相控开关技术

2024-06-28

相控开关技术（精选3篇）

相控开关技术篇1

相控开关技术是一种既可以保护电力设备, 又可以提高电能质量的关键技术。而且这些功能主要通过抑制电力开关在操作过程中的过量电压和涌流来实现的。但是在应用过程中, 发现仍然存在着一些技术问题, 为了更好实现相控开关技术的功能, 科研者要解决其关键问题, 并采取智能控制方法来对电力系统的相控开关技术进行控制, 让电力系统能够更安全地为人们服务。

1 相控开关技术的必要性

在电力系统运行过程中, 需要通过高压开关对电压系统进行控制和保护, 并调节电力系统在运行过程中所产生的负荷。工作人员主要是利用高压开关来对相应的电力设备或者相关的线路进行投切, 其中包括空载变压器、电抗器、空载线路以及并联电容器组的投切, 还有快速自动重合闸等操作行为。但是高压开关的投切在实施过程中开关都会出现暂态现象, 而且会产生过高的电压和涌流, 会对电力系统以及电力设备产生严重的损害, 如缩减了电力设备的使用寿命、容损坏电力设备的绝缘功能、输送的电能质量下降、继电保护系统出现紊乱等[1]。为了解决这些问题, 研发者使用了多种方法, 在高压开关中加入并联合闸电阻或者是避雷器, 但是这些方法都不能有效地抑制过度的电压和涌流, 通过多年的研发, 人们终于研发出一种相控开关技术。

2 相控开关技术的涵义以及工作原理

2.1 涵义

相控开关技术也可以称为同步开关技术, 相控开关技术主要是根据线路电压或电流相位的原理来对高压开关进行合理的控制, 尤其是在高压开关的合分时刻, 这样才能够有效地抑制电力系统在运行过程中所产生的过高的电压和涌流。一般来说, 为了能够解决电力系统中大功率器件在运作时开关出现损耗的问题, 都会采用软开关技术, 即零电压开关技术。相控开关技术也是一种软开关技术, 而且主要解决高压开关在操作过程中出现的电磁暂态问题。

2.2 工作原理

相控开关的结构主要包括两个方面, 高压开关以及相位控制单元。相位控制单元是关键部分, 也是关键技术, 相位控制单元主要是由电压或电流时间参考点检测电路、微机、报警和显示电路、操作命令的输入和输出接口等几部分组成的。相控开关技术的运作过程为, 首先, 控制单元接收到了随机的投入命令, 接着就会选择一个最近的参考电压的过零点作为时间起点, 并在此停留一段恰当的时间再发出控制指令, 当合闸涌流较小的时候就将电容器组投入到开关中的某个预期断口电压过零点[2]。将电容器组投入到控制单元中, 不仅可以让电力系统中的电压和合闸涌流以及电压和电流中的谐波含量减少, 还可以将电能质量提高。

3 相控开关技术的关键技术难题

相控开关技术能否在电力系统中发挥作用, 关键就在于能否准确地控制开关相位。电力系统在运行过程中, 相控开关技术会受到一些因素的影响, 尤其是控制单元。如控制单元容易受到数据处理时间、控制时间、开关的关合时间等。控制单元的数据处理和控制时间都是由微机完成的, 其准确度是以微秒级计算的, 由此可以看出其对于准确度的要求非常的高。在相控开关技术应用过程中面临着两大难题, 一是参考电压过零点的准确度检测方法;二是相控开关的合分时间分散性的处理技术。这两个关键问题都会严重影响电力系统的正常运行。下面我们就这两个关键问题进行分析, 并提出相应的解决方案。

3.1 参考电压过零点检测方法

为了更好地区分, 我们可以将参考电压看作是严格的工频正弦信号, 将电压峰值设为Um, 将初相位设为, 得出公式

当参考电压过零点的电压变化率达到最大值 (w Um) 时, 就会得到t2, 判别规则为

在 (3) 中k是常系数, 而且在实际测量中我们获取的是参考电压的采样序列, 采样点并不一定会直接落在过零点上, 这时候就需要采样线性插值法求得过零点, 最大误差的计算公式为

只要采样频率大于50k Hz, 所得到的误差就会在0.01ms之内, 完全不会影响电力系统的正常运作。

但是在实际应用过程中, 开关会受到噪声、脉冲以及谐波的影响, 所以参考电压的波形不可能是严格的正弦关系, 那么以上公式就会出现很大的偏差, 就需要进行改进。对于谐波影响的解决方法主要是采取在线的数字滤波技术方法, 这种方法的实施主要是以平滑参考电压为采样点, 并将数字低通滤波器的最低频率设置为100Hz。通过数字滤波技术滤波后的电压和电压导数波形都会变平滑, 这个时候在应用公式 (3) 就可以很简单地判别电压零点。

为了解决噪声对相控开关技术的影响, 我们进行了仿真分析, 通过分析后我们得出, 如果不利用数字滤波技术对其进行滤波就直接进行计算的话, 就无法进行参考电压零过点的判别, 而且随机背景噪声峰的峰值无法达到0.5pu[3]。但是如果通过滤波后参考电压和导数波形就会得到平滑, 再利用公式 (3) 就可以很简单地判别电压零点。而且就算峰值低于0.5pu, 也可以准确地检测出参考电压的过零点。

电力系统在进行运作时, 其母线电压易受到各种瞬态脉冲的干扰, 就会影响参考电压过零点的检测结果。这时候就需要采用数字滤波技术, 微机通过使用在线滤波技术只要存储5个采样点, 这样就可以得到正确的导数波形, 就可以得到最准确的参考电压过零点的结果。

3.2 相控开关的智能控制策略

另外一个制约着相控开关技术应用的关键难题就是开关的关合或开断时间的分散性, 影响开关关合的因素主要是温度、海拔高度、湿度、操动机构控制线圈电压等。为了将相控开关技术实体化, 工作人员要将关合时间的分散性必须控制在0.5ms以内, 才能够准确地控制合闸相位, 但是这个要求非常难以实现。通过无数次的实验, 我们终于发现可以采用快速驱动的开关技术来控制分散性, 而且有时候分散性甚至能够控制在2.3ms以内。而且为了更准确地实现相位控制的准确度, 我们可以将人工神经网络技术应用于相控开关技术, 这种技术不仅可以控制开关的分散性, 还可以提高电能质量[4]。

4 结语

为了使相控开关技术在电力系统中发挥出最大的功能, 就必须了解相控开关技术的涵义及工作原理, 并了解影响其发挥的两个关键技术问题, 利用数字滤波技术准确地判别出参考电压零过点, 采取快速驱动的开关技术或者是人工神经网络技术来准确控制开关合分时间的分散性。

参考文献

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[4]唐博, 彭安金, 王高丰, 等.采用选相位关合技术消除变压器空载合闸的励磁涌流[J].电气开关, 2010 (3) :22-25

相控开关过电压保护器故障分析篇2

五头变三组无功集中补偿电容器在室外布置, 以三根10k V电力电缆自高压室内五容柜引出, 户外电缆终端装设10k V户外避雷器。五容柜内采用AB+C分相操作户内开关模块 (ISM/TEL 12-31.5/1250-114C) 的三组分相真空永磁相控开关, 断口并联过电压保护器。

2013年5月28日中午14时, 五头变补偿电容器未投入, 三组相控开关均在热备位置。站内10k V出线配电变压器故障引起系统发生A相接地, 7分钟后五容柜内三组相控开关的C相断口保护器发生过压过热燃烧, 致使相间短路。短路点发生在出线保护TA电源侧, 又属主变近区短路, 造成该站主变及35k V进线开关同时跳闸。经现场全面检查五容柜内故障现象有:

(1) 三组相控开关的C相断口保护器1-3MOA3已彻底击穿, 其中第三组已经塌落; (2) 1#相控开关C相真空泡的绝缘层被击坏; (3) 3#相控开关极柱保护壳因燃烧而受损; (4) 柜内隔离开关下侧C相母排的一个折弯角因短路有放电痕迹; (5) 柜内C相的2个支撑绝缘子受损; (6) 3#相控开关本体至航空插头部分的二次控制线的绝缘表层灼伤。

2 故障分析

(1) 系统发生接地前的无功补偿电容器接线及运行情况。五头变10千伏系统发生接地前主变轻载, 三组无功补偿电容器均未投入, 五容柜内的三组无功补偿相控开关1-3QF均在热备用位置。

此时相控开关的断口电压依靠断口避雷器的阻值来分配, 三相断口电压均衡, 为相电压, 此时工作是正常的。

(2) 发生接地情况后的故障分析。以1#相控开关为例进行分析, A相发生单相接地故障时, 五容间隔设备除真空永磁开关外所有的隔离刀闸都是闭合的, 由过电压保护器MOA1-6接地点之间构成了导电回路。此时MOA1、MOA4-6均有一点接地, 并且由于电容器工频阻值相对避雷器阻值较小, 忽略不计算, 故认为6只避雷器均有一点等电位, 见图1。

假定6只避雷器阻抗相等, 均为Z, 此时电容器中性点电压Uq将发生偏移。即由于中性点电压偏移, 将导致B、C相断口电压升高, B、C相断口过电压保护器工作电压升高, 非线性电阻阀片动作, 因为泄漏电流比较小, 线路保护不会动作, 而持续泄漏电流导致过电压保护器过热燃烧。三组相控开关同处一室, 电气距离较小, 过电压保护器燃烧引发相间短路。

3 结论

相控开关技术篇3

现代电子技术在军事斗争及武器装备的广泛应用,使得争夺电磁频谱的主动权,即制电磁权,成为现代化信息战争的最明显特征。制电磁权的基础为电子情报的侦察与分析。传统的电子情报处理方法为计算机与专家系统相结合的半自动处理方式,全自动处理的情报虚警率较高。对于相控阵雷达的高变化,伪随机变化射频信号,此种方法速度低、精度差,已经无法满足现代信息化战争对电子情报的需要。利用仿真工具对相控阵雷达进行信号级仿真,能够获得电子情报侦察接收机的实际接收信号模型;能够有效提高电子情报处理的分析速度和精度,尤其相控阵雷达的多变发射的方式、伪随机变化的射频信号发射参数对于电子情报侦察的影响,此方法效果较好。

1 影响电子情报因素分析

1.1 电子情报的意义与内容

广义的电子情报是指从感兴趣的信号截获的信息,其信号为任何非通信辐射信号。狭义的电子情报特指对雷达系统发射的信号进行观测的结果,目的是获得有关雷达的各类信息。文中的电子情报即指后者。电子情报的价值在于能够及时提供有关威胁系统(如引导飞机或导弹飞向目标的雷达)的信息,也能够提供有关防御系统的信息和为电子进攻提供重要的情报。电子情报依据用途可分为两大类:雷达电子侦察情报和电子支援情报。雷达电子侦察情报是指根据侦收到的雷达装备的射频信号经过信号处理和数据处理所获得的雷达装备信息。电子支援情报通常是指地方雷达所处战斗态势和电子攻击样式的情报。

电子情报的生成流程如图1所示。

电子情报的生成可分为五个步骤:

(1) 电子情报接收机对侦收到的雷达射频信号进行测量,获得雷达系统全脉冲数据;

(2) 对雷达系统全脉冲数据进行分选和处理,获得雷达系统辐射源数据;

(3) 对雷达系统辐射源数据进行脉内分析和识别获得基于雷达工作样式的雷达电子侦察情报;

(4) 基于已有的雷达原理信息,利用仿真模型作为工具,对雷达电子侦察情报进行雷达系统内部工作机理研究,以求达到对辐射源进行个体识别的目的;

(5) 应用雷达系统内部工作机理研究获得的雷达战术情报获得电子支援情报;最后,将获得的雷达支援情报直接应用于反辐射打击,电子压制等电子进攻作战,此部分是电子支援情报应用的一个重要部分。

1.2 电子情报侦察方程

文献[1]中指出,在自由空间中,电子情报接收机接收到的雷达发射信号电平可由下式进行描述:

其中:SE为电子情报接收机处的信号电平;GTE为电子情报接收机方向上雷达发射天线增益;GE为雷达发射天线方向上的电子情报接收机接收天线增益;RE为从雷达发射天线到电子情报接收机天线的距离;λ为雷达波长;LT为雷达发射机到天线的射频损耗;LE为电子情报接收机从天线到接收机前端的射频损耗。

进行分析可以得出影响电子侦察接收机接收端信号功率的主要因素有:电子情报接收机直接测量的雷达系统全脉冲数据为信号到达时间,信号到达角,信号载频、信号脉宽、信号幅度。文献[2]中指出接收机的最主要参数接收机灵敏度的定义为:接收机及输入端需要的最小信号功率。仅有在接收功率大于灵敏度时接收机才可以截获射频信号。因此,在信号环境、信号调制和侦察系统本身的适应能力等外界条件不变的情况下,从信号本身的角度考虑,测量参数主要取决于电子情报接收机处的信号功率。

1.3 相控阵雷达仿真模型应用于电子情报侦察影响研究

由于相控阵雷达采用能够快速扫描和自适应控制的雷达天线同时配合固态雷达发射技术和软件化雷达技术使得相控阵雷达拥有许多传统雷达不具备的特点,主要有:能够执行多目标搜索、跟踪与多种不同种类雷达作战任务;能够实现雷达系统最优化工作方式管理;能够实现高搜索数据率和跟踪数据率;能够实现空间滤波能力和自适应空时处理能力;能够实现大功率孔径乘积与可变功率孔径乘积;能够实现天线孔径与雷达平台的共形;能够实现低可探测搜索,自适应反干扰接收等多种电子反对抗技术;能够实现雷达、电子对抗和通信设备多种装备的射频系统共用功能。

由于相控阵雷达具有许多传统雷达不具备的特点,因此传统的通用雷达系统已无法满足电子情报侦察的影响研究的需要。基于以上相控阵雷达的各特点,可以得出以下应用于电子情报侦察的影响研究的相控阵雷达仿真模型的具体技术要求:

(1) 仿真模型应为一基于作战效果的自适应仿真系统。

(2) 仿真模型应可以对系统所处状态进行管理与控制。

(3) 仿真模型应具有高搜索数据率和跟踪数据率。

(4) 仿真模型应具有实现空间滤波能力和自适应空时处理能力。

(5) 仿真模型应能够模拟低可探测搜索,自适应反干扰接收等多种电子反对抗技术。

2 应用于电子情报侦察影响研究的相控阵雷达仿真模型

2.1 应用于雷达截获信号的影响研究的相控阵雷达仿真系统

基于电子情报侦察的影响研究的相控阵雷达仿真模型的具体技术要求,重新设计相控阵雷达仿真系统,如图2所示。

对相控阵雷达仿真的目的是获得相控阵雷达自适应变化的射频信号。依据此目的可对相控阵雷达系统进行等效。由雷达反对抗控制系统、发射系统和发射天线系统组成相控阵雷达仿真系统的发射链路。由接收天线系统、接收系统、信号处理系统和数据处理系统构成相控阵雷达仿真模型的接收链路。录取控制系统作为控制系统连接接收与发射系统。由于仿真的目的为获得相控阵雷达的射频信号,因此对于接收链路可以将其等效为对录取、控制系统内雷达工作参数表变化的影响。设仿真开始时,雷达的接收信号为零,按照预设参数发射理想信号。当接收系统接收到目标回波后,则依据回波信号选择最优的发射参数进行发射,依据此方法可以得出相控阵雷达仿真系统的仿真技术重点为相控阵天线线阵和阵列综合技术及发射数字波束形成技术。

2.2 线阵和阵列综合技术的仿真

泰勒线源综合法是一种十分有效的描述理想状态下天线线阵和阵列方向图的方法。更为重要的是经过改进的n参数修正方法能够有效抑制副瓣和约束零点位置。因此n参数泰勒线源综合被广泛应用于相控阵雷达天线的发射波束。

Taylor n参数分布线源综合法能够有效约束波瓣图零点的位置,同时可对副瓣进行有效的抑制。Taylor用sinc(πφ)作为基本函数,通过调整近区零点位置,形成方向图:

式中:φn为方向图的零点位置;当undefined时,undefined;当undefined时,φn=±n;σ为波束扩展因子,此参数的作用在于使前undefined个旁瓣能平滑过渡到1/U包络,undefined;undefined表示有undefined个旁瓣受到控制。

2.3 发射数字波束形成技术的仿真

多波束天线具有探测范围大、数据录取率高、覆盖空域大等诸多优点,因此在雷达发射波束中得到了广泛应用。发射数字波束形成是将传统相控阵发射波束形成所需要的幅度加权和移相从射频部分放到数字部分来实现,从而形成发射波束。

空域内一点射频能量为:

式中:Ai为第i个阵元辐射能量;Wi为第i个阵元的权系数;Fi(u)为第i个阵元的天线图函数。

采用最大输出信噪比准则能够有效抑制天线、馈线系统带来的射频噪声,因此被广泛应用于发射波束控制领域内。最大输出信噪比准则的准则内容为:

设第i个阵元所感应的复振幅为:

xi=sde-j(i-1)βd

式中:βd为所需信号的复振幅,undefined。

加权输出为:

阵列输出的信号功率为:

2.4 相控阵雷达系能量管理技术的仿真

相控阵雷达由于其全系统均可实现捷变,以此必须利用反馈和最优化技术对雷达工作状态进行管理选择最有效的工作方式。对相控阵雷达发射的能量进行管理,能够使发射能量达到最大利用率。

传统雷达的扫描方式为一定角度内的均匀扫描和对某一批目标的连续跟踪,无法解决瞬时探测范围与跟踪精度之间的矛盾,而相控阵技术能够有效解决此矛盾。相控阵技术采用数字形成多波束的方法获得最大的能量利用。设雷达天线在扫描时,每个波束位置要驻留N个脉冲,则单位仰角波束内的辐射能量密度为:

式中:φV为仰角波束宽度。

立体空域里的总能量为:

当n=0时,为等能量分布,所用能量最大:

能量管理的原则如下:

以指定空域为约束条件使得能量节约因子最大。经分析可以得出制约能量节约因子的参数包括:天线增益、仰角功率、波束驻留时间。

3 相控阵技术对雷达截获信号的影响分析

3.1 空间某点雷达截获信号射频模型

由于线性调频信号能够有效解决距离分辨率和多普勒分辨率两者兼顾的问题,因此相控阵雷达的发射信号多采用线性调频信号,本文中也采用线性调频信号作为仿真模型信号。线性调频信号可用下式进行表示:

对相控阵雷达的射频信号进行仿真,仿真结果如图3～图11所示。

图3～图9中横坐标为时间(μs);纵坐标为归一化处理后的信号幅度(V)。图10～图11中横坐标为天线方向与正北方向夹角的正弦值;纵坐标为归一化后的天线功率谱。

3.2 结论

(1) 运用已有的信号规律描述侦察到的相控阵雷达信号是十分困难的。图4中的信号是实际射频信号,由于其采用的多脉冲技术,四个脉冲相叠加使得侦察时将其误认为是相位编码信号,使得判断失误。

(2) 比较图9～图11可以发现,由于发射波束的高速随机性位置转换,其发射天线的主瓣驻留时间缩短至普通天线驻留时间的1/10 。因此使得利用侦测主瓣侦察方法的作用距离大大降低。

(3) 比较图9～图11可以发现相控阵天线的副瓣已达到-40 dB,即使在不使用自适应零点对正技术的情况下,仍然很难侦测到天线的副瓣。因此对于侦测雷达天线副瓣的侦察方法影响较大。

3.3 相控阵技术对电子情报侦察的影响

(1) 相控阵雷达技术的广泛应用使得雷达射频信号的变化速度大幅度提高,变化形式多种多样。应用已有的信号变化规律已经很难详细说明雷达射频信号的特点。

(2) 相控阵技术在天线电子扫描方面的广泛应用,使得发射波束变化迅速且波束宽度极窄。因此,使得依靠对雷达发射天线主瓣的侦察的方法的作用距离大幅度下降。

(3) 相控阵技术和自适应线阵综合技术使得天线获得比传统天线低很多的天线副瓣,使得依靠侦察副瓣方法的侦察设备侦察效果大幅度下降。

摘要：针对相控阵雷达技术引起的射频信号复杂多变的问题,提出一种基于对雷达射频信号进行动态信号级仿真的雷达侦察数据分析方法。对典型相控阵雷达系统应用的相控阵雷达技术进行了分析,并运用Matlab 7.0仿真工具软件对相控阵雷达射频信号进行了实时信号级仿真,获得了射频信号模型,分析了相控阵技术对电子情报侦察的影响。

关键词：相控阵,电子情报,侦察,雷达射频信号

参考文献

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