高压串联谐振故障限流器辅助电源的设计

王晓鹏

（辽宁地质工程职业学院动画影视学院，辽宁丹东 118008）

高压串联谐振故障限流器辅助电源的设计

王晓鹏

（辽宁地质工程职业学院动画影视学院，辽宁丹东 118008）

在高压串联谐振限流器中，所有的有源传感器和各个晶闸管触发电路均需要相互隔离的低压电源单独供电，而限流器工作在稳定状态和工作在短路限流状态时，电路中各个节点的电压将发生很大的变化，使在限流器电路内部获取低压辅助电源，并实现高压隔离成为高压串联谐振限流器设计的难题。本文提出了在双分裂电抗器中取能的两种方法，配合蓄电池的应用，为高压串联谐振限流器提供了不受系统停电影响、安全可靠的辅助电源。

高压串联谐振限流；双分裂电抗器；取能；低压辅助电源；高压隔离

随着高压输电网络的快速发展，电网的短路保护成为备受关注的前沿课题。在各种限流方案中，利用串联谐振原理设计的故障限流器，因其具有运行损耗小、限流能力强、响应速度快、可靠性高等优点，成为研制的热点。

在串联谐振限流器中，大都采用晶闸管作为谐振电容的投切开关，又采用多个有源传感器获取电路信息。在这些晶闸管和传感器中，均需要相互隔离的低压电源为其提供工作电能。

当发生系统短路故障时，限流器电路内许多节点的电压值都将发生很大的变化，低压系统提供的220V市电也可能消失。而这时限流器电路内的晶闸管触发系统、电路监测系统、信息存储系统等仍需要工作一段时间[1]。所以，为限流器的控制与检测系统提供不受短路故障影响的工作电源，是限流器研究的重要内容之一。

低压隔离辅助电源可以采用高压互感器或光伏技术等手段获得，但是这些取能技术所具有的造价高昂和技术复杂的特点，均不适合于在高压串联谐振限流器中的应用。

根据串联谐振限流器的电路结构特点，通过在双分裂电抗器中取能的办法，配合蓄电池等储能元件，不仅解决了取能电压的高压隔离问题，也解决了市电消失后的继续供电问题[2]，是一种简单易行、造价低廉、安全可靠的取能办法。

1 高压串联谐振限流器的电路拓扑与工作原理

高压串联谐振限流器的基本电路拓扑如图1所示。图1中L为串联电抗器，C为电力电容器，M为双分裂电抗器，VT1、VT2为晶闸管。

图1 超高压串联谐振限流器的基本电路拓扑

在输电线路正常工作的情况下，限流器工作在稳定状态。此时晶闸管VT1与VT2截止，双分裂电抗器的N1绕组开路，N2绕组呈现高阻抗。串联电抗器L和电容器C处于串联谐振状态，其谐振阻抗极小。限流器作为一个低阻抗元件串联在输电母线中，限流器对正常输电没有不良影响。

当输电线路发生短路故障时，限流器转为限流状态。此时晶闸管VT1与VT2触发导通，双分裂电抗器的N1、N2绕组通过相等的电流，N2绕组呈现低阻抗，将电容器C短接，串联电抗器L作为高阻抗元件串联在线路中，限制短路电流的增加，对输电线路及其设备起到保护作用。

由以上分析可知，限流器由稳态转为限流状态以后，电路中各节点的电压均要发生大幅度的变化，辅助电源所需的220V低压市电也可能随着电网故障而消失。而限流器的信息检测与存储系统、晶闸管的触发系统等仍然需要继续工作一段时间。这就需要采用一定的技术措施为限流器提供不受系统故障影响的低压电源，并且要求各个低压电源之间要具有不低于系统电压的隔离能力。

2 高压串联谐振限流器的电压取能与隔离

从工作连续性的角度，可将辅助电源分为连续工作和短时工作两种类型[3]。连续工作的辅助电源负责向各类有源传感器以及信息采集、存储系统提供稳定、可靠、不间断的工作电源。短时辅助电源负责向各个晶闸管的门极触发电路提供短时间的工作电源，电源的供电维持时间一般不大于几百毫秒。这两类辅助电源的共同特点是要彼此隔离，隔离电源与主系统之间的电压隔离能力要达到限流器工作电压的等级，各个隔离电源之间的隔离电压应不低于20kV。根据限流器和两类辅助电源的工作特点，本文提出了从双分裂电抗器中取能的两种实施方案，如图2所示。

2.1 附加绕组取能方式

附加绕组取能方式如图2（a）所示。图中M是双分裂电抗器，N1、N2是双分裂电抗器M的两个工作绕组，N3是附加在双分裂电抗器工作绕组上的取能绕组。

限流器稳定运行时，各晶闸管均处于截止状态，N1绕组开路。此时双分裂电抗器则相当于以N2绕组为原边，以N3绕组为副边的降压变压器。N3绕组输出的交流电压，经变压器B1再隔离与电压调整，可得到多组相互隔离的交流电压，作为各个检测、控制系统的低压工作电源。

附加绕组取能方式的辅助电源，其高压隔离能力主要取决于N3绕组与N1、N2绕组之间的绝缘强度，也与变压器B1各二次绕组间的绝缘强度有关。

变压器B2的原绕组可采用10kV绝缘电缆绕制，其绝缘能力可达24kV。

2.2 抽头取能方式

抽头取能方式如图2（b）所示。图中2、3点之间的电压即为取能电压。取能电压经变压器B1再隔离与电压调整，即可得到多组相互隔离的交流电压。

抽头取能方式的辅助电源，其高压隔离能力取决于变压器B1原副绕组之间的绝缘强度以及各二次绕组之间的绝缘强度。

比较上述两种取能方式，从取能的角度讲并没有本质的区别。从电压隔离的角度讲，图2（a）的电压隔离能力要优于图2（b）的电压隔离能力。从结构的角度讲，图2（b）的加工工艺比图2（a）的加工工艺简单。应用时可以根据限流器的工作电压选用其中的一种。

图2 辅助电源的取能方式

由于高压限流器中应用的双分裂电抗器大都采用油浸式结构，各绕组间具有很强的绝缘能力。又由于限流器主体采用的是单元串联组合的结构方式，每一个串联单元的实际工作电压远低于系统电压。再考虑到限流器采用的是悬浮的安装方式，所以从双分裂电抗器中取能是安全的。

通过附加取能绕组的方式从双分裂电抗器中取能，若取能电压很低（例如8～15V），可能因为N2绕组与N3绕组之间的变比太大，造成取能电压值不准确。这时可以适当提高取能电压的幅值，（例如将取能电压提高至30V～50V），即可避免这一弊端。然后再利用小变比的隔离变压器将取能电压调整到符合需要的电压值，如图2中的变压器B1。

变压器B1的容量一般不超过30W，因变比小，二次绕组的匝数也少，所以二次绕组可以采用10kV的高压导线绕制，以进一步加强电压隔离。应用时，变压器B1要悬浮安装，其铁心不允许接地。

3 低压辅助电源的电路结构与在线监测

超高压输电线路发生短路故障的几率很低，并且发生故障的时间是不确定的。对于限流器来讲，稳定运行是其常态。作为控制开关使用的晶闸管的触发电路将长时间处于待机状态。为防止偶发短路故障时，辅助电源失效，要对取能电源和触发电路进行在线监测，并应设置相应的报警装置，以便及时发现故障并立即维修。防止因取能电源和触发电路故障引起限流器限流失效的重大事故。图3所示为电池充电与控制电路框图。

图3 电池充电与控制电路框图

由取能变压器输出的低压交流电压经整流滤波、稳压后输入到电池检测与控制电路对电磁充电，PLC控制系统对电池的充电状态进行监测与控制，使电池的电量始终保持最佳状态；当输电线路发生短路故障时，PLC控制器向电池充电电路发出输出指令[4]，晶闸管触发电路在电池供电的作用下将来自PLC控制器的光信号转换成电信号，晶闸管触发电路输出直流触发信号使晶闸管导通。

控制系统的程序控制部分两部分包括PLC程序、HMI程序及后台监控程序三大部分。

PLC程序主要包括控制流程、数据采样、干扰滤波、故障录波、故障报警、事件记录、数据记录、试验平台、保护连锁、数据通讯等程序模块。其中核心部分在于快速采样及快速响应、动作判断与连锁保护及每次故障波形的记录。PLC选用基恩士KV3000型，编程软件KV STUDIO Ver.7。

故障录波采用AD40G模拟量模块，该模块自带缓存功能记录[5]。此方案采样频率为5KHz，可记录2000ms时间段内的数据，包括故障前、故障暂态和故障后的数据。采集数据均可保存在SD卡内，断电时数据不丢失。CSV格式，可将数据转移至PC机，供EXCEL或其他软件数据分析。

HMI选用的基恩士S12型触摸屏，编程软件为VT STUDIO Ver.4。HMI系统主要实现系统状态及测量数据的显示、系统参数及故障阈值的设定，查询并记录报警信息及操作记录，故障波形的查询与显示功能及其他FCL系统操作相关的功能。

图4 PLC程序结构基本流程图

上位机系统选用的是研祥PC810型工控机，24英寸液晶显示器。软件系统利用力控Forcecontrol 6.1作为组态平台。PC与PLC通过工业以太网进行通讯[6]，远距离传输利用以太网光端机进行信号装换实现光纤传输信号。后台系统的软件功能与HMI系统一致，区别是分别实现远方与本地操作。图4是限流器控制系统的程序流程图。

4 实验结果

经过在10kV串联谐振限流器中的取能试验，本文提出的超高压故障限流器辅助电源的取能方案是可行的。取能电压的稳定性以及隔离能力均达到了设计要求。在取能电压消失后，所采用的储能元件（蓄电池）的续能能力能够达到10分钟，满足了限流器暂态限流时的工作要求，取得了满意的实验效果。

5 结论

本文介绍的限流器低压辅助电源，解决了超高压串联谐振限流器辅助电源取能与高压隔离的难题，为超高压谐振限流器的设计与实现提供了方法简便、安全可靠、造价低廉的辅助电源获取方法。

[1]张志丰.一种改进串联谐振型限流器[J].电工技术学报, 2015(3):30.

[2]《变压器》杂志编辑部.电力变压器设计计算方法[M].沈阳:辽宁科学技术出版社.

[3]周京华，龚绍文.变压器与电感器设计手册[M].4版.北京:中国电力出版社.

[4]吴天明，赵新力，刘建存.MATLAB电力系统设计与分析[M].北京:国防工业出版社.

[5]何希才.新型集成稳压器应用实例[M].北京:机械工业出版社.

[6]李小峰.具有数据存储功能的嵌入式以太网通讯模块的设计与实现[D].青岛:中国海洋大学,2013:120.

（责任编校：马余平）

Design of Auxiliary Power Supply for High Voltage Series Resonant Fault Current Limiter

WANG Xiao－peng
(Animation Film and Television Institute,Liaoning Geological Engineering Vocational College,Dandong，Liaoning 118008)

In the high-voltage series resonant current limiter,all the active sensors and the thyristor trigger circuits need to separate each other from the low-voltage power supply.And current limiting device in steady state and work in short circuit limit state flow,every node in the circuit voltage will occur great changes,so that in current limiting circuit internal access to low voltage auxiliary power supply,and to achieve high voltage isolation for high voltage series resonance current limiting device design problem.This paper presents in double split reactor take to two methods,with the battery application,high pressure series resonant current limiter provides is free from the influence of power system,safe and reliable auxiliary power supply.

high voltage series resonant current limiter;dual split reactor;take energy;low voltage auxiliary power supply; high voltage isolation

TM 471

A

1672-738X(2015)04-0095-04

2015-06-18

王晓鹏(1979—)，女，满族，辽宁丹东人，计算机应用技术讲师，计算机技术工程硕士。主要研究方向：计算机应用。