CN112600182B - 一种10kV电容限流取电装置及保护方法 - Google Patents

一种10kV电容限流取电装置及保护方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种10kV电容限流取电装置及保护方法，电力系统相电压在额定值的±10％范围内，负载不大于取电装置额定负载时，稳压模块保证取电装置电压稳定；当电力系统中的工频过电压作用在取电装置时，第二保护模块动作，使工频过电流流经高压取电电容、变压器与第二保护模块，第一保护模块不动作，稳压模块正常工作；当电力系统中的雷电及操作冲击过电压作用在取电装置时，第一保护模块动作，使得浪涌电流流经高压取电电容与第一保护模块，限制取电装置瞬时电压峰值，第二保护模块不动作，稳压模块正常工作。本发明保护方法可使各保护模块相互配合，保证在10kV电力系统各类工况下、负载各种变化下本电容限流取电装置的安全可靠运行。

Description

一种10kV电容限流取电装置及保护方法
技术领域
本发明属于电源技术领域，具体涉及一种10kV电容限流取电装置及保护方法。
背景技术
电源供给是工业物联网特别是电力物联网的传感器及其智能终端装置广泛普及亟待解决的关键技术。例如，对于安装在输电线路的传感监测、柱上开关的智能化和自动化等各类电力工业传感物联网，传感器、智能单元和通讯模块等单元安装在电力线路杆塔上以及各类电力设备附近，常规220V交流电源将无法方便获取。即使可用其他的非常规电源，但供电可靠性不高，维护成本较高。因此，如何获得稳定、低成本、高可靠电源已成为制约工业物联网特别是电力物联网发展的技术瓶颈。
10kV电容限流取电装置作为高压一次设备在电力系统中的需要长期承受电力系统额定工作电压和各种过电压。在10kV系统中，长期承受额定相电压为5.77kV，上下波动±10％，即10kV电容限流取电装置的长期运行电压应涵盖5.2～6.3kV范围；国标GB 311.1-2012中给出三种过电压的范围与标准电压波形，其中要求应能承受1min～42kV工频过电压、75kV的1.2/50us雷电过电压；此外，考虑电力系统故障运行，还应能够承受2h以上10～12kV工频过电压。因此电力系统工况复杂，10kV电容限流取电装置应该附加性价比合理的保护电路，通过科学合理的保护策略实现完善的保护性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种10kV电容限流取电装置及保护方法，以解决10kV电容限流取电装置的保护问题。
本发明采用以下技术方案：
一种10kV电容限流取电保护方法，电力系统相电压在额定值的±10％范围内，负载在额定至空载范围内时，稳压模块保证取电装置电压稳定；电力系统中的工频过电压作用在取电装置时，第二保护模块动作，使工频过电流流经高压取电电容、变压器与第二保护模块，第一保护模块不动作，稳压模块正常工作；电力系统中的雷电及操作冲击过电压作用在取电装置时，第一保护模块动作，使得浪涌电流流经高压取电电容与第一保护模块，限制取电装置瞬时电压峰值，第二保护模块不动作，稳压模块正常工作。
具体的，当高压取电端出现12kV以内工频过电压时，第二保护模块动作并具有0～180°导通角，吸收部分过电流；第一保护模块不动作；
当高压取电端进行42～48kV工频过电压试验时，变压器交流电压峰值升高，第二保护模块动作，具有0～90°导通角，吸收大部分过电流；第一保护模块不动作；
当高压取电端出现操作过电压、雷电过电压时，第一保护模块动作并吸收浪涌电流，第二保护模块不动作，稳压模块正常工作。
进一步的，第一保护模块的动作电压Udz1满足条件如下：
Udz1≥k1U1maxpk
其中，k1为冲击电压动作裕度系数，U1maxpk为变压器原边电压最大值。
进一步的，第二保护模块的动作电压Udz2为：
Figure BDA0002748134040000031
其中，k2为工频过电压动作系数，Ps为稳压模块的吸收功率，Ide为高压取电端为额定电压时的整流桥输出平均电流。
具体的，稳压模块的吸收功率Ps计算如下：
Ps＝1.1ksUdIde
其中，ks为稳压模块功率裕度系数，Ud为直流稳定电压，Ide为高压取电端为额定电压时的整流桥输出平均电流。
本发明的另一个技术方案是，一种10kV电容限流取电装置，包括：
高压取电电容，用于取电主回路的电流限制；
接地电容，用于防止变压器断线导致的取电装置电位悬浮；
第一保护模块，用于雷电过电压、操作过电压的限压保护及防止变压器断线引起的原边电压过高；
变压器，用于高压小电流与低压大电流的转换以及与高压电力系统电位的隔离；
第二保护模块，用于6.4～48kV工频过电压的限压保护；
整流滤波模块，用于将交流电转换为直流电；
稳压模块，用于在高压取电端电压在额定值±10％范围内，负载、高压取电电压波动时稳定取电装置直流电压；
储能模块，用于能量储存及负载的后备供给。
具体的，高压取电电容为1～10nF。
具体的，接地电容为10～100pF。
具体的，高压取电电容为1000～10000pF，变压器的铁芯截面积为1～10cm2，一次绕组匝数为5000～50000匝，一次额定电压为500～3000V，二次额定电压为3～300V。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种10kV电容限流取电保护方法，稳压模块作为高压取电端电压在正常范围内，高压取电电压波动、负载变化的电路稳压措施；高压取电端出现12kV以内工频过电压时，若稳压模块不能吸收工频过电压产生的多余功率，第二保护模块动作，使变压器副边在部分相角下短路，限制取电回路电压进一步升高；高压取电端进行42～48kV(1min)工频过电压试验时，第二保护模块动作，使变压器副边在大部分相角下短路，限制取电回路电压，保证变压器原副边电压峰值不过高，避免第一保护模块误动作；高压取电端出现雷电、操作冲击过电压时，第一保护模块动作，限制变压器原边电压峰值，避免变压器及副边取电电路损坏。
进一步的，稳压模块为取电电路初级保护，可满足高压取电端在长期额定运行条件下的高压取电电压变化、负载功率需求变化情况下的取电电路电压稳定；第二保护模块作为二次保护，可满足高压取电端异常运行时，稳压模块不能满足保护需求时的取电回路电压限制；第一保护模块作为冲击保护，可满足高压取电端出现冲击过电压时的装置限压保护。通过三者配合保护，保证取电装置在高压取电端、负载侧出现各种异常情况时均可靠运行。
本发明一种10kV电容限流取电装置，通过高压取电电容产生毫安级小电流，通过变压器将高压小电流转换为低压大电流，高压取电电容从能够从电网中的高压产生取电电流，变压器将高压小电流转换为低压大电流；接地电容并接在变压器原边，能够防止变压器意外断线导致的取电装置电位悬浮；第一保护模块能够吸收浪涌电流，限制冲击电压下的变压器等元件电压；第二保护模块能够在12kV以内、42～48kV工频过电压下在部分相位导通分流，限制取电装置电压升高；稳压模块能够在高压取电端为在正常范围内，保证高压取电电压波动、负载变化时取电回路电压稳定。
进一步的，高压取电电容为1000～10000pF，接地电容为10～100pF，变压器的一次匝数为5000～50000匝，一次额定电压为500～3000V，二次额定电压为3～300V，可实现高效率电网取电功能。
进一步的，第一保护模块由保护原理一或保护原理二构成，第二保护模块由保护原理一或保护原理二构成，能够保证取电装置各部件在电网出现雷电冲击过电压、操作冲击过电压、12kV以内工频过电压、42～48kV(1min)工频过电压时无损坏。
进一步的，稳压模块能够在高压取电端为额定电压±10％范围内，保证高压取电电压波动、负载变化时取电回路电压稳定。
综上所述，本发明能够在10kV电网中高电位点稳定获取电能，能够满足取电装置可靠应对10kV电网中出现的各种工况，具有取电效率高、运行可靠等特点。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明取电装置的电路原理示意图；
图2为保护原理一的伏安特性曲线；
图3为保护原理二的伏安特性曲线。
其中：1.高压取电电容；2.接地电容；3.第一保护模块；4.变压器；5.第二保护模块；6.整流滤波模块；7..稳压模块；8.储能模块。
具体实施方式
本发明提供了一种10kV电容限流取电装置及保护策略，通过高压取电电容从高压侧取电，通过变压器、整流滤波模块、稳压模块和储能模块为负载供电。通过第一保护模块、第二保护模块、稳压模块在电网中可能出现的各类冲击、工频过电压下对取电装置进行保护，通过接地电容避免取电装置电位悬浮，具有高可靠性、高稳定性、取电功率大等特点。
一种10kV电容限流取电保护方法，电力系统相电压在额定值的±10％范围内，负载不大于取电装置额定负载时，稳压模块保证取电装置电压稳定；当电力系统中的工频过电压作用在取电装置时，第二保护模块动作，使工频过电流流经高压取电电容、变压器与第二保护模块，第一保护模块不动作，稳压模块正常工作；当电力系统中的雷电及操作冲击过电压作用在取电装置时，第一保护模块动作，使得浪涌电流流经高压取电电容与第一保护模块，限制取电装置瞬时电压峰值，第二保护模块不动作，稳压模块正常工作。
正常运行情况下，高压取电端电压在额定电压±10％范围内，稳压模块保证高压取电电压波动、负载变化下的取电电路电压稳定，第一保护模块、第二保护模块均不动作；
高压取电端出现12kV以内工频过电压时，由于稳压模块具有功率吸收上限，若稳压模块不能吸收工频过电压产生的多余功率，变压器交流电压峰值升高，第二保护模块动作并具有一定的导通角，导通角范围为0～180°，吸收部分过电流；第一保护模块不动作；
高压取电端进行42～48kV(1min)工频过电压试验时，稳压模块仍只吸收一定多余功率，变压器交流电压峰值升高，第二保护模块动作，具有较大导通角，导通角范围为0～90°，吸收大部分过电流；第一保护模块不动作。
高压取电端出现操作过电压、雷电过电压时，第一保护模块动作并吸收浪涌电流，第二保护模块不动作，稳压模块正常工作。
第一保护模块、第二保护模块及稳压模块主要参数的计算方法如下：
稳压模块应保证高压取电端电压在额定电压范围内的高压取电电压波动及负载变化综合作用下的取电电路电压稳定，因此其吸收功率应满足：
Ps＝1.1ksUdIde
其中，ks为稳压模块功率裕度系数，Ud为直流稳定电压，Ide为高压取电端为额定电压时的整流桥输出平均电流。
第二保护模块的动作电压计算方法为：
第二保护模块在高压取电端出现12kV以内工频过电压，稳压模块不能吸收工频过电压产生的多余功率时动作，因此其动作电压为：
Figure BDA0002748134040000071
其中，k2为工频过电压动作系数。
第一保护模块动作电压的计算方法为：
由变压器等效模型，可计算出在第二保护模块作用下的变压器原边电压最大值：
Figure BDA0002748134040000072
其中，k为变压器变比，r1为变压器一次绕组漏阻，r2'为折算在一次侧的变压器二次绕组漏阻，I2为变压器副边电压为Udz2时的副边电流。
依据第一保护模块的动作原则，应使其在电网所有工频工况下不动作，在高压取电端出现操作及雷电冲击过电压时动作。即有第一保护模块的动作电压需满足：
Udz1≥k1U1maxpk
其中，k1为冲击电压动作裕度系数。
请参阅图1，本发明一种10kV电容限流取电装置，包括高压取电电容1、接地电容2、第一保护模块3、变压器4、第二保护模块5、整流滤波模块6、稳压模块7、储能模块8。
高压取电电容一端连接高压侧，另一端分两路，一路与变压器4高压端连接，用于从电网中高电位处获得稳定的交流电流，第二路经接地电容2后接地连接，变压器4的高压端连接有第一保护模块3；变压器4的低压端依次并联有第二保护模块5、整流滤波模块6、稳压模块7和储能模块8。
高压取电电容1通过电网高电位产生稳定的毫安级交流电流，变压器4将该高压小电流转换为低压大电流；
其中，高压取电电容1用于从高电位处获得稳定的毫安级交流电流，高压取电电容1为1000～10000pF。
接地电容2用于防止变压器断线导致的接地装置电位悬浮，电容值为10～100pF。
请参阅图2和图3，第一保护模块3用于在电网中出现雷电、操作冲击过电压时泄放浪涌冲击电流，避免变压器及其二次侧元件承受瞬时高压、大电流而损坏。
变压器4用于高压小电流与低压大电流的转换；铁芯截面积为1～10cm2，一次绕组匝数为5000～50000匝，一次额定电压为500～3000V，二次额定电压为3～300V。
第二保护模块5用于在电网中出现6.4～10kV工频过电压、42～48kV工频过电压试验及负载轻载或空载时，导通一定相位角而进行分流，防止输出功率过剩、回路电压升高。
整流滤波模块6用于变压器二次侧波形的调理，将脉动直流转换为恒定直流，为后续负载提供可用的直流电。
稳压模块7用于提高取电装置的稳定性，在负载变化、高压取电电压波动时稳定取电回路电压，提高电压输出质量。
储能模块8用于能量储存及负载的后备供给，在电网失电导致前端取电功率过低或负载短时需求大功率输出时，满足负载功率需求。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
10kV柱上开关用电容限流式取电装置，安装在10kV线路与地之间，用于10kV柱上开关及其FTU的供电。
高压取电电容为1700pF的高压电容；
接地电容为20pF的高压电容；
变压器一二次额定电压为交流2200V/27V，励磁电感6000H；
第一保护模块为TVS阵列，由10只转折电压400V的双向TVS串联；
第二保护模块为双向晶闸管、双向触发二极管、触发电容及触发电阻构成的交流限压电路，动作电压32V；
稳压模块包括比较器、泄放电阻、MOSFET，泄放电阻为120Ω，泄放功率为5W。
实施例2
10kV输电线路监测系统取电装置，安装在10kV输电线路与地之间。
高压取电电容为5000pF的高压电容；
接地电容为50pF的高压电容；
变压器一二次额定电压为交流2200V/240V，励磁电感3000H。
第一保护模块为TSS阵列，由12只转折电压350V的TSS串联；
第二保护模块为TSS器件，转折电压275V；
稳压模块包括比较器、泄放电阻、IGBT，泄放电阻为30Ω，泄放功率为25W。
实施例3
10kV柱上开关用电容限流式取电装置，安装在10kV线路与地之间，用于10kV柱上开关及其FTU的供电。
高压取电电容为2000pF的高压电容；
接地电容为30pF的高压电容；
变压器一二次额定电压为交流2000V/27V，励磁电感4000H。
第一保护模块为气体放电管，直流击穿电压为4kV；
第二保护模块为TSS器件，转折电压为32V；
稳压模块包括比较器、泄放电阻、三极管，泄放电阻为90Ω，泄放功率为10W。
实施例4
10kV输电线路取电装置，安装在10kV输电线路与地之间。
高压取电电容为5000pF的高压电容；
接地电容为50pF的高压电容；
变压器一二次额定电压为交流1800V/13V，励磁电感2000H。
第一保护模块为TSS阵列,由8只转折电压400V的TSS串联；
第二保护模块为双向晶闸管、双向触发二极管、触发电容及触发电阻构成的交流限压电路，动作电压15V；
稳压模块包括比较器、泄放电阻、IGBT，泄放电阻为120Ω，泄放功率为6W。
实施例5
10kV柱上开关用电容限流式取电装置，安装在10kV线路与地之间，用于10kV柱上开关及其FTU的供电。
高压取电电容为3400pF的高压电容；
接地电容为30pF的高压电容；
变压器一二次额定电压为交流2400V/240V，励磁电感3000H。
第一保护模块为气体放电管，直流击穿电压为5kV；
第二保护模块为TSS器件，转折电压275V；
稳压模块包括比较器、泄放电阻、MOSFET，泄放电阻为50Ω，泄放功率为20W。
上述实施例可安装在10kV线路或设备，可供各类高压设备长期就地取电，无需其他外部供电，供电可靠、稳定，可适应10kV电力系统各类工况。
综上所述，本发明一种10kV电容限流取电装置及保护方法，电力系统相电压在额定值的±10％范围内，负载不大于取电装置额定负载时，稳压模块保证取电装置电压稳定；当电力系统中的工频过电压作用在取电装置时，第二保护模块动作，使工频过电流流经高压取电电容、变压器与第二保护模块，第一保护模块不动作，稳压模块正常工作；当电力系统中的雷电及操作冲击过电压作用在取电装置时，第一保护模块动作，使得浪涌电流流经高压取电电容与第一保护模块，限制取电装置瞬时电压峰值，第二保护模块不动作，稳压模块正常工作。本发明保护方法可使各保护模块相互配合，保证在10kV电力系统各类工况下、负载各种变化下本电容限流取电装置的安全可靠运行。10kV电容限流取电装置通过高压取电电容产生毫安级小电流，通过变压器将高压小电流转换为低压大电流，高压取电电容从能够从电网中的高压产生取电电流，变压器将高压小电流转换为低压大电流；接地电容并接在变压器原边，能够防止变压器意外断线导致的取电装置电位悬浮；整流模块将变压器副边交流电转换为直流电；储能模块可在取电功率无法满足负载需求时进行供电；第一保护模块、第二保护模块与稳压模块配合实现取电装置的全面保护。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种10kV电容限流取电保护方法，其特征在于，电力系统相电压在额定值的±10％范围内，负载不大于取电装置额定负载时，稳压模块保证取电装置电压稳定；当电力系统中的工频过电压作用在取电装置时，第二保护模块动作，使工频过电流流经高压取电电容、变压器与第二保护模块，第一保护模块不动作，稳压模块正常工作；当电力系统中的雷电及操作冲击过电压作用在取电装置时，第一保护模块动作，使得浪涌电流流经高压取电电容与第一保护模块，限制取电装置瞬时电压峰值，第二保护模块不动作，稳压模块正常工作，当高压取电端出现12kV以内工频过电压时，第二保护模块动作并具有0～180°导通角，吸收部分过电流；
当高压取电端进行42～48kV工频过电压试验时，变压器交流电压峰值升高，第二保护模块动作，具有0～90°导通角，吸收大部分过电流；
当高压取电端出现操作过电压、雷电过电压时，第一保护模块动作并吸收浪涌电流，第一保护模块瞬时电压峰值不高于20kV；
第一保护模块的动作电压Udz1满足条件如下：
Udz1≥k1U1maxpk
其中，k1为冲击电压动作裕度系数，U1maxpk为变压器原边电压最大值；
第二保护模块的动作电压Udz2为：
Figure FDA0003416843950000011
其中，k2为工频过电压动作系数，Ps为稳压模块的吸收功率，Ide为高压取电端为额定电压时的整流桥输出平均电流；
稳压模块的吸收功率Ps计算如下：
Ps＝1.1ksUdIde
其中，ks为稳压模块功率裕度系数，Ud为直流稳定电压，Ide为高压取电端为额定电压时的整流桥输出平均电流。
2.一种10kV电容限流取电装置，其特征在于，利用权利要求1所述的方法，包括：
高压取电电容(1)，用于取电主回路的电流限制；
接地电容(2)，用于防止变压器断线导致的取电装置电位悬浮；
第一保护模块(3)，用于雷电过电压、操作过电压的限压保护及防止变压器断线引起的原边电压过高；
变压器(4)，用于高压小电流与低压大电流的转换以及与高压电力系统电位的隔离；
第二保护模块(5)，用于6.4～48kV工频过电压的限压保护；
整流滤波模块(6)，用于将交流电转换为直流电；
稳压模块(7)，用于在高压取电端电压在额定值±10％范围内，负载、高压取电电压波动时稳定取电装置直流电压；
储能模块(8)，用于能量储存及负载的后备供给。
3.根据权利要求2所述的10kV电容限流取电装置，其特征在于，高压取电电容(1)为1～10nF。
4.根据权利要求2所述的10kV电容限流取电装置，其特征在于，接地电容(2)为10～100pF。
5.根据权利要求2所述的10kV电容限流取电装置，其特征在于，高压取电电容(1)为1000～10000pF，变压器(4)的铁芯截面积为1～10cm2，一次绕组匝数为5000～50000匝，一次额定电压为500～3000V，二次额定电压为3～300V。
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