CN107408814A - 中高电压浪涌抑制系统 - Google Patents

Abstract

一种浪涌抑制器单元(20)的系统，其连接在输电网和配电网上的多个位置处，以在各种干扰可以触及或影响设施层级的设备之前提供针对各种干扰的电网层级的防御。浪涌抑制器单元有效防止大电压和电流尖峰影响电网。另外，浪涌抑制器单元包括各种集成特征，其提供大多数公共设施操作所需的诊断和远程报告能力。因此，浪涌抑制器单元保护电网层级的部件免受重大事件的影响，例如自然地磁干扰(太阳耀斑)、极端电事件(雷电)和人为事件(EMP)以及电网上的连锁故障。

Description

中高电压浪涌抑制系统

相关申请的交叉引用

本申请要求于2014年6月11日提交的临时申请62/010,746的优先权，其全部内容通过引用结合在此。

技术领域

本发明涉及用于电网的中高电压系统的浪涌抑制系统。

发明背景

现有的浪涌抑制系统已被开发成保护设备免受在工业设置(诸如，车间、工厂或其他大型系统)中使用的三相电源母线的一侧的电压瞬变。在一个已知的电压浪涌抑制器中，三个单相变压器设置有端子，每个端子通过熔断器连接到电源母线上的相应单相电源。该浪涌抑制器防御电压瞬变，电压瞬变能够严重损坏或损毁连接到有效三相电路的设备，或者能够导致整个车间断电。浪涌抑制器电路用作针对电力母线上的任意设备的浪涌和故障保护器。该浪涌抑制器系统可以与480V的配电系统一起使用，该480V的配电系统由2000至3000KVA的未接地三角形(delta)电力变压器供电，该变压器对1000英尺的母线管道供电以使得通常具有1至3A的充电电流。按照现场读数确定的实际安培值，该充电电流通常刚好大于2安培，其中变化是由于馈电电缆和母线管道的长度以及在任意给定时间工作的电动机和功率因数校正电容器的数量和尺寸而引起的。更典型地，电阻接地电路恒定地将该电荷释放到地以帮助防止接地问题。已知的浪涌抑制器连接到母线且不将该能量释放到地，而是将该能量用于帮助稳定和平衡相对于地的相位电压。

该已知的浪涌抑制器被安装在设备中并保护设备，该设备连接到设施层级的电源母线。然而，需要位于工业母线电源系统外部和远离工业母线电源系统的电网上的、用于中高电压电气系统的浪涌抑制器系统。

电网包括多个部件，通常描述为：发电机、变压器、输配电线和控制器。发电机由多种形式的能量来驱动，举几例，例如煤炭、天然气、核裂变、水力、太阳能乃至风能。一旦在约6000V的相对低的电压下生成电力，则通过使用大型电力变压器(LPT)将该电力升压到(通常处于数十万V的)高电压，其使得电力能够更加有效地在数英里的高压(传输)电线之上传送。一旦电力到达其将被使用的普通区域，则将其降压到较接近变电站/配电站处的最终电压。在将电力传送到建筑物中以供使用之前，配电线路经由路边电线杆或经由地下将近低压的电力传输到最终变压器。

本发明是在现有的相位加法器电路产品上进行改进的一种浪涌抑制器系统，其被设计成：在向住宅和工业设施输送电力之前，对这些建筑物提供电网层级的保护以使得这些建筑物可以经受较高的电压；由远程设置提供监测和通信；以及提供具有更高鲁棒性的安装平台，并且其可以配置并联的浪涌保护装置的系统以在需要对电力进行升压或者降压时保护电力系统两侧的电网层级的应用。

在中高电压系统中，本发明将被配置成：处理大规模、快速的能量“排出”，防止来自高电压/高磁通量的干扰，允许远程性能维护，以及根据需要提高针对物理攻击和严重的过电压的保护。在本发明与关键电网设施并联安装的情况下，电网的组件被保护以免受下述影响：

瞬变：脉冲瞬变是当大多数人声称他们经历过浪涌或者尖峰(spike)时他们的所指。可以使用许多不同的术语来描述脉冲瞬变，例如突出(bump)、突变(glitch)、功率浪涌和尖峰。脉冲瞬变的原因包括雷电、不良接地、感性负载的切换、公用设施故障清除以及静电放电(ESD)。其结果可以从数据损失(或损坏)到设备的物理损坏。在这些原因中，雷电可能是最具有损害性的。本发明的浪涌抑制器装置提供针对这样的瞬变的电网层级的防御。

中断：中断被定义为电源电压或者负载电流的完全丧失。中断的原因可以变化，但通常是某些类型的供电网损坏的结果，例如雷击、动物、树木、车辆事故、破坏性天气(大风、大雪或线路上的冰等)、设备故障或基本的断路器脱扣(tripping)。虽然公用基础设施被设计成自动补偿这些问题中的许多问题，但是其并不是完全可靠的。

电压骤降(sag)/欠电压：骤降是处于给定频率的AC电压在0.5个周期至1分钟的持续时间内降低。骤降通常由系统故障导致，并且骤降还经常是具有大启动电流的负载的切换的结果。

电压骤升(swell)/过电压：骤升是骤降的相反形式，AC电压在0.5个周期至1分钟的持续时间内升高。高阻抗中性连接、突发(尤其是大的)负载下降和三相系统上的单相故障是骤升的常见原因。

频率变化：虽然存在由于偏移、陷波(notching)、谐波以及间谐波而产生的各种类型的频率问题，但这些都是主要发生在终端用户的电力系统中的情况。这些变化因为来自负载的谐波更可能位于较小的wye型系统中而产生。可能导致大量互联电网故障的高频率变化可能来自太阳或敌人攻击。对仅仅少数关键基础设施部件的损坏可能导致长时间断电和对邻近装置的附带损坏。太阳耀斑是严重性和方向会变化的自然事件。该“太阳天气”从太阳表面发出、在各个方向上经过我们的太阳系。这些耀斑包括大量的磁能量，并且取决于其冲击地球的方式，其能够导致地表的部件损坏或者暂时改变地球磁芯的属性。无论以哪种方式，大面积的直接冲击可能导致设备故障并使整个区域断电(black out)。电磁脉冲(EMP)可以以类似方式使用，但是由敌方战士以高空核爆炸的形式引导。在俄亥俄州辛辛那提(Cincinnati，Ohio)之上的良好执行的爆炸可以使70％的美国人口断电。对大型电力变压器或发电机的损坏可能需要耗费几个月来修复。核爆炸的高频率干扰能够摧毁未经保护的部件，非常像歌剧演员的声音可以打碎玻璃杯。每次干扰的大小可能取决于来源，但每次干扰可以通过使用诸如本发明的相电压稳定系统而被有效削弱。

电流浪涌抑制技术可以试图在配电系统的设施侧处理这些干扰，以便在设施中并且还在电网层级上直接保护设备，但是这些技术在防御这些干扰方面具有缺陷。

作为已知的浪涌抑制技术的一个示例，电容器是由甚至更薄的绝缘层分隔开的薄的导体。电容器具有针对电流和电压的设计额定值。如果未超过该额定值，则电容器一般将工作10至15年。一次高电压尖峰可能(并且通常会)导致电容器的灾难性故障。在具有4000个功率因数校正电容器的工厂中，每年有300至500个电容器由于高谐波电流或高电压尖峰而出现故障是正常的。

在另外的示例中，SPD(浪涌保护装置)是以各种尺寸构造的固态装置。类似于电容器，其也具有电流和电压额定值。当MOV(金属氧化物变阻器)被多个低电平电压尖峰冲击时，其恶化并且“钳位电压”将随着MOV击穿而上升，使得钳位电压继续上升，直到其不再保护其被安装以应保护的设备为止。当高于额定电压的电压尖峰冲击MOV时，其开始将上千安培传导至地，导致接地系统上的噪声和SPD内的极高热量。如果该事件持续超过百万分之几秒，则MOV可能被损毁，从而不再保护其被安装以应保护的设备。

另外，法拉第笼(Faraday cage)已被使用多年以容纳并保护工厂中以及一些政府和军事建筑中的计算机硬件和敏感数据。法拉第笼最近被用作应对太阳耀斑、雷电和EMP脉冲问题的解决方案。然而，大多数建筑未建在金属外壳中，适当地设计和建造这些外壳是困难且昂贵的。大多数汽车、卡车、火车和飞机完全由金属包围，但其不提供对于这些事件中的任何的防御。通过设计，金属外壳必须具有适合的坚实的接地连接，因为其高度依赖对敏感电气设备的包围和屏蔽以及通过将能量排出到地的能量移除。电力公司在其一些并网(grid tie)变电站中使用法拉第笼设计。其非常大且昂贵。

对于电网/LPT，最大的威胁在于存在电磁脉冲(EMP)或地磁扰动(GMD)，地磁扰动将起源于太阳耀斑，而电磁脉冲将由敌方武器引起。任一威胁可以导致过度工作的LPT功率饱和并导致变压器烧毁。对于EMP，饱和会在小于一秒的时间内发生，以致检测系统毫无价值。

GMD在导致损坏方面较慢，因此检测系统能够降低变压器上的负载，其能够使得变压器安全渡过GMD事故。取决于太阳风暴的严重性，该欠压(brown out)或者暂时性断电状况可能持续几分钟、几小时或几天。在1869卡林顿事件的情况下，地球被太阳磁能冲击了接近一个月。虽然在管理恰当的情况下电网能够在这样的事件中幸存，但是市民几乎无法接受在这样长的时间内没有电力。

简单地说，大型电力变压器难以通过诸如法拉第笼这样的老技术来保护。将LPT连接到沿线的下级电站的数百英里的电线像天线一样工作，其收集EMP的效率使得法拉第笼毫无价值。浪涌保护装置不足够快，以致不能在不允许将电流释放至LPT的情况下处理在传输层级发生的大量电子流或者阻止在百万分之一秒内发生的EMP，其最终与未经保护的系统具有同样的效果。接地系统将试图将过剩电流从EMP路由至土制接地探测器或垫，但过量的能量很可能通过接地母线找到其回到电力系统中的路径并同样导致烧毁。

本发明涉及浪涌抑制器单元的系统，其连接在电网上的多个位置处，以在各种干扰可以触及或影响设施层级的设备之前提供对抗各种干扰的电网层级的保护。本发明的效果对于保护电网层级的应用是显著的。通过本申请的独特的应用和设计，本发明的浪涌抑制器单元将有效地防止大电压和电流尖峰影响电网。另外，浪涌抑制器单元包括各种集成特征，其提供大多数公共设施操作所需的诊断和远程报告能力。因此，浪涌抑制器单元保护电网层级的部件以免受重大事件的影响，例如自然地磁干扰(太阳耀斑)、极端电事件(雷电)、人为事件(EMP)和电网上的级联故障。本发明还提供显著的针对电弧闪光的防御并降低存在于“正常”电网操作中的电压谐波。

本发明的浪涌抑制器单元的报告特征对于保护经常处于远程或隔离设置中的中高电压系统也是独特的。不像被设计成保护局部低电压设备和基础设施的装置，来自浪涌抑制器的实时诊断报告对于确保其有效工作和提供保护例如US电网的电力系统所需的持续保护是重要的。

如所讨论的，各种已知技术(诸如MOV、法拉第笼、甚至被设计成具有熔断器的类似装置)还试图校正电压不平衡。这些装置既不提供对电网层级的电压要求的可扩展性(scalability)，也不在施加大电压时“烧毁”。这些技术还不提供报告、远程诊断或是针对附加危险(诸如电弧闪光或是局部电压溢出(overflow))的防御。本发明的浪涌抑制器系统提供这些优势中的每个并且针对各种电网层级的应用还是完全可扩展的。

在阅读以下说明书并观察附图时，本发明的其他目标和目的及其变化将是明显的。

附图说明

图1A是电网界面的示意图，该电网界面具有在供电网上的各个位置处连接至其的浪涌抑制器单元的系统。

图1B是图1的示出了输电网的局部放大图。

图1C是图1的示出了配电网的局部放大图。

图2示出了典型的故障状况。

图3示意性地示出了电网层级的、针对电网层级的部件(例如，变电站)的保护场景(20)。

图4示出了包括在图3中被称作完整单元(21、22和23)的分路连接的三相变压器组的浪涌抑制单元(30)。

图5示出了远程监测系统。

图6是示出了安装在三相电路上的浪涌抑制器单元在经受E1EMP脉冲分量的情况下的测试结果的曲线图。

图7是示出了安装在三相电路上的浪涌抑制器单元在经受E2EMP脉冲分量的情况下的测试结果的曲线图。

图8是示出了安装在三相电路上的浪涌抑制器单元在经受E3EMP脉冲分量的情况下的测试结果的曲线图。

图9是示出了安装在三相电路上的浪涌抑制器单元在经受E3EMP脉冲分量的情况下的测试结果的曲线图，其中移除了威胁脉冲。

在下文描述中将仅出于方便和参照的目的而使用某些术语，该术语并不是限制性的。例如，词语“向上”、“向下”、“向左”以及“向右”指的是所参照的附图中的方向。词语“向内”和“向外”分别是指朝向和远离布置和其指定部件的几何中心的方向。所述术语包括特别提到的词语、其衍生词和含义类似的词语。

具体实施方式

参照图1A至图1C，示出了一种通用配电系统10，其公开了电网层级的、向设施层级的个体用户供电的各种电力系统部件。就本公开内容而言，设施层级包括工业和工厂设施等，以及住宅设施，例如住房和公寓建筑。这些建筑物包括各种类型的耗电装置或用电装置(power consumer)，例如各种类型的设备、电机和电器。独立式耗电装置同样由电网供电，例如街道照明、交通信号以及其他用电装置。

更具体地，配电系统10包括处于高电压电平和超高电压电平的输电网11，以及处于中电压电平的配电网12，该配电网12继而在设施层级向住宅、工厂等供给较低的电力。图1B示出了以超高电压生成电力的多种电力供给源，例如燃煤电厂、核电厂和水电厂。其可以通过升压变压器13向超高电压输电网14供电。该电网14继而可以通过变压器网络16连接到高电压电网15，电网15通过相应的变压器网络17连接到各种电网设施，例如工业发电厂、工厂或中型发电厂。通常，中电压是指10kV至25kV或者更高的范围，其通常被承载在配电网中并且可以包括发电电压，高电压是指如可能存在于输电网中的132kV至475kV的范围，以及超高电压处于500kV至800kV的范围中，其通常也被承载在输电网中。这些电网层级的电压显著高于存在于设施或其他类似建筑物中的低电压。

输电网11继而可以通过变压器网络18连接到中电压配电网12(图1C)。继而住宅电网12可以包括各种设施，例如城市发电厂、工业用户，太阳能发电场、风能发电场、农场、农村住宅网络或城市住宅网络。设置各种变压器18以使配电系统10的这些部件相互连接。总体上，本发明涉及浪涌抑制器系统，其安装在配电系统10内的各个位置处以提供电网层级的浪涌抑制，从而保护由供电系统10供电的各种设施。这些各种变压器可以是各种类型和配置，例如升压变压器和降压变压器，以及安装在变电站中的变电站变压器，或者用于向个体用户供电的输送变压器。

本发明涉及电压浪涌抑制器单元20的系统，该电压浪涌抑制器单元20安装在配电网10上的各个位置处，以用于对从这种电网10接收电力或向这种电网10提供电力的各种设施提供三相的、电网层级的保护。图3概括地示出了多个浪涌抑制器单元20的系统，多个浪涌抑制器单元20在图3中通过附图标记21、22和23而彼此区分。针对特定安装位置和在这些位置处在配电系统10中存在的电压电平而设定这些浪涌抑制器单元21、22、23的规格。通常，电网使用上述的各种变压器，图3的示意性电网变压器24是在输电网11或配电网12中所使用的各种变压器之一。变压器24包括初级侧线圈24P，该级侧线圈24P连接到例如从发电厂等向电网变压器24供电的三条电力线路25A、25B和25C。变压器24包括次级侧线圈24S，其连接到用于向电网的下游部件供电的传输线路26A、26B和26C。在该示例性实施方式中，变压器24将电力从接收自发电侧电力线路25A、25B和25C的6kV升压到如供给至电网电力线路26A、26B和26C的300kV。可以理解的是，针对变压器24的初级侧和次级侧的电压能够根据在电网中的位置而变化，其中，电压电平可以是中电压或高电压。

浪涌抑制器单元21连接到发电电力线路25A、25B和25C以及初级侧线圈24P以防御上述各种瞬变状况，从而保护初级线圈24P、上游发电机以及任意上游电网部件和设备。浪涌抑制器单元22继而连接到电网或输电线路26A、26B和26C以及次级侧线圈24S以防御上述各种瞬变状况，从而保护次级线圈24S、下游传输线路26A、26B和26C以及任何连接的电网设备和部件。同样，浪涌抑制器单元23可以是480V的单元或适合于保护系统电路和逻辑的其他适合的电压电平。

参照图4，浪涌抑制器单元21、22和23中的每个通常能够使用浪涌抑制器单元设计20(图4)的设计，该设计包括一系列分路连接的三相变压器组31、32和33，该三相变压器组31、32和33被设计成通过将相中性电压不平衡馈送回其自身上以及/或者将该不平衡排出到集成的电阻器组来校正该不平衡，其中电阻器组连线到同样在图4中示出的系统的次级侧。变压器组31、32和33中的每个包括初级线圈31P、32P和33P，该初级线圈31P、32P和33P连接到系统的输电线路L1、L2和L3之一并从其接收电力，该电力可以处于存在于在电网中的中电压或高电压。初级线圈31P、32P和33P还连接到地34。线路L1、L2和L3例如可以连接到传输线路26A、26B和26C(图3)并由在图4中示出的发电机和大型变压器供电，或者连接到图3的示例中的线路25A、25B、25C。

变压器组31、32和33中的每个还包括次级线圈31S、32S和33S，该次级线圈31S、32S和33S串联连接在一起并具有与其串联连接的电阻器35。串联连接的电阻器35提供在人为或自然现象导致的断电期间的能量排放路径和噪声过滤两者。由于电弧闪光是系列现象，电阻器35还帮助排出系统能量以防止电弧闪光。通过在故障期间保持剩余的相，电压累积不能形成，并且简单地允许电路保护以使电路开路而不产生闪光事件。该增强的稳定性确保了更纯净的电子流并且使该流对于部件和人等而言更加安全。换言之，浪涌保护单元30对“负载”侧的电压进行平衡。由于在“电源”侧闪光是固有的，所以横跨电弧的电压是最小的并且该电弧将被抑制。

每个浪涌抑制器单元20利用用于管理来自线路L1、L2和L3中的每个的电力的断路器36，该断路器36能够被编程以快速重置并且可以被设置成对于中高电压需求是可扩展的。断路器36还可以被手动操作以用于安装和更换浪涌抑制器单元20，或者可以包括另外的开关装置以提供浪涌抑制器单元20的手动切换。取决于公共设施机构的要求，当发生严重的过电压时，金属氧化物变阻器形式的附加保护可以作为次级电路而串联布入(pipein)。

通过这样的构造，浪涌抑制器单元20从而通过将纯净的相移电流推入具有最低相电压的相位中来平衡相对于地的相电压。优选地，部件是匹配的单相变压器31、32和33，并且在该永久性解决方案中其规格按照将要采用特定浪涌抑制器单元20的电压等级和kVA来设定。电压规格确定所需的适当匝数比，以根据每个浪涌抑制器单元30的安装位置而适当地设定其规格。所有三个变压器31、32和33通过IEEE标准而彼此间隔，以防止每个相之间的电弧或磁通。取决于特定要求，本发明的浪涌抑制器单元20可以利用具有浸入油/冷却剂的电阻器组35和油冷却式变压器31、32、33的地下安装。这些选项允许更紧密的间隔(更小的占地面积)并需要更少的机械冷却或自由气体冷却。这些选项还能够从敌方场所的线路上移除设备。

在安装期间，例如，如图3中所见的，每个浪涌抑制器单元20并联地连线至电力系统。另外，浪涌抑制器单元20(例如图3中的单元22)可以对从电力变压器24的次级侧24S至下游变压器的初级侧进行保护以提供从浪涌抑制器单元20延伸至与其连接的其他电力部件的延伸保护。例如，浪涌抑制器单元20可以对从LPT的次级侧向下至下一个降压变压器的初级绕组进行保护。附加浪涌抑制器单元20可以被安装在被降压的电力系统的下一部分上，该下一部分开始于配电变压器的次级向下至下一变压器上的初级，以此类推。每个浪涌抑制器单元20被设计并构造成在其被设计以保护的变压器的VA额定值和连接(hookup)电压下工作，以使得取决于安装位置，不同规格和不同额定值的浪涌抑制器单元20可以被安装在电网中。该延伸保护对于从发电源至初始变压器24上的初级侧24P而言也是可靠的，该初始变压器24由图3中的浪涌抑制器单元21保护。所有连接的部件均受保护，并且本发明的浪涌抑制器单元20稳定由下游活动引起的或者直接在线路上的不平衡。

另外，不需要关断电力系统以连接浪涌抑制器单元20。断路器36或其他适合的断开装置36a能够手动操作，以使得公共设施线路人员能够将浪涌抑制器装置20热分接(tap)到系统中，随后通过使用断开开关36a来连接每个浪涌抑制器单元30。

该浪涌抑制器单元20的系统通过可选地引入功率调节产品(例如电容器37)来提供功率因数校正(PFC)，以帮助简化电源电流，使得能量更高效。

优选地，浪涌抑制器单元20(图4)还包括一个或更多个适当的传感器38，其优选地包括电流传感器。传感器38连接到用于检测和监测传感器38的控制系统39。控制系统39还可以包括远程(基于网络的)诊断和报告特征，例如在图5的数据显示器40中所示出的特征。数据显示器40可以位于远离各种浪涌抑制器单元40的位置，以用于由公共设施人员例如通过计算机终端来监测。优选地，数据显示器40示出了关于被主动通信并能够从场外位置监测的故障(不平衡)的信息。数据显示器40包括若干显示图表41、42、43和44，其能够显示各种类型的数据。该实时状态报告提供大量信息和数据，包括但不限于：

-每相的电压；

-每相的安培数；

-每相的谐波；

-油/冷却剂温度；

-(每相以及每次发生的严重程度的)接地故障指示器。

控制系统39可以包括针对每个数据点的警报，该警报可以是可定制的，以便触发公共设施对多个远程位置的响应。这对于通常无人控制以及/或者处于远程设置的电网层级的变电站而言是重要的。每个数据点能够通过控制系统39中的数据存储装置来捕获、存储和维持以用于历史追踪和参考，使得允许历史趋势分析和特定搜索能力二者。

聚焦于电压使得本发明能够处理上文讨论的5个常见电力问题中的每个问题。瞬变是经常发生并可能仅持续几个周期的短暂电压尖峰。本发明的系统采取相同的波形的过剩电压，并通过变压器31、32和33、以相同的强度电磁地将其馈送回其自身上。即使通过电力分析器，仍可以看到，直接位于线路上的干扰被完全削弱。

中断具有许多原因，但当系统断电从而逐渐减速(wind down)的电机变成向连接的负载发送不适当的电压的小型发电机时，损害会在短暂的瞬间发生。本发明的系统不防止持续的断电，但是通过在由于变压器31、32和33和电阻器35的相互作用而发生断电时允许更软的着陆来防止负载损坏。

本发明还将减少电压不稳定的有害影响，该电压不稳定例如是电网层级的骤降和骤升或者欠电压/过电压。变压器31、32和33的初级侧31P、32P和33P以及它们的邻近的次级侧31S、32S和33S持续稳定电压差。如果存在持续骤升，过量的电力将被无害地排出到在系统的次级侧串联连线的集成的电阻器组35。

波形和频率变化可能最好被描述为线路上的来自大量磁力的噪声。这些对电网的磁冲击可能对发电机、变压器、自动分接装置(tapping device)和连接的负载造成损坏。来自敌对EMP的高频噪声改变正常的60Hz的电子流，其可能导致基础设施严重损坏。取决于这样的敌对状态的严重性或者靠近程度，损坏的范围可以从终端用户电子装置的损失到电力变压器或公共发电厂上的定子过热。本发明的浪涌抑制器单元20将作为门卫而工作，抑制高于或低于60Hz范围的任何频率。如果没有本发明的系统的情况下，本会在瞬间发生对电网部件的损坏，但是由于其仅在60Hz的波形下工作，其以准确的异常事件的速度将不适当的波形路由到集成的电阻器组35。从而，本发明校正超出规格的干扰并协调日常工作。

本发明的系统相比于现有技术的浪涌抑制器装置提供大量优势。例如，本发明的系统被设计成用于中高电平电压，其目标应用在于用于电网系统保护。许多现有技术的浪涌抑制装置被设计成用于低电压系统，例如独立的工业或住宅设置，其不用考虑另外的电力来源或“连锁”问题。本发明能够适应电网的特殊要求。

另外，每个浪涌抑制器单元20不止保护单个装置。而是，每个浪涌抑制器单元20在电网上的适当位置处并联连线，以保护电网层级的变电站的两侧，即输电系统和发电厂。图3提供了由单独的浪涌抑制器单元提供的延伸保护的示例性图示。

另外，在浪涌抑制器单元20中设置断路器36和断开装置(disconnect)36a使得本发明能够扩展至中高电压电网系统，并且便于在安装或更换期间每个单元20的热分接。浪涌抑制器单元20还能够包含金属氧化物变阻器，以增加对严重过电压的特定电网层级保护，该金属氧化物变阻器能够作为次级电路而串联布入。

更具体地，根据该设计的浪涌抑制器装置已经在表示通过注入直接在线路上改变波长/形状和频率的EMP的条件下、在限定电压电平下被测试。利用阻性和感性负载、使用Mil-spec 188-125-1和Mil-Std-2169的测试标准和设备表示电网层级的保护，来进行该测试。将数千伏特注入根据上述浪涌抑制器单元20而设计的浪涌抑制器单元以及连接的电力系统，其中每次通过多个单独测试事件来识别、箝位以及大大减小威胁脉冲。图6示出了来自这样的测试的测试数据。

通常，对于EMP(例如核生成的EMP)，这样的脉冲被视为包括三个脉冲分量，通常被指定为E1、E2和E3。E1分量被视为是最快的并且可以在电气系统中引起高电压。E2分量是中级脉冲，其在电磁脉冲开始之后的短时间开始并在其后迅速结束。该脉冲被视为与雷击相似，但具有更小的幅度。E3脉冲分量更长且更慢，并且其被视为与太阳耀斑最为相似。E3脉冲分量是处理起来最麻烦的分量，无论其是由核EMP还是由太阳耀斑产生，并且现有技术不处理E3脉冲分量并适当地保护电网系统。

在本发明的EMP测试中，浪涌抑制器单元20被示出为处理及防御所有三个脉冲分量，即E1、E2和E3。浪涌抑制器在百万分之几秒内快速对EMP脉冲威胁进行箝位并将该威胁的严重性降低到安全水平。例如，该单元即时地削弱E1脉冲并在1.3μs内消除威胁，该单元即时地削弱E2脉冲并在0.002s内将相恢复至“正常”，该单元还即时地削弱E3脉冲并在0.002s内将相恢复至“正常”。该相同装置在经过所有测试之后继续操作并且未受到损坏，使得其能够被安装，并在经过多个EMP事件之后仍工作。

图6示出了针对三个相和其对于注入的E1脉冲的反应的测试结果的示意图，该注入的E1脉冲在重新产生这样的脉冲分量的测试条件下注入。该曲线图比较了在系统相中检测到的千安培(KAmps)随以μs为单位测量的时间的变化，脉冲在时间0处开始。图6示出了从-1.0至3.5μs的时间的E1脉冲注入测试。浪涌抑制器单元连接到三相电路，其中处于正常操作条件下的系统是具有6000W的负载的480V的操作系统。测试在1500A下注入20000V来模拟E1波形。威胁脉冲80的高度在单相上最大约为1500A(1.5kA)并持续超过1.9μs。威胁脉冲80被注入到操作系统上，该脉冲被示出为具有减小的尾部的突发尖峰。颜色较深的相A负载81和颜色较浅的相B负载82产生即时下降，以帮助校正相C负载83上的不平衡或所产生的E1尖峰。相C承载来自注入的负载的波，但通过将负载推回到相A和相B上来削弱影响。浪涌抑制器单元的相A、相B和相C通过相对于其自身校正波来补偿威胁脉冲，或换言之，其相对于其他两个相来平衡脉冲，产生能够在曲线图中看到的实时校正。因此，浪涌抑制器单元立即削弱浪涌并在0.1μs内开始降低幅度和宽度。该威胁被保持为在其峰值处小于500A，其在0.2μs内下降到小于250A(幅度下降70％)。通过大幅度降低高度(大小/幅度)和宽度(持续时间)，浪涌抑制器使得E1威胁对电网部件没有危害。该威胁在1.3μs左右被完全消除。

图7示出了浪涌抑制器单元响应于注入的E2威胁的图形结果。威胁脉冲被示为曲线90，其中威胁脉冲在存在6kW的负载的情况下以大约5kV注入到由线91示出的相C上。脉冲被示出为具有减小的尾部的突发尖峰。相A负载92和相B负载93产生即时下降，以帮助校正呈现尖峰的相C负载91上的不平衡。相C 91已经通过将负载推回到相A 91和相B 92上来削弱影响。相比于威胁90的260A的峰值，相C 91的峰值为109A。所有三个相被校正并在0.002s内从注入到线路上的初始威胁回到同步(in phase)。所有三个相91、92和93在威胁90在时间0处被注入之前对齐。所有三个相从注射到线路上的初始E2威胁十分快速地回到同步。从而，浪涌抑制器单元还能够容易地削弱E2脉冲分量或呈现相似特性的脉冲。

还在E3脉冲分量下对浪涌抑制器单元进行测试，其示出在图8和图9中。图8示出在威胁脉冲100的情况下的图形结果，该威胁脉冲100在6kW的负载的情况下以大约2kV注入到相C 101上。威胁脉冲在图8中清晰地显示为突发尖峰和相应的波。由于图8中的曲线图的比例，相的反应不是十分清晰。因此，提供了图9，其中省略了威胁脉冲100，以使得系统相的比例能够增加，以便看清楚。如图9所示，相C 101具有即时尖峰。然而，相A负载102和相B负载103产生即时下降，以帮助校正相C负载101上的不平衡。相C已经通过将负载推回到相A 102和相B 103上来削弱威胁脉冲100的影响。相比于威胁脉冲100的1710A的峰值，相C 101的峰值为109A。所有三个相101、102和103被校正并在0.002s内从注入到线路上的初始威胁脉冲100回到同步。所有三个相在在时间0处的威胁脉冲100之前对齐并且在0.002s内回到对齐，以使得浪涌抑制器能够容易地处理E3脉冲分量。

因此，本发明的浪涌抑制器系统能够通过校正AC波形的变平(flatten)来防止在电网上存在E-3活动或太阳耀斑活动时移除负载的需要。通过保持3个完美平衡的相，其中矢量是120度异相，浪涌抑制器消除降低LPT负载来防止由半周期饱和引起的过热和损坏的需要。

优选地，浪涌抑制器单元从不将过剩能量从这些电磁力路由到地，相反，以异常事件的速度将所述能量甩向(throw against)进入的浪涌。非常像镜子即时地弹回光束，浪涌抑制器系统弹回脉冲威胁以削弱电力的涌入，而与大小无关。

浪涌抑制器系统可以被安装在配电网中的近乎任意位置处而仍旧保护电路的全部部分。这意味着浪涌抑制器单元可以被安装在LPT和下一个降压变压器之间的中间，其消除了针对在电源处已经十分紧凑的空间中加入一台新设备的需要。

虽然出于说明性目的而详细公开了本发明的特定优选实施方式，但是应认识到，所公开的设备的变形或修改，包括部件的重新布置，落在本发明的范围之内。

Claims (20)

1.一种向低电压用电装置提供电力的电网配电系统的浪涌抑制系统，包括：

所述配电系统的至少一个三相系统变压器，其具有通过分别传送所述三相电力的相应相的第一配电线路、第二配电线路和第三配电线路从电源接收三相电力的初级侧，以及通过分别传送所述三相电力的所述相的相应相的第四配电线路、第五配电线路和第六配电线路将三相电力供给至下游的次级侧，所述初级侧和次级侧包括相应的初级侧线圈和次级侧线圈，以将所述三相电力从在所述初级侧的第一电压转换为在所述次级侧的、与所述第一电压不同的第二电压，所述系统变压器将所述第一电压升压至中电压或高电压中之一或者将所述第一电压从中电压或高电压中之一降压；以及

至少第一浪涌抑制器单元，其与所述系统变压器的所述初级侧的所述第一配电线路、第二配电线路和第三配电线路并联连接，所述浪涌抑制器单元包括校正由所述第一配电线路、第二配电线路和第三配电线路所承载的相应相中的电压不平衡的第一变压器组、第二变压器组和第三变压器组，所述第一变压器组、第二变压器组和第三变压器组包括相应的第一初级线圈、第二初级线圈和第三初级线圈，所述相应的第一初级线圈、第二初级线圈和第三初级线圈连接到处于所述第一电压的所述第一配电线路、第二配电线路和第三配电线路并且接收其承载的三相电力的相应的相，所述第一变压器组、第二变压器组和第三变压器组还包括串联连接在一起并具有与其串联连接的电阻器的相应的第一次级线圈、第二次级线圈和第三次级线圈，其中，所述变压器组将处于所述第一电压的所述三相电力转换为处于第三电压的三相电力，其中，在所述次级线圈上的所述三个相中的任一相中的电压不平衡通过在所述次级线圈上的剩余相来平衡，其平衡在所述配电系统的所述系统变压器的所述初级侧的电压不平衡。

2.根据权利要求1所述的浪涌抑制系统，其包括与所述系统变压器的所述次级侧的所述第四配电线路、第五配电线路和第六配电线路并联连接的第二浪涌抑制器单元，所述第二浪涌抑制器单元包括校正由所述第四配电线路、第五配电线路和第六配电线路所承载的相应相中的电压不平衡的所述第一变压器组、第二变压器组和第三变压器组，所述第一变压器组、第二变压器组和第三变压器组包括所述相应的第一初级线圈、第二初级线圈和第三初级线圈，所述相应的第一初级线圈、第二初级线圈和第三初级线圈连接到处于所述第二电压的所述第四配电线路、第五配电线路和第六配电线路并且接收其承载的三相电力的相应的相，所述第一变压器组、第二变压器组和第三变压器组还包括串联连接在一起并具有与其串联连接的电阻器的所述相应的第一次级线圈、第二次级线圈和第三次级线圈，其中，所述变压器组将处于所述第二电压的所述三相电力转换为处于第四电压的三相电力，其中，在所述次级线圈上的所述三个相中的任一相中的电压不平衡通过在所述次级线圈上的剩余相来平衡，其平衡在所述配电系统的所述系统变压器的所述次级侧的电压不平衡。

3.根据权利要求2所述的浪涌抑制系统，其中，根据与所述相应的第一电压和第二电压相关联的电压等级和kVA而设定所述第一浪涌抑制单元和第二浪涌抑制单元的规格。

4.根据权利要求2所述的浪涌抑制系统，其中，所述第一浪涌抑制器单元和第二浪涌抑制器单元的所述第一初级线圈、第二初级线圈和第三初级线圈还连接到地，并且所述第一浪涌抑制器单元和第二浪涌抑制器单元的所述第一次级线圈、第二次级线圈和第三次级线圈未接地。

5.根据权利要求1所述的浪涌抑制系统，其中，所述第一浪涌抑制器单元的所述第一初级线圈、第二初级线圈和第三初级线圈还连接到地。

6.根据权利要求5所述的浪涌抑制系统，其中，所述第一浪涌抑制器单元的所述第一次级线圈、第二次级线圈和第三次级线圈未接地。

7.根据权利要求1所述的浪涌抑制系统，其中，所述第二电压是中电压。

8.根据权利要求1所述的浪涌抑制系统，其中，所述第一电压是高电压。

9.一种电网配电系统的浪涌抑制系统，所述电网配电系统从电源接收三相电力，在高电压和中电压下传送所述三相电力并在低电压下转换和供给所述三相电力，包括：

所述配电系统的多个三相系统变压器，其将所述电力升压至所述中电压或所述高电压中之一或者将所述电力从所述中电压或所述高电压中之一降压，所述系统变压器中的每个具有：通过分别传送所述三相电力的相应相的第一配电线路、第二配电线路和第三配电线路从电源接收三相电力的初级侧；以及通过分别传送所述三相电力的所述相的相应相的第四配电线路、第五配电线路和第六配电线路将三相电力供给至下游的次级侧，所述初级侧和次级侧包括相应的初级侧线圈和次级侧线圈，以将所述三相电力从在所述初级侧的初级侧电压转换成在所述次级侧的、与所述初级侧电压不同的次级侧电压，所述配电系统还包括至少一个降压变压器，所述至少一个降压变压器将由所述系统变压器中的上游系统变压器提供的所述次级测电压降压至所述低电压，以用于由低电压用电装置使用；以及

多个浪涌抑制器单元，其中，至少第一所述浪涌抑制器单元与在每个所述系统变压器的所述初级侧的所述第一配电线路、第二配电线路和第三配电线路并联连接，以及至少第二所述浪涌抑制器单元与在每个所述系统变压器的所述次级侧的所述第四配电线路、第五配电线路和第六配电线路并联连接，每个所述浪涌抑制器单元包括第一变压器组、第二变压器组和第三变压器组，所述第一变压器组、第二变压器组和第三变压器组校正由所述配电系统、通过所述第一配电线路、第二配电线路和第三配电线路或是所述第四配电线路、第五配电线路和第六配电线路而承载的相应相中的电压不平衡，所述第一变压器组、第二变压器组和第三变压器组包括连接到所述配电系统并接收从其接收到的三相电力的相应的相的第一初级线圈、第二初级线圈和第三初级线圈，所述第一变压器组、第二变压器组和第三变压器组还包括串联连接在一起并具有与其串联连接的电阻器的相应的第一次级线圈、第二次级线圈和第三次级线圈，其中，所述变压器组将所述三相电力从所述系统变压器的所述初级侧电压或所述次级侧电压转换成处于第三电压的三相电力，其中，在所述次级线圈上的所述三个相中的任一相中的电压不平衡通过所述次级线圈上的剩余相来平衡，其平衡所述配电系统的所述系统变压器的所述初级侧和次级侧中的每个上的电压不平衡。

10.根据权利要求9所述的浪涌抑制系统，其中，根据与所述相应的系统变压器的所述相应的初级侧电压和次级侧电压相关联的电压等级和kVA而设定所述第一浪涌抑制单元和第二浪涌抑制单元的规格，所述相应的系统变压器与所述第一浪涌抑制单元和所述第二浪涌抑制单元连接。

11.根据权利要求9所述的浪涌抑制系统，其中，每个所述浪涌抑制器单元的所述第一初级线圈、第二初级线圈和第三初级线圈还连接到地，并且所述浪涌抑制器单元的所述第一次级线圈、第二次级线圈和第三次级线圈未接地。

12.根据权利要求9所述的浪涌抑制系统，其中，所述系统变压器将所述三相电力从高于所述低电压的所述中电压或高电压中之一升压或者将所述三相电力降压至高于所述低电压的所述中电压或高电压中之一。

13.根据权利要求9所述的浪涌抑制系统，其中，所述系统变压器中的第一个系统变压器上的所述初级侧电压是从相应的发电机接收到的，所述相应的发电机生成用于所述电网的所述三相电力。

14.根据权利要求9所述的浪涌抑制系统，其中，所述电压不平衡由电磁脉冲产生。

15.根据权利要求14所述的浪涌抑制系统，其中，所述电磁脉冲包括E1、E2和E3脉冲分量中的至少之一，并且所述浪涌抑制器单元平衡所述电磁脉冲的所述E1、E2和E3脉冲分量中的任何脉冲分量。

16.一种将电力提供给低电压用电装置的电网配电系统的浪涌抑制系统，包括：

所述配电系统的至少一个三相系统变压器，其具有通过分别传送所述三相电力的相应相的第一配电线路、第二配电线路和第三配电线路从电源接收三相电力的初级侧，以及通过分别传送所述三相电力的所述相的相应相的第四配电线路、第五配电线路和第六配电线路将三相电力供给至下游的次级侧，所述初级侧和次级侧包括相应的初级侧线圈和次级侧线圈，以将所述三相电力从在所述初级侧的第一电压转换为在所述次级侧的、与所述第一电压不同的第二电压，所述系统变压器将所述第一电压升压至中电压或高电压中之一或者将所述第一电压从中电压或高电压中之一降压；以及

至少第一浪涌抑制器单元和第二浪涌抑制器单元，其分别并联连接到所述系统变压器的所述初级侧和次级侧，所述第一浪涌抑制器单元连接到所述系统变压器的所述初级侧的所述第一配电线路、第二配电线路和第三配电线路，以及所述第二浪涌抑制器单元连接到所述系统变压器的所述次级侧的所述第四配电线路、第五配电线路和第六配电线路；以及

每个所述浪涌抑制器单元包括第一变压器组、第二变压器组和第三变压器组，其校正在由所述第一配电线路、第二配电线路和第三配电线路或是所述第四配电线路、第五配电线路和第六配电线路所承载的相应相中的电压不平衡，以保护所述系统变压器、防止在其任一侧的电压平衡，所述第一变压器组、第二变压器组和第三变压器组包括连接到所述配电系统并且接收由其承载的三相电力的相应的相的第一初级线圈、第二初级线圈和第三初级线圈，所述第一变压器组、第二变压器组和第三变压器组还包括串联连接在一起并具有与其串联连接的电阻器的相应的第一次级线圈、第二次级线圈和第三次级线圈，其中，所述变压器组将从所述配电系统接收到的所述三相电力转换为处于第三电压的三相电力，其中，在所述次级线圈上的所述三个相中的任一相中的电压不平衡通过所述次级线圈上的剩余相来平衡，其平衡所述配电系统的所述系统变压器的所述初级侧和次级侧两者上的电压不平衡。

17.根据权利要求16所述的浪涌抑制系统，其中，所述第一浪涌抑制器单元和第二浪涌抑制器单元中的每个的所述第一初级线圈、第二初级线圈和第三初级线圈还连接到地，并且所述第一浪涌抑制器单元和第二浪涌抑制器单元的所述第一次级线圈、第二次级线圈和第三次级线圈未接地。

18.根据权利要求17所述的浪涌抑制系统，其中，所述系统变压器将所述三相电力从所述中电压或高电压之一升压或者将所述三相电力降压至所述中电压或高电压之一。

19.根据权利要求17所述的浪涌抑制系统，其中，所述系统变压器上的所述初级侧电压是从相应的发电机接收到的，所述相应的发电机生成用于所述电网的所述三相电力。

20.根据权利要求17所述的浪涌抑制系统，其中，所述电压不平衡由电磁脉冲产生，所述电磁脉冲包括E1、E2和E3脉冲分量中的至少之一或其全部，以及所述浪涌抑制器单元平衡所述电磁脉冲的所述E1、E2和E3脉冲分量中的任何脉冲分量。