CN103222145A - 用于电力系统保护的连续不间断ac接地系统 - Google Patents
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Abstract
公开了用于包括变压器的交流系统中的连续接地系统。该系统包括：开关组件，连接在变压器的变压器中性点和地之间，所述开关组件具有打开位置和闭合位置，所述打开位置通过开关中断电气连接和变压器中性点之间的路径，并且所述闭合位置建立通过开关组件将电气连接连接至变压器中性点的路径，其中在交流电气设备的正常操作中，开关组件保持在闭合位置。该系统还包括DC阻塞元件，与开关组件并联并且连接在变压器中性点和地之间。该系统还包括控制电路，用于控制开关组件，控制电路包括传感器，用于在检测到在一个变压器相位的预定的谐波信号阈值或者在变压器中性点和地之间的DC电流的预定阈值的时候激励开关组件至打开位置。
Description
本申请于2011年7月19日申请作为PCT国际专利申请，对于除了美国之外的所有国家指定的申请人为美国国内公司Emprimus，仅对于美国指定申请人为Frederick R.Faxvog、Wallace Jensen，Gale Nordling，Greg Fuchs，DavidBlake Jackson，Terry Lee Volkmann，James Nicholas Ruehl和Brian Groh，均为美国公民。
相关申请的交叉参考
本申请主张2010年7月20日申请的美国临时申请No.61/366,088、2010年10月29日申请的美国临时申请No.61/408,319、2011年1月6日申请的美国临时申请No.61/430,388、2011年1月28日申请的美国临时申请No.61/437,498、2011年5月16日申请的美国临时专利申请No.61/486,635和2011年6月13日申请的美国发明申请No.13/159,374的权益。这些申请的全部内容合并于此作为参考。
技术领域
本披露总地涉及用于电气设备的电子保护装置，具体地，本披露涉及能用于电力系统保护的连续不间断AC接地系统。
背景技术
电气设备，特别是使用交流操作的电气设备容易改变输入信号和条件。在典型的布置中，美国的交流设备期望接收具有预定量值（例如120V）的60Hz的电力线电源（或者在欧洲为50Hz）。尽管这些电源可以有一些变化，对使用特定电流而制造的装置可以通常处理接收的电力信号中的一些轻微变化。
在某些情况下，由于谐波或其他外部条件，电力信号可以变化很大。谐波和准DC电流可以是例如地磁（太阳）风暴或者处于相同电网或本地电源电路的其他电气设备例如开关电源、弧设备、焊接设备等的结果。谐波和准DC电流可以使得电源信号的输入电压和电流（和得到的电源）剧烈变化，引起破坏连接至该电源的电气设备的可能性。
例如，广泛地认识到地磁风暴或与高幅值电磁脉冲（HEMP）相关的E3脉冲可以引起高压电源生成、传输和分配系统元件（即电力传输线和电源变压器）中的称为地磁感应电流（GIC）DC或准DC电流。这些DC电流可以引起电源变压器铁心中的半周期饱和，这然后导致这样的变压器的过多无功功率损耗、加热、损坏和/或故障。此外，半周期饱和还可以引起主要频率（50或60Hz）的谐波的生成。该谐波内容可以使得电力系统中继触发，这可以断开需要的补偿元件。这可以导致电网的本地或广域部分的崩溃。
在过去大约20年以来，提出了用于减小电力系统中GIC或HEMP（E3）感应的电流的若干建议的方法。这些解决方案通常采用一些形式中的一种。第一类解决方案使用电容性电路来同时提供AC接地路径和用于感应的DC电流的块。这些解决方案通常包括一组开关，允许在正常接地的变压器连接和通过电容性电路的接地之间进行切换。这些解决方案可以允许不故意打开对于变压器中性点（transformer neutral）的连接，或者需要昂贵的电子电路来处理接地故障条件。这些电容性电路解决方案可能需要与当前操作参数相比重新调节电力系统中继配置。
第二类解决方案通常包括连续使用有源元件，用于减小在变压器中性点到地连接的DC或准DC电路的潜在破坏GIC事件。这些解决方案通常需要昂贵的电源电子器件并且持续激活，使得任何故障将使得这些系统不可靠。
第三类解决方案通常使用电阻性方法，其中固定值电阻用于持续减小变压器的中点到地连接中的DC电流；然而，在这些方法中，电阻器通常必须具有高电阻值并且仅减小而不是消除DC或准DC中点电流。此外，在安装这些类解决方案的过程中，可能需要重新调整电力系统的中继设置。由此，不存在能提供与当前电力传递系统兼容的可靠的低成本保护电路的解决方案。
由此这些或其他原因，期望改进。
发明内容
根据以下内容，可以如下解决上述和其他问题：
在第一方面，公开了一种连续接地系统，用于包括变压器的交流系统。所述系统包括：开关组件，连接在变压器的中性点接地连接和地之间，所述开关组件具有打开位置和闭合位置，所述打开位置通过开关中断电气连接和地连接之间的路径，并且所述闭合位置通过开关组件建立将电气连接连接至地连接的路径，其中在交流电气设备的正常操作中，开关组件保持在闭合位置。所述系统还包括DC阻塞元件，与开关组件并联并且连接在变压器中性点和地之间。所述系统还包括控制电路，用于控制开关组件，所述控制电路包括传感器，用于在检测到在变压器的一个或多个功率相位上的谐波信号或者在变压器中性点和地之间的DC电流的预定阈值的时候激励开关组件至打开位置。
在第二方面，公开了一种电气保护电路。电气保护电路包括开关组件，连接在变压器中性点的地连接和地之间，所述开关组件具有打开位置和闭合位置，所述打开位置通过开关中断电气连接和地连接之间的路径，并且所述闭合位置通过开关组件建立将电气连接连接至地连接的路径，其中在交流电气设备的正常操作中，开关组件保持在闭合位置。电气保护电路还包括DC阻塞元件，与开关组件并联并且连接在变压器中性点和地之间。在所述电路中，开关组件通过电子控制输入在闭合位置和打开位置之间可移动，在变压器的一个或多个功率相位中的谐波信号或者在变压器中性点和地之间DC电流的预定阈值出现的时候，电子控制输入激励开关组件至打开位置。
在第三方面，公开了一种保护交流电路中的电气设备不会由于直流电流或谐波效应而损坏的方法，所述方法包括：在交流电路的正常操作过程中保持开关组件处于闭合位置，所述开关组件电连接在电气设备的变压器中性点和地之间。该方法还包括在检测到预定阈值之上的谐波信号或者预定阈值之上的DC电流的时候，打开开关组件，由此通过在电气设备的地连接和地之间与开关组件并联地电连接的DC阻塞元件将DC电流阻塞。
在另一个方面，公开了一种测试电气保护电路的方法。该方法包括打开在变压器中性点和地之间连接的开关组件；并且将来自变压器电压频率的不同频率的交流电压注入到变压器中性点上。该方法还包括在注入交流电压的同时测量通过DC阻塞元件的电流；并且确定测量的电流是否表现预设限制内的电特性。如果在预设限制之外，该方法包括指示在电气保护电路中存在故障。
在另一个方面，提供一种测试电气保护电路的方法，包括：将直流信号注入到变压器中性点上；确定在变压器中性点和地之间连接的开关组件是否响应于直流信号打开；如果开关组件没有打开，指示在电气保护电路中存在故障。
在另一个方面，测试电气保护电路的方法包括将谐波信号注入到谐波传感器中，确定在变压器中性点和地之间连接的开关组件是否响应于谐波信号打开，如果开关组件没有打开，指示在电气保护电路中存在故障。
在另一个方面，公开了一种电气设备台，包括：顶面，具有开口结构；多个支撑腿，保持顶面处于地面之上的高度，支撑腿装配在一个或多个接地桩材上；以及电气设备，位于顶面上并且在高功率变压器的接地套管（groundbushing）和地之间电连接。
附图说明
图1是使用这里描述的方法和系统进行保护的变压器的示意性前视图；
图2示出了在电力生成或分配站点安装的根据本披露的可能实施例的连续接地系统中可用的电气保护电路的示例实施例；
图3A示出了根据本披露的可能实施例的包括电气保护电路的第二示例实施例的连续接地系统；
图3B示出了根据本披露的进一步的可能实施例的包括电气保护电路的第二示例实施例的连续接地系统；
图4示出了根据本披露的可能实施例用于自测直流阻塞设备（direct currentblocking device）的方法；
图5示出了根据本披露的可能实施例的电气保护电路的另一个示例实施例；
图6示出了根据本披露的可能实施例的包括可变水平的电阻的电气保护电路的示例实施例；
图7示出了根据本披露的可能实施例的包括可变水平的电阻的电气保护电路的第二示例实施例；
图8示出了根据本披露的另一个可能实施例的使用电阻性和电容性电路网络的连续接地系统的另一个示例实施例；
图9示出了根据本披露的原理的连续接地系统的另一个示例实施例；
图10是根据本披露的可能实施例的示例电气设备台的透视图；以及
图11是根据本发明的可能实施例的图10的电气设备台的示意性前视图，其中电气设备台安装有电气设备。
具体实施方式
总的来说，本披露描述了用于保护电力变压器和其他电子或机电设备免于受到DC电流和作为电力线上的得到的谐波内容的损坏的系统和方法。大的DC中点电流和谐波电压可以是地磁（太阳）风暴、高幅值电磁E3脉冲（HEMP-E3）或处于相同电网或本地电源电路的其他电气设备例如开关电源、弧焊设备、等离子切割、电子放电加工设备、弧光灯等的结果。本披露总体描述如下方法和系统：用于感应50Hz或60Hz电力线电源的谐波内容，并且潜在地破坏中点DC电流，以允许在检测到这样的谐波或DC电流的情况下，关键的电气设备切换到操作保护模式。
根据这里描述的各种实施例，使用连续不间断的AC接地电路实现防止高压电力系统遭受GIC（太阳风暴）和EMP E3脉冲，该AC接地电路使用开关控制的DC阻塞机构来消除地磁和EMP（E3脉冲）感生的电流。DC阻塞元件（包括一个或多个电容器、电阻器或其组合）在适当的位置硬连线，以对HV电力系统，例如对“Y”配置的HV变压器或自耦变压器的中点，提供不间断的AC接地路径。在正常操作下，第二平行接地路径通过闭合的开关组件提供了非常低的阻抗的标准接地路径。
这里公开的连续接地系统提供了与标准变压器接地机制兼容的接地机制，并且由此将不需要电力系统中继设置的任何改变。当检测到高DC（或准DC）电流或高谐波电源内容时，打开开关组件，由此阻塞或衰减系统中的DC或准DC电流。阻塞准DC或DC电流防止了变压器的半周期饱和并且由此避免变压器过多的无功功率损耗、过热和损坏。此外，阻塞DC电流防止了在部分保护的变压器中生成谐波。这样的电力谐波可以潜在地使得电力系统中继出错，这能够使得本地或大范围断电。此外，在这里公开的某些实施例中，在这样的连续接地系统中包括的电气保护电路被设计（配置）为在操作的正常或GIC保护模式下处理接地故障。
图1是根据本披露的特征以及本披露的某些元件的物理布局保护的示例电气设备的示意性前视图。在所示的实施例中，一个电气设备，示出为高压变压器100，被电子地连接至电气保护电路102。根据图2-9所示的实施例，电气保护电路102可以例如包括至少一部分下面所述的设备。高压变压器100通常装配到水泥台上，为了稳定并且与地隔离。电气保护电路102电子地连接至如上所述的高压变压器100，封入外壳内，并且放在电子接地的支撑件103上。除了防止GIC事件之外，所有控制电子电路（半导体器件）被包括在EMP/IEMI屏蔽并且电滤波的外壳104中，外壳104电连接至电气保护电路102和高压变压器100并且包括感应和切换控制电路105。应该知道，如果没有屏蔽和滤波的外壳104，系统能够保护变压器防止GIC事件，但是不能防止EMPE3脉冲威胁。
在某些实施例中，电气保护电路102包括图2-9中讨论的DC阻塞元件和开关组件，而控制系统104保护感应和开关激励电路；然而，可以向电子保护设备提供其他的元件布置。
现在参考图2，根据本披露示出了电气保护电路200的第一概括实施例。电路200通常连接在变压器12（在实施例中示出为Y变压器）的变压器中性点10和地14之间。电气保护电路200包括开关组件202，开关组件202包括在变压器中性点10和地14之间连接的电子控制的开关204。分流电阻206可以连接在开关204和地14之间，用于感应在变压器中性点10和地14之间通过的DC电流。在某些实施例中，分流电阻206通常具有低电阻值，处于几毫欧的数量级，以允许通过开关的低阻抗接地连接。在另一个实施例中，分流电阻206可以由霍尔效应电流传感器或其他非接触电流传感器替代。此外，电子控制的高压接地开关208可以连接在变压器中性点10和开关204之间，例如以在接地故障事件的过程中保护开关204避免高电压。在某些实施例中，地14可以连接至站接地网，而在其他实施例中，地14可以连接至接地的变压器外壳。
开关204可以是不同快速反应的电子控制开关的任一种，例如高压电路断路器开关。在所示的实施例中，开关204是通常闭合的连接，其可以通过电子控制输入而被快速地打开。下面结合图3进一步讨论可以连接至控制输入的示例感应控制电路。
DC阻塞元件210与开关组件202在变压器中性点10和地14之间并联。如在下面的例子中进一步说明，DC阻塞元件210可以包括一个或多个直流阻塞设备（例如电容器或电阻器），能够在地14和变压器中性点10之间插入一些电流路径的阻塞，从而防止变压器中性点10中的破坏DC或准DC地电流，其将可能损坏变压器12。根据特定应用，在保护电路302中可以应用电容性或电阻性（或其组合）阻塞设备210。此外，在某些实施例中，DC阻塞元件210硬连线至地14，由此即使开关204和208不小心发生故障，也可以向变压器（或其他电力元件）提供AC地。
在正常操作中，变压器中性点10通过开关组件202接地。即，开关组件202（包括开关204和高压接地开关208）通常处于闭合位置。这对应于公用的标准接地，结果，例如这里公开的接地系统使用前不需要重新调节附着于其上的公用电气设备。在第一操作模式中，不对DC阻塞元件210加电，因为开关组件在其周围产生短路。如果操作在该正常操作模式中（无GIC）时检测到接地故障，则通过开关组件的接地将处理接地故障电流直到电力系统中继隔离了故障的设备。当检测到在中性点至地连接中存在高电压谐波或准DC电流时，GIC感应控制电子器件打开开关组件。在第二操作模式中，DC阻塞元件210向变压器中性点提供AC接地。该操作模式防止与GIC或EMP E3事件相关联的DC或准DC电流。该GIC保护模式保持操作直到电力系统操作员宣称该事件结束并且重新闭合开关组件202。
在一些实施例中，为了说明GIC和接地故障同时发生的非常不可能的事件，会触发电涌放电器（surge arrester）212，有时被称为变阻器或MOV（金属氧化物变阻器），或其他这样的电涌放电设备，来保护阻塞元件210。开关组件208然后由来自通过变压器中性点电流变压器214的中继检测故障电流的信号而重新闭合，该信号然后将触发高压开关208以重新闭合。由此，电涌放电器212提供一个周期的接地故障内的初始接地，并且直到开关组件202可以被重新闭合。值得注意，该同时发生的事件（GIC和接地故障）的可能性实际上非常小，其可能绝不会在系统的生命周期内发生。
为了减小电涌放电器212的成本，期望使用低成本的作为牺牲设备的电涌放电器，使得它仅保护一个事件并且然后需要被替换。在电涌放电器已经被牺牲之后，它被设计为对地短路。第二个选项是使用开关在初始安装中并入额外的电涌放电器，使得如果第一个放电器被牺牲，那么按照需要第二个可以被切换作为替代。第三个选项是在初始安装中并入非常耐用的电涌放电器，其将确保该电涌放电器承受许多接地故障事件而不会失败。
通过打开开关组件，图2所示的DC阻塞元件210为变压器中性点10提供AC接地路径，同时阻塞由地磁风暴或EMP E3事件感生的DC或准DC。阻塞DC保护变压器12不进入半周期饱和，半周期饱和可以使得变压器过度的无功功率损耗、过热、损坏甚至故障。此外，阻塞DC还防止在电力系统中生成谐波，这可以防止电力中继的跳闸、电力补偿元件的断开、过度的无功电力负担以及电网的小或大部分的潜在崩溃。
此外，为了增加DC阻塞元件210的可靠性，可以使用多个电容器或电阻器的并联组，使得如果这些电阻器和电容器中的一个或多个故障，其他的依然可用作阻塞元件。
此外，为了免于遭受故意的电磁干扰（IEMI）和/或电磁脉冲（EMP）的E1和E2部分，这样的系统的所有敏感的感应控制电子电路可以被放到屏蔽和电子滤波的外壳中，例如图1的包含控制系统104的外壳。没有在屏蔽外壳内的所有元件不包含敏感的半导体电子器件，并且因此将幸免于EMP和IEMI事件。在感应控制电子电路没有被放到屏蔽和电子滤波的外壳中的可选实施例中，依然保护变压器不受地磁感生的GIC的影响。下面将更详细地描述这样的外壳的内容的额外细节。
现在参考图3A，示出了根据本披露的可能实施例的连续的接地系统300，包括电气保护电路302的第二示例实施例。在这个实施例中，电气保护电路302总体对应于图2的电路200，但是DC阻塞元件208被示出为电容器304。尽管在某些实施例中，使用了15kV、300μF的电容器，但也可以使用其他类型的电容器。
图3A还示出了根据本披露的可能实施例的感应控制电路310。感应控制电路310包括控制电子电路，例如感应控制模块312，以及电流感应单元314。中继控制电路316连接至感应控制模块312，并且生成用于激励开关204和208的开关控制输出313。
感应控制模块312感应在GIC事件中半周期饱和的变压器中生成的谐波。例如，模块312可以包括谐波传感器，其将测量位于一个变压器相位上的来自标准电容电压变压器（CVT）214的信号。当来自中性点DC电流或谐波传感器的信号超过预设值时，发送信号以打开开关组件202中的两个开关。预设值将由公共设施或电力系统工程师根据每个特定安装的保护需要进行选择。DC或准DC电流的预设值的典型范围被期望处于大约5－50安培范围内。电力谐波水平的预设值的典型范围被期望处于大约1％到10％总体谐波失真（THD）的范围内。电流感应电路314测量通过分流电阻206由地磁风暴引起的中性点DC或准DC电流，并且将该测量的结果发送给感应控制模块312以按照需要触发中继控制电路316。
在所示的实施例中，控制电路310被包括在屏蔽外壳320中，并且包括位于外壳320外周的多个滤波器322以防止高频高功率电磁信号进入外壳，由此将敏感的控制和感应电子电路暴露在潜在的干扰和破坏下。滤波器322通常可以是低通或带通滤波器，具有电涌抑制以抑制任何高压信号进入外壳。在所示的实施例中，屏蔽的外壳322是EMP/IEMI法拉第屏蔽外壳，在所有的门开口周围具有导电的衬垫以提供通常从大约14kHz到10GHz的电磁频率的辐射保护。此外，在所示实施例中，滤波器322位于电源输入324上，以及CVT输入326、运算器输入和输出328、开关控制输出323和跨越分流电阻206的任一侧连接的电流感应输入330上。此外，在外壳320的内外的任何光纤通信将通过恰当的波导超出截止穿透而被滤波，这将固有地提供对EMP和IEMI事件的保护。
操作中，当控制电路310检测到GIC事件时，通过开关控制输出313中继控制电路316将打开低DC电压开关，即开关204。这个动作之后，信号将打开高压接地开关208。接地开关208然后将通常在地磁风暴事件的过程中保持打开，通常在若干小时到一天的量级。在此期间，DC阻塞元件210（这种情况下电容器304）对变压器12的变压器中性点10提供AC地。在地磁风暴过去之后，通常由电力系统的操作者控制接地开关204和208的重新闭合。然而，一些公用设施的安装可能倾向于配置它们的系统例如在预定时间周期之后自动地重新闭合开关。
现在参考图3B，示出了连续接地系统350的另一个示例实施例。在该示例实施例中，霍尔效应电流传感器可选地用于替代分流电阻206和电流感应装置314，用于测量变压器中性点到地连接中的DC电流。在这样的实施例中，霍尔效应传感器将由于EMP或IEMI攻击而牺牲。还存在以下问题：电容电压变压器（CVT）214是否也由于EMP或IEMI攻击而牺牲。
为了确保变压器保护在这样的攻击下继续其保护功能，电磁（EM）场检测器352可以如图所示加入该保护系统，通过滤波器322连接至感应控制电子电路312。检测器352位于外壳320之外，并且允许检测EMP E1或E2脉冲或IEMI脉冲，其然后用于打开DC开关204并且由此打开在必要的变压器保护中的开关。EM检测器352可以安装在控制壳体的顶部或侧面，并且可以通过屏蔽导管连接至被保护的控制电子电路310。
在各种实施例中，可以使用不同类型的电磁场检测器。在示例实施例中，电磁场检测器可以包括在名为“Electromagnetic Field Detection Systems andMethods”的未决美国专利申请No.12/906,902中描述的那些，其全部内容并入于此作为参考。
在操作中，即使霍尔效应传感器和/或CTV214被电磁事件损坏或破坏，EM检测器352也会打开DC开关204，这将保护HV变压器10。
现在参考图4，示出了使用图3的连续接地系统300的测试布置400，其中可以执行自测过程。根据本披露的各种实施例，测试布置400允许手动或自动测试（例如在预设间隔）。根据所示的实施例，可以如下实现一个示例测试：打开开关组件202并且从电力系统（50或60Hz或其谐波）向变压器中性点连接注入不同频率的电压，例如使用AC电压源404，并且同时测量在该测试频率通过电容器的电流。该电流的值与注入的电压值一起给出了电容器（或电阻器）的电容（或电阻）的测量。如下给出电容器C：
C=I/ωV，其中I是通过电容器的电流，V是注入的电压并且是注入的电压的角频率（ω=2πf）。对于电阻阻塞设备的情况下，电阻值如下给出：R=V/I。
由此，如果在注入的信号的频率测量的电容值（或电阻值）处于其最初安装的特定值的标称可接受范围内，那么该自测验证了电容器（电阻器）处于工作条件并且对于GIC或EMP E3事件做好准备。如果电容值（或电阻值）处于给定可接受范围之外，那么将生成表示保护系统需要进一步诊断以确定不符合的电容值读取的根本原因的消息。并且如果电容器（或电阻器）、开关或其他元件不能正确工作，则可能需要替换故障元件。
如果电阻器用作DC阻塞设备，可以执行与上面所述的电容器情况类似的自测。在这种情况下，注入的信号可以用于测量电阻器的电阻值，以确保其满足特定值。
为了对EMP E1和E2脉冲进行保护，在该自测配置中使用的电压和谐波注入源404、406、408将与在这个测试布置400中的其他敏感的电子电路元件一起被装入屏蔽外壳320中。在该自测配置中使用的电流传感器402可以是霍尔效应电流传感器，因为霍尔效应电流传感器是具有集成的放大器的半导体器件，其将由于EMP或高功率IEMI事件而牺牲。
图4的测试布置400还示出了其中可以执行测试电子感应控制电子电路的布置。可以在预设间隔上手动或自动执行测试。该额外的测试可以通过使用DC注入电压元件408将DC信号注入变压器中性点连接而执行，由此产生通过开关组件202和通过分流电阻206的DC电流。如果感应控制电子电路正确工作，这样模拟DC GIC电流的存在，并且使得开关组件打开。然后重新闭合开关以回到正常操作模式。以类似的方式，谐波信号可以从谐波信号发生器406注入到CVT214连接，由此模拟GIC谐波事件。如果谐波感应控制电子电路正常工作，这将使得开关组件打开。然后开关可以被重新闭合以返回到正常操作模式。
图5示出了根据本披露的可能实施例的电气保护电路500的另一个示例实施例。在该实施例中，电阻器502与图3-4的电容器304串联放置，从而防止由电容器和变压器感应的组合引起的铁磁谐振。在这个布置中，电涌放电器212保持与电容器304而不是电阻器502并联。通常电阻器502的电阻值处于若干（0.5-3）欧姆或更少的量级，以匹配50-60Hz系统的电容器的阻抗。对于该实施例，所有开关元件和GIC感应电子电路保持与图3-4所示的相同。
在图6-7中，示出了额外的实施例，其中可以应用不同等级的电阻值作为DC阻塞元件210的一部分。在图6中，电气保护电路600包括与开关604a-c相关联的一组并联电阻602a-c，开关604a-c与每个电阻器602串联连接，用于提供对地磁风暴或EMP事件的E3部分不同等级的保护。可以根据在特定安装所需的DC阻塞或衰减的范围来调整并联的电阻602和相关的开关604的数目。在该实施例中，控制电路310将包括多个预设谐波和中性点DC电流阈值等级，以控制将感应事件的严重性的开关以能够控制将被切换进入服务的电阻器602的数目。在所示的实施例中，包括另一个电阻器601与电阻器602a-c并联，以当所有开关打开时确保一定水平的电阻值。
在图7中，电气保护电路700包括并联连接的一组串行电阻器702a-c和相关的开关704a-c，用于提供对地磁风暴或EMP事件的E3部分的各种等级的保护。额外的电阻器701与电阻器702a-c串联连接，以确保当开关704a-c闭合时，在变压器中性点12和地14之间的路径中保持一定的电阻值。可以根据在特定安装所需的DC阻塞或衰减的范围来调整串联的电阻器702和相关的开关704的数目。在该实施例中，感应控制电子电路将还需要能够感应事件的严重性，以能够控制将被切换进入服务的电阻器的数目。
图8示出了根据本披露的另一个可能实施例的连续接地系统800的另一个示例实施例。与如上描述的相比较，连续接地系统800通常包括多个电阻器和开关，用于保护变压器10例如不受变压器处高的磁感应电流（GIC）或高的总谐波信号的影响。与图2的电子保护系统200相比，系统800包括分压器电路，具有串联的阻塞元件810a和810b，与电涌放电器812a-b并联并且与开关组件802a-b并联。开关组件802a-b中的每一个包括高压地开关808a-b和DC开关804a-b。多个开关组件的使用允许对高压地开关808a-b的减小的承受电压需求。减小该承受电压需求允许使用标准的市售高压接地开关808。
图9是根据另一个可能实施例的电子保护设备中使用的电路900的另一个示例示意图。在该实施例中，电路900通常类似于图5中所示的电路，但是使用额外的串联的电阻器。在该实施例中，多个开关组件904a-c和906a-c并联连接，每个允许连接系列电阻器902a-c中的一个。在所示的实施例中，电阻器902a-c通常具有2欧姆的电阻值，然而，也可以使用其他电阻值。在每个电阻器之间，分开的开关904a-c和906a-c连接至地14。每个开关904a-c与保护接地开关906a-c串联连接。具体地，在该实施例中，通过逐渐打开开关组件904a-c和906a-c可以将更多的阻塞电阻加入到电路中。
尽管在图6-7和9的实施例中，使用了三个电阻器的布置，应该理解也可以使用另外的数目的电阻器。
尽管在所示的实施例中提供了特定电路参数，但应该理解到也可以使用与本说明书的讨论相一致的其他电路元件或电路参数。
现在参考图10，示出了示例设备台1000。该设备台1000可以用于存储和保护电路，例如如上述图2-9所示的位于电力站，或者在接近于要被保护的电气设备的一些其他位置。在一些实施例中，设备台1000表示了其上可以装配图1的电气保护电路102的结构的实施例。
在所述实施例中，设备台1000包括由多个支撑腿1004支撑的平台1002。每个支撑腿1004贴有桩材1006并且立于桩材1006上。每个桩材1006优选地灌注或浸没在地下，并且提供弹性基底，设备台位于该弹性基底上。
设备台1000的平台1002包括具有由框架1012支撑的开口结构1010的顶面1008。在一些实施例中，开口结构1010具有栅格或者有孔，或其他布置，使得表面上不会累积水或雪。平台结构将通常根据电力工业标准而电子接地。
在所示的实施例中，整个台1000大约6英尺宽、3英尺长、10英尺高。在其他实施例中，台10大约10英尺宽、4英尺长、10英尺高。在另一个实施例中，台10大约16英尺宽、4英尺长、10英尺高。也可以使用其他尺寸。
在所示的实施例中，设备台1000由镀锌钢制造，包括支撑腿和顶面。桩材1006可以是混凝土或其他弹性材料，包括恰当的螺形的锚。在可选实施例中，设备台1000可以由可选的金属或其他刚性和不受天气影响的材料制成。
总体来说，设备台1000提供相对小的覆盖区和低成本结构，其能够在工厂组装并且是可折叠的以易于运输。台1000被构造为在电力子站点容易重新安装。
如结合图11进一步示出的，设备台1000通常被构造为支撑可以用于阻塞有害的DC中性点电流的任何必要的电子保护元件，该DC中性点电流可以是由地磁风暴（地磁感应的电流-GIC）或与电磁脉冲（EMP）武器相关的E3脉冲引起的。在台1000上图11所示的元件是电容器组1014、高功率电阻器1016和电涌放电器1018。电容器组1014可以包括一个或多个电容器，并且可以是多个不同配置的任一个。在一个示例实施例中，电容器组1014可以对应于如上所述的电容器304。电阻器1016可以例如是1欧姆功率电阻器，用于承受高电流应用。在某些实施例中，电阻器1016可以对应于如上所述的功率电阻器502。
在所示的实施例中，电容器组1014在接地位置和高压变压器的中性点之间与电阻器1016串联连接。在一些实施例中，电阻器1016由放置在开口结构1010上的电阻器1016之下的绝缘垫（未显示）通过设备台与接地连接分离。也可以使用其他电子隔离技术。
电涌放电器1018连接在接地点和高压变压器的中性点之间。在一些实施例中，电涌放电器1018对应于上述电涌放电器212。在某些实施例中，电涌放电器1018在其上面有金属保护盒，该金属保护盒在其底部是打开的，使得如果放电器进入其压力释放模式，则任何释放的气体或碎片将朝向地导向，从而不损坏任何其他设备。在台上电涌放电器下面容纳的任何设备将被适当地屏蔽以防止损坏这样的设备。
在台1000的左上侧是高压接地开关1020。接地开关1020由从台1000的底部延伸的轴1023连接至马达驱动器1022。在台1000的底部上具有DC断开开关1024和分流电阻1026。DC断开开关1024允许台1000上的电路从用于服务的高压变压器断开。
可选地，控制电子电路可以被包括在接近设备台1000的位置处，用于控制一个或多个电子元件。在一些实施例中，控制电子电路可以被容纳在电屏蔽外壳中以防止损坏电子电路。
为了电子地互连各种元件，可以使用一个或多个电子导体1050和接地电子导体1060。导体1050安装在若干高压绝缘体1030上。电子套管1040也示出在电容器、功率电阻器和电涌放电器的顶部。EMP和IEMI保护的电子电路（例如上述电子电路310）将通常但不总是容纳在子站控制壳体（建筑物）中。
此外，在某些实施例中，为了安全的原因，台1000将具有围绕底部的适合的围栏，使得人不能进入台底下的区域。
此外，尽管在所示实施例中示出了电气设备的特定布置，但在可选实施例中，其他电气连接也是可能的。结合上述图2－9示出了示例电气连接。
总的来说，应该认识到本披露的各种实施例提供了关于电路保护的多个优点，特别是关于AC电气设备的接地连接处的谐波信号或DC电流信号，AC电气设备例如是用于电力生成和分配的变压器。例如，阻塞DC或准DC中性点电流防止变压器核心中的半周期饱和，这进而防止变压器过热、损坏或故障。此外，DC阻塞还通过减小谐波而改善电力质量，谐波可以激活电力系统中继并且引起重大的不稳定以及断电。这个极大地防止了公共设施电力系统中继的跳闸，电力补偿和其他关键元件的断开，并且进而避免GIC或EMP事件中电网的部分或全部崩溃。
上述说明、实例和数据给出了本发明的制品的制造和使用的完整描述。由于可以进行本发明的许多实施例而不偏离本发明的精神和范围，因此本发明由所附的权利要求限定。
Claims (29)
1.一种连续接地系统，用于包括变压器的交流系统，所述系统包括：
（a）开关组件，连接在变压器的变压器中性点和地之间，所述开关组件具有打开位置和闭合位置，所述打开位置通过开关中断电气连接和地连接之间的路径，并且所述闭合位置通过开关组件建立将电气连接连接至地连接的路径，其中在交流电气设备的正常操作中，所述开关保持在闭合位置；以及
（b）DC阻塞元件，与开关组件并联并且连接在地连接和地之间；以及
（c）控制电路，用于控制开关组件，所述控制电路包括传感器，用于在检测到在变压器的功率相位中的谐波信号或者在变压器中性点和地之间的DC或准DC电流的预定阈值的时候激励开关组件至打开位置。
2.根据权利要求1所述的连续接地系统，其中，DC阻塞元件是在变压器中性点和地之间与开关组件并联的电容器。
3.根据权利要求1所述的连续接地系统，其中，控制电路包括谐波传感器，用于检测变压器中的谐波信号。
4.根据权利要求1所述的连续接地系统，其中，控制电路包括电流传感器，用于检测通过开关组件在变压器中性点和地之间流动的DC电流。
5.根据权利要求1所述的连续接地系统，其中，DC阻塞元件包括多个电阻器，每个电阻器由对应的开关组件选择性地加入到DC阻塞元件。
6.根据权利要求5所述的连续接地系统，其中，所述多个电阻器的每一个在变压器中性点和地之间串联连接，并且其中与每个电阻器相关联的开关与开关组件并联连接，由此打开每个开关组件将相关的电阻器加入到DC阻塞元件。
7.根据权利要求5所述的连续接地系统，其中，所述多个电阻器的每一个在变压器中性点和地之间并联连接，并且其中与每个电阻器相关联的开关组件与该开关组件串联连接，由此闭合每个开关组件将相关的电阻器加入到DC阻塞元件。
8.根据权利要求5所述的连续接地系统，由此根据DC直流或谐波信号的严重性调整DC阻塞元件的总电阻值。
9.根据权利要求1所述的连续接地系统，还包括电涌放电器，与DC阻塞元件并联地电连接并且处于变压器中性点和地之间，所述电涌放电器用于保护不受在连续接地系统中发生的并发的地磁感应的电流和地故障的影响。
10.根据权利要求1所述的连续接地系统，还包括分流电阻，与开关组件串联地电连接，并且处于开关组件和地之间。
11.根据权利要求1所述的连续接地系统，还包括处于开关组件和地之间与开关组件串联连接的霍尔效应电流传感器。
12.根据权利要求1所述的连续接地系统，还包括在DC开关和变压器中性点之间与DC开关串联地电连接的接地开关，所述接地开关用于保护DC开关不受高压影响。
13.根据权利要求1所述的连续接地系统，其中，控制电路容纳在电磁屏蔽的外壳内，控制电路还包括多个滤波器，所述多个滤波器位于电磁屏蔽的外壳的外围并且用于保护控制电路不受电磁屏蔽的外壳附近的电磁干扰的损坏。
14.根据权利要求13所述的连续接地系统，其中，开关组件与电磁屏蔽的外壳分离但是与电磁屏蔽的外壳电连接。
15.根据权利要求13所述的连续接地系统，还包括电磁场检测器，电连接至控制电路并且位于电磁屏蔽的外壳外部。
16.一种电气保护电路，包括：
（a）开关组件，连接在变压器的地连接和地之间，所述开关组件具有打开位置和闭合位置，所述打开位置通过开关组件中断电气连接和变压器中性点之间的路径，并且所述闭合位置通过开关组件建立将电气连接连接至变压器中性点的导电路径，其中对于交流电气设备的正常操作，开关组件保持在闭合位置；以及
（b）DC阻塞元件，与开关组件并联并且连接在变压器中性点和地之间；
其中，开关组件通过电子控制输入在闭合位置和打开位置之间可移动，在变压器的至少一个相位中的谐波信号或者在变压器中性点和地之间DC或准DC电流的预定阈值出现的时候，电子控制输入激励开关组件至打开位置。
17.根据权利要求16所述的电气保护电路，其中，DC阻塞元件选自由一个或多个电容器和一个或多个电阻器组成的组。
18.根据权利要求16所述的电气保护电路，其中，DC阻塞元件的总电阻值可调节以适应DC或准DC电流的严重性或谐波信号的严重性。
19.根据权利要求16所述的电气保护电路，还包括电涌放电器，与DC阻塞元件并联地电连接并且处于变压器中性点和地之间，所述电涌放电器用于保护不受与处于阻塞模式的保护电路同时发生的地故障的影响。
20.一种保护交流电路中的电气设备不会由于直流电流或谐波效应而损坏的方法，所述方法包括：
在交流电路的正常操作过程中保持开关组件处于闭合位置，所述开关组件电连接在电气设备的中性点和地之间；以及
在检测到预定阈值之上的谐波信号或者预定阈值之上的DC电流的时候，打开开关组件，由此通过在电气设备的中性点和地之间与开关组件并联地电连接的DC阻塞元件将DC电流与地阻塞。
21.根据权利要求20所述的方法，还包括，在检测到谐波信号或DC或准DC电流处于第二预定阈值之上时，激活一个或多个开关来改变中性点和地之间的路径中包括的DC阻塞元件的数目。
22.根据权利要求20所述的方法，其中，检测谐波信号发生在电连接至开关组件的控制输入的控制电路中的谐波传感器处。
23.根据权利要求20所述的方法，其中，检测DC或准DC电流发生在连接至开关组件的控制输入的控制电路中的电流传感器处。
24.一种测试测电气保护电路的方法，包括：
打开在变压器中性点和地之间连接的开关组件；
将来自变压器电压频率的不同频率的交流电压注入到变压器中性点上；
在注入交流电压的同时测量通过DC阻塞元件的电流；
确定测量的电流是否表现预设限制内的电特性；以及
如果在预设限制之外，指示在电气保护电路中存在故障。
25.根据权利要求24所述的方法，其中，测试方法以预设间隔自动执行。
26.一种测试电气保护电路的方法，包括：
将直流信号注入到变压器中性点上；
确定在变压器中性点和地之间连接的开关组件是否响应于直流信号打开；
如果开关组件没有打开，指示在电气保护电路中存在故障。
27.一种电气设备台，包括：
顶面，具有开口结构；
多个支撑腿，保持顶面处于地面之上的高度，支撑腿装配在一个或多个接地桩材上；
电气设备，位于顶面上并且在高功率变压器和地之间电连接。
28.根据权利要求27所述的电气设备台，还包括位于电气设备附近的控制电子电路。
29.根据权利要求27所述的电气设备台，其中，电气设备包括：
开关组件，连接在变压器的变压器中性点和地之间，所述开关组件具有打开位置和闭合位置，所述打开位置通过开关中断电气连接和地连接之间的路径，并且所述闭合位置通过开关组件建立将电气连接连接至地连接的路径，其中在交流电气设备的正常操作中，所述开关保持在闭合位置；以及
DC阻塞元件，与开关组件并联并且连接在地连接和地之间。
Applications Claiming Priority (13)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US36608810P | 2010-07-20 | 2010-07-20 | |
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| US61/408,319 | 2010-10-29 | ||
| US201161430388P | 2011-01-06 | 2011-01-06 | |
| US61/430,388 | 2011-01-06 | ||
| US201161437498P | 2011-01-28 | 2011-01-28 | |
| US61/437,498 | 2011-01-28 | ||
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