CN107507717B - 一种高压直流断路器系统及供能装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高压直流断路器系统及供能装置，采取两根送能电缆并联并在阀层中间电位进入的方式，分别为阀层内两侧电力电子器件提供工作电源，把送能电缆的绝缘要求降低50％，提高了送能电缆的安全运行裕度。层间隔离变压器采用等电位连接的金属套管屏蔽连接导线的方式接入直流断路器的层内低压可调送能变，固定接入点的电位，避免了连接导线在高电位下的局部放电，并解决了连接导线的散热问题。本发明可以广泛、灵活地应用于高压直流断路器的高压送能系统，适用于多种高压直流断路器设备布置方式对送能变压器安装位置和接入点的限制；降低了对送能电缆的绝缘要求，节省设备成本，提高送能设备的运行可靠性，具有较高和广泛的推广应用价值。
Description
技术领域
本发明属于高压直流断路器领域，具体涉及一种高压直流断路器系统及供能装置。
背景技术
高压直流断路器是保障直流输电系统安全运行的主要设备，是靠电力电子器件即IGBT串联的快速开关功能，和高速机械隔离开关快速动作共同实现的。由于高压直流断路器闭合时端电压非常低，所以高压直流断路器无法实现自取能的方法提供供电电源。但是IGBT和高速机械隔离开关可靠工作均需要高可靠性的高压供能装置。目前高压直流断路器的高压供能装置均采用两套供能装置作为冗余备用，以满足对高压直流断路器高可靠性的要求；但是冗余的设备对供能装置的安装占地面积和绝缘距离的要求提出了新的技术难题；而且高压供能变压器随着电压等级升高，其制造成本几何递增，备份冗余的要求使制造成本翻倍。
随着电压等级的升高，高压供能装置接入高压直流断路器的绝缘等级、绝缘方式等，决定了供能装置中的供能变压器接入直流断路器阀塔的供能电缆对于绝缘有很高的要求，其运行的可靠性无法保证，另外，由于高电位层的供能电缆和与其连接的供能变压器之间连接处的线径存在差异，导致连接处在高电位下电场集中，容易产生局部放电现象，致使电缆发热，甚至损坏，不利于供能电缆的散热，为供能装置的安全运行带来隐患。例如，公告号为CN103501116公开了一种高压直流电子设备的供电装置，该供能装置的供能电缆的绝缘要求高，送能回路运行可靠性无法保证。
发明内容
本发明的目的是提供一种高压直流断路器系统及供能装置，用于解决供能装置中接入直流断路器阀塔的供能电缆的绝缘要求高、供能回路运行不可靠的问题。
为解决上述技术问题，本发明提出一种高压直流断路器的供能装置，包括级联的两个以上的层间隔离变压器，两个以上的层间隔离变压器依次上下叠放设置；每个层间隔离变压器的二次侧均连接有一个对应的低压供能变压器，每个低压供能变压器用于为阀塔中对应阀层供电；所述每个低压供能变压器的二次侧均连接有两条以上并联的供能电缆，供能电缆沿对应阀层的长度方向延伸。
每条供能电缆的覆盖距离均小于对应阀层的长度，以使每条供能电缆承受绝缘电压小于相应阀层的绝缘电压，且各条供能电缆的覆盖距离之和不小于对应阀层的长度，以使所有供能电缆承受的绝缘电压之和不小于阀层绝缘电压。
所述每个低压供能变压器的二次侧均连接两条并联的供能电缆，分别为高压端电缆和低压端电缆，高压端电缆覆盖相应阀层的高电位点到中点电位之间的距离，低压端电缆覆盖所述相应阀层的中点电位到低电位点的距离。
所述低压供能变压器的一次侧通过连接导线与所述对应的层间隔离变压器的二次侧连接，连接导线包覆有绝缘层，连接导线外部套设有一个金属管母，所述金属管母一端连接层间隔离变压器的屏蔽环，另一端连接相应的阀层。
所述金属管母两端的直径大于金属管母中部的直径，每个阀层对应的金属管母中部的直径相同。
为解决上述技术问题，本发明还提出一种高压直流断路器系统，包括阀塔和供能装置，该供能装置包括级联的两个以上的层间隔离变压器，两个以上的层间隔离变压器依次上下叠放设置；每个层间隔离变压器的二次侧均连接有一个对应的低压供能变压器，每个低压供能变压器为阀塔中对应阀层供电；所述每个低压供能变压器的二次侧均连接有两条以上并联的供能电缆，供能电缆沿对应阀层的长度方向延伸。
每条供能电缆的覆盖距离均小于对应阀层的长度，以使每条供能电缆承受绝缘电压小于相应阀层的绝缘电压，且各条供能电缆的覆盖距离之和不小于对应阀层的长度，以使所有供能电缆承受的绝缘电压之和不小于阀层绝缘电压。
所述每个低压供能变压器的二次侧均连接两条并联的供能电缆，分别为高压端电缆和低压端电缆，高压端电缆覆盖相应阀层的高电位点到中点电位之间的距离，低压端电缆覆盖所述相应阀层的中点电位到低电位点的距离。
所述低压供能变压器的一次侧通过连接导线与所述对应的层间隔离变压器的二次侧连接，连接导线包覆有绝缘层，连接导线外部套设有一个金属管母，所述金属管母一端连接层间隔离变压器的屏蔽环，另一端连接相应的阀层。
所述金属管母两端的直径大于金属管母中部的直径，每个阀层对应的金属管母中部的直径相同。
本发明的有益效果是：本发明在低压供能变压器的一次侧设置了两条以上并联的二次侧供能电缆，为同一层阀层内的电力电子器件提供工作电源，较以往采用一条二次侧供电电缆的方式，本发明将供能电缆的绝缘要求降低，节省设备成本，提高了低压供能变压器二次侧供电电缆的安全运行裕度，及低压供能变压器的运行可靠性，具有较高和广泛的推广应用价值。
进一步，当低压供能变压器采用两条二次侧供电电缆时，将低压供能变压器二次侧供能电缆的绝缘要求降低50％，供电电缆的电压耐受能力要求降低为同层电压差值的一半，提高了送能回路的运行可靠性。
进一步，低压供能变压器的一次侧电缆与层间隔离变压器输入端子间的连接导线的外部用过金属管母固定，实现了层间隔离变压器与直流断路器相应阀层的电位钳制，固定接入点的电位，避免了连接导线在高电位下的局部放电，并解决了连接导线的散热问题。
本发明低压供能变压器的供能电缆的接入方式和层间隔离变压器接入导线的均压防护措施可以广泛、灵活地应用于高压直流断路器的高压供能装置，适用于多种高压直流断路器设备布置方式对送能变压器安装位置和接入点的限制。
附图说明
图1是高压直流断路器的供能装置电气原理图；
图2是供能装置与高压直流断路器阀塔的连接示意图；
图3是低压供能变压器的二次侧连接三条并联供能电缆的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。
本发明的一种高压直流断路器系统的实施例：
本发明具有供能装置的高压直流断路器系统如图2所示，包括阀塔5和供能装置，阀塔中装有高压直流断路器，供能装置包括主供能变压器组6、低压供能变压器组、层间隔离变压器组7，主供能变压器组6连接层间隔离变压器组7，层间隔离变压器组7连接低压供能变压器组，低压供能变压器组连接阀层内的电子式开关。其中，主供能变压器组6是由多个主供能变压器级联构成，并且依次由下到上依次叠放设置，该主供能变压器组6的一端(一次侧)连接电源，另一端(二次侧)连接层间隔离变压器组7，且主供能变压器组6的高度与直流断路器阀塔5的基座高度相适应。该主供能变压器组6在本发明的供能装置中起到送能的主要作用，即为直流断路器系统提供交流高压电源。
层间隔离变压器组7由多个层间隔离变压器级联构成，该级联方式指的是当前变压器的原边连接前一级变压器的副边，当前变压器的副边连接后一级变压器的原边。层间隔离变压器通过自身的外部绝缘结构承担阀层间处于高电位的电压差，并向阀层输送取能功率。层间隔离变压器组7的布置方式如图1和图2所示，与主供能变压器组的布置方式一样，均为由下到上依次叠放设置。
低压供能变压器组包括多个可调低压供能变压器，各可调低压供能变压器安装在直流断路器阀塔的每个阀层内，且低压供能变压器的数量与阀塔的阀层数量相同，低压供能变压器的二次侧用于为每个阀层的电子式开关供电，每个低压供能变压器的一次侧通过导线连接对应的层间隔离变压器原边或副边设置的输出端子，例如，图1所示的低压供能变压器T1C的一次侧电缆连接层间隔离变压器T1副边的输出端子，低压供能变压器T2C的一次侧电缆连接层间隔离变压器T2副边的输出端子，层间隔离变压器T2副边的输出端子也即层间隔离变压器T3原边的输出端子，层间隔离变压器T1副边的输出端子也即层间隔离变压器T2原边的输出端子。
图1中的低压供能变压器T1C、T2C的二次侧均设置有两条并联的二次侧供能电缆，低压供能变压器T1C的二次侧供能电缆分别为高压端电缆3和低压端电缆4，高压端电缆3和低压端电缆4沿阀层Md1的长度方向延伸；低压供能变压器T2C的二次侧供能电缆分别为高压端电缆1和低压端电缆2，高压端电缆1和低压端电缆2沿阀层Md2的长度方向延伸。高压端电缆1和低压端电缆2的直径相等，高压端电缆3和低压端电缆4的直径相等。高压端电缆1覆盖阀层Md2的高电位点V21到中点电位V22之间的距离，低压端电缆2覆盖阀层Md2的中点电位V22到低电位点V23之间的距离；高压端电缆3覆盖阀层Md1的高电位点V11到中点电位V12之间的距离，低压端电缆4覆盖阀层Md1的中点电位V12到低电位点V13之间的距离。高压端电缆1、3和低压端电缆2、4分别从各自的高压直流断路器阀层Md1、Md2的中点电位V12、V22进入，从两侧阀层内固定的电流互感器CT穿过，并回到层间隔离变压器的二次侧，形成供电回路。
两条供能电缆的覆盖距离均小于对应阀层Md1、Md2的长度，使阀层Md1及阀层Md2的每条供能电缆承受绝缘电压小于阀层Md1及阀层Md2的绝缘电压，且高压端电缆1和低压端电缆2的覆盖距离之和大于或等于阀层Md1的长度，高压端电缆3和低压端电缆4的覆盖距离之和大于或等于阀层Md2的长度，使高压端电缆1和低压端电缆2承受的绝缘电压之和大于或等于阀层Md1的绝缘电压，高压端电缆3和低压端电缆4承受的绝缘电压之和大于或等于阀层Md2的绝缘电压。
上述低压供能变压器将层间隔离变压器上输送的功率经过输入功率调节和滤波，输出到二次侧供能电缆，供能电缆中的电流转化为磁场能经过电流互感器取能，转化为电能，再经过整流设备为IGBT器件提供直流电源。
作为图1所示两条二次侧供能电缆的其他代替，低压供能变压器的二次侧还可以设置三条并联的二次侧供能电缆，如图3所示，阀层的每条供能电缆沿阀层长度的方向延伸，每条供能电缆的覆盖距离均小于阀层的长度，使每条供能电缆承受绝缘电压小于阀层的绝缘电压Vh-Vl，且各条供能电缆的覆盖距离之和大于或等于阀层的长度，以使所有供能电缆承受的绝缘电压之和不小于阀层绝缘电压Vh-Vl。
图3中，上述三条并联的电缆直径相等，分别通过高电位、中电位和低电位的电流互感器后，回到阀层内的低压供能变压器的二次侧另一端口。作为其他实施方式，还可以根据需要在低压供能变压器的二次侧设置多条并联供能电缆，以进一步降低供能电缆的绝缘要求，保证供能装置的可靠运行。
本发明在对同一阀层的电子式开关采用双供能电缆或多供能电缆的送能方式，其中，双供能电缆的送能方式中，双供能电缆的电压耐受能力要求降低为同层电压差值的一半，多供能电缆的送能方式中，电压耐受能力进一步降低，这两种电缆送能方式降低了送能电缆的绝缘要求，提高了送能回路的运行可靠性。该供能电缆的送能方式通过送能电缆的固体绝缘层耐受所在阀层被供能设备之间的电位差，可以广泛用于由电力电子器件如晶闸管、IGBT，IGCT等组成的高压电子电力设备和换流设备的外部供能装置中。
随着电压等级的提高，元件数量的增加，高压直流断路器多采用层层堆叠的放置方式，根据设备原理、冗余方式和尺寸外观的差异性，高压直流断路器系统的供能装置不在阀塔本体布局的设计中，而是在阀塔周围位置进行放置和变压器的接入。本发明中的层间隔离变压器输出端子和低压供能变压器一次侧之间的连接导线外部采用一根固定直径的金属管母8固定层间隔离变压器与接入阀层，使二者钳制为等电位，并根据供能装置在直流断路器阀塔的位置与接入点电位的要求采取直或者弯曲的结构，金属管母8两端的直径大于金属管母8中部的直径，且每个阀层对应的金属管母8中部的直径相同，如图2所示。层间隔离变压器输出端子和低压供能变压器一次侧的连接导线与外部的金属管母8是绝缘的，连接导线自带绝缘包覆层，实际应用中由于供能装置的容量很小，导线的线径很细，在直流断路器阀层的高电位电场中会产生集肤效应，产生损耗并损坏其绝缘表层。金属管母8的一端连接在层间隔离变压器的屏蔽环或端屏蔽罩等电位连接，另一端与阀层内低压供能变压器所在的电位连接。该金属管母解决了连接导线在高电位下引起的电场集中、绝缘表层损坏的问题。同时，金属管母可以满足连接导线的散热需求，通过传到和辐射的热传导方式，提高连接导线的散热效率。
金属管母的管径r取决于接入电位的电压等级U，金属管母为圆形导线，其起始电晕放电电压Uc绝对大于U。因此，将不同的管径r带入以下计算公式，并按照以下计算公式求解Uc，比较Uc与电压等级U的大小，选择Uc比U大的设定管径范围内的管径值，作为金属管母的管径。
U<<Uc
式中，m为金属管母的表面粗糙系数，δ是相对空气密度，d是管母与地电位的镜像距离，Ec是起始电晕放电的电场强度。
按照本发明提供的一种高压直流断路器的层间隔离变压器接入方式，将主供能变压器输送的功率分层接入每个层内低压供能变压器(T1C、T2C等)的一次侧。然后通过低压供能变压器(T1C、T2C等)的滤波、电压调节等方式将电流输送到并联连接的送能电缆中。通过送能电缆和电流互感器(CT)的电场与磁场能量的交换，然后在转换为电能并通过整流装置，给直流断路器的模块提供工作所需的直流电源。
本发明的层间变压器的导线接入方式可以广泛应用于不同的电压等级的直流断路器供能系统中。根据接入阀层的电位选择金属管母的外径，解决层间隔离变压器的导线在高电位电场中由于线径带来的电场集中，局部放电和电晕损耗发热等引起的对传输导线的损伤和加速老化的问题。本发明的送能电缆的接入方式采用同阀层两根并联的送能电缆分别接入的方式，可以把送能电缆的绝缘电压等级降低50％，降低了送能电缆的制造成本。提供了送能系统的整体运行可靠性。
本发明直流断路器系统的供能装置具有以下的技术优点和使用价值：
1)采用金属管母进行层间隔离变压器的等电位接入，解决了连接导线的电场集中带来的局部放电、导线绝缘老化损伤以及导线的散热问题。
2)改变送能电缆的连接方式，把送能电缆的绝缘电压等级的降低了50％，降低了制造费用，同等绝缘等级的送能电缆可以应用在更高电压等级的高压直流断路器供能系统中。提高了送能系统的运行可靠性，提升了送能电缆在高压直流断路器中的应用电压等级。
3)该发明提供的等电位处理方式和送能电缆的连接方式，可以广泛地应用于需要送能系统的大功率电力电子设备中，具有非常实际和广泛的应用价值。
本发明还提出了一种高压直流断路器的供能装置，包括级联的两个以上的层间隔离变压器，两个以上的层间隔离变压器依次上下叠放设置；每个层间隔离变压器的二次侧均连接有一个对应的低压供能变压器，每个低压供能变压器用于为阀塔中对应阀层供电；所述每个低压供能变压器的二次侧均连接有两条以上并联的供能电缆，供能电缆沿对应阀层的长度方向延伸；每条供能电缆的覆盖距离均小于对应阀层的长度，以使每条供能电缆承受绝缘电压小于相应阀层的绝缘电压，且各条供能电缆的覆盖距离之和不小于对应阀层的长度，以使所有供能电缆承受的绝缘电压之和不小于阀层绝缘电压。
上述高压直流断路器的供能装置，实际上是高压直流断路器系统中的供能装置，可以应用到换流设备的外部供能系统中，由于对上述供能装置的介绍已经足够清楚完整，故不再详细进行描述。
Claims (10)
1.一种高压直流断路器的供能装置，包括级联的两个以上的层间隔离变压器，两个以上的层间隔离变压器依次上下叠放设置；每个层间隔离变压器的二次侧均连接有一个对应的低压供能变压器，每个低压供能变压器用于为阀塔中对应阀层供电；其特征在于，所述每个低压供能变压器的二次侧均连接有两条以上并联的供能电缆，供能电缆沿对应阀层的长度方向延伸；
每条供能电缆的覆盖距离均小于对应阀层的长度，以使每条供能电缆承受绝缘电压小于相应阀层的绝缘电压，且各条供能电缆的覆盖距离之和不小于对应阀层的长度，以使所有供能电缆承受的绝缘电压之和不小于阀层绝缘电压。
2.根据权利要求1所述的高压直流断路器的供能装置，其特征在于，所述每个低压供能变压器的二次侧均连接两条并联的供能电缆，分别为高压端电缆和低压端电缆，高压端电缆覆盖相应阀层的高电位点到中点电位之间的距离，低压端电缆覆盖所述相应阀层的中点电位到低电位点的距离。
3.根据权利要求2所述的高压直流断路器的供能装置，其特征在于，所述低压供能变压器的一次侧通过连接导线与所述对应的层间隔离变压器的二次侧连接，连接导线包覆有绝缘层，连接导线外部套设有一个金属管母，所述金属管母一端连接层间隔离变压器的屏蔽环，另一端连接相应的阀层。
4.根据权利要求3所述的高压直流断路器的供能装置，其特征在于，所述金属管母两端的直径大于金属管母中部的直径。
5.根据权利要求4所述的高压直流断路器的供能装置，其特征在于，每个阀层对应的金属管母中部的直径相同。
6.一种高压直流断路器系统，包括阀塔和供能装置，该供能装置包括级联的两个以上的层间隔离变压器，两个以上的层间隔离变压器依次上下叠放设置；每个层间隔离变压器的二次侧均连接有一个对应的低压供能变压器，每个低压供能变压器为阀塔中对应阀层供电；其特征在于，所述每个低压供能变压器的二次侧均连接有两条以上并联的供能电缆，供能电缆沿对应阀层的长度方向延伸；
每条供能电缆的覆盖距离均小于对应阀层的长度，以使每条供能电缆承受绝缘电压小于相应阀层的绝缘电压，且各条供能电缆的覆盖距离之和不小于对应阀层的长度，以使所有供能电缆承受的绝缘电压之和不小于阀层绝缘电压。
7.根据权利要求6所述的高压直流断路器系统，其特征在于，所述每个低压供能变压器的二次侧均连接两条并联的供能电缆，分别为高压端电缆和低压端电缆，高压端电缆覆盖相应阀层的高电位点到中点电位之间的距离，低压端电缆覆盖所述相应阀层的中点电位到低电位点的距离。
8.根据权利要求7所述的高压直流断路器系统，其特征在于，所述低压供能变压器的一次侧通过连接导线与所述对应的层间隔离变压器的二次侧连接，连接导线包覆有绝缘层，连接导线外部套设有一个金属管母，所述金属管母一端连接层间隔离变压器的屏蔽环，另一端连接相应的阀层。
9.根据权利要求8所述的高压直流断路器系统，其特征在于，所述金属管母两端的直径大于金属管母中部的直径。
10.根据权利要求9所述的高压直流断路器系统，其特征在于，每个阀层对应的金属管母中部的直径相同。
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