CN1035295C - 电力传输系统 - Google Patents

Abstract

一个电力传输系统包括一个连接到一条母线上的电源系统以及多个输电系统，每个输电系统通过断路器连接到该母线。该传输系统具有过电压抑制设备，每个设备安装在该输电系统和地之间。该过电压抑制设备包括一个开关装置和一个连接到该开关装置上的阻抗。当在其它故障输电系统中的断路器动作时，在一完好输电系统中的该开关装置闭合，因而在该完好系统中出现的过电压可有效地得到抑制。

Description

电力传输系统

本发明涉及装设有过电压抑制功能元件的电力传输系统，特别涉及可以抑制在电力系统中的断路器动作时所出现的过电压的这种电力传输系统。

断路器动作时出现的过电压包括合闸操作过电压和分闸操作过电压，前者是在合闸时刻输电线路的充电电压经受连续反射如同行波一样建立起来的过电压；后者是在接地故障断开的时刻由于输电线路上电压降落产生的行波经受连续反射也可建立起过电压。这些过电压中的最大值有时可达三倍的相电压。在此以前，为了防止这种过电压，采用合闸电阻断路器和分闸电阻断路器，连同输电系统绝缘水平的设计工作，使其足以耐受这样的过电压。

为了增加输电系统的输电容量，根据日益增长的对更大供电量的需求，1000千伏输电系统的建设计划已在进行中。在这样的特高压输电系统中，要经济地建设一条可令人满意地耐受断路器动作时产生的过电压的输电线路，已变得更为困难。因此，打算设计一种过电压抑制设备，在断路器动作时所产生的过电压能被抑制到尽可能低的水平，以便能够建设较为经济的输电线路。例如，在一个1000千伏的系统中，要求将过电压限制在低于1.6倍的相电压峰值。作为一个实例，在具有低于上述电压的输电系统中，为了对抗当断路器合闸时产生的过电压，采用一种合闸电阻断路器，它通过一个电阻合闸，并吸收行进波的能量。然而这个系统在断开时并不能有效地抑制过电压。因此又提出了一种分闸电阻断路器，在断开时刻也通过一个电阻进行分闸。然而，在现今最流行的一种吹气式气体断路器中，在断开期间电阻电流的传导时间实际上长达约30毫秒。而且，它必须耐受不同相合闸以及切断负载的冲击，这相当于该断路器负荷电压的两倍。因此，该电阻必须是大尺寸的，此外，还需要一个复杂的延迟操作机构来驱动该断路器的电阻接通部件或电阻断开部件。而且，一个棘手的系统可靠性的问题总是包含在其中，即断路器的电阻或驱动机构的故障将含导致母线故障从而使得变电站的运行瘫痪。

再者，本申请的发明者已发现，过电压也出现在完好的输电系统中，该系统的断路器并未动作。然而在先有技术中，例如日本悬而未决专利No Hei-2-146930，Hei-2-106133等，并未考虑到在完好输电系统中出现的过电压。

本发明的目的是提供一个电力传输系统，它能够显著地抑制其中的断路器未动作的完好输电系统中出现的过电压，并且具有非常高的系统可靠性。

根据本发明，一个电力传输系统有一个连接到一条母线上的电源系统以及多个输电系统，每个输电系统都通过断路器连接到该母线；该电力传输系统包括过电压抑制设备，每个设备装设在该输电系统中并连接在该输电系统与地之间；该过电压抑制设备包括一个开关装置以及连接到该开关装置上的一个阻抗；当连接到该输电系统上的断路器动作时，除了相关的输电系统外，该开关元件接通。

此外，根据本发明，该电力传输系统包括一个装设在该母线和地之间的过电压抑制设备，该过电压抑制设备包括一个开关装置和一个连接到该开关装置上的阻抗，当至少有一个断路器动作时，该开关装置接通。

根据本发明，连接在地与该断路器的母线侧之间，地与输电线路侧之间，或者地与其两侧之间的过电压抑制设备，只有当该断路器动作时，该设备才连接到它的电力主回路上，因此，采用这种过电压抑制设备能够大大降低其过电压水平。从而，在其它完好的输电系统中过电压所产生的有害影响可以被减至最小程度，这样就提供了一个高度可靠的电力传输系统。

从下面在附图中表示的优选实施例的详细叙述中，本发明进一步的目的、特点和优点将会更为清晰，附图中：

图1是一个原理图，表示本发明的一个实施例。

图2是一个运行特性曲线图，说明本发明实施例的运行情况。

图3表明电压特性曲线图，说明本发明实施例的运行情况。

图4是一个特性曲线图，表示当电阻值改变时以倍数表示的过电压的变化。

图5到图10是本发明另外一些实施例的原理图。

图1表示本发明的一个实施例，示出了一个电力系统1，在其电源侧一个电力变压器5连接到一个发电机6，变压器5又通过一断路器4连接到一母线10。两条输电线路2a和2b分别经过断路器3a和3b连接到该母线10上。在两条输电线的引入端分别连接着避雷器9a和9b。在地和联接断路器3a或3b与输电线路2a或2b的各个主回路之间，装设有电阻8a或8b，经过开关设备7a或7b，合起来构成了一个过电压抑制设备。如果在输电线2a上出现一个接地故障30，故障电流11(示于图2中)被一个诸如电流互感器或类似装置的检测器35a检测到。响应于一个连接到检测器35a上的故障探测器31a(例如一继电器或类似装置)所发出的信号12(示于图2中)，首先，完好电力线路的开关设备7b闭合，它具有如图2所示的动作特性曲线14。然后，在故障线路上的断路器3a断开，它具有如图2所示的动作特性曲线13。来自故障探测器31a的部分信号输入一个计时器32a，在几个周波的延时后，它输出一个信号给开关设备7b，该开关设计成一收到这个信号就断开。如果该接地故障出现在输电线路2b上，电流互感器35b使得开关设备7a和断路器3b动作，故障探测器31b和计时器32b以上述的同样方式动作。举例来说，假设一个接地故障出现在输电线路2a的一相上，接近线路中间。当存在一接地故障时，在一个直接接地系统中会流过一个很大的接地故障电流，因而电源电压的幅值由于电源阻抗的关系降低了，如图3中的曲线20所表示；并且在故障线路2a上的断路器3a的端电压从VO降低到VT，如曲线21所示。在这一时刻，在一条健全的输电线路2b中，在对应于故障线路2a的故障点的位置监测到一个由于电磁感应引起的另外的压降dV，使电压降到VM的水平，如图3中曲线22所示。在这样的条件下，该接地电流被断路器3a切断。然后，电源电压20由于电源系统中的暂态振荡，经跃变到其尖峰电压VS而恢复到初始值。

另一方面，在断开的输电线路出现了电压交互振荡。而在一条完好的输电线路中由于电磁感应产生了一个另外的压降dV，这个电压降落在该输电线路中重复相互反射而产生振荡。此外，还存在迭加上去的振荡，它是由已被隔离开的故障输电线路中的电压交互振荡所感应产生的。结果，一个远远大于dV的高频振荡被迭加上去。因此，在该健全的输电线路上对应于该故障点的位置出现的最高电压将增大到VS+KdV，产生一个过高的冲击电压。

然而，按照本发明，而该断路器动作时，电阻8b被接到该健全线路和地之间，而电阻8a连接到该故障线路上。因此，在电源侧的过度振荡被连接到该健全输电线路上的电阻8b所阻尼，减小了振荡幅度。在该健全输电线路内的交互电压振荡也被同一电阻所阻尼。此外，由于采用了电阻8a，在该故障输电线路内的交互反射振荡被阻尼，由于这种交互电压振荡而产生的从该故障输电线路到健全输电线路的电磁感应可以减至最小。结果，该接地故障断开产生的过电压与先有技术的过电压相比要小得特别多。

图4表明当本发明的电阻值变化时，在对应于故障点的健全相上以倍数表示的过电压研究结果。在各种情况下，过电压倍数都小于1.6，对这个数值来说不提供任何电阻。特别是可以发现，当电阻值在1.5KΩ及以下时可以有效地和满意地抑制该过电压。

图5表示本发明的另一个优选实施例，其中与图1中相同的符号表示同样的元件或相对应的部件。在本发明的这个实施例中，电流互感器、故障探测器和计时器以与输电线2a同样的方式装设在输电线2b上(图5中未示出)。在本发明的这个实施例中，采用非线性电阻作为电阻8a和8b以构成过电压抑制设备。不用说，同上所述的设备也装设在远端的变电站中。与本发明上述的实施例相同，当在一输电线路2a的一相中发生一接地故障时，则需要断开断路器3a以隔离该故障线路，一相邻健全线路的开关设备7b先于断路器3a闭合以便在地和该线路之间接入一非线性电阻8b。位于远方端的一个开关设备也同样动作，在该线路与地之间接入一个非线性电阻。

结果，在这一侧变电站和远方端之间的电源电压暂态振荡借助于该非线性电阻被抑制到一个较低的水平；而且在该健全线路中部的一个分闸过电压以被抑制得足够低。然后，在一预定的时间之后，该非线性电阻被该开关设备切除以防止电阻热损坏。该非线性电阻的极限电压越小，该过电压的抑制越有效；然而，由于在该输电线中的行波电流通常小于10KA，如果在10KA下极限电压允许设定在等于或小于1.4倍的相电压峰值，则有把握使过电压限制在1.4倍以下，保证本发明的效果和优点肯定能实现。

在本发明的上述实施例中，接通该开关设备的指令可以用给断路器的跳闸命令发出，以高速闭合该开关，从而可以在断开该断路器所需要的最小时间间隔内完成断开操作。因此，过电压能够被抑制而不致降低电力系统的稳定性。

另一方面，该开关设备的操作能够用该断路器的一个驱动机构联动，并且该开关设备本身可安装在该断路器的一个外壳中。而且，在本发明的上述实施例中，一个放电间隙装置，特别是一个触发放电间隙装置可用来代替该开关设备。再有，还可以采用一个半导体开关。尤其是，一个触发放电装置或半导体开关具有快速的开关能力，它有可能使一电阻或非线性电阻在紧跟断路器断开后的暂态恢复电压的上升时间被接入在该线路和地之间，采用这种装置以高速断开电路，可以减小该电阻或非线性电阻的热电阻强度，这样就能使该电阻或非线性电阻的尺寸更紧凑。再进一步，对于该开关设备可以采用一种可动型的放电间隙装置，该装置的气隙缩短了，只要需要即可放电。

此外，构成该开关设备的上述开关功能装置或开关功能元件可以将其操作局限于该输电线路的接地故障或短路故障。通过这样的配置，可以消除开关设备的多余操作从而能延长它们的使用寿命。而且，如果一个故障只发生在一相上并且只有同一相上的断路器动作，在有关三相上的所有开关设备或开关功能装置可以同时动作。再者，开关的操作可以只限于某相上的断路器已经动作的这一相上。而且，开关操作可以在该输电线路的两端同时完成。

图6还示出本发明的另一实施例，其中与图1中同样的符号表示同样的元件或对应的部件。在本发明的这个实施例中，电流互感器、故障探测器和计时器以与输电线路2a同样的方式装设在输电线路2b上(图6中未示出)。在本发明的这个实施例中，一个过电压抑制设备包括一个开关设备7和一个电阻8，安装在母线一侧，如图所示。

按照本发明的这一实施例，需要装设的该过电压抑制设备的数目可减至最少。另一方面，关于非线性电阻，它可以提供一个线性电阻和一个氧化锌非线性电阻的串联或并联连接。通过这样的配置将提供尺寸更为紧凑的非线性电阻。而且，这些电阻或非线性电阻可以设计成具有正的温度系数。特别是，当采用一个具有正温度特性的热敏电阻时，由于它的电阻值随着温度而增大，从而限制了能量的输入，可以实现缩小该电阻或非线性电阻的尺寸。

在上文中，已经叙述过在断路期间该断路器的动作情况。然而，也可能在该断路器断开之前进行开关设备7a和7b的接通，并且在断路器完成了它的合闸动作后立即断开该开关设备。采用这种配置，在断开时刻产生的过电压也能被有效地抑制。

图7还示出了本发明的另一个实施例，其中与图1中相同的符号表示同样的元件或对应的部件。在本发明的这个实施例中，电流互感器、故障探测器和计时器以与输电线路2a同样的方式装设在输电线路2b上(图7中未示出)。按照本发明的这个实施例，在变电站中没有装设避雷器，在一输电线的入口处，一个过电压抑制设备包括开关设备7a或7b以及电阻8a或8b，装设在从断路器3a或3b看过去的输电线路侧。

本发明的这个实施例也具有这样的优点，当预测有雷电时，合上开关设备7a和7b，电阻8a和8b可以作为避雷器使用。

图8还示出本发明的另一个实施例。其中与图1中相同的符号表示同样的元件或对应的部件。按照本发明的这个实施例，在连接到每条输电线路入口处的避雷器上提供了一个抽头，并装设有开关设备7a或7b，与被该抽头所限定的部分分段相并联，这样就提供了既作为避雷器又作为非线性电阻的一种组合使用方式。

图9还示出本发明的另一个实施例，其中与图1中相同的符号表示同样的元件或对应的部件。这个实施例是图8的实施例应用于靠近母线侧位置的一个例子，此处一个抽头和一个开关设备安装在低电压侧。因此有一个优点，对于该开关设备可以使用一较低的电压等级。

图10还示出本发明的另一个实施例，其中与图1中相同的符号表示同样的元件或对应的部件。本发明的这个实施例是图9实施例应用的另一个例子，其中一开关设备47与被一抽头所限定的分段相串联，而一放电间隙48与被该抽头所限定的分段及该开关设备47相并联；此外当遇到故障时，对断路器3的一个跳闸命令被分送，其一部分送给该开关设备47作为一个断开指令。由于流过开关设备47的电流小至几个安培，该开关设备能够以较短于断路器3的燃弧时间，并在断路器3之前断开。结果，加在该放电间隙48两端的高电压被放电，产生一弧光，这意味着间隙48已接通，其作用如同图9中的开关设备7一样。按照本发明的这个实施例，呈现出一个优点，代替该开关设备，它以极高的速度完成了闭合操作；为此目的，具有长期运行记录和高度可靠性的一种断路器可用作为一个开关设备。特别是，一种能以最小的燃弧期间断开电流的真空开关最适用于这种类型的断路器。

在本发明的上述例子中，如果发生了任何诸如电阻或非线性电阻的故障，借助于一个开关功能装置或开关功能元件将故障部件隔离开从而保证继续输电还是可能的。同时，该故障电阻或非线性电阻可以用一备用元件以足够快的速度更换而不至推迟复原。此外，也可以装设两组由一个开关功能装置或开关功能元件和一个电阻或非线性电阻组合而成的部件，万一发生故障，它们之间可以相互切换使用。如上文所述，通过采用本发明的这个实施例，可以提供一个具有特别高的系统可靠性的电力系统。

如上文所述，按照本发明的实施例，在一个经过电力断路器连接到输电线路的电力传输系统中，由于在主回路从断路器看至少在母线侧或在输电线路侧，或在其两侧与地之间通过开关装置装设有线性电阻或非线性电阻，这就有可能只是当断路器动作时，将一个具有低阻值的尺寸紧凑的线性电阻或一个可将其极限电压降低到接近相电压峰值的非线性电阻与主电力回路相连。因此，该过电压抑制设备的过电压水平能够大大地降低，并且减小其尺寸也是可能的，因为该设备连接到主回路只有非常短的一段时间，因而只要求很小的能量。此外，在该线性电阻或非线性电阻不能运行的情况下，可以用开关功能装置或开关功能元件将其隔离，防止输电出现任何事故，这样就能够在实质上提高电力传输系统的可靠性。

按照本发明，由于该过电压抑制设备安装在主回路从断路器看的母线侧或输电线路侧，或在其两侧与地之间，这种配置使该设备只有在断路器动作时才被接入主回路，系统中的过电压水平借助于该过电压抑制设备能够大为降低。因此，在一故障线路上的过电压扩散到其它健全输电线路上的有害影响可以被防止，这样就能够提供一个具有高度系统可靠性的电力传输系统。

虽然已经阐述了优选实施例及其变型和改进方案，用来揭示最佳模式和重要细节，按照本发明更广泛的范畴，预期将有更多的实施例、变化和修正方案，所阐述的内容都归于下列权利要求的精神和范围之内。

Claims (17)

1.一个电力传输系统有一个连接到一条母线上的电源系统和多个输电系统，每个输电系统都通过断路器连接到上述母线，上述电力传输系统包括：

过电压抑制设备，每个设备都安装在上述输电系统中并且连接在上述输电系统和地之间；上述过电压抑制设备包括一个开关装置和一个连接到上述开关装置上的阻抗；当连接到该输电系统上的断路器动作时，除了一个有关的输电系统外，上述开关装置接通，

一个控制装置，用来控制上述开关装置在上述断路器完成电流遮断以前实现闭合操作，并且上述开关装置在一预定的时间之后实现断开操作。

2.按照权利要求1的一个电力传输系统，进一步包括：

一个装置，利用给上述断路器发出的跳闸指令对上述开关装置提供一闭合指令，并且在上述断路器的最小断开时间间隔内(触头分离时间加上最小燃弧时间)完成上述开关装置的闭合操作。

3.按照权利要求1的一个电力传输系统，其中上述开关装置包括一个开关设备，它能够在紧跟着上述断路器完成电流遮断后的暂态恢复电压的上升时间执行它的闭合操作。

4.按照权利要求2的一个电力传输系统，其中上述控制装置根据在上述输电系统中出现的一个短路或接地故障信号控制该闭合操作。

5.按照权利要求1的一个电力传输系统，进一步包括：

一个装置，装设在三相中的每一相上，至少在三相中的一相上的断路器完成了其电流遮断之前用来同时闭合上述开关装置，并且该装置装设在三相上，在一预定的时间过去后断开上述开关装置。

6.按照权利要求1的一个电力传输系统，进一步包括：

一个装置，响应于在上述输电系统中出现的一个短路或接地故障信号，至少在三相线路中的一相上的上述断路器完成电流遮断之前，用来闭合在同一相线路上的一个有关的开关装置，并且在一预定的时间过去后断开该开关装置。

7.按照权利要求1的一个电力传输系统，其中上述开关装置与上述断路器的一个驱动机构联动，以至上述开关装置在上述断路器完成了其电流遮断之前闭合，并且在一预定的时间过去之后断开。

8.按照权利要求1的一个电力传输系统，其中上述开关装置在上述断路器完成了其电流遮断之前闭合，并且在一预定的时间过去之后断开，而且上述开关装置安装在上述断路器的一个外壳内。

9.按照权利要求1的一个电力传输系统，其中上述开关装置在上述断路器完成了其电流遮断之前闭合，并且在一预定的时间过去之后断开，而且上述阻抗是一个线性电阻或非线性电阻。

10.按照权利要求1的一个电力传输系统，其中上述开关装置包括一个连接到上述阻抗的开关设备以及连接到在上述阻抗上设有的一个分接头上的一个放电间隙，上述放电间隙与上述开关设备和被该分接头分开的一部分阻抗相并联，并且还包括利用上述断路器的跳闸指令对上述开关设备提供一断开指令的装置。

11.一个电力传输系统有一个连接到一条母线上的电源系统和多个输电系统，每个输电系统都通过断路器连接到上述母线，上述电力传输系统包括：

一个过电压抑制设备装设在上述母线和地之间，上述过电压抑制设备包括一个开关装置和一个连接到上述开关装置上的阻抗，当上述断路器中至少有一个动作时，上述开关装置就闭合，

一个控制装置，用来控制上述开关装置在该断路器完成电流遮断以前实现闭合操作，并且上述开关装置在一预定的时间间隔之后实现断开操作。

12.按照权利要求12的一个电力传输系统，进一步包括：

一个装置，利用给该断路器发出的跳闸指令对上述开关装置提供一闭合指令，并且在该断路器的最小断开时间间隔内(触头分离时间加上最小燃弧时间)完成上述开关装置的闭合操作。

13.按照权利要求12的一个电力传输系统，其中上述开关装置包括一个开关设备，它能够在紧随该断路器完成电流遮断后的暂态恢复电压的上升时间执行它的闭合操作。

14.按照权利要求13的一个电力传输系统，其中上述控制装置响应于在上述输电系统中出现的一个短路或接地故障信号来控制该闭合操作。

15.按照权利要求12的一个电力传输系统，其中上述开关装置在该断路器完成了其电流遮断之前闭合，并且在一预定的时间过去之后断开，而且上述阻抗是一个线性电阻或非线性电阻。

16.按照权利要求12的一个电力传输系统，其中上述开关装置包括一个连接到上述阻抗的开关设备以及连接到在上述阻抗上设有的一个分接头上的一个放电间隙，上述放电间隙与上述开关设备和被该分接头分开的一部分阻抗相并联，并且还包括利用该断路器的跳闸指令对上述开关设备提供一断开指令的装置。

17.一个过电压抑制设备用于一个电力传输系统，该系统有一个连接到一条母线上的电源系统和多个输电系统，每个输电系统都通过断路器连接到上述母线，上述过电压抑制设备包括：

一个安装在上述输电系统和地之间的开关装置，当连接到该输电系统上的断路器动作时，除了一个有关的输电系统外，上述开关装置接通；

一个连接到上述开关装置的阻抗，

一个控制装置，用来控制上述开关装置在上述断路器完成电流遮断以前实现闭合操作，并且上述开关装置在一预定的时间之后实现断开操作。

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