基于選相控制的高壓斷路器過電壓抑制方法研究

楊志鈞

摘 要：高壓斷路器出現重燃時會造成非常嚴重的過電壓，于是會影響整個電力系統的正常運行，于是為了抑制過電壓，文章提出了基于選相控制的方式。通過對選相控制器關鍵環節進行改進，然后使用仿真實驗驗證了選相控制器具有更好的抗干擾性，能夠提高時間準確度，有助于抑制高壓斷路器過電壓。

關鍵詞：選相控制;高壓斷路器;過電壓

中圖分類號：TM561.2 文獻標識碼：A 文章編號：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

在變電站中非常重要的一次設備就是高壓斷路器，隨機相位跳閘對斷路器會造成比較大的沖擊，可能會出現過電壓，所以為了抑制斷路器過電壓，需要實現斷路器跳合閘相位控制，實現這一控制的裝置就是選相控制器[1]。對于選相控制器的研究，我國起步比較晚，2005年之后才開始對其進行研發并且投入市場使用。如今，我國對電力的需求不斷提高，不斷增加輸電電壓等級，增加更為昂貴的電氣設備，使得選相控制器在變電站中使用越來越廣泛[2]。然而也暴露出選相控制器的問題，比如抗干擾性較弱、計算準確度較低等[3]。于是文章將研究基于選相控制的高壓斷路器過電壓抑制方法，主要對選相控制器提出優化措施，從而提高選相控制器的效果。

1 技術分析

1.1 選相分合閘控制時序分析

由于受到各種因素的影響，感性負載和容性負載的最佳合閘相位處于系統電壓峰值和電壓的過零點。圖1即為選相合閘控制過程。

選相控制器在T0時刻時收到合閘命令，于是就會開啟選相控制，選相控制器會根據相關信息計算出最為合適的等待時間，從T1時刻開始計時，當電壓過零點然后達到選相合閘等待時間，于是就會發出合閘命令。

選相分閘的作用就是控制接觸頭分離時刻，從而達到提升斷路器的開斷能力，另外還能夠避免過電壓沖擊。選相分閘控制過程如圖2所示。

選相控制器在T0時刻時收到分閘命令，于是就會開啟選相控制，需要根據相關信息判斷出最安全觸頭分離時刻T4，然后再T5時刻可靠開斷。選相控制其會自動根據相關信息計算出合適的等待時間，從電壓過零點開始計時，等待時間過完之后就會發出分閘命令。

通過上面選相分合閘的時序分析，能夠了解到該控制的核心要素有3個，首先是準確判別過零點，然后準確計算出目標操作點，最后就是準確動作出口[4]。

1.2 裝置總體方案設計

為了能夠通過選相控制抑制高壓斷路器過電壓，文章對選相控制其進行分析，對其緊致方案設計，其中包含硬件總體方案設計和軟件總體方案設計。下面將分別對兩者進分析。

（1）硬件總體方案。使用獨立裝置方案，硬件設計中包含有CPU模塊、反饋信號輸入模塊、斷路器特征參量輸入模塊、基準電壓輸入模塊、人機模塊和混合出口模塊等。

圖3為選相控制器典型回路，從圖中可以看出，選相控制其是通過繼電保護、測控等出口發出操作命令，能夠使用一般的電纜就可以完成輸入工作。反饋信號來自線路PT或者CT，另外選相基準電壓來自母線PT。分合閘命令可以直接輸出到斷路器，也能夠間接的傳達到斷路器[5]。另外，能夠反映斷路器動作特征的參量會輸入比較小的電流信號。

（2）軟件總體方案。當選相控制器接收到跳合閘命令之后，就會開啟選相控制，基準電壓會進行無壓判斷，于是就會觸發控制接點出口。當投入選相功能時，選相控制器會自動計算出需要使用的各種參數、頻率和相位等，并且在能夠在預定時刻上將繼電器和IGBT混合出口進行觸發。當不投入選相功能時，比如對跳合閘進行保護時，只需要將繼電器出口進行觸發，從而滿足實時出口要求[6]。圖4即為選相控制器出口邏輯圖。

1.3 IGBT和繼電器混合出口設計

基于選相控制器方法抑制高壓斷路器過電壓時，其中需要確保動作時間準確，實現該功能來源與IGBT和繼電器混合出口。CPU模塊發出分合閘命令，會通過FPGA和繼電器控制信號之間進行通信和數據交互，然后將命令通過不同通道發動到IGBT和繼電器混合出口。混合出口原理圖如圖5所示。

CPU模塊對CPLD芯片進行驅動時使用的是軟件報文，從而可以實現控制出口繼電器開放，也就是開發出口。而且對IGBT芯片準時開放動作進行控制時，選擇的差分導線進行完成，這種方式具有很好的抗干擾性能，能夠非常快速的完成出口回路動作。

繼電器回路的主要優勢在于其節點具有很好的抗沖擊性能，然而也存在缺陷，如動作時間離散度大。IGBT回路的優勢在于具有精準的動作時間，動作時間離散性小于20?m。表1即為繼電器和IGBT回路特性對比。如果將兩者進行結合使用，那么就會使得整個回路具有很好的優勢，既能夠有很好的抗沖擊性能、可靠的耐受電壓性能，還能夠保證動作時間的準確，比較適合于斷路器的需求[7]。

1.4 高精度抗干擾算法研究

在選相控制中非常重要的算法有相位、頻率等信息測量，其測量的準確性直接與選相控制準確程度相互關聯。通常情況下，選相控制的參考電壓有兩種方式獲取，分別為A相電壓和正序電壓，這兩種獲取方式的算法不同。

（1）正序電壓方法。使用該方式的計算公式如下所示：

其中，表示的是正序電壓的復向量，、和代表的是三相電壓的瞬時值。

正序電壓的相位通過上述公式可以計算出來，然后頻率計算可以通過相位差進行計算。假設每工頻周波計算一次相交，然后兩次的相角差可以用進行表示，然而需要注意的是將進行調整，直至屬于之間，然后就有如下所示的公式：

文章將會使用數字帶通濾波器，目的在于提高算法的抗干擾能力[8-9]。

（2）A相電壓方法。當前會使用過零點測量、傅里葉分析算法等對單相電壓進行測量，然而這些方法有一些局限性。比如過零點算法具有非常簡單的原理，很容易被理解，但是在處理直流分量和疊加諧波時，就會發現該算法具有比較大的誤差;傅里葉分析算法具有較為成熟的應用，然而存在頻譜泄漏問題，就會造成在測量過程中出現加大偏差。另外，采樣數據非常容易受到干擾，因為電力設備比較復雜，所以就會影響到測量準確度。于是為了解決這些問題，文章將會通過應用實部、虛部提取算法，從而提高抗干擾能力。BPF1和BPF2表示的是帶通濾波器，具有以下的表達公式：

復向量的算法如圖6所示，由于文章使用復向量提取算法可以直接計算出虛部和實部，不會受到其他因素的影響，于是就可以避免數據干擾。對參數進行設計時，由于虛部和實部存在一樣的延時和增益，所以就會提高計算結果的精確度，能夠與原始數據保持一致，還能夠增加抗干擾能力[10]。

2 仿真與試驗

2.1 仿真計算

圖7即為頻率與相角仿真模型，為驗證算法的效果，使用基波疊加諧波的方式輸入波形，表達公式如下所示。其中各種參數的設置如表2所示。

仿真結果如圖8所示，通過該方式計算出的頻率為55Hz，正好與實際情況相符合，而且相位計算結果和基波波形也相符合，于是可以證明具有較好的準確度和抗干擾能力。

2.2 裝置試驗驗證

圖9即為試驗驗證設計圖，試驗驗證結果如圖10所示，其中黃色線表示的是沒有疊加的諧波和同相位的交流量波形，藍色線表示的是加載到裝置上的交流量波形，綠色線表示的是混合接點輸出。通過研究結果表明，選相控制器具有較好的應用效果，能夠準確計算出口目標時刻，而且動作準確，應用于抑制高壓斷電器過電壓比較合適。

3 結語

綜上所述，文章對選相控制器進行優化研究，將其中幾個關鍵環節進行了改進，于是通過仿真實驗，驗證改進的選相控制在高壓斷路器過電壓抑制方法中具有較好的效果，能夠提高抗干擾能力，還能夠提高準確執行出口動作，并且具有較準確的計算出口時間。于是將有助于降低高壓斷路器的危險，有利于我國電力領域的發展。

參考文獻

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