一种高压直流断路器的供能系统

摘要

本发明提供了一种高压直流断路器的供能系统，供能系统包括依次连接的交流电源、级联的送能变压器和级联的层间隔离变压器，还包括低压调载变压器；层间隔离变压器的一次侧或二次侧与低压调载变压器的一次侧连接，低压调载变压器的二次侧用于通过送能电缆与高压直流断路器的取能设备连接；送能变压器一次侧连接有第一无功补偿装置，层间隔离变压器二次侧与低压调载变压器之间连接有第二无功补偿装置。通过设置无功补偿装置，可灵活的调节系统中的无功消耗，解决了供能变压器本身励磁产生的损耗和无功消耗的分量，提高了供能变压器的功率因数，降低了设备的制造成本以及体积。

权利要求

1.一种高压直流断路器的供能系统，所述供能系统包括依次连接的交流电源、级联的送能变压器和级联的层间隔离变压器，还包括低压调载变压器；所述层间隔离变压器的一次侧或二次侧与所述低压调载变压器的一次侧连接，所述低压调载变压器的二次侧用于通过送能电缆与高压直流断路器的用电设备连接；其特征在于，所述送能变压器一次侧连接有第一无功补偿装置，所述层间隔离变压器二次侧与低压调载变压器之间连接有第二无功补偿装置。

2.根据权利要求1所述的高压直流断路器的供能系统，其特征在于，所述供能系统还包括UPS电源、级联的送能变压器和级联的层间隔离变压器，还包括低压调载变压器；所述层间隔离变压器的一次侧或二次侧与所述低压调载变压器的一次侧连接，所述低压调载变压器的二次侧用于通过送能电缆与高压直流断路器的取能设备连接，其中，所述交流电源与所述UPS电源并联设置。

3.根据权利要求1所述的高压直流断路器的供能系统，其特征在于，所述第一无功补偿装置的容量是固定的，所述第二无功补偿装置的容量根据阀层负载的容量来调节。

4.根据权利要求2所述的高压直流断路器的供能系统，其特征在于，所述交流电源与对应的送能变压器之间串设有第一开关，所述UPS电源与对应的送能变压器之间串设有第二开关。

5.根据权利要求4所述的高压直流断路器的供能系统，其特征在于，当交流电源和UPS电源正常运行工况下，通过控制所述第一开关和第二开关中的至少一个开关闭合，由对应的供电电源为高压直流断路器供电。

6.根据权利要求5所述的高压直流断路器的供能系统，其特征在于，所述交流电源的输出端和UPS电源的输出端之间还连接有第三开关。

7.根据权利要求6所述的高压直流断路器的供能系统，其特征在于，在交流电源故障状况下，控制第二开关闭合，或控制第一开关和第三开关都闭合为高压直流断路器供电。

8.根据权利要求2所述的高压直流断路器的供能系统，其特征在于，所述交流电源和UPS电源的供电电压为380V。

说明书

一种高压直流断路器的供能系统

技术领域

[0001] 本发明属于电力系统的高压直流断路器技术领域，特别涉及一种高压直流断路器的供能系统。

背景技术

[0002] 混合式高压直流断路器一般由快速机械开关和主支路电子开关组成的通流支路，并联电子式的转移支路，以及能量吸收回路组成。利用IGBT的双向快速开关特性，迅速的完成故障电流的转移和消耗。本发明涉及的高压直流断路器是指包含大功率电子开关的混合式高压直流断路器。

[0003] 高压直流断路器是保障直流输电系统安全运行的主要设备，由于高压直流断路器闭合时端电压非常低，所以高压直流断路器无法实现自取能的方法提供供电电源。目前国际通用的外部供能技术有两种，一种是光电耦合技术，通过激光将能量传输到高电位，然后转换为直流断路器中IGBT的触发电源。一种是通过高压隔离电源给高电位的IGBT提供触发电源。目前考虑到实际工程应用的制造成本，在高压直流断路器中广泛采取后者供能方式。在高压直流断路器供电上，功率因数是衡量变压器效率高低的一个重要系数。功率因数低，用于交变磁场转换的无功功率大，从而降低了设备的利用率，增加了损耗和设备的容量。在之前的供能变压器产品设计和工程应用中，由于直流断路器产品电压等级低，供能变压器容量小，现有产品技术和容量均可以直接使用，不需要增加无功补偿装置；但是随着直流断路器的电压等级提高，对取能电源的容量逐渐提升，供能变压器的制造成本、体积和占地面积等与容量相比成非线性增加。功率因数低使供能设备的容量低、体积大、制造成本高，造成高压直流断路器供电的一大难题。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供一种高压直流断路器的供能系统，用于解决现有技术中高压直流断路器的供能系统的功率因数比较低造成设备体积大、制造成本高的问题。

[0005] 为实现上述目的，本发明的技术方案是：

[0006] 一种高压直流断路器的供能系统，所述供能系统包括依次连接的交流电源、级联的送能变压器和级联的层间隔离变压器，还包括低压调载变压器；所述层间隔离变压器的一次侧或二次侧与所述低压调载变压器的一次侧连接，所述低压调载变压器的二次侧用于通过送能电缆与高压直流断路器的用电设备连接；所述送能变压器一次侧连接有第一无功补偿装置，所述层间隔离变压器二次侧与低压调载变压器之间连接有第二无功补偿装置。

[0007] 进一步地，所述供能系统还包括UPS电源、级联的送能变压器和级联的层间隔离变压器，还包括低压调载变压器；所述层间隔离变压器的一次侧或二次侧与所述低压调载变压器的一次侧连接，所述低压调载变压器的二次侧用于通过送能电缆与高压直流断路器的取能设备连接，其中，所述交流电源与所述UPS电源并联设置。

[0008] 进一步地，所述第一无功补偿装置的容量是固定的，所述第二无功补偿装置的容量根据阀层负载的容量来调节。

[0009] 进一步地，所述交流电源与对应的送能变压器之间串设有第一开关，所述UPS电源与对应的送能变压器之间串设有第二开关。

[0010] 进一步地，当交流电源和UPS电源正常运行工况下，通过控制所述第一开关和第二开关中的至少一个开关闭合，由对应的供电电源为高压直流断路器供电。

[0011] 进一步地，所述交流电源的输出端和UPS电源的输出端之间还连接有第三开关。

[0012] 进一步地，在交流电源故障状况下，控制第二开关闭合，或控制第一开关和第三开关都闭合为高压直流断路器供电。

[0013] 进一步地，所述交流电源和UPS电源的供电电压为380V。

[0014] 本发明的有益效果是：

[0015] 本发明提供了一种高压直流断路器的供能系统，供能系统包括依次连接的交流电源、级联的送能变压器和级联的层间隔离变压器，还包括低压调载变压器；所述层间隔离变压器的一次侧或二次侧与所述低压调载变压器的一次侧连接，所述低压调载变压器的二次侧用于通过送能电缆与高压直流断路器的用电设备连接；所述送能变压器一次侧连接有第一无功补偿装置，所述层间隔离变压器二次侧连接有第二无功补偿装置。通过增加无功补偿装置可灵活的调节系统中的无功消耗，解决了供能变压器本身励磁产生的损耗和无功消耗的分量，提高了供能变压器的功率因数，降低了设备的制造成本。

[0016] 进一步地，还包括UPS电源，UPS电源连接有供电装置，该供电装置与交流电源连接的供电装置互为冗余，采用互为冗余的电源结构为高压直流断路器的用电设备供电，当其中一个电源出现故障时，可以由冗余的其他电源继续为高压直流断路器的用电设备供电，提高了供电可靠性，使高压直流断路器能够正常取电，保证了高压直流断路器能够正常工作。

附图说明

[0017] 图1为高压直流断路器与供能系统的结构示意图；

[0018] 图2为高压直流断路器与另一种供能系统的结构示意图；

[0019] 图3为高压直流断路器与供电电源连接的框图。

具体实施方式

[0020] 下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明：

[0021] 一种高压直流断路器的供能系统，如图1所示，供能系统包括依次连接的交流电源、级联的送能变压器和级联的层间隔离变压器，还包括低压调载变压器；本实施例的送能变压器为两个，层间隔离变压器为三个。为了保证高压直流断路器取电的可靠性，本实施例的高压直流断路器的取能电源系统还包括一个UPS备用电源如图2所示，图1所示的供电系统与图2所示的供电系统互为冗余，图1和图2中，层间隔离变压器的一次侧或二次侧与低压调载变压器的一次侧连接，低压调载变压器的二次侧用于通过送能电缆与高压直流断路器的取能设备连接；送能变压器一次侧连接有第一无功补偿装置，各层间隔离变压器二次侧与低压调载变压器之间连接有第二无功补偿装置。其中，第一无功补偿装置的容量是固定的，第二无功补偿装置的容量根据阀层负载的容量来调节。

[0022] 常规使用的高压直流断路器的送能系统容量不大，额定输送电流几十到几百安培，额定输送功率几十到上百千瓦；但是由于高压直流断路器的供能系统以及供能设备为非纯电阻电路，回路中的容性负载和感性负载之间存在着能量的交换和损耗，会带来如送能变压器的视在无功大，功率因数低，设备发热、设备的利用率低，以及为解决这些问题带来的制造成本和费用增加的问题。本发明通过在两个特定位置外加无功补偿的方式，灵活的调节因此带来的无功消耗，分别解决由于送能变压器本身励磁产生的损耗和无功消耗的分量，以及由于外接负载不同对供能系统的灵活的无功补偿部分。

[0023] 因此，在送能变压器的一次侧和层间隔离变压器的二次侧分别安装的无功补偿装置WPX1和WPX2；其中X代表主备两个互为冗余的系统；其中，WPX1是固定容量的无功补偿设备，其容量由送能变压器的制造容量和短路阻抗等参数决定；另外针对不同的阀层负载设计的可调无功补偿装置WPX2，可设计多组抽头，满足多种负载匹配的无功补偿需求，如图2所示。当X＝1时，包括固定无功补偿装置WP11和可调无功补偿装置WP12，固定无功补偿装置WP11连接在其中一套供电装置的送能变压器的一次侧，可调无功补偿装置WP12连接在该套供电装置的层间隔离变压器压器的二次侧；当X＝2时，包括固定无功补偿装置WP21和可调无功补偿装置WP22，固定无功补偿装置WP21连接在另一套供电装置的送能变压器的一次侧，可调无功补偿装置WP22连接在该套供电装置的层间隔离变压器的二次侧。

[0024] 具体的，本实施例的高压直流断路器的取能电源系统，包括从同一个交流系统(提供同步信号)引出的一个不间断电源(UPS)和一个交流电源(AC1)，其中，交流电源(AC1)是主动系统，UPS电源是被动系统。UPS电源在初次使用时完成充电过程后，带电源进行日常的运行；在主动系统断电后，自动切换到UPS电源提供全部的功率支持，同时UPS自带的监测系统向供能系统的总控报交流电源断电故障。其中，交流电源和UPS电源的供电电压为380V；如图3所示，交流电源与对应的送能变压器之间串设有第一开关，UPS电源与对应的送能变压器之间串设有第二开关；交流电源的输出端和UPS电源的输出端之间还连接有第三开关。

[0025] 交流电源AC1和UPS电源输出的电能经过第一变压器，即经过图1和图2中的送能变压器，将低压交流电转换成高压交流电，为高压直流断路器供电。

[0026] 交流电源AC1与固定无功补偿装置WP11之间连接有第一开关K1，UPS电源与固定无功补偿装置WP21之间连接有第二开关K2，交流电源AC1的输出端和UPS电源的输出端通过第三开关K3连接。本发明涉及的互为备用的冗余电源与送能变压器之间的运行方式和控制策略，如附图3所示：第一种情况是正常运行工况，当交流电源和UPS电源正常运行工况下，通过控制所述第一开关和第二开关中的至少一个开关闭合，由对应的供电电源为高压直流断路器供电。即包含三种正常的运行模式，根据负载所需电源容量可以灵活的选择；首先是正常运行工况1：K1闭合，K2、K3断开；AC1交流低压电源为高压直流断路器正常运行提供高压直流断路器需要的100％的送能容量，UPS电源处于热备用状态；其次是正常运行工况2：K1、K2闭合，K3断开；AC1交流电源和UPS电源同时处于正常运行状态，AC1交流电源为高压直流断路器提供设备的运行状态监视功能，UPS电源处于从动的被监视状态，二者各自为负载提供50％的送能容量；还可以闭合开关K2、K3，断开K1，由AC1交流低压电源为高压直流断路器正常运行提供高压直流断路器需要的100％的送能容量。

[0027] 第二种情况是主动系统故障时，在交流电源故障状况下，控制第二开关闭合或控制第三开关和第一开关闭合为高压直流断路器供电。即闭合开关K1、K3，断开开关K2，将从AC1切换到UPS电源为高压直流断路器提供100％送能容量，或者闭合开关K2，断开开关K1、K3将从AC1切换到UPS电源为高压直流断路器提供100％送能容量，而且在正常运行的两种工况出现故障时，均可以实现从主动系统AC1切换到UPS电源。

[0028] 本发明的一种高压直流断路器的供能系统具有以下的技术优点和使用价值：

[0029] 1)高压直流断路器的冗余送能系统的低压电源采用一种全新的交流电源与UPS电源互为冗余备用，UPS电源可以对交流电压起到稳压作用，解决由于电源电压、频率的扰动带来的以冗余绕组之间的寄生耦合干扰带来的局部发热、电磁损耗。

[0030] 2)通过在送能系统的供能变压器的一次侧和二次侧接入两组无功补偿装置，通过固定容量与灵活调节方式实现对供能系统运行和接入负载带来的无功补偿，提升供能设备的功率因数，降低设备的容量，节省制造成本。

[0031] 3)通过对高压直流断路器的冗余送能系统采用主备系统控制策略，充分发挥冗余设备的备用作用，并根据主备系统的切换信息判断供能电源系统的故障，提升高压直流断路器的送能系统运行可靠性。

[0032] 4)该发明提供的高压直流断路器的冗余送能系统互为备用电源的设计和控制策略，以及灵活可调的无功补偿设备设计方法，使冗余送能系统在高压直流断路器等大功率高压电子设备供能领域具有应用范围广泛、应用价值高的优点。

[0033] 以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于以上所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。