CN105811569A - 一种高压直流断路器用混合式供能系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高压直流断路器用混合式供能系统；所述供能系统包括高频隔离变压供能部分和激光供能部分,所述激光供能部分与所述高频隔离变压供能部分并行设置实现所述高压直流断路器的冗余供能。本发明提供的技术方案可满足高电位上不同电位处的电气隔离条件，功能全面，提高了高压直流断路器的供电可靠性，保证了高压直流断路器的稳定可靠不间断运行。

Description

一种高压直流断路器用混合式供能系统

技术领域

本发明涉及一种供能系统，具体讲涉及一种高压直流断路器用混合式供能系统。

背景技术

高压电力电子器件是组成高压直流断路器的核心元器件，其拓扑结构如图1所示，工作原理是通过开通关断不同位置的高压电力电子器件，实现切断直流故障电流。由直流断路器拓扑结构可知，高压电力电子器件处于一个高电位，其驱动电路与其直接电气连接，具备相同电位。而电力电子器件的驱动电路在获取能量的条件下，才能够保证可靠工作，其处于高电位，致使其不能直接与地面供电系统连接，只能在高电位取能或者通过电气隔离从地电位向其供能。在直流线路中，无交变电磁场，直接取能困难重重，因此选在通过地电位向其供能，电力电子器件又处于不同的电位，成分布式布置，则称为高位分布供能。

高压直流断路器在电力系统中长期运行，需要为其提供高可靠性的供能系统，现有的高压直流断路器的供能系统主要包括激光送能系统、太阳能供能系统和工频隔离变压器送能系统。激光送能系统所能提供的能量有限，不能够满足负载所需电能；太阳能供电系统受外界自然因素影响大，不能够连续稳定的输出后级负载所需电能；工频隔离变压器送能系统所需的工频变压器体积以及磁环体积和重量都较大，不利于运输、安装和集成；另一方面，现有的高压直流断路器采用单独的供能系统供能，可靠性不高，一旦供能系统发生故障，将直接影响高压直流断路器的运行，为电力系统安全带来隐患。

发明内容

为了解决现有技术中所存在的上述问题，本发明提供一种高压直流断路器用混合式供能系统。当其中一种供能系统发生失效时，由另一种供能系统代为提供能量，实现无缝切换，保证了高压直流断路器的稳定可靠不间断运行。

本发明提供的技术方案是：一种高压直流断路器用混合式供能系统；其改进之处在于：所述供能系统包括高频隔离变压供能部分和激光供能部分,所述激光供能部分与所述高频隔离变压供能部分并行设置实现所述高压直流断路器的冗余供能。

优选的，所述高频隔离变压供能部分包括变频器、高频隔离变压器、分布式磁环和整流稳压电源模块；所述变频器的输入端接工频交流电源，其输出端接所述高频隔离变压器的输入端，所述高频隔离变压器的输出端通过高压电缆与固定在高电位上所述分布式磁环的输入端连接，所述分布式磁环的输出端与所述整流稳压模块的输入端相连；所述变频器将工频交流电源转换为高频交流电源，所述高频隔离变压器将交流电输送至高电位，所述分布式磁环输出两路或两路以上交流电，所述整流稳压模块将交流电转化为直流电压给所述高压直流断路器供电。

优选的，所述激光供能部分包括并联的激光供能支路，所述激光供能电路支路包括依次连接的激光电源、光电转换器和变压稳压模块，所述激光电源产生光能，通过光纤输送至所述光电转换器，所述光电转换器将光能转化为电能输出给所述变压稳压模块，所述变压稳压模块将输入直流电压转化为更高电压等级的稳定直流电压后给所述高压直流断路器供电。

进一步，所述整流稳压模块的输出端通过电压反馈回路与所述变频器相连，所述电压反馈回路检测所述电源模块的输出电压，并发送控制信号给所述变频器，所述变频器根据所述控制信号调节自身输出电压的幅值和脉宽，从而控制所述整流稳压模块输出所述驱动电路所需的工作电压。

进一步，所述整流稳压模块包括半导体整流器和稳压器件；所述半导体整流器将交流电压转化为直流电压输出至所述稳压器件，经所述稳压器件稳压后给所述驱动电路供电。

进一步，所述高频隔离变压器包括圆柱形绝缘外壳、分别安装在所述圆柱形绝缘外壳两端的金属底座和均压环，以及安装在所述圆柱形绝缘外壳内的变压器本体；所述绝缘外壳顶端沿其轴线平行的方向安装有两个绝缘子；高频交流电源从所述绝缘外壳底部的金属底座输入，经所述变压器本体变压后，由所述绝缘子顶部输出。

进一步，所述变压器本体包括依次连接的两级或两级以上变压器；依次连接的两级或两级以上变压器的第一级变压器的一次绕组两端为输入端，最后一级变压器的二次绕组两端为输出端；

所述变压器本体的每级变压器设置有均压电路，所述均压电路包括并联的电阻和电容；所述电阻的一端与变压器的一次绕组的同名端相连，其另一端与二次绕组的同名端相连。

进一步，所述分布式磁环包括两个或两个以上磁环；

所述磁环包括竖直支撑板、与所述竖直支撑板垂直固定的其中部留有高压电缆穿线用穿心孔的绝缘外壳、以及同中心安装在所述绝缘外壳内的磁环本体；

所述绝缘外壳的底部呈向下凸起的圆弧曲面，所述绝缘外壳的顶部呈略高于所述竖直支撑板的水平平面，用于固定整流稳压电源模块；所述竖直支撑板为长方形板，所述竖直支撑板的两侧分别设置有轴线与所述穿心孔轴线垂直的中空圆柱形定位件，用于将所述磁环固定在高电位；所述竖直支撑板顶部设置有两个竖直出线端子，用于连接整流稳压模块的输入端。

优选的，高频隔离变压供能部分所述供能系统的输出端还连接有逆变器，所述逆变器将所述供能系统输出的直流电压转换为交流电压，用于给交流负载供电。

优选的，所述激光供能部分的输出端与所述高频隔离变压供能部分的输出端并联；所述供能系统的输出端还连接有DC/DC变换器，所述DC/DC变换器将所述供能系统输出的直流电压转换为其他等级的直流电压，用于给其他直流负载供电。

与最接近的技术方案相比，本发明具有如下显著进步

1)本发明采用高频隔离变压供能部分和激光供能部分实现高压直流断路器的冗余供能，在其中一种供能部分失效的情况下，另一种供能部分投入使用，确保了高压直流断路器的可靠有效稳定运行；

2)采用稳定的工频交流电源或激光电源作为供能系统的供电电源，供电电源不受外界自然因素和器件影响，保证了供能系统自身输入稳定，提高了供电可靠性；

3)激光供能部分采用多路激光供能支路并联，提高了激光供能的输出功率，可满足高压直流断路器用的供电功率；

4)本发明提供的混合式供能方式能够满足高电位上不同电位处的电气隔离条件，提高了供电可靠性；

5)高频隔离变压器将地电位输送至高电位，与传统的工频隔离变压器送能方式相比，在隔离同等级电压的条件下，体积显著减小，降低了供能系统的运输难度和安装难度、节约了供电成本；

6)磁环结构紧凑、与后级负载接线便捷、安装方便，减低了体积和重量，节省了成本；

7)在供能系统的输出侧接DC/DC变换器，可将供能系统输出的直流电用于其它需要高位供能的直流负载，增大了供能系统的适用范围，降低了成本和占用空间；

8)在供能系统的输出侧接逆变器，可将供能系统输出的直流电转化为交流电用于其它需要高位供能的交流负载，增大了供能系统的适用范围，降低了成本和占用空间。

附图说明：

图1为高压电力电子器件组成高压直流断路器的拓扑结构图；

图2为本发明提供的高压直流断路器混合式供能系统的结构原理图；

图3为图2中高压隔离变压器的外形结构图；

图4为图2中高频隔离变压器的电路原理图；

图5为磁环的结构原理图。

其中1-绝缘子，2-均压环，3-圆柱形绝缘外壳，4-金属底座，5-出线端子，6-穿心孔，7-定位件,8-绝缘外壳，9-竖直支撑板。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合说明书附图和实例对本发明的内容做进一步的说明。

本发明提供一种由高压电力电子器件组成的高压直流断路器混合式供能系统，该供能系统的拓扑结构如图2所示：系统包括高频隔离变压供能部分与激光供能部分，这两种供能部分通过逻辑控制，互为备用，高频隔离变压供能作为主要方式，激光供能作为后备保护方式，在主要方式失效的情况下，后备保护方式投入使用，确保可靠有效稳定运行。

高频隔离变压供能部分主要包括变频器，高频隔离变压器，高压电缆，分布式磁环T1～Tn(n为磁环个数)，整流稳压模块；直流稳压模块主要包括半导体整流器和稳压器件。

此结构中使用变频器将工频交流电源转换为几十kHz的高频交流电源，后级使用分级高频隔离变压器，将能量输送至高电位，变压器用来隔离高电压，传送能量，通过高压电缆及分布磁环，实现多路电能输出，通过与分布式磁环T1～Tn对应连接的n个整流稳压模块，可得到不同电位处高压电力电子器件的驱动电路所需要的稳定的直流电压，直接向其供电。

为了保证整流稳压模块输出驱动电路正常工作所需的电压；在整流稳压模块的输出端和变频器之间设置电压反馈电路；通过电压反馈电路检测整流稳压模块的输出电压，当检测输出电压高于或低于所需电压时，将相关信息量传输至前级变频器，通过变频器调节自身的输出有效值，从而将整流稳压模块的输出电压调节至正常工作电压范围。

高频隔离变压器的结构如图3所示：变压器本体安装在圆柱形外壳内，外壳材质采用绝缘材料，用于隔离高压，增加爬电距离；市电由绝缘外壳的底部输入，从其顶部的两个绝缘子端部输出，底部金属底座起到固定安装作用，顶部金属环起到均压作用；绝缘子主要起到两个作用：提供结构连接，增加绝缘距离。

变压器本体的电路原理图如图4所示：变压器本体由分级式变压器依次连接组成，同时使用均压电路，保证每级变压器耐受电压值均等，有效缩小变压器体积。

磁环固定在高电位上，采用多个磁环实现多路电能输出。磁环的结构设计如图5所示，主要包括竖直支撑板和绝缘外壳，绝缘外壳的中部留有高压电缆穿线用的穿心孔，绝缘外壳内同中心安装磁环本体，磁环本体上绕制有二次线圈；竖直支撑板的侧面使用四个定位孔，可以实现分布式磁环的自我固定安装；竖直支撑板上部设有两个二次线圈的出线端子，用来实现便捷连接电气出线；绝缘外壳的顶部为平面，用以放置固定后级电源模块，有效节约了空间。

高频隔离变压供能部分的每个整流稳压模块的输出端均并联激光功能模块；激光功能模块主要包括：激光电源、光电转换装置和调压稳压模块；使用激光电源，产生光能，通过光纤输送至光电转换装置，由光电转换装置将光能转化为电能，调压稳压模块将光电转换装置输出的直流电压转化为更高等级的稳定直流电压，以满足后级负载所需。由于高压直流断路器中每一个高压电力电子器件驱动所需功率为几瓦，而单路激光供能所能供给的能量小于1W，因此需要多路激光供能支路并联才能满足要求。

本发明所提供的混合式供能系统除了可以给高压直流断路器高位供能外，还可以在混合式供能系统的输出侧接逆变器，将混合式供能系统输出的直流电转化为不同电压等级的交流电，给其他交流负载供电；或在混合式供能系统的输出侧设置DC/DC变换器，将混合式供能系统输出的直流电转化为其他电压等级的直流电，用于给其他直流负载供电；通过这种方式可以增大混合式供能系统的适用范围广泛，节约成本，提高供电可靠性。

以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均在申请待批的本发明的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种高压直流断路器用混合式供能系统；其特征在于：所述供能系统包括高频隔离变压供能部分和激光供能部分,所述激光供能部分与所述高频隔离变压供能部分并行设置实现所述高压直流断路器的冗余供能。

2.如权利要求1所述的一种高压直流断路器用混合式供能系统；其特征在于：

所述高频隔离变压供能部分包括变频器、高频隔离变压器、分布式磁环和整流稳压电源模块；所述变频器的输入端接工频交流电源，其输出端接所述高频隔离变压器的输入端，所述高频隔离变压器的输出端通过高压电缆与固定在高电位上所述分布式磁环的输入端连接，所述分布式磁环的输出端与所述整流稳压模块的输入端相连；所述变频器将工频交流电源转换为高频交流电源，所述高频隔离变压器将交流电输送至高电位，所述分布式磁环输出两路或两路以上交流电，所述整流稳压模块将交流电转化为直流电压给所述高压直流断路器供电。

3.如权利要求1所述的一种高压直流断路器用混合式供能系统；其特征在于：

所述激光供能部分包括并联的激光供能支路，所述激光供能电路支路包括依次连接的激光电源、光电转换器和变压稳压模块，所述激光电源产生光能，通过光纤输送至所述光电转换器，所述光电转换器将光能转化为电能输出给所述变压稳压模块，所述变压稳压模块将输入直流电压转化为更高电压等级的稳定直流电压后给所述高压直流断路器供电。

4.如权利要求2所述的一种高压直流断路器用混合式供能系统；其特征在于：

所述整流稳压模块的输出端通过电压反馈回路与所述变频器相连，所述电压反馈回路检测所述电源模块的输出电压，并发送控制信号给所述变频器，所述变频器根据所述控制信号调节自身输出电压的幅值和脉宽，从而控制所述整流稳压模块输出所述驱动电路所需的工作电压。

5.如权利要求2所述的一种高压直流断路器用混合式供能系统；其特征在于：

所述整流稳压模块包括半导体整流器和稳压器件；所述半导体整流器将交流电压转化为直流电压输出至所述稳压器件，经所述稳压器件稳压后给所述驱动电路供电。

6.如权利要求2所述的一种高压直流断路器用混合式供能系统；其特征在于：

所述高频隔离变压器包括圆柱形绝缘外壳、分别安装在所述圆柱形绝缘外壳两端的金属底座和均压环，以及安装在所述圆柱形绝缘外壳内的变压器本体；所述绝缘外壳顶端沿其轴线平行的方向安装有两个绝缘子；高频交流电源从所述绝缘外壳底部的金属底座输入，经所述变压器本体变压后，由所述绝缘子顶部输出。

7.如权利要求6所述的一种高压直流断路器用混合式供能系统；其特征在于：

所述变压器本体包括依次连接的两级或两级以上变压器；依次连接的两级或两级以上变压器的第一级变压器的一次绕组两端为输入端，最后一级变压器的二次绕组两端为输出端；

所述变压器本体的每级变压器设置有均压电路，所述均压电路包括并联的电阻和电容；所述电阻的一端与变压器的一次绕组的同名端相连，其另一端与二次绕组的同名端相连。

8.如权利要求2所述的一种高压直流断路器用混合式供能系统；其特征在于：

所述分布式磁环包括两个或两个以上磁环；

所述磁环包括竖直支撑板、与所述竖直支撑板垂直固定的其中部留有高压电缆穿线用穿心孔的绝缘外壳、以及同中心安装在所述绝缘外壳内的磁环本体；

所述绝缘外壳的底部呈向下凸起的圆弧曲面，所述绝缘外壳的顶部呈略高于所述竖直支撑板的水平平面，用于固定整流稳压电源模块；所述竖直支撑板为长方形板，所述竖直支撑板的两侧分别设置有轴线与所述穿心孔轴线垂直的中空圆柱形定位件，用于将所述磁环固定在高电位；所述竖直支撑板顶部设置有两个竖直出线端子，用于连接整流稳压模块的输入端。

9.如权利要求1所述的一种高压直流断路器用混合式供能系统；其特征在于：

高频隔离变压供能部分所述供能系统的输出端还连接有逆变器，所述逆变器将所述供能系统输出的直流电压转换为交流电压，用于给交流负载供电。

10.如权利要求1所述的一种高压直流断路器用混合式供能系统；其特征在于：

所述激光供能部分的输出端与所述高频隔离变压供能部分的输出端并联；所述供能系统的输出端还连接有DC/DC变换器，所述DC/DC变换器将所述供能系统输出的直流电压转换为其他等级的直流电压，用于给其他直流负载供电。