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電子式互感器工作電源及喚醒機(jī)制的實(shí)現(xiàn)

2013-10-10 07:23:06季龍三侯鐵信卜正良舒乃秋
電力自動(dòng)化設(shè)備 2013年5期
關(guān)鍵詞:電路板儲(chǔ)能電容

季龍三,侯鐵信,卜正良,舒乃秋,康 兵

(1.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院,廣東 廣州 510663;2.武漢國(guó)測(cè)科技股份有限公司,湖北 武漢 430000;3.武漢大學(xué) 電氣工程學(xué)院,湖北 武漢 430072)

0 引言

隨著我國(guó)超、特高壓電網(wǎng)的建設(shè)和電力體制改革的不斷深化,新一代電力網(wǎng)絡(luò)——堅(jiān)強(qiáng)的智能電網(wǎng)已經(jīng)初步形成,這標(biāo)志著我國(guó)電網(wǎng)發(fā)展將朝著信息化、數(shù)字化、自動(dòng)化、集成化方向前進(jìn)。新型的電子式互感器具有動(dòng)態(tài)范圍大、頻帶寬、體積小、測(cè)量范圍大、抗電磁干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),適應(yīng)電力系統(tǒng)的發(fā)展要求,符合智能配網(wǎng)一體化概念。本文通過(guò)對(duì)基于電子式互感器技術(shù)的集數(shù)據(jù)采集與合并配電網(wǎng)一體化裝置的介紹,闡述一種新型高壓供能方式以彌補(bǔ)現(xiàn)存取能方式的缺陷,提高設(shè)備取能模塊的可靠性、安全性與經(jīng)濟(jì)性。

1 裝置整體方案

裝置分為低壓與高壓兩部分,高壓部分主要完成實(shí)時(shí)運(yùn)行電氣量檢測(cè)、電氣信號(hào)數(shù)據(jù)整合、操作控制命令執(zhí)行功能,低壓部分主要實(shí)現(xiàn)保護(hù)、測(cè)控和計(jì)量數(shù)據(jù)顯示與遠(yuǎn)傳等功能。

低壓側(cè)設(shè)計(jì)部分主要實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、電能質(zhì)量監(jiān)控、測(cè)量、控制與保護(hù)等功能。由于設(shè)計(jì)方案是以配網(wǎng)自動(dòng)化概念為核心,在數(shù)據(jù)傳輸、站內(nèi)通信、遠(yuǎn)程控制時(shí)采用國(guó)際電工委員會(huì)制定的IEC61850統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),解決了設(shè)備之間的互操作性和無(wú)縫集成等問(wèn)題,使通信可靠性得到提高。

高壓部分包含了電壓/電流傳感模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、取能模塊與合并單元。電壓/電流傳感模塊選用有源式電子式互感器作為傳感頭來(lái)檢測(cè)線路電氣量,采集所得的模擬信號(hào)進(jìn)入數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行調(diào)理、量化,再根據(jù)IEC60044協(xié)議通過(guò)Manchester編碼與光電轉(zhuǎn)換,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集模塊與合并單元之間的光通信。三相所有保護(hù)和計(jì)量的測(cè)量信號(hào)均匯總到B相內(nèi)的合并單元后,合并單元對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換處理并打包成標(biāo)準(zhǔn)IEC61850 9-1或IEC61850 9-2格式的報(bào)文,最后發(fā)送給低壓側(cè)的智能保護(hù)單元或測(cè)控單元。同時(shí)合并單元還通過(guò)光纖同步信號(hào)完成對(duì)其他相上的高壓電位計(jì)量、保護(hù)數(shù)據(jù)模塊進(jìn)行采樣的同步控制。同時(shí),為保障高壓側(cè)有源設(shè)備的正常工作,需設(shè)計(jì)相應(yīng)的取能模塊來(lái)解決一體化裝置高壓側(cè)供電問(wèn)題。因此,設(shè)計(jì)合理、科學(xué)的工作電源模塊成為一體化設(shè)備研究中的難點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)。智能集成終端原理圖如圖1所示。

圖1 智能集成終端原理圖Fig.1 Schematic diagram of intelligent integrated terminal

2 高壓懸浮取能

2.1 現(xiàn)有取能方案

傳統(tǒng)的高壓供能方式有電流互感器(TA)供能、激光供能與太陽(yáng)能供能。

利用TA從輸電線上取能的基本工作原理是利用特制TA從母線上感應(yīng)電壓,通過(guò)整流、濾波、穩(wěn)壓等后續(xù)電路處理后,給高壓側(cè)電子電路提供所需的電源。在設(shè)計(jì)鐵芯線圈感應(yīng)交流電能為二次側(cè)供能時(shí),應(yīng)使其盡量工作在飽和段,這樣即使感應(yīng)電壓的瞬時(shí)峰值會(huì)隨一次導(dǎo)線電流的增加而增加,感應(yīng)電壓的平均值也不會(huì)變化[1]。但這樣的設(shè)計(jì)方案也使得TA取能存在2個(gè)比較明顯的問(wèn)題。

a.存在供電死區(qū)。當(dāng)母線電流較低時(shí),由于電磁式TA自身缺陷,感應(yīng)電流動(dòng)態(tài)范圍小,難以為高壓側(cè)電路提供穩(wěn)定電壓。

b.由于鐵芯過(guò)早達(dá)到飽和狀態(tài),隨著母線電流增大,鐵芯熱耗變得嚴(yán)重,供電電源如何降低熱耗、增加設(shè)備使用壽命成為一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題[2]。

激光供能通過(guò)光纖將激光二極管發(fā)出的光能從低壓側(cè)傳送到高壓側(cè),由光電轉(zhuǎn)換器件將光能量轉(zhuǎn)換為電能量,再經(jīng)過(guò)DC-DC變換后提供穩(wěn)定的電源輸出。因此,激光功能不存在電能死區(qū)問(wèn)題,而且所得電源比較穩(wěn)定且紋波小、噪聲低,不易受到外界干擾。但激光供能也存在自身缺點(diǎn),由于激光輸出功率、光電池轉(zhuǎn)換效率低,該方法提供的能量有限,而高功率半導(dǎo)體激光器的光源壽命較短、價(jià)格昂貴,是目前阻礙該供電方式實(shí)用化進(jìn)程的關(guān)鍵因素[3]。

太陽(yáng)能作為分布式發(fā)電,相比其他供能方式,其穩(wěn)定性較差。而且太陽(yáng)能電池板需置于室外,受環(huán)境影響較大,很難滿足國(guó)家相關(guān)文件的技術(shù)指標(biāo)要求。

2.2 新型電容分壓懸浮取能

利用電容式電壓互感器進(jìn)行高壓懸浮取能[4],其原理如圖2所示。

圖2 高壓懸浮取能原理圖Fig.2 Schematic diagram of suspended power supply at high-voltage side

高壓取能在取能方式上可分為單邊取能和雙邊取能。如果選擇兩相線電壓作為取能電源,實(shí)現(xiàn)單邊供電相間(例如AB相)取能,則在A相或B相失壓時(shí),取能中斷,電路板因失去工作電源而停止工作。如果選擇雙邊供能,可有效降低電壓死區(qū)范圍,下面以AB相間與CD相間進(jìn)行雙邊取能為例進(jìn)行說(shuō)明。

當(dāng)A相失壓時(shí),電容C1一端接于合并單元取能模塊,另一端接于B相線路,當(dāng)合并單元取能模塊電阻視為理想無(wú)窮大時(shí),C1兩端形成等勢(shì)位,電路板可以通過(guò)BC兩相之間的線電壓進(jìn)行懸浮取能。由于AB相間與CB相間的電容分壓比相同,則合并單元取能模塊兩端的電壓UED、B相電源與點(diǎn)D之間的電壓UBD的幅值相等,UBD相位超前UED60°。根據(jù)圖3可知,當(dāng)C相失壓時(shí),UED變化為UEB,其幅值不變,UEB相位滯后UED60°。當(dāng)B相失壓時(shí),原有的跨AB、CB相間的2組取能電容分壓器變成了1組電容分壓器,可等效為合并單元取能模塊直接利用AC線電壓進(jìn)行分壓取能,且由圖3可知,合并單元取能模塊兩端電壓由UED變?yōu)閁E2C,其幅值不變,相位變化超前180°。此種設(shè)計(jì)保證了一體化設(shè)備核心模塊合并單元能在全相、非全相運(yùn)行時(shí)可靠工作。

圖3 高壓取能相量圖Fig.3 Phasor diagram of power supply at high-voltage side

3 工作電源設(shè)計(jì)

高壓側(cè)電路是利用電容分壓器進(jìn)行高壓懸浮取能,因此其工作電源設(shè)計(jì)較低壓側(cè)工作電源存在更多的問(wèn)題,其中最主要的是工作電源負(fù)荷變化對(duì)取能功率的波動(dòng)影響和工作電源模塊的過(guò)電壓保護(hù)技術(shù)。工作電源原理設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 工作電源Fig.4 Schematic diagram of power supply

理想情況下,設(shè)計(jì)通過(guò)電容C1、C2分壓獲取100 V低電壓為負(fù)荷供電,因此需要解決由于電源模塊負(fù)荷變化對(duì)前端取能造成波動(dòng)影響的問(wèn)題,設(shè)計(jì)中利用電容式電壓互感器原理,在電容C2后端串聯(lián)補(bǔ)償電抗器L1,使其與C1、C2發(fā)生諧振,消除負(fù)荷波動(dòng)影響。分壓原理圖如圖5所示。r1、r2分別為C1、C2的等效串聯(lián)電阻,其值相對(duì)較小,可忽略不計(jì)。ZL為負(fù)荷等效阻抗;L1為串聯(lián)電感。根據(jù)戴維南定律可得負(fù)載阻抗上的分壓為:

圖5 電容分壓器電路圖Fig.5 Circuit of capacitive voltage divider

由于高壓線路雷擊事故和一些空載變壓器的投切操作,會(huì)對(duì)線路產(chǎn)生雷擊過(guò)電壓和操作過(guò)電壓,因此在高壓工作電源的設(shè)計(jì)上,需添置過(guò)電壓保護(hù)元器件。如圖4所示,選擇氣體放電管、壓敏電阻(RV1、RV2)和瞬態(tài)抑制二極管(VD1)三者相互配合來(lái)防止過(guò)電壓。3種防雷元器件中,氣體放電管屬于開(kāi)關(guān)型元器件,三者的性能比較如表1所示。

表1 防雷元器件性能差異Tab.1 Comparison of performance among different anti-lightning components

因此將瞬態(tài)抑制二極管作為第3級(jí)保護(hù),壓敏電阻RV2作為第2級(jí)保護(hù),氣體放電管作為第1級(jí)保護(hù)。由于瞬態(tài)抑制二極管和壓敏電阻響應(yīng)時(shí)間快、流通量小,為防止耐流能力較低的瞬態(tài)抑制二極管和壓敏電阻單獨(dú)承擔(dān)巨大的沖擊能量而損壞,將在瞬態(tài)抑制二極管、壓敏電壓RV2、氣體放電管之間添加隔離單元,使3個(gè)保護(hù)元器件按順序放電、導(dǎo)通。隔離單元可為電阻、電容、電感或它們的組合網(wǎng)絡(luò),圖4中將AC/DC轉(zhuǎn)換模塊和線繞電阻R1作為三者之間的隔離單元。同時(shí),壓敏電阻RV2前端串聯(lián)線繞電阻R1可在RV2短路失效時(shí)將短路電路斷開(kāi)。最后,由于壓敏電阻寄生電容較大,在正常工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的漏電流,當(dāng)反復(fù)導(dǎo)通幾次后,漏電流增大會(huì)致使壓敏電阻爆炸造成短路失效;而氣體放電管寄生電容小,但自身確存在續(xù)流問(wèn)題。因此,通過(guò)氣體放電管與壓敏電壓RV1串聯(lián)設(shè)計(jì),同時(shí)解決了壓敏電阻漏電流過(guò)大和氣體放電管續(xù)流問(wèn)題。

4 電源管理模塊

4.1 電源管理模塊設(shè)計(jì)原理

為解決斷電或其他事故引起的電壓消失致使取能中斷、高壓側(cè)數(shù)據(jù)采集模塊無(wú)法正常工作的問(wèn)題,添加一套儲(chǔ)能元件作為后備電源,當(dāng)取能中斷時(shí),由后備儲(chǔ)能電源為高壓側(cè)電路板供電。電源管理模塊正是通過(guò)對(duì)線路取能與后備電源的管理控制,來(lái)實(shí)現(xiàn)線路取能與后備電源之間相互配合工作,為高壓側(cè)有源設(shè)備提供穩(wěn)定、可靠電源,滿足各項(xiàng)指標(biāo)要求。其基本原理如圖6所示。

圖6 電源管理原理圖Fig.6 Schematic diagram of power supply management

儲(chǔ)能元件由超級(jí)電容Cs和超能電池(將在4.3節(jié)分析)兩部分組成。超級(jí)電容作為主要儲(chǔ)能元件,放置在高壓側(cè),通過(guò)AC/DC轉(zhuǎn)換裝置與電容分壓器中的低壓電容進(jìn)行并聯(lián)取能。當(dāng)線路正常運(yùn)行時(shí),電路利用電容分壓懸浮取電,不僅為數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行供電,同時(shí)也為超級(jí)電容進(jìn)行充電。超能電池作為后備儲(chǔ)能元件,其作用是當(dāng)超級(jí)電容能量耗盡時(shí),為高壓側(cè)電路板供電。

將2個(gè)二極管并聯(lián)作為電源切換電路設(shè)計(jì),通過(guò)電容分壓、AC/DC轉(zhuǎn)換后,設(shè)計(jì)取能電壓為5 V,可將電池電壓設(shè)計(jì)為3.6 V。當(dāng)取能回路正常工作時(shí),由于取能電壓高于電池電壓,則二極管2處于優(yōu)先導(dǎo)通狀態(tài),由取能電源供電;當(dāng)電容分壓器失壓,懸浮取能中斷后,取能電壓達(dá)不到電路最低工作電壓,則二極管1優(yōu)先導(dǎo)通,由電池電源供電。

智能控制模塊控制電源切換電路與微控制單元(MCU)之間的開(kāi)關(guān),電源開(kāi)關(guān)主要實(shí)現(xiàn)電路板喚醒狀態(tài)與休眠狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。當(dāng)開(kāi)關(guān)處于閉合狀態(tài)時(shí),電路板處于正常工作喚醒狀態(tài);當(dāng)開(kāi)關(guān)處于斷開(kāi)狀態(tài)時(shí),電路板處于休眠狀態(tài),此時(shí)備用電源只為智能控制模塊供電,使得電路板可隨時(shí)喚醒。控制開(kāi)關(guān)可選用模擬電子開(kāi)關(guān),由于模擬電子開(kāi)關(guān)是利用二極管飽和導(dǎo)通原理,因此需要考慮二極管飽和壓降帶來(lái)的影響??刂颇K通過(guò)一次能量喚醒與二次信號(hào)喚醒來(lái)閉合處于斷開(kāi)狀態(tài)的開(kāi)關(guān),此方案不僅可根據(jù)需要提前為電路板供電,也可由電容分壓器電壓信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)控制模塊自動(dòng)喚醒,提高電路板正常工作冗余度,從而實(shí)現(xiàn)MCU智能供電方式。

4.2 喚醒機(jī)制邏輯設(shè)計(jì)

國(guó)家電網(wǎng)《智能變電站測(cè)控單元技術(shù)規(guī)范》4.1.1條提出,測(cè)控裝置應(yīng)具備高可靠性,裝置GOOSE信息處理時(shí)延應(yīng)小于1ms。首次合閘前由于一體化裝置處于休眠狀態(tài),一次電壓取能方案需要對(duì)采集電能進(jìn)行整流處理,供電電能由于整流原理將造成前半周期波頭丟失無(wú)法供能,會(huì)出現(xiàn)供能延遲現(xiàn)象,無(wú)法滿足《智能變電站測(cè)控單元技術(shù)規(guī)范》對(duì)信息傳輸延時(shí)要求。因此,需要為一體化裝置設(shè)計(jì)二次喚醒信號(hào)接口,在首次合閘前,通過(guò)取得測(cè)控保護(hù)單元的喚醒信號(hào)來(lái)提前啟動(dòng)后備電源使一體化裝置帶電,此時(shí)就可實(shí)現(xiàn)合閘后零秒傳輸延時(shí)。

線路工作狀態(tài)與智能控制模塊工作狀態(tài)關(guān)系如下。

a.當(dāng)設(shè)備處于待機(jī)狀態(tài)時(shí),智能控制模塊斷開(kāi)開(kāi)關(guān)啟動(dòng)休眠機(jī)制,使高壓電路板處于最低功耗狀態(tài),避免過(guò)早消耗超級(jí)電容與超能電池能量。

b.當(dāng)線路正常狀態(tài)運(yùn)行時(shí),超級(jí)電容處于充電狀態(tài),由高壓側(cè)懸浮電壓取能供電。

c.當(dāng)線路出現(xiàn)事故失壓時(shí),高壓電路板無(wú)法進(jìn)行懸浮取能,則由后備電源供電,使其延時(shí)工作10~20 s,提供足夠的保護(hù)反應(yīng)時(shí)間和重合閘時(shí)間;若在10~20s內(nèi)線電壓仍然未恢復(fù),則控制芯片進(jìn)入休眠模式,由后備電源提供μA級(jí)電流維持。

d.當(dāng)線路檢修后再次準(zhǔn)備投運(yùn)時(shí),可以由二次信號(hào)喚醒機(jī)制啟動(dòng)控制開(kāi)關(guān),使后備電源提前3~5 s為設(shè)備供電,避免出現(xiàn)保護(hù)盲區(qū)。同時(shí)為防止線路首次合閘時(shí)再次出現(xiàn)線路失壓造成取能中斷,需考慮狀態(tài) c,備用電源增加 10~25 s工作時(shí)間,共計(jì) 15~25 s。

控制模塊可通過(guò)邏輯門電路設(shè)計(jì),選擇低電平為有效電平。由于一次能量喚醒為連續(xù)信號(hào),則當(dāng)開(kāi)關(guān)控制模塊接受一次能量喚醒低電平信號(hào)時(shí),開(kāi)關(guān)為閉合狀態(tài)。當(dāng)電容分壓器失壓時(shí),一次能量喚醒信號(hào)從低電平轉(zhuǎn)換為高電平,控制模塊為開(kāi)關(guān)提供10~20 s延時(shí),由后備電源供電,若此期間控制模塊始終無(wú)法再次獲得一次能量喚醒低電平信號(hào),則開(kāi)關(guān)斷開(kāi),電路板啟動(dòng)休眠機(jī)制,等待二次信號(hào)喚醒。

二次信號(hào)喚醒來(lái)源于二次側(cè)保護(hù)測(cè)控裝置,此信號(hào)使開(kāi)關(guān)閉合并延時(shí)15~25 s。若此期間無(wú)法獲得一次能量信號(hào),則開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。

此套設(shè)計(jì)最大特點(diǎn)在于減小啟動(dòng)電流和啟動(dòng)時(shí)間,增加母線動(dòng)態(tài)范圍,并消除首次合閘帶點(diǎn)到電源正常啟動(dòng)的時(shí)間延遲,避免傳感器丟失合閘瞬間的暫態(tài)波頭。

4.3 備用電源的選型及其容量設(shè)計(jì)

4.3.1 備用電源選型設(shè)計(jì)

目前市場(chǎng)上有多種儲(chǔ)能元件可應(yīng)用于集成電路,主要考慮的儲(chǔ)能元件有一次電池與可再充儲(chǔ)能元件靜電電容、超級(jí)電容、二次電池。各種儲(chǔ)能元件由于自身實(shí)現(xiàn)原理不同造成性能差異的不同(如表2所示),因此適用環(huán)境也不盡相同[3]。

在備用電源的選擇上,必須考慮備用電源的工作特點(diǎn)和性能要求。由于備用電源是在裝置無(wú)法正常取能時(shí)和裝置處于休眠狀態(tài)時(shí)為裝置提供待機(jī)能量,其電源首先必須具備一定的功率密度,保證所提供的功率水平滿足電路板正常工作要求。同時(shí),備用電源也應(yīng)具備一定的能量密度,需為電路板提供長(zhǎng)時(shí)間的休眠待機(jī)電能。另外,由于備用電源是密封于裝置內(nèi)部置于線路高壓側(cè),不能取出更換或維護(hù),因此需具有使用壽命長(zhǎng)、工作溫度范圍寬的特點(diǎn)。最后,備用電源的充放電性能要好,需具備穩(wěn)定、安全、可靠性強(qiáng)的特點(diǎn)。

表2 各儲(chǔ)能元件特性比較Tab.2 Comparison of performance among energy storage components

鑒于以上分析和各儲(chǔ)能元件的性能差異,單一的儲(chǔ)能元件很難滿足其要求。因此,本文選擇超級(jí)電容與一次電池復(fù)合電源方案,使各儲(chǔ)能元件相互配合滿足要求。

4.3.2 超級(jí)電容誤差分析

對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行誤差分析,結(jié)論如下。

a.當(dāng)多個(gè)超級(jí)電容串聯(lián)設(shè)計(jì)時(shí),由于各個(gè)電容工藝水平不一致,即使每個(gè)超級(jí)電容額定容量相同,也會(huì)存在容量偏差問(wèn)題,最嚴(yán)重時(shí)可使超級(jí)電容組儲(chǔ)能能力下降27%。如果經(jīng)過(guò)電壓均衡處理,可以將原儲(chǔ)能能力提高10%,但由于其控制復(fù)雜、成本昂貴、技術(shù)不成熟,采用額外增加電容來(lái)提高儲(chǔ)能能力比較實(shí)際[6]。

b.由于超級(jí)電容工作原理,超級(jí)電容能實(shí)現(xiàn)快速充電模式,充電時(shí)間為1~30s。但隨著充電電流的增加,受超級(jí)電容等效串聯(lián)電阻的影響,端電壓的突變幅度增加,有效儲(chǔ)能降低,并且電容容量降低。

c.由于超級(jí)電容中存在并聯(lián)等效電阻,因此超級(jí)電容自身存在漏電流,使其儲(chǔ)存電能過(guò)早消耗。

d.超級(jí)電容端電壓波動(dòng)嚴(yán)重,當(dāng)超級(jí)電容釋放50%的儲(chǔ)能能量時(shí),端電壓下降到初始電壓的70%。

4.3.3 超級(jí)電容最長(zhǎng)工作時(shí)間

超級(jí)電容工作于線路出現(xiàn)故障且繼保裝置仍需正常工作的情況下。在計(jì)算最長(zhǎng)工作時(shí)間時(shí),需要考慮保護(hù)動(dòng)作時(shí)間、斷路器動(dòng)作時(shí)間和重合閘動(dòng)作時(shí)限問(wèn)題。在相間三段式電流保護(hù)中,需要考慮其限時(shí)電流速斷保護(hù)和定時(shí)限過(guò)電流保護(hù)。限時(shí)電流速斷保護(hù)的最大時(shí)限是當(dāng)校驗(yàn)靈敏系數(shù)不能滿足要求時(shí),需考慮進(jìn)一步延伸限時(shí)電流速斷保護(hù)的保護(hù)范圍,使之與下一條線路的限時(shí)電流速斷相配合,動(dòng)作時(shí)限t″2=t″1+Δt,約為2 s,t″1為本線路電流保護(hù)的整定時(shí)間,t″2為下一條線路電流保護(hù)的整定時(shí)間,Δt通常為0.5 s。定時(shí)限過(guò)流保護(hù)的最大整定時(shí)限也約為2 s。非故障狀態(tài)時(shí),斷路器跳閘滅弧時(shí)間為50 ms,故障狀態(tài)斷路器跳閘滅弧時(shí)間約為200~300 ms??紤]一定冗余度后,設(shè)保護(hù)時(shí)間與斷路器動(dòng)作時(shí)間之和tp=3 s。由于斷路器跳閘后進(jìn)行一次重合閘,需經(jīng)過(guò)一段滅弧時(shí)間和絕緣材料恢復(fù)時(shí)間,根據(jù)我國(guó)一些電力系統(tǒng)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),如果第1次重合閘恢復(fù)及動(dòng)作時(shí)間整定為0.3~0.5 s,一次重合閘成功率較低,而采用1 s左右的重合閘恢復(fù)及動(dòng)作時(shí)間則較為合適;當(dāng)斷路器進(jìn)行二次重合閘時(shí),則需增加重合閘恢復(fù)時(shí)間,將第2次重合閘恢復(fù)及動(dòng)作時(shí)間整定為5 s左右的時(shí)間較為合適。

同時(shí),當(dāng)線路檢修時(shí),備用電源需為設(shè)備提供待機(jī)電流,其待機(jī)時(shí)間設(shè)置為Tb=24 h。

最后,考慮斷路器首次合閘前設(shè)備需提前帶電,因此備用電源最長(zhǎng)提前工作時(shí)間為T0=5 s。

備用電源工作時(shí)間分布圖見(jiàn)圖7,其中,Ta=15 s,為線路失壓到斷路器最終跳閘時(shí)間;Tb=24 h,為線路檢修時(shí)間;Tc=15 s,為斷路器首次合閘到最終跳閘時(shí)間;T0=5 s,為備用電源提前喚醒時(shí)間;T1為一次重合閘時(shí)間,T2為二次重合閘時(shí)間;I1為高壓側(cè)電路板工作電流;I2為高壓側(cè)電路板休眠待機(jī)電流。

4.3.4 超級(jí)電容容量計(jì)算

由圖7可知,備用電源工作最長(zhǎng)時(shí)間由Ta、Tb、Tc和 T0組成。 Ta、Tc、T0為設(shè)備處于工作狀態(tài)時(shí)間,此時(shí)設(shè)備功率消耗為P1,備用電源提供正常工作電流。Tb為設(shè)備處于休眠狀態(tài)時(shí)間,此時(shí)設(shè)備功率消耗為P2,備用電源提供待機(jī)電流。則超級(jí)電容保持期間所需要的總能量為:

超級(jí)電容提供的最大能量為:

其中,Uw為設(shè)備正常工作電壓(單位為V);Umin為設(shè)備截止工作電壓(單位為V)。

由 Ek≤Ed得:

其中,C為超級(jí)電容的標(biāo)稱容量,單位為F。

超級(jí)電容器單元的額定電壓范圍為2.5~2.7 V,因此單一的超級(jí)電容無(wú)法滿足高壓側(cè)電路板額定電壓要求,需將多個(gè)超級(jí)電容進(jìn)行串聯(lián)設(shè)計(jì)。當(dāng)超級(jí)電容串聯(lián)設(shè)計(jì)時(shí),根據(jù)4.3.2節(jié)的分析,采用補(bǔ)償超級(jí)電容容量方法來(lái)解決超級(jí)電容組容量偏差帶來(lái)的問(wèn)題。當(dāng)需要容量為C、額定電壓為U的超級(jí)電容組時(shí),理論上選取2個(gè)額定容量2C、額定電壓為0.5U的超級(jí)電容進(jìn)行串聯(lián)設(shè)計(jì),考慮到電容器-20%的容量偏差,實(shí)際應(yīng)選取2個(gè)額定容量為2.5C、額定電壓為0.5U的超級(jí)電容來(lái)組成超級(jí)電容器。最后,考慮超級(jí)電容端電壓波動(dòng)影響,需要設(shè)計(jì)DC-DC放電回路來(lái)提高超級(jí)電容利用效率。

5 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一種新型的高壓取能方案,通過(guò)設(shè)計(jì)雙邊取能模式提高高壓懸浮取能可靠性;通過(guò)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化電容式電壓互感器提高高壓取能電能質(zhì)量和設(shè)計(jì)應(yīng)用于高壓側(cè)的工作電源電路來(lái)提高工作電源可靠性;通過(guò)設(shè)計(jì)電源管理模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)高壓取能與備用電源相互配合,消除取能死區(qū)與取能延遲問(wèn)題。最后根據(jù)有源設(shè)備功耗大小與備用電源工作最大時(shí)間與工作環(huán)境,來(lái)設(shè)計(jì)科學(xué)合理的備用電源選型方案。

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