一種電力電子斷路器裝置的製作方法

2023-06-08 04:30:01 1

專利名稱：一種電力電子斷路器裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及電カ電子半導體器件，屬於電力系統柔性交流輸電技術領域，尤其涉及一種用於電カ系統線路通斷保護的快速電カ電子斷路器裝置。
背景技術：
隨著國民經濟的 快速發展，社會對電カ的需求不斷増加，帶動了電カ系統的迅速發展，隨之也帶來了相應的問題。首先，由於電カ系統的規模不斷擴大，使得輸配電網絡的系統容量及短路電流不斷増加，而短路電流的増大，對電カ設備的容量與熱穩定參數的要求也就越高；此外,各種複雜、精密、對電能質量敏感的用電設備也不斷増加,如精密實驗儀器、半導體製造、石化、冶金等重要生產加工行業需要連續正常的供電，這就要求線路保護裝置要有更快的速度對電カ故障做出反應。斷路器作為輸電線路中的ー個重要環節，它的快速分斷能力和分斷電流能力直接影響著電網的正常運行，決定著是否能夠提供用戶需要的高質量電能。但是現階段，中國交流輸電中還是大量採用了傳統的機械斷路器。機械斷路器有其突出的優點，即導通穩定、帶負載能力強。但它的缺點隨著對電能質量要求的提高也越來越突出1、開斷時間長，從過流到產生保護的響應過程的時間一般要幾十毫秒，甚至是上百毫秒，在這個級別的響應時間內，很多精密電路的器件都因過流產生而發生故障甚至完全毀壞，所以很難滿足ー些電力用戶對故障電流開斷的速動性要求；2、有些地區的短路電流已經達到甚至超過了斷路器的遮斷容量，為斷路器的選擇帶來了困難；3、不能實時、靈活、連續的動作，易使事故擴大，破壞系統穩定性；4、在斷開負載時往往有電弧產生，觸頭易燒損，在運行過程中有噪聲，機械電氣壽命受到限制。近年來，隨著高壓大電流電カ電子器件(晶閘管、GTO、IGBT, IGCT, MCT、IEGT等)技術的飛速發展，以及FACTS技術研究與應用在電カ系統中的不斷推迸，運用現代電カ電子技術設計、研製和改造新型斷路器成為當前斷路器發展的目標。例如，申請號CN200810109200. 5的專利文獻公開了ー種電子斷路器，其具有輸入端、輸出端和電連接在輸入端和輸出端之間的開關，電子斷路器監視開關所消耗的能量並在該能量達到閾值時斷開開關以便保護開關，電子斷路器還監視流過開關的電流並在必要時斷開開關以保護負載。但是，該專利文獻實際上只是在現有機械斷路器的基礎上採用電子電路來實現對流過開關的電流進行限制的方法，但在硬體特別是軟體上並沒有給出具體的結構設計方案。另外，申請號CN201110071796. 6的發明專利文獻提供一種電子斷路器及其處理方法，該電子斷路器及其處理方法，通過電流採樣單元、限流控制單元、緩啟單元、電流比較単元、電壓採樣單元、驅動單元以及電子開關等硬體電路來實現延時啟動以及過流保護功能，從而可以避免採用微處理器進行過流保護引起的各種不穩定以及延遲問題。但該專利文獻的電子斷路器為單相可控開關，ニ極管方向為電流始終導通狀態，無法實現關斷，所以此電子斷路器只能用在電流很小的電子設備中。

發明內容
本發明鑑於上述問題，提供了一種用於電カ系統線路通斷保護的快速電カ電子斷路器裝置，其利用電カ電子功率器件晶閘管的高速開關特性和大電流分斷能力來實現對系統發生故障時的保護。本發明為ー種電カ電子斷路器裝置，其特徵在於，其是用於電カ系統線路通斷保護的快速電カ電子斷路器 裝置，所述電カ電子斷路器裝置包括作為電カ電子功率器件的反並聯晶閘管、作為限壓器的金屬氧化物變阻器ZnO、RC阻容吸收電路、隔離開關、旁路開關以及控制系統和電流互感器，所述金屬氧化物變阻器ZnO與所述反並聯晶閘管並聯，以限制所述反並聯晶閘管兩端電壓；所述RC阻容電路與所述反並聯晶閘管並聯，用於吸收所述反並聯晶閘管開通和關斷時產生的電壓尖峰。本發明優選為，能夠利用電カ電子功率器件的高速開關特性和大電流分斷能力來實現系統的短路電流保護，作為所述電カ電子功率器件，能夠使用GTO、IGBT, IGCT, MCT和IEGT中的任一種元件來代替所述反並聯晶閘管。本發明優選為，由所述反並聯晶閘管、金屬氧化物變阻器ZnO和RC阻容吸收電路一體地結合而構成晶閘管模塊。本發明優選為，所述隔離開關用於在檢修所述晶閘管模塊時將與所述反並聯晶閘管連接的電源和負載斷開；所述旁路開關用於在檢修所述晶閘管模塊時將流經所述晶閘管模塊的電流轉移到所述旁路開關；所述電流互感器用於檢測電源輸入端電流，以作為觸發所述反並聯晶閘管開關動作的依據。本發明優選為，所述控制系統包括微處理器和控制面板，所述微處理器用於以高速數位訊號處理器為核心對系統輸入電壓、電流進行測量和計算，並對所有開關信號進行監測和控制；所述控制面板構成為觸控螢幕，用於能夠直觀地監測系統運行情況，並改變系統的功能配置和設定系統參數。本發明優選為，所述控制系統，在電カ系統正常情況下，使電流通過所述反並聯晶閘管開關向負載供電，旁路開關處於斷開狀態，隔離開關全部閉合；在系統發生短路故障吋，將所述反並聯晶閘管開關斷開，有效切除短路電流；當所述反並聯晶閘管需要檢修維護時，斷開反並聯晶閘管開關，同時接通旁路開關，供電電流經旁路開關向負載供電，以保證負載的正常用電。本發明優選為，所述電カ電子斷路器裝置能夠在最長12ms內切除短路電流故障線路，保證敏感負荷的連續供電。本發明優選為，所述斷路器裝置能夠應用於電カ低壓、中壓、高壓的單相和三相系統中，在高壓電カ系統中，通過串聯反並聯電力電子半導體器件來提聞電壓等級。本發明優選為，所述斷路器裝置與限流電抗器並聯組成短路電流限制器，以起到對限流電抗器的限流作用，而且在正常運行時接通電カ電子斷路器，有效避免限流電抗器長期通流造成損耗。本發明優選為，所述斷路器裝置用於電網調整運行模式中，當系統發生短路故障吋，電カ電子斷路器斷開，迅速解列電網，有效降低短路電流。本發明所述斷路器裝置的功率器件晶閘管用於快速分斷故障電流，本身攜帶旁路開關以便於所述斷路器裝置不斷電時進行檢修維護，進出線加隔離開關的結構便於所述斷路器裝置的接入、退出以及維護；因此本發明斷路器裝置是集功率器件晶閘管、旁路開關和隔離開關於一體，使得整個斷路器裝置具有功能強大，使用方便，控制簡單的優勢。具體而言，本發明具有如下的有益效果I、與現有的機械斷路器相比，本發明的電カ電子斷路器裝置開關速度快，最長能夠在12ms內進行高速安全開斷，遠遠小於現有的機械斷路器的開斷時間，從而能夠有效解決現有的機械斷路器固有問題，大大提高開關速度和開關壽命，確保重要敏感負荷供電不受影響，有效降低電網電能質量問題給企業帶來的巨大經濟損失。
2、與現有的斷路器相比，本發明的電カ電子斷路器裝置分斷電流大，這種電カ電子斷路器裝置能夠在12ms內可分斷20200kA之間的任意短路電流。3、利用電カ電子半導體器件的高速開關特性能夠減輕一次高壓電氣設備的動、熱穩定負擔，提高其動作可靠性和使用壽命，提高電力系統的運行可靠性。4、與現有的斷路器相比，由於本發明所述斷路器裝置主要由電カ電子開關器件組成，本身又帶有旁路開關，使得檢修維護方便，控制簡單，在不增加系統成本的前提下，本發明所述斷路器裝置性價比最高。


圖I是本發明一實施例的快速電カ電子斷路器的電路拓撲結構的構成示意圖。圖2是本發明一實施例的快速電カ電子斷路器的控制系統的構成示意圖。圖3是本發明一實施例的高壓快速電カ電子斷路器電路拓撲結構的構成示意圖。圖4是表示本發明在短路故障限流器中的應用實例I。圖5是表示本發明在電網調整運行模式中的應用實例2。
具體實施例方式以下，結合附圖，對本發明的具體實施方式
作進ー步說明。如圖I所示，本發明ー實施例的快速電カ電子斷路器裝置具有電路拓撲結構，所述電路拓撲結構包括反並聯晶閘管、金屬氧化物變阻器ZnO (限壓器)、RC阻容吸收電路、隔離開關KI1、KI2，旁路開關KB1、電流互感器(TA)。其中，金屬氧化物變阻器ZnO與晶閘管並聯，用於限制晶閘管兩端的電壓；RC阻容電路與晶閘管並聯，用於吸收晶閘管導通和關斷時產生的電壓尖峰。由反並聯晶閘管、金屬氧化物變阻器ZnO和RC阻容吸收電路結合一體地構成一晶閘管模塊。圖2表示本發明的快速電カ電子斷路器裝置的控制系統。所述電カ電子斷路器裝置具有控制系統，所述控制系統包括控制面板和微處理器，微處理器以高速數位訊號處理器DSPTMS320F28335為核心，它具有150MHz的高速處理能力，具備32位浮點處理單元，6個DMA通道支持ADC、McBSP和EMIF，有多達18路的PWM輸出。其中，有6路為TI特有的更高精度的PWM輸出(HRPWM)，12位16通道ADC。得益於其浮點運算單元，用戶能夠快速編寫控制算法而無需在處理小數操作上耗費過多的時間和精力，與前代DSC相比，平均性能提高50%，並與定點C28x控制器軟體兼容，從而簡化軟體開發，縮短開發周期，降低開發成本；它的執行速度比相同頻率的F28xx系列定點晶片快50%，處理數學運算性能提升2. 45倍，控制更加靈活。控制面板為觸控螢幕，通過控制面板能夠很直觀地監測到系統運行情況，也能夠改變系統的功能配置和設定系統參數；並且，在上述控制系統的作用下，隔離開關KIl和KI2在檢修晶閘管模塊時將與晶閘管連接的電源和負載斷開；旁路開關KBl在檢修晶閘管模塊時將流經晶閘管模塊的電流轉移到旁路開關KBl ;電流互感器(TA)檢測電源輸入端電流，作為觸發晶閘管開關動作的依據。所述控制系統通過所述微處理器對所述電カ電子斷路器裝置進行控制處理，即所述控制系統在正常情況下，使電 流通過晶閘管開關向負載供電，旁路開關處於斷開狀態，隔離開關全部閉合；當系統發生短路故障吋，晶閘管開關能快速斷開，有效切除短路電流；當晶閘管需要檢修維護時，斷開晶閘管開關，同時接通旁路開關，供電電流經旁路開關向負載供電，以保證負載的正常用電。本發明的另ー實施例如下I、正常情況下，發給反並聯晶閘管同一個觸發信號，當輸入交流電源信號為正半波時，正向的晶閘管導通，當交流電源信號為負半波時，反向晶閘管導通，隔離開關KI1、KI2閉合，電源電流i經隔離開關ΚΙ1、晶閘管模塊、隔離開關ΚΙ2給負載供電。2、當系統發生短路故障時，通過電流互感器TA檢測到輸入端短路電流i的大小，經DSP將模擬量轉換成數字量，再通過控制算法進行邏輯判斷後，同時撤銷反並聯晶閘管觸發信號，若此時輸入交流電源處於正半波時，正向晶閘管在此後第一次過零時關斷，若此時輸入交流電源處於負半波時，反向晶閘管在此後第一次過零時關斷，從而快速有效的切除短路電流。整個過程中，通過控制算法檢測判斷短路電流的時間最長需要2ms，晶閘管關斷最長時間為半個周波(10ms)，因此，本發明的電カ電子斷路器切斷短路故障電流的時間最長只要12ms。3、當反並聯晶閘管模塊需要檢修維護時，撤銷晶閘管觸發信號使其關斷，同時接通旁路開關KB1，使電流經旁路開關給負載供電，以保證負載的連續正常用電。4、在低壓電カ系統，選用單個反並聯晶閘管能夠滿足電壓等級，而在中、高壓電カ系統中，提高電壓等級通過串聯反並聯晶閘管來實現。如表示本發明ー實例的高壓電カ電子斷路器的電路拓撲結構的圖3所示。在該實施例中，高速處理器DSP用於檢測作為模擬量的電源電壓u和電流i ;作為開關量的反並聯晶閘管、隔離開關KI1、KI2和旁路開關KBl ;並控制反並聯晶閘管、隔離開關KU、KI2、旁路開關KBl的開通和關斷。控制面板為觸控螢幕，通過控制面板能夠很直觀地監測到系統運行情況，也能夠改變系統的功能配置和設定系統參數；記錄系統發生事件(保護事件)和報警事件等用戶需要的功能。如表示本發明斷路器裝置應用實例I的圖4所示，由本發明所述電電カ電子斷路器和限流電抗器並聯組成短路故障限流器。電網正常運行情況下，電カ電子斷路器處於導通狀態。當系統發生短路故障時，迅速封鎖晶閘管觸發信號，使其過零關斷，此時電流換流到並聯的限流電抗器上進行限流，從而滿足了限制短路故障電流的要求。該應用在保留限流電抗器的限流作用外，正常運行時接通電カ電子斷路器，有效避免限流電抗器長期通流所帯來的各種弊端。如表示本發明斷路器裝置應用實例2的圖5所示，本發明所述電カ電子斷路器裝置能夠安裝在主變出口，母聯和出線處。圖5僅以安裝在母聯處為例進行說明。在電カ系統正常情況下，電カ電子斷路器處於導通狀態，系統並列運行，保持了可靠性高的優點。當系統發生短路故障吋，電カ電子斷路器快速斷開，迅速解列電網，以有效降低短路電流。該應用既解決了系統並列運行時的短路電流超標問題，又保持了並列運行系統可靠性高的優點。本發明並不限於上述實施方式，在不背離本發明的實質內容的情況下，本領域技術人員能夠想到的任何變形、改進、替換均落入 本發明的範圍。
權利要求
1.ー種電カ電子斷路器裝置，其特徵在於，其是用於電カ系統線路通斷保護的快速電カ電子斷路器裝置，所述斷路器裝置包括作為電カ電子功率器件的反並聯晶閘管、作為限壓器的金屬氧化物變阻器ZnO、RC阻容吸收電路、隔離開關、旁路開關以及控制系統和電流互感器，所述金屬氧化物變阻器ZnO與所述反並聯晶閘管並聯，以限制所述反並聯晶閘管兩端電壓；所述RC阻容電路與所述反並聯晶閘管並聯，用於吸收所述反並聯晶閘管開通和關斷時產生的電壓尖峰。
2.根據權利要求I所述的電カ電子斷路器裝置，其特徵在於，能夠利用電カ電子功率器件的高速開關特性和大電流分斷能力來實現系統的短路電流保護，作為所述電カ電子功率器件，能夠使用GTO、IGBT、IGCT、MCT、和IEGT元件中的任ー種來代替所述反並聯晶閘管。
3.根據權利要求I所述的電カ電子斷路器裝置，其特徵在幹，由所述反並聯晶閘管、金屬氧化物變阻器ZnO和RC阻容吸收電路一體地結合而構成晶閘管模塊。
4.根據權利要求I所述的電カ電子斷路器裝置，其特徵在於，所述隔離開關用於在檢修所述晶閘管模塊時將與所述反並聯晶閘管連接的電源和負載斷開；所述旁路開關用於在檢修所述晶閘管模塊時將流經所述晶閘管模塊的電流轉移到所述旁路開關；所述電流互感器用於檢測電源輸入端電流，以作為觸發所述反並聯晶閘管開關動作的依據。
5.根據權利要求I至4中任一項所述的電カ電子斷路器裝置，其特徵在於，所述控制系統包括微處理器和控制面板，所述微處理器用於以高速數位訊號處理器為核心對系統輸入電壓、電流進行測量和計算，並對所有開關信號進行監測和控制；所述控制面板構成為觸控螢幕，用於能夠直觀地監測系統運行情況，並改變系統的功能配置和設定系統參數。
6.根據權利要求5所述的電カ電子斷路器裝置，其特徵在於，所述控制系統，在電カ系統正常情況下，使電流通過所述反並聯晶閘管開關向負載供電，旁路開關處於斷開狀態，隔離開關全部閉合；在系統發生短路故障吋，將所述反並聯晶閘管開關斷開，有效切除短路電流；當所述反並聯晶閘管需要檢修維護時，斷開反並聯晶閘管開關，同時接通旁路開關，供電電流經旁路開關向負載供電，以保證負載的正常用電。
7.根據權利要求I所述的的電カ電子斷路器裝置，其特徵在於，所述電カ電子斷路器裝置能夠最長12ms內切除短路電流故障線路，保證敏感負荷的連續供電。
8.根據權利要求I所述的的電カ電子斷路器裝置，其特徵在於，此斷路器裝置能夠應用於電カ低壓、中壓、高壓的單相和三相系統中，在高壓電カ系統中，通過串聯反並聯電力電子半導體器件來提高電壓等級。
9.根據權利要求I所述的電カ電子斷路器裝置，所述斷路器裝置與限流電抗器並聯組成短路電流限制器，以起到對限流電抗器的限流作用，而且在正常運行時接通電カ電子斷路器，有效避免限流電抗器長期通流造成損耗。
10.根據權利要求I所述的電カ電子斷路器裝置，斷路器裝置用於電網調整運行模式中，當系統發生短路故障吋，電カ電子斷路器斷開，迅速解列電網，有效降低短路電流。
全文摘要
本發明提供一種電力電子斷路器裝置，其包括反並聯晶閘管、作為限壓器的金屬氧化物變阻器ZnO、RC阻容吸收電路、隔離開關、旁路開關以及控制系統和電流互感器(TA)，其中，金屬氧化物變阻器ZnO與晶閘管並聯，限制晶閘管兩端電壓；RC阻容電路與晶閘管並聯，用於吸收晶閘管開通和關斷時產生的電壓尖峰。由反並聯晶閘管、金屬氧化物變阻器ZnO和RC阻容吸收電路結合成一個整體，所述整體構成為晶閘管模塊。與現有的斷路器相比，由於本發明所述裝置主要由電力電子開關器件組成，本身又帶有旁路開關，使得檢修維護方便，控制簡單，在不增加系統成本的前提下，本發明斷路器裝置性價比高；能夠在12ms內可分斷20—200kA之間的任意短路電流。
文檔編號H02H9/02GK102694363SQ20121016776
公開日2012年9月26日 申請日期2012年5月25日 優先權日2012年5月25日
發明者唐斯慶, 張濤, 徐廣騰, 王強, 譚笑, 趙小魚, 趙彩宏, 陳資黔, 馬文磊, 黃勝利 申請人:北京榮華恆信開關技術有限公司, 貴陽供電局