CN100358209C - 改进的电源装置 - Google Patents
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Abstract
公开一种供交流/直流低压和/或中压电源网电子保护单元用的电源装置，该装置包括：适于对来自额定工作条件下的电流/直流低压和/或中压配电线的电功率进行变换的第一电子装置；和适于对来自电流瞬变条件下的交流/直流低压和/或中压配电线路的能量进行变换的第二电子装置。
Description
技术领域
本发明涉及电子保护单元使用的一种电源装置，适于在低压或中压(即电压低于100千伏)交流/直流配电网中使用。
背景技术
众所周知，在配电线路中通常都使用电子保护单元，以便它在必要时将跳闸信号发送至跳闸装置(如断路器)，能使所述配电线路中断工作。
同样已知电子保护单元要求一个能提供其工作所需能量的外部电源的装置。特别是，同样已知，对电子保护单元的一个十分重要的要求是自供电。这意味着电子保护单元的电源装置必须从与其相联系的配电线路中汲取功率。实际上，这就能确保工作的高度可靠性和连续性，因为自供电电子保护单元能持续不断地监控配电线路并执行一些有益的辅助功能。
在现代技术中，已知若干电源装置的实例。像电源装置一样，用于交流配电线路的电子保护单元采用一个或多个对电流敏感的互感器，这些互感器适合于对配电线路自身产生的磁场能量进行变换。然而，这个技术方案有一些缺点。尽管对电流敏感的互感器是一种可靠的装置，但它们的体积往往十分庞大，特别是，当工作电压升高时则更是如此。此外，它们的安装成本也很高，这对电子保护单元的最终成本带来严重影响。
此外，如所已知的，对电流敏感的互感器不能用于对与直流配电线路相联系的电子保护单元供电。因此，在直流配电线路的情况下，必须采用不同的电路配置。
对直流配电线路电子保护单元供电所采用的已知装置也存在缺陷。实践表明，这些装置一般只能对相当低的工作电压值(例如300伏)提供电子保护单元。这是一个致命的缺陷，因为通常电源所要求的电压要高得多(例如，要求电压达1千伏并维持12千伏绝缘的低压配电线路)。这就导致了对技术创新的需求，为了实现电子保护单元的自供电，同时保证正常的绝缘，这类技术创新解决方案将相当复杂和昂贵。供直流配电线路电子保护单元用的电源装置对于在电流瞬态期间向电子保护单元供电有许多困难。这个事实必然会降低电子保护单元所保证的工作的可靠性和连续性。
因此，本发明旨在提供能克服上述缺点的用于低压和/或中压电子保护单元的电源装置。
发明内容
围绕上述宗旨，本发明的目的是提供一种既能用于交流配电线路，又能用于直流配电线路的电源装置。
本发明的另一个目的是提供能用于额定工作条件下以及用于存在电流瞬态、特别是存在短路情况下的电源装置。
本发明的再一个目的是提供一种高度可靠、制造相对简单并具有竞争力的价格的电源装置。
因此，本发明提供一种供配电线路电子保护单元使用的电源装置。电子保护单元包括传感器装置和控制单元，传感器装置提供表征与所述配电线路相关的物理量的检测信号，控制单元接收检测信号并依据所述检测信号向与所述配电线路相联系的跳闸装置提供指令信号。
根据本发明的电源装置的特征在于，它包括第一电子装置和第二电子装置，第一电子装置适合于将来自额定工作条件下所述配电线路的电功率进行变换，第二电子装置则适合于将来自电流瞬态工作条件下所述配电线路的能量进行变换，以便取代所述第一电子装置。
根据本发明所述电源装置能实现预定的任务和目的。
事实上，第一电子装置和第二电子装置都能从低压或中压交流/直流配电线路获得向处于额定工作条件下和向处于电流瞬态条件、特别是存在短路情况的电子保护单元供电所需的能量。这样，便可能在任何工作条件下提供电子保护单元的自供电，同时还保证电子保护单元能工作在任何工作条件下，以及高水平运行和高度安全。
附图说明
只用附图中非限定性的例子来说明根据本发明的电源装置的优选，但不是唯一的实施方案的描述，本发明的另一些特征和优点将变得更加明显，附图中：
图1是所发明的电源装置的原理图；和
图2是所发明的电源装置一个部分的优选实施方案原理图；和
图3是所发明的电源装置另一部分的优选实施方案原理图；和
图4以示意图方式表示将所发明的电源装置安装到交流配电线路上的例子；和
图5-6以示意图方式表示将所发明的电源装置安装到直流配电线路上的例子。
具体实施方式
参考图1，所发明的电源的装置1旨在向电子保护单元2提供功率，供在配电线路3中使用。电子保护单元2包含传感器装置200，该装置提供表征与配电线路3相关的物理量的检测信号201。此外，电子保护单元2还包含控制单元203，该单元接收检测信号201并依据检测信号203向与配电线路3相联系且适于中断配电线路3的跳闸装置102提供指令信号101。
电源装置1包含适于对来自额定工作条件下的配电线路3的能量进行变换的第一电子装置4。配电线路3可能是低压或中压交流或直流配电线路，也可能是单相线路(如图1所示)，或是三相线路或更一般地说是多相线路。
此外，电源装置1还包含适于对来自在电流瞬态期间、特别是在短路电流期间的配电线路3的能量进行变换的第二电子装置5。第二电子装置5用于当出现电流瞬态状态时代替第一电子装置4。
应当指出，由于存在第一电子装置4和第二电子装置5，故在配电线路3的任何状态下，电子保护单元2均起作用。
例如，当配电线路3处于过荷状态(即当电流低于额定电平，而电压处于额定值范围)时，如果状态未发生变化，则电子保护单元经预定时期之后便向跳闸单元102发出指令。当配电线路3处于选择的短路状态(电流值比额定电流大好几倍，而电压处于容许范围内)时，电子保护单元2在任何情况下经预定时期之后，都能向跳闸单元102发出指令。当配电线路3处于瞬时短路状态(即当电流值超过额定电流值数十倍)时，电子保护单元2可以在一瞬间向跳闸单元102发出指令，因而几乎在几毫秒内使配电线路3中断。
当存在潜在短路状态(即在中断之后重新闭合配电线路3时将变得十分明显的短路状态)时，也会发生上述情况。
电源1包含与第一电子装置4和(或)与第二电子装置5呈电连接的第三电子装置6。第三电子装置6适于贮存经第一电子装置4和(或)经第二电子装置5变换的能量。电源1还包含电连接在第三电子装置6与电子保护单元2之间的第四电子装置7。第四电子装置7适于将第三电子装置6贮存的能量转移至电子保护单元2，且使电子保护单元2与第三电子装置6呈电隔离。实际上，第一电子装置4、第二电子装置5和第三电子装置6都能保证在任何工作条件下从配电线路3中汲取能量并加以贮存。而第四电子装置7则保证将所累积的能量转移至电子保护单元2，同时还保证使电子保护单元2与直接连到配电线路3上的电源部分隔离。这样，电子保护单元2无论在额定工作条件下还是在存在电流瞬态(特别是在存在短路)的工作期间均呈自供电。因此，不管配电线路3的状态如何，电子保护单元2均能起跳闸作用，从而保证工作有最大的可靠性和连续性。同时，还能保证电子保护单元2相对于配电线路3呈高度隔离。
现在，参照图2对第一电子装置4的优选实施方案进行说明。
第一电子装置4包含与第三电子装置6和配电线路3呈电连接的电子充电级11。在额定工作条件下，电子充电级11向第三电子装置6提供充电电流12。第一电子装置4也优选地包含与电子充电级3和第三电子装置6电连接的电子稳定级13。电子稳定级13适于为电子充电级11提供驱动信号14，以便在额定工作条件下调节供给第三电子装置6的充电电流12。
在特别有利的实施方案中，第一电子装置4还包含电连接在电子充电级11、配电线路3和电子稳定级13之间的第一电子保护级15。第一电子装置还包含电连接在电子充电级11与地17之间的第二电子保护级16。
在有利的实施方案中，电子充电级11包含有源电路元件18(例如，MOSFET型晶体管)，借助电阻网络19，有源电路元件18与第一电子保护级15电相连，或者作为另一种可供选择的方案，可直接与配电线路3相连。电子稳定级13优选地包含电子驱动电路20。该驱动电路适于接收一个或多个控制信号21并根据控制信号21产生用于调节有源电路元件18的工作的一个或多个驱动信号14。电子稳定级13还有利地包含第一电子比较级22，该比较级适于根据反映第三电子装置6的充电状态的反馈信号23来产生控制信号21。实践中，电子比较级22包含接收反馈信号23并完成与考信号24的比较的比较器220。这样，便产生了控制信号21并使电子驱动电路20的有源电路元件25(例如，MOSFET型晶体管)接通/断开，而有源电路元件25的接通/断开状态又决定了电子驱动电路20的有源电路元件26(例如，BJT型晶体管)的接通/断开状态。根据有源电路元件26的接通/断开状态，将产生驱动信号14，而它又决定了充电电路11的有源电路元件18的接通/断开状态。充电电路11的有源电路元件18的连续接通/断开状态允许对充电电流12的接通/断开状态进行调节。
第一保护级15优选地包含能检测配电线路3上是否存在相当长电压脉冲的光电保护电路。若存在相当长的电压脉冲(它具有内在高能量)，则光电保护电路27便发出控制信号21，该控制信号适于在驱动电路20部分引起产生适于接通充电电路11的有源元件18的驱动信号14。因此，电压脉冲的能量既可能被电阻网络19吸收，又可能被与第三电子装置6并联布置的变阻器29吸收。这样，配电线路3上相当长的脉冲(具有高能量)就不会在第一电子装置4的元件上产生危险的过压。
第二保护级16优选地包含一个适于吸收相当短电压脉冲(因此具有相当低的能量)的所谓“缓冲网络”。无源缓冲网络28有利地布置在电阻网络19的两端，以避免充电电路11的有源元件18的两端出现过压。
电子稳定级13还有利地包含有源电路元件(例如有源电路元件26)。若配电线路3的电压接近零，则该有源电路元件适于吸收从配电线路3来的电压脉冲。实际上，在这种情况下，有源电路元件26将被迫导通，而这又迫使充电电路11的有源电路元件18导通。因此，在这种情况下，电压脉冲的能量既可能被电阻网络19吸收，又可能被与第三电子装置6并联布置的变阻器29吸收。
参考图3，第二电子装置5包含一个工作上与配电线路3相联系的电磁换能器30。可以有利地包含布置在配电线路3上的耦合线圈的电磁换能器30适于在电流瞬态期间产生供第三电子装置6用的充电电流311。第二电子装置5还有利地包含电子耦合级31，例如，该电子耦合级包含一个二级管网络且适于使电磁换能器30与第三电子装置6电相连。在另一个可供选择的实施方案中，可以产生电流310，使直接向控制单元203提供功率。耦合线圈可能包含具有带次级绕组的磁芯或空气绝缘芯的电流互感器，次级绕组的圈数取决于待变换的能量。磁芯可以由铁磁材料制成，铁磁材料则可从大量磁导率相当低和饱和适中的商品材料中选择。将配电线路3的导线看作是所述电流互感器的初级绕组。
在本发明的优选实施方案中，第三电子装置6包含一个或多个电容性元件33。电容性元件33适于接收来自第一电子装置4的充电电流12(在额定工作条件期间)和/或接收来自第二电子装置5的充电电流311(在存在电流瞬态的工作条件期间)。此外，它们还适于产生充电电压VIN。可以对电容性元件33的大小作出规定，以便能在预定时期提供充电电压VIN，即使配电线路3的电压变为接近零(例如在短路情况下)也是如此。充电电压VIN在输入端被第四电子装置7接收，电子装置7提供具有预定值的输出电压VouT1，以便向控制单元203或更一般地说向电子保护单元2供电。
再一次参考图3。第四电子装置7优选地包含第一电子变换级41，该变换级适于在输入端接收充电电压VIN并产生具有预定值的第二输出电压VouT2。第三电子装置7还优选地包含第二电子变换级42，该变换级适于在输入端接收第二输出电压VouT2并产生具有预定值的第一输出电压VouT1。此外，第二变换级42还适于使电子保护单元2与第一变换级41实现电绝缘。
第一电子变换级41有利地包含具有降压结构的变换电路43，该变换电路适于在输入端接收充电电压VIN，并依据接收一个或多个驱动信号44产生第二输出电压VouT2。此外，第一电子级41还有利地包含电子驱动电路45。电子驱动电路45适于接收一个或多个控制信号46，并依据控制信号46产生一个或多个驱动信号44，以便调整第一电子变换电路43的工作。控制信号46可以根据代表第二输出电压值VouT2的反馈信号48，有利地由第二电子比较电路47(包含比较元件470)产生。通过这种方式，第一电子变换级41能显著减少***的启动时间，并使第三电子装置6汲取的能量达到最大。第二电子变换级42优选地包含具有回扫结构的电子变换电路49。电子变换电路49与电子变换电路43电相连，并在输入端接收第二输出电压VouT2。
依靠回扫型结构，变换电路42能产生具有预定值的第一输出电压VouT1，同时，还能维持第一电子变换级41的输出端50与第二电子变换级42的输出端51之间的绝缘。实际上，调节变换电路42无需直接反馈，否则应对直接反馈进行绝缘。
参考图4-6，图中示出将所发明的电源装置安装在配电线路上的几个实例。
参考图4，该图示出线路为有跳闸单元102(例如有三个极点的断路器350)的三相低压交流线路的实施方案。在这种情况下，第一电子装置4必须用双层绝缘导线与配电线路3的三根相线L1、L2和L3相连。第二电子装置5可以包含用于配电线路三根相线的单个耦合线圈或用于每根相线的单个耦合线圈。所有相线L1-L3都必须包含第二电子装置5，以使它们对到地的任何短路都敏感。
图5和图6示出所发明的电源装置在直流低压配电线路3中的应用情况。图中，参考数字350表示跳闸单元102(例如断路器)的极点。跳闸单元102在图5中为三极点，而在图6中则为四极点。两种方案都利用了布置在外部集电器上的第一电子装置5，而第一电子装置5则用导线接到配电线路3上。重要的是应将它们布置在负载360的相对两侧，以便对任何到地的短路起反应。
实践中，已证实，根据本发明的电源装置能达到预定的目的。根据本发明的电源装置能在所有可能的工作条件下向电子保护单元2提供功率，从而保证其工作的可靠性和安全性。
为了更好地说明所发明的电源装置的效果，下面介绍几个工作实例。在额定工作条件下，***起动时，第一电子装置4和第二电子装置5两者都有助于对第三电子装置6的能量变换，因而能减小达到稳态所需的瞬态效应。在稳态工作期间，第一电子装置4有助于使第三电子装置6中累积的能量基本上维持不变。若发生短路，则配电线路3的电压变为零。在任何情况下，第三电子装置6中贮存的能量都足以在向跳闸单元102发送跳闸信号101所需的时间内对电子保护单元2不断供电。
若断路器在有潜在短路的情况下闭合，则第一电子装置4显然将断开，而第二电子装置5仍然能对第三电子装置6进行能量变换，原因是发生了电流瞬态。通过这种方式，在将跳闸信号101发送至断路器102所需的时间内，电子保护单元2仍然受到供电。最后，实验表明，所发明的电源装置在实践中很容易以竞争的成本进行制造。
Claims (11)
1.一种供交流/直流配电线路(3)的电子保护单元(2)用的电源装置(1)，所述电子保护单元(2)包括：
-传感器装置(200)，该装置提供表征与所述配电线路(3)相关的物理量的检测信号(201)；和
-控制单元(203)，该单元接收所述检测信号(201)并依据所述检测信号(201)向与所述配电线路(3)相联系的跳闸单元(102)提供指令信号(101)；
所述电源装置(1)包括：
-第一电子装置(4)，该装置对来自在额定工作条件下的所述配电线路(3)的能量进行变换，以便向电子保护单元(2)供电并保证在所述额定工作条件下它的工作；
其特征在于，它包括：
-第二电子装置(5)，该装置对来自在包含电流瞬态的工作条件下的所述配电线路(3)的能量进行变换；所述第二电子装置(5)代替所述第一电子装置(4)，以便向电子保护单元(2)供电并保证在包含电流瞬态的所述工作条件下它的工作。
2.权利要求1的电源装置(1)，其特征在于，它包含第三电子装置(6)，该装置与所述第一电子装置(4)和第二电子装置(5)电连接且适于贮存由所述第一电子装置(4)和/或第二电子装置(5)变换的能量。
3.根据权利要求2的电源装置(1)，其特征在于，它包含第四电子装置(7)，该装置与所述第三电子装置(6)和所述电子保护单元(2)电连接，并将所述第三电子装置(6)贮存的能量变换到所述电子保护单元(2)以及使所述电子保护单元(2)与所述第三电子装置(6)电绝缘。
4.根据权利要求2或3的电源装置(1)，其特征在于所述第一电子装置(4)包括：
-电子充电级(11)，该充电级与所述第三电子装置(6)和所述配电线路(3)电连接且适于在额定工作条件向所述第三电子装置(6)提供充电电流(12)；和
-电子稳定级(13)，该稳定级与所述电子充电级(11)和所述第三电子装置(6)电连接且适于向所述电子充电级(11)提供驱动信号(14)，以便对额定工作条件下的所述充电电流(12)进行调节。
5.根据权利要求4的电源装置(1)，其特征在于所述第一电子装置(4)包含第一电子保护级(15)，该第一电子保护级电连接在所述电子充电级(11)、所述配电线路(3)与所述电子稳定级(13)之间，所述第一电子保护级(15)包含一个适于检测在所述配电线路(3)上是否存在持续时间相当长的电压脉冲的光电保护电路(27)。
6.根据权利要求4的电源装置(1)，其特征在于所述第一电子装置(4)包含第二电子保护级(16)，该第二电子保护级电连接在所述电子充电级(11)与地(17)之间；所述第二电子保护级(16)适于吸收从所述配电线路(3)到达的持续时间相当短的电压脉冲。
7.根据权利要求2或3的电源装置(1)，其特征在于所述第二电子装置(5)包括：
-电磁换能器(30)，该电磁换能器工作上与所述配电线路(3)相连接且适于在所述配电线路(3)上的电流瞬态期间产生充电电流(311)；和
-电子耦合级(31)，该电子耦合级适于将所述电磁换能器(30)电连接到所述第三电子装置(6)。
8.根据权利要求2或3的电源装置(1)，其特征在于，所述第三电子装置(6)包含一个或多个电容性元件(33)，电容性元件适于接收来自所述第一电子装置(4)和/或来自所述第二电子装置(5)的充电电流(12，311)，并产生充电电压。
9.根据权利要求8的电源装置(1)，其特征在于，所述第四电子装置(7)在输入端接收所述充电电压并提供具有预定值的第一输出电压，以便向所述电子保护单元(2)供电，所述第四电子装置(7)包括：
-第一电子变换级(41)，该第一电子变换级适于在输入端接收所述充电电压并产生具有预定值的第二输出电压；和
-第二电子变换级(42)，该第二电子变换级适于在输入端接收所述第二输出电压并产生具有预定值的所述第一输出电压，所述第二电子变换级(42)使所述电子保护单元(2)与所述第一电子变换级(41)电绝缘。
10.一种低压和/或中压直流配电网络，包括：
-适于向电负荷(360)供电的分配低压和/或中压的直流配电线路(3)；和
-跳闸单元(102)，该跳闸单元沿所述直流配电线路布置，以便在接收跳闸信号之后中断所述直流配电线路(3)；和
-用于向所述跳闸单元(102)发送一个或多个跳闸信号的电子保护单元(2)；
其特征在于，该低压和/或中压直流配电网络包含根据权利要求1的电源装置(1)，所述电源装置(1)与所述直流配电线路(3)和所述电子保护单元(2)电连接。
11.一种低压和/或中压交流配电网络，包括：
-适于向电负荷(360)供电的低压和/或中压交流配电线路(3)；和
-跳闸单元(102)，该跳闸单元沿所述交流配电线路(3)布置，以便在接收到跳闸信号之后中断所述交流配电线路(3)；和
-用于向所述跳闸单元(102)发送一个或多个跳闸信号的电子保护单元(2)；
其特征在于，该低压和/或中压交流配电网络包括根据权利要求1电源装置(1)，所述电源装置(1)与所述交流配电线路(3)和所述电子保护单元(2)电连接。
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