基于IGCT的三相短路限流控制方案

安徽理工大学 施其国 陶艳梅 任 俊

0 引言

随着电网规模和电压等级不断提高，短路故障对电力系统稳定运行的影响越来越大。在各类型的短路中，三相短路的影响最为严重。通过此三相短路限流控制方案可以有效的减小限流器的体积、重量和成本。再通过真空高压断路器、高电压互感器和DSP报警电路的相互配合，完成对高压电网的故障检测、故障限流、短路跳闸和报警等操作。

1 模块简介

1.1 故障检测模块

本文以10KV的输电线路为例，通过JDZ-10Q高电压互感器可以将电网的电压实时的反馈给用户或操作人员。JDZ-10Q为全封闭结构，绕组为环氧树脂真空浇注全绝缘结构，铁芯采用优质硅钢片卷制而成，绝缘依靠环氧树脂，适用于额定频率为50Hz或60Hz的电力输电网络。JDZ-10Q具有体积小、重量轻、结构紧凑、绝缘性能良好的优点，并且能够保护绕组不受潮。当准确级为0.2/0.5/1时，额定电压比为10KV/0.1KV，满足输电线路的基本要求。

1.2 限流模块

限流模块采用集成门极换流晶闸管IGCT带直流限流电抗器方式。IGCT是一种中压变频器开发的用于电力电子成套装置中的新型电力半导体开关器件。IGCT兼有IGBT和GTO的优点 ，又克服了两者的不足。IGCT具有以下优点：1.通态压降小，耐压等级高，电压等级高；2.开关特性好且易于触发；3.状态监视电路和IGCT的管芯一体化集成，简化了电路设计，大大提高了装置的可靠性。利用这些优点将IGCT与电感配合，限制三相短路电流。其具体电路设计如图1所示：

图1 三相接地系统结构图

该三相接地系统结构图由IGCTT1～T8和直流限流电抗器L1、旁路电感L2、L3、L4、双向晶闸管T9、T10、T11等组成。Ua、Ub、Uc为三相交流电压，R1、R2、R3为电力系统所带负载。具体工作方式为：当电力系统正常运行时，T1～T8加正向电压，T1～T6处于不可控整流状态。电抗器L1流过恒定的直流电流。当检测到发生三相接地短路时，封锁开关T7、T8，再控制T1～T6组成的整流桥处于有源逆变状态，可以将直流电抗器的电流回馈至电网。此时的短路电流由旁路电感L2、L3、L4承担。利用此电路不仅可以限制短路电流，还可以减小限流电抗器的体积、重量和成本。

图2 MATLAB仿真图

通过建立MATLAB仿真模块模拟出三相短路时电流随时间的变化曲线。由图2所示我们可以看出当发生三相短路时，IGCT与电抗器的配合可明显缩短短路电流非周期分量持续的时间，因此可有效的限制三相短路电流。

1.3 短路跳闸模块

采用ZW 20-12/630高压真空断路器作为短路时的跳闸器件。ZW 20-12/630高压真空断路器由真空断路器本体、故障检测控制器以及外置电压互感器三部分组成。其额定电压为10KV，三相交流频率50Hz，内部充以SF6气体，具有良好的密封性能。断路器可与相应的控制器配合，在满足配电系统自动化的要求时，具有自动重合闸的功能。不仅可以用于变电站等配电系统保护和控制，更适用于电网等频繁操作的场合。当设备处于过压或者故障时，可以自动切断故障，保证电力系统的正常运行。

1.4 DSP报警模块

DSP报警模块采用高电压可编程控制的TMS320LF2407 DSP，此装置与KQ-300载波数据收发模块配合可适用于10KV的电力系统网络。TMS320LF2407 DSP是一种大范围的数字信号处理器，采用高性能静态CMOS技术，使得控制电压较低，减小了控制器的消耗；30MIPS的执行速度使得执行指令的周期较短，提高了控制器的实时控制能力。DSP报警模块包括采样输入电路、直流稳压电源电路、载波通信电路和指示报警电路。

图3 DSP报警模块设计

采样输入电路的硬件组成为采样电路、放大电路、滤波电路和比较电路。此电路从电网采集数字信号送入DSP，是高压设备故障报警的重要组成部分之一。直流稳压电路由电源变压器、整流器、滤波器等部分组成，可以为DSP提供电源引入信号。载波通信电路硬件以KQ-300电力载波数据收发模块为中心，外围接有载波信号输入电路、载波信号接收电路、保护电路和高压报警器结合滤波电路等。当发生短路时，三相电流发生变化，利用电流的变化作为控制型号，编写相应的程序，控制TMS320LF2407 DSP指示电路所连接发光二极管的亮灭。通过二极管可以实时显示电力系统的工作状态。

2 具体限流控制方案

电力系统正常运行时，JDZ-10Q高电压互感器可以将检测到的电压值实时显示，忽略开关管的功耗，限流模块电抗器L1流过恒定的直流电流，DSP报警模块控制的报警器不工作。当发生短路时，三相电流发生变化， 限流电抗器L1向电源反馈电流，整流桥此时处于有源逆变状态，旁路电感L2、L3、L4承担相应的短路电流；ZW 20-12/630高压真空断路器在有效时间内跳闸；与此同时，DSP报警模块发出报警信号。限流控制方案可用图4表示：

图4 三相短路限流控制方案

3 结束语

本文详细叙述了一种电力网发生三相短路时的限流控制方案，主要利用故障检测模块、限流模块、短路跳闸模块、DSP报警模块的相互配合达到对电网的实时监测，短路故障的迅速切断。本方案的限流效果较好，普遍适用于中高压型电力网络，具有广阔的应用前景。

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