CN108050009A - 一种基于绝缘液体驱动的高电位送能系统及其组建方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力系统高压输配电领域，尤其涉及一种基于绝缘液体驱动的高电位送能系统及其组建方法。系统包括地电位平台和高电位平台，由电源、蓄水池、水泵、送能系统管道，微型水轮发电机组及整流模块构成。地电位平台上设置有处于地电位的水泵及蓄水池，水泵由处于地电位的电源驱动。高电位平台上设置有若干个通过送能系统管道串联连接的微型水轮发电机组。系统送能管道采用绝缘材料，内置有绝缘液体，水泵与所有微型水轮发电机组及蓄水池之间通过系统送能管道构成封闭回路。根据该方法提出了基于绝缘液体驱动的高电位送能方法，本发明具有结构简单易行、绝缘性好和工作效率高的优点，可为电力系统高电位平台用电设备提供多点大功率工作电源。

Description

一种基于绝缘液体驱动的高电位送能系统及其组建方法

技术领域

本发明属于电力系统高压输配电领域，尤其涉及一种基于绝缘液体驱动的高电位送能系统及其组建方法。

背景技术

智能电网中安装有大量用以测量、保护和控制的电气或电子设备，特别是在高压直流输电装备以及柔性交流输电装备中，亦存在大量的半控型或全控型电力电子器件。这些处于高电位的电力电子器件的正常工作皆需要外界提供工作电源，特别是混合型高压直流断路器，其转移支路上有上百个电力电子器件组成的阀模块，需要地面为其高电位平台提供多点大功率工作电源，以保证其正常工作。然而真实工作场景中高电压、强磁场的干扰，加上地理条件乃至绝缘条件的限制，使之无法直接向这些处于高电位的用电设备进行供能。

现有的高电位送能方法众多，如激光送能、磁感应取能、电容分压器取能等，但均存在绝缘性差、供电不稳定、供电功率有限、成本过高等弊端。虽然具有可行性并被采用，但仍有系统复杂、绝缘困难、占地面积大等问题。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种基于绝缘液体驱动的高电位送能系统，包括地电位平台和高电位平台，由蓄水池、电源、水泵、送能系统管道、微型水轮发电机组及整流模块构成。地电位平台上设置有处于地电位的水泵及蓄水池，水泵由处于地电位的电源驱动；高电位平台上设置有处于高电位的若干个通过送能系统管道串联连接的微型水轮发电机组，微型水轮发电机组输出端经整流模块通过屏蔽电缆与用电设备相连接，为用电设备提供工作电源，且屏蔽其所处电磁场的影响；系统送能管道采用绝缘材料，内置有绝缘液体，送能系统管道采用纵向、横向布置，便于连接不同位置的微型水轮发电机组；水泵与所有微型水轮发电机组及蓄水池之间通过系统送能管道构成封闭回路。

所述送能系统管道采用纵向、横向布置便于连接不同位置的微型水轮发电机组。

所述送能系统管道的绝缘材料为聚偏氟乙烯。

所述绝缘液体为去离子水和甘醇中的一种或两种。

所述微型水轮发电机组输出端经整流模块通过屏蔽电缆与用电设备相连接，为用电设备提供工作电源，且屏蔽其所处电磁场的影响。

基于绝缘液体驱动的高电位送能系统的组建方法，其特征在于，包括步骤如下：

步骤1：根据真实应用场景的实际情况、结构尺寸，确定基于绝缘液体驱动的高电位送能系统管道的参数，包括：管道结构、管道型号、种类、数量及详细尺寸；

步骤2：根据高电位处的用电设备及其数量的工作功率需求，结合步骤1所得到的管道的参数，确定基于绝缘液体驱动的高电位送能系统管道中绝缘液体的流速；

步骤3：根据步骤2所得到的绝缘液体的流速，结合所采用管道的各部件的阻力系数，计算出基于绝缘液体驱动的高电位送能系统管道的所需要的水头值；

步骤4：根据步骤2、步骤3所得到的管道流速和水头值，设计合适的水泵和微型水轮机，确定水泵的个数、扬程与流量，以及微型水轮发电机的个数、型号与详细参数。；

步骤5：根据基于绝缘液体驱动的高电位送能系统的实际工作效率，结合高电位处的用电设备所需要的总功率，计算需由地电位电源向所述送能系统提供的总输入功率。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明提出的送能系统结构简单易行，经济性好。与传统的工频送能、高频送能、激光送能、超声波送能等方式相比，绝缘液体驱动送能无需复杂的系统结构，精密的传感仪器或昂贵的相关设备，只需满足送能需求的水泵及微型水轮发电机组，并配以绝缘管道即可，结构简单，且所需设备材料便宜易购，经济性好。

(2)本发明提出的送能系统绝缘特性好，可为电力系统高电位平台上用电设备提供多点大功率工作电源。送能系统采用以去离子水为代表的送能液体，其电导率低，绝缘性好。送能系统管道的材料亦应具有良好的绝缘性。由于该系统采用位于地电位的水泵向位于高电位的微型水轮发电机组供水的办法，能量以水能的形式在管道内传递，地电位和高电位之间无电能传递。这都使得送能系统具有良好的绝缘性。

(3)本发明提出的送能系统工作效率高。在实际应用中，针对混合型高压直流断路器这一真实场景的计算表明，在理想情况下其系统工作效率可达40％～50％。

附图说明

图1为基于绝缘液体驱动的高电位送能系统示意图；

图2为基于绝缘液体驱动的高电位送能系统组建方法框图；

图3为200kV混合型高压直流断路器外部结构示意图；

图4为200kV混合型高压直流断路器阀模块内部结构示意图；

图5为200kV混合型高压直流断路器送能方案一示意图；

图6为200kV混合型高压直流断路器送能方案二示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对实施例作详细说明。

基于高电位平台上用电设备之数量达到上百个，且均处于高电位和一定的几何高度的特点，本发明提出了一种基于绝缘液体驱动的高电位送能系统，如图1所示，包括地电位平台和高电位平台，由蓄水池、电源、水泵、送能系统管道、微型水轮发电机组及整流模块构成。地电位平台上设置有处于地电位的水泵及蓄水池，水泵由处于地电位的电源驱动；高电位平台上设置有处于高电位的若干个通过送能系统管道串联连接的微型水轮发电机组，微型水轮发电机组输出端经整流模块通过屏蔽电缆与用电设备相连接，为用电设备提供工作电源，且屏蔽其所处电磁场的影响；系统送能管道采用绝缘材料，内置有绝缘液体，送能系统管道采用纵向、横向布置，便于连接不同位置的微型水轮发电机组；水泵与所有微型水轮发电机组及蓄水池之间通过系统送能管道构成封闭回路。

本发明所涉及的高电位送能系统的正常工作是基于以下实验结论或事实的：

(1)本发明提出的送能系统的水路具有以下四个特征：水路是封闭的；水泵所需扬程较大；微型水轮发电机组工作水头较小；送能系统处于低流量工况。

(2)用电设备负载阻抗值对送能系统管道水路参数不产生影响，但影响微型发电机的输出参数。

随着用电设备负载阻抗值的大小不同，微型发电机输出电压、输出电流及输出功率亦不同。只有当用电设备负载阻抗值与微型发电机等效内阻抗匹配时，微型发电机才可获得最大的输出功率。

(3)送能系统可同时通过串联微型水轮发电机组向每一个用电设备提供相同的输出功率，可以满足多点用电设备的大功率供能问题。

微型水轮发电机组的工作水头只取决于自身的等效阻力系数与送能系统管道的流速，而与管道结构、微型水轮发电机组与水泵的距离，或串联级数无关。微型水轮机的等效阻力系数只与自身结构有关，同一型号微型水轮机其等效阻力系数相同。每一台微型水轮发电机组的工作水头，输入功率及输出功率都是相同的。

(4)送能系统的工作效率由水泵效率、微型水轮机效率、微型发电机效率与送能系统管道的能量传递效率四者共同决定。

送能系统的工作效率与系统工况、管道结构、串联级数及微型水轮发电机组和用电设备负载阻抗等紧密相关，且具有最大值。当送能系统管道结构及微型水轮发电机组的串联级数确定时，水泵与微型水轮机的效率随流量增大而提高。送能系统管道的能量传递效率随流量增大而降低。用电设备负载阻抗与微型发电机组内阻抗匹配时，微型发电机可获最大输出功率。

如图2所示，本发明提出了一种基于绝缘液体驱动的高电位送能方法，并以200kV混合型高压直流断路器为例，

(1)根据高压直流断路器外部及内部结构等确定合理的送能系统管道结构，所用管道型号、种类、数量，及详细尺寸，包括弯头个数、三通个数、水轮机个数、管道直径、直管总长度和直管总高度。高压直流断路器外部及内部结构如图3及图4所示。

(2)选定管道材料、尺寸及系统液体、流速

送能系统管道采用绝缘管道。送能系统液体采用绝缘液体。其流速的选择基于以下两方面考虑：所采用管道的承受流速范围，及终端负载的功率需求。

(3)计算系统所需水头之理论值

该送能系统需实验测定工程实际采用各管件的阻力系数值。基于各管件的阻力系数与系统流速，根据流体力学相关公式，计算系统所需水头理论值。

(4)根据送能系统管道流速、水头值，设计合适的水泵和微型水轮机，确定水泵的个数、扬程与流量，以及微型水轮发电机的个数、型号与详细参数，使其与送能系统管道相连接时，均可工作在额定工作点上，进而尽可能使其效率最高。

(5)根据送能系统的实际工作效率，结合高电位处的用电设备所需要的总功率，计算需由地电位电源向送能系统提供的总输入功率。

根据本发明的技术方案，结合200kV混合型高压直流断路器的实际结构(如图3与图4所示)，提出了两种绝缘液体驱动的高电位送能方案。

实施例1

200kV混合型高压直流断路器送能方案一如图5所示，基于200kV混合型高压直流断路器中转移支路每层具有前后两组阀模块的特点，采用串并联结合的送能系统管道结构，仅由一个设在地电位上的水泵送能。在该方案中，水泵出口连接送能系统管道主回路，管道主回路负责向200kV混合型直流断路器主支路各个阀模块触发电路送能。管道主回路在断路器转移支路处分成两对称管道支回路，其内径与主路相同，分别向同一高度之断路器转移支路两组阀模块触发电路送能。

实施例2

200kV混合型高压直流断路器送能方案二如图6所示，采用两个相同且对称的串联送能系统管道结构，由两个设在地电位上的水泵分别独立地向两个送能系统管道送能。在该方案中，水泵出口连接送能系统管道，依次向200kV混合型直流断路器主支路和转移支路的各个阀模块触发电路送能。

此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种基于绝缘液体驱动的高电位送能系统，其特征在于，包括地电位平台和高电位平台，系统由电源、蓄水池、水泵、送能系统管道、微型水轮发电机组及整流模块构成；地电位平台上设置有处于地电位的水泵及蓄水池，水泵由处于地电位的电源驱动；高电位平台上设置有处于高电位的若干个通过送能系统管道串联连接的微型水轮发电机组；系统送能管道采用绝缘材料，内置有绝缘液体，水泵与所有微型水轮发电机组及蓄水池之间通过系统送能管道构成封闭回路。

2.根据权利要求1所述的一种基于绝缘液体驱动的高电位送能系统，其特征在于，所述送能系统管道采用纵向、横向布置便于连接不同位置的微型水轮发电机组。

3.根据权利要求1所述的一种基于绝缘液体驱动的高电位送能系统，其特征在于，所述送能系统管道的绝缘材料为聚偏氟乙烯。

4.根据权利要求1所述的一种基于绝缘液体驱动的高电位送能系统，其特征在于，所述绝缘液体为去离子水和甘醇中的一种或两种。

5.根据权利要求1-4的任一权利要求所述的一种基于绝缘液体驱动的高电位送能系统，其特征在于，所述微型水轮发电机组输出端经整流模块通过屏蔽电缆与用电设备相连接，为用电设备提供工作电源，且屏蔽其所处电磁场的影响。

6.根据权利要求5所述的基于绝缘液体驱动的高电位送能系统的组建方法，其特征在于，包括步骤如下：

步骤1：根据真实应用场景的实际情况、结构尺寸，确定基于绝缘液体驱动的高电位送能系统管道的参数，包括：管道结构、管道型号、种类、数量及详细尺寸；

步骤2：根据高电位处的用电设备及其数量的工作功率需求，结合步骤1所得到的管道的参数，确定基于绝缘液体驱动的高电位送能系统管道中绝缘液体的流速；

步骤3：根据步骤2所得到的绝缘液体的流速，结合所采用管道的各部件的阻力系数，计算出基于绝缘液体驱动的高电位送能系统管道的所需要的水头值；

步骤4：根据步骤2、步骤3所得到的管道流速和水头值，设计合适的水泵和微型水轮机，确定水泵的个数、扬程与流量，以及微型水轮发电机的个数、型号与详细参数。；

步骤5：根据基于绝缘液体驱动的高电位送能系统的实际工作效率，结合高电位处的用电设备所需要的总功率，计算需由地电位电源向所述送能系统提供的总输入功率。