高壓晶閘管閥組快速在線故障檢測裝置及方法

2023-04-28 21:03:56 1

專利名稱：高壓晶閘管閥組快速在線故障檢測裝置及方法
技術領域：
本發明涉及高壓晶閘管閥組快速在線故障檢測裝置及方法，屬於晶閘管在線檢測領域。
背景技術：
在高電壓大電流的電力電子領域，往往需要將多個耐壓等級較低的功率半導體器件串聯使用以使半導體開關達到更高的耐壓等級，串聯多隻低壓功率半導體開關的成本要比使用單只高耐壓等級的開關器件低。在串聯閥組工作中，組內器件的安全運行直接影響閥組工作的可靠性。以晶閘管為例，由於受晶閘管耐壓等級的限制，在中高壓領域裡，必須將多個晶閘管串聯使用。由於單只晶閘管損壞後常體現為短路特性，因而間接增加了組內其餘未損壞器件的受壓。當組內晶閘管損壞個數超過設計裕量時，如果閥組沒有及時從主迴路中切除，易造成整個閥組的耐壓等級不足，全部擊穿。因而在晶閘管串聯閥組工作過程中，確保其運行可靠性的關鍵技術為實時檢測閥組的工作狀態，當閥組耐壓等級不足時，及時切除閥組。而目前檢測高壓晶閘管閥組的檢測電路結構複雜，不易操作，反應速度慢，且成本高。

發明內容
本發明目的是為了解決目前檢測高壓晶閘管閥組的檢測電路結構複雜，不易操作，反應速度慢，且成本高的問題，提供了一種高壓晶閘管閥組快速在線故障檢測裝置及方法。本發明所述高壓晶閘管閥組快速在線故障檢測裝置，它包括高頻交變電流源、能量耦合單元、整流濾波電路、穩壓電路、處理器、調理電路、檢測電路和光纖，高頻交變電流源的輸出端與能量耦合單元的輸入端相連，能量耦合單元的輸出端與整流濾波電路的交流輸入端相連，整流濾波電路的直流輸出端與穩壓電路的輸入端相連，穩壓電路的輸出端同時與處理器、調理電路和檢測電路的直流供電端相連，調理電路接收高壓晶閘管閥組中待檢測的晶閘管端電壓信號，調理電路的輸出端與檢測電路的輸入端相連，檢測電路的輸出端通過光纖與處理器的信號輸入端相連。能量耦合單元採用磁環變壓器來實現。調理電路包括放大器、電阻Rp電阻R2、電阻R3、電阻R4、電阻R7、電阻Rs和電容Cs，電阻Rs和電容Cs串聯後並聯在高壓晶閘管閥組中待檢測的晶閘管的兩端；電阻R1和電阻R2串聯後並聯在電阻Rs和電容Cs的串聯支路兩端；電阻R1和電阻R2的連接點與電阻R3的一端相連，電阻R3的另一端與放大器的反相輸入端相連；電阻R1和電阻R2串聯支路的電阻R2側與電阻R7的一端相連，電阻R7的另一端與放大器的同相輸入端相連，電阻R4跨接在放大器的反相輸入端和輸出端之間。
檢測電路包括單限比較器、滯回比較器、電阻r5、電阻r6、電阻r8、電阻r9、電阻R1(l、電阻R2tl、雙向穩壓二極體Dl和穩壓二極體D2，放大器的輸出端與單限比較器的反相輸入端相連，單限比較器的同相輸入端接參考電壓Vrefl，單限比較器的輸出端與電阻Rltl的一端相連，電阻Rltl的另一端接第一監測電壓U01 ;放大器的輸出端還與電阻R8的一端相連，電阻R8的另一端與滯回比較器的反相輸入端相連，電阻R5的一端接參考電壓VMf2，電阻R5的另一端與滯回比較器的同相輸入端相連，滯回比較器的輸出端與電阻R9的一端相連，電阻R9的另一端接第二監測電壓Utj2 ；電阻R5的另一端還與電阻R6的一端相連，電阻R6的另一端與電阻R9的另一端相連；
電阻R6的另一端同時還與雙向穩壓二極體Dl的一端相連，雙向穩壓二極體Dl的另一端接地；電阻R2tl的一端接第二監測電壓1!。2，電阻R2tl的另一端與穩壓二極體D2的負極相連，穩壓二極體D2的正極接地。基於所述高壓晶閘管閥組快速在線故障檢測裝置的檢測方法為調理電路並聯在高壓晶閘管閥組中某個晶閘管KT的兩端，並把當前被檢測晶閘管KT調理後的端電壓信號發送給檢測電路，檢測電路將第一監測電壓Utjl和第二監測電壓U02通過光纖輸出給處理器，處理器對第一監測電壓Utjl和第二監測電壓1!。2分別進行監測分析，來決定是否切除高壓晶閘管閥組一、處理器對第一監測電壓Utjl的監測分析當Utjl = 0，表明高壓晶閘管閥組中當前被檢測的晶閘管KT的工作狀態正常，不切除高壓晶閘管閥組；當Utjl = 1，表明高壓晶閘管閥組中當前被檢測的晶閘管KT損壞，處理器發出命令，切除高壓晶閘管閥組；二、處理器對第二監測電壓1!。2的監測分析當Ut52為方波信號時，表明高壓晶閘管閥組中損壞的晶閘管數量大於或等於2 ;處理器發出命令，切除高壓晶閘管閥組；當Utj2為恆壓信號時，表明高壓晶閘管閥組中損壞的晶閘管數量為0或I個，不切除高壓晶閘管閥組。本發明的優點1、只需檢測閥組中一隻晶閘管的端電壓即可檢測閥組的安全工作情況，電路簡單，反應速度快。2、檢測電路採用隔離供電，實現檢測電路與主電路間有效的電氣隔離，確保檢測電路自身的安全運行。3、檢測保護電路簡單易行，工作可靠。


圖1是本發明所述高壓晶閘管閥組快速在線故障檢測裝置的結構示意圖2是檢測高壓晶閘管閥組的原理圖；圖3是高壓晶閘管閥組正常工作時滯回比較器的輸入輸出示意圖；圖4是高壓晶閘管閥組中有I個晶閘管損壞時滯回比較器的輸入輸出示意圖；圖5是高壓晶閘管閥組中有2個晶閘管損壞時滯回比較器的輸入輸出示意圖；圖6是檢測裝置供電部分的電路圖。
具體實施例方式具體實施方式
一下面結合圖1和圖6說明本實施方式，本實施方式所述高壓晶閘管閥組快速在線故障檢測裝置，它包括高頻交變電流源1、能量耦合單元2、整流濾波電路
3、穩壓電路4、處理器5、調理電路6、檢測電路7和光纖8，高頻交變電流源I的輸出端與能量耦合單元2的輸入端相連，能量耦合單元2的輸出端與整流濾波電路3的交流輸入端相連，整流濾波電路3的直流輸出端與穩壓電路4的輸入端相連，穩壓電路4的輸出端同時與處理器5、調理電路6和檢測電路7的直流供電端相連，調理電路6接收高壓晶閘管閥組中待檢測的晶閘管端電壓信號，調理電路6的輸出端與檢測電路7的輸入端相連，檢測電路7的輸出端通過光纖8與處理器5的信號輸入端相連。能量耦合單元2採用磁環變壓器來實現。參見圖6所示，供電電路原理為高頻交變電流源I通過磁環變壓器實現能量耦合，高頻交變電流源I連接磁環變壓器的原邊繞組2-1，是磁環變壓器的低壓側，能量從低壓側傳遞至高壓側，通過高壓電纜2-2上的磁環耦合得到高頻交變方波電壓，並對交變方波電壓從副邊繞組2-3輸出給整流濾波電路3，由整流濾波電路3進行整流濾波，由穩壓電路4進行穩壓，得到幅值恆定的土 12V直流電壓，為調理電路6、檢測電路7和處理器5中的有源器件供電。利用高壓電纜2-2和磁環變壓器的配合的能量耦合單元2實現高壓側主電路與低壓側檢測電路7間的電氣隔離。在高壓電纜上串聯磁環，磁環的原邊繞組連接高頻交變電流源，由磁環變壓器的作用兩個副邊輸出為同頻率的交流電壓，電壓幅值由磁環副邊的匝數確定。將兩個副邊繞組串聯，中點接地，後接整流濾波電路。其中濾波電容採用兩個電容串聯的方式，電容的中點接地，通過調整副邊匝數，使副邊整流輸出為存在較小脈動的±12V直流電壓。整流濾波電路3之後連接了兩路自動穩壓電路4，以其中一路為例進行說明。圖6所示電路中T1為NPN型電晶體，Tzi為發光二極體，運放採用0P07，其餘為普通的電阻。整流電路工作後，發光二極體Tzi導通，使運放的反相輸入端電壓穩定為發光二極體的導通電壓。由R13, R14對整流輸出的脈動較小的直流電壓進行分壓，其中R14的分壓接至運放的同相輸入端。通過調整R13, R14的分壓比例，可以對穩壓精度進行控制。同時由整流濾波電路3的輸出為運放供電。穩壓電路4工作情況如下當整流濾波電路3工作後，輸出的較小脈動的±12V直流電壓將為運放供電，同時該電壓被R13, R14分壓，R14的分壓通過與發光二極體Tzi的分壓進行比較，用以控制電晶體T1的導通和關斷。當直流電壓大於允許的脈動上限時，R14的分壓上升，運放的同相輸入端電壓大於反向輸入端，運放輸出為高電平，T1導通，電容C1上的電荷通過T1放電，輸出直流電壓降低。當直流電壓小於允許的脈動下限時，R14的分壓下降，運放的同相輸入端電壓小於反向輸入端，運放輸出為低電平T1截止，電容C1繼續充電，輸出直流電壓升高。由此實現了對輸出電壓自動的精細穩壓作用。經過穩壓電路4，輸出為穩定的+12V和-12V直流電壓，同時，由於採用整流濾波的輸出電壓對運放進行供電省去了輔助的供電電路，使電路更加簡單。
具體實施方式
二 本實施方式對實施方式一作進一步說明，調理電路6包括放大器6-1、電阻R1'電阻R2'電阻R3'電阻R4'電阻R7'電阻Rs和電容Cs,電阻Rs和電容Cs串聯後並聯在高壓晶閘管閥組中待檢測的晶閘管的兩端；電阻R1和電阻R2串聯後並聯在電阻Rs和電容Cs的串聯支路兩端；電阻R1和電阻R2的連接點與電阻R3的一端相連，電阻R3的另一端與放大器6-1的反相輸入端相連；電阻R1和電阻R2串聯支路的電阻R2側與電阻R7的一端相連，電阻R7的另一端與 放大器6-1的同相輸入端相連，電阻R4跨接在放大器6-1的反相輸入端和輸出端之間。
具體實施方式
三本實施方式對實施方式一或二作進一步說明，檢測電路7包括單限比較器7-1、滯回比較器7-2、電阻R5、電阻R6、電阻R8、電阻R9、電阻R1(l、電阻R2tl、雙向穩壓二極體Dl和穩壓二極體D2，放大器6-1的輸出端與單限比較器7-1的反相輸入端相連，單限比較器7-1的同相輸入端接參考電壓Vrefl，單限比較器7-1的輸出端與電阻Rltl的一端相連，電阻Rltl的另一端接第一監測電壓11。1;放大器6-1的輸出端還與電阻R8的一端相連，電阻R8的另一端與滯回比較器7-2的反相輸入端相連，電阻R5的一端接參考電壓VMf2，電阻R5的另一端與滯回比較器7-2的同相輸入端相連，滯回比較器7-2的輸出端與電阻R9的一端相連，電阻R9的另一端接第二監測電壓U02 ;電阻R5的另一端還與電阻R6的一端相連，電阻R6的另一端與電阻R9的另一端相連；電阻R6的另一端同時還與雙向穩壓二極體Dl的一端相連，雙向穩壓二極體Dl的另一端接地；電阻R2tl的一端接第二監測電壓1!。2，電阻R2tl的另一端與穩壓二極體D2的負極相連，穩壓二極體D2的正極接地。
具體實施方式
四基於實施方式三所述高壓晶閘管閥組快速在線故障檢測裝置的檢測方法，該方法為調理電路6並聯在高壓晶閘管閥組中某個晶閘管KT的兩端，並把當前被檢測晶閘管KT調理後的端電壓信號發送給檢測電路7，檢測電路7將第一監測電壓Utjl和第二監測電壓Utj2通過光纖8輸出給處理器5，處理器5對第一監測電壓Utjl和第二監測電壓1!。2分別進行監測分析，來決定是否切除高壓晶閘管閥組一、處理器5對第一監測電壓Utjl的監測分析當Utjl = 0，表明高壓晶閘管閥組中當前被檢測的晶閘管KT的工作狀態正常，不切除高壓晶閘管閥組；當U1 = 1，表明高壓晶閘管閥組中當前被檢測的晶閘管KT損壞，處理器5發出命令，切除高壓晶閘管閥組；二、處理器5對第二監測電壓1!。2的監測分析當Ut52為方波信號時，表明高壓晶閘管閥組中損壞的晶閘管數量大於或等於2 ;處理器5發出命令，切除高壓晶閘管閥組；當11。2為恆壓信號時，表明高壓晶閘管閥組中損壞的晶閘管數量為0或I個，不切除高壓晶閘管閥組。用該方法檢測閥組內每隻晶閘管的端電壓，噹噹前被檢測晶閘管的端電壓為零時認定其損壞。當損壞個數超過設定值時(本實施方式設定為2)切除整個閥組。根據晶閘管串聯均勻技術，正常工作時高壓晶閘管閥組內每隻晶閘管的端電壓為U/N(其中U為閥組耐壓，N為串聯晶閘管個數。)，考慮到晶閘管損壞時呈現短路特性，導致組內其餘晶閘管的端電壓上升，大於U/N，可通過檢測組內一隻晶閘管的端電壓來判斷是否·有晶閘管損壞及損壞晶閘管的個數，當損壞的個數超出設計裕量時及時將閥組切除。
具體實施方式
五下面結合圖1至圖5說明本實施方式，本實施方式中給出一個具體實施例，來具體分析。WU= IOkV閥組，串聯晶閘管個數為N = 12為例。檢測電路檢測串聯閥組中一隻晶閘管的端電壓。正常情況下閥組內每個晶閘管的分壓為10kV/12 833. 33V，當組內有一隻晶閘管損壞時，平均每隻晶閘管的分壓為IOkV/11 909. 09IV,當組內有多於一隻晶閘管損壞時，平均每隻晶閘管的分壓將大於10kV/10 = IOOOV0若被檢測晶閘管的端電壓大於1000V，則說明閥組內有2隻或兩隻以上的晶閘管損壞，則認定該閥組的工作已經不可靠，應當予以切除。另一種情況，若被檢測晶閘管的端電壓為接近零則說明該晶閘管已經損壞，由於檢測晶閘管損壞，無法繼續監控該閥組的運行情況，應當切除該組閥組。檢測晶閘管的端電壓經調理後與設定的電壓值進行比較，比較器的輸出信號通過光纖8傳遞至處理器5，處理器5判斷高壓晶閘管閥組的工作是否安全可靠。若檢測結果不安全則處理器5將給出閥組切除指令，從而將高壓晶閘管閥組從主電路中切除。參見圖2進行具體分析判斷過程首先由電阻R1和R2對當前被檢測晶閘管KT兩端的電壓進行分壓。取值R1 =
/f 3R
497 Q , R2 = 3 Q , R3 = &，則^，放大器6_1的放大比為I，# = 1。則放大器6_1
IOkV 11, R4
的輸出電壓_____，其中n為實際正常工作的晶閘管個數。輸出電壓Um經兩路比較電路。其中一路為單限比較器7-1，取值參考電壓Vrefl = IV，輸出電壓為Utjl。此路用於指
示當前被檢測晶閘管KT是否正常工作。噹噹前被檢測晶閘管KT正常工作時，若全部晶閘
I OkV R, R4
管工作正常，則電壓&若存在晶閘管損壞，則檢測到的電壓um >
I 2 3
5V。若當前被檢測晶閘管損壞則呈現短路特性，Um = 0V。所以若當前被檢測晶閘管損壞則經過比較器後輸出電壓Utjl將輸出高電平，應切除該組高壓晶閘管閥組。所以該路的輸出電壓Utjl反映了檢測晶閘管的工作情況。另一路為滯回比較器7-2，取值參考電壓VMf2 = 8. 55V滯回比較器7-2輸出的電壓11。2反映高壓晶閘管閥組中損壞的晶閘管個數。該滯回比較器7-2的上限閾值電壓為
權利要求
1.高壓晶閘管閥組快速在線故障檢測裝置，其特徵在於，它包括高頻交變電流源(I)、 能量耦合單元(2)、整流濾波電路(3)、穩壓電路(4)、處理器(5)、調理電路￠)、檢測電路(7)和光纖⑶，高頻交變電流源(I)的輸出端與能量耦合單元(2)的輸入端相連，能量耦合單元(2) 的輸出端與整流濾波電路(3)的交流輸入端相連，整流濾波電路(3)的直流輸出端與穩壓電路⑷的輸入端相連，穩壓電路⑷的輸出端同時與處理器(5)、調理電路(6)和檢測電路(7)的直流供電端相連，調理電路(6)接收高壓晶閘管閥組中待檢測的晶閘管端電壓信號，調理電路(6)的輸出端與檢測電路(7)的輸入端相連，檢測電路(7)的輸出端通過光纖⑶與處理器(5)的信號輸入端相連。
2.根據權利要求1所述高壓晶閘管閥組快速在線故障檢測裝置，其特徵在於，能量耦合單元(2)採用磁環變壓器來實現。
3.根據權利要求1所述高壓晶閘管閥組快速在線故障檢測裝置，其特徵在於，調理電路(6)包括放大器(6-1)、電阻R1、電阻R2、電阻R3、電阻R4、電阻R7、電阻Rs和電容Cs，電阻Rs和電容Cs串聯後並聯在高壓晶閘管閥組中待檢測的晶閘管的兩端；電阻R1和電阻R2串聯後並聯在電阻Rs和電容Cs的串聯支路兩端；電阻R1和電阻R2的連接點與電阻R3的一端相連，電阻R3的另一端與放大器(6-1)的反相輸入端相連；電阻R1和電阻R2串聯支路的電阻R2側與電阻R7的一端相連，電阻R7的另一端與放大器(6-1)的同相輸入端相連，電阻R4跨接在放大器(6-1)的反相輸入端和輸出端之間。
4.根據權利要求1、2或3所述高壓晶閘管閥組快速在線故障檢測裝置，其特徵在於，檢測電路⑵包括單限比較器(7-1)、滯回比較器(7-2)、電阻R5、電阻R6、電阻R8、電阻R9、電阻R1Q、電阻R2tl、雙向穩壓二極體Dl和穩壓二極體D2，放大器(6-1)的輸出端與單限比較器(7-1)的反相輸入端相連，單限比較器(7-1)的同相輸入端接參考電壓VMfl，單限比較器(7-1)的輸出端與電阻Rltl的一端相連，電阻Rltl的另一端接第一監測電壓Utjl;放大器(6-1)的輸出端還與電阻R8的一端相連，電阻R8的另一端與滯回比較器(7-2) 的反相輸入端相連，電阻R5的一端接參考電壓VMf2，電阻R5的另一端與滯回比較器(7-2)的同相輸入端相連，滯回比較器(7-2)的輸出端與電阻R9的一端相連，電阻R9的另一端接第二監測電壓 U02 ;電阻R5的另一端還與電阻R6的一端相連，電阻R6的另一端與電阻R9的另一端相連；電阻R6的另一端同時還與雙向穩壓二極體Dl的一端相連,雙向穩壓二極體Dl的另一端接地；電阻R2tl的一端接第二監測電壓11。2，電阻R2tl的另一端與穩壓二極體D2的負極相連，穩壓二極體D2的正極接地。
5.基於權利要求4所述高壓晶閘管閥組快速在線故障檢測裝置的檢測方法，其特徵在於，該方法為調理電路(6)並聯在高壓晶閘管閥組中某個晶閘管KT的兩端，並把當前被檢測晶閘管 KT調理後的端電壓信號發送給檢測電路(7)，檢測電路(7)將第一監測電壓Utjl和第二監測電壓11。2通過光纖⑶輸出給處理器(5)，處理器(5)對第一監測電壓Utjl和第二監測電壓 U02分別進行監測分析，來決定是否切除高壓晶閘管閥組一、處理器(5)對第一監測電壓Utjl的監測分析當Utjl = 0，表明高壓晶閘管閥組中當前被檢測的晶閘管KT的工作狀態正常，不切除高壓晶閘管閥組；當Utjl = 1，表明高壓晶閘管閥組中當前被檢測的晶閘管KT損壞，處理器(5)發出命令， 切除高壓晶閘管閥組；二、處理器(5)對第二監測電壓1!。2的監測分析當Utj2為方波信號時，表明高壓晶閘管閥組中損壞的晶閘管數量大於或等於2 ;處理器 (5)發出命令，切除高壓晶閘管閥組；當11。2為恆壓信號時，表明高壓晶閘管閥組中損壞的晶閘管數量為O或I個，不切除高壓晶閘管閥組。全文摘要
高壓晶閘管閥組快速在線故障檢測裝置及方法，屬於晶閘管在線檢測領域，本發明為解決目前檢測高壓晶閘管閥組的檢測電路結構複雜，且成本高的問題。本發明包括高頻交變電流源、能量耦合單元、整流濾波電路、穩壓電路、處理器、調理電路、檢測電路和光纖，高頻交變電流源的輸出端與能量耦合單元的輸入端相連，能量耦合單元的輸出端與整流濾波電路的交流輸入端相連，整流濾波電路的直流輸出端與穩壓電路的輸入端相連，穩壓電路的輸出端同時與處理器、調理電路和檢測電路的直流供電端相連，調理電路接收高壓晶閘管閥組中待檢測的晶閘管端電壓信號，調理電路的輸出端與檢測電路的輸入端相連，檢測電路的輸出端通過光纖與處理器的信號輸入端相連。
文檔編號G01R31/327GK102998620SQ201210547919
公開日2013年3月27日 申請日期2012年12月17日 優先權日2012年12月17日
發明者高強, 徐殿國, 王雲傑, 王思宇, 金淼鑫, 周長城, 蘇博男, 李志城, 周再良 申請人:哈爾濱工業大學