CN101682188B - 用于对位于远处的负载进行电力传输的电力站 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力的分配、监视和安全。本发明包括用于输送电力的电力馈给站PFS。所述PFS包括低压侧LVS、高压侧HVS以及被配置成输送高压侧上的高压单相交流电流的变压器TF。电力能够经由电缆被分配给一个或多个电力接收站PRS。所述电缆被配置成对电力馈给站所输送的电流对称的单相电流进行分配。所述电缆能够优选为以屏蔽作为电流返回路径的同轴电缆。本发明还包括设置在高压侧上的电流传感器单元CSU。用于测量电流CD的特性的装置能够包括与高压侧没有电流接触的线圈。断路单元CBU适于断开位于低压侧上的电流。控制功能CF被配置成基于安全规则和电流CD的特性来激活断路单元。还能够将电流的特性和其它系统信息SI递送到信息单元IU。

Description

用于对位于远处的负载进行电力传输的电力站

技术领域

本发明涉及电力(power)分配。更具体地其涉及电力的分配、监视(supervision)和安全。

背景技术

有时希望向远离电力基础设施的用电设备提供电力。对此问题存在若干解决方案。一种获得电力的方式是具有本地放置的引擎发电机(engine generator)。有时使用三相高压配电线路。被称作单线接地回路SWER的系统使用一个相位的单线电缆。其能够传送从6kV到19.1kV的单相高压电流。其是针对高达500kW的功率而制的。

正常情况下，这些解决方案中所出现的问题涉及电阻性压降、干扰敏感度以及故障检测，例如接地故障检测、相位故障和相位丢失。一些系统复杂且昂贵，并且有时维护成为重要的问题。所述解决方案还存在遵守地方当局安全规章的问题。

能够设置在远离电气基础设施之处的小型用电设备的一个示例是电信设备，诸如无线电基站。经常将具有后备电池的两个柴油发电机用于本地产生的电力。这要求高成本的维护机构并且站点操作可靠性依赖于功能完善的(well-functional)后勤机构和这些站点的可达性(accessibility)。有时，已经使用了高压配电系统，例如12kV或24kV的三相配电线路。对于较短距离，有时使用1kV。

本发明的目的是克服上述缺点。

发明内容

本发明涉及电力的分配、监视和安全。本发明包括用于输送电力的电力馈给站PFS。所述PFS包括低压侧LVS、高压侧HVS以及被配置成输送高压侧上的高压单相交流电流的变压器TF。电力能够经由电缆被分配给一个或多个电力接收站PRS。所述电缆被配置成对电力馈给站所输送的电流对称的单相电流进行分配。所述电缆能够优选为以屏蔽作为电流返回路径的同轴电缆。

本发明还包括电流传感器单元CSU，其包括用于测量电流CD的特性的装置CL、105，用来接收电流的特性的装置106以及用来将电流的特性递送到控制功能CF的装置101。所述电流传感器被设置在高压侧上。用于测量电流CD的特性的装置能够包括与高压侧没有电流接触的线圈。

适于断开电流的断路单元CBU被设置在低压侧上。控制功能CF被配置成基于安全规则和电流CD的特性来激活断路单元。

所述控制功能CF包括用于接收电流的特性的装置和用于激活断路单元的装置。

用于测量电流的特性的装置还能够包括用于测量从电力电缆屏蔽到周围材料的通地漏泄(earth leakage)电流的值的装置105以及用于测量电缆屏蔽电流的装置CL。监视系统接着能够测量由通地漏泄电流与电缆屏蔽电流之间的相位角所构成的电流的特性，并且针对断路器单元的激活而考虑所述相位角。

还能够将电流的特性和其它系统信息SI递送到信息单元IU。

现在将结合附图借助于优选实施例来对本发明进行更为详细的描述。

附图说明

图1描绘了具有一个电力接收站的远程电力系统。

图2描绘了同轴电缆的横截面。

具体实施方式

远程电力RPS是一种电力解决方案，其提供了对向远离现有供电网络并且在广大地理区域上分布的用电设备(例如，电信单元)提供电力进行看管的便利、安全且成本有效的方式。所述系统即使在长达100km的距离也能正常工作。优选地，电力为1-1000kW。所述系统不易引起如磁干扰之类的外部扰动，具有敏感的监视系统并且提供高度的人员安全。能够使用中央储备电力并且使得为用电设备储备电力和电池后备的需要得以最小化。其是在高压侧上具有很少电气设备的鲁棒且可靠的系统。

图1图示了远程电力系统RPS，其包括具有低压侧LVS和高压侧HVS以及变压器TF的电力馈给站PFS、用于在PFS和PRS之间传输电力的高压配电电缆CC、电力接收站PRS、用于测量高压侧上的电流CD的特性的电流传感器单元CSU，以及能够基于安全规则(SR)集来激活断路单元CBU的控制功能CF。

所述系统包括中央电力馈给站PFS，PFS包括用于输入电力的低压侧。典型地，PFS得到来自中央电力站的电力或者被连接到现有的电气基础设施。典型地，输入为两相的230-400伏的AC，即低压。PFS还包括用于向电力接收站PRS分配电力的高压侧。PFS中的变压器TF处理从低压到高压的变换。输出能够为数千伏，对于该实施例而言，2-20千伏是最为适宜的。在输入电流不是单相的情况下，变压器还将电流变换为单相。用于在系统故障的情况下断开电流的监视系统被连接到PFS。监视和信号设备还能够连接到PFS以及不同类型的后备，即电池后备系统。

在配电阶段使用高压给出低电流的结果。这使得系统更加成本有效并且监视系统更加可靠。

电流通过高压配电电力电缆进行分配，所述高压配电电力电缆适于传送电流对称的单相电流。其能够是同轴类型的电缆，其中屏蔽(SH)被用作电流返回路径。所述电缆能够优选为外径约10-30mm且能够被置于地面、水中或者悬挂于空中的具有同轴构造的XLPE绝缘电缆。所述系统的工作范围将达至少100km的距离。如果使用同轴设计，则能够忽略磁场并且所述电缆能够被设置得靠近其它敏感设备(即，电信电缆)而没有磁干扰的风险。同轴设计还使得电缆或多或少地免受外部电磁脉冲的影响，例如过压的雷电。这对于能够获得敏感且可靠的监视系统而言也是很重要的。故障检测系统将较少受到外部电磁干扰的影响。

在电力接收站PRS，电压能够被向下变换为低压，典型地为230伏的AC。若干PRS能够被串联连接并且仅需要一个备用系统以及一个安全和监视系统，正常情况下被设置得靠近电力馈给站。还能够使用环形结构。为了获得更好的性能，还可以将若干电力馈给站连接到系统。

利用低压侧上的一次低压熔断器和断路器来实现保护和控制。不需要高压熔断器。用于故障检测的传感器被置于高压侧上。电流传感器单元CSU被置于PFS中的高压侧上或者高压单相同轴电缆CC上。CSU不必是中央单元，而是还可以是具有不同测量点的分布式单元。CSU能够包括图1中的线圈CL，其与用于测量电流幅度的高压侧没有电流接触。在同轴电缆的情况下，线圈中所感应的电流通常非常低。这是由于电缆的对称同轴结构的缘故。这使得可能令电流传感器非常敏感。监视系统还能够包括用于测量线圈所测量的总电缆电流与电容性漏泄电流之间的相位角的装置。这是为了得到能够在电容性通地漏泄电流很大时检测到主要电阻性故障电流的敏感监视系统。

电流传感器单元CSU具有用于检测电流CD的特性并将其递送到控制功能CF的装置。电流特性的示例为电流与电压之间的相位角以及传入和传出电流的幅度差和相位差。

为了避免昂贵和复杂的高压设备，在电力馈给站PFS的低压侧上设置断路单元CBU。控制功能CF能够根据特定的安全规则SR以及CSU所递送的电流CD的特性来命令CBU切断电流。

使得控制功能激活电流断开单元的一些电流特性的示例：

-传入电流与传出电流之间的幅度差大于跳闸(trip)值D1，

-电流与电压之间的相位差大于值P1，

-电流幅度大于C1。

CF还能够向图1中的信息单元IU递送图1中的系统信息SI。例如，所述系统信息能够是关于电流(CD)的特性的信息或者关于断路单元(CBU)已经被激活的信息。IU能够是具有可读的系统状态数据或者不同警报功能的显示屏。并非系统中每种故障都必须引起电流的切断。例如，如果传入与传出电流之间的幅度差大于参考值D2，则这可以作为信令消息被发送给信息单元。在这种情况下，这可以是由于同轴电缆的外护套缺失的事实。然而，还可能的是在缺失外护套的情况下操作系统，但是其应当在电缆屏蔽开始腐蚀之前被修复。能够向信息单元发送的其它信息示例：

-断路单元的状态，

-电流和电压的幅度，

-电流与电压之间的相位差。

希望在具有敏感的系统的同时具有在没有任何可预测原因的情况下不切断电力的系统。为了获得功能完善的断路和信令系统，监视系统与远程电力系统的特定性能相适应。

在远程电力网络中，通常使用同轴类型的电力电缆，并且接着使用电缆屏蔽作为电流的返回路径。所述屏蔽主要具有在屏蔽中引起压降的电阻性阻抗。根据欧姆定律，压降为

U＝R*I

这里忽略了屏蔽阻抗的电感部分。

这意味着沿着电缆屏蔽会有电势差。大的电流和大的电阻给出沿电缆的大的电势差。屏蔽中的电压能够驱动电流，这将在以下进行描述。

电力电缆周围的地作为电流的导体，因此电缆屏蔽导体和地“导体”将充当电容器。电容和屏蔽电压将引起电容性漏泄电流，这会影响在相位与返回电流()之间的理想状态下将会出现的正常对称。如果总漏泄电流很大，则正常接地故障继电器的跳闸值就必须被设置为大值，因此继电器的敏感度随大的漏泄电流而降低。

在大的漏泄电流的情况下，能够使用相位角敏感的接地故障继电器。所述继电器考虑电容性漏泄电流来提高对主要电阻性接地故障电流的敏感度。相位角敏感的故障检测单元测量变压器中性点(neutral)与地之间的阻抗上的零序电压。所述电压依赖于在地面中流动的总电流。所述电压被继电器用作参考值来测量电缆中的电流的相位角。在接地故障的情况下，将在屏蔽中出现主要电阻性电流，这会改变零序电压与总电缆电流之间的角。所述相位角被用作跳闸值来向例如IU或CF给出信号。电容性电流必须被测量或计算为能够对继电器进行适当调整。

所述电缆屏蔽和周围的地能够被近似为圆柱形电容器，其中内部导体为屏蔽且外部导体为接地电流流过的地。在所述导体之间具有两个绝缘介质，电缆套和地。根据材料，介质的折射率为ε_jacket，例如，乙烯套的值为2.3。

ε_earth依赖于地面中的湿度条件并且由此是沿电缆的路径的函数。ε_earth≈80表示水，而ε_earth≈10则表示非常干燥。对于周围地面的折射率而言，正常的平均值通常可以为20。

屏蔽与地之间的电容能够写为

$C=\frac{2*\mathrm{\π}{\mathrm{\ϵ}}_0}{\frac{1}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{jacket}}}\ln (b/a)+\frac{1}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{earth}}}\ln (c/b)}*L$

L是电缆的长度，a是到屏蔽的外部的半径，b是到套的外部的半径，并且c是到假想(imaginary)接地导体的半径。

这是根据以下假设：电缆长度与电缆半径相比非常长[仅在径向上定向E-field(电场)]。

图2示出了电缆的横截面，a与b之间的区域是电缆套(CJ)，而b与c之间的区域是地、空气和水。值a、b是电缆尺寸，但是距离c并不精确并且正常情况下必须被估计，接地电流通常在距电缆20-40米的距离处流动。在计算中，通常使用20米的值。

通过屏蔽电阻与流过电缆的总电流来确定屏蔽中的压降。屏蔽电阻R是取决于屏蔽导体的面积的固定值。

总电流依赖于系统中的有功(active)负载、系统电压和电缆中所产生的无功功率(reactive power)。假设系统具有PFS站和一个PRS。网络中所产生的总电流I在屏蔽中被从接收站带回馈给站。所述电流具有由电缆相位与屏蔽之间的电容性发电所产生的电阻性部分和无功部分。这引起从PRS到PFS的压降，

U_max＝R_screen*I

$I=\sqrt{{\left(\frac{P}{U}\right)}^2+{(\mathrm{\ω}*C*L*U)}^2}$

P＝系统中的有功负载

U＝系统高压

L＝各站之间的电缆长度

ω＝角频率

C＝每km的电容[μF/km]

屏蔽电阻R对于实际使用的电缆而言是固定的。压降将在各站之间产生电势差，在计算电容性漏泄电流时，必须使用各站之间的电压的平均值而不是总电势差，沿电缆屏蔽的平均电势为

U_average＝U_max/2

通过屏蔽电压、电流频率以及屏蔽与地之间的电容来确定到地的电容性漏泄电流

I_earth＝ω*C_screen-earth*U_screen

现在能够计算两个站之间的总接地电流以得到PFS与第一PRS之间的不对称电流、电容性漏泄电流

$I_{\mathrm{earth}}\≈\mathrm{\ω}*\frac{\sqrt{{(P/U_{\mathrm{phase}})}^2+{(\mathrm{\ω}*C_{\mathrm{phase}-\mathrm{screen}}*U_{\mathrm{phase}})}^2}*R_{\mathrm{screen}}*L}{2}*\∫\frac{2\mathrm{\π}{\mathrm{\ϵ}}_0}{\frac{1}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{earth}}\left(L\right)}\ln \left(\frac{b}{a}\right)+\frac{1}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{jacket}}}\ln \left(\frac{c}{b}\right)}\mathrm{dL}$

当然，此概念可被用于具有多于一个PRS的系统。屏蔽电压将相对于馈给站沿电缆而增加，但是电压升高将越来越小，原因在于从更外部的站所看到的有功负载和电抗器(reactor)功率更小，因此系统中更外部的屏蔽所承载的电流更小。

如果电缆长度很短并且负载很小，则屏蔽中的压降就很小。在这种情况下，电容性漏泄电流相对会小，比如说50mA。另一方面，当电缆长度很长时，漏泄电流就很大，并且故障检测单元所使用的不对称电流跳闸值必须被设置为大值以便不会在正常状态模式下跳闸。

在这种情况下，对高阻抗接地故障的敏感度是相对差的。为了提高敏感度，使用电容性漏泄电流与电缆中的不对称电流之间的相位角作为跳闸值。在接地故障的情况下，将出现主要电阻性电流(这将改变电流之间的相位角)，向IU或CF发送信号。

为了使得CSU在检测与系统故障相关的电流CD的特性方面尽可能敏感，希望使得电容性电流最小化。这在电容性电流为电缆中电流的近似大小时尤其重要。由此，电缆材料、AC电压和频率将适于使得电容性电流尽可能小。较低的频率(即162/3Hz)将把电容性电流减小为在50Hz时的电容性电流的1/3。用来适配电缆结构的一些示例为在电缆外侧使用厚的绝缘层，使用具有低的介电常数的绝缘材料或者使绝缘材料发泡。

然而，一直会存在一些电容性电流并且监视系统会将该电流纳入考虑。在确定跳闸值D1时会考虑电容性电流。如果电缆被损坏或出现其它故障，这会引起将超过跳闸值D1的附加电流，并且CBU会被激活。可以在远程电力系统直接计算或测量电容性电流的值。

例如，出于人员安全的原因，希望限制屏蔽中的电压，所述电压在电缆长度很长或电流很大的情况下会很高。为了这样做，能够在屏蔽与PRS的地之间连接相位调整设备。所述相位调整设备优选为电抗器。所述相位调整设备对屏蔽到地的电容性电流进行补偿，并且利用到地的阻抗来稳定屏蔽电压。所述相位调整设备的尺寸被定制为至少对依赖于周围土壤和屏蔽电压的电容性电流进行补偿。优选地，在每个PRS中设置一个相位调整设备。故障检测单元现在测量地中的电感性电流作为相位敏感的故障检测的参考值。当利用到地的阻抗来降低屏蔽电压时，对高欧姆接地故障的敏感度作为故障电流依赖于在故障出现之前的故障点电压以及从该点向网络中所看到的阻抗(I＝U/Z)。然而，屏蔽中的低电压将避免人类危险并给出了鲁棒的系统。

如果电缆长度很长，则接地电流会相当大。屏蔽到地的故障会主要引起有功(电阻性)电流，这与连续电容性电流相比会很小。为了提高对主要电阻性故障电流的敏感度，电容性接地电流与电力电缆上的总电流之间的相位角能够被控制功能用作故障检测的值。在这样的情况下，在PFS地与电力电缆屏蔽之间连接阻抗。监视系统包括用于测量所述阻抗上的电压的装置，所述电压在测量电容性漏泄接地电流与线圈所测量的总电缆电流之间的相位角时被用作参考值。断路单元CBU在电容性和有功电流之间的相位角超过给定值时被激活，用于跳闸的典型相位值可以是P1＝80度。在理想状态下，所述角约为90度。

另一个问题是例如由于变压器芯等的磁化而在系统启动时出现的电流的启动脉冲。监视系统例如能够通过在启动阶段内置用于监视系统的延时T1来将此现象纳入考虑。所述系统由此将不会对能够激活电流断开单元的电流特性做出反应。典型地，T1可以小于1秒。

现在将描述远程电力系统的一个示例。到电力馈给站(PFS)的传入电力为50Hz的2相(相间的)400伏AC，典型地来自3相发电机源。PFS中的变压器将低压变换为单相的4kV AC。该电能经由高压同轴电缆在PFS与PRS之间进行传送。PFS与PRS之间的距离为40km。

PRS将高压变换为低压，通常为230伏AC。PRS提供10kW的有功负载；例如，变压器可额定为15kVA。导体与屏蔽之间的电压和电容会引起电缆中的电容性电流。该电流引起有功损耗，低负载处电压升高，并且需要变压器能够处理大量无功功率。为了使得损耗最小化，电压升高最小化并且为了提高功率容量，在PRS中在相位与屏蔽之间连接消耗无功功率的补偿电抗器。

根据负载和导体-屏蔽电容性电流的补偿程度，电力电缆中的电流幅度接近2.5-5安培之间，比如说例如总共4A。电缆是具有20mm外径的同轴类型的XLPE绝缘电力电缆。所述电缆能够被置于地面、水和空气中。

如果功率负载超过额定的变压器值，则断路器单元CBU将被激活。该设备还将检测系统中引起大电流的其它故障。安全规则被设置为在电流大于C1的情况下激活断路单元。

在启动时，PFS中的变压器的磁结构会引起大的电流。能够通过与低压馈给点串联连接的电抗器对该电流进行限制。启动电流在数个周期中衰减。所述电抗器在电流被稳定时自动断开连接。

同轴电缆中的屏蔽被用作电流的返回路径，但是该电流将被屏蔽中的电压所驱动的地面中的电流所抵消。所述屏蔽具有约2欧姆/km的电阻，这引起屏蔽中约300伏的压降。在较长线路中，屏蔽电压将进一步增加。高压对于人员安全可能成为危险，为了降低屏蔽电压，在电缆屏蔽与PRS地之间连接相位调整阻抗。所述阻抗的尺寸被定制为将屏蔽电压降低至安全水平并且降低电容性漏泄电流。屏蔽与周围介质之间的电容取决于土壤中的含水量。屏蔽到地的典型电容值为0.15μF/km，但是该值会沿电缆而变化，而且会随季节而变化。如果在屏蔽与地之间没有使用相位调整设备，则对于给定示例而言，总接地电流约为0.4A。如果使用相位调整设备，则接地电流会降低。

监视系统利用电流传感器CSU来测量电力电缆中的总电流。同轴电缆的对称性意味着传入和传出电流相等，但是由于电容性漏泄电流的缘故，总电流将不会为零。电容性接地电流确定用于继电器的跳闸值D1，给定示例的典型值可以为0.4A。如果电缆被损坏或出现其它故障，则这会引起将超出跳闸值D1的附加电流，这将激活断路单元CBU。监视系统能够具有可调整的延时，以便不受到例如闪电之类的瞬时电流的影响。

CSU包括用于测量电缆电流与零序电压之间的相位角的装置。在PFS中性点与地之间的阻抗上测量所述零序电压。通过到地的电容性漏泄电流和所述阻抗来确定电压。断路单元CBU在零序电压与电缆电流之间的相位角超过给定值时被激活。

能够对所有电流进行近似计算，但是由于地条件的不确定性，应当现场测量电流以找出监视系统的最优设置。

本发明并不局限于以上所描述和附图所示出的实施例，而是可以在所附权利要求的范围之内进行修改。

Claims (11)

1.一种用于输送电力的电力馈给站PFS，包括：

-低压侧，其适于连接到电力源，

-高压侧，其适于连接到高压配电电力电缆，

-变压器，其用于将低压侧上的低压变换为高压侧上的高压，和

监视系统，其特征在于所述监视系统包括：

-控制功能，

-设置在高压侧上的电流传感器单元，其包括用于测量电流的特性的装置，用来接收电流的特性的装置(106)以及用来将电流的特性递送到控制功能的装置(101)，其中，电流的特性包括高压侧的传入和传出电流之间的幅度差，

-适于对控制功能的功能进行管理的安全规则，

-设置在低压侧上的断路单元，其适于断开电流，

所述控制功能包括用于接收电流的特性的装置(102)和用于激活断路单元的装置(103)，并且所述控制功能被配置成基于安全规则和电流的特性来激活断路单元，

所述变压器被配置成输送高压侧上的高压单相交流电流，并且所述高压配电电力电缆适于分配电流对称的单相电流并且适于连接到至少一个用于接收电力的电力接收站。

2.如权利要求1所述的电力馈给站，其中所述高压配电电力电缆是以屏蔽作为电流返回路径的同轴电缆。

3.如权利要求1所述的电力馈给站，其中用于测量电流的特性的装置包括与高压侧没有电流接触的适于测量电流特性的线圈。

4.如权利要求1-3中任一项所述的电力馈给站，其中，所述监视系统被配置成针对电流断开单元的激活而考虑所述幅度差。

5.如权利要求2-3中任一项所述的电力馈给站，其中用于测量电流的特性的装置包括用于测量从电力电缆屏蔽到周围材料的通地漏泄电流的值的装置(105)以及用于测量电缆屏蔽电流的装置，并且其中所述监视系统包括用于测量由通地漏泄电流与电缆屏蔽电流之间的相位角所构成的电流的特性的装置，并且所述监视系统被配置为针对断路器单元的激活而考虑所述相位角。

6.如权利要求2-3中任一项所述的电力馈给站，其中电缆屏蔽与电力接收站地之间的阻抗被用来降低屏蔽电压并且使得屏蔽到地的电容性电流最小化。

7.如权利要求1-3中任一项所述的电力馈给站，其中所述监视系统被配置成考虑电力馈给站的启动电流以使得监视系统在启动时不激活断路单元。

8.如权利要求1-3中任一项所述的电力馈给站，其中所述控制功能包括用于向信息单元递送系统信息的装置(104)。

9.如权利要求8所述的电力馈给站，其中所述系统信息包括来自电流传感器单元的电流的特性。

10.一种用于输送电力的远程电力系统，包括：

-根据权利要求2-9中任一项所述的电力馈给站，

-至少一个用于接收电力的电力接收站，和

-在高压侧与电力接收站之间连接的高压同轴配电电力电缆，并且所述高压同轴配电电力电缆适于以屏蔽作为电流返回路径来传送电流对称的单相电流。

11.如权利要求10所述的远程电力系统，其中所述高压同轴配电电力电缆被配置成使得电容性漏泄电流最小化。

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