一种用于大容量脉冲功率装置的故障检测与接地保护系统的制作方法

本公开属于脉冲功率技术及应用领域，具体涉及一种用于大容量脉冲功率装置的故障检测与接地保护系统。

背景技术：

在大容量脉冲功率装置中，常选用脉冲电容器作为储能器件。由于单台脉冲电容器储能有限，常通过构建包含多台脉冲电容器的脉冲电容器组来实现大能量存储。现今的大容量脉冲功率装置，利用几台至几十台脉冲电容器，可以实现百千焦耳至兆焦耳级的储能。

对大容量脉冲功率装置而言，电容器主绝缘短路是最为严重的故障状态。若发生此类故障，除了故障电容器外，其余电容器也会通过连接母排向故障电容器放电，导致几乎整个脉冲功率装置的全部储能都注入故障电容器的绝缘击穿点。一方面，峰值大、反峰大的故障电流会极大损伤电容器的寿命；另一方面，故障电容器往往因承受不住巨大的故障电流而产生高速碎片，从而对周围人员的生命健康构成威胁。

传统检测技术，一般是用罗氏线圈检测每台、或每几台一组的电容器输出电流，通过故障状态电流形状的异常来发现故障。但传统检测技术在检测电容器主绝缘短路故障时是有漏检的可能性的：当电容器的短路电流路径不穿过罗氏线圈时，线圈上采集不到电流波形，也就无法判断故障的发生。此外，及时发现电容器主绝缘短路故障是有较大技术难度的，首先要解决处于高电位的传感器与处于地电位的装置、人员之间的电位隔离问题；其次，还要解决高电位传感器的能量供应问题；最后，还要保证传感器在发生短路故障时巨大的电磁干扰、机械振动下能够可靠的工作。

为了应对电容器主绝缘短路故障，现有技术的方案往往略过检测环节，直接考虑抗故障的加固措施：即为每台、或几台一组的脉冲电容器串联接入阻尼保护电感，利用其吸收短路故障下的电流能量，保护电容器。但脉冲功率装置正常放电时，阻尼保护电感也会吸收正常放电的电流能量，降低了最终负载获得能量的效率。为了对短路故障实现可靠保护，阻尼保护电感的阻值不能太小，其造成的能量损耗甚至可以占整个脉冲功率装置能量损耗的一半以上。由于阻尼保护电感的存在，为了保证负载获得足够的能量，必须增大脉冲功率装置的储能和放电开关的通流能力，但会造成整个脉冲功率装置成本的上升和可靠性的下降。

现有技术条件下，还有一种更为复杂的保护方案，是为每台、或每几台一组的脉冲电容器配置完全独立的充电、泄放和通流开关。这种技术方案，实质上是让每组电容器之间完全独立的运行，当每组电容器容量不大的时候，即可以取消阻尼保护电感。但这种技术方案，配件多、控制复杂、成本高昂、可靠性差，现实中很少应用。

技术实现要素：

针对以上问题，本公开的目的在于提供一种用于大容量脉冲功率装置的故障检测与接地保护系统，一方面能够为脉冲功率装置提供电位隔离、自取能的可靠故障检测，当出现电容器主绝缘短路故障时，能够自动利用故障检测信号进行能量泄放，将故障隔离在局部范围内，保证脉冲功率装置的安全；另一方面通过取消阻尼保护电感，能够提高脉冲功率装置的能量利用率。

本公开是通过以下技术方案实现上述目的的：

一种用于大容量脉冲功率装置的故障检测与接地保护系统，包括：

故障检测单元，用于检测当脉冲功率装置发生电容器短路故障时的反向电流流动，并输出对应的故障信号；

故障判断单元，用于根据所述故障检测单元收集到的故障信号做出逻辑判断，实现故障定位并发出保护动作的命令信号；

动作单元，根据所述故障判断单元发出的命令信号对脉冲功率装置中非故障电容器实施快速接地保护，限制注入脉冲功率装置中故障电容器的能量。

优选的，所述故障检测单元包括正向二极管、反向二极管和发光二极管；其中，

所述正向二极管的阴极与反向二极管的阳极相连；

所述反向二极管的阴极与发光二极管的阳极相连；

所述发光二极管的阴极与正向二极管的阳极相连。

优选的，所述故障判断单元包括光纤和光信号或门；其中，所述光纤的一端用于收集发光二极管的光信号，另一端与光信号或门的输入端相连；并且，所述光纤包括如下任一：多模光纤或单模光纤。

优选的，所述动作单元包括脉冲触发器、半导体接地开关和隔离开关；其中，

所述脉冲触发器的信号端与光信号或门的输出端相连，输出端与接地半导体开关和隔离开关相连；

所述半导体接地开关的阳极与隔离开关的高压端相连，阴极与隔离开关的低压端相连。

优选的，所述发光二极管包括一个或若干个串并联的激光二极管，所述反向二极管和发光二极管的最大正向浪涌电流为10-5000a。

优选的，所述半导体接地开关包括如下任意一种：若干个串联连接的igbt、若干个串联连接的mosfet、若干个串联连接的晶闸管。

优选的，所述半导体接地开关的最大正向浪涌电流为100-5000a，导通时间为2-200μs。

优选的，所述隔离开关是通过光脉冲或电脉冲控制闭合的机械动作开关，闭合时间为1-200ms。

优选的，所述故障检测与接地保护系统外接充电硅堆、吸能电阻、恒流充电机、脉冲电容器组、放电半导体开关和负载，其中，所述脉冲电容器组包括若干台并联连接的脉冲电容器。

优选的，所述每组脉冲电容器的总储能为50-300kj；所述吸能电阻的阻值为500-5000ω。

与现有技术相比，本公开带来的有益效果为：

1、本公开通过检测非故障电容器上的反向电流信号来判断电容器短路故障，保证了检测的高可靠性，利用光纤信号隔离高低电位，并且不需要额外配置供能电源；

2、当出现以电容器主绝缘短路故障为代表的严重故障时，本公开能够实现故障的自动检测与能量泄放，将故障隔离在局部范围内，保证脉冲功率装置的安全；

3、本公开取消了阻尼保护电感，能够保证负载获得足够的能量和提高能量的利用效率。

附图说明

图1是本公开示出的一种用于大容量脉冲功率装置的故障检测与接地保护系统的结构示意图；

图2是图1所示故障检测与接地保护系统的一个实施例的结构示意图；

图3是图1所示故障检测与接地保护系统的另一个实施例的结构示意图。

图中各标记说明如下：

di-第i个脉冲电容器组的充电硅堆；ri-第i个脉冲电容器组的吸能电阻；dzi-第i个正向二极管；dfi-第i个反向二极管；dgi-第i个发光二极管；li-第i根光纤；h-光信号或门；p-脉冲触发器；kt-接地半导体开关；ks-隔离开关；i-恒流充电机；cni-第n个脉冲电容器组的第i台脉冲电容器；ti-第i个放电半导体开关；z-负载；g-建筑物接地体。

具体实施方式

下面将结合附图1至附图3和实施例对本公开的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种用于大容量脉冲功率装置的故障检测与接地保护系统，包括：

故障检测单元，用于检测当脉冲功率装置发生电容器短路故障时的反向电流流动，并输出对应的故障信号；

故障判断单元，用于根据所述故障检测单元收集到的故障信号做出逻辑判断，实现故障定位并发出保护动作的命令信号；

动作单元，根据所述故障判断单元发出的命令信号对脉冲功率装置中非故障电容器实施快速接地保护，限制注入脉冲功率装置中故障电容器的能量。

上述实施例完整的公开了本发明的技术方案，上述实施例通过检测非故障电容器上的反向电流信号来判断电容器短路故障，保证了检测的高可靠性，利用光纤信号隔离高低电位，并且不需要额外配置供能电源；当出现电容器主绝缘短路故障时，能够实现故障的自动检测与能量泄放，将故障隔离在局部范围内，保证脉冲功率装置的安全；另外，上述实施例取消了阻尼保护电感，具有提高脉冲功率装置能量利用率的特点。

另一个实施例中，所述故障检测单元包括正向二极管dzi、反向二极管dfi、发光二极管dgi；其中，所述正向二极管dzi的阴极与反向二极管dfi的阳极相连；所述反向二极管dfi的阴极与发光二极管dgi的阳极相连；所述发光二极管dgi的阴极与正向二极管dzi的阳极相连。

另一个实施例中，所述故障判断单元包括光纤li和光信号或门h；其中，所述光纤li的一端用于收集发光二极管dgi的光信号，另一端与光信号或门h的输入端相连。并且，所述光纤包括如下任一：多模光纤或单模光纤。

另一个实施例中，所述动作单元包括脉冲触发器p、半导体接地开关kt和隔离开关ks；其中，所述脉冲触发器p的信号端与光信号或门h的输出端相连，输出端与半导体接地开关kt和隔离开关ks相连；所述半导体接地开关kt的阳极与隔离开关ks的高压端相连，阴极与隔离开关ks的低压端相连。

图1所示的故障检测与接地保护系统的一个具体实施例如图2所示，该具体实施例中，故障检测与接地保护系统外接有2组充电硅堆di和吸能电阻ri、恒流充电机i、2组脉冲电容器cni、2个放电半导体开关ti和负载z。其中，第一组脉冲电容器包括电容c11、c12、c13、c14、c15、c16，第二组脉冲脉冲电容器包括电容c21、c22、c23、c24、c25、c26。

具体的，所述故障检测单元的一端与每组脉冲电容器cni的高压端串联，另一端与吸能电阻ri串联后与充电硅堆di并联；所述动作单元中，隔离开关ks的高压端与恒流充电机i的输出端相连，隔离低压端与恒流充电机i的接地端相连；两组电容器cni的高压端分别经过放电半导体开关ti与负载z相连。

更具体的，所述发光二极管dgi包括一个激光二极管，所述反向二极管dfi和发光二极管dgi的最大正向浪涌电流为10a；

所述隔离开关ks是一个通过光脉冲控制闭合的机械动作开关，分闸时动、静触头的开距为12cm，合闸动作时间设定为200ms；

所述半导体接地开关kt包括10个串联连接的igbt元件，其额定电压设定为60kv，最大正向浪涌电流为100a，导通时间为2μs。

所述每组脉冲电容器cni中每台电容器的容量为100uf，额定电压设定为30kv，每组总储能为270kj；

吸能电阻ri的阻值为5000ω。

正常泄放脉冲电容器cni能量时，隔离开关ks首先闭合。脉冲电容器cni经由反向二极管dfi、发光二极管dgi、吸能电阻ri、隔离开关ks的路径对地泄放能量。此时发光二极管dgi发光，dgi发出的光经由光纤li传入光信号或门h，光信号或门h输出光脉冲给脉冲触发器p，脉冲触发器p发出闭合控制信号给半导体接地开关kt和隔离开关ks，隔离开关ks继续保持合闸。由于此时半导体接地开关kt的阳极与阴极之间电位差很小，半导体接地开关kt收到闭合信号但无法导通，泄放电流继续沿隔离开关ks注入大地。流过吸能电阻ri的泄放电流在初始时最大，为6a，随后以指数衰减；以10倍时间常数计算，电容器储能全部泄放掉需要用时30s。

当脉冲电容器c11发生主绝缘短路时，c12～c16共5台电容器将能量灌入c11，连同c11本身能量共计202kj，通过脉冲电容器c11～c16的内阻来吸收。对于第2组电容器c21～c26，由于放电半导体开关t1反向截止，其能量只能经由df2、dg2、r2、d1的路径灌入c11。当c21～c26和c11～c16的电压差大于df2、dg2、d1正向导通电压之和时，dg2因为通过电流而发光。dg2发出的光经由光纤l2传入光信号或门h，光信号或门h输出光脉冲给脉冲触发器p，脉冲触发器p发出闭合控制信号给半导体接地开关kt和隔离开关ks。由于此时半导体接地开关kt的阳极与阴极之间有正向电压，因此在收到闭合控制信号后，半导体接地开关kt导通。经过半导体接地开关kt的导通时间20μs后，第2组电容器c21～c26流过d1的故障电流被半导体接地开关kt旁路掉，电容器c21～c26经由df2、dg2、r2、kt的路径泄放能量。经过隔离开关ks的合闸动作时间200ms后，隔离开关ks闭合，分流掉大部分c21～c26的故障电流，脉冲功率装置转入正常泄放状态。

与现有检测技术相比，本公开通过检测非故障电容器上的反向电流信号来判断电容器短路故障，因而不存在罗氏线圈漏检或检测延迟大的问题，在故障电流反常流动的第一时间即能判断出故障发生的位置，保证了检测的高可靠性。同时，也不需要为检测装置配备任何供能和电位隔离措施。本公开能够在电容器出现主绝缘短路故障时，自动泄放多余能量，将故障隔离在局部范围内，因而可以代替阻尼保护电感，以保证负载获得足够的能量和提高能量的利用效率。

图1所示故障检测与接地保护系统的另一个具体实施例如图3所示，该具体实施例中，故障检测与接地保护系统外接4组充电硅堆di和吸能电阻ri、恒流充电机i、4个脉冲电容器ci、4个放电半导体开关ti和负载z。该实施例中各元件连接方式与图2所示具体实施例中连接方式一致，此处不再赘述。

具体的，该实施例中，所述发光二极管dgi包括3个并联的激光二极管，所述反向二极管dfi和发光二极管dgi的最大正向浪涌电流5000a；

所述隔离开关ks是一个通过电脉冲控制闭合的机械动作开关，分闸时动、静触头的开距为10cm，合闸动作时间设定为1ms；

所述半导体接地开关kt包括10个串联连接的晶闸管，其额定电压设定为40kv，最大正向浪涌电流为5000a，导通时间为200μs；

需要说明的是，根据电路实际需要，半导体接地开关kt也可以选用串联连接的mosfet。

所述每组脉冲电容器ci中电容器的容量为250uf，额定电压为20ky，每台电容器储能为50kj；

所述吸能电阻ri的阻值为500ω。

充电达值20kv后，若需要将储存的电能泄放掉，闭合隔离开关ks，脉冲电容器ci经由反向二极管dfi、发光二极管dgi、吸能电阻ri、隔离开关ks的路径对地泄放能量。此时发光二极管dgi发光，dgi发出的光经由光纤li传入光信号或门h，光信号或门h输出光脉冲给脉冲触发器p，脉冲触发器发出闭合控制信号给半导体接地开关kt和隔离开关ks，隔离开关ks继续保持合闸。由于此时半导体接地开关kt的阳极与阴极之间电位差很小，半导体接地开关kt收到闭合信号但无法导通，泄放电流继续沿隔离开关ks注入大地。流过吸能电阻ri的泄放电流在初始时最大，为40a，随后以指数衰减；以10倍时间常数计算，电容器储能全部泄放掉需要用时1.25s。

对于电容器主绝缘短路的故障，当脉冲电容器c1发生主绝缘短路时，对于其他组电容器c2～c4，由于放电半导体开关t1反向截止，其能量只能经由dfi、dgi、ri、d1的路径灌入c1。当c2～c4和c1的电压差大于dfi、dgi、d1正向导通电压之和时，dgi因为通过电流而发光。dgi发出的光经由光纤li传入光信号或门h，光信号或门h输出光脉冲给脉冲触发器p，脉冲触发器发出闭合控制信号给半导体接地开关kt和隔离开关ks。由于此时半导体接地开关kt的阳极与阴极之间有正向电压，因此在收到闭合控制信号后，半导体接地开关kt导通。经过半导体接地开关kt的导通时间2μs后，电容器c2～c4流过d1的故障电流被半导体接地开关kt旁路掉，电容器c2～c4经由dfi、dgi、ri、kt的路径泄放能量。经过隔离开关ks的合闸动作时间1ms后，隔离开关ks闭合，分流掉大部分c2～c4的故障电流，脉冲功率装置转入正常泄放状态。

本公开中应用了具体实施例对本公开的原理及实施方式进行了详细说明，以上实施例的应用，仅用于帮助理解本公开的使用方法及其思路，不构成对本公开应用场景的限制。本公开在具体实施方式及应用范围上根据实际情况均会有改变之处，在不脱离本公开技术方案所给出的技术特征的情况下，对技术特征所作的增加、变形或以本领域同样内容的替换，均应属本公开的保护范围。