专利名称：用于保护串联电容器组的系统和方法
技术领域：
一般来说，本发明涉及电力传输线，更具体来说，涉及提供用于保护串联电容器组 的系统和方法。
背景技术：
串联电容器组用于通过补偿线路的感抗来增强架空电力传输线的稳态和动态电 力传输容量。与电力传输线串行电连接(本文中又可互换地称作“电通信”)的电容器组的使用 使电容器组对电力传输线上的故障敏感。采用各种技术来保护电容器组免于过电压状况。 这些技术包括使用金属氧化物变阻器(M0V)，它在电流和/或能量吸收超过其额定容量时 对持续过载状况敏感。传统上，具有高额定电压和高额定电流的非导电触发式(或可触发) 或者非触发式间隙开关与M0V和电容器组并联连接，以便同时耐受电力传输线中的故障电 流以及来自电容器组的放电电流，并且还迅速地为M0V和电容器组提供旁路，以便限制这 两者经受系统故障的时间。注意，“触发”表示如下动作将非导电间隙转换成传导电流的 间隙，该电流有效地创建一种不需要克服活动开关触点的惯性的快速闭合开关。非导电间 隙通过提供用于故障电流的并联电路并且同时允许电容器组安全地放电，用作M0V和电容 器组的快速旁路装置。这种非导电间隙的传统设计将非触发式非导电间隙的高电压介电耐受要求与触 发式导电间隙的高电流故障加上放电电流要求组合到能够满足两组要求的单个组件中。这 种将要求组合到仅一个组件可能在成本、设计复杂度和不可靠性方面是昂贵的。因此，需要一种可靠的技术，它可有效且经济地处理高电压和高电流过载。还需要 用于保护串联电容器组的系统和方法。
发明内容
根据本发明的一个示范实施例，公开一种电容器保护电路。电容器保护电路可包 括电容器组、控制电路和主要换向间隙。控制电路和主要换向间隙可设置成与电容器组并 联电通信。另外，一个或多个等离子体注入器可设置成与主要换向间隙串联电通信。等离 子体注入器可以可操作以在主要换向间隙提供部分或完全电离的等离子体，从而在主要换 向间隙构成导电通路。根据本发明的另一个示范实施例，公开一种用于使电容器组放电的方法。该方法 可包括通过控制电路来传递电流的步骤，其中控制电路可设置成与电容器组并联电通信。 该方法还可包括通过一个或多个等离子体注入器来传递电流的步骤，所述等离子体注入器 可设置成与控制电路串联电通信。等离子体注入器可以可操作以介质击穿与控制电路和电 容器组并联电通信的主要换向间隙。该方法还可包括增加与控制电路串联的阻抗，以及响 应与控制电路串联的已增加阻抗而同时增加通过主要换向间隙的电流并且减少通过控制 电路的电流。
根据本发明的又一个示范实施例，描述一种电力传输线。所述电力传输线可包括 电源以及通过电力传输线与电源电通信的负载。电容器组可设置成与电源和负载串联电通 信。控制电路和主要换向间隙可设置成与电容器组并联电通信。另外，一个或多个等离子 体注入器可设置成与控制电路串联电通信。等离子体注入器可以可操作以在主要换向间隙 提供部分或完全电离的等离子体，从而介质击穿主要换向间隙。通过以下详细描述、附图和所附权利要求书，本领域的技术人员将会清楚地知道 本发明的其它实施例、方面和特征。
已经概括地这样描述了本发明的实施例，现在将参照附图，附图不一定按比例绘 制，其中图1是其中可利用本发明的一个实施例的示例电力传输系统的框图。图2是示出根据本发明的一个实施例、用于保护电容器组的示例电路的框图。图3是示出根据本发明的一个实施例、用于使电容器组放电的示例方法的流程 图。
具体实施例方式下面参照附图更全面地描述本发明的图示实施例，附图中示出本发明的部分而不 是全部实施例。实际上，本发明可通过许多不同形式来实施，而不应当认为是局限于本文所 述的实施例；相反，提供这些实施例以使得本公开满足适用的法律要求。相似的标号通篇表 示相似的元件。所公开的是用于保护电容器组并且提供电容器组保护电路的系统和方法。电容器 组保护电路可包括具有高电压能力的控制电路以及具有高电压和高电流承载能力的主要 换向间隙。主要换向间隙可设置成与控制电路并联连接。根据本发明的一个实施例，一个 或多个等离子体注入器可设置成与控制电路串联连接。等离子体注入器可允许电流的流动 从控制电路转移到主要换向间隙，主要换向间隙相对于控制电路可具有低阻抗。图1是其中可利用本发明的一个示例实施例的电力传输系统100的框图。图1示 出通过电力传输线106连接到负载104的电源102。电源102使用电力传输线106向负载 104供应电力。此外，电容器组108设置成与电力传输线106串联电通信。电容器组108补 偿电力传输线106的电感，并因而改进电力传输系统100的电力传送能力。在示例实施例中，根据一些实施例，电力传输线106可以是典型跨距在50英里与 300英里之间的架空交流(AC)电力传输线；可是，根据其它实施例，架空AC电力传输线可 跨过大于300英里。根据一些实施例，电力传输线106可用于高压母线之间以及用于以范 围在4. 2kV至800kV的电压进行传输；可是，根据其它实施例，电力传输线106可用于以大 于800kV的电压进行传输。在示例实施例中，电力传输线可被供给范围在50丽至5000MW 之间的AC电。电力传输线106的使用和适用性并不局限于上述规范；例如，它还可用于发 电设施与变电所之间或者两个变电所之间。电力传输系统100还包括电容器组保护电路110，以便在因电力传输线106上的故 障而可能发生的过电压状况期间保护电容器组108。电容器组保护电路110设置成与电容器组108并联电通信。通常，电容器组保护电路110可以是非导电间隙装置或者具有金属 氧化物变阻器(M0V)的非导电间隙装置，或者具有M0V的基于电力电子器件的非导电间隙 装置，或者这些装置的组合。非导电间隙装置在下文中称作控制电路。控制电路可包括小 气隙、真空间隙、使用例如SF6(六氟化硫)的气体的间隙、基于电力电子器件的装置或者任 何其它类型的高介电和高电压触发旁路装置。上述电容器保护电路110的具体设计可基于 电容器组108的大小和电力传输线106的能力而变化。在一个示例实施例中，电力传输系统100可包括与电容器组108并联电通信的主 过电压保护电路。主过电压保护电路可包括M0V，它在电容器组108上的电压达到阈值电压 时可变成导电的。阈值电压可基于电容器组108的额定容量来预先确定，所述额定容量可 基于使用、设计、电路限制等等而变化。因此，M0V吸收因电力传输线106中的故障而产生 的电流所释放的能量，因而保护电容器组108免于过电压状况。但是，如果因电力传输线106中的故障而释放的能量接近或超过M0V的额定容量， 则可能对M0V造成损坏。为了保护M0V，控制电路设置成与电容器组108和主过电压保护 电路并联电通信。主过电压保护电路还可在M0V处过载的情况下触发控制电路。控制电路可设计成在电力传输线106中的故障与电容器组108的放电期间处理非 导电非触发式间隙状况的高电压需求，加上导电触发式间隙状况的高电流需求。因此，在这 种情况下，控制电路设计可能非常复杂和昂贵。另外，控制电路中的持续电流可引起控制电 路的过热，这可增加控制电路的介电恢复时间。鉴于上述限制，本发明的实施例提供一种电 容器组保护电路，它可采用分开的组件分别处理高电流和高电压要求，加上限制通过控制 电路的电流传导的强度和/或持续时间，因而保护电容器组108，以及改进/减小控制电路 的介电恢复时间，参照图2进行详细描述。图2是示出根据本发明的图示实施例的示例电容器组保护电路202的框图200。 图2示出电力传输线206上与负载(如图1所示)和AC电源(如图1所示)串联连接的 电容器组204。在一个示例实施例中，提供电容器保护电路202以在电力传输线206中的故 障期间和之后保护电容器组204。电容器组保护电路202包括主过电压保护电路208和控 制电路210。主过电压保护电路208和控制电路210设置成与电容器组204并联连接。此 外，主要换向间隙212设置成与控制电路210和电容器组204并联连接，所述电容器组204 具有比控制电路更大的介电能力，因而比控制电路更难触发或使之导电。此外，电容器组保 护电路202还包括与控制电路210串联连接的一个或多个等离子体注入器214a和214b。 在控制电路被触发时，这些注入器利用充电的电容器组中包含的能量的一部分和传输系统 故障来产生电离的等离子体。这个大能量库使得有可能令等离子体注入器触发主要换向间 隙212，而常规间隙触发方法无法触发这个间隙。在示例实施例中，对于可与控制电路210 串联使用的等离子体注入器的数量没有限制。在一个示例实施例中，主过电压保护电路208是金属氧化物变阻器(M0V)。在电 容器组202上的电压达到阈值电压时，主过电压保护电路208的M0V开始积聚来自电力传 输线206的能量。在本发明的一个示例实施例中，阈值电压基于电容器组204的额定容量。 电容器组204在经受高于阈值电压的电压时可能被损坏。M0V可积聚高达其额定容量的能量。在M0V所吸收的能量高到足以引起M0V损坏或 故障的情况下，监测M0V电流的电流变换器(图中未示出)、微控制器(图中未示出)、基于
5地的逻辑装置(图中未示出)或者监测来自电力传输线206的线电流的电流变换器(图中 未示出)可向控制电路触发电路216发送信号。控制电路触发电路216触发控制电路210， 因而桥接控制电路210。在一个示例实施例中，例如，控制电路触发电路216是电和/或光 信号发生器，并且控制电路210是诸如闸流管、二极管或IGBT之类的电力电子装置。在另 一个示例实施例中，控制电路触发电路216可包括充电的电容器和/或脉冲变换器，它将向 控制电路210提供极高幅值的电压脉冲，从而使控制电路210介质击穿。在又一个示例实 施例中，控制电路触发电路216可包括充电的电容器。在这个实施例中，充电的电容器所存 储的能量在塑料(或其它材料)组件附近放电以建立等离子体，然后迫使等离子体进入控 制电路210中以介质击穿控制电路210。随后，电流开始流经控制电路210。因此，控制电 路210为主过电压保护电路208提供旁路，并且保护M0V和电容器组204。一旦控制电路 210击穿，电容器组204就开始通过控制电路210放电。此外，参照图2，因电容器组204的放电而引起的流经控制电路210的电流以及电 力传输线206中的故障电流可经过等离子体注入器214a和214b。等离子体注入器214a 和214b可包含当此电流流经它们时产生部分或完全电离的等离子体的材料。等离子体注 入器214a和214b所产生的等离子体在主要换向间隙212被加速。在本发明的一个示例实 施例中，主要换向间隙212是气隙或真空间隙或者具有例如SF6的另一种介电气体的间隙。 从等离子体注入器214a和214b所产生的等离子体可介质击穿主要换向间隙212或者完全 桥接主要换向间隙212，因而使它导电。因此，电容器组保护电路202中(因电容器组204 放电和电力传输线206中的故障电流而引起)的电流基于通向控制电路210和主要换向间 隙212的通路的相对阻抗大小在控制电路210与主要换向间隙212之间分担。此外，响应来自电容器组204的电流的增加，等离子体注入器214a和214b还在其 本身上产生电压，从而增加控制电路的电路的总阻抗。因此，流经控制电路210的电流减 小，而同时增加通过主要换向间隙212的电流。来自控制电路210的电流的流动的减小降低 对控制电路210及关联组件、如闸流管可能的损坏。在示例实施例中，电流的备选通路(即， 主要换向间隙212)允许在控制电路210线路中使用较低电流任务组件，因而降低组件的关 联成本和复杂设计要求。此外，减小的电流量和/或流经控制电路210的电流的减小的持 续时间帮助提供控制电路210的快速恢复，并且提高电容器组保护电路202的可靠性。在一个示例实施例中，电路中的阻抗还设计成通过主要换向间隙212来重定向电 流的大部分或全部。控制电路210的电路中的阻抗可至少部分由控制抑制组件218来控 制。控制抑制组件218可包括诸如金属氧化物变阻器、电感器、电容器、等离子体注入器、电 阻器和/或气隙之类的各种电组件，以便建立与控制电路210串联的线性和非线性阻抗。由 于主要换向间隙212可采取具有范围为从500伏特至5000伏特峰值的非正弦和非线性电 压的电弧的形式，所以有利的是在控制电路210的电路中产生线性和非线性阻抗的组合。 非线性阻抗可引起电流从控制电路210的电路到主要换向间隙212的可靠换向。控制电 路210的电路中的线性和非线性阻抗还可相对于主要换向间隙212的电压来增加控制电路 210的电路中的电压，因而迫使电流的大部分或全部流经主要换向间隙212。在一个示例实施例中，电容器保护电路202还可包括放电阻尼和限流设备220，以 便使由于电力传输线206中故障的情况下可能发生的放电效应(例如，因故障电流以及电 容器组的放电)而产生的大量能量的一部分衰减。放电阻尼和限流设备220的阻尼容量基于其额定容量。图3是示出用于使电容器组放电的方法300的一个示例的流程图。所提供的是示 出使连接成与电力传输线并联电通信的电容器组放电的一个示例的流程图。示例方法在框302开始。在框302，电流通过与电容器组并联连接的控制电路来 传递。控制电路可包括小气隙、真空间隙、使用气体(例如SF6)的间隙、如闸流管之类的基 于电力电子器件的装置、或者任何其它类型的高介电和高电压触发旁路装置。在示例方法 300的一个实施例中，电流由来自电容器组的放电电流和电力传输线中的故障电流组成。响 应使控制电路从非导电改为导电的控制触发电路而通过控制电路来传递电流。在示例方法 300的一个实施例中，通过监测M0V电流的电流变换器或者监测线电流的电流变换器所激 励的控制电路等离子体注入器可触发控制电路。此外，主过电压保护电路还可设置成与电 容器组并联连接，以便在电力传输线中的故障期间和之后保护电容器组。框302之后是框304，其中控制电路电流通过一个或多个等离子体注入器来传递。 等离子体注入器设置成与控制电路串联连接。在示例方法300的一个实施例中，等离子体 注入器响应电流而产生电离的等离子体。等离子体注入器所产生的等离子体在主要换向间 隙被加速，主要换向间隙可包括气隙或真空间隙或者跨过例如SF6等介电气体的间隙。主 要换向间隙与控制电路并联连接。电离的等离子体可介质击穿主要换向间隙或者完全桥接 主要换向间隙，因而使它导电。框304之后是框306，其中与控制电路串联的阻抗增加。在示例方法300的一个实 施例中，控制电路的电路中的阻抗可通过与控制电路串联连接的控制抑制组件来控制。一 个或多个控制抑制组件可包括诸如金属氧化物变阻器、气隙、电感器、电容器和电阻器之类 的各种电组件，以便建立控制电路的电路中的线性和非线性电阻。另外，利用双功能的等 离子体注入器，流经等离子体注入器的电流可建立与气隙相似的非线性阻抗。框306之后是框308，其中增加通过主要换向间隙的电流的流动，同时减小通过控 制电路的电流的流动。主要换向间隙中的电流的流动的增加是由于与控制电路串联的阻抗 的增加。在示例方法300的一个实施例中，控制抑制组件可增加控制电路的电路的电压，它 随后可迫使通过主要换向间隙的电流增加，同时通过控制电路的电流减小。获益于以上描述和关联附图中所提供的教导，将会想到这些描述涉及的本文提出 的示范描述的许多修改和其它实施例。因此，应意识到，本发明可通过许多形式来实施，而 不应当局限于以上所述的示范实施例。因此，要理解，本发明并不局限于所公开的特定实施 例，并且修改和其它实施例预计包含在所附权利要求的范围之内。虽然本文中采用特定术 语，但是它们仅以一般的描述意义来使用，而不是用于限制。配件表100 电力传输系统102 电源104 负载106 电力传输线108 电容器组110 电容器组保护电路200 框图
202电容器组保护电路204电容器组206电力传输线208主过电压保护电路210控制电路212主要换向间隙214a等离子体注入器214b等离子体注入器216控制电路触发电路218控制抑制组件220放电阻尼和限流设备300用于使电容器组放电的方法302框 1304框 2306框 3308框 4。
8
权利要求
一种电容器组保护电路(202)，包括至少一个电容器组(204)；与所述至少一个电容器组(204)并联电通信的至少一个控制电路(210)；与所述至少一个控制电路(210)和所述至少一个电容器组(204)并联电通信的至少一个主要换向间隙(212)；以及与所述至少一个控制电路(210)串联电通信的至少一个等离子体注入器(214)，所述至少一个等离子体注入器(214)可操作以当至少部分电离时在所述至少一个主要换向间隙(212)的至少一部分提供等离子体，从而使至少一个主要换向间隙(212)导电。
2.如权利要求1所述的电容器组保护电路(202)，其中，所述至少一个控制电路(210) 包括电力电子装置或控制电路等离子体注入器(214)其中的至少一个。
3.如权利要求1所述的电容器组保护电路(202)，还包括控制触发电路(216)，所述控 制触发电路(216)与所述至少一个控制电路(210)电通信，并且可操作以介质击穿所述至 少一个控制电路(210)。
4.如权利要求3所述的电容器组保护电路(202)，其中，所述控制触发电路(216)由通 过与所述至少一个电容器组(204)并联电通信的主过电压保护电路(208)中的至少一个的 电流、基于地的信号、传输线电流或者电容器组电压信号来触发。
5.如权利要求1所述的电容器组保护电路(202)，其中，所述至少一个控制电路(210) 还包括控制抑制电路(218)，所述控制抑制电路(218)可操作以至少部分响应流经其中的 电流而产生与所述至少一个控制电路(210)串联的线性阻抗和非线性阻抗。
6.如权利要求5所述的电容器组保护电路(202)，其中，所述控制抑制电路(218)包括 金属氧化物变阻器、线性或非线性电阻器、电感器、电容器、变换器、气隙或等离子体注入器 其中的至少一个。
7.如权利要求1所述的电容器组保护电路(202)，还包括与所述至少一个电容器组 (204)并联电通信的主过电压保护电路(208)。
8.如权利要求7所述的电容器组保护电路(202)，其中，所述主过电压保护电路(208) 可操作以激励所述控制电路(210)介质击穿所述至少一个控制电路(210)。
9.如权利要求7所述的电容器组保护电路(202)，其中，所述主过电压保护电路(208) 包括至少一个金属氧化物变阻器。
10.一种用于使电容器组(204)放电的方法(300)，包括通过与所述电容器组(204)并联电通信的控制电路(210)传递(302)电流；通过与所述控制电路(210)串联电通信的至少一个等离子体注入器(214)传递(304) 电流，其中所述至少一个等离子体注入器(214)可操作以介质击穿与所述控制电路(210) 并联电通信的主要换向间隙(212)；增加(306)与所述控制电路(210)串联的阻抗；以及至少部分响应增加与所述控制电路(210)串联的阻抗，增加(308)通过所述主要换向 间隙(212)的电流，而减小通过所述控制电路(210)的电流。
全文摘要
提供用于保护串联电容器组(204)的系统和方法。根据本发明的一个示范实施例，公开一种电容器保护电路(202)。所述电容器保护电路(202)可包括电容器组(204)、控制电路(210)和主要换向间隙(212)。控制电路(210)和主要换向间隙(212)可设置成与电容器组(204)并联电通信。另外，一个或多个等离子体注入器(214)可设置成与控制电路(210)串联电通信。等离子体注入器(214)可以可操作以在主要换向间隙(212)提供部分或完全电离的等离子体，从而使主要换向间隙(212)导电。
文档编号H02H9/04GK101895106SQ20101014343
公开日2010年11月24日 申请日期2010年3月3日 优先权日2009年3月3日
发明者B·E·恩格利什, C·W·哈特, D·S·比雷尔, D·马丁斯, K·A·鲍威尔斯, P·J·达特卡, R·F·小维拉, R·R·杨 申请人:通用电气公司