孫廣濤, 李樹昆, 紀江輝, 王小麗

(許繼集團有限公司, 河南 許昌 461000)

0 引 言

直流配電網(wǎng)一直是國內(nèi)外研究的熱點,其中直流斷路器的安全穩(wěn)定運行在直流配網(wǎng)中起非常重要的作用。國內(nèi)外專家針對直流斷路器的控制原理設計了多種不同的拓撲結構,目前應用比較成熟的為電流轉移型方案,另一種電弧耗能開斷方案由于存在分斷失敗的可能逐漸被淘汰[1]。電流轉移型直流斷路器的方案是在直流斷路器分斷時通過采用強迫轉移或者自然轉移的方法,迫使主回路一次電流轉移到分支回路,等主回路建立絕緣斷口后立即關閉分支回路,迫使MOV回路動作,完成直流斷路器的無弧開斷[2]。這種電流轉移型由機械開關、電力電子器件和MOV釋能回路共同組成的直流斷路器又稱為混合式直流斷路器[3]。混合式直流斷路器以低損耗、可實現(xiàn)無弧開斷、全電流清除時間短等優(yōu)勢近年來獲得了較快的發(fā)展[4-13]。截止目前,在大部分直流斷路器控制方面的研究均存在成本高的問題,未來控制器的低成本化、高可靠性、安全穩(wěn)定必然成為直流斷路器發(fā)展的趨勢?；诖?本文提出一種半控型、模塊化設計、高穩(wěn)定性、低成本的直流斷路器控制器方案,將直流斷路器控制部分拆為4個子模塊,采用在工業(yè)領域中應用比較成熟的PLC作為主要控制單元,用光纖傳遞信號形成直流斷路器控制方案。試驗結果表明,從后臺發(fā)出分閘信號至PLC發(fā)出分閘命令到轉移支路關閉、釋能回路MOV動作,完成能量釋放的時間完全滿足直流斷路器開斷的時間要求。使用該控制方案的直流斷路器已經(jīng)通過型式試驗驗證,取得型式試驗報告。

1 直流斷路器控制需求

直流斷路器的控制器是接受綜保信號控制直流斷路器動作或者根據(jù)直流斷路器自身的運行情況判斷是否跳閘,為綜保及后臺提供直流斷路器狀態(tài)信息、故障判別,根據(jù)控制器件的邏輯關系控制相應器件動作完成直流斷路器分合閘操作的核心設備[14-15]?；谧匀粨Q流型直流斷路器的控制原理,設計控制器由4個子模塊和一個主模塊構成?？刂圃O備基本框架如圖1所示。

圖1 控制設備基本框架

該直流斷路器拓撲結構的優(yōu)點是無需判斷電流方向、成本低廉、主回路只有機械開關,導通損耗小、采用自然冷卻無需水冷裝置、可實現(xiàn)主回路和轉移支路之間的自然換流、壽命較長。本文著重介紹控制系統(tǒng),主要由IGBT控制子模塊、電磁斥力機構控制子模塊、模擬量采集子模塊、開關量控制子模塊以及PLC控制保護模塊組成。各個子模塊信號就地轉化為光信號,通過光纖傳遞模塊間信號連接。控制保護模塊主要具備監(jiān)視直流斷路器狀態(tài);根據(jù)采集到的狀態(tài)信號,控制各個子模塊依據(jù)邏輯關系完成相應的動作,實現(xiàn)直流斷路器的分合閘操作、判斷直流斷路器故障狀態(tài)、判斷是否允許直流斷路器動作、狀態(tài)數(shù)據(jù)上傳、執(zhí)行后臺SCADA或監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出的指令等功能。

(1) IGBT控制子模塊主要包括第一轉移支路IGBT模塊、第二轉移支路IGBT模塊、光電轉換模塊等,主要功能通過控制IGBT按邏輯關系導通或者關閉,實現(xiàn)轉移支路的導通或關閉。

(2) 電磁斥力機構子模塊主要由兩套機械開關組成,包括電容、光電轉換器、電阻、斥力盤、線圈、晶閘管組件等,主要功能通過控制電容導通,完成直流斷路器機械開關回路的合閘或分閘[16-17]控制。

(3) 模擬量采集子模塊主要采集主回路電流、第一轉移支路電流、第二轉移支路電流、斥力機構儲能電容電壓等信號,主要負責向控制保護系統(tǒng)傳遞模擬量信號,其中主回路電流作為直流斷路器故障判斷的重要依據(jù)。

(4) 開關量控制子模塊主要監(jiān)測直流斷路器各元器件狀態(tài)、柜門狀態(tài)、手車狀態(tài)、隔離開關和接地開關狀態(tài)、主回路機械開關狀態(tài)等信號,主要負責向控制保護系統(tǒng)傳遞開關量信號作為控制保護的邏輯依據(jù)。

PLC主控制模塊在收到各個子模塊的信號后,判斷直流斷路器狀態(tài),并將參數(shù)上傳保護裝置及后臺監(jiān)控系統(tǒng)作為直流斷路器的維護檢修依據(jù)。

2 直流控制器系統(tǒng)設計

2.1 直流斷路器控制原理

針對上述控制需求,電路原理圖如圖2所示。采用PLC的優(yōu)點是易于設計員掌握、可靠性高、功耗低、系統(tǒng)兼容性好、能夠模塊化批量采購。

圖2 電路原理圖

PLC主控制模塊的具體控制原理:PLC開機啟動后,首先對主程序及各個分支程序數(shù)據(jù)進行初始化,校驗各分支程序的功能及其工作狀態(tài)。檢測監(jiān)測主回路及轉移支路的電流信號、電磁斥力機構儲能電容電壓及各元器件狀態(tài)信號等,向直流保護裝置及后臺監(jiān)控系統(tǒng)上傳直流斷路器狀態(tài),實時監(jiān)測保護裝置、后臺監(jiān)控系統(tǒng)或控制面板發(fā)出的動作指令,根據(jù)直流斷路器狀態(tài)和邏輯關系執(zhí)行上述指令。PLC通過實時監(jiān)測主回路及轉移支路的電流信號、電磁斥力機構儲能電容電壓信號,當判斷出主回路電流異常且電流上升率大于設定的開斷電流或電磁斥力機構電容電壓異常時,限制本級直流斷路器動作并上報保護裝置及后臺監(jiān)控系統(tǒng)。

2.2 直流斷路器控制時序

直流斷路器的控制分為運行狀態(tài)、試驗狀態(tài)和退出狀態(tài)。運行狀態(tài)是指直流斷路器手車進入工作位置、各項參數(shù)正常,可以滿足直流配網(wǎng)的控制需求,直流斷路器可以投入運行。退出狀態(tài)是指直流斷路器手車已退出柜體,直流斷路器隔離開關已動作在隔離位置、接地開關處于接地位置,實現(xiàn)直流斷路器的檢修,并可單獨對直流斷路器手車進行檢修驗證。試驗狀態(tài)是指直流斷路器手車處于試驗位置、此時手車動靜觸頭未嚙合,通過對直流斷路器手車的控制實現(xiàn)模擬試驗狀態(tài)。PLC控制屏設置登錄密碼和權限,通過PLC控制屏可實現(xiàn)三種狀態(tài)的自由切換。

PLC根據(jù)接收到的手車狀態(tài)、隔離開關狀態(tài)、接地開關狀態(tài)、柜門狀態(tài)、IGBT狀態(tài)等判斷直流斷路器是否滿足合分閘條件,未收到控制保護系統(tǒng)或后臺監(jiān)控系統(tǒng)的信號前一直處于循環(huán)判斷狀態(tài),直到收到合分閘指令或判斷出故障,分別執(zhí)行不同的子程序。

2.3 直流斷路器合閘控制邏輯

直流斷路器合閘控制邏輯如圖3所示。

圖3 直流斷路器合閘控制邏輯

當直流斷路器控制主模塊PLC收到合閘指令后,根據(jù)各個器件狀態(tài)進入合閘子程序,向第二轉移支路IGBT發(fā)出導通指令且同時向主回路的兩個機械開關發(fā)出合閘指令即電磁斥力機構動作。由于第二轉移支路IGBT動作比機械開關迅速,所以第二轉移支路IGBT優(yōu)先導通,系統(tǒng)電流經(jīng)第二轉移支路IGBT形成回路,完成直流斷路器無弧合閘;當主回路機械開關導通后,由于主回路機械開關電阻遠小于IGBT回路,所以轉移支路電流轉移至主回路,轉移支路自然關斷。為保證第二轉移支路IGBT關斷,在檢測到直流斷路器合閘輔助觸點到位后,向轉移支路IGBT發(fā)出關斷指令。

2.4 直流斷路器分閘控制邏輯

直流斷路器分閘控制邏輯如圖4所示。

圖4 直流斷路器分閘控制邏輯

當直流斷路器控制主模塊PLC收到分閘指令后,根據(jù)各個器件狀態(tài)進入分閘子程序。PLC同時向第一轉移支路IGBT、第二轉移支路IGBT、兩個機械開關發(fā)出導通和分閘指令。在電磁斥力機構控制下主回路兩個機械開關同時動作分閘并起弧,當電弧電壓達到第一轉移支路IGBT導通條件后,第一轉移支路IGBT導通自然換流,此時主回路電流由第一轉移支路IGBT和第二個機械開關承擔,第一個機械開關不承擔電流。當主回路電流轉移至第一轉移回路后,關閉第一轉移支路IGBT,由于此時第二轉移支路IGBT處于預導通狀態(tài),第一轉移支路IGBT關閉主回路電流立即轉移至第二轉移支路,主回路兩個機械開關電弧熄滅并逐步建立絕緣斷口,主回路電流完全由第二轉移支路IGBT承擔。當主回路兩個機械開關建立絕緣斷口后,關閉第二階段IGBT回路,釋能回路MOV動作完成能量釋放,直流斷路器分閘完成。在直流斷路器分閘過程中,若PLC判斷主回路電流超出預期或其他影響分閘的故障,則主回路機械開關立即合閘,同時向保護裝置和后臺發(fā)出不能分閘故障信息。

3 試驗驗證

3.1 廠內(nèi)試驗驗證

本文主要對直流斷路器的合分閘功能進行驗證,檢測各個模塊的動作時間、各個模塊配合情況以及特征參數(shù)等。利用后臺控制系統(tǒng)、電容、電感、傳感器、測試儀等搭建試驗電路。試驗電路如圖5所示;試驗參數(shù)如表1所示。

圖5 試驗電路

表1 試驗參數(shù)

試驗原理:首先對主電容C進行預充電,充電完成后,后臺控制系統(tǒng)控制晶閘管VT1導通。主電容開始放電,在電容開始放電起第1.4 ms,后臺控制系統(tǒng)根據(jù)設定的程序向直流斷路器控制PLC發(fā)出分閘指令。隨后直流斷路器依據(jù)PLC發(fā)出的控制順序開始分閘動作,最后截斷回路電流實現(xiàn)電路分斷。主電容通過電阻R1和接觸器KM1形成回路釋放多余的能量。

示波器設置:通道1主回路電流、通道2第一轉移支路電流、通道3第二轉移支路電流、通道4釋能回路電壓。直流斷路器分閘曲線如圖6所示。當PLC接收到分閘命令后,同時向兩個機械開關、第一轉移支路IGBT模塊、第二轉移支路IGBT模塊發(fā)出分閘和導通命令,延遲1ms后向第一轉移支路IGBT模塊發(fā)出關閉命令,延遲2ms后向第二轉移支路IGBT模塊發(fā)出關閉命令。機械開關動作后第一轉移支路IGBT導通,第一轉移支路電流迅速上升至與主回路電流一致,此時與第一轉移支路并聯(lián)的機械開關電弧熄滅,主回路電流由第一轉移支路IGBT和第二個機械開關承擔。到第一轉移支路IGBT強行關閉,電流迅速向第二轉移支路轉移,第二轉移支路電流迅速上升至主回路電流;到第二轉移支路IGBT強行關閉,釋能回路MOV導通,完成直流斷路器分閘。

圖6 直流斷路器分閘曲線

3.2 型式試驗

目前,廠內(nèi)組裝的直流斷路器最大開斷能力為5 kA,在試驗站的試驗系統(tǒng),完成電流開斷試驗。直流斷路器現(xiàn)場試驗圖和直流斷路器試驗分閘曲線分別如圖7和圖8所示。試驗系統(tǒng)產(chǎn)生預期故障電流,過流保護模擬裝置檢測到故障電流大于定值后發(fā)出的直流斷路器分閘指令,在PLC控制系統(tǒng)收到過流保護模擬裝置發(fā)來的分閘指令后,按照動作邏輯向直流斷路器各個子模塊發(fā)出動作指令,直流斷路器依據(jù)PLC控制器按照程序設定的控制邏輯和控制時序完成分閘,清除故障電流。型式試驗時未對第一轉移支路電流進行監(jiān)測,僅監(jiān)測主回路電流、第二轉移支路電流和MOV回路電壓。

圖7 直流斷路器現(xiàn)場試驗圖

圖8 直流斷路器試驗分閘曲線

4 結 語

直流斷路器是10 kV直流配電網(wǎng)系統(tǒng)中的關鍵設備,本文依據(jù)自然換流型直流斷路器拓撲原理,詳細分析了直流斷路器的控制需求,構建基于PLC核心模塊的直流斷路器控制保護系統(tǒng),提出模塊化設計思想將直流斷路器的控制分4個控制子模塊(IGBT控制子模塊、電磁斥力機構控制子模塊、模擬量采集子模塊、開關量控制子模塊),分別搭建控制回路,最后通過試驗平臺驗證了系統(tǒng)的可行性。經(jīng)過廠內(nèi)試驗和試驗站試驗驗證,該控制保護方案在直流斷路器狀態(tài)監(jiān)測、接收保護裝置或后臺監(jiān)控系統(tǒng)信號并執(zhí)行直流斷路器分合閘方面切實可行,為直流斷路器控制保護系統(tǒng)低成本化、模塊化生產(chǎn)運行提供了解決方案和思路。