CN104065044B - 一种高压串联阀过流保护装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高压串联阀过流保护装置，包括阀组控制单元、过流检测单元和柔性罗氏线圈，所述过流检测单元安装于一次高压串联阀侧，柔性罗氏线圈安装于高压串联阀上，过流检测单元检测流过高压串联阀的电流情况，并将光脉冲回报给阀组控制单元；所述阀组控制单元根据回报的光脉冲改变触发脉冲，控制高压串联阀开通与关断。此种过流保护装置简单、可靠，保护电路成本低，并易于在类似应用场合中推广。本发明还公开一种高压串联阀过流保护方法。

Description

一种高压串联阀过流保护装置及方法

技术领域

本发明属于电力电子应用领域，特别涉及一种高压串联阀过流保护装置及方法。

背景技术

由于单个电力电子元件耐压有限，在某些高压应用场合需要进行电力电子元件的串联使用。通常串联阀过流保护方法有采用霍尔采样高压阀电流与电流互感器采样阀电流。

霍尔传感器需要提供直流工作电压，因此通常应用在电压等级较低的场合。在电力***STACOM或HVDC Flexible这些应用场合中，高压阀电压通常高于20kV，隔离要求非常高，因此霍尔采样高压阀电流这种方法的适用性较低。

电流互感器广泛应用于高压输电等电力***应用场合，成为实现高压输电***中测量及保护的重要设备，一般分为电磁式电流互感器与电子式电流互感器。

电磁式电流互感器基于电磁感应原理，存在电磁饱和问题。同时为了实现过流保护，需要设计复杂的高压取能电路，通常设计为一次线路感应取能与激光供能相配合的方式。激光供能主要是能采用激光或其它光源从低压侧通过光纤将光能量传送到高电位侧，再由光电转换器件（光电池）将光能量转换为电能量，经过DC/DC变换后提供稳定的电源输出。光电池的转换效率较低，能提供的能量有限，检测及回报电路元件都需要选取成本较高的低功耗元器件。

电子式电流互感器基于新型的光电子技术和光纤传输技术，目前分为无源式电子式电流互感器与有源式电子式互感器。无源式电子式互感器是一种全光式电子式互感器，其稳定性还没有解决，技术并不成熟；有源式电子式互感器也存在高压供能的问题。

针对高压场合全控型器件串联使用的高压阀，目前没有简单可靠、成本较低的过流保护方法。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种高压串联阀过流保护装置及方法，其简单、可靠，保护电路成本低，并易于在类似应用场合中推广。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种高压串联阀过流保护装置，包括阀组控制单元、过流检测单元和柔性罗氏线圈，所述过流检测单元安装于一次高压串联阀侧，柔性罗氏线圈安装于高压串联阀上，过流检测单元检测流过高压串联阀的电流情况，并将光脉冲回报给阀组控制单元；所述阀组控制单元根据回报的光脉冲改变触发脉冲，控制高压串联阀开通与关断。

上述高压串联阀包括一个全控型电力电子组件或至少两个全控型电力电子组件的串联，当只包括一个全控型电力电子组件时，其集电极作为高压串联阀的正端，发射极作为高压串联阀的负端；若由至少两个全控型电力电子组件串联而成，则各组件的发射极连接其后一个组件的集电极，并将第一个组件的集电极作为高压串联阀的正端，将最后一个组件的发射极作为高压串联阀的负端。

上述柔性罗氏线圈由细导线均匀绕制在柔软的绝缘体上而制成，且该绝缘体中心有一条回线。

上述柔性罗氏线圈环绕安装在高压串联阀上，将高压串联阀由正端到负端穿过柔性罗氏线圈构成的封闭环；所述柔性罗氏线圈有正负两个输出端，正输出端连接过流检测单元正端，负输出端连接过流检测单元负端。

上述过流检测单元包括一个二极管、一个发光二极管、两个稳压二极管、两个电阻和一个三极管，第二二极管的正端连接第一稳压二极管的负端，并共同作为过流检测单元的正端；所述第二二极管的负端连接第一发光二极管的正端，而第一发光二极管的负端连接第一三极管的集电极，所述第一三极管的基极经由第一电阻连接第二二极管的负端，所述第一三极管的基极还经由第二电阻连接第一三极管的发射极，所述第一三极管的发射极连接第二稳压二极管的负端，并共同作为过流检测单元的负端；所述第一、二稳压二极管的正端相连接。

上述过流检测单元包括一个二极管、一个发光二极管、两个稳压二极管、两个电阻和一个MOSFET，第四二极管的正端连接第三稳压二极管的负端，并共同作为过流检测单元的正端，所述第四二极管的负端连接第三发光二极管的正端，而第三发光二极管的负端连接MOSFET的漏极，所述MOSFET的栅极经由第三电阻连接第四二极管的负端，所述MOSFET的栅极还经由第四电阻连接MOSFET的源极，所述MOSFET的源极连接第四稳压二极管的负端，并共同作为过流检测单元的负端；所述第三、四稳压二极管的正端相连接。

上述过流检测单元包括三个电阻、一个电容、一个发光二极管、两个稳压二极管和一个三极管，第五电阻的一端作为过流检测单元的正端，第五电阻的另一端分别连接电容的一端、第五稳压二极管的负端、第六电阻的一端和第五发光二极管的正端；所述第五稳压二极管的正端连接第六稳压二极管的正端，第五发光二极管的负端连接第二三极管的集电极，第二三极管的基极连接第六电阻的另一端，所述第二三极管的基极还经由第七电阻连接第二三极管的发射极；所述第二三极管的发射极、第六稳压二极管的负端与电容的另一端共同连接，并作为过流检测单元的负端。

一种高压串联阀过流保护方法，包括如下步骤：

（1）所述阀组控制单元接收上级控制单元的控制脉冲，转化为高压串联阀的触发脉冲；

（2）高压串联阀工作时，过流检测单元向阀组控制单元回报光脉冲；

（3）判断阀组控制单元是否能收到回报光脉冲，若不能收到，判定过流保护装置故障，若能够收到，转步骤（4）；

（4）阀组控制单元根据光脉冲宽度判断是否发生阀组过流，如果发生过流，则阀组控制单元立即封锁触发脉冲。

上述步骤（4）中，如果光脉冲宽度为5～10uS，则阀组控制单元判断发生阀组过流。

采用上述方案后，本发明是一种简单、可靠、成本较低的高压串联阀过流保护方案，当高压串联阀发生过流故障时，能够快速检测出故障并通过光纤回报给阀组控制单元，阀组控制单元迅速响应回报信号，最快10uS封锁触发脉冲，保护高压串联阀；本发明中的过流检测单元无需额外供能设备，安装维修方便；控制侧与一次光纤隔离，尤其适合于高压应用领域，易于在全控型电力电子元件构成的高压阀中应用，方法简单可靠、无需额外绝缘设备、易于集成化，适用范围广。

附图说明

图1是本发明装置的结构示意图；

图2是本发明装置中高压串联阀的结构示意图；

图3是本发明装置中柔性罗氏线圈的结构示意图；

图4是本发明中过流检测单元第一种实施电路图；

图5是本发明中过流检测单元第二种实施电路图；

图6是本发明中过流检测单元第三种实施电路图；

图7是本发明中正常工作时关键信号波形图；

图8是本发明中阀短路时采用过流保护方法后关键信号波形图；

图9是图6所示电路阀短路时采用过流保护方法后关键信号波形图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，本发明提供一种高压串联阀过流保护装置，包括阀组控制单元2、过流检测单元5和柔性罗氏线圈6，所述过流检测单元5安装于一次高压串联阀侧，柔性罗氏线圈6安装于高压串联阀上，过流检测单元5检测流过高压串联阀的电流情况，并将IP光脉冲通过光纤4回报给阀组控制单元2；上级控制单元将控制脉冲CP通过光纤或电通路1发送给阀组控制单元2，阀组控制单元2收到这个脉冲后并根据回报的光脉冲产生触发脉冲FP，FP通过光纤或电通路3控制高压串联阀开通与关断，从而保护高压串联阀。

如图2所示，是本发明中高压串联阀的结构示意图，所述高压串联阀由全控型电力电子组件串联组成，图2中只示出了四个IGBT组件串联构成的高压串联阀的结构，当然根据工作电压需要可以有更多数目的IGBT组件串联，具体的连接方式是：第一IGBT组件的集电极作为高压串联阀的正端，而该第一IGBT组件的发射极与第二IGBT组件的集电极连接，第二IGBT组件的发射极与第三IGBT组件的集电极连接，第三IGBT组件的发射极与第四IGBT组件的集电极连接，而第四IGBT组件的发射极作为高压串联阀的负端，如果有更多数目的IGBT组件串联，也是将前一个IGBT组件的发射极连接后一个IGBT组件的集电极，首尾的两个IGBT组件分别作为高压串联阀的正端和负端。

图3所示是本发明中柔性罗氏线圈的结构示意图，其由细导线均匀绕制在柔软的绝缘体上，绝缘体中心有一条回线；所述柔性罗氏线圈的一段可分开，从而方便在高压串联阀上安装和维修；所述柔性罗氏线圈环绕安装在高压串联阀上，将高压串联阀由正端到负端穿过柔性罗氏线圈构成的封闭环；所述柔性罗氏线圈有正负两个输出端，正输出端连接过流检测单元正端，负输出端连接过流检测单元负端，通过两端电压的变化反映流过高压串联阀的电流变化。

柔性罗氏线圈的输出电压与流过高压串联阀的电流有关，如果柔性罗氏线圈的互感为M，则柔性罗氏线圈输出电压与流过高压串联阀的电流有如下关系：

$V_d=-M\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{ce}}}{\mathrm{dt}}---\left(1\right)$

其中，V_d为柔性罗氏线圈输出感应电压，i_ce为流过高压串联阀的电流，t为时间。依据这个等式可以通过测量柔性罗氏线圈输出感应电压的值来确定流过高压串联阀的变化率。

图4所示是本发明中过流检测单元的第一种实施电路图，所述过流检测单元有正负两端，所述二极管D2的正端连接稳压二极管Z1的负端，并共同作为过流检测单元的正端，所述D2的负端连接发光二极管D1的正端，而D1的负端连接三极管T1的集电极，所述三极管T1的基极经由电阻R1连接D2的负端，所述T1的基极还经由电阻R2连接T1的发射极，所述T1的发射极连接稳压二极管Z2的负端，并共同作为过流检测单元的负端；所述Z2的正端与Z1的正端相连接。所述稳压二极管Z1与Z2共同保护过流检测单元中的元器件不至于高压损坏，而电阻R1和R2串联用于设定三极管T1的开通门槛。

发光二极管D1发光时通过光纤向阀组控制单元回报信号，稳压二极管Z1和Z2串联后并联在柔性罗氏线圈的输出端，也即过流检测单元的输入端，负责保护限制柔性罗氏线圈输出电压不至于过高；二极管D2负责将柔性罗氏线圈的输出电压整流，柔性罗氏线圈输出电压为负时，过流检测单元不回报光脉冲；电阻R1和R2串联，二者的公共连接点与三极管T1的基极相连，当T1的基极电压达到0.7V时，T1开通，D1开始发光，阀组控制单元收到回报光脉冲，由此结合式（1）可以设置流过高压串联阀的电流上升率门槛：

$V_d=-M\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{ce}}}{\mathrm{dt}}=0.7\×\frac{R_2+R_1}{R_2}---\left(2\right)$

例如，需要将高压串联阀电流上升门槛设置在100A/μS，M为0.1μH，R2为7kΩ，可以得出R1为93kΩ。

具有电路基础的技术人员不难看出，图4所示电路中的三极管可以使用MOSFET（金属氧化层场效应晶体管）替代，于是可以得到图5所述的过流检测单元第二种实施电路图，所述二极管D4的正端连接稳压二极管Z3的负端，并共同作为过流检测单元的正端，所述D4的负端连接发光二极管D3的正端，而D3的负端连接MOSFET M1的漏极，所述M1的栅极经由电阻R3连接D4的负端，所述M1的栅极还经由电阻R4连接M1的源极，所述M1的源极连接稳压二极管Z4的负端，并共同作为过流检测单元的负端；所述Z4的正端与Z3的正端相连接。

图6所示是本发明中过流检测单元的第三种实施电路图，其中，电阻R5的一端作为过流检测单元的正端，与柔性罗氏线圈的输出端连接，R5的另一端分别连接电容C2的一端、稳压二极管Z5的负端、电阻R6的一端和发光二极管D5的正端；所述稳压二极管Z5的正端连接稳压二极管Z6的正端，D5的负端连接三极管T2的集电极，T2的基极连接R6的另一端，所述T2的基极还经由电阻R7连接T2的发射极；所述T2的发射极、Z6的负端与C2的另一端共同连接，并作为过流检测单元的负端。所述电阻R5和电容C2构成积分电路，C2两端电压变化趋势与流过高压串联阀的电流变化趋势一致；电阻R6、R7串联设定电容C2两端电压达到一个电压定值时三极管T2开通。

本发明还提供一种高压串联阀过流保护方法，包括如下步骤：

（1）所述阀组控制单元接收上级控制单元的控制脉冲，转化为高压串联阀的触发脉冲；

（2）高压串联阀工作时，过流检测单元向阀组控制单元回报光脉冲；

（3）判断阀组控制单元是否能收到回报光脉冲，若不能收到，判定过流保护装置故障，若能够收到，转步骤（4）；

（4）阀组控制单元根据光脉冲宽度判断是否发生阀组过流，如果光脉冲宽度为5～10uS时，判断发生过流，则阀组控制单元立即封锁触发脉冲。

如图7所示，为正常工作时关键信号波形，CP为上级控制单元向阀组控制单元发送的控制脉冲，FP为阀组控制单元控制图2中IGBT组件驱动单元的触发光脉冲。Ice为流过高压串联阀的电流，Vge为驱动单元向IGBT组件发送的电脉冲。Vd为柔性罗氏线圈输出电压，IP为过流检测单元向阀组控制单元回报的光脉冲。由关键信号可知，t0时刻控制FP变高，Vge此时还为-10V，t1时刻Vge开始上升，t2时刻Ice开始上升，IGBT串联阀开通，t3时刻阀组电流上升至峰值Ice1，t4时刻反向恢复结束，阀组电流下降至Ice2，t5时刻CP变为低，上级控制单元关断高压串联阀，t6时刻阀组电流上升至最高值Ice3，Vge电压开始下降，t7时刻阀组电流降至零。不难得出：

$V_1=M\frac{i_{\mathrm{ce}1}}{t_3-t_2}---\left(3\right)$

$V_3=M\frac{i_{\mathrm{ce}2}-i_{\mathrm{ce}1}}{t_4-t_3}---\left(4\right)$

$V_2=M\frac{i_{\mathrm{ce}3}-i_{\mathrm{ce}2}}{t_6-t_4}---\left(5\right)$

高压大功率IGBT组件开通较缓，但开通时间小于5uS，因此t₃-t₂=Δt₁小于5uS，高压串联阀正常开通时流过的电流上升率变化如下：t2到t3上升较快，t4到t6阶段上升较慢，因此V1电压值较高，V2电压较低。发生短路时，流过高压串联阀电流快速上升，于是设定门槛电压V2<Vd<V1，当回报光脉冲时间大于设定值Δtd判断为高压串联阀短路故障，设定Δtd>5uS。

如图8所示，为发生短路时的关键信号波形，t8时刻FP变高，上级控制单元发出开通阀组脉冲，t9时刻Vge电压开始上升，t10时刻Ice开始上升，发生短路故障，Ice快速上升，因此V4电压超过阀组短路保护门槛电压设定值Vd，t11时刻阀组控制单元收到回报光脉冲时间大于设定值Δtd，因此判断为发生阀组短路故障，阀组控制单元闭锁触发光脉冲，Vge电压开始下降。t12时刻Ice上升到最大值Ice4，t13时刻Ice下降到零，高压串联阀可靠关断。

如图9所示，为高压串联阀过流保护方法第三种实施电路的关键信号波形，t16时刻开通高压串联阀脉冲，CP及FP变高，t17时刻Vge电压开始上升，t18时刻流过高压串联阀电流Ice开始上升，由于发生短路故障，Ice上升率较快，如图6中电容C2上的电压Vc也开始上升，随着Ice的继续上升，t19时刻Vc电压达到设定门槛值V8，过流检测单元通过光纤向阀组控制单元回报光脉冲，当脉冲宽度达到设定值Δt3，而Δt3设置为极小的值，500nS～2uS之间，阀组控制单元闭锁触发脉冲，关断高压串联阀。于是t20时刻FP信号变低，Vge电压开始下降，流过高压串联阀电流Ice也开始下降，t21时刻Ice下降到零，电容上电压Vc也下降到零。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (6)

1.一种高压串联阀过流保护装置，其特征在于：包括阀组控制单元、过流检测单元和柔性罗氏线圈，所述过流检测单元安装于一次高压串联阀侧，柔性罗氏线圈安装于高压串联阀上，过流检测单元检测流过高压串联阀的电流情况，并将光脉冲回报给阀组控制单元；所述阀组控制单元根据回报的光脉冲改变触发脉冲，控制高压串联阀开通与关断；

所述过流检测单元采用如下三种结构中的任一种：

第一种：所述过流检测单元包括一个二极管、一个发光二极管、两个稳压二极管、两个电阻和一个三极管，第二二极管的正端连接第一稳压二极管的负端，并共同作为过流检测单元的正端；所述第二二极管的负端连接第一发光二极管的正端，而第一发光二极管的负端连接第一三极管的集电极，所述第一三极管的基极经由第一电阻连接第二二极管的负端，所述第一三极管的基极还经由第二电阻连接第一三极管的发射极，所述第一三极管的发射极连接第二稳压二极管的负端，并共同作为过流检测单元的负端；所述第一、二稳压二极管的正端相连接；

第二种：所述过流检测单元包括一个二极管、一个发光二极管、两个稳压二极管、两个电阻和一个MOSFET，第四二极管的正端连接第三稳压二极管的负端，并共同作为过流检测单元的正端，所述第四二极管的负端连接第三发光二极管的正端，而第三发光二极管的负端连接MOSFET的漏极，所述MOSFET的栅极经由第三电阻连接第四二极管的负端，所述MOSFET的栅极还经由第四电阻连接MOSFET的源极，所述MOSFET的源极连接第四稳压二极管的负端，并共同作为过流检测单元的负端；所述第三、四稳压二极管的正端相连接；

第三种：所述过流检测单元包括三个电阻、一个电容、一个发光二极管、两个稳压二极管和一个三极管，第五电阻的一端作为过流检测单元的正端，第五电阻的另一端分别连接电容的一端、第五稳压二极管的负端、第六电阻的一端和第五发光二极管的正端；所述第五稳压二极管的正端连接第六稳压二极管的正端，第五发光二极管的负端连接第二三极管的集电极，第二三极管的基极连接第六电阻的另一端，所述第二三极管的基极还经由第七电阻连接第二三极管的发射极；所述第二三极管的发射极、第六稳压二极管的负端与电容的另一端共同连接，并作为过流检测单元的负端。

2.如权利要求1所述的一种高压串联阀过流保护装置，其特征在于：所述高压串联阀包括一个全控型电力电子组件或至少两个全控型电力电子组件的串联，当只包括一个全控型电力电子组件时，其集电极作为高压串联阀的正端，发射极作为高压串联阀的负端；若由至少两个全控型电力电子组件串联而成，则各组件的发射极连接其后一个组件的集电极，并将第一个组件的集电极作为高压串联阀的正端，将最后一个组件的发射极作为高压串联阀的负端。

3.如权利要求2所述的一种高压串联阀过流保护装置，其特征在于：所述柔性罗氏线圈由细导线均匀绕制在柔软的绝缘体上而制成，且该绝缘体中心有一条回线。

4.如权利要求2或3所述的一种高压串联阀过流保护装置，其特征在于：所述柔性罗氏线圈环绕安装在高压串联阀上，将高压串联阀由正端到负端穿过柔性罗氏线圈构成的封闭环；所述柔性罗氏线圈有正负两个输出端，正输出端连接过流检测单元正端，负输出端连接过流检测单元负端。

5.一种高压串联阀过流保护方法，其特征在于：采用阀组控制单元、过流检测单元和柔性罗氏线圈，所述过流检测单元安装于一次高压串联阀侧，柔性罗氏线圈安装于高压串联阀上，过流检测单元检测流过高压串联阀的电流情况，并将光脉冲回报给阀组控制单元；所述阀组控制单元根据回报的光脉冲改变触发脉冲，控制高压串联阀开通与关断；所述方法包括如下步骤：

(1)所述阀组控制单元接收上级控制单元的控制脉冲，转化为高压串联阀的触发脉冲；

(2)高压串联阀工作时，过流检测单元向阀组控制单元回报光脉冲；

(3)判断阀组控制单元是否能收到回报光脉冲，若不能收到，判定过流保护装置故障，若能够收到，转步骤(4)；

(4)阀组控制单元根据光脉冲宽度判断是否发生阀组过流，如果发生过流，则阀组控制单元立即封锁触发脉冲。

6.如权利要求5所述的一种高压串联阀过流保护方法，其特征在于：所述步骤(4)中，如果光脉冲宽度为5～10uS，则阀组控制单元判断发生阀组过流。