用于電力系統(tǒng)保護的連續(xù)不間斷ac接地系統(tǒng)的制作方法

專利名稱：用于電力系統(tǒng)保護的連續(xù)不間斷ac接地系統(tǒng)的制作方法
用于電力系統(tǒng)保護的連續(xù)不間斷AC接地系統(tǒng)
本申請于2011年7月19日申請作為PCT國際專利申請，對于除了美國之外的所有國家指定的申請人為美國國內公司Emprimus,僅對于美國指定申請人為FrederickR.Faxvog^Wallace Jensen,Gale Nordling，Greg Fuchs,David Blake Jackson,Terry LeeVolkmann, James Nicholas Ruehl 和 Brian Groh，均為美國公民。
相關申請的交叉參考
本申請主張2010年7月20日申請的美國臨時申請N0.61/366，088,2010年10月29日申請的美國臨時申請N0.61/408，319、2011年I月6日申請的美國臨時申請N0.61/430, 388,2011年I月28日申請的美國臨時申請N0.61/437，498,2011年5月16日申請的美國臨時專利申請N0.61/486，635和2011年6月13日申請的美國發(fā)明申請N0.13/159，374的權益。這些申請的全部內容合并于此作為參考。技術領域
本披露總地涉及用于電氣設備的電子保護裝置，具體地，本披露涉及能用于電力系統(tǒng)保護的連續(xù)不間斷AC接地系統(tǒng)。
背景技術：
電氣設備，特別是使用交流操作的電氣設備容易改變輸入信號和條件。在典型的布置中，美國的交流設備期望接收具有預定量值(例如120V)的60Hz的電力線電源(或者在歐洲為50Hz )。盡管這些電源可以有一些變化，對使用特定電流而制造的裝置可以通常處理接收的電力信號中的一些輕微變化。
在某些情況下，由于諧波或其他外部條件，電力信號可以變化很大。諧波和準DC電流可以是例如地磁(太陽)風暴或者處于相同電網或本地電源電路的其他電氣設備例如開關電源、弧設備、焊接設備等的結果。諧波和準DC電流可以使得電源信號的輸入電壓和電流(和得到的電源)劇烈變化，引起破壞連接至該電源的電氣設備的可能性。
例如，廣泛地認識到地磁風暴或與高幅值電磁脈沖(HEMP)相關的E3脈沖可以引起高壓電源生成、傳輸和分配系統(tǒng)元件(即電力傳輸線和電源變壓器)中的稱為地磁感應電流(GIC) DC或準DC電流。這些DC電流可以引起電源變壓器鐵心中的半周期飽和，這然后導致這樣的變壓器的過多無功功率損耗、加熱、損壞和/或故障。此外，半周期飽和還可以引起主要頻率(50或60Hz)的諧波的生成。該諧波內容可以使得電力系統(tǒng)中繼觸發(fā)，這可以斷開需要的補償元件。這可以導致電網的本地或廣域部分的崩潰。
在過去大約20年以來，提出了用于減小電力系統(tǒng)中GIC或HEMP (E3)感應的電流的若干建議的方法。這些解決方案通常采用一些形式中的一種。第一類解決方案使用電容性電路來同時提供AC接地路徑和用于感應的DC電流的塊。這些解決方案通常包括一組開關，允許在正常接地的變壓器連接和通過電容性電路的接地之間進行切換。這些解決方案可以允許不故意打開對于變壓器中性點(transformer neutral)的連接,或者需要昂貴的電子電路來處理接地故障條件。這些電容性電路解決方案可能需要與當前操作參數相比重新調節(jié)電力系統(tǒng)中繼配置。第二類解決方案通常包括連續(xù)使用有源元件，用于減小在變壓器中性點到地連接的DC或準DC電路的潛在破壞GIC事件。這些解決方案通常需要昂貴的電源電子器件并且持續(xù)激活，使得任何故障將使得這些系統(tǒng)不可靠。第三類解決方案通常使用電阻性方法，其中固定值電阻用于持續(xù)減小變壓器的中點到地連接中的DC電流；然而，在這些方法中，電阻器通常必須具有高電阻值并且僅減小而不是消除DC或準DC中點電流。此外，在安裝這些類解決方案的過程中，可能需要重新調整電力系統(tǒng)的中繼設置。由此，不存在能提供與當前電力傳遞系統(tǒng)兼容的可靠的低成本保護電路的解決方案。由此這些或其他原因，期望改進。

發(fā)明內容
根據以下內容，可以如下解決上述和其他問題:在第一方面，公開了一種連續(xù)接地系統(tǒng)，用于包括變壓器的交流系統(tǒng)。所述系統(tǒng)包括:開關組件，連接在變壓器的中性點接地連接和地之間，所述開關組件具有打開位置和閉合位置，所述打開位置通過開關中斷電氣連接和地連接之間的路徑，并且所述閉合位置通過開關組件建立將電氣連接連接至地連接的路徑，其中在交流電氣設備的正常操作中，開關組件保持在閉合位置。所述系統(tǒng)還包括DC阻塞元件，與開關組件并聯并且連接在變壓器中性點和地之間。所述系統(tǒng)還包括控制電路，用于控制開關組件，所述控制電路包括傳感器，用于在檢測到在變壓器的一個或多個功率相位上的諧波信號或者在變壓器中性點和地之間的DC電流的預定閾值的時候激勵開關組件至打開位置。在第二方面，公開了一種電氣保護電路。電氣保護電路包括開關組件，連接在變壓器中性點的地連接和地之間，所述開關組件具有打開位置和閉合位置，所述打開位置通過開關中斷電氣連接和地連接之間的路徑，并且所述閉合位置通過開關組件建立將電氣連接連接至地連接的路徑，其中在交流電氣設備的正常操作中，開關組件保持在閉合位置。電氣保護電路還包括DC阻塞元件，與開關組件并聯并且連接在變壓器中性點和地之間。在所述電路中，開關組件通過電子控制輸入在閉合位置和打開位置之間可移動，在變壓器的一個或多個功率相位中的諧波信號或者在變壓器中性點和地之間DC電流的預定閾值出現的時候，電子控制輸入激勵開關組件至打開位置。在第三方面，公開了一種保護交流電路中的電氣設備不會由于直流電流或諧波效應而損壞的方法，所述方法包括:在交流電路的正常操作過程中保持開關組件處于閉合位置，所述開關組件電連接在電氣設備的變壓器中性點和地之間。該方法還包括在檢測到預定閾值之上的諧波信號或者預定閾值之上的DC電流的時候，打開開關組件，由此通過在電氣設備的地連接和地之間與開關組件并聯地電連接的DC阻塞元件將DC電流阻塞。在另一個方面，公開了一種測試電氣保護電路的方法。該方法包括打開在變壓器中性點和地之間連接的開關組件；并且將來自變壓器電壓頻率的不同頻率的交流電壓注入到變壓器中性點上。該方法還包括在注入交流電壓的同時測量通過DC阻塞元件的電流；并且確定測量的電流是否表現預設限制內的電特性。如果在預設限制之外，該方法包括指示在電氣保護電路中存在故障。
在另一個方面，提供一種測試電氣保護電路的方法，包括:將直流信號注入到變壓器中性點上；確定在變壓器中性點和地之間連接的開關組件是否響應于直流信號打開；如果開關組件沒有打開，指示在電氣保護電路中存在故障。
在另一個方面，測試電氣保護電路的方法包括將諧波信號注入到諧波傳感器中，確定在變壓器中性點和地之間連接的開關組件是否響應于諧波信號打開，如果開關組件沒有打開，指不在電氣保護電路中存在故障。
在另一個方面，公開了一種電氣設備臺，包括:頂面，具有開口結構；多個支撐腿，保持頂面處于地面之上的高度，支撐腿裝配在一個或多個接地樁材上；以及電氣設備，位于頂面上并且在高功率變壓器的接地套管(ground bushing)和地之間電連接。


圖1是使用這里描述的方法和系統(tǒng)進行保護的變壓器的示意性前視圖2示出了在電力生成或分配站點安裝的根據本披露的可能實施例的連續(xù)接地系統(tǒng)中可用的電氣保護電路的示例實施例；
圖3A示出了根據本披露的可能實施例的包括電氣保護電路的第二示例實施例的連續(xù)接地系統(tǒng)；
圖3B示出了根據本披露的進一步的可能實施例的包括電氣保護電路的第二示例實施例的連續(xù)接地系統(tǒng)；
圖4示出了根據本披露的可能實施例用于自測直流阻塞設備(direct currentblocking device)的方法；
圖5示出了根據本披露的可能實施例的電氣保護電路的另一個示例實施例；
圖6示出了根據本披露的可能實施例的包括可變水平的電阻的電氣保護電路的示例實施例；
圖7示出了根據本披露的可能實施例的包括可變水平的電阻的電氣保護電路的第二示例實施例；
圖8示出了根據本披露的另一個可能實施例的使用電阻性和電容性電路網絡的連續(xù)接地系統(tǒng)的另一個示例實施例；
圖9示出了根據本披露的原理的連續(xù)接地系統(tǒng)的另一個示例實施例；
圖10是根據本披露的可能實施例的示例電氣設備臺的透視圖；以及
圖11是根據本發(fā)明的可能實施例的圖10的電氣設備臺的示意性前視圖，其中電氣設備臺安裝有電氣設備。
具體實施方式
總的來說，本披露描述了用于保護電力變壓器和其他電子或機電設備免于受到DC電流和作為電力線上的得到的諧波內容的損壞的系統(tǒng)和方法。大的DC中點電流和諧波電壓可以是地磁(太陽)風暴、高幅值電磁E3脈沖(HEMP-E3 )或處于相同電網或本地電源電路的其他電氣設備例如開關電源、弧焊設備、等離子切割、電子放電加工設備、弧光燈等的結果。本披露總體描述如下方法和系統(tǒng):用于感應50Hz或60Hz電力線電源的諧波內容，并且潛在地破壞中點DC電流，以允許在檢測到這樣的諧波或DC電流的情況下，關鍵的電氣設備切換到操作保護模式。根據這里描述的各種實施例，使用連續(xù)不間斷的AC接地電路實現防止高壓電力系統(tǒng)遭受GIC (太陽風暴)和EMP E3脈沖，該AC接地電路使用開關控制的DC阻塞機構來消除地磁和EMP (E3脈沖)感生的電流。DC阻塞元件(包括一個或多個電容器、電阻器或其組合)在適當的位置硬連線，以對HV電力系統(tǒng)，例如對“Y”配置的HV變壓器或自耦變壓器的中點，提供不間斷的AC接地路徑。在正常操作下，第二平行接地路徑通過閉合的開關組件提供了非常低的阻抗的標準接地路徑。這里公開的連續(xù)接地系統(tǒng)提供了與標準變壓器接地機制兼容的接地機制，并且由此將不需要電力系統(tǒng)中繼設置的任何改變。當檢測到高DC (或準DC)電流或高諧波電源內容時，打開開關組件，由此阻塞或衰減系統(tǒng)中的DC或準DC電流。阻塞準DC或DC電流防止了變壓器的半周期飽和并且由此避免變壓器過多的無功功率損耗、過熱和損壞。此外，阻塞DC電流防止了在部分保護的變壓器中生成諧波。這樣的電力諧波可以潛在地使得電力系統(tǒng)中繼出錯，這能夠使得本地或大范圍斷電。此外，在這里公開的某些實施例中，在這樣的連續(xù)接地系統(tǒng)中包括的電氣保護電路被設計(配置)為在操作的正?；騁IC保護模式下處理接地故障。圖1是根據本披露的特征以及本披露的某些元件的物理布局保護的示例電氣設備的示意性前視圖。在所示的實施例中，一個電氣設備，示出為高壓變壓器100，被電子地連接至電氣保護電路102。根據圖2-9所示的實施例，電氣保護電路102可以例如包括至少一部分下面所述的設備。高壓變壓器100通常裝配到水泥臺上，為了穩(wěn)定并且與地隔離。電氣保護電路102電子地連接至如上所述的高壓變壓器100，封入外殼內，并且放在電子接地的支撐件103上。除了防止GIC事件之外，所有控制電子電路(半導體器件)被包括在EMP/IEMI屏蔽并且電濾波的外殼104中，外殼104電連接至電氣保護電路102和高壓變壓器100并且包括感應和切換控制電路105。應該知道，如果沒有屏蔽和濾波的外殼104，系統(tǒng)能夠保護變壓器防止GIC事件，但是不能防止EMPE3脈沖威脅。在某些實施例中，電氣保護電路102包括圖2-9中討論的DC阻塞元件和開關組件，而控制系統(tǒng)104保護感應和開關激勵電路；然而，可以向電子保護設備提供其他的元件布置?，F在參考圖2，根據本披露示出了電氣保護電路200的第一概括實施例。電路200通常連接在變壓器12 (在實施例中示出為Y變壓器)的變壓器中性點10和地14之間。電氣保護電路200包括開關組件202，開關組件202包括在變壓器中性點10和地14之間連接的電子控制的開關204。分流電阻206可以連接在開關204和地14之間，用于感應在變壓器中性點10和地14之間通過的DC電流。在某些實施例中，分流電阻206通常具有低電阻值，處于幾毫歐的數量級，以允許通過開關的低阻抗接地連接。在另一個實施例中，分流電阻206可以由霍爾效應電流傳感器或其他非接觸電流傳感器替代。此外，電子控制的高壓接地開關208可以連接在變壓器中性點10和開關204之間，例如以在接地故障事件的過程中保護開關204避免高電壓。在某些實施例中，地14可以連接至站接地網，而在其他實施例中，地14可以連接至接地的變壓器外殼。開關204可以是不同快速反應的電子控制開關的任一種，例如高壓電路斷路器開關。在所示的實施例中，開關204是通常閉合的連接，其可以通過電子控制輸入而被快速地打開。下面結合圖3進一步討論可以連接至控制輸入的示例感應控制電路。
DC阻塞元件210與開關組件202在變壓器中性點10和地14之間并聯。如在下面的例子中進一步說明，DC阻塞元件210可以包括一個或多個直流阻塞設備(例如電容器或電阻器)，能夠在地14和變壓器中性點10之間插入一些電流路徑的阻塞，從而防止變壓器中性點10中的破壞DC或準DC地電流，其將可能損壞變壓器12。根據特定應用，在保護電路302中可以應用電容性或電阻性(或其組合)阻塞設備210。此外，在某些實施例中，DC阻塞元件210硬連線至地14，由此即使開關204和208不小心發(fā)生故障，也可以向變壓器(或其他電力元件)提供AC地。
在正常操作中，變壓器中性點10通過開關組件202接地。即，開關組件202(包括開關204和高壓接地開關208)通常處于閉合位置。這對應于公用的標準接地，結果，例如這里公開的接地系統(tǒng)使用前不需要重新調節(jié)附著于其上的公用電氣設備。在第一操作模式中，不對DC阻塞元件210加電，因為開關組件在其周圍產生短路。如果操作在該正常操作模式中(無GIC)時檢測到接地故障，則通過開關組件的接地將處理接地故障電流直到電力系統(tǒng)中繼隔離了故障的設備。當檢測到在中性點至地連接中存在高電壓諧波或準DC電流時，GIC感應控制電子器件打開開關組件。在第二操作模式中，DC阻塞元件210向變壓器中性點提供AC接地。該操作模式防止與GIC或EMP E3事件相關聯的DC或準DC電流。該GIC保護模式保持操作直到電力系統(tǒng)操作員宣稱該事件結束并且重新閉合開關組件202。
在一些實施例中，為了說明GIC和接地故障同時發(fā)生的非常不可能的事件，會觸發(fā)電涌放電器(surge arrester)212,有時被稱為變阻器或MOV (金屬氧化物變阻器),或其他這樣的電涌放電設備，來保護阻塞元件210。開關組件208然后由來自通過變壓器中性點電流變壓器214的中繼檢測故障電流的信號而重新閉合，該信號然后將觸發(fā)高壓開關208以重新閉合。由此，電涌放電器212提供一個周期的接地故障內的初始接地，并且直到開關組件202可以被重新閉合。值得注意，該同時發(fā)生的事件(GIC和接地故障)的可能性實際上非常小，其可能絕不會在系統(tǒng)的生命周期內發(fā)生。
為了減小電涌放電器212的成本，期望使用低成本的作為犧牲設備的電涌放電器，使得它僅保護一個事件并且然后需要被替換。在電涌放電器已經被犧牲之后，它被設計為對地短路。第二個選項是使用開關在初始安裝中并入額外的電涌放電器，使得如果第一個放電器被犧牲，那么按照需要第二個可以被切換作為替代。第三個選項是在初始安裝中并入非常耐用的電涌放電器，其將確保該電涌放電器承受許多接地故障事件而不會失敗。
通過打開開關組件，圖2所示的DC阻塞元件210為變壓器中性點10提供AC接地路徑，同時阻塞由地磁風暴或EMP E3事件感生的DC或準DC。阻塞DC保護變壓器12不進入半周期飽和，半周期飽和可以使得變壓器過度的無功功率損耗、過熱、損壞甚至故障。此夕卜，阻塞DC還防止在電力系統(tǒng)中生成諧波，這可以防止電力中繼的跳閘、電力補償元件的斷開、過度的無功電力負擔以及電網的小或大部分的潛在崩潰。
此外，為了增加DC阻塞元件210的可靠性，可以使用多個電容器或電阻器的并聯組，使得如果這些電阻器和電容器中的一個或多個故障，其他的依然可用作阻塞元件。
此外，為了免于遭受故意的電磁干擾(IEMI)和/或電磁脈沖(EMP)的El和E2部分，這樣的系統(tǒng)的所有敏感的感應控制電子電路可以被放到屏蔽和電子濾波的外殼中，例如圖1的包含控制系統(tǒng)104的外殼。沒有在屏蔽外殼內的所有兀件不包含敏感的半導體電子器件，并且因此將幸免于EMP和IEMI事件。在感應控制電子電路沒有被放到屏蔽和電子濾波的外殼中的可選實施例中，依然保護變壓器不受地磁感生的GIC的影響。下面將更詳細地描述這樣的外殼的內容的額外細節(jié)?，F在參考圖3A，示出了根據本披露的可能實施例的連續(xù)的接地系統(tǒng)300，包括電氣保護電路302的第二示例實施例。在這個實施例中，電氣保護電路302總體對應于圖2的電路200，但是DC阻塞元件208被示出為電容器304。盡管在某些實施例中，使用了 15kV、300 μ F的電容器，但也可以使用其他類型的電容器。圖3Α還示出了根據本披露的可能實施例的感應控制電路310。感應控制電路310包括控制電子電路，例如感應控制模塊312，以及電流感應單元314。中繼控制電路316連接至感應控制模塊312，并且生成用于激勵開關204和208的開關控制輸出313。感應控制模塊312感應在GIC事件中半周期飽和的變壓器中生成的諧波。例如，模塊312可以包括諧波傳感器，其將測量位于一個變壓器相位上的來自標準電容電壓變壓器(CVO214的信號。當來自中性點DC電流或諧波傳感器的信號超過預設值時，發(fā)送信號以打開開關組件202中的兩個開關。預設值將由公共設施或電力系統(tǒng)工程師根據每個特定安裝的保護需要進行選擇。DC或準DC電流的預設值的典型范圍被期望處于大約5 - 50安培范圍內。電力諧波水平的預設值的典型范圍被期望處于大約1%到10%總體諧波失真(THD)的范圍內。電流感應電路314測量通過分流電阻206由地磁風暴引起的中性點DC或準DC電流，并且將該測量的結果發(fā)送給感應控制模塊312以按照需要觸發(fā)中繼控制電路316。在所示的實施例中，控制電路310被包括在屏蔽外殼320中，并且包括位于外殼320外周的多個濾波器322以防止高頻高功率電磁信號進入外殼，由此將敏感的控制和感應電子電路暴露在潛在的干擾和破壞下。濾波器322通?？梢允堑屯ɑ驇V波器，具有電涌抑制以抑制任何高壓信號進入外殼。在所示的實施例中，屏蔽的外殼322是ΕΜΡ/ΙΕΜΙ法拉第屏蔽外殼，在所有的門開口周圍具有導電的襯墊以提供通常從大約14kHz到IOGHz的電磁頻率的輻射保護 。此外，在所示實施例中，濾波器322位于電源輸入324上，以及CVT輸入326、運算器輸入和輸出328、開關控制輸出323和跨越分流電阻206的任一側連接的電流感應輸入330上。此外，在外殼320的內外的任何光纖通信將通過恰當的波導超出截止穿透而被濾波,這將固有地提供對EMP和IEMI事件的保護。操作中，當控制電路310檢測到GIC事件時，通過開關控制輸出313中繼控制電路316將打開低DC電壓開關，即開關204。這個動作之后，信號將打開高壓接地開關208。接地開關208然后將通常在地磁風暴事件的過程中保持打開，通常在若干小時到一天的量級。在此期間，DC阻塞元件210 (這種情況下電容器304)對變壓器12的變壓器中性點10提供AC地。在地磁風暴過去之后，通常由電力系統(tǒng)的操作者控制接地開關204和208的重新閉合。然而，一些公用設施的安裝可能傾向于配置它們的系統(tǒng)例如在預定時間周期之后自動地重新閉合開關。現在參考圖3B,示出了連續(xù)接地系統(tǒng)350的另一個示例實施例。在該示例實施例中，霍爾效應電流傳感器可選地用于替代分流電阻206和電流感應裝置314，用于測量變壓器中性點到地連接中的DC電流。在這樣的實施例中，霍爾效應傳感器將由于EMP或IEMI攻擊而犧牲。還存在以下問題:電容電壓變壓器(CVT) 214是否也由于EMP或IEMI攻擊而犧牲。
為了確保變壓器保護在這樣的攻擊下繼續(xù)其保護功能，電磁(EM)場檢測器352可以如圖所示加入該保護系統(tǒng)，通過濾波器322連接至感應控制電子電路312。檢測器352位于外殼320之外，并且允許檢測EMP El或E2脈沖或IEMI脈沖，其然后用于打開DC開關204并且由此打開在必要的變壓器保護中的開關。EM檢測器352可以安裝在控制殼體的頂部或側面，并且可以通過屏蔽導管連接至被保護的控制電子電路310。
在各種實施例中，可以使用不同類型的電磁場檢測器。在示例實施例中，電磁場檢測器可以包括在名為“Electromagnetic Field Detection Systems and Methods，，的未決美國專利申請N0.12/906, 902中描述的那些，其全部內容并入于此作為參考。
在操作中，即使霍爾效應傳感器和/或CTV214被電磁事件損壞或破壞，EM檢測器352也會打開DC開關204，這將保護HV變壓器10。
現在參考圖4，示出了使用圖3的連續(xù)接地系統(tǒng)300的測試布置400，其中可以執(zhí)行自測過程。根據本披露的各種實施例，測試布置400允許手動或自動測試(例如在預設間隔)。根據所示的實施例，可以如下實現一個示例測試:打開開關組件202并且從電力系統(tǒng)(50或60Hz或其諧波)向變壓器中性點連接注入不同頻率的電壓，例如使用AC電壓源404，并且同時測量在該測試頻 率通過電容器的電流。該電流的值與注入的電壓值一起給出了電容器(或電阻器)的電容(或電阻)的測量。如下給出電容器C:
C=I/ V，其中I是通過電容器的電流，V是注入的電壓并且是注入的電壓的角頻率(《=2 Hf)。對于電阻阻塞設備的情況下，電阻值如下給出:R=V/I。
由此，如果在注入的信號的頻率測量的電容值(或電阻值)處于其最初安裝的特定值的標稱可接受范圍內，那么該自測驗證了電容器(電阻器)處于工作條件并且對于GIC或EMP E3事件做好準備。如果電容值(或電阻值)處于給定可接受范圍之外，那么將生成表示保護系統(tǒng)需要進一步診斷以確定不符合的電容值讀取的根本原因的消息。并且如果電容器(或電阻器)、開關或其他元件不能正確工作，則可能需要替換故障元件。
如果電阻器用作DC阻塞設備，可以執(zhí)行與上面所述的電容器情況類似的自測。在這種情況下，注入的信號可以用于測量電阻器的電阻值，以確保其滿足特定值。
為了對EMP El和E2脈沖進行保護，在該自測配置中使用的電壓和諧波注入源404,406,408將與在這個測試布置400中的其他敏感的電子電路元件一起被裝入屏蔽外殼320中。在該自測配置中使用的電流傳感器402可以是霍爾效應電流傳感器，因為霍爾效應電流傳感器是具有集成的放大器的半導體器件，其將由于EMP或高功率IEMI事件而犧牲。
圖4的測試布置400還示出了其中可以執(zhí)行測試電子感應控制電子電路的布置?？梢栽陬A設間隔上手動或自動執(zhí)行測試。該額外的測試可以通過使用DC注入電壓元件408將DC信號注入變壓器中性點連接而執(zhí)行，由此產生通過開關組件202和通過分流電阻206的DC電流。如果感應控制電子電路正確工作，這樣模擬DC GIC電流的存在，并且使得開關組件打開。然后重新閉合開關以回到正常操作模式。以類似的方式，諧波信號可以從諧波信號發(fā)生器406注入到CVT214連接，由此模擬GIC諧波事件。如果諧波感應控制電子電路正常工作，這將使得開關組件打開。然后開關可以被重新閉合以返回到正常操作模式。
圖5示出了根據本披露的可能實施例的電氣保護電路500的另一個示例實施例。在該實施例中，電阻器502與圖3-4的電容器304串聯放置，從而防止由電容器和變壓器感應的組合引起的鐵磁諧振。在這個布置中，電涌放電器212保持與電容器304而不是電阻器502并聯。通常電阻器502的電阻值處于若干(0.5-3)歐姆或更少的量級，以匹配50-60HZ系統(tǒng)的電容器的阻抗。對于該實施例，所有開關元件和GIC感應電子電路保持與圖3-4所示的相同。在圖6-7中，示出了額外的實施例，其中可以應用不同等級的電阻值作為DC阻塞兀件210的一部分。在圖6中，電氣保護電路600包括與開關604a_c相關聯的一組并聯電阻602a-c，開關604a-c與每個電阻器602串聯連接，用于提供對地磁風暴或EMP事件的E3部分不同等級的保護。可以根據在特定安裝所需的DC阻塞或衰減的范圍來調整并聯的電阻602和相關的開關604的數目。在該實施例中，控制電路310將包括多個預設諧波和中性點DC電流閾值等級，以控制將感應事件的嚴重性的開關以能夠控制將被切換進入服務的電阻器602的數目。在所示的實施例中，包括另一個電阻器601與電阻器602a-c并聯，以當所有開關打開時確保一定水平的電阻值。在圖7中，電氣保護電路700包括并聯連接的一組串行電阻器702a_c和相關的開關704a-c，用于提供對地磁風暴或EMP事件的E3部分的各種等級的保護。額外的電阻器701與電阻器702a-c串聯連接，以確保當開關704a_c閉合時，在變壓器中性點12和地14之間的路徑中保持一定的電阻值?？梢愿鶕谔囟ò惭b所需的DC阻塞或衰減的范圍來調整串聯的電阻器702和相關的開關704的數目。在該實施例中，感應控制電子電路將還需要能夠感應事件的嚴重性，以能夠控制將被切換進入服務的電阻器的數目。圖8示出了根據本披露的另一個可能實施例的連續(xù)接地系統(tǒng)800的另一個示例實施例。與如上描述的相比較，連續(xù)接地系統(tǒng)800通常包括多個電阻器和開關，用于保護變壓器10例如不受變壓器處高的磁感應電流(GIC)或高的總諧波信號的影響。與圖2的電子保護系統(tǒng)200相比，系統(tǒng)800包括分壓器電路，具有串聯的阻塞元件810a和810b，與電涌放電器812a-b并聯并且與開關組件802a-b并聯。開關組件802a_b中的每一個包括高壓地開關808a-b和DC開關804a-b。多個開關組件的使用允許對高壓地開關808a_b的減小的承受電壓需求。減小該承受電壓需求允許使用標準的市售高壓接地開關808。圖9是根據另一個可能實施例的電子保護設備中使用的電路900的另一個示例示意圖。在該實施例中，電路900通常類似于圖5中所示的電路，但是使用額外的串聯的電阻器。在該實施例中，多個開關組件904a_c和906a_c并聯連接，每個允許連接系列電阻器902a-c中的一個。在所示的實施例中，電阻器902a-c通常具有2歐姆的電阻值，然而，也可以使用其他電阻值。在每個電阻器之間，分開的開關904a-c和906a-c連接至地14。每個開關904a_c與保護接地開關906a_c串聯連接。具體地，在該實施例中，通過逐漸打開開關組件904a_c和906a_c可以將更多的阻塞電阻加入到電路中。盡管在圖6-7和9的實施例中，使用了三個電阻器的布置，應該理解也可以使用另外的數目的電阻器。盡管在所示的實施例中提供了特定電路參數，但應該理解到也可以使用與本說明書的討論相一致的其他電路元件或電路參數?，F在參考圖10，示出了示例設備臺1000。該設備臺1000可以用于存儲和保護電路，例如如上述圖2-9所示的位于電力站，或者在接近于要被保護的電氣設備的一些其他位置。在一些實施例中，設備臺1000表示了其上可以裝配圖1的電氣保護電路102的結構的實施例。
在所述實施例中，設備臺1000包括由多個支撐腿1004支撐的平臺1002。每個支撐腿1004貼有樁材1006并且立于樁材1006上。每個樁材1006優(yōu)選地灌注或浸沒在地下，并且提供彈性基底，設備臺位于該彈性基底上。
設備臺1000的平臺1002包括具有由框架1012支撐的開口結構1010的頂面1008。在一些實施例中，開口結構1010具有柵格或者有孔，或其他布置，使得表面上不會累積水或雪。平臺結構將通常根據電力工業(yè)標準而電子接地。
在所示的實施例中，整個臺1000大約6英尺寬、3英尺長、10英尺高。在其他實施例中，臺10大約10英尺寬、4英尺長、10英尺高。在另一個實施例中，臺10大約16英尺寬、4英尺長、10英尺高。也可以使用其他尺寸。
在所示的實施例中，設備臺1000由鍍鋅鋼制造，包括支撐腿和頂面。樁材1006可以是混凝土或其他彈性材料，包括恰當的螺形的錨。在可選實施例中，設備臺1000可以由可選的金屬或其他剛性和不受天氣影響的材料制成。
總體來說，設備臺1000提供相對小的覆蓋區(qū)和低成本結構，其能夠在工廠組裝并且是可折疊的以易于運輸。臺1000被構造為在電力子站點容易重新安裝。
如結合圖11進一步示出的，設備臺1000通常被構造為支撐可以用于阻塞有害的DC中性點電流的任何必要的電子保護元件，該DC中性點電流可以是由地磁風暴(地磁感應的電流-GIC)或與電磁脈沖(EMP)武器相關的E3脈沖引起的。在臺1000上圖11所示的元件是電容器組1014、高功率電阻器1016和電涌放電器1018。電容器組1014可以包括一個或多個電容器，并且可以是多個不同配置的任一個。在一個示例實施例中，電容器組1014可以對應于如上所述的電容器304。電阻器1016可以例如是I歐姆功率電阻器，用于承受高電流應用。在某些實施例中，電阻器1016可以對應于如上所述的功率電阻器502。
在所示的實施例中，電容器組1014在接地位置和高壓變壓器的中性點之間與電阻器1016串聯連接。在一些實施例中，電阻器1016由放置在開口結構1010上的電阻器1016之下的絕緣墊(未顯示)通過設備臺與接地連接分離。也可以使用其他電子隔離技術。
電涌放電器1018連接在接地點和高壓變壓器的中性點之間。在一些實施例中，電涌放電器1018對應于上述電涌放電器212。在某些實施例中，電涌放電器1018在其上面有金屬保護盒，該金屬保護盒在其底部是打開的，使得如果放電器進入其壓力釋放模式，則任何釋放的氣體或碎片將朝向地導向，從而不損壞任何其他設備。在臺上電涌放電器下面容納的任何設備將被適當地屏蔽以防止損壞這樣的設備。
在臺1000的左上側是高壓接地開關1020。接地開關1020由從臺1000的底部延伸的軸1023連接至馬達驅動器1022。在臺1000的底部上具有DC斷開開關1024和分流電阻1026。DC斷開開關1024允許臺1000上的電路從用于服務的高壓變壓器斷開。
可選地，控制電子電路可以被包括在接近設備臺1000的位置處，用于控制一個或多個電子元件。在一些實施例中，控制電子電路可以被容納在電屏蔽外殼中以防止損壞電子電路。
為了電子地互連各種元件，可以使用一個或多個電子導體1050和接地電子導體1060。導體1050安裝在若干高壓絕緣體1030上。電子套管1040也示出在電容器、功率電阻器和電涌放電器的頂部。EMP和IEMI保護的電子電路(例如上述電子電路310)將通常但不總是容納在子站控制殼體(建筑物)中。
此外，在某些實施例中，為了安全的原因，臺1000將具有圍繞底部的適合的圍欄，使得人不能進入臺底下的區(qū)域。此外，盡管在所示實施例中示出了電氣設備的特定布置，但在可選實施例中，其他電氣連接也是可能的。結合上述圖2 - 9示出了示例電氣連接?？偟膩碚f，應該認識到本披露的各種實施例提供了關于電路保護的多個優(yōu)點，特別是關于AC電氣設備的接地連接處的諧波信號或DC電流信號，AC電氣設備例如是用于電力生成和分配的變壓器。例如，阻塞DC或準DC中性點電流防止變壓器核心中的半周期飽和，這進而防止變壓器過熱、損壞或故障。此外，DC阻塞還通過減小諧波而改善電力質量，諧波可以激活電力系統(tǒng)中繼并且引起重大的不穩(wěn)定以及斷電。這個極大地防止了公共設施電力系統(tǒng)中繼的跳閘，電力補償和其他關鍵元件的斷開，并且進而避免GIC或EMP事件中電網的部分或全部崩潰。上述說明、實例和數據給出了本發(fā)明的制品的制造和使用的完整描述。由于可以進行本發(fā)明的許多實施例而不偏離本發(fā)明的精神和范圍，因此本發(fā)明由所附的權利要求限定。
權利要求
1.一種連續(xù)接地系統(tǒng)，用于包括變壓器的交流系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括: (a)開關組件，連接在變壓器的變壓器中性點和地之間，所述開關組件具有打開位置和閉合位置，所述打開位置通過開關中斷電氣連接和地連接之間的路徑，并且所述閉合位置通過開關組件建立將電氣連接連接至地連接的路徑，其中在交流電氣設備的正常操作中，所述開關保持在閉合位置；以及 (b)DC阻塞元件，與開關組件并聯并且連接在地連接和地之間；以及 (C)控制電路，用于控制開關組件，所述控制電路包括傳感器，用于在檢測到在變壓器的功率相位中的諧波信號或者在變壓器中性點和地之間的DC或準DC電流的預定閾值的時候激勵開關組件至打開位置。
2.根據權利要求1所述的連續(xù)接地系統(tǒng)，其中，DC阻塞元件是在變壓器中性點和地之間與開關組件并聯的電容器。
3.根據權利要求1所述的連續(xù)接地系統(tǒng)，其中，控制電路包括諧波傳感器，用于檢測變壓器中的諧波信號。
4.根據權利要求1所述的連續(xù)接地系統(tǒng)，其中，控制電路包括電流傳感器，用于檢測通過開關組件在變壓器中性點和地之間流動的DC電流。
5.根據權利要求1所述的連續(xù)接地系統(tǒng)，其中，DC阻塞元件包括多個電阻器，每個電阻器由對應的開關組件選擇性地加入到DC阻塞元件。
6.根據權利要求5所述的連續(xù)接地系統(tǒng)，其中，所述多個電阻器的每一個在變壓器中性點和地之間串聯連接，并且其中與每個電阻器相關聯的開關與開關組件并聯連接，由此打開每個開關組件將相關的電阻器加入到DC阻塞元件。
7.根據權利要求5所述的連續(xù)接地系統(tǒng)，其中，所述多個電阻器的每一個在變壓器中性點和地之間并聯連接，并且其中與每個電阻器相關聯的開關組件與該開關組件串聯連接，由此閉合每個開關組件將相關的電阻器加入到DC阻塞元件。
8.根據權利要求5所述的連續(xù)接地系統(tǒng)，由此根據DC直流或諧波信號的嚴重性調整DC阻塞元件的總電阻值。
9.根據權利要求1所述的連續(xù)接地系統(tǒng)，還包括電涌放電器，與DC阻塞元件并聯地電連接并且處于變壓器中性點和地之間，所述電涌放電器用于保護不受在連續(xù)接地系統(tǒng)中發(fā)生的并發(fā)的地磁感應的電流和地故障的影響。
10.根據權利要求1所述的連續(xù)接地系統(tǒng)，還包括分流電阻，與開關組件串聯地電連接，并且處于開關組件和地之間。
11.根據權利要求1所述的連續(xù)接地系統(tǒng)，還包括處于開關組件和地之間與開關組件串聯連接的霍爾效應電流傳感器。
12.根據權利要求1所述的連續(xù)接地系統(tǒng)，還包括在DC開關和變壓器中性點之間與DC開關串聯地電連接的接地開關，所述接地開關用于保護DC開關不受高壓影響。
13.根據權利要求1所述的連續(xù)接地系統(tǒng)，其中，控制電路容納在電磁屏蔽的外殼內，控制電路還包括多個濾波器，所述多個濾波器位于電磁屏蔽的外殼的外圍并且用于保護控制電路不受電磁屏蔽的外殼附近的電磁干擾的損壞。
14.根據權利要求13所述的連續(xù)接地系統(tǒng)，其中，開關組件與電磁屏蔽的外殼分離但是與電磁屏蔽的外殼電連接。
15.根據權利要求13所述的連續(xù)接地系統(tǒng)，還包括電磁場檢測器，電連接至控制電路并且位于電磁屏蔽的外殼外部。
16.—種電氣保護電路,包括: (a)開關組件，連接在變壓器的地連接和地之間，所述開關組件具有打開位置和閉合位置，所述打開位置通過開關組件中斷電氣連接和變壓器中性點之間的路徑，并且所述閉合位置通過開關組件建立將電氣連接連接至變壓器中性點的導電路徑，其中對于交流電氣設備的正常操作，開關組件保持在閉合位置；以及 (b)DC阻塞元件，與開關組件并聯并且連接在變壓器中性點和地之間； 其中，開關組件通過電子控制輸入在閉合位置和打開位置之間可移動，在變壓器的至少一個相位中的諧波信號或者在變壓器中性點和地之間DC或準DC電流的預定閾值出現的時候，電子控制輸入激勵開關組件至打開位置。
17.根據權利要求16所述的電氣保護電路，其中，DC阻塞元件選自由一個或多個電容器和一個或多個電阻器組成的組。
18.根據權利要求16所述的電氣保護電路，其中，DC阻塞元件的總電阻值可調節(jié)以適應DC或準DC電流的嚴重性或諧波信號的嚴重性。
19.根據權利要求16所述的電氣保護電路，還包括電涌放電器，與DC阻塞元件并聯地電連接并且處于變壓器中性點和地之間，所述電涌放電器用于保護不受與處于阻塞模式的保護電路同時發(fā)生的地故障的影響。
20.一種保護交流電路中的電氣設備不會由于直流電流或諧波效應而損壞的方法，所述方法包括: 在交流電路的正常操作過程中保持開關組件處于閉合位置，所述開關組件電連接在電氣設備的中性點和地之間；以及 在檢測到預定閾值之上的諧波信號或者預定閾值之上的DC電流的時候，打開開關組件，由此通過在電氣設備的中性點和地之間與開關組件并聯地電連接的DC阻塞元件將DC電流與地阻塞。
21.根據權利要求20所述的方法，還包括，在檢測到諧波信號或DC或準DC電流處于第二預定閾值之上時，激活 一個或多個開關來改變中性點和地之間的路徑中包括的DC阻塞元件的數目。
22.根據權利要求20所述的方法，其中，檢測諧波信號發(fā)生在電連接至開關組件的控制輸入的控制電路中的諧波傳感器處。
23.根據權利要求20所述的方法，其中，檢測DC或準DC電流發(fā)生在連接至開關組件的控制輸入的控制電路中的電流傳感器處。
24.一種測試測電氣保護電路的方法，包括: 打開在變壓器中性點和地之間連接的開關組件； 將來自變壓器電壓頻率的不同頻率的交流電壓注入到變壓器中性點上； 在注入交流電壓的同時測量通過DC阻塞元件的電流； 確定測量的電流是否表現預設限制內的電特性；以及 如果在預設限制之外，指示在電氣保護電路中存在故障。
25.根據權利要求24所述的方法，其中，測試方法以預設間隔自動執(zhí)行。
26.一種測試電氣保護電路的方法，包括: 將直流信號注入到變壓器中性點上； 確定在變壓器中性點和地之間連接的開關組件是否響應于直流信號打開； 如果開關組件沒有打開，指示在電氣保護電路中存在故障。
27.—種電氣設備臺,包括: 頂面，具有開口結構； 多個支撐腿，保持頂面處于地面之上的高度，支撐腿裝配在一個或多個接地樁材上； 電氣設備，位于頂面上并且在高功率變壓器和地之間電連接。
28.根據權利要求27所述的電氣設備臺，還包括位于電氣設備附近的控制電子電路。
29.根據權利要求27所述的電氣設備臺，其中，電氣設備包括: 開關組件，連接在變壓器的變壓器中性點和地之間，所述開關組件具有打開位置和閉合位置，所述打開位置通過開關中斷電氣連接和地連接之間的路徑，并且所述閉合位置通過開關組件建立將電氣連接連接至地連接的路徑，其中在交流電氣設備的正常操作中，所述開關保持在閉合位置；以及 DC阻塞元件，與開關組件并聯并且連接在地連接和地之間。
全文摘要
公開了用于包括變壓器的交流系統(tǒng)中的連續(xù)接地系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括開關組件，連接在變壓器的變壓器中性點和地之間，所述開關組件具有打開位置和閉合位置，所述打開位置通過開關中斷電氣連接和變壓器中性點之間的路徑，并且所述閉合位置建立通過開關組件將電氣連接連接至變壓器中性點的路徑，其中在交流電氣設備的正常操作中，開關組件保持在閉合位置。該系統(tǒng)還包括DC阻塞元件，與開關組件并聯并且連接在變壓器中性點和地之間。該系統(tǒng)還包括控制電路，用于控制開關組件，控制電路包括傳感器，用于在檢測到在一個變壓器相位的預定的諧波信號閾值或者在變壓器中性點和地之間的DC電流的預定閾值的時候激勵開關組件至打開位置。
文檔編號H02H3/52GK103222145SQ201180040317
公開日2013年7月24日 申請日期2011年7月19日 優(yōu)先權日2010年7月20日
發(fā)明者弗雷德里克·R·法克斯沃格, 華萊士·詹森, 蓋爾·諾德林, 格雷格·富克斯, 戴維·布雷克·杰克森, 特里·李·沃爾克曼, 詹姆斯·尼古拉斯·魯厄爾, 布萊恩·格羅 申請人:恩普里默斯有限責任公司