一种半控型直流断路器控制器的设计与研究

孙广涛, 李树昆, 纪江辉, 王小丽

(许继集团有限公司, 河南 许昌 461000)

0 引 言

直流配电网一直是国内外研究的热点,其中直流断路器的安全稳定运行在直流配网中起非常重要的作用。国内外专家针对直流断路器的控制原理设计了多种不同的拓扑结构,目前应用比较成熟的为电流转移型方案,另一种电弧耗能开断方案由于存在分断失败的可能逐渐被淘汰[1]。电流转移型直流断路器的方案是在直流断路器分断时通过采用强迫转移或者自然转移的方法,迫使主回路一次电流转移到分支回路,等主回路建立绝缘断口后立即关闭分支回路,迫使MOV回路动作,完成直流断路器的无弧开断[2]。这种电流转移型由机械开关、电力电子器件和MOV释能回路共同组成的直流断路器又称为混合式直流断路器[3]。混合式直流断路器以低损耗、可实现无弧开断、全电流清除时间短等优势近年来获得了较快的发展[4-13]。截止目前,在大部分直流断路器控制方面的研究均存在成本高的问题,未来控制器的低成本化、高可靠性、安全稳定必然成为直流断路器发展的趋势。基于此,本文提出一种半控型、模块化设计、高稳定性、低成本的直流断路器控制器方案,将直流断路器控制部分拆为4个子模块,采用在工业领域中应用比较成熟的PLC作为主要控制单元,用光纤传递信号形成直流断路器控制方案。试验结果表明,从后台发出分闸信号至PLC发出分闸命令到转移支路关闭、释能回路MOV动作,完成能量释放的时间完全满足直流断路器开断的时间要求。使用该控制方案的直流断路器已经通过型式试验验证,取得型式试验报告。

1 直流断路器控制需求

直流断路器的控制器是接受综保信号控制直流断路器动作或者根据直流断路器自身的运行情况判断是否跳闸,为综保及后台提供直流断路器状态信息、故障判别,根据控制器件的逻辑关系控制相应器件动作完成直流断路器分合闸操作的核心设备[14-15]。基于自然换流型直流断路器的控制原理,设计控制器由4个子模块和一个主模块构成。控制设备基本框架如图1所示。

图1 控制设备基本框架

该直流断路器拓扑结构的优点是无需判断电流方向、成本低廉、主回路只有机械开关,导通损耗小、采用自然冷却无需水冷装置、可实现主回路和转移支路之间的自然换流、寿命较长。本文着重介绍控制系统,主要由IGBT控制子模块、电磁斥力机构控制子模块、模拟量采集子模块、开关量控制子模块以及PLC控制保护模块组成。各个子模块信号就地转化为光信号,通过光纤传递模块间信号连接。控制保护模块主要具备监视直流断路器状态;根据采集到的状态信号,控制各个子模块依据逻辑关系完成相应的动作,实现直流断路器的分合闸操作、判断直流断路器故障状态、判断是否允许直流断路器动作、状态数据上传、执行后台SCADA或监控系统发出的指令等功能。

(1) IGBT控制子模块主要包括第一转移支路IGBT模块、第二转移支路IGBT模块、光电转换模块等,主要功能通过控制IGBT按逻辑关系导通或者关闭,实现转移支路的导通或关闭。

(2) 电磁斥力机构子模块主要由两套机械开关组成,包括电容、光电转换器、电阻、斥力盘、线圈、晶闸管组件等,主要功能通过控制电容导通,完成直流断路器机械开关回路的合闸或分闸[16-17]控制。

(3) 模拟量采集子模块主要采集主回路电流、第一转移支路电流、第二转移支路电流、斥力机构储能电容电压等信号,主要负责向控制保护系统传递模拟量信号,其中主回路电流作为直流断路器故障判断的重要依据。

(4) 开关量控制子模块主要监测直流断路器各元器件状态、柜门状态、手车状态、隔离开关和接地开关状态、主回路机械开关状态等信号,主要负责向控制保护系统传递开关量信号作为控制保护的逻辑依据。

PLC主控制模块在收到各个子模块的信号后,判断直流断路器状态,并将参数上传保护装置及后台监控系统作为直流断路器的维护检修依据。

2 直流控制器系统设计

2.1 直流断路器控制原理

针对上述控制需求,电路原理图如图2所示。采用PLC的优点是易于设计员掌握、可靠性高、功耗低、系统兼容性好、能够模块化批量采购。

图2 电路原理图

PLC主控制模块的具体控制原理:PLC开机启动后,首先对主程序及各个分支程序数据进行初始化,校验各分支程序的功能及其工作状态。检测监测主回路及转移支路的电流信号、电磁斥力机构储能电容电压及各元器件状态信号等,向直流保护装置及后台监控系统上传直流断路器状态,实时监测保护装置、后台监控系统或控制面板发出的动作指令,根据直流断路器状态和逻辑关系执行上述指令。PLC通过实时监测主回路及转移支路的电流信号、电磁斥力机构储能电容电压信号,当判断出主回路电流异常且电流上升率大于设定的开断电流或电磁斥力机构电容电压异常时,限制本级直流断路器动作并上报保护装置及后台监控系统。

2.2 直流断路器控制时序

直流断路器的控制分为运行状态、试验状态和退出状态。运行状态是指直流断路器手车进入工作位置、各项参数正常,可以满足直流配网的控制需求,直流断路器可以投入运行。退出状态是指直流断路器手车已退出柜体,直流断路器隔离开关已动作在隔离位置、接地开关处于接地位置,实现直流断路器的检修,并可单独对直流断路器手车进行检修验证。试验状态是指直流断路器手车处于试验位置、此时手车动静触头未啮合,通过对直流断路器手车的控制实现模拟试验状态。PLC控制屏设置登录密码和权限,通过PLC控制屏可实现三种状态的自由切换。

PLC根据接收到的手车状态、隔离开关状态、接地开关状态、柜门状态、IGBT状态等判断直流断路器是否满足合分闸条件,未收到控制保护系统或后台监控系统的信号前一直处于循环判断状态,直到收到合分闸指令或判断出故障,分别执行不同的子程序。

2.3 直流断路器合闸控制逻辑

直流断路器合闸控制逻辑如图3所示。

图3 直流断路器合闸控制逻辑

当直流断路器控制主模块PLC收到合闸指令后,根据各个器件状态进入合闸子程序,向第二转移支路IGBT发出导通指令且同时向主回路的两个机械开关发出合闸指令即电磁斥力机构动作。由于第二转移支路IGBT动作比机械开关迅速,所以第二转移支路IGBT优先导通,系统电流经第二转移支路IGBT形成回路,完成直流断路器无弧合闸;当主回路机械开关导通后,由于主回路机械开关电阻远小于IGBT回路,所以转移支路电流转移至主回路,转移支路自然关断。为保证第二转移支路IGBT关断,在检测到直流断路器合闸辅助触点到位后,向转移支路IGBT发出关断指令。

2.4 直流断路器分闸控制逻辑

直流断路器分闸控制逻辑如图4所示。

图4 直流断路器分闸控制逻辑

当直流断路器控制主模块PLC收到分闸指令后,根据各个器件状态进入分闸子程序。PLC同时向第一转移支路IGBT、第二转移支路IGBT、两个机械开关发出导通和分闸指令。在电磁斥力机构控制下主回路两个机械开关同时动作分闸并起弧,当电弧电压达到第一转移支路IGBT导通条件后,第一转移支路IGBT导通自然换流,此时主回路电流由第一转移支路IGBT和第二个机械开关承担,第一个机械开关不承担电流。当主回路电流转移至第一转移回路后,关闭第一转移支路IGBT,由于此时第二转移支路IGBT处于预导通状态,第一转移支路IGBT关闭主回路电流立即转移至第二转移支路,主回路两个机械开关电弧熄灭并逐步建立绝缘断口,主回路电流完全由第二转移支路IGBT承担。当主回路两个机械开关建立绝缘断口后,关闭第二阶段IGBT回路,释能回路MOV动作完成能量释放,直流断路器分闸完成。在直流断路器分闸过程中,若PLC判断主回路电流超出预期或其他影响分闸的故障,则主回路机械开关立即合闸,同时向保护装置和后台发出不能分闸故障信息。

3 试验验证

3.1 厂内试验验证

本文主要对直流断路器的合分闸功能进行验证,检测各个模块的动作时间、各个模块配合情况以及特征参数等。利用后台控制系统、电容、电感、传感器、测试仪等搭建试验电路。试验电路如图5所示;试验参数如表1所示。

图5 试验电路

表1 试验参数

试验原理:首先对主电容C进行预充电,充电完成后,后台控制系统控制晶闸管VT1导通。主电容开始放电,在电容开始放电起第1.4 ms,后台控制系统根据设定的程序向直流断路器控制PLC发出分闸指令。随后直流断路器依据PLC发出的控制顺序开始分闸动作,最后截断回路电流实现电路分断。主电容通过电阻R1和接触器KM1形成回路释放多余的能量。

示波器设置:通道1主回路电流、通道2第一转移支路电流、通道3第二转移支路电流、通道4释能回路电压。直流断路器分闸曲线如图6所示。当PLC接收到分闸命令后,同时向两个机械开关、第一转移支路IGBT模块、第二转移支路IGBT模块发出分闸和导通命令,延迟1ms后向第一转移支路IGBT模块发出关闭命令,延迟2ms后向第二转移支路IGBT模块发出关闭命令。机械开关动作后第一转移支路IGBT导通,第一转移支路电流迅速上升至与主回路电流一致,此时与第一转移支路并联的机械开关电弧熄灭,主回路电流由第一转移支路IGBT和第二个机械开关承担。到第一转移支路IGBT强行关闭,电流迅速向第二转移支路转移,第二转移支路电流迅速上升至主回路电流;到第二转移支路IGBT强行关闭,释能回路MOV导通,完成直流断路器分闸。

图6 直流断路器分闸曲线

3.2 型式试验

目前,厂内组装的直流断路器最大开断能力为5 kA,在试验站的试验系统,完成电流开断试验。直流断路器现场试验图和直流断路器试验分闸曲线分别如图7和图8所示。试验系统产生预期故障电流,过流保护模拟装置检测到故障电流大于定值后发出的直流断路器分闸指令,在PLC控制系统收到过流保护模拟装置发来的分闸指令后,按照动作逻辑向直流断路器各个子模块发出动作指令,直流断路器依据PLC控制器按照程序设定的控制逻辑和控制时序完成分闸,清除故障电流。型式试验时未对第一转移支路电流进行监测,仅监测主回路电流、第二转移支路电流和MOV回路电压。

图7 直流断路器现场试验图

图8 直流断路器试验分闸曲线

4 结 语

直流断路器是10 kV直流配电网系统中的关键设备,本文依据自然换流型直流断路器拓扑原理,详细分析了直流断路器的控制需求,构建基于PLC核心模块的直流断路器控制保护系统,提出模块化设计思想将直流断路器的控制分4个控制子模块(IGBT控制子模块、电磁斥力机构控制子模块、模拟量采集子模块、开关量控制子模块),分别搭建控制回路,最后通过试验平台验证了系统的可行性。经过厂内试验和试验站试验验证,该控制保护方案在直流断路器状态监测、接收保护装置或后台监控系统信号并执行直流断路器分合闸方面切实可行,为直流断路器控制保护系统低成本化、模块化生产运行提供了解决方案和思路。