(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202011173844.8
(22)申请日 2020.10.28
(71)申请人 西安交通大学
地址 710049 陕西省西安市咸宁西路28号
(72)发明人 杨兰均 史宇昊 刘帅
(74)专利代理机构 西安通大专利代理有限责任
公司 61200
代理人 高博
(51)Int.Cl.
H02H 9/02(2006.01)
H02H 9/04(2006.01)
(54)发明名称
(57)摘要
本发明公开了一种10kV电容限流取电装置
及保护方法，电力系统相电压在额定值的±10％
范围内，负载不大于取电装置额定负载时，稳压
频过电压作用在取电装置时，第二保护模块动
第二保护模块，第一保护模块不动作，稳压模块
正常工作；当电力系统中的雷电及操作冲击过电
压作用在取电装置时，第一保护模块动作，使得
浪涌电流流经高压取电电容与第一保护模块，限
制取电装置瞬时电压峰值，第二保护模块不动
作，稳压模块正常工作。本发明保护方法可使各
保护模块相互配合，保证在10kV电力系统各类工
况下、负载各种变化下本电容限流取电装置的安
全可靠运行。权利要求书2页 说明书7页 附图2页CN 112600182 A 2021.04.02
C N 112600182
A
1.一种10kV电容限流取电保护方法，其特征在于，电力系统相电压在额定值的±10％范围内，负载不大于取电装置额定负载时，稳压模块保证取电装置电压稳定；当电力系统中的工频过电压作用在取电装置时，第二保护模块动作，使工频过电流流经高压取电电容、变压器与第二保护模块，第一保护模块不动作，稳压模块正常工作；当电力系统中的雷电及操作冲击过电压作用在取电装置时，第一保护模块动作，使得浪涌电流流经高压取电电容与第一保护模块，限制取电装置瞬时电压峰值，第二保护模块不动作，稳压模块正常工作。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当高压取电端出现12kV以内工频过电压时，第二保护模块动作并具有0～180°导通角，吸收部分过电流；
当高压取电端进行42～48kV工频过电压试验时，变压器交流电压峰值升高，第二保护模块动作，具有0～90°导通角，吸收大部分过电流；
当高压取电端出现操作过电压、雷电过电压时，第一保护模块动作并吸收浪涌电流，
第一保护模块瞬时电压峰值不高于20kV。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，第一保护模块的动作电压U dz1满足条件如下：
U dz1≥k 1U 1maxpk
其中，k 1为冲击电压动作裕度系数，U 1maxpk 为变压器原边电压最大值。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，第二保护模块的动作电压U dz2为：
其中，k 2为工频过电压动作系数，P s 为稳压模块的吸收功率，I de 为高压取电端为额定电压时的整流桥输出平均电流。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，稳压模块的吸收功率P s 计算如下：
P s ＝1.1k s U d I de
其中，k s 为稳压模块功率裕度系数，U d 为直流稳定电压，I de 为高压取电端为额定电压时的整流桥输出平均电流。
6.一种10kV电容限流取电装置，其特征在于，
利用权利要求1所述的方法，包括：高压取电电容(1)，用于取电主回路的电流限制；
接地电容(2)，用于防止变压器断线导致的取电装置电位悬浮；
第一保护模块(3)，用于雷电过电压、操作过电压的限压保护及防止变压器断线引起的原边电压过高；
变压器(4)，用于高压小电流与低压大电流的转换以及与高压电力系统电位的隔离；第二保护模块(5)，用于6.4～48kV工频过电压的限压保护；
整流滤波模块(6)，用于将交流电转换为直流电；
稳压模块(7)，用于在高压取电端电压在额定值±10％范围内，负载、高压取电电压波动时稳定取电装置
直流电压；
储能模块(8)，用于能量储存及负载的后备供给。
7.根据权利要求7所述的10kV电容限流取电装置，其特征在于，高压取电电容(1)为1～10nF。
8.根据权利要求7所述的10kV电容限流取电装置，其特征在于，接地电容(2)为10～
100pF。
9.根据权利要求7所述的10kV电容限流取电装置，其特征在于，高压取电电容(1)为1000～10000pF，变压器(4)的铁芯截面积为1～10cm2，一次绕组匝数为5000～50000匝，一次额定电压为500～3000V，二次额定电压为3～300V。
一种10kV电容限流取电装置及保护方法技术领域
[0001]本发明属于电源技术领域，具体涉及一种10kV电容限流取电装置及保护方法。背景技术
[0002]电源供给是工业物联网特别是电力物联网的传感器及其智能终端装置广泛普及亟待解决的关键技术。例如，对于安装在输电线路的传感监测、柱上开关的智能化和自动化等各类电力工业传感物联网，
传感器、智能单元和通讯模块等单元安装在电力线路杆塔上以及各类电力设备附近，常规220V交流电源将无法方便获取。即使可用其他的非常规电源，但供电可靠性不高，维护成本较高。因此，如何获得稳定、低成本、高可靠电源已成为制约工业物联网特别是电力物联网发展的技术瓶颈。
[0003]10kV电容限流取电装置作为高压一次设备在电力系统中的需要长期承受电力系统额定工作电压和各种过电压。在10kV系统中，长期承受额定相电压为5.77kV，上下波动±10％，即10kV电容限流取电装置的长期运行电压应涵盖5.2～6.3kV范围；国标GB 311.1‑2012中给出三种过电压的范围与标准电压波形，其中要求应能承受1min～42kV工频过电压、75kV的1.2/50us雷电过电压；此外，考虑电力系统故障运行，还应能够承受2h以上10～12kV工频过电压。因此电力系统工况复杂，10kV电容限流取电装置应该附加性价比合理的保护电路，通过科学合理的保护策略实现完善的保护性能。
发明内容
[0004]本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种10kV电容限流取电装置及保护方法，以解决10kV电容限流取电装置的保护问题。
[0005]本发明采用以下技术方案：
[0006]一种10kV电容限流取电保护方法，电力系统相电压在额定值的±10％范围内，负载在额定至空载
范围内时，稳压模块保证取电装置电压稳定；电力系统中的工频过电压作用在取电装置时，第二保护模块动作，使工频过电流流经高压取电电容、变压器与第二保护模块，第一保护模块不动作，稳压模块正常工作；电力系统中的雷电及操作冲击过电压作用在取电装置时，第一保护模块动作，使得浪涌电流流经高压取电电容与第一保护模块，限制取电装置瞬时电压峰值，第二保护模块不动作，稳压模块正常工作。
[0007]具体的，当高压取电端出现12kV以内工频过电压时，第二保护模块动作并具有0～180°导通角，吸收部分过电流；第一保护模块不动作；
[0008]当高压取电端进行42～48kV工频过电压试验时，变压器交流电压峰值升高，第二保护模块动作，具有0～90°导通角，吸收大部分过电流；第一保护模块不动作；
[0009]当高压取电端出现操作过电压、雷电过电压时，第一保护模块动作并吸收浪涌电流，第二保护模块不动作，稳压模块正常工作。
[0010]进一步的，第一保护模块的动作电压U dz1满足条件如下：
[0011]U dz1≥k 1U 1maxpk
[0012]
其中，k 1为冲击电压动作裕度系数，U 1maxpk 为变压器原边电压最大值。[0013]
进一步的，第二保护模块的动作电压U dz2为：
[0014][0015]其中，k 2为工频过电压动作系数，P s 为稳压模块的吸收功率，I de 为高压取电端为额
定电压时的整流桥输出平均电流。
[0016]具体的，稳压模块的吸收功率P s 计算如下：
[0017]P s ＝1.1k s U d I de
[0018]其中，k s 为稳压模块功率裕度系数，U d 为直流稳定电压，I de 为高压取电端为额定电压时的整流桥输出平均电流。
[0019]本发明的另一个技术方案是，一种10kV电容限流取电装置，包括：
[0020]高压取电电容，用于取电主回路的电流限制；
[0021]接地电容，用于防止变压器断线导致的取电装置电位悬浮；
[0022]第一保护模块，用于雷电过电压、操作过电压的限压保护及防止变压器断线引起的原边电压过高；
[0023]变压器，用于高压小电流与低压大电流的转换以及与高压电力系统电位的隔离；
[0024]第二保护模块，用于6.4～48kV工频过电压的限压保护；
[0025]整流滤波模块，用于将交流电转换为直流电；
[0026]稳压模块，用于在高压取电端电压在额定值±10％范围内，负载、高压取电电压波动时稳定取电装置直流电压；
[0027]储能模块，用于能量储存及负载的后备供给。
[0028]具体的，高压取电电容为1～10nF。
[0029]具体的，接地电容为10～100pF。
[0030]具体的，高压取电电容为1000～10000pF，变压器的铁芯截面积为1～10cm 2，一次绕组匝数为5
000～50000匝，一次额定电压为500～3000V，二次额定电压为3～300V。
[0031]与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
[0032]本发明一种10kV电容限流取电保护方法，稳压模块作为高压取电端电压在正常范围内，高压取电电压波动、负载变化的电路稳压措施；高压取电端出现12kV以内工频过电压时，若稳压模块不能吸收工频过电压产生的多余功率，第二保护模块动作，使变压器副边在部分相角下短路，限制取电回路电压进一步升高；高压取电端进行42～48kV(1min)工频过电压试验时，第二保护模块动作，使变压器副边在大部分相角下短路，限制取电回路电压，保证变压器原副边电压峰值不过高，避免第一保护模块误动作；高压取电端出现雷电、操作冲击过电压时，第一保护模块动作，限制变压器原边电压峰值，避免变压器及副边取电电路损坏。
[0033]进一步的，稳压模块为取电电路初级保护，可满足高压取电端在长期额定运行条
件下的高压取电电压变化、
负载功率需求变化情况下的取电电路电压稳定；第二保护模块作为二次保护，可满足高压取电端异常运行时，稳压模块不能满足保护需求时的取电回路电压限制；第一保护模块作为冲击保护，可满足高压取电端出现冲击过电压时的装置限压保护。通过三者配合保护，保证取电装置在高压取电端、负载侧出现各种异常情况时均可靠
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