CN1739228A - 辅助电源 - Google Patents
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Abstract
针对高电压设备1、7、8的辅助电源设备具有地电势处的电源3、高电势处的负载电路4、和用于将电源耦合到负载电路的传输链路5、6。该电源包含高频电压发生器31，而该传输链路包含第一电流路径5和第二电流路径6。每条路径通过电容耦合51、61、61′来闭合以在地电势和高电势之间提供绝缘，并且每条电流路径具有针对由电容耦合产生的无功功率的串联补偿的无功补偿装置52、62、53、312、63、313、62′、53′、412′、63′、413。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于给高电压设备供应辅助电源的方法，并涉及针对高电压设备的辅助电源设备，其具有地电势处的电源、高电势处的负载电路、以及用于将电源耦合到负载电路的传输链路。
在这个上下文中高电压被认为是典型地在130kV和800kV之间的范围中的电压。
在这个上下文中辅助电源被认为是典型地在数十伏至数百伏范围中的电源。
在这个上下文中高频被认为是比高电压设备的系统频率至少高两个数量级、典型地在10-100kHz范围中的频率。
背景技术
高压电力传输系统中的高电压设备包含临近高压电路或者与高压电路电流接触定位的装置。这样的装置的例子是开关元件、串联电容、电压和电流传感器、以及监视和保护设备。
这样的装置要求用于其运行的辅助电源而针对其电源的不同方法和装置存在于现有技术中。
根据一个已知的原理，辅助电源例如通过利用电压或电流变压器从高压电路中分接。该方法因而需要给高压电路通电并，为了确保所述的该装置的正确运行，在通电后稳定到这样的程度以致可以安全使用辅助电源。然而，通电过程在高压电路运行中经常是关键事件，并因而，非常期望独立于高压电路状态的辅助电源。
根据另一个已知原理，该辅助电源在地电压电势处产生并传输到高压电路。在所述的高电压设备中，这样的辅助电源通常在地面处可用作例如由备用电池维持的110DC的直流电压电源。
那么基本的问题是在高电压设备的地电压电势和高电压电势之间提供绝缘。用于提供这样的绝缘的装置必须满足按照国际规范和标准设置的要求。
特别是用于诸如断流器和断路器的开关元件的一种已知的方法要创建地电势处的机械运动并使用绝缘棒传输这个运动到高电势，该绝缘棒因此提供两个不同电势之间的必要的绝缘。该方法需要在地电势处的驱动机构和在高电势处的棒和链路系统，该棒和链路系统使该设备机械上复杂并导致运行时间中不可避免的延迟。
特别是与电流和电压传感器结合使用的另一个已知方法要将地电势处的辅助电源转换为光功率、经由光学链路将该功率传输到高压电势、并然后将光功率转换回电能。利用这种方法，仅仅很小的功率(典型地在瓦特的几分之一的数量级上)可以被传输。
因而，需要辅助电源设备，其中在地面处产生功率以使其独立于高压电路状态，并且该设备能处理足于诸如开关元件和串联电容设备的大功率装置的运行的大量功率。
发明概要
本发明的目标是为高电压设备提供改进的辅助电源设备，和一种用于给高电压设备供应辅助电源的方法，该改进消除上述的已知设备和方法的缺点。
根据本发明，该目标通过高电压设备的辅助电源设备来实现，该辅助电源设备具有地电势处的电源、高电势处的负载电路、以及用于将电源耦合到负载电路的传输链路，其中该电源包含高频电压发生器，该传输链路包含第一和第二电流路径，每条路径通过电容耦合来闭合以在地电势和高电势之间提供绝缘，以及每条电流路径具有用于由电容耦合产生的无功功率的串联补偿的无功补偿装置。
在本发明的发展中，所述无功补偿装置包含与电容耦合串联的电感器。
在本发明的进一步发展中，辅助电源设备包含用于使电源与负载适配的装置。
在本发明的另一个发展中，第一和第二电流路径的每条路径均包含无功补偿装置和耦合到高电压设备处的导线的耦合电容的串联。
在本发明的另一个发展中，其中高电压设备是安装在与地绝缘的平台上的串联电容设备，针对所述电流路径之一所述电容耦合由所述平台和地之间的寄生电容来提供。
在本发明的进一步发展中，其中所述电压发生器产生预选频率的电压，在所述电流路径的每条路径中，所述无功补偿装置被选择来以预选频率形成具有所述电容耦合的串联谐振电路。
本发明的进一步有利的发展将从以下说明和专利权利要求中变得清楚。
利用根据本发明的辅助电源设备，例如可能将针对串联电容设备的保护和监视设备直接定位在该平台上，而不是在高压电平和地电势之间传送所测量的值和命令信号。
针对开关设备的驱动机构可位于高电势处，由此减少运行时间并避免复杂的机械装置。
附图简述
通过参考附图说明实施例来更详细地解释本发明，所有附图是示意性的并以组合的方框和单条线画出，仅仅示出用于理解本发明相关的主要部件，以及其中
图1示出本发明的第一实施例，
图2示出本发明的第二实施例，
图3示出本发明的第三实施例，以及
图4示出本发明的第四实施例。
优选实施例说明
以下说明涉及所述设备和所述方法。相同的参考数字和标记在不同的图中使用以表示为相同类型的部分的部分。
图1示出与导线2电流接触的高电压设备1。该设备可以典型地包含诸如断流器或断路器、串联电容、电压和电流传感器、和/或监视和保护设备的开关元件。
位于地面和地电势处的电源3包含高频DC/AC转换器形式的高频电压发生器31和地面变压器32。
DC/AC转换器被供应DC电压(在图中用DC指出)，而DC/AC转换器的输出被供应给地面变压器的初级线圈321。该地面变压器有次级线圈322。
位于高电压设备处和高电势处的负载电路4包含负载变压器41、AC/DC转换器42、以及电容43。AC/DC转换器的AC侧被耦合到负载变压器的次级线圈411，而AC/DC转换器的DC侧被耦合到高电压设备以给其供应辅助电源。该电容跨接在AC/DC转换器的DC侧以提供能量存储和滤波SC/DC转换器的输出电压。
负载变压器具有初级线圈412。
根据本发明，电源和负载电路之间的传输链路通过形成第一电流路径5和第二电流路径6来建立。在图1中所示的本发明的实施例中，电流路径5包含串联耦合电容5和第一电感器52，而电流路径6包含串联耦合电容61和第二电感器62。
通过耦合地面变压器的次级线圈322的相应端和负载变压器的初级线圈412的相应端之间的每条电流路径，包含电源、电流路径、和负载电路的闭合电流回路被形成。在这个电流回路中，该耦合电容51和61的每个形成提供地电势和高电势之间的绝缘的电容耦合。
该耦合电容产生无功功率并期望补偿该功率。该补偿必须是串联补偿，以便保持绝缘。第一和第二电感器通过消耗无功功率用作无功补偿装置。
通过本身已知的控制系统，该电压发生器可适于产生预选频率的电压。因而有利的是，选择电感器的电感值，以便该电感器在每条电流路径中以预选频率形成具有耦合电容的串联谐振电路。因而，该电流路径原则上将呈现零电抗。
图1还示出地面变压器的次级线圈322具有耦合到地的中心抽头，而负载变压器的初级线圈412具有耦合到导线2的中心抽头。结果是平衡的电流回路，其有这样的效应：导线2处的高电压设备的系统频率的电压在两条电流路径中产生共模电流。
在图中，电感器52的线圈利用耦合到耦合电容的线圈端处的点示出，而电感器62的线圈利用耦合到负载变压器的线圈端处的点示出。通过安排电感器以在这些线圈之间有紧耦合，例如通过具有在由点示出的意义上缠绕的共同的铁氧体磁心，实现诸如高电压设备的系统频率的电流的共模电流将在电感器中不产生任何由此引起的磁通量以及电流路径将因此呈现针对共模电流的小阻抗。
地面变压器和负载变压器用于通过阻抗匹配使电源与负载适配。
图2示出高电压设备1、导线2、负载电路4、第一电流路径5、第二电流路径6、耦合电容51和61、以及高频DC/AC转换器形式的电源31，如以上参考图1说明。
在这个实施例中，辅助电源经由所谓的储能电路由该电源供应。第一储能电路具有串联耦合的电容器312和电感器53，而第二储能电路具有串联耦合的电容器313和电感器63。第一电流路径5通过将耦合电容51经由电感器53耦合到地形成。第二电流路径6通过将耦合电容61经由电感器63耦合到地形成。
DC/AC转换器的高频输出电压经由电容器312和313容性耦合到相应的耦合电容和电感器之间的连接点。
在本发明的这个实施例中，电容器312和电感器53的并联耦合(相应地并联耦合电容器313和电感器63)形成无功补偿装置。
当DC/AC转换器31的输出电压施加到相应的储能电路，并且所施加电压的频率接近储能电路的谐振频率时，所施加电压的放大发生，导致用于传输期望的辅助功率给负载电路是可行的储能电路的部件两端的电压。当所施加的电压的频率超出储能电路的谐振频率时，该储能电路将吸收无功功率以补偿由耦合电容产生的无功功率。
通过适当选择储能电路部件的电感值和电容值，由耦合电容产生的无功功率的期望的无功补偿以及电源与负载的适配可以被实现。该电感器53和63可以被选择来具有针对高电压设备的系统频率处的电流仅仅引起很小的电压降的电感。
高压串联电容设备被安装在与地绝缘的平台上，通常针对每个相位有一个平台。这样的设备的物理和电气配置的更加详细的说明例如在M Adolfsson等人：EHV seeies capacitor banks.A new approachto platform to ground signalling，relay protection andsupervision.(IEEE Transactions on Power delivery，1989年4月，1369-1375页)中被给出，该文章因此被引入作为参考。该串联电容耦合在通常称为LV总线和HV总线之间，这些总线被耦合到传输线中，而该平台被耦合到LV总线。
这类平台相当大，具有通常是在100平方米数量级上的面积，并且他们位于针对300-800kV的系统电压典型地在5-8米的范围中的地面上的高度处。因而，平台呈现在数百pF数量级上的对地的实质的(substantial)电容，以及可以发现技术上可行地在电流路径之一中使用平台和地之间的电容以形成根据本发明的电容耦合。
图3示出以安装在与地绝缘的平台上的高压串联电容设备形式的高电压设备1。仅仅利用针对本发明有关的部分示意性地示出该串联电容设备。
串联电容7被耦合到LV总线(在图中简称为LV)，并耦合到HV总线(在图中简称为HV)。该总线被插入导线2中。该设备位于平台8上。在LV总线和平台之间存在寄生电容9，以及在平台和地之间存在寄生电容61′。电感器62′电流耦合在LV总线和平台之间。
因而，在本发明的实施例中，第二电流路径6由寄生电容61′和电感器62′的串联耦合形成，该电感器62′与寄生电容9并联耦合，其中以上提到的并联电路形成第二电流路径的无功补偿装置。
第一电流路径5通过如上面参考图1和2所述的耦合电容51形成，该耦合电容经由类似于如参考图2所述的第一电流路径的储能电路的储能电路耦合到地。
负载电路包含具有初级线圈412′和次级线圈411′的负载变压器41′。该耦合电容经由串联连接的负载变压器的初级线圈耦合到LV总线。该次级线圈411′被耦合到AC/DC转换器42。
电源与负载的适配和针对第一电流路径的无功补偿如参考图2所述地执行。针对第二电流路径，无功补偿装置(也就是，与寄生电容9并联耦合的电感器62′)通过适当选择电感器62′适于与寄生电容61′谐振。
寄生电容9的电容值可能容易遭受与当地天气情况、特别是降雨和降雪相关的变化。为了保持电流路径6的谐振状态，高频电压发生器31的频率可以由频率控制系统控制。这样的控制系统可以基于例如该发生器的无功输出功率的所测量的值和最小化该功率的绝对值的情况。
图4示出本发明的另一个实施例，其在负载电路处具有储能电路。位于地面和地电势处的电源3类似于如参考图1所述的电源。第一电流路径由耦合电容51和电感器53′的串联连接形成，该电容器51耦合到地面变压器的次级线圈322的一端，而该电感器53′耦合到导线2。第二电流路径以类似的方式由耦合电容61和电感器63′的串联形成，该电容器61被耦合到地面变压器的次级线圈的另一端而该电感器63′被耦合到导线2。
经过该电流路径传输的辅助电源经由储能电路的电容器414和413分接并经由绝缘变压器44供应给AC/DC转换器42。
无功功率补偿以及电源与负载的适配如上所述地实现。
耦合电容在现有技术中熟知并普遍用于不同目的、诸如PLC通信。典型地，针对550kV和145kV之间的系统电压他们的电容在3.5nF和20nF之间的范围中变化。
本发明不限于所述的实施例，并且本领域的技术人员将能够在权利要求的范围内容易地修改所示实施例。
因而，例如，尽管有利，也不必给地面变压器的次级线圈相应地负载变压器的初级线圈配备中心抽头以提供平衡的电流路径。
在电感器52和62的相应线圈之间的电感耦合(如参考图1所述)也可以在如参考图2所述的实施例的电感器53和63之间形成，或者如参考图4所述的实施例的电感器53′和63′之间形成，并且在这些实施例中该电流路径还将呈现针对共模电流的低阻抗。
可替换地，参考图3所述的储能电路可以由将高频电压发生器耦合到电流路径的变压器来取代。
如参考图4所述的高压电势处的储能电路可以由耦合在导线2和耦合电容之间的单个电感器取代，而该功率经由耦合到该电感器和耦合电容之间的连接点以及耦合到变压器4的初级线圈的一端的单个电容器来分接，该初级线圈的另一端耦合到导线2。
Claims (24)
1.高电压设备(1，7，8)的辅助电源设备，其具有地电势处的电源(3)、高电势处的负载电路(4)、以及用于将该电源耦合到负载电路的传输链路(5，6)，其特征在于，该电源包含高频电压发生器(31)，该传输链路包含第一电流路径(5)和第二电流路径(6)，每条路径通过电容耦合(51，61，61′)来闭合以在地电势和高电势之间提供绝缘，并且每条电流路径具有针对由电容耦合产生的无功功率的串联补偿的无功补偿装置(52，62，53，312，63，313，62′，53′，414，63′，413)。
2.根据权利要求1所述的辅助电源设备，其特征在于，所述无功补偿装置包含与电容耦合串联的电感器(52，62，62′，53，63，53′，63′)。
3.根据权利要求1-2中的任何一个所述的辅助电源设备，其特征在于，该辅助电源设备包含用于将电源通过阻抗匹配与负载电路适配的装置(32，41，53，312，63，313，412′，53′，414，63′，413)。
4.根据权利要求1-3中的任何一个所述的辅助电源设备，其特征在于，第一和第二电流路径的每条均包含无功补偿装置和耦合到高电压设备处的导线(2)的耦合电容(51，52)的串联。
5.根据权利要求1-3中的任何一个所述的辅助电源设备，其中所述高电压设备是安装在与地绝缘的平台(8)上的串联电容设备(7)，其特征在于，针对所述电流路径之一(6)，所述电容耦合由所述平台和地之间的寄生电容(61′)提供。
6.根据权利要求1-5中的任何一个所述的辅助电源设备，其中所述电压发生器产生预选频率的电压，其特征在于，在所述电流路径的每条中，选择所述无功补偿装置来以预选频率形成具有所述电容耦合的串联谐振电路。
7.根据权利要求5所述的辅助电源设备，其特征在于，所述电容耦合之一(5)由耦合电容(51)来提供，该耦合电容(51)被耦合到高电压设备处的导线(LV)并经由所述无功补偿装置(53，312)耦合到地电势，以及所述电压发生器容性耦合到无功补偿装置和耦合电容之间的连接点。
8.根据权利要求1-4中的任何一个或当权利要求6取决于权利要求1-4中的任何一个时根据权利要求6所述的辅助电源设备，其特征在于，所述电容耦合由耦合到高电压设备处的导线(2)和经由所述无功补偿装置(53，312，63，313)耦合到地电势的耦合电容(51，61)来提供，以及所述电压发生器容性耦合到相应的无功补偿装置和耦合电容之间的连接点。
9.根据权利要求1-4中的任何一个或当权利要求6取决于权利要求1-4中的任何一个时根据权利要求6所述的辅助电源设备，其特征在于，所述电容耦合由耦合到高电压设备处的导线(2)和经由无功补偿装置(52，62)耦合到地电势的耦合电容(51，61)来提供，以及所述电压发生器包含地面变压器(32)和高频DC/AC转换器(31)，所述地面变压器具有耦合到DC/AC转换器的初级线圈(321)和耦合到所述传输链路的次级线圈(322)。
10.根据权利要求8-9中的任何一个所述的辅助电源设备，其中所述无功补偿装置中的每个包含具有线圈的电感器(52，62，53，63，53′，63′)，其特征在于，该线圈相互磁耦合以便针对共模电流所述电流路径呈现低阻抗。
11.根据权利要求9所述的辅助电源设备，其特征在于，所述电容耦合由经由所述无功补偿装置(53′，414′，63′，413)耦合到高电压设备处的导线(2)的耦合电容(51，61)提供，以及所述负载电路容性耦合到相应的无功补偿装置和耦合电容之间的连接点。
12.根据权利要求1-11中的任何一个所述的辅助电源设备，其特征在于，所述负载电路(4)包含负载变压器(41)和AC/DC转换器(42)，所述负载变压器具有耦合到所述传输链路的初级线圈(412)和耦合到所述AC/DC转换器的次级线圈(411)。
13.用于给高电压设备(1，7，8)供应辅助电源的方法，其具有以下步骤：产生地电势处的电源、形成高电势处的负载电路(4)，以及将所产生的电源传输给负载电路，其特征在于，产生电源的步骤包含产生高频电压电源的步骤，而将所产生的电源传输给负载电路的步骤包含
形成第一电流路径(5)和第二电流路径(6)的步骤，每条路径通过电容耦合(51，61，61′)来闭合以在地电势和高电势之间提供绝缘，
经由所述电容耦合传输辅助电源的步骤，以及
在每条电流路径中提供针对由电容耦合产生的无功功率的串联补偿的无功补偿装置(52，62，53，312，63，313，62′，53′，414，63′，413)的步骤。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，在每条电流路径中提供无功补偿装置的步骤包含提供与电容耦合串联的电感器(52，62，62′，53，63，53′，63′)的步骤。
15.根据权利要求13-14中的任何一个所述的方法，其中产生高频电压电源的步骤利用电源(3)，其特征在于，该产生高频电压电源的步骤包含通过阻抗匹配使电源与负载电路适配的步骤。
16.根据权利要求13-15中的任何一个所述的方法，其特征在于，将所产生的电源传输给负载电路的步骤进一步包含在所述第一和第二电流路径中的每条路径中提供无功补偿装置和耦合到高电压设备处的导线(2)的耦合电容(51，52)的串联的步骤。
17.根据权利要求13-15中的任何一个所述的方法，其中高电压设备是安装在与地绝缘的平台(8)上的串联电容设备(7)，其特征在于，经由电容耦合传输电源的步骤包含利用所述平台和地之间的寄生电容(61′)以形成所述电容耦合的步骤。
18.根据权利要求13-17中的任何一个所述的方法，其特征在于，产生高频电压电源的步骤包含预选电压频率的步骤，而在每条电流路径中提供无功补偿装置的步骤包含选择所述无功补偿装置来以预选频率形成具有所述电容耦合的串联谐振电路的步骤。
19.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，经由电容耦合传输辅助电源的步骤包含利用耦合电容(51)的步骤，该耦合电容(51)被耦合到高电压设备处的导线(2)和经由所述无功补偿装置(53，312)耦合到地电势，以及包含将所产生的高频电压电源容性耦合到无功补偿装置和耦合电容之间的连接点的步骤。
20.根据权利要求13-16中的任何一个或者当权利要求18依赖于13-16中的任何一个时根据权利要求18的方法，其特征在于，经由电容耦合传输电源的步骤包含利用耦合电容(51，61)的步骤，该耦合电容(51，62)被耦合到高电压设备处的导线(2)和经由所述无功补偿装置耦合到地电势，以及包含将所产生的高频电压电源容性耦合到相应无功补偿装置和耦合电容之间的连接点的步骤。
21.根据权利要求13-16中的任何一个或者当权利要求18取决于13-16中的任何一个时根据权利要求18所述的方法，其特征在于，经由电容耦合传输电源的步骤包含利用耦合电容(51，61)的步骤，该耦合电容(51，61)被耦合到高电压设备处的导线(2)和经由所述无功补偿装置耦合到地电势，以及包含将所产生的高频电压电源感性耦合到所述电流路径的步骤。
22.根据权利要求20-21中的任何一个所述的方法，其中每个所述无功补偿装置包含具有线圈的电感器(52，62，53，63，53′，63′)，其特征在于，该方法包含相互磁耦合线圈的步骤，以便针对共模电流所述电流路径呈现低阻抗。
23.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，经由电容耦合传输电源的步骤包含利用耦合电容(51，61)的步骤，该耦合电容(51，61)经由所述无功补偿装置耦合到高电压设备处的导线(2)，以及包含将所传输的辅助电源容性耦合到负载电路的步骤。
24.根据权利要求13-22中的任何一个所述的方法，其特征在于，经由电容耦合传输电源的步骤包含利用耦合电容(51，61)的步骤，该耦合电容(51，61)被耦合到高电压设备处的导线(2)，以及包含将所传输的辅助电源感性耦合到负载电路的步骤。
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