CN113396517B - 通过变压器中性点闭锁系统和触发断相的电网保护 - Google Patents

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Abstract

公开了一种保护电路。所述保护电路包括电连接在变压器的中性点和接地之间的直流(DC)闭锁组件，以及与所述DC闭锁组件并联电连接的过电压保护装置。过电压保护装置被构造成响应于变压器中性点处的电压高于阈值而可重复且可靠地提供过电压保护。所述DC闭锁组件具有低于预定值的阻抗，从而有效地将变压器的中性点接地。所述DC闭锁组件持续保持与变压器中性点的连接。

Description

通过变压器中性点闭锁系统和触发断相的电网保护
本申请作为PCT国际申请于2019年9月27日提交，并要求于2018年9月28日提交的美国临时专利申请号62/738,826的优先权权益，其公开内容通过引用整体并入本文。
技术领域
本公开总体上涉及用于电气设备的电气保护装置；具体地，本公开涉及用于电网保护的系统，例如，变压器中性点闭锁电路和电压触发的变压器相断开。
背景技术
电气系统，特别是高电压、高功率电气系统，在发生重大、意外的电气事件时容易受到损坏。易受损坏的电气系统和装置的具体示例包括高压变压器、发电机、断路器和安装在电网中的无功功率支持设备。
暴露于电磁场可对电气系统造成各种类型的损坏，尤其是包括在诸如电网的敏感电路中的电气系统。例如，电磁脉冲(EMP)和地磁干扰(GMD)事件可对电气设备造成干扰或损坏，导致该设备发生故障或使其无法运行。电气设备也可能被强电磁脉冲或地磁风暴摧毁。EMP辐射的详细特性在军事标准188-125“执行关键、紧急任务的地基C4I设施的高空电磁脉冲保护”和橡树岭国家实验室Meta-R-321“晚期(E3)高空电磁脉冲(HEMP)及其对美国电网的影响”中进行了描述。通常，此类类型的电磁场可在电网中感应电流，例如可包括高压变压器。
在地磁感应电流(GIC)的情况下，可能会出现更多的损坏示例。在这种情况下，在电气设备处也可能经历相当大的感应电流；然而，该电流在电网中出现得更平缓(以秒/分钟为周期，而不是以毫秒为周期)。橡树岭国家实验室Meta-R-319“地磁暴及其对美国电网的影响”中描述了地磁暴的详细特性。在AC电网系统附近操作的HVDC系统可引起可通过接地连接影响AC电网系统的接地电流。一个示例是在接地返回模式中，其中HVDC系统可将DC电流注入到接地电极中，这可导致在附近变压器的中性点中流动的杂散DC电流。
上述每个损坏原因的示例都可导致电网电气部件(例如高压变压器)的故障。这可能会导致不必要的后果，例如大量人口/地区断电。因为这些大型变压器昂贵且通常难以重新定位，所以可能花费大量时间来完成对此类变压器的任何修理或更换。
EMP E3事件包括相对快速(毫秒内)发生的组件，而GIC类型的事件更缓慢地发生。这样，用于电网部件的保护系统或者被配置为针对事件类型的子集进行保护，或者被构造为对各种类型的事件作出响应，并且因此需要快速和缓慢的响应时间。由于这些事件诱发的信号与和电力系统信号相关联的50Hz或60Hz频率相比是低频的，因此它们被认为是直流(DC)或准DC。
另外的考虑是，设计用于保护电网部件不受EMP E3影响的设备必须是有电阻的，并且能够通过EMP的较早E1和E2部件工作。这需要专门的屏蔽和设计规范。Mil-Std 188-125描述了这些条件和必要的补救措施，以及军用标准464“系统的电磁环境影响要求”。使电子设备抵抗EMP E1所需的屏蔽和保护通常可保护其免受其他破坏性高频事件的影响，例如IEC 61000-2-13“高功率电磁(HPEM)环境-辐射和传导”中所述的故意电磁干扰(IEMI)。
在美国专利号8,878,396中描述了可用于防止EMP/IEMI和GIC事件的一个示例性保护系统。该专利描述了一种系统，其中中性点连接限于变压器中性点和接地之间的电路的直流(DC)闭锁组件。在典型操作期间，在EMP/IEMI或GIC事件的情况下，直接接地的并联电路路径保持闭合，并且快速动作开关断开。
尽管在所引用的专利中描述的系统在防止这种潜在的破坏性事件方面是有效的，但是一些电网运营商倾向于避免使用开关组件，这是由于感知到接入组件可能比永久包括在保护电路内的组件更不可靠。这样，这些系统操作者可以选择采用不需要使用开关来选择性地将电路组件引入保护电路中的其他解决方案。
不需要损坏性事件的主动检测和切换以对此类事件作出反应的保护电路和相关系统在本公开中被认为是“被动系统”。这些无源系统可结合自动旁路开关以在各种条件下旁路DC闭锁组件(“具有自动旁路的无源系统”)或构造成不具有自动旁路开关(“完全无源系统”)。这些可以与那些“有源系统”形成对比，这些“有源系统”选择性地在变压器中性点和接地之间的电路中引入DC闭锁组件。
存在各种无源系统。共同的部件是过电压保护装置(例如，使用火花隙或金属氧化物变阻器(MOV))，其可包括在变压器中性点与接地之间。然而，在大多数系统中，现有的过电压保护装置没有构造成承受多个故障事件。由于与大电力系统上的故障相关联的非常高的电流，过电压保护系统必须被旁路并且在系统重新投入运行之前复位或修复。火花隙通常在故障事件的应力下显著地侵蚀，并且材料的侵蚀显著地改变间隙将激发的击穿电压，通过将击穿电压增加到不可接受的高水平而降低或消除其作为过电压保护装置的有效性。在诸如MOV或晶闸管的固态装置的情况下，高电流导致装置发热，并且在准备再次投入使用之前需要长时间的冷却。这是无源系统需要自动旁路开关的原因之一。
此外，当不存在损坏性事件时，现有的无源保护电路在其操作方面具有缺点。例如，对于包括在这种无源系统中的线性电阻器“全时”(即，不通过旁路切换等来切换输入/输出)，在典型的操作期间，在变压器中性点和接地之间的连接上保持有相当大的电阻。这可能会导致有问题的影响，例如：除非使用相对较高的电阻值，否则效率有限，系统不再有有效接地的中性点，并对变压器绝缘水平和接地故障继电器方案产生不利影响。此外，如果中性电流(由于系统不平衡)不为零，则中性电阻器可能具有I2R损耗，这可能需要强制冷却。此外，线性电阻将不能防止由于GIC引起的谐波。在GMD或EMP事件期间，变压器仍可能饱和，从而引发谐波，这些谐波将进入配电网，从而导致业务损失、客户设备损坏，如果严重，则会导致电压崩溃。
因此，在对电网内的潜在破坏性电压/电流事件的感知可靠性和实际响应性方面，不存在满足电网运营商的所有要求的现有设备。此外，现有的无源装置只提供保护，直到装置达到其直流电压耐受极限并且不能再保护变压器为止。这涉及预期非常大的DC电流的情况，例如来自大GMD或EMP事件的情况。在这种事件的情况下，电网内的感应电流和电压可能导致变压器和相关电路的损坏，不仅是在被监测的位置，而且在电网内的其他位置。
由于这些和其他原因，需要改进。
发明内容
根据以下公开内容，通过以下方式解决上述和其他问题：
在第一方面，公开了一种保护电路。所述保护电路包括电连接在变压器的中性点和接地之间的直流(DC)闭锁组件，以及与所述DC闭锁组件并联电连接的过电压保护装置。过电压保护装置被构造成响应于变压器中性点处的电压高于阈值而可重复且可靠地提供过电压保护。所述DC闭锁组件具有低于预定值的阻抗，从而有效地将变压器的中性点接地。所述DC闭锁组件持续保持与变压器中性点的连接。
在第二方面，一种电气保护系统包括具有一个或多个连接的变压器组件，每个连接与交流功率信号的不同电力线相或该交流功率信号的所有三相相关联。该系统还包括电压测量装置和至少一个断路器，所述电压测量装置在检测到变压器的中性线和地两端的电压时发送信号，所述至少一个断路器电连接到所述变压器的电力线相。该系统还包括电连接在所述变压器中性点和接地之间的直流中性点闭锁电路。该系统包括从所述电压测量装置接收信号的处理器，所述处理器直接或间接电连接到至少一个断路器，并且被配置为响应于在所述处理器处确定所述变压器中性点和接地两端的电压高于预定阈值而在从所述电压测量装置接收到信号时发送该信号以断开与所述变压器的电力线相电连接的至少一个断路器。
在一些方面，在预定阈值以上，所述过电压保护装置将激发，或者所述DC闭锁组件的所述DC电压耐受极限和/或变压器中性绝缘处于被超过的风险。一个目的是尽可能多地阻断直流电流，然后安全地断开大相断路器，并使变压器断电，只有在达到直流电压耐受极限或直流电流开始涌入之前绝对必要时，才使变压器免受损害。
在又一方面，公开了一种保护电网免受由于在电网内的电网变压器的中性点处的感应电流或电压而导致的损坏的方法。所述方法包括：在所述电网内的第一变压器的变压器中性点处检测具有指示对包括在所述电网内的电气设备的潜在损坏的特性的电压；以及选择所述电网内除所述第一变压器之外的一个或多个变压器，该一个或多个变压器与相断路器和控制电路相关联。所述方法还包括向与所述一个或多个变压器相关联的所述控制电路发送致动命令，该致动命令指示所述控制电路断开所述相断路器，从而分割所述电网，实质上“缩短线路”，这将导致所述第一变压器上的电压电平下降。
附图说明
图1是根据本公开的可能实施例的无源变压器中性点闭锁电路的示例实施例的透视图，该无源变压器中性点闭锁电路安装在发电或配电变电站现场；
图2是根据本公开的第二可能实施例的无源变压器中性点闭锁电路的透视图；
图3A-图3B是根据本公开的另一可能实施例的无源变压器中性点闭锁电路的透视图；
图4是根据本公开另一可能实施例的与感测和控制电子设备耦合的无源变压器中性点闭锁电路的透视图；
图5是根据本公开另一可能实施例的具有维护和AC断路器开关的无源变压器中性点闭锁电路的透视图。
图6是根据本公开的另一可能实施例的无源变压器中性点闭锁电路的透视图；
图7是根据本公开的另一可能实施例的将信号发送到相断路器的无源变压器中性点阻断电路的透视图；
图8A-图8D示出了可在图1至图7的无源变压器中性点闭锁电路内使用的示例性过电压保护装置；
图9是无源过电压保护装置组件的示例性实施例的前视图；以及
图10是当高DC或准DC电流被阻断时变压器中性点上的DC电压的曲线图。
具体实施方式
将参照附图详细地描述本发明的各种实施例，其中贯穿若干视图，相似的附图标记表示相似的部件和组件。对各种实施例的参考并不限制本发明的范围，本发明的范围仅由所附权利要求书的范围限定。另外，该说明书中所阐述的任何示例并非旨在限制本发明，而仅阐述所要求保护的本发明的许多可能实施例中的一些实施例。
总体上，本公开描述了用于保护电力企业变压器和其他电气或机电设备免受损坏的DC电流以及作为结果的电力线上的谐波含量的系统和方法。较大DC中性电流和谐波可以是地磁(太阳风暴)、高海拔电磁E3脉冲(HEMP-E3)或以接地返回模式操作的HVDC的结果。
总体上，本公开描述了用于被动地阻断或减少潜在破坏性中性DC电流并防止50Hz或60Hz电力线源的谐波含量的生成以保护关键电气设备的方法和系统。所描述的方法和系统需要非常少的维护，并且DC闭锁电路不需要利用诸如开关的有源部件，从而允许持久地维持保护。另外，所描述的系统和方法采用低阻抗电容器或电容器组，以便提供有效接地的变压器，从而避免与继电保护系统的阈值设置相关的电力系统内的潜在问题。当电路满足IEEE标准C62.91中规定的接地定义时，电路有效接地。
根据本公开，这里称为具有“持久保持”直流阻断特征的保护电路意味着这样的直流阻断至少在其工作时保持连接到变压器的中性点并且不被旁路。为了说明的目的，虽然具有用于维护目的的手动旁路开关(即，用于在要维修的非操作时段期间手动断开)的装置被持久地维护，但是具有允许在变压器运行时在操作模式之间切换的自动开关或电子控制开关的装置将不会持久地将DC闭锁组件保持在变压器中性点处。更进一步地，具有仅在维护操作期间使用但被配置为响应于操作条件而不被激活以旁路直流闭锁组件的自动开关的装置将仍然是在该电路的操作期间持续地保持直流阻断特征的电路。
本文公开的无源变压器中性点闭锁系统提供了可与标准变压器接地方案兼容的接地方案，因此，在通常情况下，不需要改变电力系统继电器设置。当存在高DC(或准DC)电流或电压、或高谐波功率含量时，DC闭锁组件阻塞或衰减系统中的DC或准DC电流。阻塞准DC或DC电流防止变压器的半周饱和，从而保护变压器免受过度无功功率损耗、过热和损坏。另外，阻断DC电流防止部分饱和变压器中产生谐波。这种电力谐波可能会使电力系统继电器跳闸，进而导致局部或大面积停电。每当发生过电压事件或在较短时间段内发生连续过电压事件时，无源过电压保护装置(OVPD)可操作以保护组件免于过电压。根据本公开的各种示例性实施例，过电压保护装置可以包括以下中的一个或多个：火花隙、金属氧化物变阻器、硅碳变阻器、可变电阻器、电涌放电器，或被设计为形成接地和远离阈值电压上的信号的被保护部件的路径的任何其他合适部件。
在示例实施例中，本公开的系统和方法允许阻塞地磁感应电流(GIC)，防止谐波信号的产生，同时维持到接地的低阻抗、低电阻连接以维持电力线变压器的有效交流(AC)接地连接。因此，不需要继电器复位。另外，可以包括过电压保护装置，其在没有冷却时段并且不需要旁路开关的情况下重复地处理具有高电流和高电压的故障。另外，由于电路是无源的，因此不需要包括自动旁路开关上所需的EMP屏蔽或滤波特征，并且在检测到潜在损坏的直流、谐波或EMP-E1脉冲的情况下不需要触发，从而简化了整个电路。
此外，在示例实施例中，如果变压器中性点处的DC电压达到接近DC闭锁组件或变压器中性点的绝缘的耐受极限的阈值，而不是切换自动开关以旁路DC闭锁组件或允许过电压装置触发(这将允许DC电流流动)，本公开系统的系统发送信号以断开大型AC相断路器，从而安全地使变压器断电，以保护其免受高DC电流的涌入。
图1是根据本公开的无源变压器中性点闭锁系统100的一般实施例。无源变压器中性点闭锁系统100通常连接在变压器12的变压器中性点10与接地14之间。无源变压器中性点闭锁系统100包括连接在到变压器中性点10的连接与接地14之间的DC闭锁组件110。如在下面的示例中进一步解释的，DC闭锁组件110可以包括在接地14和变压器中性点10之间的一个或多个直流阻塞装置(例如，电容器或电阻器)，以防止变压器中性点10中的损坏的DC或准DC接地电流，这又会导致对变压器12的可能损坏。取决于具体应用，可以采用电容性或电阻性(或其某种组合)阻塞装置110。例如，在美国专利号8,878,396中描述了DC闭锁组件的各种配置，该美国专利的公开内容通过整体引用结合于此。然而，通过比较，在该专利中，经由开关配置选择性地从变压器中性点10和接地之间的电路移除DC闭锁组件，作为该系统的保护方案的一部分，该开关配置可致动以旁路DC闭锁组件。在本申请中，无源过电压装置可替代地用于放电高DC电压事件，否则高DC电压事件将具有损坏系统100的可能性。
根据本公开，无源过电压保护装置(OVPD)112可与DC闭锁组件110并联连接在变压器中性点10与接地14之间以保护DC闭锁组件和变压器。无源OVPD 112能够在较短时间段内多个过电压事件的情况下维持保护。如先前所描述并且如以下示例中进一步解释的，无源OVPD 112可包括任何数目的装置。根据本公开的各种示例性实施例，过电压保护装置可以包括以下中的一个或多个：火花隙、金属氧化物变阻器、硅碳变阻器、可变电阻器、电涌放电器，或被设计为形成接地和远离阈值电压上的信号的被保护部件的路径的任何其他合适部件。在示例实施例中，无源OVPD 112可包括例如构造成非破坏性地、可重复地放电过电压事件的特定类型的火花隙。可用作OVPD 112的示例火花隙在名称为“电力系统的过电压保护”的美国专利号9,660,441中描述，该美国专利的公开内容通过整体引用结合于此。下面结合图8A-图8D和图9来描述这种装置的替代版本。
无源OVPD 112为无源变压器中性点闭锁系统100和变压器12提供保护，并且在故障或大DC或准DC电压超过DC闭锁或限制装置的能力的情况下是有用的，例如那些可能由大型GMD或HEMP-E3事件引起的。在大型GMD或HEMP-E3事件的情况下，一些电力公司可能优选将DC阻塞至DC阻塞装置的DC电压耐受极限，然后触发大型AC相断路器断开，从而在无源OVPD触发和DC电流开始流动之前使变压器断电。
现在参考图2，示出了无源变压器中性点闭锁系统200的另一实施例。在该实施例中，无源变压器中性点阻断系统200包括功率电阻器204。功率电阻器204添加足够的电阻以抑制任何铁磁共振，在故障或瞬态事件期间减小电容器组两端的电压，并限制来自电容器组的放电电流。在示例实施例中，功率电阻器204可以具有通常在0.3欧姆和5.0欧姆之间的值。
现在参考图3A，示出了无源变压器中性点闭锁系统300的另一实施例。在该实施例中，DC闭锁组件包括并联电连接的电容器组310a-n，总体上称为电容器组310。电容器组310通过添加附加电容器来降低系统的阻抗。图3B示出了具有电容器组320a-n的另一实施例，电容器组320a-n通过添加串联的电容器来增加系统的电压间隙。因为当使用高阻抗电容器时继电器可能需要复位，所以使用这样的低阻抗电容器组可能是优选的。根据IEEE标准C62.91接地定义，低阻抗电容器组对于保持有效接地也很重要。电力系统继电器(例如，连接到电力线的各相的继电器)联网，并且基于电力线路各相上承载的信号电平协同操作以清除接地故障。
现在参考图4，示出了无源变压器中性点闭锁系统400的另一示例性实施例。在该示例性实施例中，中性电流监测装置402连接在DC闭锁组件110和接地14之间，以及无源OVPD 112和接地之间。中性监测装置402测量电力系统的AC电流，并且利用电子模块408，可以用于确定何时需要对电力系统进行维护。在一些实施例中，中性电流监测装置402可以是罗戈夫斯基线圈或电流互感器。
图4还示出了根据本公开的可能实施例的电子模块408。电子模块408可以监测中性点阻断器和变压器的总体性能，并通过通信网络412将结果报告给控制室414。控制室414可以是本地的或远离电子模块408。在该示例中，图4包括用于向电子模块408报告变压器中性点10和接地之间的电压的电压测量装置406。
在所示的实施例中，电子模块408被封闭在屏蔽壳体410内，以防止高频、高功率电磁信号进入壳体，从而使敏感的电子设备暴露于潜在的干扰和损坏。电子模块可包括例如控制电路，例如实现为微处理器和/或通信电路，以及信号调节电路，该信号调节电路可用于接收来自中性点监测装置402和/或电压测量装置406的输入，例如，用于生成在变压器中性点10和系统400内或跨越电网的大部分观察到的各种事件的通知。
在所示实施例中，屏蔽壳体410是EMP/IEMI法拉第屏蔽壳体，其具有围绕所有门开口的导电密封件，以提供对通常从约14kHz到10GHz的电磁频率的辐射保护。
现在参考图5，示出了无源变压器中性点闭锁系统500的另一实施例。在该示例中，示出了维护旁路开关502和AC断路器504两者。根据本公开的各种实施例，维护旁路开关502允许无源变压器中性闭锁电路的安全维护，并且AC断路器504通过防止维护开关502上的电弧而允许维护旁路开关502的安全操作。维护开关502常闭并且连接在变压器中性点10和无源变压器中性点闭锁电路之间，而AC断路器504连接在变压器中性点10和接地14之间并且常开。中性电流监测装置402还可以用于测量中性AC不平衡并且确定何时操作维护开关502是安全的。如上所述，由于维护开关502保持在闭合状态，除非手动打开，DC闭锁组件110持久地保持在系统500内。
现在参考图6，示出了无源变压器中性点闭锁系统600的另一实施例。在该实施例中，电子模块408包括定位在壳体410的外围处的多个过滤器622。滤波器622通常可以是具有电涌抑制的低通或带通滤波器，以抑制可能负面地影响壳体内的电子设备和信号处理部件的性能的信号。在这样的实施例中，为了确保保护，在穿透壳体410的所有导电线上存在滤波。另外，在所示的实施例中，滤波器622位于功率输入634以及到系统操作者的输出上。另一滤波器622电连接在感测电子设备624与一个或多个电磁检测器650之间。电磁检测器650可以是例如被配置为检测EMP/IEMI事件的基于屏蔽磁环天线的检测器。在美国专利号8,773,107中描述了这种检测器的一个示例，该美国专利的公开内容通过整体引用结合于此。
如图6所示，感测电子设备624可用于检测来自中性点监测装置402和/或电压测量装置406的信号，并将这些信号报告给例如位于电子装置624本地或远程的控制室。感测电子设备624可包括可编程电路(例如，微处理器或可编程门阵列类型装置)以及可用于存储用于界定可产生消息的信号阈值(电流和/或电压)的指令的存储器。感测电子设备624还可被配置为生成致动信号以响应于观测到的电流和/或电压事件而采取某些动作，如下文所描述。
现在参考图7，示出了变压器中性点闭锁系统700的另一实施例。在该实施例中，高压断路器702电连接到变压器12的电力线相。在美国专利申请号15/887,781中描述了这种中性点闭锁系统的示例，该美国专利的公开内容通过整体引用结合于此。
在变压器中性点闭锁系统700的操作期间，电压测量装置406可向电子模块408报告跨越变压器中性点10到接地14的DC电压，电子模块408可确定DC电压指示对DC闭锁组件110有潜在损坏(例如，高于特定电容器或电容器组的额定电压)或变压器本身(例如，处于变压器内绝缘材料可能受损的水平)。整个系统700内的其他类型的损坏也可以由电子模块408检测，并且可以基于例如高于预定阈值的瞬时DC电压或高于预定阈值速率(如上所述)的DC电压的变化率。然后，电子模块408可以发送信号以断开一个或多个高压断路器702，以防止对于高于DC阈值的DC电压触发无源OVPD 112，如下面参考图10进一步描述的。换句话说，图7所示的实施例中的DC阈值可以被设置为低于触发无源OVPD 112的DC电压，从而防止一旦无源OVPD 112被触发则可能流动的DC电流。另外，高压断路器702可由控制室414控制，例如，通过经由通信网络412与电子器件408通信。
在一些实施例中，该系统还可以包括电磁检测器，例如图6所示的电磁检测器650。在这样的结构中，由于系统被配置为响应于EMP/IEMI事件，高压断路器可被屏蔽以确保在这样的事件期间的适当操作和保护。
总体上参照图7，注意到其中描述的变压器中性点闭锁系统在操作中可以具有多个优点。具体地，在可能损坏的DC电流的情况下，高压断路器702的致动意味着变压器保持被保护，而高压断路器702可由来自电子模块408的致动信号致动。如上所述，此类事件可包括例如在电子模块408处检测到电压测量装置406(例如，电压探针或其他电压测量装置)已感测到高于预定阈值或高于预定阈值达预定时间量的电压。此外，电子模块408可以响应于电压的变化超过可接受的变化率，例如由于电压的快速上升时间，利用致动信号来触发高压断路器702。在示例性实施例中，约100V/ms至约175V/ms的电压变化率可指示可区别于典型AC电流的快速上升时间。
另外，高压断路器的致动可具有其他优点。例如，断路器702的致动可以导致变压器12从整个电网断开，或者至少导致电网的分割。在变压器中性线相或电力线相上可能发生感应DC电压(其量值以伏特/米为基础规定)的情况下，电网内较短的分段可导致较低的DC电压，因为可感应电压的长度缩短。因此，该分割还防止对变压器12或对DC闭锁组件110的潜在损坏。
在电子设备408与控制室414通信的示例实施例中(以及可替换地，与和其他电网变压器相关联的其他变压器中性点保护电路相关联的其他电子设备408)，电子设备408或控制室414可以经由寻址到与不同变压器相关联的电子设备的通信网络412来发送信号。这样，在一个变压器处发生的高DC电压事件(或电压变化率事件)的检测可以以也将防止在电网内其他地方的损坏的方式触发电网的立即分割，而不依赖于每个保护电路必须感测这样的事件。此外，在示例实施例中，电子设备408或控制室414可以执行用于从电网内的大量保护系统之中选择哪些保护系统将接收这样的致动命令以在其他电网变压器的相上断开高压断路器的算法。例如，这可包括识别可将电网安全地分割成具有不太可能诱发显著较高电压的长度的分段的那些变压器，同时对于尽可能多的电网保持与电源的连接。这种分割可以基于变压器之间的距离(并且因此基于所创建的分段的长度)或者发电站与要断开的变压器之间的距离(例如，以使由于断路器的致动而经历电力损失的人口最小化)。在一些情况下，应用将这些因素与所经历的电压进行组合的算法，以选择断路器致动信号应被发送到的特定变压器保护电路。
因此，具体地关于图7，注意到，高压断路器702的致动与本公开的无源中性点闭锁装置结合、以及与在通过引用并入本文的专利和公开中描述的其他类型的无源和有源中性点闭锁装置结合可以是有利的。例如，高压断路器702的致动可以响应于检测到特定DC电压而执行，同时维持系统内的DC闭锁组件，如关于本文描述的无源模式系统所描述的。然而，该致动可以与选择性地旁路或选择性地引入变压器中性点和接地之间的DC闭锁组件的开关的致动相结合地(或独立于该致动但在同一电路内)来执行，例如美国专利号8,878,396中所示。
现在参考图10，在变压器中性点观察到的DC电压的标绘图(plot)1000显示为时间的函数，其中示出了各种阈值，用于解释本文描述的系统的操作。应注意，结合该图且结合本公开整体，术语DC电压或DC电流分别指代DC电压及准DC电压两者或DC电流及准DC电流两者。
在该标绘图(plot)1000中示出了在变压器中性点处经历的DC电压(例如，由电压测量装置406检测到)。在所示的示例中，DC中性点闭锁组件110可具有与DC电压电平C相对应的DC电压耐受极限，使得超过该极限的DC电压可开始击穿或损坏DC中性点闭锁组件110并使变压器处于损坏的风险中，或者可附加地/可替代地可开始损坏变压器12自身内的绝缘。这些阈值通常分别被称为DC中性点闭锁组件和/或变压器绝缘的耐受电压或电压耐受极限。电压的示例范围如下所述。
另外，无源OVPD 112可被设置为在电压电平B处触发，该电压电平B低于DC电压电平C，并且该电压电平B可保护DC中性点闭锁组件110和变压器12在过电压事件(例如，故障)的情况下免受损坏。DC电压极限B通常可以稍微低于DC中性点闭锁组件110或变压器12的额定电压，并且可以在下面指出的范围内。
应注意，在电压电平B处触发无源OVPD 112将导致不合需要的DC电流流到接地。因此，当使用上面结合图7描述的各种电路变型时，电子模块408可以被配置为发送激活信号以在DC电压电平A处断开一个或多个高压断路器702。DC电压电平A通常被设置为低于电压电平B，以防止无源OVPD 112在DC电压上触发，从而在可能的高DC电流涌入之前安全地使变压器断电。
在一些实施例中，变压器12可具有35kV DC电压极限，高于该极限变压器中性绝缘劣化的风险被认为是不可接受的。在一些实施例中，DC闭锁组件110的DC电压耐受极限在16-34kV DC的范围内，对应于DC电压电平C。因此，无源OVPD 112可以具有被配置为在大约8-15kV的范围内的DC触发电压，其对应于电压电平B。电子模块408可以被配置为在与DC电压电平A相对应的约7-14kV DC范围内的DC电压电平下断开一个或多个高压断路器702。在其他实施例中，变压器12的电压极限、DC闭锁组件110的耐受极限、无源OVPD 112的触发电压以及电子模块断开一个或多个高压断路器的电压电平可与上述的那些不同；然而，操作的相对顺序通常将被选择为防止对DC中性点闭锁组件110或变压器12的损坏。
现在参考图8A-图8D，提供了无源OVPD的示例，其可以与上述无源保护电路结合使用。图8A是根据示例性实施例的无源OVPD组件800的透视图。无源OVPD组件800包括多个子组件801a-c和电路引线802a-b(802b在图8D中示出)。子组件并联连接到电路引线802a-b。另外，每个子组件801a-c包括火花隙806a-c。尽管在该图中示出了三个子组件，但是其他实施例包括更多或更少的子组件。子组件801a-c包括导体803a-c(例如，通常形成为雅各布斯梯)和在电极810a-c的变窄区域处的火花隙806a-c。
在一些实施例中，火花隙806a-c的宽度基本上相同。当较大的接地故障电流触发火花隙806a-c之一的击穿电压时，火花隙周围的相应电极的一部分被烧蚀，并且火花隙的宽度可能改变。火花隙宽度的这种变化可以是增加，这将导致该特定火花隙的击穿电压的相应增加。在一些情况下，由较大的接地故障电流引起的烧蚀之后的火花隙的击穿电压将大于其他火花隙之一的击穿电压。因此，在下一较大的接地故障电流期间，电弧将在不同的火花隙中激发。以这种方式，组件800将具有增加的寿命并且将承受多个较大的接地故障电流。
在另外的实施例中，除了由于并联装置而维持击穿电压的上述特征之外，火花隙806a-c之一的火花隙宽度通常可在较大的接地故障电流触发之后维持，其基本上是烧蚀弹性的，并且以如下的方式构造，即洛伦兹力将破坏性电弧从火花隙区域推向电极的端部，从而保留了火花隙区域。在这种布置中，击穿电压可不导致间隙宽度的实质改变，并且导致该特定火花隙在多次撞击期间的击穿电压增加。通常，要求火花隙击穿电压在特定数目的事件上保持在某一预定范围内。
在一些实施例中，无源OVPD组件800可暴露于对应于高于5-8kV且低于28kV的击穿电压并且在至少60毫秒内具有高于8000安培的电流的过电压事件。在其他示例中，过电压事件可对应于在至少40毫秒内高于约5,000安培的电流下高于5-8千伏且低于约35千伏的击穿电压。还可以设置其他阈值；示例性阈值在美国专利号9,660,441中有所描述，该美国专利先前通过引用并入。
图8B是无源OVPD组件800的子组件801a的前视图。子组件801a包括支撑导体803a-c的安装件804a-b，由于透视图，仅示出其中的导体803a。导体803a-c中的每一个由下导体和上导体形成，分别示为下导体805a-b和上导体807a-b。另外，电极810a-b形成在下导体和上导体的结合处。用于无源OVPD组件800的支撑结构包括绝缘体814a-b和与安装件804a-b结合的圆柱形屏蔽件816a-b。
如图所示，安装件804a-b是刚性支撑结构，其被配置为以期望的角度固定和支撑导体805a-b。在一些实施例中，安装件被配置成将导体805a-b定位成与竖直方向成2.5-20度的角度。在替代实施例中，导体的角度可变化；例如，可使用约2-90度之间的角度。通常，该角度促使任何通过电极810a-b形成的放电电弧电流朝向上导体807a-b，这至少部分是由于在上述电压和电流范围内的电弧电流的情况下发生的显著的洛伦兹力。安装件804a-b被配置为承受当形成电弧电流时在导体805a-b之间产生的洛伦兹力。
通常，下导体805a-b(在本文中也称为电路引线)和上导体807a-b(在本文中也称为延伸部)是大直径圆柱形杆，其接合以形成导体803a-c；在下导体和上导体的结合处形成电极810a-b。导体805a-b和807a-b的直径基于用于过电压保护组件800的给定应用的预期电弧电流来选择。导体805a-b彼此成角度，使得电极810a-b彼此相邻。在一些实施例中，导体805a-b之间的对向角为5-40度。电极810a-b由火花隙806a分隔开。
在一些实施例中，下导体805a-b、上导体807a-b和电极810a-b由具有高熔点的刚性导电材料整体形成。例如，在一些实施例中，导体805a-b、807a-b和电极810a-b由铜/钨合金形成。在其他实施例中，导体805a-b、807a-b和电极810a-b由诸如钨、铜和铌的不同材料形成。
另外，电极810a-b之间的间隔通过绝缘体814a-b进一步固定。绝缘体814a-b是刚性的并且由绝缘材料形成。在一些实施例中，绝缘体814a-b具有圆柱形状。绝缘体814a-b被配置成确保安装件804a-b、导体805a-b和电极810a-b之间的间距，并且因此也确保火花隙806的宽度。在示例性实施例中，绝缘体814a-b中的一个或多个在电极810a-b上形成电弧电流的方向上定位，从而在该方向上提供额外的加强，以避免在电弧电流方向上的洛伦兹力导致电弧电流形成的情况下对无源OVPD组件800的损坏。
在一些实施例中，包括屏蔽件816a-b。在所示的示例中，屏蔽件是设置在绝缘体814a-b和支撑件804a-b之间的金属突片，并且被配置为干扰沿着绝缘体814a-b的表面形成导电路径(来自在电弧期间排出的沉积碳或材料)。在替代实施例中，屏蔽件816a-b可以不同地成形，例如圆柱形和环绕绝缘体814a-b。
图8C是无源OVPD组件800的放大前视图。子组件801a包括导体805a-b和807a-b、电极810a-b和火花隙810a-b，火花隙810a-b间隔的距离小于电极810a-b的底部的距离。例如，在一些实施例中，电极810a-b的顶部由第一宽度W1分隔开，而电极810a-b的底部由稍大的第二宽度W2分隔开。在一些实施例中，宽度W1为0.65毫米，宽度W2为0.82毫米。在其他实施例中，宽度W1在0.5毫米和1毫米之间，宽度W2在0.75毫米和1.25毫米之间。在其他实施例中，宽度W1在0.25毫米和10毫米之间，宽度W2在0.4毫米和20毫米之间。在一些实施例中，第一宽度和第二宽度之间的差约为0.4毫米。在其他实施例中，第一宽度和第二宽度之间的差在0.15毫米和15毫米之间。在一些实施例中，电极810a-b的平坦表面具有高度H。在一些实施例中，高度H为1英寸。在其他实施例中，高度H在0.5英寸与4英寸之间。然而，具有其他高度和其他第一宽度和第二宽度的其他实施例也是可能的。在一些实施例中，高度H在5毫米和15毫米之间。然而，具有其他高度和其他第一宽度和第二宽度的其他实施例也是可能的。例如，宽度W1和W2可以是相同的，使得火花隙具有平行的表面。虽然这是次优的，因为其对火花将发生的位置提供较少的控制，但其是可操作的。在初始高接地故障电压期间，电弧电流将在电极810a-b的顶部形成。当材料在高接地故障电流事件期间被烧蚀时，电弧将在火花隙806中的较低位置处开始。然而，通过无源OVPD组件800的几何形状，特别是导体803a-b，使火花隙处的烧蚀最小化，以确保烧蚀发生在导体807a-b的端部(在延伸部的端部)。
注意，组件800被构造成在至少40毫秒内承受低于35kV(但通常高于约5-8kV)的击穿电压和高于5,000安培的电流。然而，在替代实施例中，组件800可被构造成承受更大或更低的击穿电压和/或电流，或承受在其他时间段内的这种功率耗散。
另外，应注意，电极810a-b之间的特定距离可通过分别调整导体803a-b中的每一个在安装件804a-b内的位置来进行调整。例如，由于下导体805a-b的倾斜，通过将导体803a-b安装成从安装件进一步延伸，电极810a-b之间可具有较小的距离，而将导体803a-b安装成从安装件延伸较短距离将导致电极进一步间隔开。因此，可以基于电极之间的距离来选择精确的击穿电压。
图9是无源OVPD组件900的特定示例性实施例的前视图。子组件901a包括具有横截面积915a的导体905a、具有横截面积917a的导体907a、火花隙906和由火花隙906的区域中的导体905a和907a的结合908a形成的横截面积918a。具体地，在一些实施例中(例如，作为上述电极810a-b的一部分)，平坦表面可形成在火花隙的区域中，并且可具体地在以上图8C所示的梯形电极区域内是平坦的。在一些实施例中，导体905a和907b可以是具有圆形或椭圆形横截面积915a和917a的大致圆柱形。在其他实施例中，导体905a和907a可具有具有其他几何横截面形状的其他几何形状。在一些实施例中，导体905b具有与905a基本相同的形状和横截面积，导体907b具有与907a基本相同的形状和横截面积，并且结合908b具有与结合908a和横截面积918a基本相同的形状和横截面积918b。
图9还示出了横截面积917a的长度A和B、横截面积918a的长度C、D和G以及横截面积915a的长度E和F。在一些实施例中，长度A、B、E和F都是1英寸。在其他实施例中，长度A、B、E和F在0.5英寸和5英寸之间。然而，具有其他长度A、B、E和F的其他实施例也是可能的。在一些实施例中，长度C和D为1英寸，长度G为0.2英寸。在其他实施例中，长度C和D为2英寸，长度G为0英寸。在其他实施例中，长度C和D在0.5英寸和5英寸之间，长度G在0英寸和3英寸之间。然而，具有其他长度C、D和G的其他实施例也是可能的。
总体上，应当认识到，本公开的各种实施例提供了关于电路保护的多个优点，特别是关于在诸如用于发电或配电的变压器之类的AC电气设备的接地连接处的谐波信号或DC电流信号。例如，阻塞DC或准DC中性电流防止变压器芯中的半周饱和，这又防止变压器过热、损坏或故障。另外，DC阻塞还通过减少谐波来改善电能质量，谐波会激活电力系统继电器并导致严重的不稳定和停电。这在很大程度上防止了公用电力系统继电器的跳闸、电力补偿和其他关键部件的断开，并且进而避免了在GIC或EMP事件的情况下电网的部分或全部崩溃。更进一步的优点包括对整个电网或其部分的选择性、协调的保护。
上述说明书、实施例和数据提供了本发明组成部分的制造和使用的完整描述。由于可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出本发明的许多实施例，因此本发明存在于所附权利要求书中。

Claims (24)

1.一种能够用于包括变压器的交流系统中的保护电路，所述保护电路包括：
直流(DC)闭锁组件，其电连接在所述变压器的中性点和接地之间；以及
过电压保护装置，其与所述DC闭锁组件并联电连接，所述过电压保护装置被构造成响应于变压器中性点处的电压高于阈值而可重复且可靠地提供过电压保护；
其中，所述DC闭锁组件具有低于预定值的阻抗，从而有效地将所述变压器的中性点接地；并且
其中，在所述保护电路的操作期间，所述DC闭锁组件持续地保持与所述变压器中性点连接。
2.根据权利要求1所述的保护电路，其中，在所述保护电路的操作期间，所述DC闭锁组件和所述过电压保护装置保持连接在所述变压器中性点和所述接地之间。
3.根据权利要求1所述的保护电路，其中，所述保护电路缺少能够将所述DC闭锁组件和所述过电压保护装置从所述变压器中性点自动断开的自动切换组件。
4.根据权利要求1所述的保护电路，所述保护电路进一步包括功率电阻器，其与所述变压器中性点和所述DC闭锁组件串联电连接。
5.根据权利要求1所述的保护电路，其中，所述DC闭锁组件包括电容器。
6.根据权利要求1所述的保护电路，其中，所述过电压保护装置包括选自由以下各项组成的组中的至少一个装置：
火花隙；
金属氧化物变阻器；
硅碳变阻器；
可变电阻器；以及
电涌放电器。
7.根据权利要求1所述的保护电路，其中，所述过电压保护装置被构造成响应于所述变压器中性点处的所述电压高于阈值而操作多次，同时将可操作性保持在保持低于所述变压器和所述DC闭锁组件中的至少一个的耐受电压的预定范围内。
8.根据权利要求1所述的保护电路，其中，所述过电压保护装置包括火花隙。
9.根据权利要求1所述的保护电路，其中，所述过电压保护装置包括：
第一导体和相对的第二导体，所述第一导体和相对的第二导体中的每一个包括电路引线、电极区域和通向烧蚀端的延伸部；
火花隙，其形成在所述第一导体的所述电极区域和所述第二导体的所述电极区域之间，所述电路电连接到所述过电压保护装置并且暴露于在至少40毫秒内具有低于35,000伏的击穿电压和高于5,000安培的电流范围的可能的电事件；
其中，所述火花隙被设计为使得在可能的电事件的范围内发生电事件的情况下，所述火花隙处的击穿电压被保持在预定范围内，从而允许结合与所述可能的电事件相对应的电事件重复使用所述火花隙。
10.根据权利要求1所述的保护电路，其中，所述过电压保护装置包括：
第一电连接；
第二电连接；
放电装置，其包括连接到所述第一电连接的第一导电总线和连接到所述第二电连接的第二导电总线，其中，所述放电装置具有第一击穿电压，并且其中，当所述第一导电总线与所述第二导电总线之间的电压差超过所述第一击穿电压时，第一电流在所述第一导电总线与所述第二导电总线之间通过。
11.根据权利要求1所述的保护电路，所述保护电路进一步包括电压测量装置，所述电压测量装置电连接在所述变压器的所述中性点和所述接地之间。
12.根据权利要求11所述的保护电路，所述保护电路进一步包括控制电路，所述控制电路连接到所述电压测量装置，其中：
所述变压器连接到一个或多个电力线相，所述一个或多个电力线相将所述变压器连接到电网，并且
响应于所述电压超过阈值达预定时间量，所述控制电路被配置成发送致动信号以致动一个或多个断路器，每个断路器电连接到所述一个或多个电力线相的电力线相，从而将所述变压器从所述电网电断开。
13.根据权利要求11所述的保护电路，所述保护电路进一步包括控制电路，所述控制电路连接到所述电压测量装置，其中：
所述变压器连接到一个或多个电力线相，所述电力线相将所述变压器连接到电网，并且
响应于所述电压的变化率超过预定变化率，所述控制电路被配置成发送致动信号以致动一个或多个断路器，每个断路器电连接到所述一个或多个电力线相的电力线相，从而将所述变压器从所述电网电断开。
14.根据权利要求11所述的保护电路，所述保护电路进一步包括控制电路，所述控制电路连接到所述电压测量装置，其中：
所述变压器连接到一个或多个电力线相，所述一个或多个电力线相将所述变压器连接到电网，并且
响应于由所述电压测量装置检测到的电压达到阈值，所述控制电路被配置成发送致动信号以致动电连接到所述电力线相的一个或多个断路器，从而将所述变压器从所述电网电断开。
15.根据权利要求11所述的保护电路，其中，所述电压包括直流电压。
16.根据权利要求1所述的保护电路，所述保护电路进一步包括维护旁路开关，其电连接在所述DC闭锁组件和所述变压器中性点之间，所述维护旁路开关能够用于在维护期间将所述DC闭锁组件从所述变压器中性点解耦。
17.根据权利要求1所述的保护电路，其中，所述保护电路缺少电子控制开关，所述电子控制开关沿着在所述保护电路的正常操作期间操作的所述变压器中性点和所述接地之间的、与所述DC闭锁组件并联的路径电连接。
18.一种电气保护系统，所述电气保护系统包括：
具有一个或多个连接的变压器，每个连接与交流电力信号的不同电力线相相关联；
直流中性点闭锁电路，其电连接在所述变压器中性点和接地之间；
过电压保护装置，其与在所述变压器中性点和接地之间的直流中性点闭锁电路并联电连接；
电压测量装置，其在检测到所述变压器的中性点与接地之间的电压时发送信号；
至少一个断路器，其电连接到所述变压器的电力线相；
控制电路，其被配置为：
从所述电压测量装置接收所述信号；并且
响应于确定所述变压器中性点和接地两端的电压等于或高于预定阈值，发送信号以断开电连接到所述变压器的电力线相的所述至少一个断路器；其中，在高于所述预定阈值的电压电平处，所述过电压保护装置被配置为触发以放电电压。
19.根据权利要求18所述的电气保护系统，其中，所述过电压保护装置被配置为触发且放电电压的所述电压电平低于第二电压电平，所述第二电压电平为所述直流中性点闭锁电路或所述变压器的变压器中性绝缘中的至少一方的电压耐受极限。
20.根据权利要求18所述的电气保护系统，其中，所述直流中性点闭锁电路包括无源直流中性点闭锁电路或有源直流中性点闭锁电路中的一个。
21.一种保护电网免受由于在所述电网内的电网变压器的中性点处的感应电流或电压而导致的损坏的方法，所述方法包括：
在所述电网内的第一变压器的变压器中性点处，检测具有指示对包括在所述电网内的电路的潜在损坏的特性的电压；
选择所述电网内除所述第一变压器之外的一个或多个变压器，所述一个或多个变压器与相断路器和控制电路相关联；以及
向与所述一个或多个变压器相关联的所述控制电路发送致动命令，所述致动命令指示所述控制电路断开所述相断路器，从而电断开所述一个或多个变压器、分割所述电网。
22.根据权利要求21所述的方法，所述方法进一步包括致动与所述第一变压器相关联的相断路器。
23.根据权利要求21所述的方法，其中，所述一个或多个变压器远离所述第一变压器定位。
24.根据权利要求21所述的方法，其中，选择所述一个或多个变压器包括：执行算法，以至少部分地基于所述一个或多个变压器距发电站的距离以及所述第一变压器与所述一个或多个变压器之间的距离，从所述电网内的多个变压器中选择一个或多个变压器。
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