直流继电器范文（精选9篇）
直流继电器 第1篇
直流固态继电器因具有长寿命、无噪音、开断快、耐振动、与逻辑电路兼容等优点, 在数控装置、测试仪器、计算机终端等领域应用广泛, 但它也存在漏电流、功耗大、发热严重等缺点。混合式继电器可实现机械触点和电力电子开关动态配合, 实现固态继电器与电磁继电器优势互补。因此, 混合式继电器的研发越来越受到关注[1,2]。
本文总结了直流固态继电器和混合式继电器的工作原理, 对其优缺点、技术难点进行了分析比较。
2 基本原理
2.1 直流固态继电器工作原理
直流固态继电器 (DC Solid State Relay, DC SSR) 是一种全部由固体电子元器件组成的具有隔离功能的无触点开关器件, 其利用大功率三极管、功率场效应管 (MOSFET) 、IGBT等器件的开关特性, 可达到无触点、无火花的接通和分断直流负载电路。
直流固态继电器的工作原理如图1所示。输入电路作为固态继电器的触发信号源, 分为阻性输入和恒流输入。阻性输入电路的输入电流随输入电压呈线性的正向变化。恒流输入电路的输入电压达到一定值时, 电流不再随电压的升高而增大, 可适用于相当宽的输入电压范围, 一般为3~32VDC。
隔离耦合电路多采用光电耦合和高频变压器两种电路形式。常用的光电耦合器有光-三极管、光-二极管阵列等。高频变压器耦合是在一定的输入电压下, 形成约10 MHz的自激振荡, 通过变压器磁芯将高频信号传递到变压器次级。
触发电路采用“图腾柱”式推挽电路, 控制电力电子开关接通和分断。此外, 为防止出现电流过载、短路及尖峰电压等现象损坏开关器件, 通过配置合理的续流二极管、限流电阻、压敏电阻及RCD吸收回路等以保护SSR中的MOSFET或IGBT等电力电子开关器件。
2.2 混合式直流继电器工作原理
混合式直流继电器的基本结构是在直流电磁继电器上并联一个电力电子开关, 利用智能控制模块在电路通断动态过程中导通电力电子开关, 使继电器机械触头在无载状态下闭合和断开。
图2为混合式继电器的结构图, 其工作原理如下[4]:继电器导通前, 主机械触点和IGBT均处于断开状态。当需触发继电器导通时, 控制电路驱动机械触点和IGBT动作, IGBT闭合速度比机械触点快, 先于机械触点导通。当机械触点导通时, 由于其阻抗远小于IGBT的阻抗, 大部分负载电流换流至机械触点。检测到机械触点闭合后, 控制电路再驱动IGBT分断。继电器分断前, 机械触点处于闭合状态, IGBT处于断开状态, 负载电流从机械触点流过。当继电器分断时, 控制电路驱动IGBT闭合、机械触点断开, 负载电流换流至IGBT支路。同时机械触点分断过程中, 其两端电压始终被IGBT钳制在5 V以内, 限制了过电压, 故机械触点不会产生电弧。检测到机械触点分断后, 控制电路再驱动IGBT分断。
由此可知, 混合式继电器采用电力电子器件承担动态过程、机械触头承担稳态过程的方法, 既可避免电力电子器件长期工作发热, 又可避免机械触头在继电器的分断过程中受到电弧的侵蚀, 实现了固态继电器和电磁继电器互补。
混合式继电器需要机械触点和电力电子开关动态配合, 因此控制电路逻辑关系比固态继电器复杂。混合式继电器常采用集成过流软关断功能的EXB841/、M57962、HL402B等驱动芯片驱动电力电子开关, 采用单片机或FPGA等控制机械触点与电力电子开关的动态过程。
图2中的缓冲电路是为防止开断感性负载时IGBT上产生瞬间过电压, 过高的电压上升速率du/dt会损坏电力电子器件。缓冲电路的核心部件是无感电容, 常用的电路有C缓冲电路、RC缓冲电路、RCVD缓冲电路或放电阻止型缓冲电路;IGBT关断速度极快, 由压敏电阻构成的吸收回路与缓冲回路一起吸收瞬时释放的电感储能;开关动作后因机械开关和IGBT时序差异, 在缓冲电容上积累电荷, 这会影响下一次的正确动作, 因此, 放电回路可以使电容放电, 保证开关下一次动作前电容恢复初始状态。
3 技术难点
直流固态继电器因突出的优点, 在低压小电流领域市场占有率逐年增长, 但依然无法代替传统电磁继电器;混合式继电器尚处在研发阶段。两者均有电力电子开关器件, 因此在向小型化、低成本、大功率发展过程中会遇到以下三个相似的技术难点[5,6]。
(1) 漏电流
与电磁式继电器相比, 直流固态继电器与混合式继电器均有基于半导体的电力电子开关器件, 当固态继电器处于关断状态时, 继电器仍然具有数微安至数毫安的漏电流, 不能实现理想的电隔离。漏电流使某些负载不会关断, 特别是高阻抗负载。因此, 不论高压还是低压环境, 固态继电器适用范围均有局限性。例如, 安全电源开关在关断状态下也存在漏电流, 可能出现潜在的高电压, 即使继电器不传导大电流, 开关端也将会发热, 影响系统工作的可靠性。
(2) 均流、均压
目前, 固态式与混合式两类继电器所使用的电力电子开关单个器件的额定开断电压/电流较低。对于1 000 V/500 A以上的中高压大电流电路, 往往需要采用多个开关器件串并联的方式来提高固态继电器的开断容量。但是, 因器件开关特性的分散性、驱动电路的信号传递延迟所造成时间的不同步等因素, 在各开关器件动态及稳态时电压或电流分配不均匀, 严重时将导致器件或装置的损坏, 故设计合理的静态与动态平衡变得极其重要。
端电压的静态平衡可以通过每个管子并联较大阻值的电阻实现, 但动态平衡不易实现。国内外在负载侧较多采用无源缓冲控制或复位RCD钳位技术, 在门侧采用有源控制技术或有源钳位技术。
(3) 动态过载
两类继电器要充分考虑导通与关断所造成的瞬间过载。对串联IGBT等半导体开关器件而言, 引起过电压的主要原因有两点:一是驱动信号延迟不一致, 延迟时间不同会造成开通过程中在慢开的器件上产生电压尖峰和较高的静态电压, 导致各串联管电压不均衡;二是各串联器件引线分布电感和吸收电路特性不一致。不同IGBT的引线电感不同, 因而会导致不同的开关特性和电压尖峰。关断瞬间的电压上升速率du/dt主要取决于吸收电容, 而电容值的误差较大, 且随工作温度和应用时间变化, 因此每个串联的IGBT的du/dt也会有所不同, 吸收电容小的IGBT两端会产生较高的过电压。
两类继电器除了以上三个相似的技术难点外, 还有各自特有的问题。固态继电器开关器件的通态损耗大, 这个损耗功率主要由固态继电器通态压降与负载电流乘积决定, 以发热的形式消耗掉。IGBT饱和导通电压为1~4 V, 大功率GTO的通态电压也在2 V左右, 当负载电流较大, 如达到200 A时, 器件上的功耗将至少达到400 W。因此, 固态继电器需要添加必要的冷却装置, 这不仅增加费用, 加大了设备的体积, 而且维护也不方便。
混合式继电器采用IGBT等开关器件需要与主触点动态配合, 通态损耗并不严重, 散热不作为主要问题, 但要考虑继电器的控制与检测电路以及时序配合。
针对控制与检测电路以及时序配合问题, 刘向军等[7]设计的42 V/10 A的混合式汽车继电器值得借鉴。图3为改进的时序模型图。作者利用电磁继电器触头和线圈双反馈模型, 在检测线圈状态的同时检测机械触头的动作状态。线圈采样模块 (在线圈上串联采样电阻) 将采集到的线圈电流信号反馈给智能控制模块, 控制模块根据电流信号的变化判断线圈得电时的峰值电流或失电时的低谷电流, 在该时刻高频驱动导通电力电子器件 (t1~t2、t5~t6) 。检测到机械触头状态发生变化, 则控制电力电子器件继续导通一小段时间 (t2~t4、t6~t7) 。该导通时间大于机械触头的弹跳时间, 使系统在机械触头闭合和分断后的短时间范围内电路仍由电力电子器件导通, 以保证继电器动态过程完全无弧切换。
4 国内外现状与研究进展
传统电磁继电器由于价格低, 坚固性、耐用性高及技术成熟等优点, 依然占据主导地位。大功率继电器领域也有美国GIGAVAC公司生产的GX14继电器, 能在750 V/400 A下切换负载600次, 尺寸为57.30 mm×22.25 mm×22.25 mm, G50继电器可切换5 k V/30 A负载1 000次, 尺寸为ϕ90 mm×129mm。但是, 继电器开断功率越大, 触头电弧烧蚀越严重, 继电器寿命越短, 因此, 传统电磁继电器在向大功率发展中必须寻求新思路。
随着电力电子技术和材料科学、制造工艺的不断发展, 全控型的电力电子器件正朝着高电压、大电流、快通断、低损耗和模块化的方向发展, 这为高电压大电流固态继电器与混合式继电器的开发和研制打下了坚实的基础。大功率固态继电器和混合式继电器的设计多采用IGBT作为开关器件, 为防止过电压击穿, IGBT的额定电压/电流要达到实际输出电压/电流的1.5~2倍。
中电集团第四十研究所设计的输出电压/电流为1 000 V/200 A的直流固态继电器, 采用日本三菱公司生产的CH400MA-28H型IGBT模块, 实现1 ms通2 ms断, 输出电压降是2.6VDC, 输出漏电流5 m A, 采用RCD吸收回路作为保护电路[8]。21世纪初, 国外在固态继电器研究领域也获得了新进展, 申请了多项专利[9~11]。
表1列举了国内外十家公司生产的典型直流固态继电器。
注:“----”表示此项参数不详。
从表1可以看出, 松下、欧姆龙、美国tyco、贵州航天及浙江旭瑞五家公司生产的输出电压/电流为200 V/3 A左右的直流固态继电器的通态压降在3 V以下, 最小为0.3 V, 体积约为30 mm×30 mm×15 mm, 国内外产品参数差距不大。
在国内市场上600 V以下固态继电器种类较多, 但在600 V以上的高电压领域, 国内固态继电器产品较少, 英国KUDOM和美国TELEDYNE公司都有输出电压在1 000 V以上的直流固态继电器产品。目前世界上最高电压等级、最小体积的固态继电器是美国TELEDYNE公司生产的SI170DC25型产品, 可快速开断1 400 V/25 A直流负载, 尺寸为44.5 mm×58.2 mm×28 mm。
从表1还能看出, 开断电流比电压对固态继电器体积影响大, 大功率继电器导通压降大, 功耗大。如英国固特公司生产的SDP4060D型产品, 可开断600 V/60 A负载, 通态压降1.5 V, 尺寸为58mm×44 mm×23 mm, 而英国KUDOM公司生产的KSR600D200型产品, 可开断600 V/200 A负载, 通态压降1.6 V, 尺寸达到105 mm×75 mm×30 mm。低电压直流固态继电器多采用MOSFET作为电子开关器件, 其驱动电路简单, 通态压降较小, 尺寸小;高电压直流固态继电器多采用IGBT作为电子开关器件, 其安全工作区较宽, 电压电流容量大, 但输出电容常常大于20 pf, 要求均压技术及加工工艺水平较高。
固态继电器若通断高压大电流负载会产生严重温升, 从而影响继电器性能, 甚至烧毁, 加装散热器又会使体积增大, 因此固态继电器不适合长时间通断大电流负载。从图4所示的厦门宏发电声股份有限公司HFS33/D-100D20M型固态继电器的温度特性曲线可以看出, 不带散热器时, 在40℃以下, 继电器可以开断的最大电流只有7 A, 当环境温度超过40℃, 继电器就要降额工作。加装散热器后, 在40℃以下可达到该型号固态继电器的额定开断容量 (100 V/20 A) 。一般来说, 负载电流小于5 A的固态继电器, 利用空气对流散热即可;负载电流大于10 A的固态继电器应加装散热器;负载电流大于40 A的固态继电器, 根据设计体积大小, 必要时应采用风冷或水冷。
目前无论在低压小电流还是高压大电流领域, 固态继电器都无法完全取代电磁继电器, 除成本高、体积大外, 还存在半导体开关器件管压降大、发热量大、温度特性、抗干扰能力及抗过载能力差等缺点。
陕西群力电工有限责任公司、江西华达电子有限公司、日本松下电工等均申请过直流混合式继电器的相关专利[12~14], 但均未有产品面市。福州大学于2008年采用IGBT模块研制了试验电压/电流为242 V/164 A的混合式接触器样机, 电寿命的操作频率为1 800次/h, 通过了相关电磁兼容试验[15]。混合式继电器综合了传统电磁式和固态继电器的优点, 较好地解决了继电器无弧开断、电寿命、发热等问题, 目前限制其产品化的原因主要是成本高和体积大。
5 结论
(1) 直流固态继电器和混合式继电器具有无弧开断、长寿命、开断速度快、耐冲击、抗干扰能力强、能与TTL、CMOS等逻辑电路兼容等优点。
(2) 与电磁继电器相比, 成本和体积是限制固态继电器和混合式继电器产品化的主要因素。随着电力电子技术的发展, 若能解决耐压、均流、体积等问题, 固态继电器与混合式继电器将是今后继电器发展的一大趋势。
6 致谢
直流继电器 第2篇
7.1直流系统概况
7.1.1我厂两台集控机组均设有独立的110V和220V直流系统。110V和220V直流系统都采用单母线接线方式，均设有三套硅整流充电装置，其中两套分别接于两台机组的直流系统，另一套作备用。
7.1.2110V和220V直流系统各接有一组蓄电池，＃1机组110V直流系统的蓄电池型号规格为:TFM-300,共53只，是一种装有安全阀的气体再化合铅酸蓄电池。＃2机组110V直流系统的蓄电池型号规格为:GF-300,共53只。＃
1、2机组220V直流系统的蓄电池型号规格均为：GF-800,共107只。110V和220V直流系统均不设端电池。
7.1.3110V和220V直流母线上均装设一套ZYJ-1型直流绝缘监察装置,110V直流母线上还装有一套闪光装置。7.2直流系统设备规范
7.2.1110V直流系统硅整流充电装置规范：
7.2.2220V直流系统硅整流充电装置规范：
7.2.3110V、220V直流系统蓄电池规范：
注：除＃1机组110V蓄电池为广西沙湖蓄电池有限公司产品外，其余均为重庆蓄电池总厂产品。
7.3直流系统正常运行方式
7.3.1正常情况下，两台机组的直流系统单独运行，直流母线上的蓄电池和硅整流充电装置并列运行，硅整流装置按浮充方式对蓄电池充电外，还供直流母线上的所有负荷。7.3.26kV、0.4kV工作段，保安段和照明段配电装置的直流电源采用合环供给。
7.3.3公用段配电装置的直流电源正常情况下采用合环运行，亦可开环运行：
a.对于220V直流电源，只有当公用Ⅱ段#2屏的双投开关投向#1机220V直流时才可合环运行，其它位置为开环运行；
b.对于110V直流电源，只有当公用Ⅱ段#4屏的双投开关投向#1机110V直流时才可合环运行，其它位置为开环运行。
7.3.4化水段配电装置的直流电源只能开环运行。7.3.5除尘段、除灰段配电装置直流电源运行方式：
a.除尘Ⅰ段220V直流电源只能由#1机220V直流电源供给；
b.除尘Ⅱ段和除灰段配电装置的220V直流电源正常情况下应合环运行，且只有当除灰段#19屏的开关合上，除尘Ⅱ段#1屏及除灰#1屏的双投开关都投至#2机220V直流时才能实现，其它情况应开环运行；
c.除尘Ⅰ段的110V直流由#1机110V直流供给，除尘Ⅱ段的110V直流电源可由#1,#2机110V直流取得；
d.除灰配电装置通过改变双投开关的位置可从#1,#2机110V直流取得电源。
7.4直流系统的运行操作、监视与检查
7.4.1直流110V、220V硅整流器作浮充运行时的投运操作：
a.应先检查设备内有无异常，如：紧固体有无松动，导线连接部位有无松动，焊接处有无脱焊等；
b.测量主回路绝缘合格；
c.将转换开关FK投向所需位置；
d.将主电路开关投向“稳压”（向下）位置； e.将各调节旋扭旋至最小位置；
f.将切换开关K1切至“稳压”位置；
g.将切换开关K2切至“手动”（或“自动”）位置； h.合上主电路空气开关ZK；
i.按下运行按钮QA，“运行”灯亮；
j.调节手动电压调节电位器（或“电压调节”旋扭，“电压微调”旋钮），使输出达到所需值。7.4.2直流110V、220V硅整流器停运的操作与投运的操作顺序相反。
7.4.3正常运行时，硅整流器对蓄电池进行浮充的电流值按下式计算：浮充电流＝0.001C（C为标称容量的安时数）,浮充电流过大或过小时应及时进行调整。7.4.4220V直流母线电压应保持在225～230伏之间，110V直流母线电压应保持在110～115伏之间。
7.4.5ZYJ-1型直流绝缘监察装置应投入运行,运行中不允许调整已整定好的“绝缘信号整定”电阻的位置。
7.4.6蓄电池在运行中严禁过放电，即蓄电池的单体电压不得降至1.6V以下。7.4.7蓄电池放电以后，必须立即进行补充充电。
7.4.8正常运行时，值班人员每班至少两次对直流系统母线电压绝缘情况，硅整流充电装置，蓄电池进行全面检查。
7.4.9直流系统母线屏检查项目：
a.直流母线电压应在允许范围内，否则应调整硅整流器的输出电流； b.测量直流系统对地绝缘，应无接地现象；
c.检查直流屏上各表计、灯光应正常，试验闪光装置应正常；
d.各开关运行位置与运行方式相符；
e.母线联接处无松动过热现象，盘内开关、开关、熔断器、电缆头接触良好无发热及损坏。7.4.10硅整流充电装置的检查项目：
a.硅整流装置屏上各电压、电流表指示正常；
b.屏上开关位置及各种信号、指示灯与实际运行方式相符； c.各部件联接良好，接头无松动发热现象； d.硅元件、隔离变等设备无过热、冒烟现象； e.柜内元件声音正常，无放电现象。7.4.11蓄电池检查项目：
a.检查蓄电池及其周围环境应清洁干燥，自然通风良好。b.开启通风设备，检查其运行情况；
c.检查有无短路、变形变色、背梁上生盐、漏酸、沉淀物过高、有没有落后电池等（每个蓄电池的电压为2.15～2.20伏）；
d.检查蓄电池液面、密度是否正常（密度为1.210～1.220，25℃）； e.防酸栓是否已拧紧；
f.极栓与连接条之间的螺栓有无松动现象；
g.检查蓄电池壳体是否有破损、漏液现象。7.4.12蓄电池运行的注意事项：
a.不能使用二氧化碳泡沫灭火器扑灭蓄电池火灾，应使用干粉灭火器。b.若溢出的硫酸接触到人体皮肤，应立即用大量的水冲洗。5直流系统异常运行和事故的处理 7.5.1直流母线电压过高或过低 a.现象：
1）预告信号铃声响，发“直流母线故障”光字牌；
2）直流电压表指示偏高或偏低；
3）ZYJ-1型直流绝缘监察装置上的“电压高”或“电压低”按钮灯亮。
b.处理：
1）检查直流屏上的表计指示是否正常，ZYJ-1型直流绝缘监察装置是否正常； 2）检查硅整流充电装置是否正常运行，同时调整其输出；
3）如因硅整流充电装置故障引起，应将其停运，切换至备用硅整流充电装置运行。7.5.2硅整流装置故障 a.现象：
1）面板上的蜂鸣器响，故障灯亮； 2）交流接触器跳闸。
b.处理：
1）如属自动稳压、稳流部分发生故障，可转换至手动调节位置运行；
2）按面板上所发信号处理仍无法恢复运行者，应将其退出运行，投入备用硅整流装置。7.5.3直流系统接地 a.现象：
1）发“直流母线故障”光字牌；
2）ZYJ-1型直流绝缘监察装置的“绝缘低”按钮灯亮。b.处理：
1）检测直流母线正、负极对地绝缘，判断接地极性，查出接地支路； 2）通知继保人员处理。
第八章继电保护及自动装置运行规程 8.1概况
6KV厂用电源快切装置是东大金智电气自动化有限公司生产的MFC2000-2型微机厂用电快速切换装置。发电机自动准同期装置是深圳市智能设备开发有限公司生产的SID-2V型发电机微机准同期装置。发变组、高厂变、启备变、自用变保护均采用国电南京自动化股份有限公司生产的数字式GDGT801A型保护装置。工作变和备用变采用南京自动化设备厂生产的晶体管式保护。
8.2继电保护及自动装置的投入和退出
8.2.1电气设备禁止在无保护及保护装置不完善的条件下投入运行，系统设备的保护定值及运行方式由调度给定，厂用设备的保护定值及运行方式由生技部给定，不得随意更改。8.2.2正常情况下，保护和自动装置必须根据值长和调度命令投入和退出。因故停运的保护装置，经中调或生技部批准可使用备用保护或设置临时保护装置代替。
8.2.3当接到投入和退出某种继电保护及自动装置的命令时，必须重复清楚无疑，记录发令人姓名及保护投退的时间、内容后，方可执行。并及时将执行结果报告命令发布人。8.2.4继电保护和自动装置投运前的检查项目
a.继电器外壳清洁完整，铅封、玻璃完好，线圈不发热，接点无伤痕、不振动，轴承不脱落，罩内无水珠； b.有无掉牌现象；
c.晶体管保护各插件插入良好，无突出、接触不良现象；
d.应注意检查各保护屏信号灯和表计是否正常，继电器有无胶臭味等；
e.保护定值正确无误，保护插板和出口压板的投退情况是否与当时运行方式一致； f.保护装置及自动装置的投、停应与当时运行方式一致；
g.保护屏的电流试验端子接触良好，无开路现象。运行人员切不可将此端子误作保护压板断开，防止电流互感器二次回路开路；
h.各端子接线牢固，无松动现象；
i.各连接线布置整齐，电缆有联络标签，备用芯可靠接地并固定好； j.电流互感器二次回路无开路现象，电压互感器二次回路无短路现象。k.保护室环境温度不大于35（40）℃ 8.2.5投入保护压板应按下列顺序进行： a.核对保护名称。
b.检查试验端子是否紧固接好。
c.检查保护压板无氧化现象。
d.用万用表测量保护压板两端间无电压及两端对地极性正确后，方可投入保护压板。e.保护压板上好后，用万用表测量保护压板应接触良好(对于微机保护装置的保护插板，保护插板插入后应检查插板信号灯亮)。
8.2.6在继电保护回路上工作或继电保护盘上进行打孔等振动较大的工作时，凡对运行有影响者应将有关情况汇报值长及有关负责人，在得到他们同意后方可工作，工作前应采取防止运行中设备误掉闸的措施，必要时应经调度和值长同意将有关保护暂时停用，并作好安全措施。
8.2.7保护的退出：只要将保护压板断开或将保护插板拔出即可。
8.2.8设备停运后如保护回路无工作或没有特殊要求时，不必操作保护压板。8.2.9继电保护装置及自动装置的投、退必须有监护人在场进行监护和核对。
8.3改变继电保护装置工作状态的规定 8.3.1系统设备继电保护装置定值的变更，应根据调度所继电保护整定值通知书或电话命令；厂用设备继电保护装置定值的变更，应根据厂生技部的保护定值更改通知单。经核对无误后由继电保护人员担任执行。改变继电保护定值前，必须将相应保护退出，改变后由改变定值的工作负责人将改变情况详细记入继电保护记录薄内并向运行值班做书面交待。
8.3.2系统设备继电保护装置及自动装置的结线回路改变必须根据调度所有关领导批准的图纸进行；厂用设备继电保护装置及自动装置的结线回路改变必须根据厂有关领导批准的图纸进行。经验收合格后，继保人员将设备异动报告及改动原因、内容和修改后的图纸送交运行分场。
8.3.3上述工作结束后，值班人员会同工作负责人进行全面检查无误后，方可投入已退出的保护。重要改接线必须经验收合格，全面试验方可投运。
8.3.4新安装的继电保护及自动装置在投入运行前，其定值单、图纸、规程应齐备，并使运行人员掌握后方可投入运行。
8.4继电保护装置及自动装置的运行和维护
8.4.1值班员每日接班后，必须查看继电保护记录本，了解继电保护和自动装置变更情况，并及时在继电保护记录本上对新改变部分签名示知。
8.4.2电气值班人员在值班期间必须对继电保护及自动装置进行两次全面检查,检查项目如本规程8.2.4款,每班清扫一次控制盘面和保护屏正面继电器等。
8.4.3值班人员检查时不应操作装置内的开关、按钮等，只能操作引至保护屏上的开关及按钮。
8.4.5值班人员发现保护装置和自动装置有异常时，应立即汇报调度或值长，并按下列规定处理：
a.电流互感器二次回路开路或电压互感器二次回路短路时，应迅速将与互感器连接的保护退出，通知继保人员处理或值班人员自行处理；
b.发“电压回路断线”光字牌时，应退出相关的保护，并进行处理或通知继保人员处理； c.当发现装置异常，有误动作可能（如继电器掉牌、冒烟着火或接点开闭异常，阻抗元件异常等）应立即将该保护退出，通知继保人员处理。
8.4.6直流系统发生接地现象时，应立即通知继保人员进行检查。
8.4.7发生事故时，值班人员应及时检查并准确记录保护装置及自动装置的动作情况： a.哪些开关跳闸，哪些开关自投；
b.出现哪些灯光信号；
c.哪些保护信号继电器掉牌（检查掉牌时必须由两人进行，得到值长同意后方可恢复）； d.保护装置及自动装置动作时间；
e.电压、周波、负荷变化情况及故障原因；
f.如果为保护误动作，则应尽可能保持原状，并通知继保人员处理。
8.4.8在所有设备的同期回路上工作后，应由继保人员对同期装置工作情况进行检查并试验其正确性。
8.4.9所有在差动保护、方向保护、距离保护等的电流、电压回路上工作后，必须检查工作电流、电压向量之后方可正式投入运行。
8.4.10采用晶体管保护的保护屏、箱、柜、金属外壳应可靠接地，金属外皮的控制电缆外皮两端接地，无金属外皮的控制电缆，备用芯在两端应接地。8.4.11运行中的设备不允许同时退出以下主保护： a.发电机差动与发变组大差动
b.发变组大差动与主变、厂高变重瓦斯 c.启备变差动与启备变重瓦斯
8.5发变组和高厂变保护装置
8.5.1发变组和高厂变保护由A、B、C柜组成，A、B柜的配置和功能完全相同并互为冗余。8.5.2发变组和高厂变保护A柜主要由两套微机、保护插板、出口压板、打印机、电源开关等组成。第一套微机有两块CPU即1CPU1和1CPU2，这两块CPU共同运算的保护有：发电机差动、主变差动、发电机逆功率、发电机定子接地、发电机过电压、主变零序、高厂变低压过流、断路器失灵、主变通风、高厂变通风、转子过负荷。第二套微机有两块CPU即2CPU1和2CPU2，这两块CPU共同运算的保护有发变组差动、高厂变差动、程序逆功率、定子匝间、发电机对称过负荷、发电机不对称过负荷、发电机过激磁、主变阻抗、高厂变Ⅰ分支过流、高厂变Ⅱ分支过流、发电机失磁、转子一点接地、转子两点接地、非全相。8.5.3C柜主要由非电量微机保护、分相双跳操作箱、保护压板、出口压板等组成。非电量保护有：主变冷却器全停t1、主变冷却器全停t2（＃2机组已取消）、发电机断水t1、发电机断水t2、主变重瓦斯、高厂变重瓦斯、灭磁开关联跳、紧急停机。
8.5.4A、B、C柜均有两路工作电源，一路交流220V电源由UPS电源配电柜引至发电机电度表屏中间端子，再由中间端子分三路分别引至A、B、C柜经电源小开关供柜内照明、打印机使用。另一路直流110V电源由#2集控室电气电源柜经电源小开关引至保护屏，再经电源小开关向相应部件供电。8.5.5A、B、C柜均有保护插板和出口压板，保护插板在需要退出某个保护或改定值等情况下退出，出口压板在保护装置检修或调试情况下退出。
8.5.6＃1机组C柜的主变冷却器全停t1、主变冷却器全停t2、发电机断水t1、发电机断水t2保护，在改变其保护压板的投、退状态时，须在控制面板上输入9999密码，装置才确认保护的更改。8.5.7转子一点接地保护在转子负极固定叠加直流电压50V。正常情况下，测量转子负极对地电压为50V，正极对地电压等于正负极电压加上负极对地电压。
8.5.8在停机对发电机转子摇绝缘时，须将信号继电器盘后LDK开关拉开；开机前应将LDK开关投入。
8.5.9正常运行时，A、B柜的转子一点接地保护只能投入一套运行。当A柜或B柜保护装置出现异常时，退出故障柜的转子一点接地保护，投入正常柜的转子一点接地保护。（转子一点接地保护投、退小开关在保护屏后）
8.5.10转子两点接地保护正常运行时在退出状态，当转子一点接地保护动作时，经厂级领导批准或经检查核实转子回路确实出现接地时，方能投入转子两点接地保护。
直流继电器 第3篇
摘要：为了避免直流牵引供电系统在电力系统发生振荡时继电保护装置出现误动作，并保证继电保护装置的灵敏性，须对振荡信号和短路故障信号进行严格区分。采用经验模态分解（EMD）方法对振荡信号和短路故障信号的特征量进行提取，可有效区分这两种信号，从而保证继电保护装置有足够的灵敏性，也实现不误动和不拒动的可靠性。
关键词：直流牵引 继电保护 经验模态分解 电力系统振荡
0 引言
近年来，我国城市地铁产业发展迅速，地铁供电系统的安全可靠运行是地铁安全运行的最基本保障，紧密关系着人民的生命财产安全及社会稳定。但是，由于有关直流牵引供电系统的继电保护技术发展时间较短，仍处于初级阶段，相对于比较完善的交流供电系统的继电保护技术来说，直流牵引供电系统的继电保护技术还存在着很多问题。例如，对于直流牵引供电系统经常出现的振荡电流，目前的继电保护技术采取的是“宁误动、不拒动”的方式，这显然不能满足继电保护的基本要求，使直流牵引供电系统的可靠性降低。
振荡是电力系统经常出现的一种现象，系统振荡时电流、电压会发生周期性变化。当电流的变化超过继电保护的整定值时就会引起继电保护装置误动作。要想避免误动作的发生，并保证继电保护装置的灵敏性，须对振荡信号和短路故障信号进行严格区分，构成振荡闭锁装置。振荡闭锁装置须满足4个基本要求：①供电系统发生振荡而没有出现短路故障时，应能可靠地将保护装置闭锁，振荡不停息，闭锁不解除；②在继电保护装置的保护范围内发生故障时，保护装置不被闭锁而能可靠动作；③在振荡过程中发生故障时，保护装置应能不受振荡影响正确动作；④供电系统先发生故障又发生振荡时，保护装置不会误动作。
1 直流牵引供电系统继电保护
1.1 di/dt-ΔI保护
继电保护装置是经常应用于接触网电力系统中的主保护之一，在我国的地铁供电系统直流侧的继电保护中已普遍应用。电流上升率 di/dt保护用于中、远端保护，整定值应确定动作值E、返回值F及动作延时时间Δt；电流增量ΔI保护用于近端保护，整定值应确定电流增量ΔI及动作延时时间Δt。由于地铁车辆起动时电流上升率和电流增量是地铁供电系统正常运行情况下的最大值，所以di/dt-ΔI继电保护装置的动作值按躲过车辆起动时的电流上升率和电流增量设置整定值。继电保护的动作条件有两个：①电流的初始上升率di/dt大于列车起动时的电流上升率di/dt；②电流增量ΔI大于列车起动时的电流增量ΔI。
di/dt-ΔI继电保护的整定值设置的较小，所以灵敏度极高。当直流牵引供电系统中出现振荡现象时，振荡电流的变化所引起的电流增量和上升率超过整定时也会造成保护装置动作。由于振荡电流出现的时间很短，不会对电气设备产生较大影响从而不需要继电保护动作，所以由振荡电流所引起的保护装置动作为误动作，应该避免。
1.2 保护装置产生误动作的原因
di/dt-ΔI继电保护装置容易受到振荡电流的影响而产生误动作的原因，是因为振荡电流的变化所引起的电流增量和上升率与电力系统发生故障时的波形十分相似。某站采集到的牵引直流电网发生振荡时的振荡电流波形如图1所示。
图1 振荡电流波形图
从图1中可以看出，振荡电流从0A升至4000A用了5ms时间，电流上升率为800A/ms，超出了di/dt-ΔI保护装置设定的整定值60A/ms，完全能引起保护装置动作。振荡电流的特点是电流的变化幅度大，即电流上升率高，但振荡电流存在时间短，能迅速恢复到正常值，不会对直流馈线和列车造成影响。而因为保护装置的误动作所造成的损失却是无法估量的，不但影响列车的正常运行、造成人民生命财产损失、影响社会稳定、还会减短电力系统及继电保护的使用寿命，所以必须安装振荡闭锁装置，对这种误动作进行避免。
由上面的分析不难发现，要想避免保护装置误动作，需要为保护装置安装振荡闭锁装置。但根据振荡闭锁装置的基本要求，振荡闭锁装置需要具有区分由短路电流造成的电流上升率和由振荡电流造成的电流上升率的能力，才能既保证继电保护装置的灵敏性，又保证继电保护不发生误动作。基于此，本文提出了利用EMD分解方法来提取直流牵引电网的振荡电流的特征量以便对振荡电流和短路电流进行识别。
2 经验模态分解（EMD）
经验模态分解（Empirical Mode Decomposition，简称为EMD），是由美籍华人黄锷博士率先提出的一种全新的信号处理方法。EMD的原理是根据被分析波形所具有的时间尺度趋势信息来分析信号，而不需要额外设定任何基函数。通过EMD，能自动将信号分解为仅反映信号局部波动的若干阶模态函数（Intrinsic Mode Function，简称IMF）。模态函数不需要用数学表达式来表达，而是根据被分析信号的波形发展趋势进行自我修正，这一优点明显强于需要提前建立基函数才能对信号进行分析的傅里叶变换和小波分解方法。下面简要描述一下EMD对信号的分解原理。
假设某平稳信号x（t）的傅里叶变换表达式为x（t）=αcosφ。这种分解方法对平稳信号是十分有效的。但当信号是不平稳信号时，可以用下式来表示其傅里叶变换：
x（t）=α（t）cosφ （1）
式（1）中振幅值和频率值都随时间变化（即模态函数，IMF），这就是不平稳信号的EMD分析结果表达式，它用IMF反映了所分析信号的特征，即不稳定性。对于一个数字信号来说，也同样可用EMD来分析，当对一个数字信号进行n阶分解后，可得到其n阶分解结果：
x（t）=c（t）+r（t）（2）
即信号被分解为n个模态函数c（t），n=1，2，…n和1个余量r（t），余量r（t）表示了原始信号中的变化趋势或为一个常数（无变化趋势）。
3 信号特征量提取及仿真验证
为了区分由短路电流造成的电流上升率和由振荡电流造成的电流上升率，采用EMD方法对采集到的电流进行分解，通过分解后的结果来提取二者的特征量。为了能将此种方法真正应用于实际的继电保护装置中，要求特征量的提取过程简单可靠，且特征要比较明显。对某直流牵引电网所采集到的，具有代表性的振荡电流波形和短路电流波形以及两种信号采用EMD分解后的波形一起表示在图2中。
图2 振荡电流和短路电流波形及EMD分解结果
比较图2中的波形能够看出，直流牵引电网的振荡电流和短路故障电流的波形模态差异明显，但用计算的方法来区分这两种波形并不容易。当将两种波形经EMD分解后，两种波形的特征则更加突显，基于分解后的波形区别两种波形变得十分容易。总结下来，其特征有两点：①振荡电流波形的IMF分量幅值大且多，而短路电流波形的IMF分量幅值少且小；②经EMD分解后，振荡电流波形的余量曲线斜率呈负数，表明振荡发生后，振荡电流整体减小的趋势；而短路电流的余量曲线斜率为正，表明了短路电流整体上升的趋势。采用将电流信号进行 EMD 分解后的余量斜率作为特征量，则可以准确而容易地识别直流牵引电网中振荡电流信号与短路故障电流信号。
为验证这种方法在各种情况下均能对振荡电流和短路电流进行很好的区分，仍取某地铁供电系统在距离继电保护安装处的1km，2km，3km 处发生短路时的仿真短路电流波形进行分析，经EMD分解后，提取3种波形的余量r（t）进行对比。分解的结果明显显示了各个短路电流的波形整体变大的趋势，在和振荡电流的EMD分解结果进行对比时，并不需要对其电流特征进行数量化。只需要对余量r（t）求斜率就可以进行比较，所以比较过程非常简单方便。其计算结果如表1所示。
表1 电流波形经EMD分解后余量r（t）的斜率计算结果
[电流波形
余量斜率][负荷振荡电流
-0.46][1km短路电流
4.19][2km短路电流
2.45][3km短路电流
1.79]
4 结论
由于直流牵引电网的振荡电流存在整体下降的趋势，导致其波形经过EMD分解后的余量r（t）斜率为负值，而短路电流的EMD分解后余量r（t）斜率为正值。因此可将斜率作为特征量区分振荡电流和短路电流，从而构成振荡闭锁装置。实用中，将振荡闭锁装置的整定值设置为0，当余量r（t）斜率为负值时闭锁di/dt-ΔI保护装置；当余量r（t）斜率为正值时，开放继电保护装置，然后按di/dt-ΔI的整定值判断是否需要继电保护动作，动作完成后，立刻再次闭锁保护装置。
参考文献：
[1]刘文正.城市轨道交通牵引电气化概论[M].北京：北京交通大学出版社，2011（12）：5-9.
[2]杨正理.采用小波变换的周界报警信号辨识[J].光电工程，2013（40）：84-89.
[3]贺家李.电力系统继电保护原理[M].北京：中国电力出版社，2010.
[4]杨正理.基于小波变换的模糊C-均值聚类算法在动态汽车衡中的应用[J].自动化仪表，2013（34）：73-77.
[5]李墨雪.直流牵引供电系统建模及电流变化特征量的保护算法研究[J].北京交通大学，2010（1）：12-34.
[6]杨正理，黄其新.小波变换在行驶车辆检测器中的应用研究[J].公路交通科技，2013（2）：104-108.
[7]陈小川.铁路供电继电保护与自动化[M].北京：中国铁道出版社，2010.8：85-121.
[8]Daubechies.Ten lectures on wavelets.Capital City Press， Montpelier， Vermont1992.129-131.
[9]Stephane mallat， Wenlianghwang. Singularity detection and processing with wavelets. IEEE transactions on information theory，1992（2）：617-643.
作者简介：
刘军（1976-），男，江苏淮阴人，江苏长天智远交通科技有限公司，主要研究方法为机电一体化。
直流继电器 第4篇
直流电源系统是由蓄电池、充电设备、监控装置和控制保护电器等主要元器件有机组合的独立电源系统。在电力系统中,直流电源系统为控制负荷和动力负荷供电,是继电保护、自动装置和断路器等正确动作的基本保证。
近几年来,随着科学技术水平和设备制造能力的提高,阀控铅酸蓄电池、高频开关电源、直流微机监控装置和直流断路器等新技术和新设备的采用,使得直流电源系统的可靠性大大提高。
1 功能和作用
直流系统中各元件的投入和退出,运行方式的改变以及正常运行中各馈线的投切,均应由控制电器实现。蓄电池是一种直流电源,根据文献[2]规定,蓄电池出口回路、充电回路直流侧出口回路、直流馈线回路和试验放电回路等,应装设保护电器。因此,控制保护电器是直流电源系统中不可缺少且应用数量最多的元件。
控制保护电器即是能接通、承载和分断正常条件下的电流,也能在规定的非正常条件下(短路)接通、承载规定时间并分断电流的一种机械开关电器。在直流电源系统中,控制保护电器主要采用刀开关+熔断器或直流断路器实现。
2 基本要求
根据文献[2]规定,控制保护电器的选择应满足以下要求:
a.额定电压应大于或等于回路的最高工作电压。
b.额定电流应大于回路的最大工作电流。
c.断流能力应满足直流系统短路电流的要求。
d.各级保护电器的保护动作电流和动作时间应满足选择性要求且有足够的灵敏系数。
3 选择分析
文献[2]规定,各级保护装置的配置,应根据短路电流计算结果,保证具有可靠性、选择性、灵敏性和速动性。
由于一般熔断器不具备直流电流安秒特性曲线,级差配合有难度;保护特性的分散性大,影响短路电流计算;没有直流电流分断能力并且大电流不能快速熔断等劣势,而直流断路器具有维护方便、操作灵活、稳定性高和选择性好等优势,所以直流断路器成为直流电源系统控制保护电器的最佳选择并得到广泛应用。本文针对直流断路器(GM系列)作选择分析。
3.1 直流系统短路电流分析
直流电源系统的电源点是蓄电池和充电装置,正常运行时充电装置经AC/DC转换供直流负荷和蓄电池浮充电(保证满容量),交流故障(停电)时由蓄电池供直流负荷。直流系统发生短路故障时,根据文献[1]规定,充电装置具有限流特性自动限制其输出电流增加,故直流电源系统短路电流主要由蓄电池提供。
计算公式:
其中:Idk为断路器安装处短路电流(A);n为蓄电池只数;U0为蓄电池开路电压(V);rb为蓄电池内阻(Ω);rl为电池间连接条或导体电阻(Ω);∑rj为蓄电池至断路器安装处连接导体电阻之和(Ω);∑rk为相关断路器触头电阻之和(Ω)。
由式(1)可知,直流电源系统短路电流大小主要决定于系统电压(电池只数)、蓄电池容量(内阻)和短路点至蓄电池间连接电阻。由于直流系统均采用铜质电缆并传输距离较短,其各点短路电流差距不大,为保证控制保护电器间的选择性必须采用电流-时间特性的短路短延时保护。
3.2 直流断路器保护选择性配合
直流断路器应按照本文基本要求进行选择。下面参照2组蓄电池3套充电装置的直流电源系统典型接线重点分析直流断路器选择的保护配合。
3.2.1 馈线的保护配合
a)直馈线单负荷(CB8)按负荷电流选择额定电流,选具有过载长延时保护(L)和短路瞬时保护(I)的两段式直流断路器。
b)直馈线多回路(CB7)按负荷电流选择额定电流,选具有过载长延时保护(L)、短路短延时保护(S)和短路瞬时保护(I)的三段式直流断路器,短延时保护动作时间按10 ms选择。
c)直流分屏馈线(CB6)按负荷电流选择额定电流,选具有过载长延时保护(L)、短路短延时保护(S)和短路瞬时保护(I)的三段式直流断路器,短延时保护动作时间按30 ms选择。
d)试验放电回路(CB5)按蓄电池10 h放电电流1.3倍选择额定电流,选具有过载长延时保护(L)和短路瞬时保护(I)的两段式直流断路器。
3.2.2 蓄电池的保护配合
蓄电池是直流系统短路故障的电源,处于保护配合最前端(负荷定义为后端),(CB1)按蓄电池1 h放电电流选择额定电流,其额定电流是系统中最大值,选具有过载长延时保护(L)、短路短延时保护(S)和短路瞬时保护(I)的三段式直流断路器,短延时保护动作时间按最长60 ms选择。
3.2.3 充电装置的保护配合
根据直流系统接线和充电装置具有限流能力的特点,其仅需和蓄电池回路的直流断路器进行保护配合,(CB3、CB4)按充电装置的额定输出选择额定电流,选具有过载长延时保护(L)和短路瞬时保护(I)的两段式直流断路器。
3.2.4 分段保护配合
直流系统正常蓄电池不允许长期并列,当一组蓄电池退出(如核对性充放电)需要时分段开关合闸工作,其需要同时和馈线(后端)、蓄电池回路(前端)的断路器进行保护配合,按全部直流负荷的60%选择额定电流,选具有过载长延时保护(L)、短路短延时保护(S)和短路瞬时保护(I)的三段式直流断路器,短延时保护动作时间按60 ms选择。
直流系统直流断路器保护配合参考图如图1。
3.2.5 说明
a)直流负荷的统计计算要准确,选择大了在过载时会延长保护动作时间,可能损坏直流断路器或缩短使用寿命,选择小了在正常负荷电流时会误动。
b)根据《直流规程》,为保证保护动作选择性的要求,上下级直流断路器额定电流级差不宜小于4级。
c)正确选用二段式、三段式保护功能的直流断路器可不需要进行直流短路电流计算可以保证保护选择性。
d)按照直流断路器的三段式保护功能分析,为实现直流保护电器的全选择性,采用直流供电方式的最大保护配合只能是四级。
e)只有一端保护配合要求的选用两段式直流断路器,可节省投资。
4 结束语
直流电源系统的可靠性是直流用电设备安全运行的基础。以上是直流设计工作中的一些体会,供大家在今后的工程设计中参考和借鉴,目的是促进直流设计整体水平的不断提高,为用户提供可靠优质的产品。
参考文献
[1]GB/T19826,电力工程直流电源设备通用技术条件及安全要求[M].北京:中国标准出版社,2005.GB/T19826,General Specification and Safety Requirements for DC Power Supply Equipment of Power Projects[M].Beijing:China Standardization Press,2005.
电网直流电源系统继电保护探讨 第5篇
近年来, 由于用户电气设备故障导致主网停运的现象时有发生, 其中有一部份就是由于没有配置可靠、合适的操作电源导致继电保护不能正确出口所致。在近期的一座用户10kV变电站预试中, 发现其蓄电池组直流系统由于长期疏于维护已经完全瘫痪。配电系统操作电源的合理配置已经成为亟待解决的问题。操作电源可以简单地分为直流操作电源和交流操作电源两大类。
继电保护及安全自动装置是保证电力系统安全稳定运行的最基本、最重要、最有效的技术手段, 而继电保护系统能否正常工作在很大程度上依赖于操作电源的可靠性, 所以操作电源的重要性是不言而喻的。电力系统包括发、变、输、配、用电等单元, 电力企业承担着除用电以外所有单元的运行任务, 对各单元运行可靠性要求相当高, 所以操作电源的选用以可靠性为主, 经济性尚在其次;然而, 电力用户尤其是中小型用户对其配电系统的资金投入有限, 他们往往比较重视一次设备的可靠性而忽略了操作电源等二次设备的重要性, 另一方面, 用户电气运行人员技术水平参差不齐, 有的用户甚至没有专门的值班电工, 难以对结构较复杂的操作电源系统进行正确的管理和运行维护。
2 直流操作电源
目前电力系统中常见的直流操作电源系统有以下几种:蓄电池组直流系统、硅整流电容储能直流系统和复式整流直流系统。
2.1 蓄电池组直流系统
蓄电池组直流系统通过接于一次电路的硅整流装置对蓄电池组充电, 蓄电池组在一次交流电源故障甚至完全消失的情况下仍能可靠工作, 所以它是独立的电源系统, 具有很高的供电可靠性。此外, 蓄电池组输出电压平稳, 容量较大, 供电质量好。蓄电池组直流系统的主要缺点是价格昂贵、结构复杂, 早期的蓄电池组运行维护工作量较大, 但随着微机控制的免维护蓄电池组直流系统的出现, 其运行维护工作量大大降低了, 这种直流操作电源系统在整个电力系统中得到了十分广泛的应用, 已经成为电力企业各发电厂和变电所的标准配置。
但是, 很多电力用户尤其是中小型用户对蓄电池组直流系统的认可度不高, 最主要的原因就是价格昂贵, 他们需要的是经济、实惠、可靠的操作电源系统;此外, 虽然免维护蓄电池组的运行维护工作量已经大大降低了, 但对于技术水平普遍有限的用户电气运行人员来讲, 仍需要加强培训才能胜任此项工作。所以, 蓄电池组直流操作电源一般应用在一些大中型用户配电系统中, 很少应用在中小型用户配电系统中。
2.2 硅整流电容储能直流系统和复式整流直流系统
硅整流电容储能直流系统与复式整流直流系统省去了价格昂贵的蓄电池组, 使造价降低, 但结构仍然比较复杂, 并且是非独立的电源系统, 只适用于中、小型变电所中, 应用较少, 近年来新建的配电系统中几乎难觅踪影。
3 交流操作电源
交流操作电源又可分为交流电流操作电源和交流电压操作电源两种。
3.1 交流电流操作电源
所谓交流电流操作电源, 实指利用短路电流流过电流互感器时, 在其二次侧感应出一个很大的电流, 该电流供给断路器过流脱扣线圈作跳闸之用。这类操作电源只能在短路或负荷电流较大时供继电保护作跳闸之用, 不能在系统正常运行时提供断路器的分合闸电源、储能电源及信号电源。图1以GL-15型过流继电器构成的间接动作式去分流跳闸保护为例, 说明这类操作电源的工作原理。
如图1所示, 假设系统发生三相短路, 电流互感器二次侧感应出强大的短路电流, KA1和KA2动作, 通过GL-15型继电器强力过渡转换触点的切换, 继电器常闭触点断开, 常开触点闭合, 接通YA1和YA2过流脱扣线圈回路, 过流脱扣动作, 断路器实现事故跳闸。
这类继电保护操作电源结构简单、动作可靠、投资很小 (电流互感器属于系统已有设备) 、经济性好。但由于其最终依靠断路器过流脱扣线圈动作实现分闸, 过流脱扣线圈的额定动作电流参数对保护能否可靠动作至关重要, 而该脱扣线圈的额定动作电流一般为5A, 也就是说TA二次电流必须达到5A以上保护才能动作, 若继电保护的整定值恰在5A以下, 就会出现继电器动作而脱扣器不动作的情况, 此时保护将形同虚设, 同时这类继电保护的动作时限较难精确整定, 因此, 上下级断路器的动作电流、动作时限配合变得较为困难, 继电保护的选择性及速动性达不到要求限制了它的应用。所以, 这类操作电源一般应用在断路器较少、接线简单的中小型用户配电系统中, 同时, 由于其简单可靠的特点, 在该电业局10kV配电网柱上真空断路器中也广泛采用。
3.2 交流电压操作电源
交流电压操作电源结构简单, 一般从站用变压器或电压互感器二次侧引入电源, 电压互感器的二次电压需经控制变压器变换成断路器操动机构及保护装置的额定电压。这种电源独立性差, 往往依赖于一次系统的运行状态, 可靠性不高, 为提高供电可靠性, 交流电源最好有两个, 可采取站用变压器和电压互感器电源互为备用的方式, 也可引入外接电源作为备用, 两个电源之间通过接触器实现自动切换。下面介绍两类交流电压操作电源。
3.2.1 不带充电储能装置的交流电压操作电源
这类操作电源只适用于系统正常运行或接近正常运行的情况, 不适用于发生短路的事故情况。因为当发生短路时, 整个系统母线电压都将下降, 由电压互感器或站用变压器供给的操作电源电压降低, 继电保护及断路器操作机构将无法正确动作, 保护形同虚设。因此这类操作电源仅能提供正常运行状态下的分合闸电源、储能电源及信号电源, 不能可靠实现事故跳闸。但它恰能弥补交流电流操作电源的缺点, 所以一般在用户10kV及以下的中小容量变电站中, 常常将这两类操作电源结合使用。
3.2.2 带充电储能装置 (UPS) 的交流电压操作电源
近年来, 交流不间断电源 (UPS) 在很多供电可靠性要求很高的场合广泛应用, 如果在前述的交流电压操作电源系统中加入UPS装置。
就能很好地解决供电可靠性的问题。以电压互感器、控制变压器、UPS等构成的交流电压操作电源示意图如图2所示。这类操作电源要求合理选择UPS装置的容量, 目前, 低能耗的弹簧操动机构在10kV配电系统中广泛应用, 对操作电源容量要求较高的电动操动机构已基本淘汰, 所以, 大中容量的UPS装置已能满足正常运行状态下的操作、储能及信号电源要求。在系统发生短路的瞬间, 虽然UPS的输入电压降低, 但由于其具备储能功能, 输出电压在一定时间内尚能保持恒定, 完全能满足继电保护正常工作及跳闸需要, 所以, 它能较好地解决操作电源供电可靠性的问题。另一方面, 从图2可以看出, 增加的投资仅仅是UPS装置的费用, 这种操作电源系统的经济性较好;同时, UPS装置体积小UPS甚至可以安装在高压开关柜内, UPS维护方便, 它具备故障指示灯, 如果损坏, 更换方便, 费用不高。但是, 由于UPS自身容量毕竟有限, 限制了其在大中型配电系统中的应用, 但带UPS的交流电压操作电源在中小型用户配电系统中不失为一个好的选择。
4 结束语
文章通过对几种常见的配电系统继电保护操作电源的技术经济性比较, 分析了它们的优缺点, 并对配电系统操作电源的选用提出了自己的看法。
摘要：文章对几类操作电源从可靠性、经济性、易维护性、适用范围等几方面进行了分析、比较。蓄电池组直流系统已成为电力企业各发电厂和变电所的标准配置, 同时适用于大中型用户配电系统;而带UPS的交流电压操作电源是值得推荐的操作电源, 其在中小型用户配电系统中能得到较好应用。
关键词：直流电源,继电保护
参考文献
直流系统分布电容对继电保护的影响 第6篇
由于电路的分布特点而具有的电容叫分布电容.例如线圈的相邻两匝之间, 两个分立的元件之间, 两根相邻的导线间, 一个元件内部的各部分之间, 都具有一定的电容.它对电路的影响等效于给电路并联上一个电容器, 这个电容值就是分布电容.由于分布电容的数值一般不大, 在低频交流电路中, 分布电容的容抗很大, 对电路的影响不大, 因此在低额交流电路中, 一般可以不考虑分布电容的影响, 但对于高额交流电路, 分布电容的影响就不能忽略不计了。 在直流系统中, 分布电容的存在对经长电缆跳闸的回路和出口继电器误动都有很大影响。
2 电缆的分布电容
电缆足够长以后芯线对屏蔽、芯线对芯线的分布电容都不能忽略, 它们的分布电容大小是由它们在空间的相互距离、极板 (导线表面) 的大小及它们之间的介质决定的。因此, 可以按它们的空间布置假设有如下电容组成, 用C0代表1根芯线对屏蔽的分布电容, 用C1代表两相邻芯线之间的分布电容, 用C2代表两不相邻芯线之间的分布电容。由此, 可以得到4芯和7芯的等效分布电容结构见图1、图2。由于, 4芯电缆相对2芯距离比相邻2芯远, 可用不同的电容C1和C2表示, 7芯电缆都按相邻芯表示, 不相邻芯线之间的分布电容忽略不计。
3 分布电容的影响
3.1 引起保护误动
微机保护及集成型断路器操作箱的广泛应用, 保护的重要输入光耦及操作箱的手跳及三跳继电器等的驱动功率普遍较小, 当变电站或电厂升压站保护室与被控设备距离较远, 控制电缆距离较长时, 经常在系统有扰动时由于长电缆的电容分布效应引起设备误动, 造成电网事故。特别是大型的发电厂, 此现象更加严重。
某500kV变电站线路保护RCS-931DM保护定值修改后, 压板电位测试过程中, 万用表由于长时间开启而自动屏蔽电源, 在其操作重新开机切换档位时, 万用表档位短时切过至“低电阻”档位, 发生开关A相跳闸, 站内监控机显示站内此时无直流接地及其他异常信号发出。
引起保护跳闸的主要因素:
1) 测量压板电位, 短时间造成一点接地。
2) “绝缘监测装置”在测量直流系统绝缘时, 对地电压, 波动太大。
3) 直流系统中, 存在对地电容。
如图4 某保护装置, 外部非电量强电光耦开人, 由于分布电容C-的存在, 在R处发生单点接地时, 可能引起误开入使保护误动。
可见, 传统观点认为直流系统发生一点接地不会引起保护误动是不正确的。由于大的分布电容的存在, 和部分继电器的动作电压、功率的过小都有引起保护误动的可能。
3.2 对接地查找仪器带来误差
便携式接地查找设备, 不管是注入低频交流信号, 还是通过直流系统本身的电源产生交变直流信号, 能否探测出接地点, 其中很关键的一点在于探测器抗分布电容的能力。假如某变电站, 分布电容50uF, 接地电阻30KΩ, 注入信号频率为0.5Hz, 对地容抗只有6.4KΩ, 显然, 是难以区分出接地支路的;而当某支路的分布电容为5 uF时, 其对地容抗为64KΩ, 也很容易误判为多点接地的故障支路。
由于低频信号接收器只能判断有无低频信号, 并不能区分是阻性电流还是容性电流。所以要区别故障电流回路与非故障电流回路就比较困难, 特别是故障电流回路中既含有阻性的接地电流, 又包含有容性的分布电容电流时。发电厂变电站里直流系统接地一般是由绝缘老化或潮湿绝缘降低引起的。这些都是经过渡电阻接地很少有直接金属接地的。
4 降低分布电容的影响
可见, 分布电容是引起保护一点接地时误动和一些测量误差的必要条件。分布电容真实存在, 其大小决定了对保护设备的影响程度。在当前制造工艺下, 电缆的百米分布电容较为固定, 系统的分布电容就取决于电缆的分布和长度。降低分布电容的影响是通过提高保护和测试装置的可靠性和采取抗分布电容的方法。
分布电容引起保护一点接地时误动, 往往是由于保护元件动作电压过低或动作功率较小所致。实验表明出口继电器动作电压大于55%, 小于70%, 动作功率大于5W能有效预防类似事件的发生。为了防止光耦回路的误导通, 所有涉及到失灵及母差直跳、非电量直跳回路的开入可以一律采用双开入的强电中间继电器, 采用出口继电器的相同防范措施, 由中间继电器接点对直跳回路进行开入重动。接地查找仪器往往采用注入极低频率信号的抗抗分布电容方法。例如信号源注入信号频率低至0.125Hz, 抗分布电容高达1200 KΩ/ uF, 大大减少容性电流成份。同时测量支路电流的幅值与相位, 去除容性电流后, 计算支路电阻。
5 结论
分布电容的大小因站而异, 在有条件时应实测本站分布电容值, 建立基础数据, 特别是以前曾经发生过一点接地保护误动的厂站, 应认真分析, 采取必要的防范措施。
摘要：介绍了分布电容的定义、特点, 及其对继电保护影响, 提出改进建议。
直流继电器 第7篇
2011年国务院颁布了《电力安全事故应急处置和调查处理条例》[1] (以下简称《条例》) , 《条例》的颁布在法律责任、事故监管和电网风险等方面对电力企业产生了较大的影响。《条例》颁布后, 电力企业着手开展了安全事故风险分析。在归纳出的诸多变电安全事故风险中, “变电站交流串入直流系统” (简称“交直流混电”) 因其可能造成变电站多元件跳闸、电网破坏力大、负荷损失率高、防范难度大等特点, 被列为重大风险。
近年来, 变电站交流串入直流系统事件时有发生, 这些案例影响重大、后果严重。某330k V变电站, 断路器机构箱进水, 机构箱内温控器烧毁, 温控器上交流回路与直流回路导通, 交流串入直流系统, 导致330k V系统多台开关跳闸, 变电站2台联变全停, 110k V母线失压, 地区电网受到严重影响。某重要电厂, 接线人员在端子箱连接电焊机电源线时, 将交流A相和直流负极接入电焊机电源输入端, 交流串入直流系统, 造成该电厂500k V双回送出线路跳闸。某500k V变电站, 检修人员在主变非电量保护传动过程中, 误将主变冷却器交流电源与直流正极短接, 造成该变电站一台500k V开关跳闸, 测控单元开入误导通, 测控单元个别开入光隔烧毁。
专业人员对变电站交流串入直流系统的机理进行了深入研究, 并制定了一系列防范措施[2,3,4]。国网公司十八项反措规定, 对经长电缆跳闸的回路要采取防止长电缆分布电容影响和防止出口继电器误动的措施。特别是在变电站主变保护、母线保护的直跳回路加装了大功率 (5W) 继电器, 对直跳回路跳闸增设电流判据, 这些措施的实施有效降低了交直流混电对保护开入回路的影响[5]。
变电站交流串入直流系统对断路器操作回路继电器影响程度如何?尚缺乏试验证明。本文在理论分析的基础上设计了简单、直观的试验方案, 对这一问题进行了研究。
1 控制电缆的分布电容及其测试方法
变电站中控制电缆大多采用铠装屏蔽电缆, 其结构从内到外由导体、绝缘层、填充层、隔离层、铜带屏蔽层、引流线、内衬层、钢带铠装层、阻燃外护层等组成 (见图1) 。
参照平行板电容的概念, 控制电缆分布电容C的大小与介质 (介电常数) 有关, 与相对面积S (2πR1L) 成正比, 它们的空间距离d (R2-R1) 成反比 (见图2) 。当控制电缆达到一定长度 (L较大) 的时候, 导体线芯对屏蔽层的分布电容C不可忽略。
在电缆屏蔽层和电缆芯线之间加交流电源, 根据测量到的交流电压 (U) 电流 (I) 计算电缆芯线对屏蔽层的等效电容, 公式为:X总=U/I, C总=1/ (2πf X总) 。笔者对1000m控制电缆 (ZR-KVVP4×4 mm2) 进行了电容量测试, 电缆的芯线对屏蔽层的等效电缆约为:0.28u F, 每100m电缆分布电容约28n F。测试记录见表1。
2 交流串入直流电源系统试验经过及数据分析
2.1 试验接线
在变电站交流串入直流电源系统有3种形式, 形式1为直流电源正极串入交流电, 形式2为直流电源负极串入交流电, 形式3为继电器启动端串入交流电。
为了验证变电站交流串入直流电源系统继电器的影响, 在北京超高压公司变电实训基地进行了试验, 对应3种串入形式分别设计试验接线见图3、4、5。
2.2 试验设备及元件参数
为更好完成本次试验, 依据试验接线图2、3、4选定相关试验设备 (见表2) , 并比照变电站实际运行参数确定了相关试验元件参数 (见表3) 。
2.3 试验数据及分析
(1) 在交流火线 (L) 与直流电源正极之间加空开, 空开闭合后, 交流系统和直流系统混接。直流电源选用DC220V, 交流电源从AC220V开始以10V步长上调。当交流电源调至240V时, 继电器有蜂鸣, 但输出接点不闭合;当交流电源调至270V时, 继电器两端电压为190V, 继电器输出接点闭合。测试数据见表4, 录波图见图6。
(2) 在交流火线 (L) 与直流电源负极之间加空开, 空开闭合后, 交流系统和直流系统混接。直流电源选用DC220V, 交流电源从AC220V开始以10V步长上调。当交流电源调至230V时, 继电器有蜂鸣, 但输出接点不闭合;当交流电源调至270V时, 继电器两端电压为195V, 继电器输出接点闭合。测试数据见表5, 录波图见图7。
(3) 在交流火线 (L) 与直流电源负极之间加空开, 空开闭合后, 交流系统和直流系统混接。直流电源选用DC110V, 交流电源从AC220V开始以10V步长上调。交流电源一直调至280V, 继电器两端电压仅为76V, 继电器输出接点不闭合。测试数据见表6, 录波图见图8。
(4) 在交流火线 (L) 与继电器启动端之间加空开, 空开闭合后, 交流系统和直流系统混接。直流电源选用DC220V时, 交流电源从0开始以10V步长上调, 当交流电源调至80V时, 继电器两端电压高达190V, 继电器输出接点短时闭合。测试数据见表7, 录波图见图9。
(5) 在交流火线 (L) 与继电器启动端之间加空开, 空开闭合后, 交流系统和直流系统混接。直流电源选用DC110V时, 交流电源从0开始以10V步长上调, 当交流电源调至60V时, 继电器两端电压高达105V, 继电器输出接点短时闭合。测试数据见表8, 录波图见图10。
3结论
(1) 试验验证了ZR.KVVP4×4mm2控制电缆每100m的分布电容约28n F;
(2) 试验中模拟的是单根、1000m长度跳闸电缆, 而在变电站实际应用中存在多根跳闸电缆并联的情况, 此时可近似根据并联的跳闸电缆的总长度考虑分布电容值;
(3) 本文中数据均为使用为CZX-12R2型操作继电器箱的测试结果。将被测操作箱更换为CZX-22R2型操作箱 (跳闸继电器参数与CZX-12R2一致) , 试验结果一致;
(4) 试验表明直流负极串入交流电源比直流正极串入交流电源对跳闸继电器的影响略严重;
(5) 试验表明当直流系统正、负极串入交流电源时, 直流DC110V系统较DC220V系统具有更好的抗误动能力;
(6) 在试验设定条件下, 直流电源正、负极中串入AC220V交流电压, 继电器均不动作。也即说明在工频AC220V交流电源从直流系统正、负极串入时, 断路器操作箱跳闸继电器不会误动作。针对变电站直流系统正、负极串入AC220V交流电源的情况下, 无需考虑断路器操作箱跳闸继电器的防误动措施;
(7) 在跳闸继电器启动端串入AC220V交流电压的情况下, 断路器操作箱跳闸继电器必定动作。因此在变电站运行、维护中, 需要针对跳闸继电器启动端做好防误碰措施 (如加装防误碰罩等) , 防止跳闸继电器启动端接地或串入交流电源情况发生。
参考文献
[1]中华人民共和国国务院令.电力安全事故应急处置和调查处理条例.2011-07-07.
[2]唐文秀, 直流回路一点接地和交直流串扰引起保护误动及其对策[J].电力自动化设备, 2007, (09) .
[3]韦恒, 汪军衡, 郭怀东.直流系统交流混入及接地引起保护装置误动分析及解决方案[J].电力科学与工程, 2010, (07) .
[4]冯辰虎, 张志华, 秦俊杰, 刘海东.托电220kV升压站联变断路器误跳事故分析[J].华北电力技术, 2006, (08) .
直流继电器 第8篇
关键词：35kV变电站,继电保护,电力故障,继电保护装置,电力系统
电力系统继电保护装置极易在区域供电的35k V变电站运营的过程中发生, 如果故障不能够进行合理的处置, 就会对区域电力安全稳定带来威胁, 因此, 35k V变电站的继电保护问题需要得到足够的重视。
1 继电保护装置在35k V变电站的作用
1.1 对电力系统的运行状况进行监视
继电保护装置能够起到监视电力系统运行状态的作用, 对发生的供电故障进行及时处理, 切断故障元件最近的断路器, 使故障对整个电力系统的影响降到最低。
继电保护装置的设计安装, 要结合电力安全系统的整体格局, 保证电力系统的整体性, 从而保证对35k V变电站的电力系统的运行情况进行有效的监视。
1.2 对电气设备的工作状况进行有效反馈
继电保护装置可以对电气设备的工作状态进行有效反馈。如果电力设备的运转不正常, 继电保护装置便可以将故障信息传达给值班人员, 通知值班人员及时组织维修工作或故障排除。
2 35k V变电站继电保护存在的问题和解决方案
基层供电公司缺乏继电保护、高压试验等专业人员, 对于35k V变电站的问题, 通常由普通的变电检修人员进行处理。虽然一次设备缺陷处理对于检修人员来说不是问题, 但对于二次保护问题去发经验, 从而导致问题难以得到有效处理, 影响了电网的稳定运行, 如图1。
2.1 直流接地问题和措施
直流接地是常见的电力系统问题之一, 主要原因是蓄电池漏液。导线绝缘因为磨损等情况发生破损。直流电源是电力系统极其重要的组成部分, 主要是为许多重要负荷和继电保护、自动装置等提供供电和照明电源。如果直流系统发生一点接地, 系统还可以正常运行, 因为不会发生电流短路, 但是会留下故障隐患, 仍需及时排除问题。如果直流电源的另一点也发生接地情况, 那么很可能发生直流电源短路问题, 从而切断保护装置的电源开关, 或者熔断直流屏熔断器, 造成保护误动或拒动的情况, 严重的可能会引起较大的电力系统事故。因此, 如果直流系统发生一点接地, 需要及时对故障进行处理, 避免长时间在在这种情况下工作, 防止严重的电力系统故障发生。
在排查直流接地问题时, 第一要对接地支路进行确定, 排查绝缘监测装置中的问题发生点, 然后通过支路确定相关回路和保护装置。具体的处理步骤可以按照如下进行:结合相关数据和经验, 采用拉路寻找或者逐段排除的方法判断直流接地地点, 按照先室外后室内或者先信号后操作部分原则进行。
2.1.1 拉路法
利用拉路法判断接地地点时, 如果把直流系统中的直流接地回路分离出来进行运行, 那么此时直流母线的正负极对地电压出现平衡。所以说直流接地在某个回路中发生的的可能性可以通过让直流接地回路瞬间停电来进行排查。但由于直流系统供电是不间断的, 所以在进行故障排查时, 不能够轻易停电。如果在切断某个回路时, 相关故障消失, 说明在所选回路中存在故障, 进一步排查就可以缩小故障范围, 最终确定支路。
2.1.2 逐段排除法
逐段排除是让直流负荷分段开环运行, 再将回路环路开关和直流母线分段开关断开, 然后应用拉路法进行故障排查。这种方式更容易去顶故障范围。在进行直流回路切断时, 切段时间不能超出3秒。如果接地发生时有人在工作, 那么接地发生在工作设备上的可能性通常较大, 因此需要先对工作设备进行排查, 切断工作设备直流电源, 观察直流接地信号。
2.2 控制回路断线的问题和措施
控制回路断线也是电力系统中常见的问题之一, 主要产生的原因是有断路器分合闸线圈损坏;接线松散;保护操作箱位置的继电器损坏;断路器机构的其他闭锁触点未闭合;闭锁继电器损坏等。
控制回路断线故障发生时, 可以采取的处理措施包括:对操作箱的TWJ或HWJ灯进行检查, 如果控制回路正常时灯亮, 可能是TWJ或HWJ继电器提供的信号触点有问题, 或者分合闸回路接线发生松动, 亦或是信号回路故障;对控制电源的运行情况进行检测。用欧姆表对分合闸线圈进行测量时, 如果电阻的测量值在30~200Ω的范围内, 说明分合闸回路线圈没有问题, 如果分合闸线圈的阻值明显错误, 那么说明线圈有问题, 需要进行替换。如果线圈在排查之后发现是没有问题的, 而控制电源空开跳闸, 说明在分合闸回路上发生了短路, 需要进行绝缘检查。
2.3 保护装置异常的问题和措施
由于元件损坏、老化, 保护装置也会出现异常。对于这种问题, 工作人员需要排查出具体的损坏插件, 而不需要排查出具体元件, 因为故障元件的排查难度很高, 要求工作人员有很高的技术水平, 而且硬件结构复杂, 修复难度大, 现场处理需要花费大量的时间。
元件损坏主要是由于以下原因引起的:
(1) 设计方面:在进行回路参数设计或者保护装置的软件设计时, 有严重的程序BUG, 或者设计缺陷。对于这种情况, 需要与厂家沟通进行系统漏洞修补和升级。
(2) 电源方面:由于电源的超期运行或者电源的质量不过关, 导致电源发生损坏。
(3) 电磁干扰方面:以往的继电保护装置, 对于电磁的抗干扰能力很差, 电磁的兼容性差, 因此元件更容易损坏。
(4) 元器件质量方面:元器件质量主要包括液晶显示失效、A/D转换故障、KCT损坏以及老化严重等问题。对于由于运行时间长, 导致保护异常的保护装置, 可以通过更换CPU插件或者电源插件等方法解决。
3 结语
35k V是电网系统中重要的基础组成部分, 必须给予高度的重视。继电保护装置的应用是确保35k V变电站安全稳定工作的重要保障, 需要加强继电保护装置的管理和监测, 减少故障的发生, 保护变电站工作的正常运行, 促进电力系统的不断发展。
参考文献
[1]韦志勇.关于35k V变电站的自动化继电保护对策探究[J].大科技, 2013 (16) :81-82.
[2]周敏.浅谈35k V变电站自动化的继电保护对策[J].中国高新技术企业, 2012 (10) .
电动汽车充电器直流滤波器的设计 第9篇
关键词：电动汽车,动力蓄电池组,充电,DC/DC滤波器
0 引 言
动力蓄电池组(以下简称电池组)是动力汽车的动力源,本身对充电电流极其敏感。研究发现,电池在充电过程中对电池寿命影响最大,放电过程影响最小[1],若蓄电池充放电适当,可以工作相当长的时间。而现在因充放电控制不合理而损坏的电池占相当大的比例。换而言之,绝大多数的蓄电池不是用坏的,而是“充坏”的[2]。因此降低动力汽车充电器输出电流的纹波,对提高电池的实际使用寿命,是非常重要的。
目前动力汽车充电器主要是相控方式和PWM方式的整流器[3]。其结构如图1所示。动力蓄电池组是等容性的特殊负载,其内阻极小,本身具有反电动势。即使充电器输出电压纹波较小,充电电流也会有较大的纹波。假设充电器输出的电压为Uo,电池组反电动势为Eo,内阻为ro(ro≪1Ω),则电池组的充电电流Io=(Uo-Eo)/ro。因此即使整流器输出电压纹波合格,电流也可能存在较大的纹波,因而必须在直流侧设置滤波器,以减少充电电流的谐波含量,延长电池组的使用寿命。
针对以上问题,论文基于电流纹波抑制,快速响应性的提高以及滤波器匹配型设计三个方面对动力汽车充电器滤波器的设计展开讨论,并通过方针和试验验证了方案的合理性和可行性。
1 低纹波滤波器的设计
1.1 滤波器的算法
电池组充电首要问题是减小充电电流的纹波。但是电池组的反电势和小内阻为滤波器设计带来了困难。此外,因为整流器输出的电压纹波和电流纹波都是6次及以上高次谐波[4],通带(直流)和阻带(6次谐波)间隔较近,要尽量提高过渡带衰减的增长速度,以达到合适的滤波效果。根据低通滤波器不同的衰减特性,形成的滤波器主要有以下几种[5]:最平响应滤波器,切比雪夫滤波器,考尔参数滤波器和一般参数滤波器。
巴特沃斯滤波器在通带内有较为平坦的滤波特性,阻带内的衰减随频率单调增大;切比雪夫滤波器在通带内呈现等起伏特性,而阻带内的衰减具有更快的增长速率;考尔参数滤波器在通带和阻带内衰减都呈现等起伏特性;一般参数滤波器在通带内作等起伏变化,在阻带内可以按照设定的规律变化。切比雪夫滤波器在通带内有等起伏特性且阻带内的衰减有较高的增长速率,并且较易于实现,其衰减特性,十分符合动力蓄电池组测试系统直流侧滤波器设计的需要。因此,论文设计了基于切比雪夫滤波器的直流滤波器。
按照传统理论,切比雪夫滤波器的阶数n应该满足公式(1)
其多项式的一般形式为
1.2 滤波器匹配特性的讨论
设计滤波器必须考虑其匹配特性。当假定滤波器两端所接阻抗相等时,称之为匹配的;如假定不相等,称之为非匹配的。通常讨论的滤波器设计都是基于匹配型滤波器的设计。但是对于动力汽车充电用的直流滤波器来说,其一侧接的是电网,另一侧为蓄电池组。因为电动汽车用电池组是由多节电池串并联组成,而电池组的内阻不是一个固定的数值。不同材质的电池内阻不同[5],一般来说,铅酸电池的内阻要大于锂离子电池和金属氢化物(MH-Ni)电池。(MH-Ni电池内阻为0.23mΩ左右),超级电容器更小;而同一材质的电池,容量越大,内阻越小;同一节电池,内阻会随着使用的次数的增加略呈增大的趋势。
因为我国配电网的特殊性,系统阻抗远大于电池组的阻抗,所以动力汽车充电器的直流滤波器要按照非匹配型设计[6]。如果滤波器为非匹配型(即滤波器两端系统等校内组不相等),会为滤波器的传输特性在匹配型上增加平坦衰减[7];如果非匹配型的滤波器按照匹配型的设计,会大大影响其滤波效果[7]。
因为匹配型和非匹配型滤波器只是参数不同而拓扑结构完全相同,所以二者拓扑结构统一如图2所示。
参照文献[6],论文选取滤波器的阶数为5阶。因为切比雪夫滤波器的衰减特性为通带内有小量起伏,设计滤波器时将通带内衰减设大,可以在某种程度上抑制低于6次的谐波[9]。按照切比雪夫多项式,当Ap=8,ω=200π,内阻为0.2 Ω设计匹配型和非匹配型切比雪夫滤波器参数分别如表1和表2所示。
1.3 匹配型滤波器和非匹配型滤波器仿真比较
因为相控方式的整流器输出谐波含量远大于PWM方式,因此论文仅选取相控方式的整流器进行比较分析。根据图1所示的结构分别搭建充电系统,将匹配型滤波器和非匹配型滤波器,分别接入系统进行滤波,整流桥滤波前、经匹配型滤波器滤波和非匹配型滤波器滤波的电流波形如图3(1)～3(3)所示。仿真系统参数如下:三相峰值电压50V,电池组内阻0.2Ω,反电动势38V,触发角α=40°,滤波器参数参考表1,表2。
由仿真结果可以看出,非匹配型滤波器考虑了负载的大小差异,因此滤波效果要优于匹配型滤波器的滤波效果。但是其响应速度仍然比较慢,因此应采取措施提高系统的响应速度。
2 提高滤波器响应特性方法
针对论文设计的切比雪夫滤波器,目前有三种方法可以用来提高滤波器的响应速度,因为对他们没有统一的称呼, 论文在此简称为谐振法、阻尼控制法和极点分析法,将他们的原理应用于论文设计的滤波器,并比较如下。
2.1 谐振法
谐振法改进的滤波器是通过在滤波器并臂(即并联电容的臂)串入电阻,让该臂的并联谐振频率等于需要滤除的谐波,因为对滤波器的传输特性影响较大,所以电阻应串入滤波电流相应较小的臂[10]。由仿真可知,流过电容C2的电流远小于C1的电流(限于篇幅本文不给出波形),因此电阻应与C2串联。根据谐振法的原理,其拓扑结构如图4所示。
修正后的滤波器参数为L1=0.0012H, L2=0.0015H,L3=0.0012H, C1=C2=5900μF,R=0.28Ω。
2.2 阻尼控制法
阻尼控制法[11]的原理是将多阶滤波器分解成若干简单Γ型滤波器级联的形式,然后通过分别控制他们相应的阻尼比达到提高响应速度的目的。修正后的滤波器结构如图5所示。
滤波器被分为两级, L1,R1和C1组成的初级和L2,C2组成的次级谐振电路, F0是整流器输出谐波频率,两级电路的截止频率分别为 F1, F2。根据阻尼控制原理,针对公式
为了限制F2的谐振峰值,应,20lgpP2<0, L2/L1<1,通常L2/L1=0.25H～0.6H,C2/C1应该尽量小,通常C2/C1=0.05～0.1 ,修正后的滤波器参数为L1=0.0012H, L2=0.0006H,L3=0.0012H, C1= 5900μF, C2=3000μF,Rd=1Ω。
2.3 极点分析法
极点分析法[12]修正后滤波器结构同图5,根据文献[7],修正前的切比雪夫滤波器的极点分布于一椭圆上。并臂加入电阻后,滤波器的极点位置发生了变化,但是为了尽量维持滤波器的传输特性,新的极点应尽可能接近原来的位置。5阶滤波器在C1处串联电阻Rd后系统的转移导纳YT(s)为
(L1+L2+L3)S+R)]×rC1S
提高系统的响应速度即提高YT(s)的曲线的响应速度。
修正后的滤波器参数为L1=0.0012H, L2=0.0015H,L3=0.0012H, C1=C2=5900μF, Rd=0.6Ω。
2.4 仿真验证
基于MATLAB搭建图1所示的三组电池组充电系统,分别取三种方法修正滤波器的结构和参数。选取控制角α=40°,此时对应整流桥输出电压谐波较严重的情况(输出电压谐波含量达到60%)。相控整流桥输出电流经滤波后波形如图7(a)～7(c)所示。当滤波器都进入稳态后,取0.4s～0.42s的电流进行FFT分析,则图7中(a),(b),(c)对应的谐波含量分别为0.2%,2%和0.4%。从响应速度分析,7(a)、7(b)、7(c)对应的响应时间分别是0.12s,0.04s,0.06s.
由仿真结果可以看出,阻尼控制法能够迅速提高滤波器的响应速度(响应时间为其它方法的一半),但是因为对元件参数修正过多,因此滤波效果明显受到影响,因此输出电流纹波过大,因而这种方法适合对响应速度严格要求而对输出电压或电流纹波要求较宽松的场合(如不具备反电动势的负载等)。而谐振法和极点分析法的滤波效果明显要好的多。如果改变控制角α,则谐振法在充电电流较大(即α较小时),与极点分析法相比,系统具有较长的响应时间(限于篇幅,文中未给出比较波形),因此,使用极点分析法修正切比雪夫滤波器,应用于电动汽车充电器的滤波器设计,具有较佳的综合输出特性。
2.5 实验验证
论文如图1所示,在实验室环境下建立了简单的电池充电系统。电源电压经9kW调压器降压后由相控整流桥转换为直流,经滤波器滤波后给三节串联的电池充电。每节电池端电压为12V,内阻约为0.2Ω。调压器输出电压为55V. 当α=40°时充电电流如图7所示。
实验验证了仿真的结论。阻尼控制法暂态响应时间最短,但是稳态滤波效果可调范围较窄;而极点分析法虽然响应速度略慢,但是有较宽的输出可调范围。因此更适用于电池这样内阻小,具有反电动势的等容性负载。
3 结论
论文针对动力蓄电池组对充电器的特殊要求和电池组自身的特殊性,讨论了电动汽车充电器直流滤波器的设计方法。通过对滤波器匹配型和传输特性的比较,确定了减少电流纹波的非匹配型切比雪夫滤波器的算法; 通过对谐振法、阻尼控制法和极点分析法的综合比较,确定了提高快速响应的修正方法。并通过仿真和实验验证了方案的合理性和可行性。
参考文献
[1]胡明辉,秦大同,舒红.混合动力汽车蓄电池的快速充电方法[J].重庆大学报(自然科学版).2004,27(11):1-3.
[2]王丙元,高精度大功率稳流电源系统的研究[D].天津大学,2002,5.
[3]李俄收,吴文民.电动汽车蓄电池充电对电力系统的影响及对策[J].华东电力,2010(1):109-113.
[4]王兆安,杨君,刘进军,等,谐波抑制和无功功率补偿[M].北京:机械工业出版社,2004.
[5]徐曼珍.新型蓄电池原理与应用[M].北京,人民邮电出版社,2005.
[6]张丽霞,李和明,等.切比雪夫滤波器在动力蓄电池组检测中的应用[J].电工技术学报,2008,23(3):137-142.
[7]黄席椿,高顺泉.滤波器综合法设计原理[M].北京:人民邮电出版社1978.
[8]Kang Wei, Wang ping,et al.Research on the Matched DC Filter Design in the Power Accumulator Battery Testing System[C].ICECE2010,Wuhan,China.
[9]Zhang Lixia,Yan Xiangwu,et al.Design and Simulation of Fast-Response Filter Based on Locomotive Battery Testing System[C].EPE-PEMC 2006,Portoroz,Slovenia.
[10]Yan Xiang-wu,Zhang Li-xia,et al.LC Filter Parameter Design for the Bidirectional Converter[C],SPEEDAM2006,Taormina(Sicily)-ITALY,2006:23-26.
[11]陈道炼,胡育文.低损耗可控阻尼两级LC输入滤波器设计与仿真[J].电工技术学报.2001,2:43-47.