王曉鵬

（遼寧地質(zhì)工程職業(yè)學(xué)院動畫影視學(xué)院，遼寧丹東 118008）

高壓串聯(lián)諧振故障限流器輔助電源的設(shè)計

王曉鵬

（遼寧地質(zhì)工程職業(yè)學(xué)院動畫影視學(xué)院，遼寧丹東 118008）

在高壓串聯(lián)諧振限流器中，所有的有源傳感器和各個晶閘管觸發(fā)電路均需要相互隔離的低壓電源單獨(dú)供電，而限流器工作在穩(wěn)定狀態(tài)和工作在短路限流狀態(tài)時，電路中各個節(jié)點(diǎn)的電壓將發(fā)生很大的變化，使在限流器電路內(nèi)部獲取低壓輔助電源，并實(shí)現(xiàn)高壓隔離成為高壓串聯(lián)諧振限流器設(shè)計的難題。本文提出了在雙分裂電抗器中取能的兩種方法，配合蓄電池的應(yīng)用，為高壓串聯(lián)諧振限流器提供了不受系統(tǒng)停電影響、安全可靠的輔助電源。

高壓串聯(lián)諧振限流；雙分裂電抗器；取能；低壓輔助電源；高壓隔離

隨著高壓輸電網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，電網(wǎng)的短路保護(hù)成為備受關(guān)注的前沿課題。在各種限流方案中，利用串聯(lián)諧振原理設(shè)計的故障限流器，因其具有運(yùn)行損耗小、限流能力強(qiáng)、響應(yīng)速度快、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，成為研制的熱點(diǎn)。

在串聯(lián)諧振限流器中，大都采用晶閘管作為諧振電容的投切開關(guān)，又采用多個有源傳感器獲取電路信息。在這些晶閘管和傳感器中，均需要相互隔離的低壓電源為其提供工作電能。

當(dāng)發(fā)生系統(tǒng)短路故障時，限流器電路內(nèi)許多節(jié)點(diǎn)的電壓值都將發(fā)生很大的變化，低壓系統(tǒng)提供的220V市電也可能消失。而這時限流器電路內(nèi)的晶閘管觸發(fā)系統(tǒng)、電路監(jiān)測系統(tǒng)、信息存儲系統(tǒng)等仍需要工作一段時間[1]。所以，為限流器的控制與檢測系統(tǒng)提供不受短路故障影響的工作電源，是限流器研究的重要內(nèi)容之一。

低壓隔離輔助電源可以采用高壓互感器或光伏技術(shù)等手段獲得，但是這些取能技術(shù)所具有的造價高昂和技術(shù)復(fù)雜的特點(diǎn)，均不適合于在高壓串聯(lián)諧振限流器中的應(yīng)用。

根據(jù)串聯(lián)諧振限流器的電路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過在雙分裂電抗器中取能的辦法，配合蓄電池等儲能元件，不僅解決了取能電壓的高壓隔離問題，也解決了市電消失后的繼續(xù)供電問題[2]，是一種簡單易行、造價低廉、安全可靠的取能辦法。

1 高壓串聯(lián)諧振限流器的電路拓?fù)渑c工作原理

高壓串聯(lián)諧振限流器的基本電路拓?fù)淙鐖D1所示。圖1中L為串聯(lián)電抗器，C為電力電容器，M為雙分裂電抗器，VT1、VT2為晶閘管。

圖1 超高壓串聯(lián)諧振限流器的基本電路拓?fù)?/p>

在輸電線路正常工作的情況下，限流器工作在穩(wěn)定狀態(tài)。此時晶閘管VT1與VT2截止，雙分裂電抗器的N1繞組開路，N2繞組呈現(xiàn)高阻抗。串聯(lián)電抗器L和電容器C處于串聯(lián)諧振狀態(tài)，其諧振阻抗極小。限流器作為一個低阻抗元件串聯(lián)在輸電母線中，限流器對正常輸電沒有不良影響。

當(dāng)輸電線路發(fā)生短路故障時，限流器轉(zhuǎn)為限流狀態(tài)。此時晶閘管VT1與VT2觸發(fā)導(dǎo)通，雙分裂電抗器的N1、N2繞組通過相等的電流，N2繞組呈現(xiàn)低阻抗，將電容器C短接，串聯(lián)電抗器L作為高阻抗元件串聯(lián)在線路中，限制短路電流的增加，對輸電線路及其設(shè)備起到保護(hù)作用。

由以上分析可知，限流器由穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)為限流狀態(tài)以后，電路中各節(jié)點(diǎn)的電壓均要發(fā)生大幅度的變化，輔助電源所需的220V低壓市電也可能隨著電網(wǎng)故障而消失。而限流器的信息檢測與存儲系統(tǒng)、晶閘管的觸發(fā)系統(tǒng)等仍然需要繼續(xù)工作一段時間。這就需要采用一定的技術(shù)措施為限流器提供不受系統(tǒng)故障影響的低壓電源，并且要求各個低壓電源之間要具有不低于系統(tǒng)電壓的隔離能力。

2 高壓串聯(lián)諧振限流器的電壓取能與隔離

從工作連續(xù)性的角度，可將輔助電源分為連續(xù)工作和短時工作兩種類型[3]。連續(xù)工作的輔助電源負(fù)責(zé)向各類有源傳感器以及信息采集、存儲系統(tǒng)提供穩(wěn)定、可靠、不間斷的工作電源。短時輔助電源負(fù)責(zé)向各個晶閘管的門極觸發(fā)電路提供短時間的工作電源，電源的供電維持時間一般不大于幾百毫秒。這兩類輔助電源的共同特點(diǎn)是要彼此隔離，隔離電源與主系統(tǒng)之間的電壓隔離能力要達(dá)到限流器工作電壓的等級，各個隔離電源之間的隔離電壓應(yīng)不低于20kV。根據(jù)限流器和兩類輔助電源的工作特點(diǎn)，本文提出了從雙分裂電抗器中取能的兩種實(shí)施方案，如圖2所示。

2.1 附加繞組取能方式

附加繞組取能方式如圖2（a）所示。圖中M是雙分裂電抗器，N1、N2是雙分裂電抗器M的兩個工作繞組，N3是附加在雙分裂電抗器工作繞組上的取能繞組。

限流器穩(wěn)定運(yùn)行時，各晶閘管均處于截止?fàn)顟B(tài)，N1繞組開路。此時雙分裂電抗器則相當(dāng)于以N2繞組為原邊，以N3繞組為副邊的降壓變壓器。N3繞組輸出的交流電壓，經(jīng)變壓器B1再隔離與電壓調(diào)整，可得到多組相互隔離的交流電壓，作為各個檢測、控制系統(tǒng)的低壓工作電源。

附加繞組取能方式的輔助電源，其高壓隔離能力主要取決于N3繞組與N1、N2繞組之間的絕緣強(qiáng)度，也與變壓器B1各二次繞組間的絕緣強(qiáng)度有關(guān)。

變壓器B2的原繞組可采用10kV絕緣電纜繞制，其絕緣能力可達(dá)24kV。

2.2 抽頭取能方式

抽頭取能方式如圖2（b）所示。圖中2、3點(diǎn)之間的電壓即為取能電壓。取能電壓經(jīng)變壓器B1再隔離與電壓調(diào)整，即可得到多組相互隔離的交流電壓。

抽頭取能方式的輔助電源，其高壓隔離能力取決于變壓器B1原副繞組之間的絕緣強(qiáng)度以及各二次繞組之間的絕緣強(qiáng)度。

比較上述兩種取能方式，從取能的角度講并沒有本質(zhì)的區(qū)別。從電壓隔離的角度講，圖2（a）的電壓隔離能力要優(yōu)于圖2（b）的電壓隔離能力。從結(jié)構(gòu)的角度講，圖2（b）的加工工藝比圖2（a）的加工工藝簡單。應(yīng)用時可以根據(jù)限流器的工作電壓選用其中的一種。

圖2 輔助電源的取能方式

由于高壓限流器中應(yīng)用的雙分裂電抗器大都采用油浸式結(jié)構(gòu)，各繞組間具有很強(qiáng)的絕緣能力。又由于限流器主體采用的是單元串聯(lián)組合的結(jié)構(gòu)方式，每一個串聯(lián)單元的實(shí)際工作電壓遠(yuǎn)低于系統(tǒng)電壓。再考慮到限流器采用的是懸浮的安裝方式，所以從雙分裂電抗器中取能是安全的。

通過附加取能繞組的方式從雙分裂電抗器中取能，若取能電壓很低（例如8～15V），可能因?yàn)镹2繞組與N3繞組之間的變比太大，造成取能電壓值不準(zhǔn)確。這時可以適當(dāng)提高取能電壓的幅值，（例如將取能電壓提高至30V～50V），即可避免這一弊端。然后再利用小變比的隔離變壓器將取能電壓調(diào)整到符合需要的電壓值，如圖2中的變壓器B1。

變壓器B1的容量一般不超過30W，因變比小，二次繞組的匝數(shù)也少，所以二次繞組可以采用10kV的高壓導(dǎo)線繞制，以進(jìn)一步加強(qiáng)電壓隔離。應(yīng)用時，變壓器B1要懸浮安裝，其鐵心不允許接地。

3 低壓輔助電源的電路結(jié)構(gòu)與在線監(jiān)測

超高壓輸電線路發(fā)生短路故障的幾率很低，并且發(fā)生故障的時間是不確定的。對于限流器來講，穩(wěn)定運(yùn)行是其常態(tài)。作為控制開關(guān)使用的晶閘管的觸發(fā)電路將長時間處于待機(jī)狀態(tài)。為防止偶發(fā)短路故障時，輔助電源失效，要對取能電源和觸發(fā)電路進(jìn)行在線監(jiān)測，并應(yīng)設(shè)置相應(yīng)的報警裝置，以便及時發(fā)現(xiàn)故障并立即維修。防止因取能電源和觸發(fā)電路故障引起限流器限流失效的重大事故。圖3所示為電池充電與控制電路框圖。

圖3 電池充電與控制電路框圖

由取能變壓器輸出的低壓交流電壓經(jīng)整流濾波、穩(wěn)壓后輸入到電池檢測與控制電路對電磁充電，PLC控制系統(tǒng)對電池的充電狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測與控制，使電池的電量始終保持最佳狀態(tài)；當(dāng)輸電線路發(fā)生短路故障時，PLC控制器向電池充電電路發(fā)出輸出指令[4]，晶閘管觸發(fā)電路在電池供電的作用下將來自PLC控制器的光信號轉(zhuǎn)換成電信號，晶閘管觸發(fā)電路輸出直流觸發(fā)信號使晶閘管導(dǎo)通。

控制系統(tǒng)的程序控制部分兩部分包括PLC程序、HMI程序及后臺監(jiān)控程序三大部分。

PLC程序主要包括控制流程、數(shù)據(jù)采樣、干擾濾波、故障錄波、故障報警、事件記錄、數(shù)據(jù)記錄、試驗(yàn)平臺、保護(hù)連鎖、數(shù)據(jù)通訊等程序模塊。其中核心部分在于快速采樣及快速響應(yīng)、動作判斷與連鎖保護(hù)及每次故障波形的記錄。PLC選用基恩士KV3000型，編程軟件KV STUDIO Ver.7。

故障錄波采用AD40G模擬量模塊，該模塊自帶緩存功能記錄[5]。此方案采樣頻率為5KHz，可記錄2000ms時間段內(nèi)的數(shù)據(jù)，包括故障前、故障暫態(tài)和故障后的數(shù)據(jù)。采集數(shù)據(jù)均可保存在SD卡內(nèi)，斷電時數(shù)據(jù)不丟失。CSV格式，可將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移至PC機(jī)，供EXCEL或其他軟件數(shù)據(jù)分析。

HMI選用的基恩士S12型觸摸屏，編程軟件為VT STUDIO Ver.4。HMI系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)及測量數(shù)據(jù)的顯示、系統(tǒng)參數(shù)及故障閾值的設(shè)定，查詢并記錄報警信息及操作記錄，故障波形的查詢與顯示功能及其他FCL系統(tǒng)操作相關(guān)的功能。

圖4 PLC程序結(jié)構(gòu)基本流程圖

上位機(jī)系統(tǒng)選用的是研祥PC810型工控機(jī)，24英寸液晶顯示器。軟件系統(tǒng)利用力控Forcecontrol 6.1作為組態(tài)平臺。PC與PLC通過工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行通訊[6]，遠(yuǎn)距離傳輸利用以太網(wǎng)光端機(jī)進(jìn)行信號裝換實(shí)現(xiàn)光纖傳輸信號。后臺系統(tǒng)的軟件功能與HMI系統(tǒng)一致，區(qū)別是分別實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方與本地操作。圖4是限流器控制系統(tǒng)的程序流程圖。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過在10kV串聯(lián)諧振限流器中的取能試驗(yàn)，本文提出的超高壓故障限流器輔助電源的取能方案是可行的。取能電壓的穩(wěn)定性以及隔離能力均達(dá)到了設(shè)計要求。在取能電壓消失后，所采用的儲能元件（蓄電池）的續(xù)能能力能夠達(dá)到10分鐘，滿足了限流器暫態(tài)限流時的工作要求，取得了滿意的實(shí)驗(yàn)效果。

5 結(jié)論

本文介紹的限流器低壓輔助電源，解決了超高壓串聯(lián)諧振限流器輔助電源取能與高壓隔離的難題，為超高壓諧振限流器的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)提供了方法簡便、安全可靠、造價低廉的輔助電源獲取方法。

[1]張志豐.一種改進(jìn)串聯(lián)諧振型限流器[J].電工技術(shù)學(xué)報, 2015(3):30.

[2]《變壓器》雜志編輯部.電力變壓器設(shè)計計算方法[M].沈陽:遼寧科學(xué)技術(shù)出版社.

[3]周京華，龔紹文.變壓器與電感器設(shè)計手冊[M].4版.北京:中國電力出版社.

[4]吳天明，趙新力，劉建存.MATLAB電力系統(tǒng)設(shè)計與分析[M].北京:國防工業(yè)出版社.

[5]何希才.新型集成穩(wěn)壓器應(yīng)用實(shí)例[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社.

[6]李小峰.具有數(shù)據(jù)存儲功能的嵌入式以太網(wǎng)通訊模塊的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[D].青島:中國海洋大學(xué),2013:120.

（責(zé)任編校：馬余平）

Design of Auxiliary Power Supply for High Voltage Series Resonant Fault Current Limiter

WANG Xiao－peng
(Animation Film and Television Institute,Liaoning Geological Engineering Vocational College,Dandong，Liaoning 118008)

In the high-voltage series resonant current limiter,all the active sensors and the thyristor trigger circuits need to separate each other from the low-voltage power supply.And current limiting device in steady state and work in short circuit limit state flow,every node in the circuit voltage will occur great changes,so that in current limiting circuit internal access to low voltage auxiliary power supply,and to achieve high voltage isolation for high voltage series resonance current limiting device design problem.This paper presents in double split reactor take to two methods,with the battery application,high pressure series resonant current limiter provides is free from the influence of power system,safe and reliable auxiliary power supply.

high voltage series resonant current limiter;dual split reactor;take energy;low voltage auxiliary power supply; high voltage isolation

TM 471

A

1672-738X(2015)04-0095-04

2015-06-18

王曉鵬(1979—)，女，滿族，遼寧丹東人，計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)講師，計算機(jī)技術(shù)工程碩士。主要研究方向：計算機(jī)應(yīng)用。