一种串补火花间隙触发能量获取系统及其获取方法
【专利摘要】本发明涉及一种串补火花间隙触发能量获取系统及其获取方法。该系统和方法通过屏蔽电缆相互连接的电流互感器和火花间隙触发控制箱内部依次连接的变压器、充电电路和监控电路实现对串补平台上火花间隙的触发能量获取问题，同时提出一种高可靠性的实现电路。
【专利说明】一种串补火花间隙触发能量获取系统及其获取方法
【技术领域】
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[0001]本发明涉及花间隙触发能量获取领域，更具体涉及一种串补火花间隙触发能量获取系统及其获取方法。
【背景技术】
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[0002]在电力系统中，串补用火花间隙属于强制触发间隙，触发过程中点火脉冲的产生需要一定的触发能量。串补用火花间隙是限压器MOV的主保护，同时是电容器组的后备保护。作为串补关键一次设备，火花间隙必须具有极高的工作可靠性。所以如何获取触发能量并研发高可靠性的电路是火花间隙的关键技术之一，这关系到触发能量的获取方法和相关电路系统的设计关系到火花间隙能否正常触发。
[0003]在国内，中国电科院高压所从2001年开始自主研发超高压交流输电线路可控串补成套设备。目前由中国电力科学研究院高压所自主研发并生产的串补用火花间隙已经在十几个串补工程中得到了成功应用。尤其在2011年12月100kV特高压串补成功投入商业运行。这使得中国电力科学研究院成为国内外首家能够研制和设计100kV特高压串补用火花间隙设备的设备提供商。
[0004]在国外，已有ABB、Siemens, GE等公司生产500kV超高压串补用火花间隙，但是由于各自的触发点火原理不同，因此结构和功能必然差异较大。并且火花间隙及其触发回路设备布置在串补平台上，处于高电位环境下，电磁环境较为复杂。本发明目的就是解决串补平台上火花间隙的触发能量获取问题，并提出一种高可靠性的实现电路系统。
【发明内容】
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[0005]本发明的目的是提供一种串补火花间隙触发能量获取系统及其获取方法，该方法和系统成功解决了在串补平台上火花间隙能量的获取问题，提高火花间隙触发可靠性。
[0006]为实现上述目的，本发明采用以下技术方案:一种串补火花间隙触发能量获取系统，该系统包括通过屏蔽电缆相互连接的电流互感器和火花间隙触发控制箱，所述火花间隙触发控制箱包括依次连接的变压器、充电电路和监控电路，所述充电电路包括过电压保护单元、整流桥单元和储能单元，所述监控电路包括电阻分压器、控制驱动单元和报警单
J Li ο
[0007]本发明提供的一种串补火花间隙触发能量获取系统，所述过电压保护单元、整流桥单元和储能单元依次相连；所述过电压保护单元包括正向过电压保护单元和反向过电压保护单元，所述正向过电压保护单元和反向过电压保护单元均包括可控硅支路和控制支路，所述可控硅支路和控制支路均与所述变压器输入端并联。
[0008]本发明提供的一种串补火花间隙触发能量获取系统，所述可控硅支路包括可控硅器件，所述可控硅器件的门极与所述控制支路连接，所述控制支路为稳压管1、二极管I和电阻I串联的支路。
[0009]本发明提供的另一优选的一种串补火花间隙触发能量获取系统，所述整流桥单元为全桥整流单元，包括四个二极管2，所述整流桥单元一端通过串联二极管3与所述储能单元并联，所述储能单元包括电容器、二极管4和电阻2，所述电容器一端通过二极管4和电阻2的并联与所述整流桥单元一端连接，所述电容器的另一端接参考地。
[0010]本发明提供的再一优选的一种串补火花间隙触发能量获取系统，所述电阻分压器并联在所述整流桥单元一端和参考地之间，所述电阻分压器为电阻3串联而成。
[0011]本发明提供的又一优选的一种串补火花间隙触发能量获取系统，所述控制驱动单元包括IGBT元件、三极管单元和比较器单元；所述IGBT元件并联在所述整流桥单元两端，所述三极管单元和比较器单元串联在所述IGBT元件的门极与所述电阻分压器之间，所述三极管单元和比较器单元之间串联二极管5和电阻4。
[0012]本发明提供的又一优选的一种串补火花间隙触发能量获取系统，其特征在于:所述三极管单元包括三极管、电阻5和电源I ;所述三极管包括三极管1、三极管2和三极管3 ；所述电阻5包括电阻51、电阻52和电阻53 ;所述比较器单元包括比较器1、电阻6、稳压管2和电源2 ;所述电阻6包括电阻61、电阻62和电阻63。
[0013]本发明提供的又一优选的一种串补火花间隙触发能量获取系统，所述比较器I的反相端与所述电阻分压器的输出端连接，所述比较器I的同向端通过所述电阻61与所述稳压管2的阴极相连，所述稳压管2的阴极通过所述电阻63与电源2连接，所述稳压管2的阳极接参考地，所述比较器I的输出端与所述电阻62 —端连接，所述电阻62—端与所述电阻4 一端连接，所述电阻62另一端与所述比较器I的同相端连接；
[0014]所述三极管2的发射极与电源I相连，所述三极管2的发射极通过电阻53与其基极连接，所述三极管2的基极通过所述二极管5和电阻4与所述比较器I的输出端连接；所述三极管2的集电极分别与电阻52和所述三极管1、三极管3的基极相连；所述三极管I的集电极和所述三极管3的发射极相连构成推挽机构；所述IGBT元件的门极通过电阻51与所述推挽机构输出端相连。
[0015]本发明提供的又一优选的一种串补火花间隙触发能量获取系统，所述报警单元包括报警单元I和报警单元2，所述报警单元I包括比较器2、电阻7和电源3，所述报警单元2包括比较器3和电阻8 ;所述电阻8包括电阻81和电阻82。
[0016]本发明提供的又一优选的一种串补火花间隙触发能量获取系统，所述报警单元I监测储能电容器不能充电的情况，所述比较器2的同相端分别与电阻分压器的输出端和电源3相连，所述比较器2反向端分别与所述稳压管2的阴极和参考地相连，所述比较器2同相端和输出端通过所述电阻R7连接；
[0017]所述报警单元2监测储能电容器电压过高的情况，所述比较器3的同相端与电阻分压器的输出端相连，所述比较器3的反向端通过电阻81与所述稳压管2的阴极相连，所述比较器3的反相端和其输出端通过电阻82连接。
[0018]本发明提供的一种串补火花间隙触发能量的获取方法，所述方法包括以下步骤:
[0019](I)获得直流电流；
[0020](2)对电容器充电；
[0021](3)监控电容器充电。
[0022]本发明提供的又一优选的一种串补火花间隙触发能量的获取方法，所述步骤(I)中的获得直流电流包括以下步骤:
[0023](1-1)通过电流互感器将线路电流转化为二次电流；
[0024]( 1-2)通过变压器对所述二次电流进行隔离和变换处理；
[0025](1-3)将所述步骤(1-2)所得电流整流为直流。
[0026]由于采用了上述技术方案，本发明得到的有益效果是:
[0027]1、本发明的系统和方法圆满地解决了串补平台上火花间隙触发能量的获取问题，该方法具有功能可靠，结构简单的优点；
[0028]2、本发明根据此方法研制串补用火花间隙触发能量获取电路能够实现快速、平稳储能，并能够在高电压环境下实现长时间运行；
[0029]3、本发明在试验中经过检验证明有良好的效果，保证了火花间隙获取触发能量的可靠性和稳定性。
【专利附图】
【附图说明】
[0030]图1为火花间隙触发能量获取方法流程图示意图；
[0031]图2为本发明的火花间隙触发能量获取系统结构示意图；
[0032]图3本发明的为火花间隙触发能量获取系统的充电电路和监控电路原理图示意图；
[0033]其中，1-线路电流，2-电流互感器，3-波纹管，4-屏蔽电缆，5-火花间隙触发控制箱，6-绝缘底座，7-串补平台，8-支柱绝缘子，9-大地。
【具体实施方式】
[0034]下面结合实施例对发明作进一步的详细说明。
[0035]实施例1:
[0036]如图1-2图所示，本例的发明串补火花间隙触发能量的获取方法，主要步骤是先将线路电流通过电流互感器转化为二次电流；在利用高绝缘隔离变压器对所得的二次电流进行隔离和二次变换处理，从而达到后续电路要求；将所得电流整流变换为直流，并对电容器充电；在电容器充电的过程中对电容器电压实时监控，通过滞环控制方法将电压维持在一定水平；当电容充电异常时发出报警信号，为检修提供参考。
[0037]具体方法如下:将线路电流通过电流互感器转化为较小的二次电流I1，并通过屏蔽电缆将电流互感器的二次输出侧连接到火花间隙触发控制箱内，且屏蔽电缆外层包裹不锈钢制波纹管。其中，电流互感器为穿心式；每个互感器含有2个铁芯绕组；其二次输出额定电流为1A。电流互感器通过绝缘底座安装在串补平台低压母线侧。
[0038]电流互感器的二次侧电流I1经火花间隙触发控制箱内的高绝缘隔离变压器进行电磁隔离后与火花间隙触发控制箱内的充电电路相接。高绝缘隔离变压器T包含两个绕组，变比在N:l。N在0.5至2范围内。一、二次绕组绝缘耐压水平不低于1kVrms,且一、二绕组之间加装金属层进行屏蔽。
[0039]在充电电路中，电流通过全桥整流变为直流，并对储能电容器进行充电。在此过程中，在整流桥入口含有一个由可控硅SCR器件组成的过电压保护电路。电容器为高压油纸绝缘电容，每支电容器容值在2至4uF之间。
[0040]在充电过程中，储能监控电路对电容器两端电压进行实时监测，并通过控制旁路开关将电容器两端电压维持在一定水平。在此过程中，储能电容器电压平稳保持在一定范围内，这样就能够在电容器中长期储存能量，以备火花间隙触发使用。其中正常工作时，通过监控电路滞环控制方法将电容器电压维持在380-420V。旁路开关采用全控型IGBT器件。充电异常时，储能监控电路提供充电电压过低和过高报警，以为检修和故障分析使用。
[0041]如图2-3所示串补火花间隙触发能量获取系统，该系统包括通过屏蔽电缆相互连接的电流互感器和火花间隙触发控制箱，所述火花间隙触发控制箱包括高绝缘隔离变压器、充电电路和监控电路。来自取能电流互感器的二次侧的电流经过高绝缘隔离变压器后，再经全桥整流后为储能电容Cl和C2充电，为了防止储能电容器发生过充而损坏，当储能电容器电压达到420V左右时，由充电控制电路使并联在全桥两端的IGBT导通，此时对储能电容器停止充电。当储能电容器电压下降到380V左右时，由充电控制电路使IGBT关断，恢复对储能电容器的充电。
[0042]其中电路结构由充电电路和监控电路两大部分组成。其中，所述充电电路包括过电压保护单元、整流桥单元和储能单元。所述过电压保护单元、整流桥单元和储能单元依次相连；所述过电压保护单元包括正向过电压保护单元和反向过电压保护单元，用于防止发生意外(如IGBT不能导通)时引起储能电容器过充，其保护限值为600V。所述正向过电保护单元包括可控硅支路I和控制支路I，所述可控硅支路I和控制支路I均与所述高绝缘隔离变压器输入端并联:所述可控硅支路I包括可控硅器件晶闸管Q5，所述晶闸管Q5阴极和阳极分别高绝缘隔离变压器输入端Al和A2连接；晶闸管Q5的门极与所述控制支路I连接，所述控制支路I为稳压管D10、二极管D12和电阻R17串联的支路，所述稳压管DlO和二极管D12为反向串联，同时电阻R17的一端与高绝缘隔离变压器输入端Al连接，且稳压管DlO阴极与高绝缘隔离变压器输入端A2连接。
[0043]所述反向过电压保护单元包括可控硅支路2和控制支路2，所述可控硅支路2和控制支路2均与所述高绝缘隔离变压器输入端并联:所述可控硅支路2包括可控硅器件晶闸管Q6，所述晶闸管Q6的阳极和阴极分别高绝缘隔离变压器输入端Al和A2连接；所述晶闸管Q6的门极与所述控制支路2连接，所述控制支路2为稳压管D13、二极管Dll和电阻R18串联的支路，所述稳压管D13和二极管Dll为反向串联，同时稳压管D13阴极与高绝缘隔离变压器输入端Al连接且电阻R18的一端与高绝缘隔离变压器输入端A2连接。
[0044]所述整流桥由二极管D3、D4、D5、D6组成全桥整流结构。所述储能单元包括储能单元I和储能单元2,所述储能单元I包括电容器Cl、二极管D8和电阻R15,储能单元2包括电容器C2、二极管D9和电阻R16，所述整流桥的一端节点C先通过与二极管D7串联后，再与储能单元连接。所述储能单元I为二极管D8和电阻R15并联后与所述电容器Cl 一端连接同时连接触发控制回路，所述电容器Cl另一端分别与参考地和整流桥的另一端连接。所述储能单元2为二极管D9和电阻R16并联后与电容器C2 —端连接同时连接触发控制回路，所述电容器C2另一端接参考地。
[0045]所述监控电路包括电阻分压器、IGBT控制驱动单元和报警单元。其中，所述电阻分压器并联在所述整流桥单元一端节点C和参考地GND之间，用于为储能电容器电压值监测提供相应的测量值。所述电阻分压器为电阻4串联而成，分别为电阻R14、R13、R9和R8。
[0046]所述控制驱动单元包括IGBT元件、三极管单元和比较器单元；其作用将储能电容器的电压范围控制在380V-420V。所述三极管单元和比较器单元串联在所述IGBT元件的门极与所述电阻分压器之间。所述三极管单元和比较器单元之间串联二极管D1、二极管D2和电阻R4。
[0047]所述IGBT元件为IGBT元件Q4、并联在所述整流桥两端；所述三极管单元包括三极管Ql、Q2和Q3、电阻R2、R3、R15和15V电源I ;所述比较器单元包括比较器U1B、电阻5-7、5V稳压管和15V电源2。
[0048]比较器UlB的反向端与电阻分压器的输出端E点相连接，其同相端通过电阻R6与5V稳压管的阴极相连；所述5V稳压管的阴极通过所述电阻7与15V电源2连接，所述稳压管2的阳极接参考地，电阻R5两端分别与比较器UlB的同相端和输出端G相连；二极管D1、D2和电阻R4串联后分别与三极管Q2的基极H点和比较器UlB输出端G点相连；三极管Q2的发射极与15V电源I相连，而三极管Q2的集电极与分别电阻R2和三极管Ql、Q3的基极J相连；所述三极管Q2的基极与其发射极之间连接电阻R3。所述三极管Ql的集电极和三极管Q3的发射极相连构成推挽机构；所述IGBT元件Q4的集电极和其发射极分别与节点B和GND并联，同时IGBT元件Q4的门极通过电阻R12与推挽输出端K点相连。
[0049]所述报警单元包括报警单元I和报警单元2，报警单元I用于监测储能电容器不能充电的情况，即储能电容充电电压低。所述报警单元I包括比较器U2A、电阻Rll和15V电源3，所述报警单元2包括比较器U2B、电阻Rl和电阻RlO。
[0050]比较器U2A的同相端分别与电阻分压器的输出端D点和15V电源3相连，比较器U2A的反向端分别与5V稳压管的阴极和参考地相连，比较器U2A同相端和输出端通过电阻Rll连接。当电压低于320V时，U2A将输出低电平，即表示储能电容充电电压低报警。比较器U2B用于监测储能电容器电压过高的情况，U2B的保护限值定为500V，它将在间隙触发控制系统运行期间实时保护储能电容器。比较器U2B的同相端与电阻分压器的输出端F点相连，比较器U2B的反向端经电阻RlO后与5V稳压管的阴极相连，比较器U2B反相端和输出端通过电阻Rl连接。若充电电压高于500V，U2B将输出高电平，表示储能电容器电压高报警。
[0051]最后应该说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，所属领域的普通技术人员应当理解:依然可以对本发明的【具体实施方式】进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本权利要求范围当中。
【权利要求】
1.一种串补火花间隙触发能量获取系统，其特征在于:该系统包括通过屏蔽电缆相互连接的电流互感器和火花间隙触发控制箱，所述火花间隙触发控制箱包括依次连接的变压器、充电电路和监控电路，所述充电电路包括过电压保护单元、整流桥单元和储能单元，所述监控电路包括电阻分压器、控制驱动单元和报警单元。
2.如权利要求1所述的一种串补火花间隙触发能量获取系统，其特征在于:所述过电压保护单元、整流桥单元和储能单元依次相连；所述过电压保护单元包括正向过电压保护单元和反向过电压保护单元，所述正向过电压保护单元和反向过电压保护单元均包括可控硅支路和控制支路，所述可控硅支路和控制支路均与所述变压器输入端并联。
3.如权利要求2所述的一种串补火花间隙触发能量获取系统，其特征在于:所述可控硅支路包括可控硅器件，所述可控硅器件的门极与所述控制支路连接，所述控制支路为稳压管1、二极管I和电阻I串联的支路。
4.如权利要求1-3任意一项所述的一种串补火花间隙触发能量获取系统，其特征在于:所述整流桥单元为全桥整流单元，包括四个二极管2，所述整流桥单元一端通过串联二极管3与所述储能单元并联，所述储能单元包括电容器、二极管4和电阻2，所述电容器一端通过二极管4和电阻2的并联与所述整流桥单元一端连接，所述电容器的另一端接参考地。
5.如权利要求1所述的一种串补火花间隙触发能量获取系统，其特征在于:所述电阻分压器并联在所述整流桥单元一端和参考地之间，所述电阻分压器为电阻3串联而成。
6.如权利要求1或5所述的一种串补火花间隙触发能量获取系统，其特征在于:所述控制驱动单元包括IGBT元件、三极管单元和比较器单元；所述IGBT元件并联在所述整流桥单元两端，所述三极管单元和比较器单元串联在所述IGBT元件的门极与所述电阻分压器之间，所述三极管单元和比较器单元之间串联二极管5和电阻4。
7.如权利要求6所述的一种串补火花间隙触发能量获取系统，其特征在于:所述三极管单元包括三极管、电阻5和电源I ;所述三极管包括三极管1、三极管2和三极管3 ;所述电阻5包括电阻51、电阻52和电阻53 ;所述比较器单元包括比较器1、电阻6、稳压管2和电源2 ;所述电阻6包括电阻61、电阻62和电阻63。
8.如权利要求7所述的一种串补火花间隙触发能量获取系统，其特征在于:所述比较器I的反相端与所述电阻分压器的输出端连接，所述比较器I的同向端通过所述电阻61与所述稳压管2的阴极相连，所述稳压管2的阴极通过所述电阻63与电源2连接，所述稳压管2的阳极接参考地，所述比较器I的输出端与所述电阻62 —端连接，所述电阻62 —端与所述电阻4 一端连接，所述电阻62另一端与所述比较器I的同相端连接； 所述三极管2的发射极与电源I相连，所述三极管2的发射极通过电阻53与其基极连接，所述三极管2的基极通过所述二极管5和电阻4与所述比较器I的输出端连接；所述三极管2的集电极分别与电阻52和所述三极管1、三极管3的基极相连；所述三极管I的集电极和所述三极管3的发射极相连构成推挽机构；所述IGBT元件的门极通过电阻51与所述推挽机构输出端相连。
9.如权利要求8所述的一种串补火花间隙触发能量获取系统，其特征在于:所述报警单元包括报警单元I和报警单元2，所述报警单元I包括比较器2、电阻7和电源3，所述报警单元2包括比较器3和电阻8 ;所述电阻8包括电阻81和电阻82。
10.如权利要求9所述的一种串补火花间隙触发能量获取系统，其特征在于:所述报警单元I监测储能电容器不能充电的情况，所述比较器2的同相端分别与电阻分压器的输出端和电源3相连，所述比较器2反向端分别与所述稳压管2的阴极和参考地相连，所述比较器2同相端和输出端通过所述电阻R7连接； 所述报警单元2监测储能电容器电压过高的情况，所述比较器3的同相端与电阻分压器的输出端相连，所述比较器3的反向端通过电阻81与所述稳压管2的阴极相连，所述比较器3的反相端和其输出端通过电阻82连接。
11.一种串补火花间隙触发能量的获取方法，其特征在于:所述方法包括以下步骤: (1)获得直流电流； (2)对电容器充电； (3)监控电容器充电。
12.如权利要求11所述的一种串补火花间隙触发能量的获取方法，其特征在于:所述步骤(I)中的获得直流电流包括以下步骤: (1-1)通过电流互感器将线路电流转化为二次电流； (1-2)通过变压器对所述二次电流进行隔离和变换处理； (1-3)将所述步骤(1-2)所得电流整流为直流。
【文档编号】H02J7/34GK104242429SQ201310240749
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2013年6月18日 优先权日:2013年6月18日
【发明者】李国富, 余辉, 李志远, 李永亮, 陈没 申请人:国家电网公司, 中国电力科学研究院