基于TSC/TCR式消弧線圈的晶閘管控制電路的設計方案

一、引言

在電力系統中，當電網的對地電容電流較大時，特別是在使用電纜線路時，接地點會形成較大的電弧，這對電力系統的安全運行構成嚴重威脅。消弧線圈的應用可以有效地熄滅這些電弧，從而提高供電的可靠性和安全性。基于TSC/TCR式消弧線圈的晶閘管控制電路是一種先進的設計方案，它通過改變消弧線圈的感抗值，從而調整其電感值，以補償電網的容性電流。本文將詳細介紹該設計方案，包括主控芯片的型號及其在設計中的作用。

二、TSC/TCR式消弧線圈的工作原理

TSC（Thyristor Switched Capacitor）即晶閘管投切電容，由三組容量比為1:2:4的電容和晶閘管開關組成。通過控制晶閘管的通斷，可以使得二次側投入的電容值按照一定規律變化，這種調節是分級的、不連續的。TCR（Thyristor Controlled Reactor）即晶閘管控制電抗器，由電抗器和晶閘管開關構成，通過控制晶閘管的觸發角，可以改變等效電抗，其電流在一定范圍內連續變化。

通過消弧線圈控制器測算電網的電容電流值，計算需要投入的電容值與電感量，電容由TSC控制電路投入，電抗由TCR觸發電路投入。這樣，可以實現對電網容性電流的精確補償，從而消除電弧。

三、晶閘管控制電路的設計

1. TSC控制電路的設計

TSC電路的核心是電容器的投切過程，電容器在投切過程中會有較大的沖擊電流，可能會損壞晶閘管。因此，需要在輸入的交流電壓與電容上的殘留電壓相等，即晶閘管兩端的電壓為零時，將其首次觸發導通。

（1）過零檢測電路

過零檢測電路能夠在輸入信號過零點時輸出過零脈沖。正弦信號經過不可控整流橋后，在B點產生只有上半周、周期為π的正弦波，經過運放與一接近于零的電壓進行比較，在C點產生過零時刻的脈沖。

（2）晶閘管過零觸發電路

晶閘管過零觸發電路將電壓過零檢測電路生成的過零脈沖作為觸發信號的基準。當控制器需要投入某一組或幾組晶閘管時，會由采集卡發出對應的高電平信號，此高電平信號和C點信號作“與”，在D點產生過零投切信號。由NE55時基電路產生頻率5kHz的脈沖，與過零投切信號作“與”，形成脈沖序列。該序列經過三極管的功率放大作用后，通過脈沖變壓器PM輸出雙向反并聯晶閘管組的驅動信號。

2. TCR控制電路的設計

TCR電路的核心是對晶閘管觸發角的控制。本文采用德國西門子公司的TCA785芯片作為觸發電路，該芯片由模擬電壓的大小控制晶閘管的觸發角。

（1）觸發角的控制

在控制器中預先存儲連續調節時電感量（存在微小級差）所對應的觸發角，由采集卡給出相對應觸發角度的模擬電壓值。芯片輸出的觸發脈沖到脈沖變壓器，經過三極管和脈沖變壓器的放大隔離作用，實現對晶閘管的觸發控制。

（2）硬件電路設計

在硬件電路的設計中選用了思泰基sx-340作為控制器的主板、中泰PM511P作為數據采集卡。設計了TCR觸發電路，其中包括TCA785芯片及其外圍電路。

3. 主控芯片的型號及其作用

（1）TCA785芯片

TCA785是西門子公司生產的一種高性能的晶閘管觸發芯片，它可以通過模擬電壓的大小來控制晶閘管的觸發角。在本設計方案中，TCA785芯片被用作TCR電路的觸發電路，通過調節觸發角來改變等效電抗，實現對電網容性電流的連續補償。

TCA785芯片具有高精度、高穩定性和高可靠性的特點，可以確保TCR電路的精確控制。此外，它還具有良好的抗干擾能力，能夠在復雜的電磁環境中穩定工作。

（2）NE55時基電路

NE55是一種常用的時基電路，它可以產生穩定的頻率信號。在本設計方案中，NE55時基電路被用來產生頻率5kHz的脈沖信號，該信號與過零投切信號作“與”，形成脈沖序列，用于驅動TSC電路中的晶閘管。

NE55時基電路具有工作穩定、頻率準確的特點，可以確保TSC電路的精確投切。此外，它還具有較高的抗干擾能力，能夠在復雜的電磁環境中穩定工作。

（3）數據采集卡（PM511P）

PM511P是一種高性能的數據采集卡，它可以對電網的電容電流進行實時測量和采集。在本設計方案中，PM511P數據采集卡被用來采集電網的電容電流值，并將其傳輸給控制器進行計算和處理。

PM511P數據采集卡具有高精度、高采樣率和高可靠性的特點，可以確保電網電容電流的準確測量。此外，它還具有良好的通信接口，可以與控制器進行高速數據傳輸。

（4）控制器主板（sx-340）

sx-340是一種高性能的控制器主板，它具有強大的數據處理能力和豐富的接口資源。在本設計方案中，sx-340控制器主板被用來作為消弧線圈控制器的主控芯片，負責接收數據采集卡傳輸的電網電容電流值，進行計算和處理，并輸出控制信號給TSC和TCR電路。

sx-340控制器主板具有高性能、高可靠性和高擴展性的特點，可以滿足消弧線圈控制器的復雜控制需求。此外，它還具有良好的人機交互界面和編程環境，方便用戶進行參數設置和程序編寫。

四、軟件設計

在硬件電路的基礎上，對控制器的軟件系統進行了設計。控制器的操作系統為DOS 6.22，編譯環境為Turbo C 2.0。用C語言編寫了控制器人機界面、參數設置、時間設置、自動跟蹤補償、故障記錄等程序。

在自動跟蹤補償程序中，用三點法循環檢測電網電容電流；利用中性點瞬時值電壓迅速判斷接地故障；采用查表法確定所需投入的電容組別及晶閘管觸發角。這樣可以實現對電網容性電流的實時補償和精確控制。

五、實驗驗證

在10kV配電網靜態模擬系統上對消弧線圈樣機進行了實驗驗證。實驗結果表明，該消弧線圈及其控制器具有優良的性能，可以有效地熄滅電網中的電弧，提高供電的可靠性和安全性。

六、結論

基于TSC/TCR式消弧線圈的晶閘管控制電路是一種先進的設計方案，它通過改變消弧線圈的感抗值，從而調整其電感值，以補償電網的容性電流。本文詳細介紹了該設計方案的工作原理、硬件設計、軟件設計以及實驗驗證結果。實驗結果表明，該設計方案具有優良的性能和可靠性，可以有效地提高電力系統的安全性和穩定性。

在未來的研究中，可以進一步優化該設計方案的控制算法和硬件電路，提高其響應速度和補償精度。同時，也可以將該設計方案應用于更廣泛的電力系統領域，如配電網、風電場等，以提高其整體的可靠性和安全性。