專利名稱：用于保護串聯(lián)電容器組的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一般來說，本發(fā)明涉及電力傳輸線，更具體來說，涉及提供用于保護串聯(lián)電容器組 的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
串聯(lián)電容器組用于通過補償線路的感抗來增強架空電力傳輸線的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)電 力傳輸容量。與電力傳輸線串行電連接(本文中又可互換地稱作“電通信”)的電容器組的使用 使電容器組對電力傳輸線上的故障敏感。采用各種技術(shù)來保護電容器組免于過電壓狀況。 這些技術(shù)包括使用金屬氧化物變阻器(M0V)，它在電流和/或能量吸收超過其額定容量時 對持續(xù)過載狀況敏感。傳統(tǒng)上，具有高額定電壓和高額定電流的非導(dǎo)電觸發(fā)式(或可觸發(fā)) 或者非觸發(fā)式間隙開關(guān)與M0V和電容器組并聯(lián)連接，以便同時耐受電力傳輸線中的故障電 流以及來自電容器組的放電電流，并且還迅速地為M0V和電容器組提供旁路，以便限制這 兩者經(jīng)受系統(tǒng)故障的時間。注意，“觸發(fā)”表示如下動作將非導(dǎo)電間隙轉(zhuǎn)換成傳導(dǎo)電流的 間隙，該電流有效地創(chuàng)建一種不需要克服活動開關(guān)觸點的慣性的快速閉合開關(guān)。非導(dǎo)電間 隙通過提供用于故障電流的并聯(lián)電路并且同時允許電容器組安全地放電，用作M0V和電容 器組的快速旁路裝置。這種非導(dǎo)電間隙的傳統(tǒng)設(shè)計將非觸發(fā)式非導(dǎo)電間隙的高電壓介電耐受要求與觸 發(fā)式導(dǎo)電間隙的高電流故障加上放電電流要求組合到能夠滿足兩組要求的單個組件中。這 種將要求組合到僅一個組件可能在成本、設(shè)計復(fù)雜度和不可靠性方面是昂貴的。因此，需要一種可靠的技術(shù)，它可有效且經(jīng)濟地處理高電壓和高電流過載。還需要 用于保護串聯(lián)電容器組的系統(tǒng)和方法。
發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個示范實施例，公開一種電容器保護電路。電容器保護電路可包 括電容器組、控制電路和主要換向間隙?？刂齐娐泛椭饕獡Q向間隙可設(shè)置成與電容器組并 聯(lián)電通信。另外，一個或多個等離子體注入器可設(shè)置成與主要換向間隙串聯(lián)電通信。等離 子體注入器可以可操作以在主要換向間隙提供部分或完全電離的等離子體，從而在主要換 向間隙構(gòu)成導(dǎo)電通路。根據(jù)本發(fā)明的另一個示范實施例，公開一種用于使電容器組放電的方法。該方法 可包括通過控制電路來傳遞電流的步驟，其中控制電路可設(shè)置成與電容器組并聯(lián)電通信。 該方法還可包括通過一個或多個等離子體注入器來傳遞電流的步驟，所述等離子體注入器 可設(shè)置成與控制電路串聯(lián)電通信。等離子體注入器可以可操作以介質(zhì)擊穿與控制電路和電 容器組并聯(lián)電通信的主要換向間隙。該方法還可包括增加與控制電路串聯(lián)的阻抗，以及響 應(yīng)與控制電路串聯(lián)的已增加阻抗而同時增加通過主要換向間隙的電流并且減少通過控制 電路的電流。
根據(jù)本發(fā)明的又一個示范實施例，描述一種電力傳輸線。所述電力傳輸線可包括 電源以及通過電力傳輸線與電源電通信的負(fù)載。電容器組可設(shè)置成與電源和負(fù)載串聯(lián)電通 信?？刂齐娐泛椭饕獡Q向間隙可設(shè)置成與電容器組并聯(lián)電通信。另外，一個或多個等離子 體注入器可設(shè)置成與控制電路串聯(lián)電通信。等離子體注入器可以可操作以在主要換向間隙 提供部分或完全電離的等離子體，從而介質(zhì)擊穿主要換向間隙。通過以下詳細描述、附圖和所附權(quán)利要求書，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會清楚地知道 本發(fā)明的其它實施例、方面和特征。
已經(jīng)概括地這樣描述了本發(fā)明的實施例，現(xiàn)在將參照附圖，附圖不一定按比例繪 制，其中圖1是其中可利用本發(fā)明的一個實施例的示例電力傳輸系統(tǒng)的框圖。圖2是示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施例、用于保護電容器組的示例電路的框圖。圖3是示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施例、用于使電容器組放電的示例方法的流程 圖。
具體實施例方式下面參照附圖更全面地描述本發(fā)明的圖示實施例，附圖中示出本發(fā)明的部分而不 是全部實施例。實際上，本發(fā)明可通過許多不同形式來實施，而不應(yīng)當(dāng)認(rèn)為是局限于本文所 述的實施例；相反，提供這些實施例以使得本公開滿足適用的法律要求。相似的標(biāo)號通篇表 示相似的元件。所公開的是用于保護電容器組并且提供電容器組保護電路的系統(tǒng)和方法。電容器 組保護電路可包括具有高電壓能力的控制電路以及具有高電壓和高電流承載能力的主要 換向間隙。主要換向間隙可設(shè)置成與控制電路并聯(lián)連接。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，一個 或多個等離子體注入器可設(shè)置成與控制電路串聯(lián)連接。等離子體注入器可允許電流的流動 從控制電路轉(zhuǎn)移到主要換向間隙，主要換向間隙相對于控制電路可具有低阻抗。圖1是其中可利用本發(fā)明的一個示例實施例的電力傳輸系統(tǒng)100的框圖。圖1示 出通過電力傳輸線106連接到負(fù)載104的電源102。電源102使用電力傳輸線106向負(fù)載 104供應(yīng)電力。此外，電容器組108設(shè)置成與電力傳輸線106串聯(lián)電通信。電容器組108補 償電力傳輸線106的電感，并因而改進電力傳輸系統(tǒng)100的電力傳送能力。在示例實施例中，根據(jù)一些實施例，電力傳輸線106可以是典型跨距在50英里與 300英里之間的架空交流(AC)電力傳輸線；可是，根據(jù)其它實施例，架空AC電力傳輸線可 跨過大于300英里。根據(jù)一些實施例，電力傳輸線106可用于高壓母線之間以及用于以范 圍在4. 2kV至800kV的電壓進行傳輸；可是，根據(jù)其它實施例，電力傳輸線106可用于以大 于800kV的電壓進行傳輸。在示例實施例中，電力傳輸線可被供給范圍在50麗至5000MW 之間的AC電。電力傳輸線106的使用和適用性并不局限于上述規(guī)范；例如，它還可用于發(fā) 電設(shè)施與變電所之間或者兩個變電所之間。電力傳輸系統(tǒng)100還包括電容器組保護電路110，以便在因電力傳輸線106上的故 障而可能發(fā)生的過電壓狀況期間保護電容器組108。電容器組保護電路110設(shè)置成與電容器組108并聯(lián)電通信。通常，電容器組保護電路110可以是非導(dǎo)電間隙裝置或者具有金屬 氧化物變阻器(M0V)的非導(dǎo)電間隙裝置，或者具有M0V的基于電力電子器件的非導(dǎo)電間隙 裝置，或者這些裝置的組合。非導(dǎo)電間隙裝置在下文中稱作控制電路?？刂齐娐房砂ㄐ?氣隙、真空間隙、使用例如SF6(六氟化硫)的氣體的間隙、基于電力電子器件的裝置或者任 何其它類型的高介電和高電壓觸發(fā)旁路裝置。上述電容器保護電路110的具體設(shè)計可基于 電容器組108的大小和電力傳輸線106的能力而變化。在一個示例實施例中，電力傳輸系統(tǒng)100可包括與電容器組108并聯(lián)電通信的主 過電壓保護電路。主過電壓保護電路可包括M0V，它在電容器組108上的電壓達到閾值電壓 時可變成導(dǎo)電的。閾值電壓可基于電容器組108的額定容量來預(yù)先確定，所述額定容量可 基于使用、設(shè)計、電路限制等等而變化。因此，M0V吸收因電力傳輸線106中的故障而產(chǎn)生 的電流所釋放的能量，因而保護電容器組108免于過電壓狀況。但是，如果因電力傳輸線106中的故障而釋放的能量接近或超過M0V的額定容量， 則可能對M0V造成損壞。為了保護M0V，控制電路設(shè)置成與電容器組108和主過電壓保護 電路并聯(lián)電通信。主過電壓保護電路還可在M0V處過載的情況下觸發(fā)控制電路?？刂齐娐房稍O(shè)計成在電力傳輸線106中的故障與電容器組108的放電期間處理非 導(dǎo)電非觸發(fā)式間隙狀況的高電壓需求，加上導(dǎo)電觸發(fā)式間隙狀況的高電流需求。因此，在這 種情況下，控制電路設(shè)計可能非常復(fù)雜和昂貴。另外，控制電路中的持續(xù)電流可引起控制電 路的過熱，這可增加控制電路的介電恢復(fù)時間。鑒于上述限制，本發(fā)明的實施例提供一種電 容器組保護電路，它可采用分開的組件分別處理高電流和高電壓要求，加上限制通過控制 電路的電流傳導(dǎo)的強度和/或持續(xù)時間，因而保護電容器組108，以及改進/減小控制電路 的介電恢復(fù)時間，參照圖2進行詳細描述。圖2是示出根據(jù)本發(fā)明的圖示實施例的示例電容器組保護電路202的框圖200。 圖2示出電力傳輸線206上與負(fù)載(如圖1所示)和AC電源(如圖1所示)串聯(lián)連接的 電容器組204。在一個示例實施例中，提供電容器保護電路202以在電力傳輸線206中的故 障期間和之后保護電容器組204。電容器組保護電路202包括主過電壓保護電路208和控 制電路210。主過電壓保護電路208和控制電路210設(shè)置成與電容器組204并聯(lián)連接。此 外，主要換向間隙212設(shè)置成與控制電路210和電容器組204并聯(lián)連接，所述電容器組204 具有比控制電路更大的介電能力，因而比控制電路更難觸發(fā)或使之導(dǎo)電。此外，電容器組保 護電路202還包括與控制電路210串聯(lián)連接的一個或多個等離子體注入器214a和214b。 在控制電路被觸發(fā)時，這些注入器利用充電的電容器組中包含的能量的一部分和傳輸系統(tǒng) 故障來產(chǎn)生電離的等離子體。這個大能量庫使得有可能令等離子體注入器觸發(fā)主要換向間 隙212，而常規(guī)間隙觸發(fā)方法無法觸發(fā)這個間隙。在示例實施例中，對于可與控制電路210 串聯(lián)使用的等離子體注入器的數(shù)量沒有限制。在一個示例實施例中，主過電壓保護電路208是金屬氧化物變阻器(M0V)。在電 容器組202上的電壓達到閾值電壓時，主過電壓保護電路208的M0V開始積聚來自電力傳 輸線206的能量。在本發(fā)明的一個示例實施例中，閾值電壓基于電容器組204的額定容量。 電容器組204在經(jīng)受高于閾值電壓的電壓時可能被損壞。M0V可積聚高達其額定容量的能量。在M0V所吸收的能量高到足以引起M0V損壞或 故障的情況下，監(jiān)測M0V電流的電流變換器(圖中未示出)、微控制器(圖中未示出)、基于
5地的邏輯裝置(圖中未示出)或者監(jiān)測來自電力傳輸線206的線電流的電流變換器(圖中 未示出)可向控制電路觸發(fā)電路216發(fā)送信號?？刂齐娐酚|發(fā)電路216觸發(fā)控制電路210， 因而橋接控制電路210。在一個示例實施例中，例如，控制電路觸發(fā)電路216是電和/或光 信號發(fā)生器，并且控制電路210是諸如閘流管、二極管或IGBT之類的電力電子裝置。在另 一個示例實施例中，控制電路觸發(fā)電路216可包括充電的電容器和/或脈沖變換器，它將向 控制電路210提供極高幅值的電壓脈沖，從而使控制電路210介質(zhì)擊穿。在又一個示例實 施例中，控制電路觸發(fā)電路216可包括充電的電容器。在這個實施例中，充電的電容器所存 儲的能量在塑料(或其它材料)組件附近放電以建立等離子體，然后迫使等離子體進入控 制電路210中以介質(zhì)擊穿控制電路210。隨后，電流開始流經(jīng)控制電路210。因此，控制電 路210為主過電壓保護電路208提供旁路，并且保護M0V和電容器組204。一旦控制電路 210擊穿，電容器組204就開始通過控制電路210放電。此外，參照圖2，因電容器組204的放電而引起的流經(jīng)控制電路210的電流以及電 力傳輸線206中的故障電流可經(jīng)過等離子體注入器214a和214b。等離子體注入器214a 和214b可包含當(dāng)此電流流經(jīng)它們時產(chǎn)生部分或完全電離的等離子體的材料。等離子體注 入器214a和214b所產(chǎn)生的等離子體在主要換向間隙212被加速。在本發(fā)明的一個示例實 施例中，主要換向間隙212是氣隙或真空間隙或者具有例如SF6的另一種介電氣體的間隙。 從等離子體注入器214a和214b所產(chǎn)生的等離子體可介質(zhì)擊穿主要換向間隙212或者完全 橋接主要換向間隙212，因而使它導(dǎo)電。因此，電容器組保護電路202中(因電容器組204 放電和電力傳輸線206中的故障電流而引起)的電流基于通向控制電路210和主要換向間 隙212的通路的相對阻抗大小在控制電路210與主要換向間隙212之間分擔(dān)。此外，響應(yīng)來自電容器組204的電流的增加，等離子體注入器214a和214b還在其 本身上產(chǎn)生電壓，從而增加控制電路的電路的總阻抗。因此，流經(jīng)控制電路210的電流減 小，而同時增加通過主要換向間隙212的電流。來自控制電路210的電流的流動的減小降低 對控制電路210及關(guān)聯(lián)組件、如閘流管可能的損壞。在示例實施例中，電流的備選通路(即， 主要換向間隙212)允許在控制電路210線路中使用較低電流任務(wù)組件，因而降低組件的關(guān) 聯(lián)成本和復(fù)雜設(shè)計要求。此外，減小的電流量和/或流經(jīng)控制電路210的電流的減小的持 續(xù)時間幫助提供控制電路210的快速恢復(fù)，并且提高電容器組保護電路202的可靠性。在一個示例實施例中，電路中的阻抗還設(shè)計成通過主要換向間隙212來重定向電 流的大部分或全部。控制電路210的電路中的阻抗可至少部分由控制抑制組件218來控 制?？刂埔种平M件218可包括諸如金屬氧化物變阻器、電感器、電容器、等離子體注入器、電 阻器和/或氣隙之類的各種電組件，以便建立與控制電路210串聯(lián)的線性和非線性阻抗。由 于主要換向間隙212可采取具有范圍為從500伏特至5000伏特峰值的非正弦和非線性電 壓的電弧的形式，所以有利的是在控制電路210的電路中產(chǎn)生線性和非線性阻抗的組合。 非線性阻抗可引起電流從控制電路210的電路到主要換向間隙212的可靠換向?？刂齐?路210的電路中的線性和非線性阻抗還可相對于主要換向間隙212的電壓來增加控制電路 210的電路中的電壓，因而迫使電流的大部分或全部流經(jīng)主要換向間隙212。在一個示例實施例中，電容器保護電路202還可包括放電阻尼和限流設(shè)備220，以 便使由于電力傳輸線206中故障的情況下可能發(fā)生的放電效應(yīng)(例如，因故障電流以及電 容器組的放電)而產(chǎn)生的大量能量的一部分衰減。放電阻尼和限流設(shè)備220的阻尼容量基于其額定容量。圖3是示出用于使電容器組放電的方法300的一個示例的流程圖。所提供的是示 出使連接成與電力傳輸線并聯(lián)電通信的電容器組放電的一個示例的流程圖。示例方法在框302開始。在框302，電流通過與電容器組并聯(lián)連接的控制電路來 傳遞?？刂齐娐房砂ㄐ庀?、真空間隙、使用氣體(例如SF6)的間隙、如閘流管之類的基 于電力電子器件的裝置、或者任何其它類型的高介電和高電壓觸發(fā)旁路裝置。在示例方法 300的一個實施例中，電流由來自電容器組的放電電流和電力傳輸線中的故障電流組成。響 應(yīng)使控制電路從非導(dǎo)電改為導(dǎo)電的控制觸發(fā)電路而通過控制電路來傳遞電流。在示例方法 300的一個實施例中，通過監(jiān)測M0V電流的電流變換器或者監(jiān)測線電流的電流變換器所激 勵的控制電路等離子體注入器可觸發(fā)控制電路。此外，主過電壓保護電路還可設(shè)置成與電 容器組并聯(lián)連接，以便在電力傳輸線中的故障期間和之后保護電容器組?？?02之后是框304，其中控制電路電流通過一個或多個等離子體注入器來傳遞。 等離子體注入器設(shè)置成與控制電路串聯(lián)連接。在示例方法300的一個實施例中，等離子體 注入器響應(yīng)電流而產(chǎn)生電離的等離子體。等離子體注入器所產(chǎn)生的等離子體在主要換向間 隙被加速，主要換向間隙可包括氣隙或真空間隙或者跨過例如SF6等介電氣體的間隙。主 要換向間隙與控制電路并聯(lián)連接。電離的等離子體可介質(zhì)擊穿主要換向間隙或者完全橋接 主要換向間隙，因而使它導(dǎo)電。框304之后是框306，其中與控制電路串聯(lián)的阻抗增加。在示例方法300的一個實 施例中，控制電路的電路中的阻抗可通過與控制電路串聯(lián)連接的控制抑制組件來控制。一 個或多個控制抑制組件可包括諸如金屬氧化物變阻器、氣隙、電感器、電容器和電阻器之類 的各種電組件，以便建立控制電路的電路中的線性和非線性電阻。另外，利用雙功能的等 離子體注入器，流經(jīng)等離子體注入器的電流可建立與氣隙相似的非線性阻抗?？?06之后是框308，其中增加通過主要換向間隙的電流的流動，同時減小通過控 制電路的電流的流動。主要換向間隙中的電流的流動的增加是由于與控制電路串聯(lián)的阻抗 的增加。在示例方法300的一個實施例中，控制抑制組件可增加控制電路的電路的電壓，它 隨后可迫使通過主要換向間隙的電流增加，同時通過控制電路的電流減小。獲益于以上描述和關(guān)聯(lián)附圖中所提供的教導(dǎo)，將會想到這些描述涉及的本文提出 的示范描述的許多修改和其它實施例。因此，應(yīng)意識到，本發(fā)明可通過許多形式來實施，而 不應(yīng)當(dāng)局限于以上所述的示范實施例。因此，要理解，本發(fā)明并不局限于所公開的特定實施 例，并且修改和其它實施例預(yù)計包含在所附權(quán)利要求的范圍之內(nèi)。雖然本文中采用特定術(shù) 語，但是它們僅以一般的描述意義來使用，而不是用于限制。配件表100 電力傳輸系統(tǒng)102 電源104 負(fù)載106 電力傳輸線108 電容器組110 電容器組保護電路200 框圖
202電容器組保護電路204電容器組206電力傳輸線208主過電壓保護電路210控制電路212主要換向間隙214a等離子體注入器214b等離子體注入器216控制電路觸發(fā)電路218控制抑制組件220放電阻尼和限流設(shè)備300用于使電容器組放電的方法302框 1304框 2306框 3308框 4。
8
權(quán)利要求
一種電容器組保護電路(202)，包括至少一個電容器組(204)；與所述至少一個電容器組(204)并聯(lián)電通信的至少一個控制電路(210)；與所述至少一個控制電路(210)和所述至少一個電容器組(204)并聯(lián)電通信的至少一個主要換向間隙(212)；以及與所述至少一個控制電路(210)串聯(lián)電通信的至少一個等離子體注入器(214)，所述至少一個等離子體注入器(214)可操作以當(dāng)至少部分電離時在所述至少一個主要換向間隙(212)的至少一部分提供等離子體，從而使至少一個主要換向間隙(212)導(dǎo)電。
2.如權(quán)利要求1所述的電容器組保護電路(202)，其中，所述至少一個控制電路(210) 包括電力電子裝置或控制電路等離子體注入器(214)其中的至少一個。
3.如權(quán)利要求1所述的電容器組保護電路(202)，還包括控制觸發(fā)電路(216)，所述控 制觸發(fā)電路(216)與所述至少一個控制電路(210)電通信，并且可操作以介質(zhì)擊穿所述至 少一個控制電路(210)。
4.如權(quán)利要求3所述的電容器組保護電路(202)，其中，所述控制觸發(fā)電路(216)由通 過與所述至少一個電容器組(204)并聯(lián)電通信的主過電壓保護電路(208)中的至少一個的 電流、基于地的信號、傳輸線電流或者電容器組電壓信號來觸發(fā)。
5.如權(quán)利要求1所述的電容器組保護電路(202)，其中，所述至少一個控制電路(210) 還包括控制抑制電路(218)，所述控制抑制電路(218)可操作以至少部分響應(yīng)流經(jīng)其中的 電流而產(chǎn)生與所述至少一個控制電路(210)串聯(lián)的線性阻抗和非線性阻抗。
6.如權(quán)利要求5所述的電容器組保護電路(202)，其中，所述控制抑制電路(218)包括 金屬氧化物變阻器、線性或非線性電阻器、電感器、電容器、變換器、氣隙或等離子體注入器 其中的至少一個。
7.如權(quán)利要求1所述的電容器組保護電路(202)，還包括與所述至少一個電容器組 (204)并聯(lián)電通信的主過電壓保護電路(208)。
8.如權(quán)利要求7所述的電容器組保護電路(202)，其中，所述主過電壓保護電路(208) 可操作以激勵所述控制電路(210)介質(zhì)擊穿所述至少一個控制電路(210)。
9.如權(quán)利要求7所述的電容器組保護電路(202)，其中，所述主過電壓保護電路(208) 包括至少一個金屬氧化物變阻器。
10.一種用于使電容器組(204)放電的方法(300)，包括通過與所述電容器組(204)并聯(lián)電通信的控制電路(210)傳遞(302)電流；通過與所述控制電路(210)串聯(lián)電通信的至少一個等離子體注入器(214)傳遞(304) 電流，其中所述至少一個等離子體注入器(214)可操作以介質(zhì)擊穿與所述控制電路(210) 并聯(lián)電通信的主要換向間隙(212)；增加(306)與所述控制電路(210)串聯(lián)的阻抗；以及至少部分響應(yīng)增加與所述控制電路(210)串聯(lián)的阻抗，增加(308)通過所述主要換向 間隙(212)的電流，而減小通過所述控制電路(210)的電流。
全文摘要
提供用于保護串聯(lián)電容器組(204)的系統(tǒng)和方法。根據(jù)本發(fā)明的一個示范實施例，公開一種電容器保護電路(202)。所述電容器保護電路(202)可包括電容器組(204)、控制電路(210)和主要換向間隙(212)?？刂齐娐?210)和主要換向間隙(212)可設(shè)置成與電容器組(204)并聯(lián)電通信。另外，一個或多個等離子體注入器(214)可設(shè)置成與控制電路(210)串聯(lián)電通信。等離子體注入器(214)可以可操作以在主要換向間隙(212)提供部分或完全電離的等離子體，從而使主要換向間隙(212)導(dǎo)電。
文檔編號H02H9/04GK101895106SQ20101014343
公開日2010年11月24日 申請日期2010年3月3日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月3日
發(fā)明者B·E·恩格利什, C·W·哈特, D·S·比雷爾, D·馬丁斯, K·A·鮑威爾斯, P·J·達特卡, R·F·小維拉, R·R·楊 申請人:通用電氣公司