一種串補火花間隙觸發能量獲取系統及其獲取方法
2023-06-08 04:25:06 1
一種串補火花間隙觸發能量獲取系統及其獲取方法
【專利摘要】本發明涉及一種串補火花間隙觸發能量獲取系統及其獲取方法。該系統和方法通過屏蔽電纜相互連接的電流互感器和火花間隙觸發控制箱內部依次連接的變壓器、充電電路和監控電路實現對串補平臺上火花間隙的觸發能量獲取問題，同時提出一種高可靠性的實現電路。
【專利說明】一種串補火花間隙觸發能量獲取系統及其獲取方法
【技術領域】
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[0001]本發明涉及花間隙觸發能量獲取領域，更具體涉及一種串補火花間隙觸發能量獲取系統及其獲取方法。
【背景技術】
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[0002]在電力系統中，串補用火花間隙屬於強制觸發間隙，觸發過程中點火脈衝的產生需要一定的觸發能量。串補用火花間隙是限壓器MOV的主保護，同時是電容器組的後備保護。作為串補關鍵一次設備，火花間隙必須具有極高的工作可靠性。所以如何獲取觸發能量並研發高可靠性的電路是火花間隙的關鍵技術之一，這關係到觸發能量的獲取方法和相關電路系統的設計關係到火花間隙能否正常觸發。
[0003]在國內，中國電科院高壓所從2001年開始自主研發超高壓交流輸電線路可控串補成套設備。目前由中國電力科學研究院高壓所自主研發並生產的串補用火花間隙已經在十幾個串補工程中得到了成功應用。尤其在2011年12月100kV特高壓串補成功投入商業運行。這使得中國電力科學研究院成為國內外首家能夠研製和設計100kV特高壓串補用火花間隙設備的設備提供商。
[0004]在國外，已有ABB、Siemens, GE等公司生產500kV超高壓串補用火花間隙，但是由於各自的觸發點火原理不同，因此結構和功能必然差異較大。並且火花間隙及其觸發迴路設備布置在串補平臺上，處於高電位環境下，電磁環境較為複雜。本發明目的就是解決串補平臺上火花間隙的觸發能量獲取問題，並提出一種高可靠性的實現電路系統。
【發明內容】
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[0005]本發明的目的是提供一種串補火花間隙觸發能量獲取系統及其獲取方法，該方法和系統成功解決了在串補平臺上火花間隙能量的獲取問題，提高火花間隙觸發可靠性。
[0006]為實現上述目的，本發明採用以下技術方案:一種串補火花間隙觸發能量獲取系統，該系統包括通過屏蔽電纜相互連接的電流互感器和火花間隙觸發控制箱，所述火花間隙觸發控制箱包括依次連接的變壓器、充電電路和監控電路，所述充電電路包括過電壓保護單元、整流橋單元和儲能單元，所述監控電路包括電阻分壓器、控制驅動單元和報警單
J Li ο
[0007]本發明提供的一種串補火花間隙觸發能量獲取系統，所述過電壓保護單元、整流橋單元和儲能單元依次相連；所述過電壓保護單元包括正向過電壓保護單元和反向過電壓保護單元，所述正向過電壓保護單元和反向過電壓保護單元均包括可控矽支路和控制支路，所述可控矽支路和控制支路均與所述變壓器輸入端並聯。
[0008]本發明提供的一種串補火花間隙觸發能量獲取系統，所述可控矽支路包括可控矽器件，所述可控矽器件的門極與所述控制支路連接，所述控制支路為穩壓管1、二極體I和電阻I串聯的支路。
[0009]本發明提供的另一優選的一種串補火花間隙觸發能量獲取系統，所述整流橋單元為全橋整流單元，包括四個二極體2，所述整流橋單元一端通過串聯二極體3與所述儲能單元並聯，所述儲能單元包括電容器、二極體4和電阻2，所述電容器一端通過二極體4和電阻2的並聯與所述整流橋單元一端連接，所述電容器的另一端接參考地。
[0010]本發明提供的再一優選的一種串補火花間隙觸發能量獲取系統，所述電阻分壓器並聯在所述整流橋單元一端和參考地之間，所述電阻分壓器為電阻3串聯而成。
[0011]本發明提供的又一優選的一種串補火花間隙觸發能量獲取系統，所述控制驅動單元包括IGBT元件、三極體單元和比較器單元；所述IGBT元件並聯在所述整流橋單元兩端，所述三極體單元和比較器單元串聯在所述IGBT元件的門極與所述電阻分壓器之間，所述三極體單元和比較器單元之間串聯二極體5和電阻4。
[0012]本發明提供的又一優選的一種串補火花間隙觸發能量獲取系統，其特徵在於:所述三極體單元包括三極體、電阻5和電源I ;所述三極體包括三極體1、三極體2和三極體3 ；所述電阻5包括電阻51、電阻52和電阻53 ;所述比較器單元包括比較器1、電阻6、穩壓管2和電源2 ;所述電阻6包括電阻61、電阻62和電阻63。
[0013]本發明提供的又一優選的一種串補火花間隙觸發能量獲取系統，所述比較器I的反相端與所述電阻分壓器的輸出端連接，所述比較器I的同向端通過所述電阻61與所述穩壓管2的陰極相連，所述穩壓管2的陰極通過所述電阻63與電源2連接，所述穩壓管2的陽極接參考地，所述比較器I的輸出端與所述電阻62 —端連接，所述電阻62—端與所述電阻4 一端連接，所述電阻62另一端與所述比較器I的同相端連接；
[0014]所述三極體2的發射極與電源I相連，所述三極體2的發射極通過電阻53與其基極連接，所述三極體2的基極通過所述二極體5和電阻4與所述比較器I的輸出端連接；所述三極體2的集電極分別與電阻52和所述三極體1、三極體3的基極相連；所述三極體I的集電極和所述三極體3的發射極相連構成推挽機構；所述IGBT元件的門極通過電阻51與所述推挽機構輸出端相連。
[0015]本發明提供的又一優選的一種串補火花間隙觸發能量獲取系統，所述報警單元包括報警單元I和報警單元2，所述報警單元I包括比較器2、電阻7和電源3，所述報警單元2包括比較器3和電阻8 ;所述電阻8包括電阻81和電阻82。
[0016]本發明提供的又一優選的一種串補火花間隙觸發能量獲取系統，所述報警單元I監測儲能電容器不能充電的情況，所述比較器2的同相端分別與電阻分壓器的輸出端和電源3相連，所述比較器2反向端分別與所述穩壓管2的陰極和參考地相連，所述比較器2同相端和輸出端通過所述電阻R7連接；
[0017]所述報警單元2監測儲能電容器電壓過高的情況，所述比較器3的同相端與電阻分壓器的輸出端相連，所述比較器3的反向端通過電阻81與所述穩壓管2的陰極相連，所述比較器3的反相端和其輸出端通過電阻82連接。
[0018]本發明提供的一種串補火花間隙觸發能量的獲取方法，所述方法包括以下步驟:
[0019](I)獲得直流電流；
[0020](2)對電容器充電；
[0021](3)監控電容器充電。
[0022]本發明提供的又一優選的一種串補火花間隙觸發能量的獲取方法，所述步驟(I)中的獲得直流電流包括以下步驟:
[0023](1-1)通過電流互感器將線路電流轉化為二次電流；
[0024]( 1-2)通過變壓器對所述二次電流進行隔離和變換處理；
[0025](1-3)將所述步驟(1-2)所得電流整流為直流。
[0026]由於採用了上述技術方案，本發明得到的有益效果是:
[0027]1、本發明的系統和方法圓滿地解決了串補平臺上火花間隙觸發能量的獲取問題，該方法具有功能可靠，結構簡單的優點；
[0028]2、本發明根據此方法研製串補用火花間隙觸發能量獲取電路能夠實現快速、平穩儲能，並能夠在高電壓環境下實現長時間運行；
[0029]3、本發明在試驗中經過檢驗證明有良好的效果，保證了火花間隙獲取觸發能量的可靠性和穩定性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0030]圖1為火花間隙觸發能量獲取方法流程圖示意圖；
[0031]圖2為本發明的火花間隙觸發能量獲取系統結構示意圖；
[0032]圖3本發明的為火花間隙觸發能量獲取系統的充電電路和監控電路原理圖示意圖；
[0033]其中，1-線路電流，2-電流互感器，3-波紋管，4-屏蔽電纜，5-火花間隙觸發控制箱，6-絕緣底座，7-串補平臺，8-支柱絕緣子，9-大地。
【具體實施方式】
[0034]下面結合實施例對發明作進一步的詳細說明。
[0035]實施例1:
[0036]如圖1-2圖所示，本例的發明串補火花間隙觸發能量的獲取方法，主要步驟是先將線路電流通過電流互感器轉化為二次電流；在利用高絕緣隔離變壓器對所得的二次電流進行隔離和二次變換處理，從而達到後續電路要求；將所得電流整流變換為直流，並對電容器充電；在電容器充電的過程中對電容器電壓實時監控，通過滯環控制方法將電壓維持在一定水平；當電容充電異常時發出報警信號，為檢修提供參考。
[0037]具體方法如下:將線路電流通過電流互感器轉化為較小的二次電流I1，並通過屏蔽電纜將電流互感器的二次輸出側連接到火花間隙觸發控制箱內，且屏蔽電纜外層包裹不鏽鋼製波紋管。其中，電流互感器為穿心式；每個互感器含有2個鐵芯繞組；其二次輸出額定電流為1A。電流互感器通過絕緣底座安裝在串補平臺低壓母線側。
[0038]電流互感器的二次側電流I1經火花間隙觸發控制箱內的高絕緣隔離變壓器進行電磁隔離後與火花間隙觸發控制箱內的充電電路相接。高絕緣隔離變壓器T包含兩個繞組，變比在N:l。N在0.5至2範圍內。一、二次繞組絕緣耐壓水平不低於1kVrms,且一、二繞組之間加裝金屬層進行屏蔽。
[0039]在充電電路中，電流通過全橋整流變為直流，並對儲能電容器進行充電。在此過程中，在整流橋入口含有一個由可控矽SCR器件組成的過電壓保護電路。電容器為高壓油紙絕緣電容，每支電容器容值在2至4uF之間。
[0040]在充電過程中，儲能監控電路對電容器兩端電壓進行實時監測，並通過控制旁路開關將電容器兩端電壓維持在一定水平。在此過程中，儲能電容器電壓平穩保持在一定範圍內，這樣就能夠在電容器中長期儲存能量，以備火花間隙觸發使用。其中正常工作時，通過監控電路滯環控制方法將電容器電壓維持在380-420V。旁路開關採用全控型IGBT器件。充電異常時，儲能監控電路提供充電電壓過低和過高報警，以為檢修和故障分析使用。
[0041]如圖2-3所示串補火花間隙觸發能量獲取系統，該系統包括通過屏蔽電纜相互連接的電流互感器和火花間隙觸發控制箱，所述火花間隙觸發控制箱包括高絕緣隔離變壓器、充電電路和監控電路。來自取能電流互感器的二次側的電流經過高絕緣隔離變壓器後，再經全橋整流後為儲能電容Cl和C2充電，為了防止儲能電容器發生過充而損壞，當儲能電容器電壓達到420V左右時，由充電控制電路使並聯在全橋兩端的IGBT導通，此時對儲能電容器停止充電。當儲能電容器電壓下降到380V左右時，由充電控制電路使IGBT關斷，恢復對儲能電容器的充電。
[0042]其中電路結構由充電電路和監控電路兩大部分組成。其中，所述充電電路包括過電壓保護單元、整流橋單元和儲能單元。所述過電壓保護單元、整流橋單元和儲能單元依次相連；所述過電壓保護單元包括正向過電壓保護單元和反向過電壓保護單元，用於防止發生意外(如IGBT不能導通)時引起儲能電容器過充，其保護限值為600V。所述正向過電保護單元包括可控矽支路I和控制支路I，所述可控矽支路I和控制支路I均與所述高絕緣隔離變壓器輸入端並聯:所述可控矽支路I包括可控矽器件晶閘管Q5，所述晶閘管Q5陰極和陽極分別高絕緣隔離變壓器輸入端Al和A2連接；晶閘管Q5的門極與所述控制支路I連接，所述控制支路I為穩壓管D10、二極體D12和電阻R17串聯的支路，所述穩壓管DlO和二極體D12為反向串聯，同時電阻R17的一端與高絕緣隔離變壓器輸入端Al連接，且穩壓管DlO陰極與高絕緣隔離變壓器輸入端A2連接。
[0043]所述反向過電壓保護單元包括可控矽支路2和控制支路2，所述可控矽支路2和控制支路2均與所述高絕緣隔離變壓器輸入端並聯:所述可控矽支路2包括可控矽器件晶閘管Q6，所述晶閘管Q6的陽極和陰極分別高絕緣隔離變壓器輸入端Al和A2連接；所述晶閘管Q6的門極與所述控制支路2連接，所述控制支路2為穩壓管D13、二極體Dll和電阻R18串聯的支路，所述穩壓管D13和二極體Dll為反向串聯，同時穩壓管D13陰極與高絕緣隔離變壓器輸入端Al連接且電阻R18的一端與高絕緣隔離變壓器輸入端A2連接。
[0044]所述整流橋由二極體D3、D4、D5、D6組成全橋整流結構。所述儲能單元包括儲能單元I和儲能單元2,所述儲能單元I包括電容器Cl、二極體D8和電阻R15,儲能單元2包括電容器C2、二極體D9和電阻R16，所述整流橋的一端節點C先通過與二極體D7串聯後，再與儲能單元連接。所述儲能單元I為二極體D8和電阻R15並聯後與所述電容器Cl 一端連接同時連接觸發控制迴路，所述電容器Cl另一端分別與參考地和整流橋的另一端連接。所述儲能單元2為二極體D9和電阻R16並聯後與電容器C2 —端連接同時連接觸發控制迴路，所述電容器C2另一端接參考地。
[0045]所述監控電路包括電阻分壓器、IGBT控制驅動單元和報警單元。其中，所述電阻分壓器並聯在所述整流橋單元一端節點C和參考地GND之間，用於為儲能電容器電壓值監測提供相應的測量值。所述電阻分壓器為電阻4串聯而成，分別為電阻R14、R13、R9和R8。
[0046]所述控制驅動單元包括IGBT元件、三極體單元和比較器單元；其作用將儲能電容器的電壓範圍控制在380V-420V。所述三極體單元和比較器單元串聯在所述IGBT元件的門極與所述電阻分壓器之間。所述三極體單元和比較器單元之間串聯二極體D1、二極體D2和電阻R4。
[0047]所述IGBT元件為IGBT元件Q4、並聯在所述整流橋兩端；所述三極體單元包括三極體Ql、Q2和Q3、電阻R2、R3、R15和15V電源I ;所述比較器單元包括比較器U1B、電阻5-7、5V穩壓管和15V電源2。
[0048]比較器UlB的反向端與電阻分壓器的輸出端E點相連接，其同相端通過電阻R6與5V穩壓管的陰極相連；所述5V穩壓管的陰極通過所述電阻7與15V電源2連接，所述穩壓管2的陽極接參考地，電阻R5兩端分別與比較器UlB的同相端和輸出端G相連；二極體D1、D2和電阻R4串聯後分別與三極體Q2的基極H點和比較器UlB輸出端G點相連；三極體Q2的發射極與15V電源I相連，而三極體Q2的集電極與分別電阻R2和三極體Ql、Q3的基極J相連；所述三極體Q2的基極與其發射極之間連接電阻R3。所述三極體Ql的集電極和三極體Q3的發射極相連構成推挽機構；所述IGBT元件Q4的集電極和其發射極分別與節點B和GND並聯，同時IGBT元件Q4的門極通過電阻R12與推輓輸出端K點相連。
[0049]所述報警單元包括報警單元I和報警單元2，報警單元I用於監測儲能電容器不能充電的情況，即儲能電容充電電壓低。所述報警單元I包括比較器U2A、電阻Rll和15V電源3，所述報警單元2包括比較器U2B、電阻Rl和電阻RlO。
[0050]比較器U2A的同相端分別與電阻分壓器的輸出端D點和15V電源3相連，比較器U2A的反向端分別與5V穩壓管的陰極和參考地相連，比較器U2A同相端和輸出端通過電阻Rll連接。當電壓低於320V時，U2A將輸出低電平，即表示儲能電容充電電壓低報警。比較器U2B用於監測儲能電容器電壓過高的情況，U2B的保護限值定為500V，它將在間隙觸發控制系統運行期間實時保護儲能電容器。比較器U2B的同相端與電阻分壓器的輸出端F點相連，比較器U2B的反向端經電阻RlO後與5V穩壓管的陰極相連，比較器U2B反相端和輸出端通過電阻Rl連接。若充電電壓高於500V，U2B將輸出高電平，表示儲能電容器電壓高報警。
[0051]最後應該說明的是:以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非對其限制，儘管參照上述實施例對本發明進行了詳細說明，所屬領域的普通技術人員應當理解:依然可以對本發明的【具體實施方式】進行修改或者等同替換，而未脫離本發明精神和範圍的任何修改或者等同替換，其均應涵蓋在本權利要求範圍當中。
【權利要求】
1.一種串補火花間隙觸發能量獲取系統，其特徵在於:該系統包括通過屏蔽電纜相互連接的電流互感器和火花間隙觸發控制箱，所述火花間隙觸發控制箱包括依次連接的變壓器、充電電路和監控電路，所述充電電路包括過電壓保護單元、整流橋單元和儲能單元，所述監控電路包括電阻分壓器、控制驅動單元和報警單元。
2.如權利要求1所述的一種串補火花間隙觸發能量獲取系統，其特徵在於:所述過電壓保護單元、整流橋單元和儲能單元依次相連；所述過電壓保護單元包括正向過電壓保護單元和反向過電壓保護單元，所述正向過電壓保護單元和反向過電壓保護單元均包括可控矽支路和控制支路，所述可控矽支路和控制支路均與所述變壓器輸入端並聯。
3.如權利要求2所述的一種串補火花間隙觸發能量獲取系統，其特徵在於:所述可控矽支路包括可控矽器件，所述可控矽器件的門極與所述控制支路連接，所述控制支路為穩壓管1、二極體I和電阻I串聯的支路。
4.如權利要求1-3任意一項所述的一種串補火花間隙觸發能量獲取系統，其特徵在於:所述整流橋單元為全橋整流單元，包括四個二極體2，所述整流橋單元一端通過串聯二極體3與所述儲能單元並聯，所述儲能單元包括電容器、二極體4和電阻2，所述電容器一端通過二極體4和電阻2的並聯與所述整流橋單元一端連接，所述電容器的另一端接參考地。
5.如權利要求1所述的一種串補火花間隙觸發能量獲取系統，其特徵在於:所述電阻分壓器並聯在所述整流橋單元一端和參考地之間，所述電阻分壓器為電阻3串聯而成。
6.如權利要求1或5所述的一種串補火花間隙觸發能量獲取系統，其特徵在於:所述控制驅動單元包括IGBT元件、三極體單元和比較器單元；所述IGBT元件並聯在所述整流橋單元兩端，所述三極體單元和比較器單元串聯在所述IGBT元件的門極與所述電阻分壓器之間，所述三極體單元和比較器單元之間串聯二極體5和電阻4。
7.如權利要求6所述的一種串補火花間隙觸發能量獲取系統，其特徵在於:所述三極體單元包括三極體、電阻5和電源I ;所述三極體包括三極體1、三極體2和三極體3 ;所述電阻5包括電阻51、電阻52和電阻53 ;所述比較器單元包括比較器1、電阻6、穩壓管2和電源2 ;所述電阻6包括電阻61、電阻62和電阻63。
8.如權利要求7所述的一種串補火花間隙觸發能量獲取系統，其特徵在於:所述比較器I的反相端與所述電阻分壓器的輸出端連接，所述比較器I的同向端通過所述電阻61與所述穩壓管2的陰極相連，所述穩壓管2的陰極通過所述電阻63與電源2連接，所述穩壓管2的陽極接參考地，所述比較器I的輸出端與所述電阻62 —端連接，所述電阻62 —端與所述電阻4 一端連接，所述電阻62另一端與所述比較器I的同相端連接； 所述三極體2的發射極與電源I相連，所述三極體2的發射極通過電阻53與其基極連接，所述三極體2的基極通過所述二極體5和電阻4與所述比較器I的輸出端連接；所述三極體2的集電極分別與電阻52和所述三極體1、三極體3的基極相連；所述三極體I的集電極和所述三極體3的發射極相連構成推挽機構；所述IGBT元件的門極通過電阻51與所述推挽機構輸出端相連。
9.如權利要求8所述的一種串補火花間隙觸發能量獲取系統，其特徵在於:所述報警單元包括報警單元I和報警單元2，所述報警單元I包括比較器2、電阻7和電源3，所述報警單元2包括比較器3和電阻8 ;所述電阻8包括電阻81和電阻82。
10.如權利要求9所述的一種串補火花間隙觸發能量獲取系統，其特徵在於:所述報警單元I監測儲能電容器不能充電的情況，所述比較器2的同相端分別與電阻分壓器的輸出端和電源3相連，所述比較器2反向端分別與所述穩壓管2的陰極和參考地相連，所述比較器2同相端和輸出端通過所述電阻R7連接； 所述報警單元2監測儲能電容器電壓過高的情況，所述比較器3的同相端與電阻分壓器的輸出端相連，所述比較器3的反向端通過電阻81與所述穩壓管2的陰極相連，所述比較器3的反相端和其輸出端通過電阻82連接。
11.一種串補火花間隙觸發能量的獲取方法，其特徵在於:所述方法包括以下步驟: (1)獲得直流電流； (2)對電容器充電； (3)監控電容器充電。
12.如權利要求11所述的一種串補火花間隙觸發能量的獲取方法，其特徵在於:所述步驟(I)中的獲得直流電流包括以下步驟: (1-1)通過電流互感器將線路電流轉化為二次電流； (1-2)通過變壓器對所述二次電流進行隔離和變換處理； (1-3)將所述步驟(1-2)所得電流整流為直流。
【文檔編號】H02J7/34GK104242429SQ201310240749
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2013年6月18日 優先權日:2013年6月18日
【發明者】李國富, 餘輝, 李志遠, 李永亮, 陳沒 申請人:國家電網公司, 中國電力科學研究院