一种新型混合式高压直流断路器数据监测平台

作者：张毅   

目前，国际上ABB和阿尔斯通公司宣称研制出高压直流断路器，两者均属于混合式高压直流断路器，采用电力电子器件与机械开关联合运行：同时其他各种直流断路器也在完善中。2015年1月6日，由同网智能电网研究院自主研制的200 kV高压直流断路器完成了型式试验．该断路器可以在3 ms内断开一条200 kV高压直流输电线路产生的高达15 kA故障电流。该试验的成功标志着中国在直流输电核心装备研发领域取得了重大突破。

    由于混合式高压直流断路器实际运行经验少．其性能需要不断的完善，其中高电压、大容量的IGBT的经济性和稳定性研究尤为关键。为了在满足稳定性的前提下提高高压电力电子的经济性．建立了电力电子器件的高压仿真模型：实现电力电气器件的结温计算。为了适应这些新方法的需求，需要在运行和试验巾采集各种数据进行分析。目前市场上已有的电气监测系统不具有在线监测结温的功能：已有的故障滤波器的录波时间间隔大多在100 μs以上，而高电压等级的电力电子器件失效模型计算时要求电气量采集时间间隔约为数微秒。

    本文设计出一种针对混合式高压直流断路器的监测平台。该监测平台采用Labview进行开发，具有遥测、遥信显示记录及故障录波功能．可在线计算IGBT和其并联二极管的结温。

1  混合式高压直流断路器工作原理

    混合式高压直流断路器的原理如图1所示。其中SM( sub  modul)是一个全桥子模块，由4个IGBT、1个电容器和1个电阻器组成，其内部结构如图2所示。该混合式高压直流断路器由正常工作到断开的顺序流程为：(1)正常工作时，断路器导通，a处于闭合状态，b和d都处于导通状态，h处于断开状态。(2)当遇到故障、检修或倒闸操作等需要断开断路器时，首先d动作，让电流由主支路转到转移支路：然后b动作。由于转移支路的存在，b、d动作时都不会承担太大的过电压。下一步整个开关的所有全桥子模块同时动作．各个模块分担相同的电压，直流断路器断开。(3)在步骤(1)和(2)完成后，a动作，断开电力电子器件的残余电流。

    避雷器的作用是保护并联的几个全桥子模块，防止在断开过程中由于均压或其他问题导致h模块损坏。

2监测平台总体设计

    监测平台实现的主要功能有：(1)状态显示。显示目前直流断路器的工作情况，包括电压、电流、IGBT的结温、开关状态等信息。(2)存储历史数据。采用Labview读写SQL数据库实现。平台每隔1min存储一次各个遥测数据，并在遥信变化时存储遥信变位信息。(3)控制断路器动作。在长时间试验时能自动地下发断路器的开断、闭合命令。也可进行人工控制。现场应用时闭锁该功能。(4)故障录波功能。在收到遥信变位信号后．故障录波功能自动启动．密集采集各个遥测量。(5)故障报警。在收到故障信号时，平台在自动启动故障录波的同时进行声音报警，提醒试验人员注意。监测平台的整体结构如图3所示。

    为了满足混合式直流断路器故障分析的需求，平台设计时重点考虑以下几方面需求：(1)采样频率要求。大容量电力电子器件失效模型需要电压和电流的采样时间间隔数微秒，本平台的采样频率要能够满足这种需求。(2)采集路数要求。为了能够提供全面数据，满足故障分析和结温计算的需求．本文所设计的监测平台需采集断路器端电压，采集主支路、转移支路和避雷器中的电流，采集各个IGBT模块的端电压和电流，同时还需要采集空气温度和各IGBT散热器的进水水温。(3)通信速率要求。由于故障录波时数据采样频率高．同时监测平台采集路数多，平台在进行故障录波数据传输时要求较高的通信速率。

3监测平台的硬件设计

    监测平台的硬件设计主要包括上位机、网络通信板、遥测单元、温度传感器和TV、TA的选型和设计。图3中的控制和保护单元能够实现遥信数据的上传和控制命令的下发功能。

    上位机采用工控机，要求配置千兆的以太网卡和500 GB以上的硬盘。

    网络通信板的主要功能是通信接口与协议转换．实现遥测单元、控保单元和上位机互相间的通信。同时板卡安装了一个128 MB的flash存储器，临时存放录波数据。网络通信板要求通信速率达到要求，并且稳定可靠；本板卡设计了1路以太网通信接口、5跆多模光纤通信接口和4路RS485串行通信接口。

    遥测单元主要包括电气量遥测和非电气量遥测。(1)电气量测量。系统电压和断路器流过的电流是利用现场TV、TA的二次侧绕组进行采集计算．也可以接收现场其他系统的测量结果。为了满足故障分析的要求．本平台同时采集了主支路、转移支路和避雷器中的电流以及断路器两端电压为了满足功能需求，本平台在各个全桥子模块两端安装了TV：同时在子模块中1、4号IGBT上安装了TV和TA。由于断路器所使用的全桥子模块数量较多（一个220 kV的高压直流断路器使用的全桥子模块数量约为40个），为了接线简洁，各全桥子模块的TV和TA二次侧接入对直模块的中控板。为了满足IGBT建模的需要，电气量采集使用400 kHz的高速A/D芯片。(2)采用了温度传感器一A/D采样结构进行温度测量  为了计算IGBT的结温．监测平台测量了各个IGBT的进水温度和空气温度．在IGBT分析计算时不需要高频率的结温，因此本平台的温度采集用普通A/D转换器，实际采样频率为100 Hz温度传感器选择体积较小的接触式的热偶温度传感器  为了接线简洁，测量水温的温度传感器二次侧接人了全桥子模块的中控板中。

4监测平台的软件算法

    监测平台的软件设计包括上位机、网络通信板、遥测测量单元、控制保护单元和全桥子模块中控板中的软件设计。上位机来实现多数逻辑计算功能：网络通信板中包含接口协议转换程序和录波数据存储程序：遥测测量单元和全桥子模块中控板完成A/D采样和数据通信程序；控制保护单元中包含遥信数据的上送程序。

4.1  主程序结构与算法

    上位机采用NI公司的Labview编程实现。上位机软件的主要功能有数据库管理、数据采集计算与数据显示、故障录波与录波数据读取、结温计算、故障告警、遥控命令下发等。

主程序的部分流程如图4所示。

4.2  电压电流测量算法

    电压电流测量和数据处理在全桥子模块中控板、遥测测量单元、网络通信板和上位机中完成。其中中控板、遥测测量单元完成原始数据的采集：网络通信板完成接口协议转换．并把数据传输到上位机；上位机完成数据处理、存储显示等功能。为了测量每个IGBT相关数据，本平台采集了全桥子模块两端电压，同时测量每个子模块中1、4号IGBT端电压和流过的电流．2.3号IGBT相关数据通过计算获得，

    根据设计方式的不同．高压直流输电系统的电压测量有各自的方式．基本原理都是采用电阻或电阻电容分压、本平台的电压测量采用电阻分压器。

    本平台采用光TA进行高压直流输电系统的电流测量，二次侧为光信号，相应的电子处理程序都集成在了TA的二次侧，测量的结果直接输出至其他设备，因此本平台保留了通信接口，接收光TA传送的二次测量结果。

4.3  结温测量与计算

    本平台采用基于Cauer network网络模型的RC热网络法在线计算IGBT的结温。结温计算结果既可用于IGBT模块的故障分析，也可以用于IGBT散热器选型。

4.3.1  稳态结温计算

IGBT模块稳态结温计算公式为

式中：Tj为IGBT最高工作温度，K，一般要求小于125 ℃：Rjc为结壳热阻，与IGBT的制造工艺有关．是IGBT的一个重要技术指标，制造厂商均有规定．其量值不受所选用的散热器或其他受控参数影响：Rcs为接触热阻；Rsa为散热器热阻，可以根据散热器热阻曲线得到；Tin为进水温度，K;P为元件功耗．W。以上计算方法同样适用于二极管。

4.3.2  瞬态结温计算

    Foster network模型的核心算法是利用三四阶的时问指数函数来拟合IGBT和二极管的暂态热阻抗曲线，其拟合关系式为

式中：Z为单位功耗结温温升，K/kW;Ri为拟合阻抗；Ti为拟合时间常数：t为电流持续时间。

    根据IGBT的物理结构．简单地将IGBT每层导热物体看成热阻和热容的T型连接．这样将每层导热物体的热阻和热容串级联接起来得到IGBT的热阻抗的网络模型，如图5a）所示。

    因为本IGBT携带散热器．为了能够方便地计算出结温，在福斯特网的基础上推算出了考尔模型，如图5 b)所示。其推算过程采用计算机编程实现．

4.3.3带散热器的瞬态结温计算

    为了得出带散热器的IGBT热阻抗模型．需要对散热器热阻曲线进行拟合，其计算方法为：采用指数函数多项式对IGBT结壳瞬态热阻曲线进行拟合，获得福斯特模型中R和C参数。采用的拟合公式为

拟合公式中的Ri和Ti与福斯特模型中Ri和Ti对应。

    拟合完成后，结合图5b）所示，得出了带散热器的IGBT热阻抗模型如图6所示。

    在计算前需要根据全桥子模块端电压来判断施加在IGBT中的端电压是正向还是反向。如果全桥子模块端电压为正向（左边电压高于右边）．该子模块巾2.4号IGBT通流,1和3号的二极管通流：反之2和4号二极管通流，1和3号IGBT通流。根据通流情况，决定采用IGBT的相关参数还是采用二极管相关参数。

4.4故障录波子程序流程

    故障录波数据处理方式与正常数据的处理方式不同，要求数据存储量大、存储速度高，且便于拷贝转移。在实现时不采用Labview读写数据库的形式，而是采用更为简洁的Labview读写文件方式。故障录波要求实现以下功能：(1)任何遥信变化都要启动故障录波程序，包括故障告警信号和开关动作信号。如果上送的故障信号与上次相同．则不肩动故障录波。(2)有手动启动和自动启动2种运行方式。自动录波是在有遥信变化时自动肩动录波，而手动录波是在上位机上发送录波命令进行录波。(3)具有故障数据读取功能，便于分析计算。(4)录波内容是从录波开始命令前0.5 s持续到录波开始命令后1.5 s时间范围内的各种测量信号。高压与特高压直流的短路故障一般持续数毫秒，考虑到信号传输和故障判断所需时间．录波开始命令前0.5 s能够满足录波需求：由于需要记录断路器在电网故障后的动作情况，考虑断路器拒动、延迟、故障等特殊情况，平台故障录波持续到录波开始命令后1.5 s。

    为了满足日后建模分析的需要，每次录波时故障录波电压电流信号都是采用400 kHz的采样频率：结温的采样频率没有太高要求，本平台采样频率采用100 Hz。

    由于故障录波通信数据量大，为r缓解短时间的通信压力，故障录波程序分为2个部分执行：(1)在网络通信板中首先进行本次录波数据的存储．在录波完成后，删除通信板中最早的一次录波数据．再向上位机发送采集录波数据的指令。网络通信板中存储最近10次的录波数据。(2)上位机收到采集录波数据的指令后，开始采集录波数据．上位机中存储所有的录波数据一上位机把收集到的信号存储到Excel文档中，文件按照实际开始录波的时间进行命名一故障录波数据与正常数据采用不同端口号与上位机进行通信一录波工作流程如图7所示，上位机在录波开始时采用正常通信通道发送故障录波指令，接收到网络通信板中故障录波完成指令后，开启故障录波通道．下发上传录波数据指令，进行录波数据传输。

5实验验证

    该监测平台对混合式高压直流断路器样机进行了长时间的监测，完成了指令下发、故障录波、状态显示、电压电流、结温数据采集存储等各项功能．在样机的全桥子模块通流试验、绝缘试验等各项试验中，监测平台发挥了重要的作用。

5.1  结温计算结果验证

    本实验采用同一次试验仿真计算结果与本平台结果相比较的方法来验证一本文中散热器相关参数如下：Rse=0.004 3 K／W；接触热阻为0.009 K/W;Cs=3 048 J/(s·K)；进水温度为40℃。IGBT采用ABB的52NA 2000K451300：

    如图1．当全桥子模块正向导通时，1和3号IGBT模块巾无电流，电流从1、3号IGBT并联二极管和2.4号IGBT本体中流过。采用的方法计算主支路1号全桥子模块中1、3号IGBT并联二极管和2、4号IGBT本体的最高结温．结果如表1所示。试验平台记录的最高结温结果如表2所示。从计算结果分析，本平台的结温计算结果与离线结温计算结果相近，说明本平台能够正确反映实际结温。

5.2  故障录波数据结果验证

    为验证故障录播数据功能，在断路器的开断试验中采用监测平台和示波器进行监测数据对比试验。图8和图9分别是直流断路器在开断试验中本平台录波数据图形与示波器录波图形。图8和图9中的曲线1为主支路电流，曲线2为第一组避雷器中电流，曲线3为转移支路电流，曲线4为断路器两端电压：为了清晰显示图形关键部分数据．图8中曲线1偏移了-20 A，曲线2偏移了30 A，曲线3偏移了60 A。

    通过2个图的比较可以检测出系统的录波功能满足设计要求。

6结语

    本文介绍了国网智能电网研究院研发的高压直流断路器的工作原理，设计了一种适用于混合式高压直流断路器的监测平台，得出如下结论：

    (1)所设计的监视平台采用高采样频率进行数据故障录波，可为大容量电力电子设备高压建模和故障分析提供有效的实测数据。

    (2)通过实验验证，监测平台实现了电力电子设备的在线结温测量计算，为IGBT的安全工作区的校验和散热器选型提供实测依据。

    (3)对于采用电力电子开关和机械开关联合方式的各种混合式高压直流断路器，所设计的监测平台都可以提供监测方案，为断路器的实用性奠定基础。

该监测平台为混合式高压直流断路器故障分析提供了充分的、全面的基础数据。后续研究工作的重点转移为各种故障原因的在线、智能分析。

7摘要：为了监视和控制级联全桥混合型直流断路器，为设备选型、断路器故障分析等提供实测数据，在介绍圉网智能电网研究院研发的级联全桥混合型直流断路器工作原理基础上，总结高压电力电子器件的高压建模和结温计算所需数据，设计出一套实用的高压直流断路器监测平台。该监测平台采用Labview进行晃面开发，具有全面的遥测、遥信显示记录功能和高频率采样的故障录波功能，能够在线计算IGBT和其并联二极管的结温，并经实验验证了监测平台的运行效果。