一种电子开关可控自恢复电路的阻抗匹配装置
阅读说明：本技术 一种电子开关可控自恢复电路的阻抗匹配装置 (Impedance matching device of electronic switch controllable self-recovery circuit ) 是由 胡四全 董朝阳 王蓉东 马俊杰 陈同浩 张锐 王佳佳 樊大帅 樊宏伟 冉贤贤 邹 于 2021-07-27 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种电子开关可控自恢复电路的阻抗匹配装置,包括连接于高压直流正负母线之间的避雷器模块和开关模块,以及阻抗匹配模块,以实现电子开关可控自恢复电路的阻抗匹配,并给出了该阻抗匹配模块的取值条件。本发明提供的电子开关可控自恢复电路的阻抗匹配装置,通过该阻抗匹配装置的电路结构设计,实现了电子开关可控自恢复电路的阻抗匹配,解决了避雷器受控元件因与电子开关及其阻尼回路并联时造成的荷电率下降,进而导致避雷器固定元件荷电率提高而降低电路整体寿命的额外难题,提高了避雷器受控元件的承压比,也提高了避雷器固定元件的使用寿命,同时解决了晶闸管触发开关晶闸管级取能的问题。(The invention relates to an impedance matching device of a controllable self-recovery circuit of an electronic switch, which comprises an arrester module, a switch module and an impedance matching module, wherein the arrester module and the switch module are connected between a high-voltage direct current positive bus and a high-voltage direct current negative bus, so that the impedance matching of the controllable self-recovery circuit of the electronic switch is realized, and the value taking condition of the impedance matching module is given. The impedance matching device of the electronic switch controllable self-recovery circuit provided by the invention realizes the impedance matching of the electronic switch controllable self-recovery circuit through the circuit structure design of the impedance matching device, solves the additional problem that the charging rate of the lightning arrester fixed element is increased and the whole service life of the circuit is shortened due to the decrease of the charging rate of the lightning arrester controlled element when the lightning arrester controlled element is connected with the electronic switch and the damping loop thereof in parallel, improves the bearing ratio of the lightning arrester controlled element, also prolongs the service life of the lightning arrester fixed element, and simultaneously solves the problem of thyristor-level energy taking of the thyristor trigger switch.)
技术领域
本发明涉及电力系统电气设备技术领域，尤其涉及一种电子开关可控自恢复电路的阻抗匹配装置。
背景技术
在特高压直流输电系统中，空气间隙操作冲击放电电压的饱和特性更加显著，深度降低操作过电压水平对减小线路空气间隙有至关重要的作用。操作过电压从1.7pu下降到1.6pu，输电线路空气间隙就平均减小0.6m。此外，操作过电压水平对输变电设备的制造难度亦有一定影响，因此，深度降低操作过电压倍数十分必要。
目前，降低操作过电压主要采取2种方案：金属氧化物避雷器和断路器加装合闸电阻2种措施联合使用。两者共同作用可将系统的最大相对地2％统计操作过电压限制在1.6～1.7pu。但是，由于合闸电阻在运行可靠性和经济性方面仍存在较大不足，断路器加装合闸电阻后机构复杂，大幅增加断路器的运行风险，同时断路器加装合闸电阻后成本增加较多，电力系统运行部门和制造厂商均倾向于在系统条件允许的情况下断路器不采用合闸电阻。
当2个特高压变电站之间的线路较短时，将避雷器额定电压降低，也可以将系统操作过电压限制在1.6～1.7pu。例如，特高压交流输电线路为60km时，如果不采用断路器加装合闸电阻，仅采用金属氧化物避雷器，须将金属氧化物避雷器的额定电压从目前的828kV降至804kV(即额定电压降低了3％)，避雷器的荷电率将从目前的0.77升高至0.79。但再长一点的线路，即使将避雷器额定电压降至804kV也无法满足要求。例如特高压交流输电线路长度为85.5km时，采用804kV的避雷器仅能将沿线过电压降至1.74pu，仍然无法满足要求，必须将避雷器的额定电压降至更低，甚至需降至762kV(即额定电压降低了8％)才能满足要求。此时避雷器的长期运行荷电率将从目前的0.77升高至0.83，从而使避雷器电阻片在正常运行条件下的老化速度加快，可靠性裕度大幅降低。而且使用762kV避雷器的前提条件还必须是将系统工频过电压母线侧1.2pu、线路侧1.3pu，使用条件极其受限。
发明内容
基于现有技术的上述情况，本发明的目的在于提供一种电子开关可控自恢复电路的阻抗匹配装置，通过该阻抗匹配装置的电路结构设计，实现了电子开关可控自恢复电路的阻抗匹配，提高了受控元件的承压比，进而提高了固定元件的使用寿命，同时解决了晶闸管触发开关晶闸管级取能的问题。
为达到上述目的，本发明提供了一种电子开关可控自恢复电路的阻抗匹配装置，电子开关可控自恢复电路的阻抗匹配装置，包括连接于高压直流正负母线之间的避雷器模块和开关模块；
所述避雷器模块包括固定元件单元和受控元件单元；
所述开关模块与受控元件单元并联，该开关模块受控接通或断开以对受控元件单元进行投切操作；
还包括阻抗匹配模块，该阻抗匹配模块并联于固定元件单元的两端以实现阻抗匹配。
进一步的，所述固定元件单元包括m级串联连接的避雷器组，其等效阻抗为Rg。
进一步的，所述受控元件单元包括n级串联连接的避雷器组，其等效阻抗为Rc。
进一步的，所述开关模块包括电子开关单元、机械开关单元和旁路开关单元。
进一步的，所述电子开关单元、机械开关单元和旁路开关单元相互并联连接。
进一步的，所述电子开关单元包括j级相互串联的电子开关。
进一步的，所述电子开关包括晶闸管触发开关。
进一步的，所述阻抗匹配模块的电阻值R1满足以下条件：
R1/RD＝Rg/Rc
其中，RD为开关模块的等效阻抗。
进一步的，所述阻抗匹配模块的电阻值R1满足以下条件：
(m(1+P11)/(n(1-P12))-P3)*R2*j*(1+P2)≤R1≤(m(1-P11)/(n(1+P12))+P3)*R2*j*(1-P2)
其中，P11为固定元件避雷器组的不均压系数，P12为受控元件避雷器组的不均压系数，R2为电子开关单元单级电子开关的阻抗，P2为电子开关单元单级电子开关的偏差限值，P3为避雷器模块和开关模块的阻抗匹配误差。综上所述，本发明提供了一种电子开关可控自恢复电路的阻抗匹配装置，包括连接于高压直流正负母线之间的避雷器模块和开关模块，以及阻抗匹配模块，以实现电子开关可控自恢复电路的阻抗匹配，并给出了该阻抗匹配模块的取值条件。本发明提供的电子开关可控自恢复电路的阻抗匹配装置，通过该阻抗匹配装置的电路结构设计，实现了电子开关可控自恢复电路的阻抗匹配，解决了避雷器受控元件因与电子开关及其阻尼回路并联时造成的荷电率下降，进而导致避雷器固定元件荷电率提高而降低电路整体寿命的额外难题，提高了避雷器受控元件的承压比，也提高了避雷器固定元件的使用寿命，同时解决了晶闸管触发开关晶闸管级取能的问题。
附图说明
图1是本发明电子开关可控自恢复电路的阻抗匹配装置的电路原理示意图；
图2是阻抗匹配模型的电路结构示意图；
图3是8500V/5500A晶闸管在不同电压下泄漏电流与温度之间的关系曲线图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。根据本发明的一个实施例，提供了一种电子开关可控自恢复电路的阻抗匹配装置，该装置的电路原理示意图如图1所示，该装置包括连接于高压直流正负母线之间的避雷器模块和开关模块。其中，避雷器模块包括固定元件单元M1和受控元件单元M2，该固定元件单元M1和受控元件单元M2相互串联，固定元件单元M1的一端连接于正母线，另一端与受控元件单元M2的一端连接，受控元件单元M2的另一端连接于负母线。固定元件单元M1例如可以包括m级串联连接的避雷器组，其等效阻抗为Rg；受控元件单元M2例如可以包括n级串联连接的避雷器组，其等效阻抗为Rc，m和n均为大于等于1的自然数开关模块与受控元件单元M2并联，该开关模块例如接收控制系统的控制信号接通或断开以对受控元件单元M2进行投切操作。其中，所述开关模块包括电子开关单元、机械开关单元和旁路开关单元，该电子开关单元、机械开关单元和旁路开关单元相互并联连接。电子开关单元例如可以包括j级相互串联的电子开关，j为大于等于1的自然数，可以根据实际电压等级确定。该电子开关例如可以为晶闸管触发开关VT。该电子开关还包括与其并联的阻尼回路，例如电阻R和C1。
在系统稳态运行时，开关模块中的晶闸管触发开关、快速机械开关和旁路开关均在分闸状态，此时避雷器受控元件因与晶闸管及其阻尼回路并联，其荷电率会下降，导致避雷器固定元件的荷电率提高，降低了消能装置的整体寿命。阻抗匹配会提高避雷器固定元件的荷电率，为解决此阻抗匹配问题，根据本发明的该实施例，在避雷器固定元件单元M1两端并联阻抗匹配模块实现阻抗匹配，以保证晶闸管触发开关的参数不会影响避雷器的静态分压关系。该阻抗匹配模块的电阻R1应当满足以下条件：
R1/RD＝Rg/Rc
其中，RD为开关模块的等效阻抗。
为确认阻抗匹配模块的具体参数，首先需对避雷器回路中固定元件单元M1与受控元件单元M2阻抗比、晶闸管触发开关的阻抗特性进行分析计算，阻抗匹配模型的电路结构示意图如图2所示。
设固定元件避雷器组的不均压系数为P11，受控元件避雷器组的不均压系数为P12，固定元件单元M1与受控元件单元M2的阻抗比为Km＝Rg/Rc,则有：
m(1-P11)/(n(1+P12))≤Km≤m(1+P11)/(n(1-P12)) (1)
设RD为开关模块的等效阻抗。在断开状态下，机械开关单元和旁路开关单元的阻抗远大于电子开关阻抗，则RD的取值可直接使用电子开关阻抗，其中电子开关由j级电子模块单元串联，其单级模块的阻抗为R2，偏差限值P2，则有：
R2*j*(1-P2)≤RD≤R2*j*(1+P2) (2)
开关模块的阻抗比：
Kd＝R1/RD (3)
避雷器模块和开关模块的阻抗匹配误差限值为P3，则有：
|Kd-Km|≤P3
可以得出：
Km-P3≤Kd≤Km+P3 (4)
若R1的取值范围为min≤R1≤max，由式(2)(3)(4)可以得出：
min/(R2*j*(1+P2))≥Km-P3
max/(R2*j*(1-P2))≥Km+P3
则
min≥(Km-P3)*R2*j*(1+P2) (5)
max≤(Km+P3)*R2*j*(1-P2) (6)
由式(1)(5)和(1)(6)可以得出R1的阻抗范围
(m(1+P11)/(n(1-P12))-P3)*R2*j*(1+P2)≤R1≤(m(1-P11)/(n(1+P12))+P3)*R2*j*(1-P2)
其中，P11为固定元件避雷器组的不均压系数，P12为受控元件避雷器组的不均压系数，R2为电子开关单元单级电子开关的阻抗，P2为电子开关单元单级电子开关的偏差限值，P3为避雷器模块和开关模块的阻抗匹配误差。
以下以一个具体实施例来进行进一步说明。设该具体实施例中，避雷器固定元件单元M1的电阻片为88片串联，避雷器受控元件单元M2的电阻片为19片串联，固定元件单元M1与受控元件单元M2的阻抗比值为4.63。电子开关单元由24级晶闸管级串联组成，晶闸管触发开关采用8500V/5500A的晶闸管，其直流均压电阻R2为300kΩ。8500V/5500A晶闸管在不同电压下泄漏电流与温度之间的关系曲线如图3所示，以晶闸管端电压3.675kV进行核算，其典型断态阻抗如表1所示。
表1
环境温度
单级晶闸管阻抗
20℃
50MΩ
40℃
20MΩ
50℃
8MΩ
晶闸管触发开关直流均压电阻R2＝300kΩ，晶闸管断态阻抗远大于直流均压电阻R2，RC阻尼回路在直流时阻抗也远大于直流均压电阻的300kΩ，因此在断态时，晶闸管触发开关的等效阻抗为300kΩ×24＝7.2MΩ。
因此要保持固定元件单元M1和受控元件单元M2的压比在4.63左右，阻抗匹配模块的阻值R1为33.3MΩ。考虑避雷器不均压系数设定P1＝0.001，R2的偏差限值P2＝0.002，避雷器模块和开关模块的阻抗匹配误差限值P3＝0.05，则R1的取值范围为：
33.12MΩ≤R1≤33.57MΩ。
综上所述，本发明涉及一种电子开关可控自恢复电路的阻抗匹配装置，包括连接于高压直流正负母线之间的避雷器模块和开关模块，以及阻抗匹配模块，以实现电子开关可控自恢复电路的阻抗匹配，并给出了该阻抗匹配模块的取值条件。本发明提供的电子开关可控自恢复电路的阻抗匹配装置，通过该阻抗匹配装置的电路结构设计，实现了电子开关可控自恢复电路的阻抗匹配，解决了避雷器受控元件因与电子开关及其阻尼回路并联时造成的荷电率下降，进而导致避雷器固定元件荷电率提高而降低电路整体寿命的额外难题，提高了避雷器受控元件的承压比，也提高了避雷器固定元件的使用寿命，同时解决了晶闸管触发开关晶闸管级取能的问题。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。
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