孫廣濤, 李樹昆, 紀(jì)江輝, 王小麗

(許繼集團(tuán)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(shè)計了多種不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),目前應(yīng)用比較成熟的為電流轉(zhuǎn)移型方案,另一種電弧耗能開斷方案由于存在分?jǐn)嗍〉目赡苤饾u被淘汰[1]。電流轉(zhuǎn)移型直流斷路器的方案是在直流斷路器分?jǐn)鄷r通過采用強(qiáng)迫轉(zhuǎn)移或者自然轉(zhuǎn)移的方法,迫使主回路一次電流轉(zhuǎn)移到分支回路,等主回路建立絕緣斷口后立即關(guān)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(zhuǎn)移型由機(jī)械開關(guān)、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]?；旌鲜街绷鲾嗦菲饕缘蛽p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(shè)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(lǐng)域中應(yīng)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(jié)果表明,從后臺發(fā)出分閘信號至PLC發(fā)出分閘命令到轉(zhuǎn)移支路關(guān)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(guān)系控制相應(yīng)器件動作完成直流斷路器分合閘操作的核心設(shè)備[14-15]?；谧匀粨Q流型直流斷路器的控制原理,設(shè)計控制器由4個子模塊和一個主模塊構(gòu)成?？刂圃O(shè)備基本框架如圖1所示。

圖1 控制設(shè)備基本框架

該直流斷路器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點是無需判斷電流方向、成本低廉、主回路只有機(jī)械開關(guān),導(dǎo)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(zhuǎn)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(jī)構(gòu)控制子模塊、模擬量采集子模塊、開關(guān)量控制子模塊以及PLC控制保護(hù)模塊組成。各個子模塊信號就地轉(zhuǎn)化為光信號,通過光纖傳遞模塊間信號連接?？刂票Ｗo(hù)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(guān)系完成相應(yīng)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(zhuǎn)移支路IGBT模塊、第二轉(zhuǎn)移支路IGBT模塊、光電轉(zhuǎn)換模塊等,主要功能通過控制IGBT按邏輯關(guān)系導(dǎo)通或者關(guān)閉,實現(xiàn)轉(zhuǎn)移支路的導(dǎo)通或關(guān)閉。

(2) 電磁斥力機(jī)構(gòu)子模塊主要由兩套機(jī)械開關(guān)組成,包括電容、光電轉(zhuǎn)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(dǎo)通,完成直流斷路器機(jī)械開關(guān)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(zhuǎn)移支路電流、第二轉(zhuǎn)移支路電流、斥力機(jī)構(gòu)儲能電容電壓等信號,主要負(fù)責(zé)向控制保護(hù)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(guān)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(guān)和接地開關(guān)狀態(tài)、主回路機(jī)械開關(guān)狀態(tài)等信號,主要負(fù)責(zé)向控制保護(hù)系統(tǒng)傳遞開關(guān)量信號作為控制保護(hù)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(hù)裝置及后臺監(jiān)控系統(tǒng)作為直流斷路器的維護(hù)檢修依據(jù)。

2 直流控制器系統(tǒng)設(shè)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(shè)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(jī)啟動后,首先對主程序及各個分支程序數(shù)據(jù)進(jìn)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(zhuǎn)移支路的電流信號、電磁斥力機(jī)構(gòu)儲能電容電壓及各元器件狀態(tài)信號等,向直流保護(hù)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(hù)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(guān)系執(zhí)行上述指令。PLC通過實時監(jiān)測主回路及轉(zhuǎn)移支路的電流信號、電磁斥力機(jī)構(gòu)儲能電容電壓信號,當(dāng)判斷出主回路電流異常且電流上升率大于設(shè)定的開斷電流或電磁斥力機(jī)構(gòu)電容電壓異常時,限制本級直流斷路器動作并上報保護(hù)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(jìn)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(guān)已動作在隔離位置、接地開關(guān)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(jìn)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(shè)置登錄密碼和權(quán)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(guān)狀態(tài)、接地開關(guān)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(hù)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(dāng)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(jìn)入合閘子程序,向第二轉(zhuǎn)移支路IGBT發(fā)出導(dǎo)通指令且同時向主回路的兩個機(jī)械開關(guān)發(fā)出合閘指令即電磁斥力機(jī)構(gòu)動作。由于第二轉(zhuǎn)移支路IGBT動作比機(jī)械開關(guān)迅速,所以第二轉(zhuǎn)移支路IGBT優(yōu)先導(dǎo)通,系統(tǒng)電流經(jīng)第二轉(zhuǎn)移支路IGBT形成回路,完成直流斷路器無弧合閘;當(dāng)主回路機(jī)械開關(guān)導(dǎo)通后,由于主回路機(jī)械開關(guān)電阻遠(yuǎn)小于IGBT回路,所以轉(zhuǎn)移支路電流轉(zhuǎn)移至主回路,轉(zhuǎn)移支路自然關(guān)斷。為保證第二轉(zhuǎn)移支路IGBT關(guān)斷,在檢測到直流斷路器合閘輔助觸點到位后,向轉(zhuǎn)移支路IGBT發(fā)出關(guān)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(dāng)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(jìn)入分閘子程序。PLC同時向第一轉(zhuǎn)移支路IGBT、第二轉(zhuǎn)移支路IGBT、兩個機(jī)械開關(guān)發(fā)出導(dǎo)通和分閘指令。在電磁斥力機(jī)構(gòu)控制下主回路兩個機(jī)械開關(guān)同時動作分閘并起弧,當(dāng)電弧電壓達(dá)到第一轉(zhuǎn)移支路IGBT導(dǎo)通條件后,第一轉(zhuǎn)移支路IGBT導(dǎo)通自然換流,此時主回路電流由第一轉(zhuǎn)移支路IGBT和第二個機(jī)械開關(guān)承擔(dān),第一個機(jī)械開關(guān)不承擔(dān)電流。當(dāng)主回路電流轉(zhuǎn)移至第一轉(zhuǎn)移回路后,關(guān)閉第一轉(zhuǎn)移支路IGBT,由于此時第二轉(zhuǎn)移支路IGBT處于預(yù)導(dǎo)通狀態(tài),第一轉(zhuǎn)移支路IGBT關(guān)閉主回路電流立即轉(zhuǎn)移至第二轉(zhuǎn)移支路,主回路兩個機(jī)械開關(guān)電弧熄滅并逐步建立絕緣斷口,主回路電流完全由第二轉(zhuǎn)移支路IGBT承擔(dān)。當(dāng)主回路兩個機(jī)械開關(guān)建立絕緣斷口后,關(guān)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(yù)期或其他影響分閘的故障,則主回路機(jī)械開關(guān)立即合閘,同時向保護(hù)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(jìn)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(jìn)行預(yù)充電,充電完成后,后臺控制系統(tǒng)控制晶閘管VT1導(dǎo)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(shè)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?jǐn)唷Ｖ麟娙萃ㄟ^電阻R1和接觸器KM1形成回路釋放多余的能量。

示波器設(shè)置:通道1主回路電流、通道2第一轉(zhuǎn)移支路電流、通道3第二轉(zhuǎn)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(dāng)PLC接收到分閘命令后,同時向兩個機(jī)械開關(guān)、第一轉(zhuǎn)移支路IGBT模塊、第二轉(zhuǎn)移支路IGBT模塊發(fā)出分閘和導(dǎo)通命令,延遲1ms后向第一轉(zhuǎn)移支路IGBT模塊發(fā)出關(guān)閉命令,延遲2ms后向第二轉(zhuǎn)移支路IGBT模塊發(fā)出關(guān)閉命令。機(jī)械開關(guān)動作后第一轉(zhuǎn)移支路IGBT導(dǎo)通,第一轉(zhuǎn)移支路電流迅速上升至與主回路電流一致,此時與第一轉(zhuǎn)移支路并聯(lián)的機(jī)械開關(guān)電弧熄滅,主回路電流由第一轉(zhuǎn)移支路IGBT和第二個機(jī)械開關(guān)承擔(dān)。到第一轉(zhuǎn)移支路IGBT強(qiáng)行關(guān)閉,電流迅速向第二轉(zhuǎn)移支路轉(zhuǎn)移,第二轉(zhuǎn)移支路電流迅速上升至主回路電流;到第二轉(zhuǎn)移支路IGBT強(qiáng)行關(guān)閉,釋能回路MOV導(dǎo)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(yù)期故障電流,過流保護(hù)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(hù)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(shè)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(zhuǎn)移支路電流進(jìn)行監(jiān)測,僅監(jiān)測主回路電流、第二轉(zhuǎn)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(jié) 語

直流斷路器是10 kV直流配電網(wǎng)系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備,本文依據(jù)自然換流型直流斷路器拓?fù)湓?詳細(xì)分析了直流斷路器的控制需求,構(gòu)建基于PLC核心模塊的直流斷路器控制保護(hù)系統(tǒng),提出模塊化設(shè)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(jī)構(gòu)控制子模塊、模擬量采集子模塊、開關(guān)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(hù)方案在直流斷路器狀態(tài)監(jiān)測、接收保護(hù)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(hù)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。