高壓dc斷路器設備的製作方法

2023-05-24 19:38:46 1

高壓dc斷路器設備的製作方法
【專利摘要】本發明提供了一種用在高壓直流(HVDC)輸電中的斷路器設備，該斷路器設備包括一個模塊(40)或者多個串聯模塊(40)，所述模塊(40)或者每個模塊(40)包括：第一傳導通路(42)、第二傳導通路(44)、第三傳導通路(46)和第四傳導通路(48)；以及連接到電子網絡(54,56)的第一終端(50)和第二終端(52)，每個傳導通路(42，44,46，48)在第一終端(50)和第二終端(52)之間延伸；第一傳導通路(42)包括機械開關元件(58)，第二傳導通路(44)包括至少一個半導體開關元件(66)，所述第三傳導通路(46)包括具有能量存儲裝置(70)的緩衝電路，並且所述第四傳導通路(48)包括電阻元件(74)。
【專利說明】高壓DC斷路器設備

【技術領域】
[0001]本發明涉及用在高壓直流(HVDC)輸電中的斷路器設備。

【背景技術】
[0002]在輸電網絡中通常將交流(AC)電轉換成直流(DC)電以用於經由高架線和/或者海底電纜進行傳輸。該轉換移除了對由傳輸線或者電纜施加的AC電容性負載效應進行補償的需要，由此減少了每千米的傳輸線和/或者電纜的成本。因此，當需要長距離輸電時，從AC轉換到DC是合算的。
[0003]在其中需要互連在不同頻率處進行工作的AC網絡中的輸電網絡中也利用AC電到DC電的轉換。在任何此類輸電網絡中，在AC電和DC電之間的每個接口處需要轉換器以實現所需轉換。
[0004]HVDC容易遭受DC側故障或者可以在DC輸電線或者電纜的兩端出現具有低阻抗的短路的其它異常工作情況。這些故障由於絕緣的損傷或者破裂、雷擊、導體的移動或者異物導致的導體之間的其它偶然橋連等而可能出現。
[0005]DC輸電線或者電纜兩端的低阻抗的存在可不利於HVDC轉換器。有時，轉換器的固有設計意味著轉換器在這種條件下不能限流，導致超過HVDC轉換器的額定電流的高故障電流的發展。這種高故障電流不僅損壞HVDC轉換器的組件，而且導致HVDC轉換器離線一段時間。這導致損壞的電子設備硬體的修理和維護成本的不斷增加，並且不便於依賴電子設備工作的最終用戶。因此，一檢測到高故障電流就能夠中斷該高故障電流是重要的。
[0006]使HVDC轉換器免於DC側故障的傳統方法(藉此轉換器控制不通過任何其它手段限制該故障電流)要熱衷於AC側斷路器，從而移除了通過HVDC轉換器將故障饋送到DC側的電流供給。這是因為目前不存在可用的HVDC斷路器設計。而且目前幾乎所有的HVDC方案均是採用連接到DC側的兩個HVDC轉換器的點對點方案，藉此一個HVDC轉換器用作具有電力校正能力的電源，並且另一個HVDC轉換器用作具有電力逆變能力的電力負載。因此，由於故障在點對點方案中的存在需要中斷電力流以允許清除該故障，所以熱衷於AC側斷路器是可接受的。
[0007]如地理分散的可再生的生成形式所需的那樣，一類新的電網連接的HVDC輸電網絡現在正在被考慮以用於長距離移動大量的電力，以增大具有智慧型電網智能和能夠支持現代電貿易需求的特徵的現有AC傳輸網絡的能力。
[0008]電網連接的HVDC輸電網絡需要HVDC轉換器的多終端互連，藉此可以使用並行工作的三個或者更多的HVDC轉換器來在DC側交換電力。每個HVDC轉換器用作源或者匯以維持網絡的整個輸入到輸出的電力平衡同時交換所需要的電力。在遍及整個網絡的不期望的電力損耗發生之前，需要迅速地隔離網絡中的故障並且與剩餘的網絡分離。此外，來自用作源的幾個轉換器的故障電流可以合併，以形成組合的故障電流，如果不適當管理，這將導致對整個網絡的電子設備的廣泛損壞。
[0009]當電流達到電流零點時，執行傳統斷路器中的電流中斷，以可觀地減少中斷任務的難度。因此，在傳統電路器中，存在著如果電流零點沒有在用於中斷電流的限定時間之內出現，則損壞電流中斷設備的風險。因此，與電流零點自然地出現的AC電流不同，DC電流不能自然地達到電流零點，所以固有的難以執行DC電流中斷。
[0010]可以通過施加強制的電流零點或者人工創建的電流零點來使用傳統AC斷路器以執行DC電流中斷。一種DC電流中斷的方法涉及在傳統AC斷路器的兩端並行連接輔助電路，該輔助電路包括:電容器或者電容器和電感器的組合，並且被布置為創建在DC負載電流上疊加的振蕩電流，從而創建電流零點。這種布置通常具有幾十毫秒的響應時間，這不滿足需要響應時間在幾毫秒範圍內的HVDC電網的要求。
[0011]EP 0867998B1公開了傳統固態DC斷路器，該斷路器包括與金屬氧化物避雷器並行的串聯IGBT堆疊。該方案達到了上述提及的響應時間但是遭受了高穩態功率損耗。


【發明內容】

[0012]根據本發明的一個方面，提供了一種用在高壓直流(HVDC)輸電中的斷路器設備，該斷路器設備包括一個模塊或者多個串聯模塊；
[0013]所述模塊或者每個模塊包括:第一傳導通路、第二傳導通路、第三傳導通路和第四傳導通路；以及連接到電網絡的第一終端和第二終端，每個傳導通路在第一終端和第二終端之間延伸。
[0014]第一傳導通路包括機械開關元件，以選擇性地在第一操作模式下允許電流在第一終端和第二終端之間流過第一傳導通路或者在第二操作模式下將電流從第一傳導通路整流換向到第二傳導通路；
[0015]第二傳導通路包括至少一個半導體開關元件，以選擇性地在第二操作模式下允許電流在第一終端和第二終端之間流過第二傳導通路或者將電流從第二傳導通路整流換向到第三傳導通路，其中，機械開關元件的電弧電壓超過一個或者多個半導體開關元件兩端的導通狀態(on-sate)電壓；
[0016]第三傳導通路包括具有能量存儲裝置的緩衝電路，以在第二操作模式下控制機械開關元件兩端的電壓的變化速率並且反抗在第一終端和第二終端之間流動的電流；
[0017]第四傳導通路包括電阻元件，以在第二操作模式下吸收並且消散能量，並且轉移來自第一終端和第二終端的充電電流遠離能量存儲裝置以限制第一終端和第二終端兩端的最大電壓。
[0018]在使用中，斷路器設備可以與DC網絡串聯連接，並且可以與傳統AC斷路器或者切斷器串聯連接。將斷路器設備連接到DC網絡導致電流在DC網絡中在正常輸電期間流過所述模塊或者每個模塊的第一傳導通路。當與相等額定的基於半導體的開關相比時，機械開關元件例如真空中斷器在第一傳導通路中的使用在DC網絡的正常操作期間減少了傳導損耗。
[0019]在導致高故障電流的DC網絡中出現故障的情況中，接通所述半導體開關元件或者每個半導體開關元件並且打開機械開關元件，以將電流從第一傳導通路整流換向到第二傳導通路。這導致機械開關元件的接觸元件之間的電弧的形成。機械開關元件的接觸元件兩端的電弧電壓的存在導致電流從第一傳導通路整流換向到第二傳導通路。這繼而導致電弧熄滅，並且由此最小化接觸元件的磨損，這延長了機械開關元件的壽命。
[0020]機械開關元件的電弧電壓和一個或者多個半導體開關元件兩端的導通狀態電壓之差影響從第一傳導通路到第二傳導通路的電流的整流換向的速度。
[0021]具有快速電流斬波和高電弧電壓特性的機械開關元件理想地與並聯連接的半導體開關元件或者並聯連接的半導體開關元件集合一起使用，以將機械開關元件從導通狀態整流換向到阻斷狀態。這是因為機械開關元件之內的接觸元件之間的電弧在沒有消耗很多能量的情況下迅速地整流換向。相比之下，當基於半導體的開關處於傳導狀態時，基於半導體的開關在(能夠將負載電流與所需要的低導通狀態電壓降一起攜帶的)第一傳導通路中的使用將在半導體結處具有較大的存儲電荷。當電流從第一傳導通路整流換向到第二傳導通路時，該存儲電荷隨後務必被消散以將設備恢復到阻斷狀態中。這需要在第二傳導通路中的所述半導體開關元件或者每個半導體開關元件以及斷路器設備的其它組件具有較大速率，以處理額外的消散義務，並且因此使設備在尺寸、重量以及成本方面更少經濟。
[0022]機械開關元件以低成本和複雜性提供較低的傳導電壓降，並且由此適合於當不需要中斷或限制電流功能時一直攜帶來自DC網絡的電流。這不僅提供顯著減少斷路器設備的功率損耗的划算配置，而且減少了工廠冷卻需求和斷路器設備的操作成本，因此導致經濟的設備設計。
[0023]機械開關元件必須被額定為匹配所述半導體開關元件或者每個半導體開關元件在模塊中的可用率。整個DC網絡的額定電壓再分成可能計數為幾百個的用於多個串聯模塊的各個額定電壓允許自由可用的中間電壓的機械開關元件和半導體的使用。而且機械開關元件僅需要其接觸元件的短程距離，這允許為了以低驅動力實現可靠電流中斷所需要的快速操作。因此，這導致實際且划算的斷路器設備。
[0024]在熄滅機械開關元件的接觸元件之間的電弧之後，接通所述半導體開關元件或者每個半導體開關元件，以將電流從第二傳導通路整流換向到第三傳導通路。打開機械開關元件改變其耐電壓能力，這增加了接觸元件之間的間隙中的間隔，直到達到了最終的接觸間隔距離為止。電流在第三傳導通路中的流動使緩衝電路的能量存儲裝置例如電容器充電，這將機械開關元件兩端施加的電壓的上升速率約束到比機械開關元件的耐電壓能力的上升速率更低的值。當接觸正在移動時，這允許在機械開關元件兩端施加的電壓能夠保持在比機械開關元件的耐電壓能力更低的值。
[0025]在所述模塊或者每個模塊中沒有緩衝電路的情況中，在可斷開所述半導體開關元件或者每個半導體開關元件之前，機械開關元件需要其接觸元件能夠被完全分開，以將電流從第二傳導通路整流換向到第三傳導通路。這會不利地減少斷路器設備的操作速度。在機械開關元件的接觸元件已經完全分開之後，斷開所述半導體開關元件或者每個半導體開關元件可能防止電流的成功中斷並且損害機械開關元件。
[0026]當斷開所述模塊或者每個模塊中的所述半導體開關元件或者每個半導體開關元件時，緩衝電路還將移除從電路電感中出現的任何電壓衝擊，否則這將損害所述半導體開關元件或者每個半導體開關元件。
[0027]因此，在所述模塊或者每個模塊中包括緩衝電路提高了斷路器設備的操作速度和可靠性。
[0028]對能量存儲裝置進行充電也導致對在所述模塊或者一起協調時的多個串聯模塊兩端形成的DC網絡上的電壓的反抗電壓的形成，並且能夠將DC網絡電流驅動到限定值。同時，甚至當來自DC網絡的電流仍然存在於第一終端和第二終端之間時，第四傳導通路的電阻元件也通過轉移電流遠離緩衝電路且通過電阻元件來將每個模塊兩端施加的電壓固定到安全電平之內。因此，斷路器設備必須被設計為包含具有充足收集電壓幅度的足夠的串聯連接模塊，以不僅吸收和消散由DC網絡中存儲的感應能量產生的電壓衝擊，而且處理DC網絡的標準額定電壓，以便將電流驅動到零。
[0029]如果電流被驅動到零，則該設備相當於斷路器。為了安全起見，此刻可以將與設備串聯的第二傳統AC斷路器或者切斷器切換到打開狀態，以通過設置隔離來完成斷路過程。否則，如果反抗電壓驅動電流到非零值，則設備相當於限流器。在這種情況中，傳統AC斷路器可以保持閉合或者可以首先被省略。
[0030]在清除了 DC網絡中的故障之後，斷路器設備可以通過閉合機械開關元件來恢復到其正常操作模式。電阻元件使能量存儲裝置放電到其穩態電壓電平，以允許機械開關元件能夠安全地重新閉合。否則，如果使能量存儲裝置一直充電到基本上在其穩態電壓電平之上的電平，則可能損害設備執行隨後電流中斷過程的能力。這是因為:由於機械開關元件兩端的電壓大約步進增加到能量存儲裝置兩端的電壓，所以在隨後電流中斷過程期間電壓的高上升速率會被施加在機械開關元件兩端。
[0031]因此，斷路器設備中的所述模塊或者每個模塊的配置導致形成了獨立單元的所述模塊或者每個模塊，以能夠選擇性地將電壓降施加到DC網絡中。多個串聯模塊的使用允許斷路器設備中斷或者限制DC網絡中的電流。可以改變所提供的模塊的數量以適合低電壓、中電壓、高電壓電應用，但是該數量通常是額定的，從而所有模塊的使用在給定的應用中驅動電流到零。
[0032]為了在DC網絡中限流，可以操作斷路器設備從而僅一些模塊提供反抗電壓，以驅動電流到非零值，而剩餘模塊被留在旁路模式中，並且由此不提供反抗電壓。
[0033]可以通過使用斷路器設備的實施例來實現限流操作，其中，斷路器設備包括多個串聯模塊，其中，在使用中一個或者多個模塊的所述半導體開關元件或者每個半導體開關元件可以進行切換，以在第二操作模式下將電流從第二傳導通路整流換向到第三傳導通路，同時所述或者每個其它模塊的所述半導體開關元件或者每個半導體開關元件可以進行切換，以允許電流在第一終端和第二終端之間流過第二傳導通路。斷路器設備的模塊化布置允許在限流模式期間以第二傳導通路、第三傳導通路、第四傳導通路的依次模式下收集模塊的佔空因數以充分利用設備的可用率。這也允許調整反抗電壓，以將電流驅動到小於原始故障電流電平的任何非零值。
[0034]優選地，所述半導體開關元件或者每個半導體開關元件選擇性地在第一操作模式下允許電流在第一終端和第二終端之間流過第二傳導通路。
[0035]可能需要斷路器設備在中斷或限制電流之後在預先確定的時間之內恢復到其正常操作模式。如之前所述，如果在重新閉合機械開關元件期間使能量存儲裝置一直充電在該能量存儲裝置的穩態電壓電平之上，則可能損害設備執行隨後電流中斷過程的能力。所述半導體開關元件或者每個半導體開關元件可以被操作為，隨時允許電流在第一終端和第二終端之間流過第二傳導通路。如果還沒有清除故障，則所述半導體開關元件或者每個半導體開關元件斷開，以阻止電流非常快速流過斷路器設備。
[0036]在清除了故障而仍然使能量存儲裝置一直充電在該能量存儲裝置的穩態電壓電平之上的情況中，可以隨時切換所述半導體開關元件或者每個半導體開關元件，以允許第二傳導通路在DC網絡的正常操作期間傳導電流，直到能量存儲裝置兩端的電壓已經衰退到其穩態電壓電平為止。在該期間，雖然功率損耗高於正常，但是這種功率損耗由於呈現於較高損耗的時間段較短而仍然是可接受的。此時，機械開關元件被閉合，以在斷開所述半導體開關元件或者每個半導體開關元件以恢復正常操作之前，允許電流在第一終端和第二終端之間流過第一傳導通路。
[0037]在本發明的實施例中，機械開關元件可以包括位於電介質之內的可縮進嚙合的接觸元件。這種機械開關元件可以例如為真空中斷器。
[0038]電介質的選擇影響機械開關元件的耐電壓能力。電介質可以為高性能電介質，其可以是但不限於油、真空或者六氟化硫。高性能電介質的使用使機械開關元件的接觸元件之間的小間隔能夠導致高隔離電壓。由於僅需要接觸元件行進短距離來實現所需要的間隔，所以這繼而促進機械開關元件的迅速切換。接觸元件之間的短間隔也減少了操作機械開關元件所需要的驅動能量，因此減少了斷路器設備的尺寸、成本和重量。
[0039]在又一個實施例中，所述半導體開關元件或者每個半導體開關元件可以為或者可以包括絕緣柵雙極型電晶體、柵極斷開晶閘管、柵極整流換向晶閘管、集成式柵極整流換向晶閘管或者MOS受控晶閘管。所述半導體開關元件或者每個半導體開關元件可以與反並聯二極體並聯。
[0040]所述半導體開關元件或者每個半導體開關元件可以由但不限於矽或者寬禁帶半導體材料，例如碳化矽、金剛石或者氮化鎵製成。
[0041]所述半導體開關元件或者每個半導體開關元件的所需額定電流可以根據所述模塊或者每個模塊是用於中斷電流還是用於限制電流而變化，這是因為所述半導體開關元件或者每個半導體開關元件只需要以大約毫秒持續時間在斷路事件中能夠隨時切換到電路中一次。然而，當對應的模塊用於限制電流時，此時需要所述半導體開關元件或者每個半導體開關元件連續切換到電路中，或者需要將對應的模塊在幾十或者幾百毫秒的佔空因數上切入切出旁路，因而需要所述半導體開關元件或者每個半導體開關元件的更高且連續的額定功率。
[0042]電阻元件可以包括至少一個線性電阻器和/或至少一個非線性電阻器例如金屬氧化物變阻器。
[0043]優選地，第四傳導通路還包括連接到電阻元件的輔助開關元件，該輔助開關元件可用於修改流過電阻元件兩端的電流或者電阻元件兩端的電壓降。輔助開關元件可以例如為固態開關(例如晶閘管或者IGBT)或者機械開關(例如真空中斷器或者高壓繼電器)。
[0044]輔助開關元件的使用允許電阻元件選擇性地切入或者切出電路，以修改流過電阻元件兩端的電流或者電阻元件兩端的電壓降，從而由電阻元件控制能量的吸收或者消散。當電阻元件包括多個電阻元件部件時，輔助開關元件和多個電阻元件部件可以被布置為:當修改流過電阻元件兩端的電流或者電阻元件兩端的電壓降時，輔助開關元件能夠將部分電阻元件部件而非整個電阻元件切出電路，而其它電阻元件部件保留在電路中。
[0045]所述模塊或者每個模塊的配置可以取決於斷路器設備的需求而變化。
[0046]在本發明的實施例中，第一傳導通路、第二傳導通路、第三傳導通路、第四傳導通路可以在第一終端和第二終端之間並聯。
[0047]在本發明的其它實施例中，能量存儲裝置和電阻元件可以並聯，並且緩衝電路還可以包括二極體，其連接到能量存儲裝置和電阻元件的並聯組合。
[0048]二極體在緩衝電路中的使用去除了在接通所述半導體開關元件或者每個半導體開關元件並且/或者閉合機械開關元件之前使能量存儲裝置完全放電到零伏特的需要。否則二極體從緩衝電路中的省略可能導致從電容器中拉出的大電流，這可能損壞所述半導體開關元件或者每個半導體開關元件和/或所述機械開關元件。
[0049]此外，二極體在緩衝電路中的使用允許能量存儲裝置能夠維持在最小電壓電平並且由此使該能量存儲裝置用作能量源來用於所述或者每個模塊內使用的局部電源，從而給例如機械開關元件的IGBT和致動器等設備供電。
[0050]另一方面，緩衝電路可以省略二極體，以減少斷路器設備的尺寸、重量和成本。
[0051]在利用多個串聯模塊的使用的斷路器設備的實施例中，一個或者多個模塊可以反向連接到一個或者多個其它模塊，以雙向控制並且/或者斷開電流。
[0052]在本發明的又一個實施例中，第二傳導通路可以包括兩個半導體開關元件；並且緩衝電路可以包括能量存儲裝置和兩個二極體，每個半導體開關元件與緩衝電路中的二極體中的相應一個串聯，以限定電流控制元件集合，電流控制元件集合以全橋布置的方式與能量存儲裝置並聯。
[0053]以這種方式配置的一個或者多個模塊的使用導致斷路器設備具有雙向電流中斷和限制能力。
[0054]優選地，第四傳導通路可以與緩衝電路的能量存儲裝置並聯，或者與第一傳導通路、第二傳導通路和/或第三傳導通路並聯。
[0055]斷路器還可以包括給斷路器設備的一個或者多個組件供電的電源。例如，電源可以為或者可以包括用於接收且整流紋波電流的變壓器、光碟機動電源、與交流發電機或者DC發電機耦合的渦輪發電機、燃料電池、液流電池或者熱電發電機。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0056]現在參考附圖通過非限制性示例來描述本發明的優選實施例，在附圖中:
[0057]圖1以示意性形式示出根據本發明第一實施例的形成斷路器設備的一部分的模塊；
[0058]圖2示出在真空中斷器的接觸元件之間進行電弧期間形成的陰極斑點；
[0059]圖3不出跨相應的陰極斑點和電弧等尚子體的相對長度的電壓變化；
[0060]圖4a至圖4f示出用於中斷或者限制電流的圖1的模塊的操作；
[0061]圖5示出圖1的模塊的傳導通路中的電壓和電流二者的變化；
[0062]圖6以示意性形式示出根據本發明第二實施例的形成斷路器設備的一部分的模塊；
[0063]圖7以示意性形式示出根據本發明第三實施例的形成斷路器設備的一部分的模塊；
[0064]圖8以示意性形式示出根據本發明第四實施例的形成斷路器設備的一部分的模塊；
[0065]圖9示出根據本發明第五實施例的當斷路器設備包括接收機變壓器形式的電源時通過將紋波電流注入到DC網絡的負載電流中來給斷路器設備供電的電路；並且
[0066]圖10示出用於形成給斷路器設備供電的熱電發電機的一部分的帕爾貼效應熱電
>J-U ρ?α裝直。

【具體實施方式】
[0067]圖1示出了根據本發明第一實施例的形成斷路器設備的一部分的模塊40。
[0068]第一斷路器設備包括多個串聯模塊40。每個模塊40包括:第一傳導通路42、第二傳導通路44、第三傳導通路46和第四傳導通路48 ;以及第一終端50和第二終端52。
[0069]在使用中，每個模塊40的第一終端50和第二終端52與DC網絡54和AC斷路器56串聯。
[0070]第一傳導通路42包括以真空中斷器58形式的機械開關元件，其中該真空中斷器58與位於真空中的接觸元件59可縮進嚙合，如圖2所示。真空中斷器58具有處於20V到40V的範圍之內的確定性的電弧電壓。應當明白的是，真空中斷器58優選具有快速電流斬波和高電弧電壓特性。
[0071]真空中斷器58的電弧電壓由該真空中斷器的接觸元件的幾何結構和材料來確定。電弧在真空中形成於已經在接觸元件59的表面氣化的金屬蒸汽。由於只有局部熱效應足夠高才能維持金屬蒸汽的沸騰，所以流過真空中斷器58的電流集中到狹窄的陰極斑點中，如圖2所示。在每個陰極斑點61處的高電流密度意味著幾乎所有的電弧電壓60跨陰極斑點長度62而被形成，其中最小電壓跨電弧等離子體63的長度64形成，如圖3所示。
[0072]真空中斷器58中的快速電流斬波起因於由於熱傳遞到周圍大塊的接觸材料中而導致的陰極斑點的快速冷卻。當電流的熱效應變得足夠低以清除金屬蒸汽的沸騰時，電弧將被迅速地熄滅，並且如果接觸間隙足夠大，則電弧將不會重新開始。
[0073]第二傳導通路44包括以絕緣柵雙極型電晶體(IGBT) 66形式的半導體開關元件，其中，其與反並聯二極體68並聯。該IGBT 66通常具有3.3KV或者4.5KV的額定電壓以及在額定電流時的大約3.0V的導通狀態電壓降。
[0074]第三傳導通路46包括緩衝電路，該緩衝電路包括被布置為限定電容器-二極體斷開緩衝器布置的電容器70和二極體72。
[0075]第一傳導通路42、第二傳導通路44和第三傳導通路46在第一終端50和第二終端52之間並聯。
[0076]第四傳導通路48具有以金屬氧化物變阻器74形式的電阻元件，其與緩衝電路的電容器70並聯。金屬氧化物變阻器74為非線性變阻器，其在低電壓時具有高電阻並且在高電壓時具有低電阻。
[0077]在本發明的其它實施例(未示出)中，應當設想的是:金屬氧化物變阻器可以由多個金屬氧化物變阻器、至少一個其它非線性電阻器、至少一個線性電阻器或者其各項組合所取代。
[0078]第一斷路器設備還包括:與IGBT 66並聯的晶閘管76。晶閘管76可以在瞬時故障電流期間反向接通以保護反並聯二極體68不遭受過電流和損壞。這允許第一斷路器設備在使用中能夠連接到DC網絡，該DC網絡具有包括負載和不同極性的故障電流的網狀結構。
[0079]在其它實施例中，應當設想為:如果電流需要在兩個方向被控制並且/或者中斷，則一個或者多個額外的模塊可以反向與現有的多個模塊串聯，以控制並且/或者中斷相反方向的電流。
[0080]在其它實施例中，應當設想為:可以從每個模塊40中省略晶閘管76。在這些實施例中，可以通過閉合機械開關元件58來保護二極體68不遭受過電流，以將瞬時故障電流從第二傳導通路44整流換向到第一傳導通路42。
[0081]參考圖4a到圖4f以及圖5，用於中斷DC網絡54中的電流的圖1中的斷路器設備的每個模塊40的操作如下所述。
[0082]圖5示出在電流中斷過程期間圖1的模塊40中的傳導通路42、44、46、48中的電流和電壓的變化。
[0083]如圖4a所示，在DC網絡54的正常操作情形期間閉合真空中斷器58以允許電流78a流過DC網絡54、AC斷路器56和模塊40的第一傳導通路42。在該階段，電流78a沒有流過第二傳導通路44、第三傳導通路46和第四傳導通路48，並且在真空中斷器58或者IGBT 66的兩端不存在顯著的電壓降82。
[0084]DC網絡54中的故障或者其它異常操作情形可能導致流過DC網絡54的高故障電流。
[0085]如圖4b所示，響應於DC網絡54中的高故障電流的事件80a，將IGBT 66切換到導通狀態80b，這導致電流78a開始從第一傳導通路42整流換向到第二傳導通路44。這造成電流78b流到第二傳導通路44中。此刻真空中斷器58的解扣線圈被激活，以對真空中斷器的接觸元件的間隔80c進行初始化，這導致間隔的接觸元件之間電弧的形成。接觸元件兩端的電弧電壓的存在導致電流78a從第一傳導通路42完全整流換向到第二傳導通路44,如圖4c所示，因而完全熄滅電弧80d。
[0086]比IGBT 66的導通狀態電壓更高的真空中斷器58的電弧電壓導致電流78a通常在I毫秒的時間內從第一傳導通路42到第二傳導通路44的迅速整流換向84。
[0087]電流78a從第一傳導通路42整流換向到第二傳導通路44時的速率di/dt被計算如下:
(is V - V
「IUi _ r arc VIGBT
[0088]— — ---
dtku-av
[0089]其中，Varc為真空中斷器58的接觸元件兩端的電弧電壓；
[0090]Vigbt為IGBT 66的導通狀態電壓；並且
[0091]Lstray為由真空中斷器58和IGBT 66形成的導體環路的雜散電感。
[0092]例如，如果Varc為33V，Vigbt為3V，並且Lstray為50nH，則電流78a從第一傳導通路42整流換向到第二傳導通路44時的速率為每微秒600A。
[0093]圖4d示出隨時間推移而流過第一傳導通路42和第二傳導通路44的電流的變化。示出了:DC網絡54中電流的上升速率86遠小於從第一傳導通路42整流換向到第二傳導通路44的電流的速率，這由第一傳導通路42和第二傳導通路44中的電流的變化的速率88a、88b給出。
[0094]然後IGBT 66被斷開80e，以將流入第二傳導通路44中的電流78b整流換向到第三傳導通路46中，如圖4e所示。這導致電流78c流入第三傳導通路46進而流入到電容器70中，這以下面給出的速率進行充電:
Γ ? dVc /(
[0095]^-=—
dt C
[0096]其中，dVc/dt為電容器70兩端的電壓的變化速率；
[0097]Ic為流過第三傳導通路46的電流78c ;並且
[0098]C為電容器70的電容量。
[0099]對電容器70進行充電導致了電容器70兩端的電壓82的增加，該電壓被施加在真空中斷器58和IGBT 66的兩端，如圖5所示。為了保護真空中斷器58，在真空中斷器58兩端施加的電壓82被保持得低於真空中斷器58的耐電壓能力，其隨著真空中斷器58的接觸元件之間的間隙的間隔不斷增加而增加到其額定值，直到達到最終的接觸間隔距離為止。這通過設置電容器70的電容量值來實現以控制電容器70兩端的電壓的上升速率能夠低於真空中斷器58的耐電壓能力的上升速率。用於對真空中斷器58中的接觸元件進行間隔以獲得最終耐電壓值的耐電壓能力上升的典型時間為I毫秒至2毫秒。
[0100]電容器70兩端的電壓82產生反電動勢，該反電動勢反抗流過DC網絡54、AC斷路器56和第一斷路器設備的故障電流。如果且當電容器電壓達到真空中斷器58和IGBT 66的安全限制以轉移任何額外的充電電流78d通過第四傳導通路48時，金屬氧化物變阻器74被激活80f，如圖4f所示。因此，金屬氧化物變阻器74吸收並且消散來自DC網絡54的能量，而反電動勢正在建立，以控制DC網絡電流。
[0101]反電動勢最後在所有串聯模塊40兩端變得顯著大，以吸收來自DC網絡的感應能量並且在合理的時間內將電流驅動到零。在電流到達零80g之後，打開串聯連接的AC斷路器56，以完成電流中斷過程並且在DC網絡54中隔離故障。
[0102]如果在完成了電流中斷程序不久之後需要重新閉合第一斷路器設備，則閉合AC斷路器56，然後接著是接通所有串聯模塊40中的IGBT 66，以允許電流流過第二傳導通路44。然而，如果故障仍然存在於DC網絡54中，則可以迅速地斷開所有串聯模塊40中的IGBT66，以暫停電流流過第一斷路器設備。另一方面，如果已經清除了 DC網絡54中的故障，則隨後在斷開所有IGBT 66之前通過閉合所有串聯模塊40中的真空中斷器58來將第一斷路器設備恢復到該第一斷路器設備的正常操作模式，以恢復DC網絡54的正常操作。
[0103]在已經清除了故障但電容器70仍然被充電到基本上在其穩態電壓電平之上的電平的情況中，閉合AC斷路器56，接著是在所有串聯模塊40中接通IGBT 66以允許電流流過第二傳導通路44。同時在所有模塊40中，金屬氧化物變阻器74使電容器70放電到其穩態電壓電平。這最小化了電容器70的電壓損壞串聯模塊40中的真空中斷器58經受隨後電流中斷過程的能力的風險。在電容器70已經恢復到其穩態電壓電平之後，在接通IGBT 66之前閉合所有模塊40中的真空中斷器58以恢復DC網絡54的正常操作。
[0104]為了在電流限制模式下操作第一斷路器設備，一些串聯模塊40被操作為使得串聯模塊40的電容器70產生反電動勢，以對抗流過DC網絡54的電流的一部分，並且由此驅動電流到較低的非零值或者阻止電流的進一步上升。同時剩餘的模塊40被操作為使得這些模塊的IGBT 66保持接通，以允許電流在第一終端50和第二終端52之間流過對應的第二傳導通路44，並且所以這些模塊的電容器70沒有貢獻任何反電動勢來驅動電流到較低的非零值。
[0105]第一斷路器設備的模塊化布置允許模塊的佔空因數更充分利用第一斷路器設備的可用率。這也允許生成的反電動勢能夠從零電壓平滑地變化到所需要的電壓。
[0106]可選地，在切換到電流中斷模式之前，可以在限流模式下初始操作第一斷路器設備。這可能在其中需要第一斷路器設備從已經失敗執行電流中斷過程的另一個斷路器中臨時接管電流中斷職責的情況中是有用的。
[0107]因此，第一斷路器設備能夠中斷並且/或者限制DC網絡54中的電流。
[0108]第一斷路器設備中的真空中斷器58和IGBT 66的並連的優勢在於:這最小化了在DC網絡54的正常操作期間的傳導損失，並且在DC網絡54的高故障電流的事件中使電流能夠從第一傳導通路42迅速整流換向到第二傳到通路44。後者不僅提高了第一斷路器設備的響應時間，而且最小化了接觸元件的磨損，並且因此增加了真空中斷器58的壽命。
[0109]圖6示出了根據本發明第二實施例的形成斷路器設備的一部分的模塊140。第二斷路器設備包括多個串聯模塊140。圖6中的斷路器設備的第二實施例的每個模塊140在結構和操作方面類似於圖1中的斷路器設備的第一實施例的每個模塊40，並且類似的特徵共享相同的參考數字。
[0110]第二斷路器設備的每個模塊140不同於第一斷路器設備的每個模塊40，因為在第二斷路器設備的每個模塊140中，第四傳導通路48還包括與線性電阻器91串聯的輔助開關元件90。
[0111]例如，輔助開關元件90可以為例如固態開關(例如，晶閘管或者IGBT)或者機械開關(例如，真空中斷器或者高壓繼電器)。
[0112]在本發明的其它實施例中，應當設想為:線性電阻器91可以由多個線性電阻器、至少一個其它線性電阻器、至少一個非線性電阻器(例如，金屬氧化物變阻器)及其各項組合所取代。在利用多個電阻器的使用的實施例中，還應當設想為:輔助開關元件90可以被配置為選擇性地將多個電阻器中的一些或者所有切入和切出電路。
[0113]第二斷路器設備的每個模塊140中的輔助開關元件90的提供允許將線性電阻器91選擇性地切入和切出電路，以由線性電阻器91控制吸收並且消散能量。
[0114]圖7示出根據本發明第三實施例的形成斷路器設備的一部分的模塊240。第三斷路器設備包括多個串聯模塊240。圖7中的斷路器設備的第三實施例的每個模塊240在結構和操作方面類似於圖1中的斷路器設備的第一實施例的每個模塊40，並且類似的特徵共享相同的參考數字。
[0115]第三斷路器設備的每個模塊240不同於第一斷路器設備的每個模塊40在於:在第三斷路器設備的每個模塊240中，第三傳導通路46省略了緩衝電路的二極體。這有益於減少第三斷路器設備240的尺寸、重量和成本。
[0116]然而，從緩衝電路中省略二極體意味著在接通IGBT 66之前並且/或者在閉合真空中斷器58之前必須使電容器70充分放電到零伏特。否則從電容器70中拉出的大電流可能損壞IGBT 66和/或者真空中斷器70。這繼而意味著當打開第三斷路器設備240時電容器70不能可靠作為用於每個模塊240中的真空中斷器58、IGBT 66或者晶閘管76的電源能量源。
[0117]圖8示出根據本發明第四實施例的形成斷路器設備的一部分的模塊340。第四斷路器設備包括多個串聯模塊340。圖8中的斷路器設備的第四實施例的每個模塊340在結構和操作方面類似於圖1中的斷路器設備的第一實施例的每個模塊40，並且類似的特徵共享相同的參考數字。
[0118]第四斷路器設備的每個模塊340不同於第一斷路器設備的每個模塊40，在於:在第四斷路器設備的每個模塊340中:
[0119].第二傳導通路44包括背對背連接的兩個IGBT 66 ；
[0120]?緩衝電路包括電容器70和兩個二極體72，每個IGBT 66與緩衝電路的二極體中的相應一個串聯，以限定電流控制元件集合92a、92b，該電流控制元件集合92a、92b以全橋布置方式與電容器70並聯。
[0121]以這種方式的模塊配置導致斷路器設備340具有雙向電流中斷和/或電流限制能力。
[0122]圖9示出根據本發明第五實施例的斷路器設備110。第五斷路器設備110包括多個串聯模塊(未示出)。第五斷路器設備110的每個模塊在結構和操作方面類似於圖1中的斷路器設備的第一實施例的每個模塊40。
[0123]第五斷路器設備110的每個模塊不同於第一斷路器設備40的每個模塊40，在於:在第五中斷器設備I1中，該模塊還包括電源，用於驅動真空中斷器的跳閘線圈、IGBTdas閘管，並且可選地為與第五斷路器設備110相關聯的局部控制和監視設施供電。電源是負載電流流過其的接收機變壓器(未示出)的形式。
[0124]圖9以示意性的形式示出使兩個DC網絡94a、94b互連的電路。該電路包括一對輔助電感器96 (每個輔助電感器96與相應DC網絡94a、94b的一極進行串聯)和一對輔助電容器98 (每個輔助電容器98限定與每個DC網絡94a、94b並聯的分支)。第五斷路器設備110在輔助電感器96之間連接在第五斷路器設備的每端處的每個串聯模塊的第一終端或者第二終端處，並且連接在並聯分支之間，以將第五斷路器設備110和並聯分支限定為「 」構造。
[0125]電路還包括一對驅動變壓器110，每個驅動變壓器110位於並聯分支之間的第五斷路器設備110的相應端上。
[0126]在本發明的其它實施例中，應當設想為:每個驅動變壓器可改為與電容器98中的相應一個串聯，從而每個分支包括輔助電容器和驅動變壓器的串聯。在這種實施例中，兩個驅動變壓器都可以定位在電路的接地側電勢上，以避免在驅動變壓器上安裝高壓絕緣的需求，並且由此減少驅動變壓器的製造成本。
[0127]在使用中，閉合真空中斷器，並且控制驅動變壓器100，以將紋波電流注入到流過閉合的第五斷路器設備110的負載電流中。每個模塊(未示出)使用與第一終端和第二終端串聯的接收機變壓器來接收紋波電流。紋波電流被隨後校正，以產生用於模塊組件例如IGBT和機械開關元件的局部電源。
[0128]一對輔助電感器96和一對輔助電容器98限定了提供電流環路返回通路102的兩個線路陷波器(line trap)。電路中的線路陷波器的包含阻止所注入的紋波電流進入DC網絡94a、94b的其它部分。圖9中示出的線路陷波器使用一階濾波器網絡而可以具有更高階濾波，其使用多個電感性的、電容性的且電阻性的元件以代替圖9中示出的一對輔助電感器96和一對輔助電容器98。
[0129]當流過第五斷路器設備110的電流被驅動到零時，該驅動電流變壓器100然後不能將紋波電流注入到第五斷路器設備110中，以提供局部電源。因此，一旦電源已經排出了其存儲的能量，就可能不存在用於閉合真空中斷器的任何電力。因此，可能需要通過其它方法來生成用於閉合真空中斷器的電力。
[0130]一個方法可以為從緩衝電路的電容器中收穫電力以生成用於閉合真空中斷器的電力。然而，在第五斷路器設備110操作期間，電容器可能被放電到零伏特，並且不經受隨後的充電同時閉合真空中斷器。
[0131]另一種方法可以為充氣地閉合真空中斷器，以完成電路，並且由此允許使用驅動變壓器100向模塊提供電力。這消除了生成用於閉合真空中斷器的電力的需求，因此導致設備的整個成本、尺寸和質量方面的節省。
[0132]將明白的是:上述兩種方法可以組合使用以達到閉合真空中斷器的目的。
[0133]在本發明的其它實施例中，應當設想為:電源可以為:
[0134].光學驅動的電源，其可以包括電絕緣光學纖維和雷射二極體，以向模塊提供光學能量，並且還包括光電接收器，以轉換光學能量並且由此生成電能。
[0135].位於模塊之內的渦輪發電機，其可以由電離水、壓縮空氣或者通過來自地面水平的電絕緣管道提供的任何其它合適的介質來供電。可以通過模塊來串聯電離水的液流或者壓縮空氣以維護使用的大量管道。該模塊還可以包括:交流發電機或者DC發電機，其由蝸輪發電機來供電並且因此繼而給模塊提供電源。
[0136]?位於模塊之內的燃料電池或者液流電池。通過來自地面水平的絕緣管道來將燃料或者電解液泵送到燃料電池或者液流電池。電化學反應使用燃料電池或者液流電池來生成由來自燃料或者電解液的模塊所使用的電力；或者
[0137].位於模塊之內的熱電發電機，其包括一個或者多個帕爾貼(Peltier)效應熱電設備，如圖10所示。帕爾貼效應熱電設備包括熱電偶，其可以為但是不限於夾在兩個瓷磚熱傳遞表面之間的碲化鉍豐富半導體結構。可以使用但不限於空冷散熱器來保持一個熱傳遞表面為環境溫度附近，同時可以將熱水環路與來自地面水平的電絕緣和落後的管道一起使用來加熱另一個熱傳遞表面。還可以利用用於創建相同溫度差的其它方法。水流可以以串聯或者並聯構造布置在模塊之間。這導致帕爾貼效應熱電設備的兩個瓷磚熱傳遞表面之間的幾十攝氏度的溫度差，這導致熱傳遞通過熱電偶材料並且由此生成電離子電荷。這由給模塊供電的DC到DC開關式轉換器來轉換到可用電源電壓。
[0138]用於打開和閉合真空中繼器的電激勵的使用通常具有幾十瓦特範圍之內的功率要求。電源的功率要求可以通過使用液壓或者氣動激勵來將真空中斷器機構的鎖定彈簧裝載到閉合位置來減小為幾瓦特。用於液壓或者氣動激勵的激勵可以為但不限於壓縮空氣或者去離子水，並且可以使用電絕緣管道來提供。一旦彈簧裝載到閉合位置，就可以通過使用電子激勵裝置例如螺管線圈來鬆開以打開真空中斷器。
[0139]在本發明的其它實施例中，應當還設想為:斷路器設備可以包括參考上述實施例所描述的任何特徵的組合。
【權利要求】
1.一種用在高壓直流(HVDC)輸電中的斷路器設備，所述斷路器設備包括一個模塊(40)或者多個串聯模塊(40)； 所述模塊(40)或者每個模塊(40)包括:第一傳導通路(42)、第二傳導通路(44)、第三傳導通路(46)和第四傳導通路(48);以及連接到電子網絡(54，56)的第一終端(50)和第二終端(52)，每個傳導通路(42，44，46，48)在所述第一終端(50)和所述第二終端(52)之間延伸；所述第一傳導通路(42)包括機械開關元件(58)，以選擇性地在第一操作模式下允許電流在所述第一終端和所述第二終端之間流過所述第一傳導通路(42)或者在第二操作模式下將電流從所述第一傳導通路(42)整流換向到所述第二傳導通路(44)； 所述第二傳導通路(44)包括至少一個半導體開關元件￠6)，以選擇性地在第二操作模式下允許電流在所述第一終端(50)和所述第二終端(52)之間流過所述第二傳導通路(44)或者將電流從所述第二傳導通路(44)整流換向到所述第三傳導通路(46)，其中，所述機械開關元件(58)的電弧電壓超過所述半導體開關元件￠6)或者所述多個半導體開關元件兩端的導通狀態電壓； 所述第三傳導通路(46)包括具有能量存儲裝置(70)的緩衝電路，以在第二操作模式下控制在所述機械開關元件(58)兩端的電壓的變化速率並且反抗在所述第一終端(50)和所述第二終端(52)之間流動的電流； 所述第四傳導通路(48)包括電阻元件(74)，以在第二操作模式下吸收並且消散能量，並且轉移來自所述第一終端(50)和所述第二終端(52)的充電電流而遠離所述能量存儲裝置(70)，以限制所述第一終端和所述第二終端兩端的最大電壓。
2.根據權利要求1所述的斷路器設備，包括多個串聯模塊(40)，其中，在使用中，一個或者多個模塊的所述半導體開關元件或者每個半導體開關元件進行切換，以在第二操作模式下將電流從所述第二傳導通路(44)整流換向到第三傳導通路(46)，同時所述其它模塊或者每個其它模塊的所述半導體開關元件或者每個半導體開關元件進行切換，以允許電流在所述第一終端(50)和所述第二終端(52)之間流過所述第二傳導通路(44)。
3.根據任何前述權利要求所述的斷路器設備，其中，所述半導體開關元件或者每個半導體開關元件選擇性地在第一操作模式下允許電流在所述第一終端(50)和所述第二終端(52)之間流過第二傳導通路(44)。
4.根據任何前述權利要求所述的斷路器設備，其中，所述機械開關元件(58)包括位於電介質之內的可縮進嚙合的接觸元件。
5.根據任何前述權利要求所述的斷路器設備，其中，所述半導體開關元件(66)或者每個半導體開關元件出6)是或者包括絕緣柵雙極型電晶體、柵極斷開晶閘管、柵極整流換向晶閘管、集成式柵極整流換向晶閘管或者MOS受控晶閘管。
6.根據任何前述權利要求所述的斷路器設備，其中，所述電阻元件(74)包括至少一個線性電阻器和/或至少一個非線性電阻器。
7.根據任何前述權利要求所述的斷路器設備，其中，所述第四傳導通路(48)還包括連接到所述電阻元件的輔助開關元件，所述輔助開關元件可操作為修改流過所述電阻元件的電流或者所述電阻元件兩端的電壓降。
8.根據任何前述權利要求所述的斷路器設備，其中，第一傳導通路(42)、第二傳導通路(44)以及第三傳導通路(46)在所述第一終端和所述第二終端之間並聯。
9.根據任何前述權利要求所述的斷路器設備，其中，所述能量存儲裝置(70)和所述電阻元件並聯，並且所述緩衝電路還包括連接到所述能量存儲裝置的二極體。
10.根據任何前述權利要求所述的斷路器設備，包括多個串聯模塊，其中，一個或者多個模塊反向連接到一個或者多個其它模塊。
11.根據權利要求1至7中任一項所述的斷路器設備，其中， 所述第二傳導通路(44)包括兩個半導體開關元件；並且 所述緩衝電路包括能量存儲裝置和兩個二極體，每個半導體開關元件與所述緩衝電路的二極體中的相應一個二極體串聯，以限定電流控制元件集合，所述電流控制元件集合以全橋布置方式與所述能量存儲裝置並聯。
12.根據任何前述權利要求所述的斷路器設備，其中，所述第四傳導通路(48)與所述緩衝電路的所述能量存儲裝置(70)並聯。
13.根據權利要求1至11中任一項所述的斷路器設備，其中，所述第四傳導通路(48)與第一傳導通路(42)、第二傳導通路(44)和/或第三傳導通路(46)並聯。
14.根據任何前述權利要求所述的斷路器設備，還包括給所述斷路器設備的一個或者多個組件供電的電源，其中，所述電源是或者包括用於接收且整流紋波電流的變壓器、光碟機動電源、與交流發電機或者DC發電機耦合的渦輪發電機、燃料電池、液流電池或者熱電發電機。
【文檔編號】H01H33/59GK104247262SQ201280070999
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2012年3月1日 優先權日:2012年3月1日
【發明者】阿利斯泰爾·伯內特, 科林·唐納德·默裡·奧茲, 科林·查諾克·戴維森 申請人:阿爾斯通技術有限公司