CN103633733B - 混合辅助电力供应 - Google Patents

Abstract

一种辅助电力供应系统包括处于地电势(G)的电力源(4)、处于高压电势(19)的电力供应电路(5)，以及至少第一绝缘传输链路和第二绝缘传输链路。第一绝缘传输链路(2)和第二绝缘传输链路(3)基于不同的能量传输原理，其中，第一传输链路(2)利用无接触的传输原理，而第二传输链路(4)基于机械能的传输。

Description

混合辅助电力供应

技术领域

本发明涉及电力传输的领域，特别是涉及HVDC应用(HVDC=高压DC)中的处于高电势的电力辅助系统。

背景技术

在高压变电站中，需要对范围越来越广的安装在高压电势处的辅助电装置供电。例如，这样的电装置是为了用来进一步改进高压电力传输系统的可靠性和/或性能的开关、控制和监测目的。

如US 8072192 B2中描述，对处于高电势的辅助装置供应电力的一个方法是，例如借助于使用变压器来从高压电路分接辅助电力。但是，这需要对高压电路通电，以及测量用于确保辅助装置的适当操作和等待时间直到装置在通电之后已经安定到可安全地使用辅助电力的程度。但是，通电过程往往是关键的，并且独立于高压电路的状态的辅助电力供应因而是高度可期望的。

在其它解决方法中，电力从地传输到高压电势，其中，传输部件配置成电绝缘的。

例如，在 US 2006/0152109 A1中公开了地电势设备和高电势设备之间的电容耦合。

此外，已知将处于地电势的辅助电力转换成光功率，经由光链路或者通过空气，将所述功率传输到高电势区，并且然后将光功率转换回电力，例如如GB 2177869 A、CN101093943 A或DE 2631194 A中描述的那样。用这个方法，可传输仅非常少量的电力，典型地大约几瓦。

从DE 3718869 A1和US 3670175，了解到一种解决方法，其中，安装在地电势处的液压泵对处于高电势的液压马达进行馈送，该液压马达进而机械地驱动发电机。流体通过绝缘压力管道输送。

另外，在US 3670175中，提议借助于处于地电平的电动机来将能量从地电势传输到高电势，从而通过旋转绝缘杆来驱动处于高电势的发电机。这种系统在机械上复杂，这可导致操作寿命缩短。

以前，辅助电力典型地在数十瓦至数百瓦的范围中。现今，越来越多地需要额外的控制和监测单元用于进一步改进高压电力传输系统的可靠性和性能，这已经使对安装在高电势处的较广范围的辅助产生动力的装置的要求提高。

发明内容

本发明的目标是提供一种用于对高压设备提供辅助电力的辅助电力供应装备，其中，电力可从地电势传输到高压电势，而独立于高压设备的通电状态，以及其中，所述装备能够处理足以用于操作高压设备处的辅助装置(诸如开关元件，例如，断路器和隔断器)的电力量，也能够控制和监测单元，例如具有串联电容器或汤姆森线圈的设备。

此目标已经由根据权利要求1的辅助电力供应系统实现。

在从属权利要求中指出另外的实施例。

发明人已经认识到，在过去，可认为单电力传送解决方法对特定的高压设备是最佳的。但是，由于电力传送范围不断扩大，将需要新技术或架构，以便满足扩大的要求。

根据一方面，提供一种用于将电能从地电势供应到高压设备的辅助电力供应系统，其包括处于地电势的电力源、处于高压电势的电力供应电路，以及至少第一电力传输链路和第二电力传输链路，其中，电力传输链路不输送任何电子，并且因此都电隔离。在以下中，电力传输链路也可称为绝缘传输链路。高压设备可用交流(AC)或直流(DC)操作。

根据本发明，第一绝缘传输链路和第二绝缘传输链路基于不同的能量传输原理。能量传输原理的差异例如可基于所传输的能量的类型，例如电磁波、机械能或光；和/或基于能量从发送侧传输到接收侧所跨越的介质，例如跨越固体连接，或者通过液体，或者通过气体或真空。根据本发明，规定第一传输链路利用无接触的传输原理，而第二传输链路则基于机械能的传输。

因此，提出利用用于电力传送的混合技术概念，因为不同电力传送方法的组合允许在较广的电力传送范围内实现更优的电力传送。在这种混合解决方法中，在发生失效时，将电力传送到高压电势的两种或以上技术允许各个电力传送机构接管相应的其它系统的操作。

第一传输链路应为无接触的，意思是说不传输机械能，并且因此不对任何传输元件施加机械力。换句话说，这表示第一传输链路的传输原理是非机械的，使用气体或真空，并且特别是地电势和高压电势之间的空气，作为传输介质。传输的能量例如可具有电磁波的形式，特别是纯电场或纯磁场，或者它可为光能。

第二传输链路传输机械能，意思是说，通过对布置在地电势和高压电势之间的固体和/或液体传输元件施加机械力来传输动能和/或势能。对于此类传输，在布置在地电势处的传输元件和布置在高压电势处的传输元件之间需要有物理接触。由于施加的机械力，固体传输元件可设置成运动，或者液体传输元件可被压缩或减压。

无接触、非机械传输原理与机械传输原理的组合具有一种原理的缺点被另一种原理的长处克服的优点。

特别地，无接触的能量传输的长处在于其健壮性和长的操作寿命长，因为移动的传输元件的数量有限或者没有。另一方面，缺点可为成本较高，这尤其是如果对在短时段期间需要大量能量的高压设备(诸如需要高的电力量用于执行开关操作的高压断路器或隔断器)应用非机械能传输时将发生。

与此相反，机械能传输允许以合理的成本传输高的电力量，但所涉及的传输元件仅持续较短的寿命。

由于非机械传输链路与无接触的传输链路以及机械传输链路的组合，以合理的成本在重复的短时段期间对高压电势提供高的能量量，以及持续地提供低的或中等的能量量，这变成可能的。这对于高压断路器和隔断器的操作特别有用，其时不时需要高的致动或开关能量量，而且同时仅需要低的能量水平用于例如供应它们的电子监测和控制装备。

在优选实施例中，第一传输链路包括用于经由电场而传输能量的至少一个耦合电容器，或者用于经由磁场而传输能量的至少两个感应耦合线圈。

在至少一个耦合电容器的情况下，第一传输单元进一步包括处于地电势的高频AC发电机，该高频AC发电机的输出连接到至少一个耦合电容器。至少一个耦合电容器优选是低功率电容器，特别是串联连接的若干个耦合电容器。高频AC发电机提供的电能被至少一个耦合电容器从地电势传输到高压电势，而任何可能的DC分量则未传输。为了调节至少一个耦合电容器的输入侧或输出侧上的电压电势，可在高频AC发电机和至少一个耦合电容器的输入侧之间，或者在至少一个耦合电容器的高压输出侧和高压设备之间，提供变压器。

在第一传输链路包括至少两个感应耦合线圈的情况下，第一传输链路可进一步包括处于地电势的、用于对感应耦合线圈提供磁能的激励器，以及用于将磁能转变成处于高压电势的电力的整流器。

可基于不同的传输介质，以及通过使用不同的机械传输元件来实现第二传输链路。根据一方面，第二传输链路可包括处于地电势的电动机、处于高压电势的发电机，以及用于机械地耦合马达和发电机的绝缘轴。

除了这些传输元件之外，第二传输链路可进一步包括至少一个柔性耦合件，其可布置在马达和轴之间，和/或轴和发电机之间，这是为了使机械偏转和振荡不平衡，以及允许更容易地组装。

根据另一方面，第二传输链路可包括处于地电势的液压泵、耦合到处于高压电势的发电机的涡轮，以及在泵和涡轮之间的绝缘管道中流动的流体。

流体可为高压设备的冷却液体。因此，如果高压设备已经包含冷却系统，则这可扩展以允许以少的额外的工作将能量从地电势传输到高电势。

包含上面描述的第一传输链路和第二传输链路的辅助电力供应系统不仅可用来直接对高压设备提供电能，而且还供应电能用于对属于高压设备的能量存储单元充电。能量存储单元可包含电池和/或电容器。

另外，辅助电力供应系统可进一步包括用于在不需要对能量存储单元充电时电隔离辅助电力供应系统的部件。

根据本发明的特定的方面，高压设备可包括：需要短时致动电力的致动单元，特别是开关单元，例如断路器或隔断器；以及用于操作促动单元的辅助电子器件。在这种情况下，第一传输链路可布置成持续地对辅助电子器件供应电力，而第二传输链路可布置成对致动单元提供短时致动电力。

辅助电力供应系统甚至可进一步包含控制单元，其配置成控制第一绝缘传输链路和第二绝缘传输链路，以及在失效的情况下，使传输链路中相应的一个与电力供应电路去耦。

由于安全原因，辅助电力供应系统不仅可布置有上面描述的用于单独地阻止传输链路中的一个直接将能量输送到高压设备，或者经由能量存储单元将能量输送到高压设备的控制单元，而且可另外或备选地包括用于使整个辅助电力供应系统与高压设备去耦的隔断器。

附图说明

结合附图更详细地描述本发明的优选实施例，其中：

图1显示基于混合概念的、用于高压设备的辅助电力供应系统的示意图；

图2示意性地显示辅助电力供应系统的第一实施例，其在第一传输链路中使用串联连接的电容器，以及在第二传输链路中使用马达-轴-发电机布置；

图3示意性地详细地显示第一实施例的第二传输链路；

图4示意性地显示基于泵涡轮布置的辅助电力供应系统的第二实施例的第二传输链路；以及

图5示意性地显示基于用于无线电力传送的感应耦合布置的辅助电力供应系统的第三实施例的第一传输链路。

具体实施方式

图1示意性地显示用于将电能从地电势G传送到高压电势HV的辅助电力供应系统1，辅助电力供应系统1包括第一绝缘传输链路2和第二绝缘传输链路3。在该上下文中，高压被认为是典型地在130 kV和1200 kV之间的范围中的电压。

提供电力源4，其将DC或AC电力两者供应到第一传输链路和第二传输链路。

第一绝缘传输链路和第二绝缘传输链路基于不同的能量传输原理。第一传输链路3利用无接触的传输原理，第一传输链路3由阴影区域指示，通过第一传输链路3，能量以无接触的方式传输。第二传输链路3基于机械能的传输，第二传输链路3由使地电势侧与高压电势侧直接连接的矩形元件指示。

第一传输链路2和第二传输链路3的高压电势侧都电耦合到电力供应电路5，使得它们可对高压设备6供应电能，在图1的示例中，该高压设备6是经由能量存储单元8供应的高压开关装置9。高压开关装置9进一步电连接到至少一个高压线19上，使得它与高压(相对于地电势)接触。

另外，提供处于高压电势的控制单元17，其配置成控制第一绝缘传输链路2和第二绝缘传输链路3，以及在传输链路中相应的一个失效的情况下，使传输链路2、3中相应的一个与电力供应电路8去耦。

处于高压电势的所有元件，即，高压设备6、电力供应电路8、控制单元17，以及第一传输链路和第二传输链路的那些传输元件(属于它们的相应的高压侧)，布置在高于地面的高度h处的升高平台上。平台经由高压绝缘体7而与地电势G绝缘。

当分别连接到第一传输链路2和第二传输链路3以及经由第一传输链路2和第二传输链路3而被供电时，电力供应电路8接收辅助电力，在该上下文中该辅助电力被认为是典型地在数瓦至数千瓦的范围中的电力。

大体上，高压电力传输系统中的高压设备可包括位于接近高压导体或与高压导体处于流电接触的装置。这样的仪器的示例为开关元件、串联电容器、用于电压和电流的传感器，以及监测和保护装备。这些装置需要辅助电力用于它们的操作。

为了对高压设备6供应电能，第一传输链路2和第二传输链路3两者都操作成对电力供应电路8提供电流，电力供应电路8进而将电流提供给能量存储单元5。能量存储单元5可暂时存储能量，就像在电容器布置中那样，或者更持久地存储能量，就像在电池中那样。根据本发明，传输链路2、3两者都基于不同的能量转换和传输机构，独立地将电力传输到高压设备6。在下文中，更详细地描述将电能传送到高压设备6的概念，其可用于第一传输链路和第二传输链路。

图2示意性地显示图1的辅助电力供应系统的第一实施例，其在第一传输链路2中使用串联连接的电容器，以及在第二传输链路3中使用马达-轴-发电机布置。

第一传输链路2包括多个耦合电容器41，所述多个耦合电容器41串联连接，并且处于地电势G的高频AC发电机40对所述多个耦合电容器41提供电能。在高频AC发电机40和耦合电容器41的地电势侧之间，提供变压器42，以按需要调节AC电压电平。在耦合电容器41的高压侧和连接到图1的电力供应电路8的输出HV之间提供处于高压电势的另一个变压器43。

第二传输链路3包括处于地电势G的电动机11、处于高压电势HV的发电机13，以及用于机械地耦合马达和发电机的绝缘轴12。电动机11由电力源4供应。因此，两个传输链路2、3中的每个都具有其本身的电力供应，这与图1的布置相反。

图3示意性地详细地显示第一实施例的第二传输链路3，其中，电力由机械旋转能传送。如已经描述过的那样，图2和3的第二传输链路3包括电动机11，该电动机11直接耦合到非导电绝缘轴12，或者经由可选的传动齿轮来耦合到该非导电绝缘轴12，该非导电绝缘轴12在处于地电势G的电动机11和处于高压电势HV的发电机13之间延伸。电动机11容纳在地电势壳体14中，该地电势壳体14放置在支承安装件18的顶部上。绝缘轴12可完全由非导电材料制成，或者可包括地电势G和高压电势HV之间的一部分（其是不导电的），只要G和HV之间有对于电压电势差来说足够的绝缘即可。

在高压电势HV处，绝缘轴12直接耦合到发电机13，或者经由另外的传动齿轮来耦合到发电机13。第二传输链路3通过绝缘轴12的旋转来传送机械能，并且将该机械能转换成处于高压电平的电力。电动机11的地电势壳体14支承衬套15，该衬套15是圆柱形的，并且包围绝缘轴12。衬套15向上延伸到处于高压电势HV的高压支承元件16。

电动机11和发电机13两者都经由柔性耦合件机械地连接到绝缘轴12，其目的是为了使机械偏转和振荡不平衡，以及允许较容易地组装第二传输链路3。

图4显示基于泵涡轮布置的辅助电力供应系统的第二实施例的第二传输链路。在图4的第二传输链路中，使用高压设备6的冷却系统，其已经就位，而且容易扩展，以允许抽取处于高压电势HV的能量。如所显示的那样，冷却液体经由供应管22所传输的机械能可在高压电势HV被涡轮21和发电机25回收，涡轮21和发电机25将冷却液体的压力和速度转换成电力。通过回流管道24，离开涡轮21的冷却液体从高压电势HV流回地电势G，并且在那里进入到贮液器23中，液压泵26通过供应管道22将冷却液体从贮液器23泵送到涡轮21。

图5显示辅助电力供应系统的第三实施例的第一传输链路，该第一传输链路利用感应耦合用于通过绝缘介质(诸如空气)的无线电力传送。该概念包括在线圈之间使用感应耦合，以在一定距离上传送电力。如图5中显示的那样，提供处于地电势G的地电势线圈31和处于高压电势HV的高压线圈32。考虑到具有设计各向异性的磁化率和电磁化率，地电势线圈31和高压线圈32经由绝缘间隙耦合，例如尤其具有半型材料的Rogowski屏蔽。

地电势线圈31与激励器33耦合，激励器33提供电振荡，以对地电势线圈31供应电力。高压线圈32接收电力，而且在整流器34整流，以及调整器35进行电压调整之后，可用DC电力来供应处于高压电平的高压设备6。

对于用于在地电势和高压电势之间没有流电耦合的情况下传送能量的第一传输链路的另外的备选(例如)可使用微波功率传送和光功率传送，这允许通过空气来传输能量，而无需提供连接元件。

此外，在上面描述的混合解决方法中使用的功率传送概念允许传递和/或控制待与电力传送并行地传输或与其一起传输的信号，即，借助于光链路，或者通过使用第一传输链路或第二传输链路的电单元的信号，这可能使得能够进行状况监测。

此外，集成且可收回隔断器可分别包括在第一传输链路和第二传输链路中，这使得能够更换传输链路中的一个，而不中断其它传输链路的操作，对于其高压设备持续地被提供有辅助电力。

参考列表

1辅助电力供应系统

2第一传输链路

3第二传输链路

4电力源

5电力供应电路

6高压设备

7高压绝缘体

8能量存储单元

9高压开关装置

10柔性耦合件

11电动机

12绝缘轴

13发电机

14地电势壳体

15衬套

16高压支承元件

17控制单元

18支承安装件

19高压线

21涡轮

22供应管道

23贮液器

24回流管道

25发电机

26液压泵

31一次地电势线圈

32二次高压线圈

33激励器

34整流器

35调整器

40高频AC发电机

41耦合电容器

42处于地电势的变压器

43处于高压电势的变压器

Claims (12)

1.一种辅助电力供应系统(1)，用于对高压设备(6)供应电能，所述高压设备(6)包括需要短时致动电力的致动单元，以及用于操作所述致动单元的辅助电子器件，所述辅助电力供应系统(1)包括：

•处于地电势(G)的电力源(4)，

•处于高压电势(19)的电力供应电路(5)，以及

•至少第一绝缘传输链路和第二绝缘传输链路，

其特征在于

•所述第一绝缘传输链路(2)和所述第二绝缘传输链路(3)基于不同的能量传输原理，其中

•第一绝缘传输链路(2)布置成持续地对所述辅助电子器件供应电力以及利用非机械的、无接触的传输原理，使用所述地电势和所述高压电势之间的气体或真空作为传输介质，以及

•第二绝缘传输链路(3)布置成对所述致动单元提供所述短时致动电力并且基于机械能的传输以及将机械力施加于布置在所述地电势和所述高压电势之间的固体和/或液体传输元件。

2.根据权利要求1所述的辅助电力供应系统，其中，所述第一绝缘传输链路包括至少一个耦合电容器或至少两个感应耦合线圈(31，32)。

3.根据权利要求2所述的辅助电力供应系统，其中，在所述至少一个耦合电容器的情况下，所述第一绝缘传输链路(2)进一步包括处于所述地电势(G)的高频AC发电机(4b)。

4.根据权利要求2所述的辅助电力供应系统，其中，在所述至少两个感应耦合线圈的情况下，所述第一绝缘传输链路(2)进一步包括处于所述地电势的、用于对所述感应耦合线圈(31，32)提供磁能的激励器(33)，以及用于使所述磁能转变成处于所述高压电势的电力的整流器(34)。

5.根据权利要求1至4中的任一项所述的辅助电力供应系统，其中，所述第二绝缘传输链路(3)包括处于所述地电势的电动机(11)、处于所述高压电势的发电机(13)，以及用于机械地耦合所述电动机和所述发电机的绝缘轴(12)。

6.根据权利要求3所述的辅助电力供应系统，其中，至少在电动机(11)和轴(12)之间，或者在轴(12)和发电机(13)之间布置柔性耦合件(10)。

7.根据权利要求1至4中的任一项所述的辅助电力供应系统，其中，所述第二绝缘传输链路包括处于所述地电势的液压泵(26)、耦合到处于所述高压电势的发电机(13)的涡轮(21)，以及在所述泵和所述涡轮之间的绝缘管道(22，24)中流动的流体。

8.根据权利要求7所述的辅助电力供应系统，其中，所述流体是所述高压设备(6)的冷却液体。

9.根据权利要求1至4中的任一项所述的辅助电力供应系统，其中，所述第一绝缘传输链路(2)和所述第二绝缘传输链路(3)两者都布置成供应所述电能，以对所述高压设备的能量存储单元(8)充电。

10.根据权利要求9所述的辅助电力供应系统，进一步包括用于在所述能量存储单元不需要充电时电隔离所述辅助电力供应系统的部件。

11.根据权利要求1至4中的任一项所述的辅助电力供应系统，其中，控制单元(17)配置成控制所述第一绝缘传输链路和所述第二绝缘传输链路，以及在失效的情况下，使所述绝缘传输链路中相应的一个与所述电力供应电路(5)去耦。

12.根据权利要求1至4中的任一项所述的辅助电力供应系统，进一步包括用于使所述辅助电力供应系统与所述高压设备(6)去耦的隔断器。