶閘管,用Matlab仿真軟件進(jìn)行計(jì)算,單管電流和結(jié)溫上升波形如圖7所示。由圖7可見,瞬時(shí)電流峰值雖然達(dá)到40kA,但晶閘管的最高溫升只有30K。對(duì)于本文提出的保護(hù)策略,過電壓的大部分能量都在保護(hù)阻尼電阻消耗了,晶閘管閥只有自身的導(dǎo)通損耗。圖8為保護(hù)阻尼電阻的損耗曲線,由圖8可見,電阻損耗最終為1.3MJ,而電容器總能量為1.316MJ,很明顯,電阻承受了幾乎所有的能量損耗。成本較低的電阻承擔(dān)過電壓的泄放能量,控制精度高的晶閘管閥負(fù)責(zé)保護(hù)動(dòng)作,與避雷器相比,這種保護(hù)策略的優(yōu)勢(shì)是比較明顯的。5高壓回路電容器電壓采用PSCAD-EMTDC仿真軟件分析BOD觸發(fā)晶閘管閥的過電壓保護(hù)原理,變壓器工作在1kV工作模式下,高壓回路電容器電壓為45kV。圖9為BOD觸發(fā)的晶閘管閥Vp可靠動(dòng)作后的仿真結(jié)果,由于BOD觸發(fā)Vp閥導(dǎo)通,故障發(fā)生后A點(diǎn)電位被限制為保護(hù)電阻電壓,大電流系統(tǒng)的變壓器電壓、電流過沖都位于保護(hù)限值范圍以內(nèi),從而不會(huì)遭受故障過電壓的侵襲。6bod保護(hù)動(dòng)作電壓試驗(yàn)本文利用沖擊電壓發(fā)生器對(duì)BOD觸發(fā)晶閘管閥的過電壓保護(hù)動(dòng)作特性進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。晶閘管閥采用雙向串聯(lián)設(shè)計(jì),每層BOD保護(hù)動(dòng)作電壓為4.8kV(峰值),3層串聯(lián),則該BOD觸發(fā)晶閘管閥的保護(hù)動(dòng)作電壓為1