CN110100364A - 电感元件的保护 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于多相不间断电源系统的保护装置(18)，该多相不间断电源系统包括真空断路器(S1a，S1b，S1c)，该真空断路器(S1a，S1b，S1c)与电感元件(14)串联连接，其中电感元件针对每个相包括由抽头点(Ta，Tb，Tc)分开的两个串联连接的磁耦合绕组(L1a，L2a，L1b，L2b，L1c，L2c)。保护装置(18)针对每相包括一个第一组保护部件，每个第一组包括第一保护部件(SA1a，SA1b，SA1c)，该第一保护部件的第一端连接到真空断路器(S1a，S1b，S1c)与电感元件(14)之间的链路，并且该第一保护部件的第二端连接到对应抽头点(Ta，Tb，Tc)，其中每个第一组中的至少一个保护部件是电涌放电器。

Description

电感元件的保护

技术领域

本发明一般涉及不间断电源系统。更具体地，本发明涉及用于多相不间断电源系统的保护装置以及包括这种保护装置的多相不间断电源系统。

背景技术

不间断电源(UPS)系统可以用于向诸如数据中心的负载供电。这种系统可以是多相系统，其包括在连接到电网的电缆与一个或多个负载之间的若干个UPS模块，其中UPS模块可以包括电感元件，该电感元件包括由抽头点分开的针对每相的两个串联磁耦合绕组以及以连接到抽头点的转换器为形式的辅助电源。电感元件可以以自耦变压器的形式提供，其中所有3相中的所有绕组彼此磁耦合。

电网侧发生故障，导致电压骤降、相位跳变、以及电压骤升，或连接到电网的电缆出现故障。为了将负载与这些故障分开，可以在电缆和UPS模块之间连接断路器。

然而，如果断路器是真空断路器，则其断开可能导致UPS模块处的高瞬态电压，因此可能需要保护。

一种常用类型的保护部件是电涌放电器。比如，已知电涌放电器用于保护变压器，诸如干式变压器，参见比如EP3023998和US2016/0149396。

然而，它们也已知用于其他环境。例如，US 2013/0321959公开了一种电源转换器单元，其中电涌放电器在用于保护它的电感器之前和之后连接在相之间以及在相与地之间。

因此，受关注的是保护这种UPS模块的部件，诸如电感元件的第一绕组。

发明内容

本发明涉及保护多相不间断电源系统的电感元件。

根据本发明的第一方面，该目的通过用于多相不间断电源系统的保护装置来实现，该多相不间断电源系统包括真空断路器，该真空断路器与电感元件串联连接，其中电感元件针对每个相包括由抽头点分开的两个串联连接的磁耦合绕组。

保护装置针对每相包括一个第一组保护部件，每个第一组包括：

第一保护部件，其第一端连接到真空断路器与电感元件之间的链路，并且其第二端连接到对应抽头点，其中每个第一组中的至少一个保护部件是电涌放电器。

根据本发明的第二方面，该目的通过不间断电源系统来实现，该不间断电源系统包括：真空断路器，其与电感元件串联连接；以及根据第一方面的保护装置。

上述电感元件也可以是自耦变压器，其中所有绕组彼此磁耦合。

本发明具有多个优点。它保护电感设备免受过电压的影响，并且尤其是由于第一断路器的操作而导致第一绕组两端出现的过电压的影响。

附图说明

下面参考附图对本发明进行描述，其中

图1示意性地示出了包括多个分支的电源系统，其中一个分支包括与电感元件串联的第一断路器，该电感元件针对每相包括两个串联连接的磁耦合绕组；

图2示意性地示出了保护电路的第一实施例以及第一断路器和电感元件；

图3示意性地示出了保护电路的第二实施例以及第一断路器和电感元件；

图4示意性地示出了保护电路的第三实施例以及第一断路器和电感元件；

图5示意性地示出了保护电路的第四实施例以及第一断路器和电感元件的前半部分；

图6示意性地示出了保护电路的第五实施例以及第一断路器和电感元件的前半部分；以及

图7示意性地示出了保护电路的另一变型以及第一断路器和电感元件。

具体实施方式

在下文中，将给出本发明的优选实施例的详细描述。

图1示意性地示出了向负载提供电力的电源系统10，作为示例，该负载可以是数据中心，其包括多个服务器和用于这种数据中心的冷却系统。电源系统10有利地是中压(MV)多相电源系统，并且比如经由第一变压器T1从配电系统或电网(未示出)接收电力。第一变压器T1又连接到第一电缆CB1，该第一电缆CB1也可以称为上游电缆，因为负载位于该电缆CB1的下游。多个负载可以连接到该电缆。作为示例，电缆可以提供诸如11kV的中压。

而且，电源系统10可以是不间断电源(UPS)系统。由于这个原因，可以在电缆与对应负载之间提供多个并联连接的UPS分支。在图1中，示出了具有负载的多个这种分支。因为它们都以相同方式实现，本文中强调了最下面的分支，该最下面的分支连接到负载LD1并且包括UPS模块12。

在图1中，可以看出，在最下面的分支中还有三个断路器S1、S2和S3，其中第一断路器S1和第三断路器S3与UPS模块12串联连接并且连接在UPS模块12的相对侧上，并且第二断路器S2与两个断路器S1和S3以及UPS模块12并联连接。当由于维修或故障而旁路UPS模块12时，断路器S1、S2和S3被使用。在UPS模块的正常操作中，第二断路器S2断开并且第三断路器S3闭合。依据操作情况，第一断路器S1断开或闭合。

在图1中的虚线框中更详细地示出了与第一断路器S1和第三断路器S3串联连接的UPS模块12。可以看出，如果多相系统是三相系统，则UPS模块12和断路器是三相模块和三相断路器。因此，第一断路器和第三断路器各自包括三个断路元件S1a、S1b、S1c、S3a、S3b、S3c，每相一个断路元件。

而且，可以看出，UPS模块12包括电感元件14，该电感元件14包括多个串联连接的磁耦合绕组，其中每相中有两个串联连接的磁耦合绕组。因此，第一绕组L1a可以被看作与第二绕组L2a串联连接在分支的第一相中的第一断路元件S1a与第三断路元件S3a之间，其中第一绕组L1a磁耦合到第二绕组L2a，并且绕组之间存在抽头点Ta。还存在第一绕组L1b与第二绕组L2b串联连接在分支的第二相中的第一断路元件S1b与第三断路元件S3b之间，其中第一绕组L1b磁耦合到第二绕组L2b，并且绕组之间存在抽头点Tb。而且，还存在第一绕组L1c与第二绕组L2c串联连接在分支的第三相中的第一断路元件S1c与第三断路元件S3c之间，其中第一绕组L1c磁耦合到第二绕组L2c，并且绕组之间存在抽头点Tc。UPS模块12可以配备有用于连接到第一断路器S1的第一连接端子和用于连接到第三断路器S3的第二连接端子，其中第一连接端子设置在电感元件14的第一绕组La、Lb和Lc处。

还可以看出，每个抽头点Ta、Tb、Tc连接到第二三相变压器T2的初级绕组，第二三相变压器T2的次级绕组连接到多个电压源VSa、VSb和VSc。与每个这样的电压源VSa、VSb、VSc并联，还提供了电容器形式的能量存储装置。而且，电感器连接在电压源VSa、VSb、VSc与电容器之间以及在第二变压器T2的初级绕组与电容器之间。第二变压器T2的次级侧上的这些实体在本文中是以具有能量存储的转换器16为形式的辅助电源，其通常在比电缆电压电平更低的电压电平下操作，比如，在480V下操作。具有能量存储的转换器16用于在电缆不能工作的情况下向负载馈送电力。这种类型的操作模式是孤岛操作模式，而当电网向负载供应电力时的操作是标称操作模式。

应当认识到，上述电感元件也可以是自耦变压器，其中所有三相中的所有绕组彼此磁耦合。然而，相同相位的绕组之间的磁耦合强于相之间的磁耦合。

如上所述，电缆CB1可能无法供应负载LD1所需的电力。它可能无法供应任何电力或仅供应不足的电力。这可能是由于电缆CB1、第一变压器T1中或者配电系统或电网中存在故障。如果发生这种情况，可能需要将具有UPS模块12的分支与电缆CB1断开连接，这种断开连接通常通过使用第一断路器S1进行。如果电网或上游电缆中的电压崩溃或显着偏离标称值，则图1中的第一断路器S1(其为真空断路器)将因此断开。

如果第一断路器S1断开，比如由于上游电缆CB1中的三相线对地故障，则可能发生第一连接端子处的严重过电压，其可能是由于第一断路器中发生电弧重燃而导致的。这些过电压可能高达100kV。

因此，需要保护电感元件14的至少第一绕组La、Lb和Lc免受过电压的影响。

根据本发明的一方面，这通过使用电源系统10中的保护装置来进行，该保护装置针对每相包括一个第一组保护部件，其中每个第一组包括第一保护部件，该第一保护部件的第一端连接到第一断路器与电感元件之间的链路，并且第二端连接到对应抽头点。在第一组保护部件中，至少一个保护部件是电涌放电器。更进一步地，一个这种第一组可以包括第二保护部件，该第二保护部件连接在第一保护部件的一端与地之间。在这种情况下，至少连接在第一保护部件的一端与地之间的部件可以是电涌放电器，其可以是金属氧化物(MO)电涌放电器。

图2示意性地示出了用于电感元件14的第一绕组La、Lb和Lc的保护装置18的第一实施例。在该保护装置18中，每相的第一组包括第一保护部件，该第一保护部件连接在抽头点Ta、Tb、Tc与链路之间，该链路在第一绕组L1a、L1b、L1C与第一断路器元件S1a、S1b和S1c之间，其中第一保护部件的第一端连接到绕组L1a、L1b、L1c与断路器元件S1a、S1b、S1c之间的链路，而第二端连接到抽头点Ta、Tb、Tc。更进一步地，在每个第一组中，第一保护部件的一端与地之间连接有第二保护部件。在该第一实施例中，第二保护部件连接到第一保护部件的第一端。因此，它连接在第一保护部件的第一端与地之间。还可以看出，第一保护部件是电涌放电器SA1a、SA1b、SA1c，并且第二保护部件也是电涌放电器SA2a、SA2b、SA2c。

该第一实施例具有保护第一绕组的优点，使得它们两端的电压受到限制。这样，影响第一绕组的任何过电压都可以直接受到电涌放电器的限制。同时，第一绕组与地之间的电压受到第二保护部件的限制。另一优点是当电网良好时，电感元件14的第一连接端子与抽头点之间的电压相对较低。因此，在标称操作期间以及当在孤岛模式下操作时，泄漏电流以及因此这些电涌放电器中的损耗可能非常小。

在图3中示意性地示出了保护装置18的第二实施例。在这种情况下，第二保护部件连接在第一保护部件的第二端与地之间。在该实施例中，第一保护部件也是电涌放电器SA1a、SA1b、SA1c，而第二保护部件是电容器Ca、Cb、Cc，诸如高频电容器。在第一保护部件的第一端与地之间还连接有第三保护部件，在这种情况下，第三保护部件也是电涌放电器SA2a、SA2b、SA2c。

第二实施例对保护免受第一绕组两端的过电压以及第一绕组与地之间的过电压的影响以及保护第二变压器T2免受过电压的影响进行了组合。如果流过连接到抽头点Ta、Tb和Tc的电涌放电器SA1a、SA1b、SA1c的电流不通过绕组L1a、L1b、L1c返回，则这将使抽头点处的电压增加。高频电容器Ca、Cb和Cc防止了这些高的过电压。

用于瞬态保护的高频电容器的尺寸通常较小。可以在第一绕组与第二绕组之间的抽头点处添加连接到地(或线到线)的传统电容器，以便做出进一步改进。这些附加电容器的尺寸可以被设计为补偿第一绕组的无功功率消耗，同时允许更大量的电流流过连接到抽头点的电涌放电器，而不会引起不必要的高过电压。因此，可以存在另一组保护部件，其包括另外的电容器，该另外的电容器三角形连接在抽头点Ta、Tb、Tc之间或连接在抽头点Ta、Tb、Tc与地之间。

在图4中示意性地示出了保护装置18的第三实施例。该实施例与第二实施例的不同之处在于没有第三保护部件。因此，省略了电涌放电器SA2a、SA2b、SA2c。因此，与第二实施例相比，以第一绕组La、Lb、Lc与地之间的保护为代价减少了保护部件的数目。此外，由于移除的电涌放电器中的漏电流而可能发生的损耗也不再存在。应当指出，在标称操作和孤岛操作两者之中，其余电涌放电器两端的电压都很低，这些电涌放电器两端的电压仅在发生故障时才会增加。更进一步地，通过添加额外的电容器，连接到抽头点的电容器的尺寸可以被设计，以最小化转换器在孤岛模式下必须提供的无功功率，从而使转换器损耗最小。

在图5中示意性地示出了保护装置的第四实施例。在图5中，仅示出了包括第一绕组La、Lb、Lc的电感元件的前半部分。该实施例与第三实施例的不同之处在于第一保护部件是电容器Ca、Cb、Cc，而第二保护部件是电涌放电器SA1a、SA1b、SA1c。更进一步地，还存在第二组保护部件，其包括电涌放电器SAac、SAab和Sabc，该电涌放电器SAac、SAab和SAbc三角形连接在第一保护部件的第一端处(即电感元件14的第一连接端子处)的相之间。换句话说，第二组电涌放电器三角形连接在电感元件14与第一断路器之间的链路的相之间。

该实施例具有以下优点：相对于连接到地，在第一连接端子处提供线到线保护以及在标称操作下的电容器两端的较低电压。这也使得通过电容器的电流较低。

在图6中示意性地示出了保护装置的第五实施例。该实施例与第四实施例的不同之处在于省略了第二组保护部件。因此，与第四实施例相比，以UPS模块12的第一连接端子处的线到线保护为代价减少了保护部件的数目。

在图7中示出了保护装置的进一步变型。该变型与图5中所示的第四实施例相似之处在于其包括连接在电感元件14与第一断路器S1之间的链路处的相之间的第二组电涌放电器Saab、SAbc和Saac。然而，省略了第一保护部件。相反，电感元件14与第一断路器S1之间的链路处存在连接到地的电涌放电器SA1a、SA1b和SA1c。因此，三个电涌放电器直接线对地连接在UPS模块12的第一连接端子处，与三个电涌放电器以三角形配置线对线连接进行组合。这样，线-线和线-中性点电压都受到电涌放电器的限制。

从前面的讨论可以明显看出，本发明可以以多种方式变化。比如，应当认识到，在所有描述的实施例中，上述电感元件可以是自耦变压器。因此，应当认识到，本发明仅受以下权利要求的限制。

Claims (15)

1.一种用于多相不间断电源系统的保护装置(18)，所述多相不间断电源系统包括真空断路器(S1)，所述真空断路器(S1)与电感元件(14)串联连接，所述电感元件针对每个相包括由抽头点(Ta，Tb，Tc)分开的两个串联连接的磁耦合绕组(L1a，L2a，L1b，L2b，L1c，L2c)，所述保护装置(18)针对每相包括一个第一组保护部件，每个第一组包括：

第一保护部件(SA1a，SA1b，SA1c；Ca，Cb，Cc)，所述第一保护部件的第一端连接到所述真空断路器(S1)与所述电感元件(14)之间的链路，并且所述第一保护部件的第二端连接到对应抽头点(Ta，Tb，Tc)，其中每个第一组中的至少一个保护部件是电涌放电器。

2.根据权利要求1所述的保护装置(18)，其中每个第一组还包括第二保护部件(SA2a，SA2b，SA2c；Ca，Cb，Cc；SA1a，SA1b，SA1c)，所述第二保护部件连接在所述第一保护部件的一端与地之间。

3.根据权利要求2所述的保护装置(18)，其中所述第二保护部件(Ca，Cb，Cc；SA1a，SA1b，SA1c)连接在所述第一保护部件的所述第二端与地之间。

4.根据权利要求3所述的保护装置(18)，其中所述第一保护部件是电涌放电器(SA1a，SA1b，SA1c)，并且所述第二保护部件是电容器(Ca，Cb，Cc)。

5.根据权利要求3所述的保护装置(18)，其中所述第一保护部件是电容器(Ca，Cb，Cc)，并且所述第二保护部件是电涌放电器(SA1a，SA1b，SA1c)。

6.根据权利要求3至5中任一项所述的保护装置(18)，还包括第三保护部件(SA2a，SA2b，SA2c)，所述第三保护部件连接在所述第一保护部件的所述第一端与地之间。

7.根据权利要求6所述的保护装置(18)，其中所述第三保护部件是电涌放电器。

8.根据权利要求3至7中任一项所述的保护装置(18)，包括以电容器为形式的另一组保护部件，所述另一组保护部件三角形连接在所述抽头点之间、或者连接在所述抽头点与地之间。

9.根据权利要求2所述的保护装置(18)，其中所述第二保护部件连接在所述第一保护部件的所述第一端与地之间。

10.根据权利要求9所述的保护装置，其中所述第一保护部件和所述第二保护部件是电涌放电器(SA1a，SA1b，SA1c，SA2a，SA2b，SA2c)。

11.根据前述权利要求中任一项所述的保护装置，还包括第二组保护部件(SAab，SAbc，SAac)，所述第二组保护部件三角形连接在所述真空断路器(S1)与所述电感元件(14)之间的所述链路的相之间。

12.根据权利要求11所述的保护装置，其中所述第二组的所述保护部件是电涌放电器。

13.根据前述权利要求中任一项所述的保护装置(18)，其中所述不间断电源系统包括转换器(16)，所述转换器连接到所述抽头点(Ta，Tb，Tc)。

14.根据权利要求13所述的保护装置(18)，其中所述不间断电源系统包括变压器(T2)，所述变压器连接在所述抽头点(Ta，Tb，Tc)与所述转换器(16)之间。

15.一种多相不间断电源系统(10)，包括：真空断路器(S1)，与电感元件(14)串联连接，所述电感元件针对每个相包括由抽头点(Ta，Tb，Tc)分开的两个串联连接的磁耦合绕组(L1a，L2a，L1b，L2b，L1c，L2c)；以及根据前述权利要求中任一项所述的保护装置(18)。