基于选相控制的高压断路器过电压抑制方法研究

2021-07-11杨志钧

粘接 2021年4期

杨志钧

摘要：高压断路器出现重燃时会造成非常严重的过电压，于是会影响整个电力系统的正常运行，于是为了抑制过电压，文章提出了基于选相控制的方式。通过对选相控制器关键环节进行改进，然后使用仿真实验验证了选相控制器具有更好的抗干扰性，能够提高时间准确度，有助于抑制高压断路器过电压。

关键词：选相控制;高压断路器;过电压

中图分类号：TM561.2 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2021）04-0158-04

Abstract：When a high voltage circuit breaker reignites， it will cause a very serious overvoltage， which will affect the normal operation of the entire power system. So in order to suppress the overvoltage， the paper proposes a method based on phase selection control. By improving the key links of the phase selection controller， and then using simulation experiments to verify that the phase selection controller has better anti-interference， can improve the accuracy of time， and help to suppress the high voltage circuit breaker overvoltage.

Key words：phase selection control; high voltage circuit breaker; overvoltage

在變电站中非常重要的一次设备就是高压断路器，随机相位跳闸对断路器会造成比较大的冲击，可能会出现过电压，所以为了抑制断路器过电压，需要实现断路器跳合闸相位控制，实现这一控制的装置就是选相控制器[1]。对于选相控制器的研究，我国起步比较晚，2005年之后才开始对其进行研发并且投入市场使用。如今，我国对电力的需求不断提高，不断增加输电电压等级，增加更为昂贵的电气设备，使得选相控制器在变电站中使用越来越广泛[2]。然而也暴露出选相控制器的问题，比如抗干扰性较弱、计算准确度较低等[3]。于是文章将研究基于选相控制的高压断路器过电压抑制方法，主要对选相控制器提出优化措施，从而提高选相控制器的效果。

1 技术分析

1.1 选相分合闸控制时序分析

由于受到各种因素的影响，感性负载和容性负载的最佳合闸相位处于系统电压峰值和电压的过零点。图1即为选相合闸控制过程。

选相控制器在T0时刻时收到合闸命令，于是就会开启选相控制，选相控制器会根据相关信息计算出最为合适的等待时间，从T1时刻开始计时，当电压过零点然后达到选相合闸等待时间，于是就会发出合闸命令。

选相分闸的作用就是控制接触头分离时刻，从而达到提升断路器的开断能力，另外还能够避免过电压冲击。选相分闸控制过程如图2所示。

选相控制器在T0时刻时收到分闸命令，于是就会开启选相控制，需要根据相关信息判断出最安全触头分离时刻T4，然后再T5时刻可靠开断。选相控制其会自动根据相关信息计算出合适的等待时间，从电压过零点开始计时，等待时间过完之后就会发出分闸命令。

通过上面选相分合闸的时序分析，能够了解到该控制的核心要素有3个，首先是准确判别过零点，然后准确计算出目标操作点，最后就是准确动作出口[4]。

1.2 装置总体方案设计

为了能够通过选相控制抑制高压断路器过电压，文章对选相控制其进行分析，对其紧致方案设计，其中包含硬件总体方案设计和软件总体方案设计。下面将分别对两者进分析。

（1）硬件总体方案。使用独立装置方案，硬件设计中包含有CPU模块、反馈信号输入模块、断路器特征参量输入模块、基准电压输入模块、人机模块和混合出口模块等。

图3为选相控制器典型回路，从图中可以看出，选相控制其是通过继电保护、测控等出口发出操作命令，能够使用一般的电缆就可以完成输入工作。反馈信号来自线路PT或者CT，另外选相基准电压来自母线PT。分合闸命令可以直接输出到断路器，也能够间接的传达到断路器[5]。另外，能够反映断路器动作特征的参量会输入比较小的电流信号。

（2）软件总体方案。当选相控制器接收到跳合闸命令之后，就会开启选相控制，基准电压会进行无压判断，于是就会触发控制接点出口。当投入选相功能时，选相控制器会自动计算出需要使用的各种参数、频率和相位等，并且在能够在预定时刻上将继电器和IGBT混合出口进行触发。当不投入选相功能时，比如对跳合闸进行保护时，只需要将继电器出口进行触发，从而满足实时出口要求[6]。图4即为选相控制器出口逻辑图。

1.3 IGBT和继电器混合出口设计

基于选相控制器方法抑制高压断路器过电压时，其中需要确保动作时间准确，实现该功能来源与IGBT和继电器混合出口。CPU模块发出分合闸命令，会通过FPGA和继电器控制信号之间进行通信和数据交互，然后将命令通过不同通道发动到IGBT和继电器混合出口。混合出口原理图如图5所示。

CPU模块对CPLD芯片进行驱动时使用的是软件报文，从而可以实现控制出口继电器开放，也就是开发出口。而且对IGBT芯片准时开放动作进行控制时，选择的差分导线进行完成，这种方式具有很好的抗干扰性能，能够非常快速的完成出口回路动作。

继电器回路的主要优势在于其节点具有很好的抗冲击性能，然而也存在缺陷，如动作时间离散度大。IGBT回路的优势在于具有精准的动作时间，动作时间离散性小于20?m。表1即为继电器和IGBT回路特性对比。如果将两者进行结合使用，那么就会使得整个回路具有很好的优势，既能够有很好的抗冲击性能、可靠的耐受电压性能，还能够保证动作时间的准确，比较适合于断路器的需求[7]。

1.4 高精度抗干扰算法研究

在选相控制中非常重要的算法有相位、频率等信息测量，其测量的准确性直接与选相控制准确程度相互关联。通常情况下，选相控制的参考电压有两种方式获取，分别为A相电压和正序电压，这两种获取方式的算法不同。

（1）正序电压方法。使用该方式的计算公式如下所示：

其中，表示的是正序电压的复向量，、和代表的是三相电压的瞬时值。

正序电压的相位通过上述公式可以计算出来，然后频率计算可以通过相位差进行计算。假设每工频周波计算一次相交，然后两次的相角差可以用进行表示，然而需要注意的是将进行调整，直至属于之间，然后就有如下所示的公式：

文章将会使用数字带通滤波器，目的在于提高算法的抗干扰能力[8-9]。

（2）A相电压方法。当前会使用过零点测量、傅里叶分析算法等对单相电压进行测量，然而这些方法有一些局限性。比如过零点算法具有非常简单的原理，很容易被理解，但是在处理直流分量和叠加谐波时，就会发现该算法具有比较大的误差;傅里叶分析算法具有较为成熟的应用，然而存在频谱泄漏问题，就会造成在测量过程中出现加大偏差。另外，采样数据非常容易受到干扰，因为电力设备比较复杂，所以就会影响到测量准确度。于是为了解决这些问題，文章将会通过应用实部、虚部提取算法，从而提高抗干扰能力。BPF1和BPF2表示的是带通滤波器，具有以下的表达公式：

复向量的算法如图6所示，由于文章使用复向量提取算法可以直接计算出虚部和实部，不会受到其他因素的影响，于是就可以避免数据干扰。对参数进行设计时，由于虚部和实部存在一样的延时和增益，所以就会提高计算结果的精确度，能够与原始数据保持一致，还能够增加抗干扰能力[10]。

2 仿真与试验

2.1 仿真计算

图7即为频率与相角仿真模型，为验证算法的效果，使用基波叠加谐波的方式输入波形，表达公式如下所示。其中各种参数的设置如表2所示。

仿真结果如图8所示，通过该方式计算出的频率为55Hz，正好与实际情况相符合，而且相位计算结果和基波波形也相符合，于是可以证明具有较好的准确度和抗干扰能力。

2.2 装置试验验证

图9即为试验验证设计图，试验验证结果如图10所示，其中黄色线表示的是没有叠加的谐波和同相位的交流量波形，蓝色线表示的是加载到装置上的交流量波形，绿色线表示的是混合接点输出。通过研究结果表明，选相控制器具有较好的应用效果，能够准确计算出口目标时刻，而且动作准确，应用于抑制高压断电器过电压比较合适。

3 结语

综上所述，文章对选相控制器进行优化研究，将其中几个关键环节进行了改进，于是通过仿真实验，验证改进的选相控制在高压断路器过电压抑制方法中具有较好的效果，能够提高抗干扰能力，还能够提高准确执行出口动作，并且具有较准确的计算出口时间。于是将有助于降低高压断路器的危险，有利于我国电力领域的发展。

参考文献

[1]史建博.光控模块式真空断路器选相控制系统的设计[D].大连：大连理工大学， 2011.

[2]徐丽青，李帅，陈庆旭，等.一种新型智能选相控制器设计及抗干扰措施[J].中国电力，2016，48（2）：176-179.