一种具有防雷功能的直流电网馈入保护装置 |
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| 申请号 | CN202311366322.3 | 申请日 | 2023-10-20 | 公开(公告)号 | CN117374899B | 公开(公告)日 | 2024-04-30 |
| 申请人 | 中科智寰(北京)科技有限公司; | 发明人 | 马永健; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种具有防雷功能的直流 电网 馈入保护装置，包含：直流单向 阀 组、逆导型馈入 开关 防雷组件、正负极对地金属 氧 化物避雷器、主 接触 器、 隔离开关 、 电流 检测装置，其中逆导型防雷组件包含 二极管 阀组和压敏 电阻 。馈入保护装置正常工作时，防雷组件的二极管处于截止状态，反向承受稳态直流 电压 ，压敏电阻承受高频纹波电压；当反极性雷电波到来后，防雷组件中的二极管处于导通状态，确保电网能够稳定运行。本发明提供了一种简洁的拓扑结构，可以不增加二极管阀组导通损耗的情况下，使二极管阀组能够耐受反极性雷电波，进而可以显著降低系统损耗。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种具有防雷功能的直流电网馈入保护装置，其特征在于，包括直流单向阀组、逆导型馈入开关防雷组件、正负极对地金属氧化物避雷器、主接触器、隔离开关、电流检测装置； |
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| 说明书全文 | 一种具有防雷功能的直流电网馈入保护装置技术领域背景技术[0002] 近年来，随着我国产业转型的推进，水电、风电、光伏等可再生能源占据越来越重要的地位。光伏、风电本身具备的随机性、间歇性等特征，易对传统交流 配电系统稳定性产生负面影响，降低电能的质量和利用效率。此外，新型直流负载的出现，如大型数据中心、电动汽车和智能家居等，对配电网的可靠性和灵活性提出了更高的要求。 [0003] 中压直流电网为额定电压在5千伏（kV）到60千伏之间的直流电网，典型电压为20kV，主要用于中等规模电力传输，以满足区域性负荷的电力需求。由于中压直流电网主要运行于野外和偏远郊区，容易受到极端天气条件的干扰，例如大雨和强雷电等情况。因此，如何确保电网在极端气候下依然稳定运行，减少电网故障的风险，以确保负荷用电的可靠性成为一项关键挑战。 [0006] 电力电子型直流断路器能够提供极快的断路速度和很好的短路分断能力，但 造价较高、损耗较大。 [0007] 混合型直流断路器结合了机械型和电力电子型断路器的特点，短路电流分断能力较强，工作损耗较小，但动作速度较慢，造价很高。 [0008] 逆止型馈入保护开关为一种针对功率流入直流电网的支路的较优的保护装置，同时具有较低的造价、较低的损耗、快速的短路电流分断能力。但其采用了二极管作为保护器件，在雷电波到来时，二极管容易被较高的暂态电压破坏，而通过增加串联二极管的数量来提升防雷能力会大幅增加导通损耗和设备造价。 [0009] 典型情况下，系统采用的压敏电阻型避雷器的剩余电压为额定电压的2倍以上，因此为了应对这种高剩余电压，如果通过增加串联二极管的数量来提升其防雷能力，将需要将串联的二极管数量增加至原先的2倍以上，但这不可避免地导致了运行时二极管导通损耗的显著增加。采用增加二极管数量来提升防雷能力的 直流电网馈入型保护装置如附图4所示。 [0010] 针对上述现有技术中的缺点，本发明描述了一种逆导防雷型直流电网馈入型保护装置，可以不增加二极管阀组导通损耗的情况下，使二极管阀组能够耐受反极性雷电波，进而可以显著降低系统损耗，提高系统效率。 发明内容[0011] 针对上述问题，本发明提出一种具有防雷功能的直流电网馈入保护装置，其特征在于：一种具有防雷功能的馈入保护装置，其特征在于，包括直流单向阀组、逆导型馈入开关防雷组件、正负极对地金属氧化物避雷器、主接触器、隔离开关、电流检测装置、电压检测装置、散热风机，其中：所述隔离开关一般包含线路侧隔离开关和母线侧隔离开关。 [0012] 作为进一步的技术方案，所述逆导型馈入开关防雷组件的拓扑结构包含串联的防雷阀组、压敏电阻；所述防雷阀组包括两组二极管阀组；所述二极管阀组通过二极管串联组成；所述二极管上并联有静态和动态均压电路；所述静态均压电路一般为均压电阻；所述动态均压电路一般为电阻、电容串联电路；所述压敏电阻并联有静态均压电阻。 [0013] 作为进一步的技术方案，所述逆导型馈入开关防雷组件安装在线路侧正极与负极之间，逆导型馈入开关防雷组件的负极与线路正极相连，正极与线路负极相连； 所述逆导型馈入开关防雷组件的负极为：连接二极管阀组阴极的一端。 [0014] 作为进一步的技术方案，所述的逆导型馈入开关防雷组件包含非对称性拓扑结构和对称性拓扑结构；所述对称性拓扑结构包含二极管阀组1、压敏电阻、二极管阀组2，通过串联的方式连接；所述对称性拓扑结构的连接形式为：二极管阀组1的阳极和二极管阀组2的阴极分别连接于压敏电阻两侧，二极管阀组1的阴极与线路正极相连，二极管阀组2的阳极与线路负极相连。 [0015] 当反极性雷电波到来时，逆导型馈入开关防雷组件中的二极管导通，使馈入保护开关的主二极管阀组不承受反向电压，具体的物理过程为： [0016] 情形1：正极性雷电波击中负极线路时，雷电流流入与负极相连的二极管阀组的阳极，并经过与防雷阀组串联的压敏电阻，从防雷阀组的阴极流入正极单向阀组的二极管的阳极，从正极单向阀组的二极管的阴极注入电网的正极，并通过正极的金属氧化物避雷器对地泄放。在此过程中，防雷二极管阀组、正极单向阀组的二极管均正向导通，负极单向阀组承受的反向截止电压为电网电压、防雷阀组的正向导通压降、正极单向阀组的正向导通压降、压敏电阻的残压之和，仅稍高于电网电压，而不会超过电网电压很多。 [0017] 情形2：负极性雷电波击中正极线路时，雷电流从地通过负极的金属氧化物避雷器流入电网的负极，而后从电网的负极流入负极单向阀组的二极管的阳极，然后从其阴极流入防雷阀组的二极管的阳极，并经过与防雷阀组串联的压敏电阻，从防雷阀组的阴极流入雷击点。在此过程中，防雷二极管阀组、负极单向阀组的二极管均正向导通，正极单向阀组承受的反向截止电压为电网电压、防雷阀组的正向导通压降、负极单向阀组的正向导通压降、压敏电阻的残压之和，仅稍高于电网电压，而不会超过电网电压很多。 [0018] 情形3：正极性雷电波击中正极线路时，雷电流直接通过正极单向阀组流入电网的正极，并通过正极的金属氧化物避雷器对地泄放。 [0019] 情形4：负极性雷电波击中负极线路时，雷电流从地通过负极的金属氧化物避雷器流入电网的负极，而后从电网的负极流入负极单向阀组的阳极，然后从其阴极流入雷击点。 [0020] 本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果： [0021] 1、公开了一种逆导防雷型直流电网馈入型保护系统，在不增加二极管阀组导通损耗的情况下，使二极管阀组能够耐受反极性雷电波，可以显著降低系统损耗，提高系统效率； [0022] 2、采用简洁的拓扑结构，用二极管给反极性雷电波提供电流通路，同时采用压敏电阻承受高频纹波电压； [0023] 3、采用简洁的拓扑结构，主电流通道上二极管串联数量少，损耗小，性价比高。 附图说明[0024] 此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本发明的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。 [0025] 图1：对称拓扑的馈入保护防雷系统实施方案。 [0026] 图2：非对称拓扑的馈入保护防雷系统实施方案。 [0027] 图3：直流电网整体示意图及馈入保护防雷装置的安装实例。 [0028] 图4：中压直流电网现在采用的防雷措施。 具体实施方式[0029] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。 [0030] 实施实例一 [0031] 附图1表述了具有防雷功能的馈入保护装置的基本构成，主要包括直流单向 阀组、逆导型馈入开关防雷组件、正负极对地金属氧化物避雷器、主接触器、隔离开关、电流检测装置、电压检测装置、散热风机，其中：所述隔离开关一般包含线路侧隔离开关和母线侧隔离开关。 [0032] 所述逆导型馈入开关防雷组件的拓扑结构包含：串联的防雷阀组、压敏电阻；所述防雷阀组包括两组二极管阀组；所述二极管上并联有静态和动态均压电路；所述静态均压电路一般为均压电 阻；所述动态均压电路一般为电阻、电容串联电路；所述压敏电阻并联有静态均压电阻。 [0033] 作为进一步的技术方案，所述逆导型馈入开关防雷组件安装在线路侧正极与负极之间，逆导型馈入开关防雷组件的负极与线路正极相连，正极与线路负极相连；所述逆导型馈入开关防雷组件的负极为：连 接二极管阀组负极的一端。 [0034] 作为进一步的技术方案，所述的逆导型馈入开关防雷组件包含非对称性拓扑结构和对称性拓扑结构；所述对称性拓扑结构包含二极管阀组1、压敏电阻、二极管阀组2，通过串联的方式连接；所述对称性拓扑结构的连接形式为：二极管阀组1的阳极和二极管阀组2的阴极分别连接于压敏电阻两侧，二极管阀组1的负极与线路正极相连，二极管阀组2的正极与线路负极相连。 [0035] 附图2展示了非对称拓扑的馈入电流保护防雷系统实施方案：所述对称性拓 扑结构由二极管阀组和压敏电阻串联组成；系统的工作原理为：反极性雷电波到来时，逆导型馈入开关防雷组件中的二极管导通，使馈入保护开关的主二极管阀组不承受反向电压，非对称拓扑的整体特性与对称拓扑相近，一般根据设备的结构布局方式进行选用。 [0036] 实施实例二 [0037] 附图3表述为馈入保护防雷系统的应用实例：光伏、风电本身具备的随机性、间歇性等特征，易对传统交流配电系统稳定性产生负面影响，降低电能的质量和利用效率。此外，新型直流负载的出现，如大型数据中心、电动汽车和智能家居等，对配电网的可靠性和灵活性提出了更高的要求。 [0038] 中压直流电网为额定电压在5千伏（kV）到60千伏之间的直流电网，典型电压为20kV，主要用于中等规模电力传输，以满足区域性负荷的电力需求。由于中压直流电网主要运行于野外和偏远郊区，容易受到极端天气条件的干扰，例如大雨和强雷电等情况。因此，如何确保电网在极端气候下依然稳定运行，减少电网故障的风险，以确保负荷用电的可靠性成为一项关键挑战。 [0039] 附图3中展示了风电、光伏等清洁能源从产生到用户终端的流动框架：通过电力电子变压器将光伏、风电等设备产生的电能进行升压，降低电能远距离传输时的损耗，实现清洁能源的并网；实施过程中，将风电、光伏电能在接入中压直流电网前，需要在支路安装馈入保护防雷系统，防止极端天气对电网造成损害， 从而提升电网的稳定性和可靠性。 [0040] 逆止型馈入保护开关为一种针对功率流入直流电网的支路的较优的保护装置，同时具有较低的造价、较低的损耗、快速的短路电流分断能力。但其采用了二极管作为保护器件，在雷电波到来时，二极管容易被较高的暂态电压破坏，而通过增加串联二极管的数量来提升防雷能力会大幅增加导通损耗和设备造价。 [0041] 典型情况下，系统采用的压敏电阻型避雷器的剩余电压为额定电压的2倍以上，因此为了应对这种高剩余电压，如果通过增加串联二极管的数量来提升其防 雷能力，将需要将串联的二极管数量增加至原先的2倍以上，但这不可避免地导致了运行时二极管导通损耗的显著增加。采用增加二极管数量来提升防雷能力的直流电网馈入型保护装置如附图4所示。 [0042] 实施实例三 [0043] 电网额定电压±10kV，馈入开关的额定电流为400A；防雷阀组分采用对称式结构，分为2组二极管阀组，位于压敏电阻两侧，每组二极管阀组由6只二极管组成，每只二极管额定电压6.5kV，额定电流300A；动态均压电路采用RC串联电路，电阻的阻值为15Ω，额定功率为100W，电容为0.33uF，电容额定电压为6.5kV。 [0044] 二极管静态均压电路采用均压电阻，阻值为300kΩ，功率100W。 [0045] 串联在阀组上的压敏电阻的动作电压2.5kV，残压4kV，泄放能量15kJ；压敏电阻并联的均压电阻100kΩ，额定功率100W。 [0046] 当反极性雷电波到来时，逆导型馈入开关防雷组件中的二极管导通，使馈入保护开关的主二极管阀组不承受反向电压，具体实例中依据雷电波的极性及作用位置，系统工作过程中的电流流向为： [0047] 情形1：正极性雷电波击中负极线路时，雷电流流入与负极相连的二极管阀组的阳极，并经过与防雷阀组串联的压敏电阻，从防雷阀组的阴极流入正极单向阀组的二极管的阳极，从正极单向阀组的二极管的阴极注入电网的正极并通过正极的金属氧化物避雷器对地泄放。在此过程中，防雷二极管阀组、正极单向阀组的二极管均正向导通，负极单向阀组承受的反向截止电压为电网电压、防雷阀组的正向导通压降、正极单向阀组的正向导通压降、压敏电阻的残压之和，仅稍高于电网电压，而不会超过电网电压很多。 [0048] 情形2：负极性雷电波击中正极线路时，雷电流从地通过负极的金属氧化物避雷器流入电网的负极，而后从电网的负极流入负极单向阀组的二极管的阳极，然后从其阴极流入防雷阀组的二极管的阳极，并经过与防雷阀组串联的压敏电阻，从防雷阀组的阴极流入雷击点。在此过程中，防雷二极管阀组、负极单向阀 组的二极管均正向导通，正极单向阀组承受的反向截止电压为电网电压、防雷阀组的正向导通压降、负极单向阀组的正向导通压降、压敏电阻的残压之和，仅稍高于电网电压，而不会超过电网电压很多。 [0049] 情形3：正极性雷电波击中正极线路时，雷电流直接通过正极单向阀组流入电网的正极，并通过正极的金属氧化物避雷器对地泄放。 [0050] 情形4：负极性雷电波击中负极线路时，雷电流从地通过负极的金属氧化物避雷器流入电网的负极，而后从电网的负极流入负极单向阀组的阳极，然后从其阴极流入雷击点。 [0051] 以上所述的具体实施方法，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 |
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