CN106104955A - 电力传输网络 - Google Patents

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CN106104955A
CN106104955A CN201580012676.5A CN201580012676A CN106104955A CN 106104955 A CN106104955 A CN 106104955A CN 201580012676 A CN201580012676 A CN 201580012676A CN 106104955 A CN106104955 A CN 106104955A
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insulator
changer
grounding connection
transmission medium
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卡尔·大卫·巴尔克
A·P·卡尼汉斯
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Abstract

一种电力传输网络(100)，包括：第一电力传输介质(28)；第一绝缘体或多个第一绝缘体，布置为提供第一电力传输介质(28)相对于地电位的绝缘；以及变换器，可操作地连接到第一电力传输介质(28)，变换器(10)包括：将变换器(10)可操作地连接到地的第一接地连接(34)，其中第一接地连接(34)的阻抗被配置为当所述或每个第一绝缘体遭受绝缘故障时控制经由第一接地连接(34)在变换器(10)和地之间流动的电流，并且从而将流入所形成的电弧的变换器电流限制在处于或低于用于防止电弧维持的电流阈值。

Description

电力传输网络
技术领域
本发明涉及一种电力传输网络，特别是一种高压电力传输网络。
背景技术
在电力传输网络中，交流(AC)电力通常被变换为直流(DC)电力，用于经由架空线和/或海底电缆进行传输。这种变换免除了对由传输线或电缆造成的AC电容性载荷效应进行补偿的需要，并且从而可以降低传输系统的整体成本。
AC电力到DC电力的变换还可以用于需要将运行于不同频率的AC电网进行互连的电力传输网络。在任何这种电力传输网络中，在AC电力与DC电力之间的每个交界处需要变换器来实现所需的变换，并且一种这种形式的变换器是电力变换器。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种电力传输网络，包括：
第一电力传输介质；
第一绝缘体或多个第一绝缘体，布置为提供所述第一电力传输介质相对于地电位的绝缘；以及
变换器，可操作地连接到所述第一电力传输介质，所述变换器包括将所述变换器可操作地连接到地的第一接地连接，
其中所述第一接地连接的阻抗被配置为当所述或每个第一绝缘体遭受绝缘故障时控制经由所述第一接地连接在所述变换器和地之间流动的电流，并且从而将流入所形成的电弧的变换器电流限制在处于或低于用于防止电弧维持的电流阈值。
在使用中，所述第一电力传输介质的一端可操作地连接到所述变换器，并且所述第一电力传输介质的另一端连接到一个附加的变换器。附加的变换器可以不接地，以抑制来自附加的变换器的接地电流的流动。
绝缘体两端的绝缘故障可能会由于许多不同的运行原因而发生。例如，可以由于下述原因发生闪络：
·在相关联的电力传输介质上直接感应的过电压(例如通过直接击中电力传输介质的雷击或通过施加到电力传输介质的开关脉冲)；
·当附近的物体承受的电压增加(例如雷击击中电力传输介质附近的物体)时在相关联的电力传输介质中过电压的静电和电磁感应；
·在与相关联电力传输介质相关联的基础设施中感应的过电压(例如在相关联的接地线或支撑塔中的过电压)；
·当在电力传输介质中未感应过电压时电力传输介质和绝缘体的运行条件(例如，由阵风引起的碎片、绝缘体中植物的过度生长、局部污染、盐雾)。
作为绝缘体的表面上空气中的颗粒的沉积所造成的污染物堆集的结果，可暂时降低绝缘体的耐电压强度，从而增加绝缘故障的危险。
应该理解的是，对于本说明书的目的，术语“绝缘故障”的范围旨在包括在术语“闪络”、“回闪”、“绝缘击穿”、“放电”、“电弧”、“动电弧(voltaic arc)”、“电弧放电”、“电击穿”或它们的任何等效术语。还应当理解的是，对于本说明书的目的，术语“绝缘故障”的范围也旨在包括与会导致或引发绝缘故障或绝缘体和与电力传输介质相关联的绝缘材料的电压耐受强度降低的任何现象相关的任何术语，这两者随机地或确定性地可能导致从电力传输介质到地或在任何方向上的过度漏电或短路电流。
在实践中，自恢复绝缘系统被设计为使得当绝缘体或多个绝缘体中的每个遭受绝缘故障时，所述或每个绝缘体的条件或周围空气(例如可能已经暂时改变的至接地结构的间隙，在暴雨和/或风、或杂草丛生的条件下由于经过一段时间在所述或每个绝缘体的表面上的空气中颗粒物沉积导致的堆集的污染物)或者会被相关联的破坏性放电的能量烧掉或可以自然消失(诸如在与严重大气条件相关联的情况下)。
因此，如果在一次放电或一系列放电之后没有更多的能量被馈送到电离的点或多个点，则所述或每个电弧会自熄灭，从而使得所述或每个绝缘体自恢复其耐压强度。另一方面，如果能量被馈送到电离的点或多个点中，则在作为来自相关联的变换器的电流流动和/或由相关联的变换器在电力传输介质上施加的电位的结果，所述或每个电弧会持续或重新点燃，即使在绝缘故障的初始原因已被消除之后依然如此。
结合根据本发明的电力传输网络所描述的方式的第一接地连接的阻抗的配置，确保了流入所形成的电弧的任何变换器电流被保持在处于或低于电流阈值，并且从而防止变换器电流维持电弧。这进而允许电弧自熄灭并从而使得所述或每个第一绝缘体自恢复其电压耐受能力，并且因此自恢复所述第一电力传输介质的绝缘性。以这种方式，为根据本发明的电力传输网络提供了故障强健性或故障容错能力，使得电力传输网络在所述或每个第一绝缘体遭受绝缘故障的情况下继续传输电力。
所述第一接地连接可以配置为以不同的方式来将变换器可操作地连接到地。配置所述第一接地连接以将变换器可操作地连接到地的示例包括但不限于，配置所述第一接地连接以将变换器的母线、AC端子、极连接或变压器连接可操作地连接到地。
可以通过电力传输网络的特性确定防止电弧的维持的电流阈值，电力传输网络的特性诸如耐压水平、任何空气间隙的物理特性、接地电阻率、支撑所述第一电力传输介质的结构(或多个结构)的类型、所述或每个第一绝缘体的类型和几何形状以及环境条件。
根据本发明的电力传输网络的配置的替代方案是在用于操作将变换器连接至电网的AC断路器的系统中采用的、为了中断通过故障的电流并且随后在去电离期间之后通过重新闭合AC断路器重新接通变换器的传统操作。这种操作所需的时间太长而被认为是对电网很大的干扰，因此需要被设计为以巨大的成本通过保持足够的惯性响应和可连接到电网的运转储备来应对这样的被迫停机。
因此，根据本发明的电力传输网络的配置导致了安全、可靠和具有成本效益的系统，其即使在所述或每个第一绝缘体遭受绝缘故障时也能够连续传输电力。
变换器可以有意地经由一个或多个第二接地连接和/或无意地经由一个或多个其它第二接地连接可操作地连接到地(例如由于电力传输网络中的电压平衡或接地开关的不当操作)。
在本发明的实施例中，变换器可进一步包括一个或多个第二接地连接。第一接地连接的阻抗可被配置为低于所述或每个第二接地连接的阻抗。在本发明的这种实施例中，第一接地连接的阻抗可被配置为低于所述或每个第二接地连接的阻抗，以将在所述变换器和地之间流动的电流的大部分引导为优先通过所述第一接地连接流动而不是通过所述或每个第二连接流动。
以这种方式配置所述第一接地连接的阻抗不仅使得第一接地连接能够增强其在所述或每个第一绝缘体遭受绝缘故障时对于经由第一接地连接在变换器和地之间流动的电流的控制，并且从而有利于其将流入所形成的电弧的变换器电流限制在处于或低于用于防止电弧维持的电流阈值，而且允许监测通过第一接地连接流动的电流，以准确地确定所述或每个第一绝缘体的状态，所述或每个第一绝缘体可以远离所述变换器。
在本发明的另外的实施例中，电力传输网络可以进一步包括：
第二电力传输介质，所述变换器被可操作地连接到所述第二电力传输介质；
第二绝缘体或多个第二绝缘体，布置为提供所述第二电力传输介质相对于地电位的绝缘；以及
电压限制器或者多个电压限制器，布置为限制所述或所述相应的第二绝缘体两端的电压应力。
所述电压限制器优选地与所述第二绝缘体并联连接。
当电力传输网络是对称的单极时，第一电力传输介质中的绝缘故障可能会引起第二电力传输介质的过电压，并且从而导致所述或每个第二绝缘体遭受绝缘故障。以所述方式布置电压限制器以较高的置信度确保了仅所述或每个第一绝缘体会遭受绝缘故障，即使在该绝缘故障导致对第二电力传输介质施加过电压使得所述或每个第二绝缘体暴露于过电压时也是如此。这进而又提高了电力传输网络的可靠性。
电力传输介质可以是能够在两个或多个电元件之间传输电力的任何介质。这样的介质可以是架空DC电力传输介质(例如架空DC电力传输线或电缆)。这种电元件可以是但不限于，DC电源、负载、DC电网的DC端子或DC电网。
所述或每个电力传输介质可以是空气绝缘的电力传输介质。
第一接地连接的配置可以有所不同，以便使得当所述或每个第一绝缘体遭受绝缘故障时其能够控制经由第一接地连接在变换器和地之间流动的电流，并且从而将流入所形成的电弧的变换器电流限制在处于或低于用于防止电弧维持的电流阈值。
所述第一接地连接可以是或可以包括：
·至少一个线性电阻器；
·至少一个非线性电阻器；
·至少一个线性电阻器和至少一个非线性电阻器的组合。
当第一接地连接包括至少一个非线性电阻器时，所述或每个非线性电阻器的保护水平可以被配置为使得，仅当所述或每个第一绝缘体遭受绝缘故障时，第一接地连接的阻抗位于当所述或每个第一绝缘体遭受绝缘故障时控制经由第一接地连接在变换器和地之间流动的电流并且从而将流入电弧的变换器电流限制在处于或低于用于防止电弧维持的电流阈值。
所述或每个非线性电阻器可以是电涌放电器。
可以理解的是，根据本发明的电力传输网络可以形成例如点对点的DC电力传输方案或多端DC电力传输方案的一部分。
根据本发明的另一个方面，提供了一种配置电力传输网络的方法，所述电力传输网络包括：
第一电力传输介质；
第一绝缘体或多个第一绝缘体，布置为提供所述第一电力传输介质相对于地电位的绝缘；以及
变换器，可操作地连接到所述第一电力传输介质，所述变换器包括将所述变换器连接到地的第一接地连接，
其中所述方法包括以下步骤：将所述第一接地连接的阻抗配置为当所述或每个第一绝缘体遭受绝缘故障时控制经由所述第一接地连接在所述变换器和地之间流动的电流，并且从而将流入所形成的电弧的变换器电流限制在处于或低于用于防止电弧维持的电流阈值。
在本发明的实施例中，其中电力传输网络还包括一个或多个第二接地连接，所述方法可以进一步包括以下步骤：将所述第一接地连接的阻抗配置为低于所述或每个第二接地连接的阻抗。
在本发明的这种实施例中，所述方法可包括以下步骤：将所述第一接地连接的阻抗配置为低于所述或每个第二接地连接的阻抗，以将在所述变换器和地之间流动的电流的大部分引导为优先通过所述第一接地连接流动而不是通过所述或每个第二连接流动。
在本发明进一步的实施例中，其中电力传输网络还包括：第二电力传输介质，所述变换器被可操作地连接到所述第二电力传输介质；以及第二绝缘体或多个第二绝缘体，布置为提供所述第二电力传输介质相对于地电位的绝缘，所述方法可以包括以下步骤：布置电压限制器或者多个电压限制器以限制所述或所述相应的第二绝缘体两端的电压应力。
附图说明
现在将参照以下附图，通过非限制示例的方式来描述本发明的优选实施例，在附图中：
图1a以示意性的形式示出根据本发明的实施例的电力传输网络；
图1b以示意性的形式示出形成图1a的电力传输网络的一部分的第一电力变换器；
图2a和2b以示意图的形式分别示出开关元件和2象限单极模块的结构；以及
图3示出形成图1a的电力传输网络的一部分的第一DC电力传输线和第二DC电力传输线。
具体实施方式
根据本发明的实施例的电力传输网络100被示出在图1a中，并包括第一电力变换器10和第二电力变换器10’。
每个电力变换器10、10’包括第一DC端子12、12’和第二DC端子14、14’。
此外，图1a所示的电力变换器10、10’包括多个AC端子16、16’，在使用中每个AC端子被连接到多相AC网络18、18’的相应相。更具体地，图1a所示的每个电力变换器10、10’限定AC/DC电压源变换器，AC/DC电压源变换器包括多个变换器臂20，每个变换器臂20如图1b所示布置。
每个变换器臂20在第一DC端子12、12’和第二DC端子14、14’之间延伸并且包括在第一DC端子12、12’和AC端子16、16'之间延伸的第一臂部22和在第二DC端子14、14’和AC端子16、16'之间延伸的第二臂部24。
每个臂部22、24包括多个串联连接的开关元件26。每个开关元件26包括与无源电流逆止元件反并联连接的有源开关器件26a，如图2a所示。
每个有源开关器件26a是绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的形式。可以设想，在本发明的其它实施例中，每个IGBT可以由栅极可关断晶闸管、场效应晶体管、注入增强栅晶体管、集成门极换向晶闸管或任何其它自换向开关器件代替。每个开关元件26中的有源开关器件26a的数量可以取决于该开关元件26所需的额定电压而有所不同。
每个无源电流逆止元件包括二极管形式的无源电流逆止器件。可以设想，在其它实施例中，每个二极管可以由能够限制电流仅在一个方向上流动的任何其它器件代替。每个无源电流逆止元件中无源电流逆止器件的数量可以取决于无源电流逆止元件所需要的额定电压而有所不同。
在使用中，每个电力变换器10、10’的开关元件26是可控制的以互连AC端子16、16’和DC端子12、12’、14、14’，以便促进它们之间的电力传输。
应当理解，每个电力变换器10、10’的拓扑仅仅被选择用于帮助说明本发明的操作，并且每个电力变换器10、10’可以由具有不同拓扑结构的另一个电力变换器代替。例如，每个开关元件26可由包括至少一个开关元件和至少一个储能器件的模块代替，其中每个模块中的所述或每个开关元件和所述或每个储能器件相结合，来选择性地提供电压源。这样的模块27的一个示例示出于图2b中，其中模块27包括在半桥布置中与储能器件(以电容器27b的形式)并联连接的一对开关元件27a，以限定可以提供零或正电压源并且可以在两个方向上传导电流的2象限单极模块。
每个电力变换器10、10’的第一DC端子12、12’通过第一架空的空气绝缘DC电力传输线28互连。每个电力变换器10、10’的第二DC端子14、14’通过第二架空的空气绝缘DC电力传输线30互连。第一DC电力传输线28和第二DC电力传输线30中的每个形成电力传输网络100的一部分。
电力传输网络100还包括多个第一线路绝缘体36和多个第二线路绝缘体38。
多个第一绝缘体36被布置成提供第一DC电力传输线28相对于地电位的绝缘。多个第二绝缘体38被布置成提供第二DC电力传输线30相对于地电位的绝缘。
图3示出第一线路绝缘体36、第二线路绝缘体38和电压限制器40、42至DC电力传输线路28、30的连接。
第一线路绝缘体36和第二线路绝缘体38被布置为将第一DC电力传输线28和第二DC电力传输线30分别支撑在接地塔48上。
第一电压限制器40和第二电压限制器42分别与第一线路绝缘体36和第二线路绝缘体38并联连接。以这种方式，每个电压限制器40、42被布置为允许电流选择性地流过，并由此旁路过相应的线路绝缘体36、38。这允许每个电压限制器40、42限制相应的线路绝缘体36、38两端的电压应力。
每个电压限制器40、42为电涌放电器形式的非线性电阻器。
每个电涌放电器的保护水平被设定为使得当相应的DC电力传输线28、30在正常工作电压(或在正常工作电压范围内)时，每个电压限制器40、42对经由该电压限制器40、42在相应的DC电力传输线28、30和地之间流动的电流呈现高阻抗。以这种方式配置每个电涌放电器的保护水平使得通过每个电压限制器40、42流动的电流对相应的DC电力传输线28、30的正常工作的影响最小化。
每个电涌放电器的保护水平还被设定为使得当相应的DC电力传输线28、30承受过电压时，每个电压限制器40、42对经由该电压限制器40、42在相应的DC电力传输线28、30和地之间流动的电流呈现低阻抗。以这种方式配置每个电涌放电器的保护水平使得每个电压限制器40、42能够在相应的DC电力传输线28、30感应过电压的情况下允许电流选择性地通过其流动并且从而旁路过相应的线路绝缘体36、38。
第一电力变换器10还包括以接地电路34形式的第一接地连接。
接地电路34连接在每个AC连接(其中每个AC连接被连接到第一电力变换器10的相应AC端子16)与地之间。接地电路34包括线性电阻器44和多个电抗器46。每个电抗器46连接在至第一电力变换器10的相应的AC连接的第一端处，并且连接在至公共结点的第二端处。电阻器44被连接在公共结点和地之间。以这种方式，接地电路34将第一电力变换器10的每个AC端子16连接到地，从而为电力传输网络100建立接地参考电位。
接地电路34可以以其它不同的方式配置以将第一电力变换器10可操作地连接到地。配置接地电路34以将第一电力变换器10可操作地连接到地的其它示例包括但不限于配置接地电路34以将第一电力变换器10的母线或极连接可操作地连接到地。
在使用中，每个线路绝缘体36、38可能会在超出其电压耐受强度时遭受绝缘故障。
通过设定电阻器44的电阻值，接地电路34的电阻被配置为当至少一个第一线路绝缘体36遭受绝缘故障时控制经由接地电路34在第一电力变换器10和接地之间流动的电流，并且从而将流入所形成的电弧的变换器电流限制在处于或低于用于防止电弧维持的电流阈值。
以这种方式配置接地电路34的阻抗确保流入所形成的电弧的任何变换器电流被保持在处于或低于电流阈值，并且从而防止变换器电流维持电弧。这进而允许电弧自熄灭并从而使所述或每个受影响的第一线路绝缘体36自恢复其电压耐受能力，并因此自恢复第一DC电力传输线30的绝缘。以这种方式，为电力传输网络100提供了故障强健性或故障容错能力，使得电力传输网络100在一个或多个第一线路绝缘体36遭受绝缘故障的情况下继续传输电力。
当电力传输网络100是对称的单极时，第一DC电力传输线28中的绝缘故障可能会引起第二DC电力传输线30的过电压，并且从而导致至少一个第二线路绝缘体38遭受绝缘故障。以上文所述的方式布置电压限制器42以较高的置信度确保了仅至少一个第一线路绝缘体36会遭受绝缘故障，即使在该绝缘故障导致对第二DC电力传输线30施加过电压使得每个第二线路绝缘体38暴露于过电压时也是如此。这进而又提高了电力传输网络100的可靠性。
第一电力变换器10可以有意地经由一个或多个第二接地连接和/或无意地经由一个或多个其它第二接地连接可操作地连接到地(例如由于电力传输网络100中的电压平衡或接地开关的不当操作)。
在本发明的实施例中，第一电力变换器还可以包括一个或多个第二接地连接。接地电路的阻抗可被配置为低于所述或每个第二接地连接。在本发明的这种实施例中，接地电路的阻抗可被配置为低于所述或每个第二接地连接以将在第一电力变换器和地之间流动的电流的大部分引导为优先通过接地电路流动而不是通过所述或每个第二连接流动。
以这种方式配置接地电路的阻抗不仅使得接地电路能够增强其在至少一个第一绝缘体遭受绝缘故障时对于经由接地电路在第一电力变换器和地之间流动的电流的控制，并且从而有利于其将流入所形成的电弧的变换器电流限制在处于或低于用于防止电弧维持的电流阈值，而且允许监测通过接地电路流动的电流，以准确地确定每个第一绝缘体的状态，每个第一绝缘体可能远离第一电力变换器。
可选地，在本发明的其它实施例(未示出)中，接地电路可以不是线性电阻器，而是或者可以包括非线性电阻器，或者线性电阻器和第一非线性电阻器的组合。
当接地电路包括至少一个非线性电阻器时，所述或每个非线性电阻器的保护水平可以被配置为使得，仅当至少一个第一绝缘体遭受绝缘故障时，接地电路的阻抗位于当至少一个第一绝缘体遭受绝缘故障时控制经由接地电路在第一电力变换器和地之间流动的电流并且从而将流入所形成的电弧的变换器电流限制在处于或低于用于防止电弧维持的电流阈值。

Claims (11)

1.一种电力传输网络，包括：
第一电力传输介质；
第一绝缘体或多个第一绝缘体，布置为提供所述第一电力传输介质相对于地电位的绝缘；以及
变换器，可操作地连接到所述第一电力传输介质，所述变换器包括将所述变换器可操作地连接到地的第一接地连接，
其中所述第一接地连接的阻抗被配置为当所述或每个第一绝缘体遭受绝缘故障时控制经由所述第一接地连接在所述变换器和地之间流动的电流，并且从而将流入所形成的电弧的变换器电流限制在处于或低于用于防止电弧维持的电流阈值。
2.根据权利要求1所述的电力传输网络，其中所述变换器还包括一个或多个第二接地连接，并且其中所述第一接地连接的阻抗被配置为低于所述或每个第二接地连接的阻抗。
3.根据权利要求2所述的电力传输网络，其中所述第一接地连接的阻抗被配置为低于所述或每个第二接地连接的阻抗，以将在所述变换器和地之间流动的电流的大部分引导为优先通过所述第一接地连接流动而不是通过所述或每个第二连接流动。
4.根据前述任一项权利要求所述的电力传输网络，还包括：
第二电力传输介质，所述变换器被可操作地连接到所述第二电力传输介质；
第二绝缘体或多个第二绝缘体，布置为提供所述第二电力传输介质相对于地电位的绝缘；以及
电压限制器或者多个电压限制器，布置为限制所述或所述相应的第二绝缘体两端的电压应力。
5.根据前述任一项权利要求所述的电力传输网络，其中所述或每个电力传输介质是空气绝缘的电力传输介质。
6.根据前述任一项权利要求所述的电力传输网络，其中所述第一接地连接是或包括：
·至少一个线性电阻器；
·至少一个非线性电阻器；
·至少一个线性电阻器和至少一个非线性电阻器的组合。
7.根据权利要求6所述的电力传输网络，其中所述或每个非线性电阻器是电涌放电器。
8.一种配置电力传输网络的方法，所述电力传输网络包括：
第一电力传输介质；
第一绝缘体或多个第一绝缘体，布置为提供所述第一电力传输介质相对于地电位的绝缘；以及
变换器，可操作地连接到所述第一电力传输介质，所述变换器包括将所述变换器可操作地连接到地的第一接地连接，
其中所述方法包括以下步骤：将所述第一接地连接的阻抗配置为当所述或每个第一绝缘体遭受绝缘故障时控制经由所述第一接地连接在所述变换器和地之间流动的电流，并且从而将流入所形成的电弧的变换器电流限制在处于或低于用于防止电弧维持的电流阈值。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述电力传输网络还包括一个或多个第二接地连接，所述方法还包括以下步骤：将所述第一接地连接的阻抗配置为低于所述或每个第二接地连接的阻抗。
10.根据权利要求9所述的方法，包括以下步骤：将所述第一接地连接的阻抗配置为低于所述或每个第二接地连接的阻抗，以将在所述变换器和地之间流动的电流的大部分引导为优先通过所述第一接地连接流动而不是通过所述或每个第二连接流动。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的方法，其中所述电力传输网络还包括：
第二电力传输介质，所述变换器被可操作地连接到所述第二电力传输介质；以及
第二绝缘体或多个第二绝缘体，布置为提供所述第二电力传输介质相对于地电位的绝缘，
其中所述方法包括以下步骤：布置电压限制器或者多个电压限制器以限制所述或所述相应的第二绝缘体两端的电压应力。
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