高压直流断路器测控装置的设计与试验分析。高压直流断路器测控装置的设计与试验分析 马太虎，胡四全，胡 亮，马俊杰，吉攀攀 （许继集团有限公司，河南许昌 461000） 【摘 要】摘要：直流输（配）电是目前电网发展的趋势，而高压直流断路器的 研
高压直流断路器测控装置的设计与试验分析 马太虎，胡四全，胡 亮，马俊杰，吉攀攀 （许继集团有限公司，河南许昌 461000） 【摘 要】摘要：直流输（配）电是目前电网发展的趋势，而高压直流断路器的 研发是影响其发展的关键技术之一；测量与控制装置的研究是高压直流断路器 的研发要点；采用高压电力电子器件，DSP+FPGA 相结合的控制方式，对其测 控装置进行研究分析，提出了区间阈值的控制方法及相应的控制时序，从高压 直流输电、能源多样化的发展需求入手，将机械开关和固态开光相结合，设计 了一套混合式高压直流断路器样机；通过对样机进行合分闸试验及故障分闸试 验，证明了所研制的高压直流断路器样机具有分闸动作快，限弧能力强，动作 一致性好等优点。 【期刊名称】计算机测量与控制 【年(卷),期】2015(023)011 【总页数】3 【关键词】直流断路器；直流开断；区间阈值；控制时序；故障分闸 【 文 献 来 源 】 引言 随着电力电子技术、新能源、信息技术的发展及应用，用户对供电可靠性及供 电质量的要求越来越高，而现有交流输（配）电网将面临分布式新能源接入、 负荷多样化、潮流控制复杂化等方面的巨大问题［1］，目前，风电、光伏发电， 超级电容及电动汽车动力电池等各种储能装置基本上都是直流电技术，国外研 究资料表明，基于直流的输（配）电网在输送容量、可控性及提高供电质量等 方面具有比交流更好的性能［23］，可以更有效的提高供电质量，降低损耗及 运行成本。 高压直流断路器的工程应用还不广泛，制约其实际工程应用的主要原因有［4］： 1）直流电流无过零点致灭弧困难； 2）需承受较高的故障电流上升率； 3）应有快速故障检测的功能。 高压直流断路器大致可分为机械式、全固态式及混合式 3 种架构。其中混合式 高压直流断路器集合了机械开关的静态特性与电力电子器件的动态性能，具有 通态损耗小、开断时间短无需专用冷却设备等优点［56］，是直流断路器研发 的趋势。 目前，国内外针对混合式直流断路器做了诸多理论研究［7-8］，但很少提出具 体的样机研制测试方案及控制机理，本文提出了基于电力电子的混合式直流断 路器，并对其测控装置、工作机理及试验方法进行分析，通过试验，验证其功 能的正确性及稳定性。 1 高压直流断路器的整体架构 本文所研制的混合式直流断路器，其结构见图 1。该装置由主回路、测控系统 及监控系统组成。主回路由机械开关，和机械开关串联的辅助电子开关、并联 的主电子开关，以及避雷器组成。测控装置包括光学电流、电压互感器，霍尔 电流传感器、开入开出单元，触发单元，FPGA+DSP 控制结构单元［9］。通 过上位机进行监控，监视主回路电压、电流及各支路电流量，监视快速断路器、 辅助电子开关及主电子开关的状态信息。 主要工作原理：测控系统检测主回路上电压、电流信号，快速断路器、辅助电 子开关、主电子开关的状态，及支路电流信息，同时把这些信号通过以太网传 至监控后台，根据检测的状态信息，下发相关合、分闸命令。时刻监视线路信 息，当出现故障时自动进行故障跳闸动作。 图 1 虚线框内为主回路，包括由 6 个 IGBT 串联构成的主电子开关、避雷器 A、 快速断路器 QS（被测试品）及由 3 个 IGBT 并联构成的辅助电子开关 QST， 其中 IGBT 子模块原理图如图 2 所示。 其中 T1 为 IGBT，串联 IGBT 的静态均压常使用的方法为在毎一个串联器件的 集电极与发射极之间并联均压缓冲电阻的方式来实现静态均压［10］。并联电 阻的选择遵循如下公式： 公式（1）与（2）中的 Rp 与 P 分别表示并联电阻的电阻值与功率值，n 为 IGBT 串联数量，U 为漏电流最小的 IGBT 额定电压，Udc 则为主电路电源电压； Icmax 为 IGBT 漏电流最大值。 动态均压采用电阻-电容均压缓冲电路来实现限制器件的集射极电压上升率 du/dt，使各器件的电压上升率动作一致。二极管、电阻及电容组成放电回路， 保证下次断路器动作时缓冲电容所存储的能量已释放完。 2 高压直流断路器的控制设计 2.1 故障判断 由于测量装置本身每个测试点会有一个偏差 Δ，在进行过流判断时，假设阈值 为 A，采样值为 A1，采样周期为 t，理论上： 若 A1≥A，则故障标志位有效，否则无效； 实际上：采样值在阈值附近存在偏差 Δ，则故障标志位在此时会出现抖动现象。 解决方案如下。 方案 1：采用滤波处理，将故障标志位进行 2~3 个周期的滤波，即将故障标志 位延时 2~3（t）的时间再发送出去； 方案 2：采用区间阈值处理，将阈值的判断定义为，若 A1≥A，则故障标志位 有效，否则如果 A1＜（A-Δ1），则故障标志位无效（其中 Δ1＞Δ，是保证判 断结果更准确）。 方案 1 中，故障判断结果比较准确，但因其需要延时防抖处理，影响系统的响 应时间，方案 2 既能准确判断，又不影响系统的响应时间，故采用方案 2 的控 制方式。 2.2 时序控制 合、分闸控制时序如图 3 所示。 在合闸操作过程中，先触发主电子开关，使其导通，承受大电流，在断路器机 械触点闭合过程中，辅助电子开关触发导通，由于辅助电子开关导通电阻小， 电流开始向断路器支路转移，当断路器触点完全闭合，电流基本转移至断路器 支路，此时，换流过程结束，因主电子开关由 6 个 IGBT 串联组成，不能长时 间承受大电流，故要及时断开主电子开关，完成合闸操作。 在分闸过程中，断路器及辅助电子开关处于导通状态，此时触发主电子开关， 断开断路器，延时 20us 分辅助电子开关，因辅助电子开关由 3 个 IGBT 并联组 成，不能承受大电压，若在断路器触点分断后再分断辅助电子开关，则会将辅 助电
