高压dc断路器设备的制作方法

高压dc断路器设备的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种用在高压直流(HVDC)输电中的断路器设备，该断路器设备包括一个模块(40)或者多个串联模块(40)，所述模块(40)或者每个模块(40)包括：第一传导通路(42)、第二传导通路(44)、第三传导通路(46)和第四传导通路(48)；以及连接到电子网络(54,56)的第一终端(50)和第二终端(52)，每个传导通路(42，44,46，48)在第一终端(50)和第二终端(52)之间延伸；第一传导通路(42)包括机械开关元件(58)，第二传导通路(44)包括至少一个半导体开关元件(66)，所述第三传导通路(46)包括具有能量存储装置(70)的缓冲电路，并且所述第四传导通路(48)包括电阻元件(74)。
【专利说明】高压DC断路器设备

【技术领域】
[0001]本发明涉及用在高压直流(HVDC)输电中的断路器设备。

【背景技术】
[0002]在输电网络中通常将交流(AC)电转换成直流(DC)电以用于经由高架线和/或者海底电缆进行传输。该转换移除了对由传输线或者电缆施加的AC电容性负载效应进行补偿的需要，由此减少了每千米的传输线和/或者电缆的成本。因此，当需要长距离输电时，从AC转换到DC是合算的。
[0003]在其中需要互连在不同频率处进行工作的AC网络中的输电网络中也利用AC电到DC电的转换。在任何此类输电网络中，在AC电和DC电之间的每个接口处需要转换器以实现所需转换。
[0004]HVDC容易遭受DC侧故障或者可以在DC输电线或者电缆的两端出现具有低阻抗的短路的其它异常工作情况。这些故障由于绝缘的损伤或者破裂、雷击、导体的移动或者异物导致的导体之间的其它偶然桥连等而可能出现。
[0005]DC输电线或者电缆两端的低阻抗的存在可不利于HVDC转换器。有时，转换器的固有设计意味着转换器在这种条件下不能限流，导致超过HVDC转换器的额定电流的高故障电流的发展。这种高故障电流不仅损坏HVDC转换器的组件，而且导致HVDC转换器离线一段时间。这导致损坏的电子设备硬件的修理和维护成本的不断增加，并且不便于依赖电子设备工作的最终用户。因此，一检测到高故障电流就能够中断该高故障电流是重要的。
[0006]使HVDC转换器免于DC侧故障的传统方法(借此转换器控制不通过任何其它手段限制该故障电流)要热衷于AC侧断路器，从而移除了通过HVDC转换器将故障馈送到DC侧的电流供给。这是因为目前不存在可用的HVDC断路器设计。而且目前几乎所有的HVDC方案均是采用连接到DC侧的两个HVDC转换器的点对点方案，借此一个HVDC转换器用作具有电力校正能力的电源，并且另一个HVDC转换器用作具有电力逆变能力的电力负载。因此，由于故障在点对点方案中的存在需要中断电力流以允许清除该故障，所以热衷于AC侧断路器是可接受的。
[0007]如地理分散的可再生的生成形式所需的那样，一类新的电网连接的HVDC输电网络现在正在被考虑以用于长距离移动大量的电力，以增大具有智慧型电网智能和能够支持现代电贸易需求的特征的现有AC传输网络的能力。
[0008]电网连接的HVDC输电网络需要HVDC转换器的多终端互连，借此可以使用并行工作的三个或者更多的HVDC转换器来在DC侧交换电力。每个HVDC转换器用作源或者汇以维持网络的整个输入到输出的电力平衡同时交换所需要的电力。在遍及整个网络的不期望的电力损耗发生之前，需要迅速地隔离网络中的故障并且与剩余的网络分离。此外，来自用作源的几个转换器的故障电流可以合并，以形成组合的故障电流，如果不适当管理，这将导致对整个网络的电子设备的广泛损坏。
[0009]当电流达到电流零点时，执行传统断路器中的电流中断，以可观地减少中断任务的难度。因此，在传统电路器中，存在着如果电流零点没有在用于中断电流的限定时间之内出现，则损坏电流中断设备的风险。因此，与电流零点自然地出现的AC电流不同，DC电流不能自然地达到电流零点，所以固有的难以执行DC电流中断。
[0010]可以通过施加强制的电流零点或者人工创建的电流零点来使用传统AC断路器以执行DC电流中断。一种DC电流中断的方法涉及在传统AC断路器的两端并行连接辅助电路，该辅助电路包括:电容器或者电容器和电感器的组合，并且被布置为创建在DC负载电流上叠加的振荡电流，从而创建电流零点。这种布置通常具有几十毫秒的响应时间，这不满足需要响应时间在几毫秒范围内的HVDC电网的要求。
[0011]EP 0867998B1公开了传统固态DC断路器，该断路器包括与金属氧化物避雷器并行的串联IGBT堆叠。该方案达到了上述提及的响应时间但是遭受了高稳态功率损耗。


【发明内容】

[0012]根据本发明的一个方面，提供了一种用在高压直流(HVDC)输电中的断路器设备，该断路器设备包括一个模块或者多个串联模块；
[0013]所述模块或者每个模块包括:第一传导通路、第二传导通路、第三传导通路和第四传导通路；以及连接到电网络的第一终端和第二终端，每个传导通路在第一终端和第二终端之间延伸。
[0014]第一传导通路包括机械开关元件，以选择性地在第一操作模式下允许电流在第一终端和第二终端之间流过第一传导通路或者在第二操作模式下将电流从第一传导通路整流换向到第二传导通路；
[0015]第二传导通路包括至少一个半导体开关元件，以选择性地在第二操作模式下允许电流在第一终端和第二终端之间流过第二传导通路或者将电流从第二传导通路整流换向到第三传导通路，其中，机械开关元件的电弧电压超过一个或者多个半导体开关元件两端的导通状态(on-sate)电压；
[0016]第三传导通路包括具有能量存储装置的缓冲电路，以在第二操作模式下控制机械开关元件两端的电压的变化速率并且反抗在第一终端和第二终端之间流动的电流；
[0017]第四传导通路包括电阻元件，以在第二操作模式下吸收并且消散能量，并且转移来自第一终端和第二终端的充电电流远离能量存储装置以限制第一终端和第二终端两端的最大电压。
[0018]在使用中，断路器设备可以与DC网络串联连接，并且可以与传统AC断路器或者切断器串联连接。将断路器设备连接到DC网络导致电流在DC网络中在正常输电期间流过所述模块或者每个模块的第一传导通路。当与相等额定的基于半导体的开关相比时，机械开关元件例如真空中断器在第一传导通路中的使用在DC网络的正常操作期间减少了传导损耗。
[0019]在导致高故障电流的DC网络中出现故障的情况中，接通所述半导体开关元件或者每个半导体开关元件并且打开机械开关元件，以将电流从第一传导通路整流换向到第二传导通路。这导致机械开关元件的接触元件之间的电弧的形成。机械开关元件的接触元件两端的电弧电压的存在导致电流从第一传导通路整流换向到第二传导通路。这继而导致电弧熄灭，并且由此最小化接触元件的磨损，这延长了机械开关元件的寿命。
[0020]机械开关元件的电弧电压和一个或者多个半导体开关元件两端的导通状态电压之差影响从第一传导通路到第二传导通路的电流的整流换向的速度。
[0021]具有快速电流斩波和高电弧电压特性的机械开关元件理想地与并联连接的半导体开关元件或者并联连接的半导体开关元件集合一起使用，以将机械开关元件从导通状态整流换向到阻断状态。这是因为机械开关元件之内的接触元件之间的电弧在没有消耗很多能量的情况下迅速地整流换向。相比之下，当基于半导体的开关处于传导状态时，基于半导体的开关在(能够将负载电流与所需要的低导通状态电压降一起携带的)第一传导通路中的使用将在半导体结处具有较大的存储电荷。当电流从第一传导通路整流换向到第二传导通路时，该存储电荷随后务必被消散以将设备恢复到阻断状态中。这需要在第二传导通路中的所述半导体开关元件或者每个半导体开关元件以及断路器设备的其它组件具有较大速率，以处理额外的消散义务，并且因此使设备在尺寸、重量以及成本方面更少经济。
[0022]机械开关元件以低成本和复杂性提供较低的传导电压降，并且由此适合于当不需要中断或限制电流功能时一直携带来自DC网络的电流。这不仅提供显著减少断路器设备的功率损耗的划算配置，而且减少了工厂冷却需求和断路器设备的操作成本，因此导致经济的设备设计。
[0023]机械开关元件必须被额定为匹配所述半导体开关元件或者每个半导体开关元件在模块中的可用率。整个DC网络的额定电压再分成可能计数为几百个的用于多个串联模块的各个额定电压允许自由可用的中间电压的机械开关元件和半导体的使用。而且机械开关元件仅需要其接触元件的短程距离，这允许为了以低驱动力实现可靠电流中断所需要的快速操作。因此，这导致实际且划算的断路器设备。
[0024]在熄灭机械开关元件的接触元件之间的电弧之后，接通所述半导体开关元件或者每个半导体开关元件，以将电流从第二传导通路整流换向到第三传导通路。打开机械开关元件改变其耐电压能力，这增加了接触元件之间的间隙中的间隔，直到达到了最终的接触间隔距离为止。电流在第三传导通路中的流动使缓冲电路的能量存储装置例如电容器充电，这将机械开关元件两端施加的电压的上升速率约束到比机械开关元件的耐电压能力的上升速率更低的值。当接触正在移动时，这允许在机械开关元件两端施加的电压能够保持在比机械开关元件的耐电压能力更低的值。
[0025]在所述模块或者每个模块中没有缓冲电路的情况中，在可断开所述半导体开关元件或者每个半导体开关元件之前，机械开关元件需要其接触元件能够被完全分开，以将电流从第二传导通路整流换向到第三传导通路。这会不利地减少断路器设备的操作速度。在机械开关元件的接触元件已经完全分开之后，断开所述半导体开关元件或者每个半导体开关元件可能防止电流的成功中断并且损害机械开关元件。
[0026]当断开所述模块或者每个模块中的所述半导体开关元件或者每个半导体开关元件时，缓冲电路还将移除从电路电感中出现的任何电压冲击，否则这将损害所述半导体开关元件或者每个半导体开关元件。
[0027]因此，在所述模块或者每个模块中包括缓冲电路提高了断路器设备的操作速度和可靠性。
[0028]对能量存储装置进行充电也导致对在所述模块或者一起协调时的多个串联模块两端形成的DC网络上的电压的反抗电压的形成，并且能够将DC网络电流驱动到限定值。同时，甚至当来自DC网络的电流仍然存在于第一终端和第二终端之间时，第四传导通路的电阻元件也通过转移电流远离缓冲电路且通过电阻元件来将每个模块两端施加的电压固定到安全电平之内。因此，断路器设备必须被设计为包含具有充足收集电压幅度的足够的串联连接模块，以不仅吸收和消散由DC网络中存储的感应能量产生的电压冲击，而且处理DC网络的标准额定电压，以便将电流驱动到零。
[0029]如果电流被驱动到零，则该设备相当于断路器。为了安全起见，此刻可以将与设备串联的第二传统AC断路器或者切断器切换到打开状态，以通过设置隔离来完成断路过程。否则，如果反抗电压驱动电流到非零值，则设备相当于限流器。在这种情况中，传统AC断路器可以保持闭合或者可以首先被省略。
[0030]在清除了 DC网络中的故障之后，断路器设备可以通过闭合机械开关元件来恢复到其正常操作模式。电阻元件使能量存储装置放电到其稳态电压电平，以允许机械开关元件能够安全地重新闭合。否则，如果使能量存储装置一直充电到基本上在其稳态电压电平之上的电平，则可能损害设备执行随后电流中断过程的能力。这是因为:由于机械开关元件两端的电压大约步进增加到能量存储装置两端的电压，所以在随后电流中断过程期间电压的高上升速率会被施加在机械开关元件两端。
[0031]因此，断路器设备中的所述模块或者每个模块的配置导致形成了独立单元的所述模块或者每个模块，以能够选择性地将电压降施加到DC网络中。多个串联模块的使用允许断路器设备中断或者限制DC网络中的电流。可以改变所提供的模块的数量以适合低电压、中电压、高电压电应用，但是该数量通常是额定的，从而所有模块的使用在给定的应用中驱动电流到零。
[0032]为了在DC网络中限流，可以操作断路器设备从而仅一些模块提供反抗电压，以驱动电流到非零值，而剩余模块被留在旁路模式中，并且由此不提供反抗电压。
[0033]可以通过使用断路器设备的实施例来实现限流操作，其中，断路器设备包括多个串联模块，其中，在使用中一个或者多个模块的所述半导体开关元件或者每个半导体开关元件可以进行切换，以在第二操作模式下将电流从第二传导通路整流换向到第三传导通路，同时所述或者每个其它模块的所述半导体开关元件或者每个半导体开关元件可以进行切换，以允许电流在第一终端和第二终端之间流过第二传导通路。断路器设备的模块化布置允许在限流模式期间以第二传导通路、第三传导通路、第四传导通路的依次模式下收集模块的占空因数以充分利用设备的可用率。这也允许调整反抗电压，以将电流驱动到小于原始故障电流电平的任何非零值。
[0034]优选地，所述半导体开关元件或者每个半导体开关元件选择性地在第一操作模式下允许电流在第一终端和第二终端之间流过第二传导通路。
[0035]可能需要断路器设备在中断或限制电流之后在预先确定的时间之内恢复到其正常操作模式。如之前所述，如果在重新闭合机械开关元件期间使能量存储装置一直充电在该能量存储装置的稳态电压电平之上，则可能损害设备执行随后电流中断过程的能力。所述半导体开关元件或者每个半导体开关元件可以被操作为，随时允许电流在第一终端和第二终端之间流过第二传导通路。如果还没有清除故障，则所述半导体开关元件或者每个半导体开关元件断开，以阻止电流非常快速流过断路器设备。
[0036]在清除了故障而仍然使能量存储装置一直充电在该能量存储装置的稳态电压电平之上的情况中，可以随时切换所述半导体开关元件或者每个半导体开关元件，以允许第二传导通路在DC网络的正常操作期间传导电流，直到能量存储装置两端的电压已经衰退到其稳态电压电平为止。在该期间，虽然功率损耗高于正常，但是这种功率损耗由于呈现于较高损耗的时间段较短而仍然是可接受的。此时，机械开关元件被闭合，以在断开所述半导体开关元件或者每个半导体开关元件以恢复正常操作之前，允许电流在第一终端和第二终端之间流过第一传导通路。
[0037]在本发明的实施例中，机械开关元件可以包括位于电介质之内的可缩进啮合的接触元件。这种机械开关元件可以例如为真空中断器。
[0038]电介质的选择影响机械开关元件的耐电压能力。电介质可以为高性能电介质，其可以是但不限于油、真空或者六氟化硫。高性能电介质的使用使机械开关元件的接触元件之间的小间隔能够导致高隔离电压。由于仅需要接触元件行进短距离来实现所需要的间隔，所以这继而促进机械开关元件的迅速切换。接触元件之间的短间隔也减少了操作机械开关元件所需要的驱动能量，因此减少了断路器设备的尺寸、成本和重量。
[0039]在又一个实施例中，所述半导体开关元件或者每个半导体开关元件可以为或者可以包括绝缘栅双极型晶体管、栅极断开晶闸管、栅极整流换向晶闸管、集成式栅极整流换向晶闸管或者MOS受控晶闸管。所述半导体开关元件或者每个半导体开关元件可以与反并联二极管并联。
[0040]所述半导体开关元件或者每个半导体开关元件可以由但不限于硅或者宽禁带半导体材料，例如碳化硅、金刚石或者氮化镓制成。
[0041]所述半导体开关元件或者每个半导体开关元件的所需额定电流可以根据所述模块或者每个模块是用于中断电流还是用于限制电流而变化，这是因为所述半导体开关元件或者每个半导体开关元件只需要以大约毫秒持续时间在断路事件中能够随时切换到电路中一次。然而，当对应的模块用于限制电流时，此时需要所述半导体开关元件或者每个半导体开关元件连续切换到电路中，或者需要将对应的模块在几十或者几百毫秒的占空因数上切入切出旁路，因而需要所述半导体开关元件或者每个半导体开关元件的更高且连续的额定功率。
[0042]电阻元件可以包括至少一个线性电阻器和/或至少一个非线性电阻器例如金属氧化物变阻器。
[0043]优选地，第四传导通路还包括连接到电阻元件的辅助开关元件，该辅助开关元件可用于修改流过电阻元件两端的电流或者电阻元件两端的电压降。辅助开关元件可以例如为固态开关(例如晶闸管或者IGBT)或者机械开关(例如真空中断器或者高压继电器)。
[0044]辅助开关元件的使用允许电阻元件选择性地切入或者切出电路，以修改流过电阻元件两端的电流或者电阻元件两端的电压降，从而由电阻元件控制能量的吸收或者消散。当电阻元件包括多个电阻元件部件时，辅助开关元件和多个电阻元件部件可以被布置为:当修改流过电阻元件两端的电流或者电阻元件两端的电压降时，辅助开关元件能够将部分电阻元件部件而非整个电阻元件切出电路，而其它电阻元件部件保留在电路中。
[0045]所述模块或者每个模块的配置可以取决于断路器设备的需求而变化。
[0046]在本发明的实施例中，第一传导通路、第二传导通路、第三传导通路、第四传导通路可以在第一终端和第二终端之间并联。
[0047]在本发明的其它实施例中，能量存储装置和电阻元件可以并联，并且缓冲电路还可以包括二极管，其连接到能量存储装置和电阻元件的并联组合。
[0048]二极管在缓冲电路中的使用去除了在接通所述半导体开关元件或者每个半导体开关元件并且/或者闭合机械开关元件之前使能量存储装置完全放电到零伏特的需要。否则二极管从缓冲电路中的省略可能导致从电容器中拉出的大电流，这可能损坏所述半导体开关元件或者每个半导体开关元件和/或所述机械开关元件。
[0049]此外，二极管在缓冲电路中的使用允许能量存储装置能够维持在最小电压电平并且由此使该能量存储装置用作能量源来用于所述或者每个模块内使用的局部电源，从而给例如机械开关元件的IGBT和致动器等设备供电。
[0050]另一方面，缓冲电路可以省略二极管，以减少断路器设备的尺寸、重量和成本。
[0051]在利用多个串联模块的使用的断路器设备的实施例中，一个或者多个模块可以反向连接到一个或者多个其它模块，以双向控制并且/或者断开电流。
[0052]在本发明的又一个实施例中，第二传导通路可以包括两个半导体开关元件；并且缓冲电路可以包括能量存储装置和两个二极管，每个半导体开关元件与缓冲电路中的二极管中的相应一个串联，以限定电流控制元件集合，电流控制元件集合以全桥布置的方式与能量存储装置并联。
[0053]以这种方式配置的一个或者多个模块的使用导致断路器设备具有双向电流中断和限制能力。
[0054]优选地，第四传导通路可以与缓冲电路的能量存储装置并联，或者与第一传导通路、第二传导通路和/或第三传导通路并联。
[0055]断路器还可以包括给断路器设备的一个或者多个组件供电的电源。例如，电源可以为或者可以包括用于接收且整流纹波电流的变压器、光驱动电源、与交流发电机或者DC发电机耦合的涡轮发电机、燃料电池、液流电池或者热电发电机。

【专利附图】

【附图说明】
[0056]现在参考附图通过非限制性示例来描述本发明的优选实施例，在附图中:
[0057]图1以示意性形式示出根据本发明第一实施例的形成断路器设备的一部分的模块；
[0058]图2示出在真空中断器的接触元件之间进行电弧期间形成的阴极斑点；
[0059]图3不出跨相应的阴极斑点和电弧等尚子体的相对长度的电压变化；
[0060]图4a至图4f示出用于中断或者限制电流的图1的模块的操作；
[0061]图5示出图1的模块的传导通路中的电压和电流二者的变化；
[0062]图6以示意性形式示出根据本发明第二实施例的形成断路器设备的一部分的模块；
[0063]图7以示意性形式示出根据本发明第三实施例的形成断路器设备的一部分的模块；
[0064]图8以示意性形式示出根据本发明第四实施例的形成断路器设备的一部分的模块；
[0065]图9示出根据本发明第五实施例的当断路器设备包括接收机变压器形式的电源时通过将纹波电流注入到DC网络的负载电流中来给断路器设备供电的电路；并且
[0066]图10示出用于形成给断路器设备供电的热电发电机的一部分的帕尔贴效应热电
>J-U ρ?α装直。

【具体实施方式】
[0067]图1示出了根据本发明第一实施例的形成断路器设备的一部分的模块40。
[0068]第一断路器设备包括多个串联模块40。每个模块40包括:第一传导通路42、第二传导通路44、第三传导通路46和第四传导通路48 ;以及第一终端50和第二终端52。
[0069]在使用中，每个模块40的第一终端50和第二终端52与DC网络54和AC断路器56串联。
[0070]第一传导通路42包括以真空中断器58形式的机械开关元件，其中该真空中断器58与位于真空中的接触元件59可缩进啮合，如图2所示。真空中断器58具有处于20V到40V的范围之内的确定性的电弧电压。应当明白的是，真空中断器58优选具有快速电流斩波和高电弧电压特性。
[0071]真空中断器58的电弧电压由该真空中断器的接触元件的几何结构和材料来确定。电弧在真空中形成于已经在接触元件59的表面气化的金属蒸汽。由于只有局部热效应足够高才能维持金属蒸汽的沸腾，所以流过真空中断器58的电流集中到狭窄的阴极斑点中，如图2所示。在每个阴极斑点61处的高电流密度意味着几乎所有的电弧电压60跨阴极斑点长度62而被形成，其中最小电压跨电弧等离子体63的长度64形成，如图3所示。
[0072]真空中断器58中的快速电流斩波起因于由于热传递到周围大块的接触材料中而导致的阴极斑点的快速冷却。当电流的热效应变得足够低以清除金属蒸汽的沸腾时，电弧将被迅速地熄灭，并且如果接触间隙足够大，则电弧将不会重新开始。
[0073]第二传导通路44包括以绝缘栅双极型晶体管(IGBT) 66形式的半导体开关元件，其中，其与反并联二极管68并联。该IGBT 66通常具有3.3KV或者4.5KV的额定电压以及在额定电流时的大约3.0V的导通状态电压降。
[0074]第三传导通路46包括缓冲电路，该缓冲电路包括被布置为限定电容器-二极管断开缓冲器布置的电容器70和二极管72。
[0075]第一传导通路42、第二传导通路44和第三传导通路46在第一终端50和第二终端52之间并联。
[0076]第四传导通路48具有以金属氧化物变阻器74形式的电阻元件，其与缓冲电路的电容器70并联。金属氧化物变阻器74为非线性变阻器，其在低电压时具有高电阻并且在高电压时具有低电阻。
[0077]在本发明的其它实施例(未示出)中，应当设想的是:金属氧化物变阻器可以由多个金属氧化物变阻器、至少一个其它非线性电阻器、至少一个线性电阻器或者其各项组合所取代。
[0078]第一断路器设备还包括:与IGBT 66并联的晶闸管76。晶闸管76可以在瞬时故障电流期间反向接通以保护反并联二极管68不遭受过电流和损坏。这允许第一断路器设备在使用中能够连接到DC网络，该DC网络具有包括负载和不同极性的故障电流的网状结构。
[0079]在其它实施例中，应当设想为:如果电流需要在两个方向被控制并且/或者中断，则一个或者多个额外的模块可以反向与现有的多个模块串联，以控制并且/或者中断相反方向的电流。
[0080]在其它实施例中，应当设想为:可以从每个模块40中省略晶闸管76。在这些实施例中，可以通过闭合机械开关元件58来保护二极管68不遭受过电流，以将瞬时故障电流从第二传导通路44整流换向到第一传导通路42。
[0081]参考图4a到图4f以及图5，用于中断DC网络54中的电流的图1中的断路器设备的每个模块40的操作如下所述。
[0082]图5示出在电流中断过程期间图1的模块40中的传导通路42、44、46、48中的电流和电压的变化。
[0083]如图4a所示，在DC网络54的正常操作情形期间闭合真空中断器58以允许电流78a流过DC网络54、AC断路器56和模块40的第一传导通路42。在该阶段，电流78a没有流过第二传导通路44、第三传导通路46和第四传导通路48，并且在真空中断器58或者IGBT 66的两端不存在显著的电压降82。
[0084]DC网络54中的故障或者其它异常操作情形可能导致流过DC网络54的高故障电流。
[0085]如图4b所示，响应于DC网络54中的高故障电流的事件80a，将IGBT 66切换到导通状态80b，这导致电流78a开始从第一传导通路42整流换向到第二传导通路44。这造成电流78b流到第二传导通路44中。此刻真空中断器58的解扣线圈被激活，以对真空中断器的接触元件的间隔80c进行初始化，这导致间隔的接触元件之间电弧的形成。接触元件两端的电弧电压的存在导致电流78a从第一传导通路42完全整流换向到第二传导通路44,如图4c所示，因而完全熄灭电弧80d。
[0086]比IGBT 66的导通状态电压更高的真空中断器58的电弧电压导致电流78a通常在I毫秒的时间内从第一传导通路42到第二传导通路44的迅速整流换向84。
[0087]电流78a从第一传导通路42整流换向到第二传导通路44时的速率di/dt被计算如下:
(is V - V
「IUi _ r arc VIGBT
[0088]— — ---
dtku-av
[0089]其中，Varc为真空中断器58的接触元件两端的电弧电压；
[0090]Vigbt为IGBT 66的导通状态电压；并且
[0091]Lstray为由真空中断器58和IGBT 66形成的导体环路的杂散电感。
[0092]例如，如果Varc为33V，Vigbt为3V，并且Lstray为50nH，则电流78a从第一传导通路42整流换向到第二传导通路44时的速率为每微秒600A。
[0093]图4d示出随时间推移而流过第一传导通路42和第二传导通路44的电流的变化。示出了:DC网络54中电流的上升速率86远小于从第一传导通路42整流换向到第二传导通路44的电流的速率，这由第一传导通路42和第二传导通路44中的电流的变化的速率88a、88b给出。
[0094]然后IGBT 66被断开80e，以将流入第二传导通路44中的电流78b整流换向到第三传导通路46中，如图4e所示。这导致电流78c流入第三传导通路46进而流入到电容器70中，这以下面给出的速率进行充电:
Γ ? dVc /(
[0095]^-=—
dt C
[0096]其中，dVc/dt为电容器70两端的电压的变化速率；
[0097]Ic为流过第三传导通路46的电流78c ;并且
[0098]C为电容器70的电容量。
[0099]对电容器70进行充电导致了电容器70两端的电压82的增加，该电压被施加在真空中断器58和IGBT 66的两端，如图5所示。为了保护真空中断器58，在真空中断器58两端施加的电压82被保持得低于真空中断器58的耐电压能力，其随着真空中断器58的接触元件之间的间隙的间隔不断增加而增加到其额定值，直到达到最终的接触间隔距离为止。这通过设置电容器70的电容量值来实现以控制电容器70两端的电压的上升速率能够低于真空中断器58的耐电压能力的上升速率。用于对真空中断器58中的接触元件进行间隔以获得最终耐电压值的耐电压能力上升的典型时间为I毫秒至2毫秒。
[0100]电容器70两端的电压82产生反电动势，该反电动势反抗流过DC网络54、AC断路器56和第一断路器设备的故障电流。如果且当电容器电压达到真空中断器58和IGBT 66的安全限制以转移任何额外的充电电流78d通过第四传导通路48时，金属氧化物变阻器74被激活80f，如图4f所示。因此，金属氧化物变阻器74吸收并且消散来自DC网络54的能量，而反电动势正在建立，以控制DC网络电流。
[0101]反电动势最后在所有串联模块40两端变得显著大，以吸收来自DC网络的感应能量并且在合理的时间内将电流驱动到零。在电流到达零80g之后，打开串联连接的AC断路器56，以完成电流中断过程并且在DC网络54中隔离故障。
[0102]如果在完成了电流中断程序不久之后需要重新闭合第一断路器设备，则闭合AC断路器56，然后接着是接通所有串联模块40中的IGBT 66，以允许电流流过第二传导通路44。然而，如果故障仍然存在于DC网络54中，则可以迅速地断开所有串联模块40中的IGBT66，以暂停电流流过第一断路器设备。另一方面，如果已经清除了 DC网络54中的故障，则随后在断开所有IGBT 66之前通过闭合所有串联模块40中的真空中断器58来将第一断路器设备恢复到该第一断路器设备的正常操作模式，以恢复DC网络54的正常操作。
[0103]在已经清除了故障但电容器70仍然被充电到基本上在其稳态电压电平之上的电平的情况中，闭合AC断路器56，接着是在所有串联模块40中接通IGBT 66以允许电流流过第二传导通路44。同时在所有模块40中，金属氧化物变阻器74使电容器70放电到其稳态电压电平。这最小化了电容器70的电压损坏串联模块40中的真空中断器58经受随后电流中断过程的能力的风险。在电容器70已经恢复到其稳态电压电平之后，在接通IGBT 66之前闭合所有模块40中的真空中断器58以恢复DC网络54的正常操作。
[0104]为了在电流限制模式下操作第一断路器设备，一些串联模块40被操作为使得串联模块40的电容器70产生反电动势，以对抗流过DC网络54的电流的一部分，并且由此驱动电流到较低的非零值或者阻止电流的进一步上升。同时剩余的模块40被操作为使得这些模块的IGBT 66保持接通，以允许电流在第一终端50和第二终端52之间流过对应的第二传导通路44，并且所以这些模块的电容器70没有贡献任何反电动势来驱动电流到较低的非零值。
[0105]第一断路器设备的模块化布置允许模块的占空因数更充分利用第一断路器设备的可用率。这也允许生成的反电动势能够从零电压平滑地变化到所需要的电压。
[0106]可选地，在切换到电流中断模式之前，可以在限流模式下初始操作第一断路器设备。这可能在其中需要第一断路器设备从已经失败执行电流中断过程的另一个断路器中临时接管电流中断职责的情况中是有用的。
[0107]因此，第一断路器设备能够中断并且/或者限制DC网络54中的电流。
[0108]第一断路器设备中的真空中断器58和IGBT 66的并连的优势在于:这最小化了在DC网络54的正常操作期间的传导损失，并且在DC网络54的高故障电流的事件中使电流能够从第一传导通路42迅速整流换向到第二传到通路44。后者不仅提高了第一断路器设备的响应时间，而且最小化了接触元件的磨损，并且因此增加了真空中断器58的寿命。
[0109]图6示出了根据本发明第二实施例的形成断路器设备的一部分的模块140。第二断路器设备包括多个串联模块140。图6中的断路器设备的第二实施例的每个模块140在结构和操作方面类似于图1中的断路器设备的第一实施例的每个模块40，并且类似的特征共享相同的参考数字。
[0110]第二断路器设备的每个模块140不同于第一断路器设备的每个模块40，因为在第二断路器设备的每个模块140中，第四传导通路48还包括与线性电阻器91串联的辅助开关元件90。
[0111]例如，辅助开关元件90可以为例如固态开关(例如，晶闸管或者IGBT)或者机械开关(例如，真空中断器或者高压继电器)。
[0112]在本发明的其它实施例中，应当设想为:线性电阻器91可以由多个线性电阻器、至少一个其它线性电阻器、至少一个非线性电阻器(例如，金属氧化物变阻器)及其各项组合所取代。在利用多个电阻器的使用的实施例中，还应当设想为:辅助开关元件90可以被配置为选择性地将多个电阻器中的一些或者所有切入和切出电路。
[0113]第二断路器设备的每个模块140中的辅助开关元件90的提供允许将线性电阻器91选择性地切入和切出电路，以由线性电阻器91控制吸收并且消散能量。
[0114]图7示出根据本发明第三实施例的形成断路器设备的一部分的模块240。第三断路器设备包括多个串联模块240。图7中的断路器设备的第三实施例的每个模块240在结构和操作方面类似于图1中的断路器设备的第一实施例的每个模块40，并且类似的特征共享相同的参考数字。
[0115]第三断路器设备的每个模块240不同于第一断路器设备的每个模块40在于:在第三断路器设备的每个模块240中，第三传导通路46省略了缓冲电路的二极管。这有益于减少第三断路器设备240的尺寸、重量和成本。
[0116]然而，从缓冲电路中省略二极管意味着在接通IGBT 66之前并且/或者在闭合真空中断器58之前必须使电容器70充分放电到零伏特。否则从电容器70中拉出的大电流可能损坏IGBT 66和/或者真空中断器70。这继而意味着当打开第三断路器设备240时电容器70不能可靠作为用于每个模块240中的真空中断器58、IGBT 66或者晶闸管76的电源能量源。
[0117]图8示出根据本发明第四实施例的形成断路器设备的一部分的模块340。第四断路器设备包括多个串联模块340。图8中的断路器设备的第四实施例的每个模块340在结构和操作方面类似于图1中的断路器设备的第一实施例的每个模块40，并且类似的特征共享相同的参考数字。
[0118]第四断路器设备的每个模块340不同于第一断路器设备的每个模块40，在于:在第四断路器设备的每个模块340中:
[0119].第二传导通路44包括背对背连接的两个IGBT 66 ；
[0120]?缓冲电路包括电容器70和两个二极管72，每个IGBT 66与缓冲电路的二极管中的相应一个串联，以限定电流控制元件集合92a、92b，该电流控制元件集合92a、92b以全桥布置方式与电容器70并联。
[0121]以这种方式的模块配置导致断路器设备340具有双向电流中断和/或电流限制能力。
[0122]图9示出根据本发明第五实施例的断路器设备110。第五断路器设备110包括多个串联模块(未示出)。第五断路器设备110的每个模块在结构和操作方面类似于图1中的断路器设备的第一实施例的每个模块40。
[0123]第五断路器设备110的每个模块不同于第一断路器设备40的每个模块40，在于:在第五中断器设备I1中，该模块还包括电源，用于驱动真空中断器的跳闸线圈、IGBTdas闸管，并且可选地为与第五断路器设备110相关联的局部控制和监视设施供电。电源是负载电流流过其的接收机变压器(未示出)的形式。
[0124]图9以示意性的形式示出使两个DC网络94a、94b互连的电路。该电路包括一对辅助电感器96 (每个辅助电感器96与相应DC网络94a、94b的一极进行串联)和一对辅助电容器98 (每个辅助电容器98限定与每个DC网络94a、94b并联的分支)。第五断路器设备110在辅助电感器96之间连接在第五断路器设备的每端处的每个串联模块的第一终端或者第二终端处，并且连接在并联分支之间，以将第五断路器设备110和并联分支限定为“ ”构造。
[0125]电路还包括一对驱动变压器110，每个驱动变压器110位于并联分支之间的第五断路器设备110的相应端上。
[0126]在本发明的其它实施例中，应当设想为:每个驱动变压器可改为与电容器98中的相应一个串联，从而每个分支包括辅助电容器和驱动变压器的串联。在这种实施例中，两个驱动变压器都可以定位在电路的接地侧电势上，以避免在驱动变压器上安装高压绝缘的需求，并且由此减少驱动变压器的制造成本。
[0127]在使用中，闭合真空中断器，并且控制驱动变压器100，以将纹波电流注入到流过闭合的第五断路器设备110的负载电流中。每个模块(未示出)使用与第一终端和第二终端串联的接收机变压器来接收纹波电流。纹波电流被随后校正，以产生用于模块组件例如IGBT和机械开关元件的局部电源。
[0128]一对辅助电感器96和一对辅助电容器98限定了提供电流环路返回通路102的两个线路陷波器(line trap)。电路中的线路陷波器的包含阻止所注入的纹波电流进入DC网络94a、94b的其它部分。图9中示出的线路陷波器使用一阶滤波器网络而可以具有更高阶滤波，其使用多个电感性的、电容性的且电阻性的元件以代替图9中示出的一对辅助电感器96和一对辅助电容器98。
[0129]当流过第五断路器设备110的电流被驱动到零时，该驱动电流变压器100然后不能将纹波电流注入到第五断路器设备110中，以提供局部电源。因此，一旦电源已经排出了其存储的能量，就可能不存在用于闭合真空中断器的任何电力。因此，可能需要通过其它方法来生成用于闭合真空中断器的电力。
[0130]一个方法可以为从缓冲电路的电容器中收获电力以生成用于闭合真空中断器的电力。然而，在第五断路器设备110操作期间，电容器可能被放电到零伏特，并且不经受随后的充电同时闭合真空中断器。
[0131]另一种方法可以为充气地闭合真空中断器，以完成电路，并且由此允许使用驱动变压器100向模块提供电力。这消除了生成用于闭合真空中断器的电力的需求，因此导致设备的整个成本、尺寸和质量方面的节省。
[0132]将明白的是:上述两种方法可以组合使用以达到闭合真空中断器的目的。
[0133]在本发明的其它实施例中，应当设想为:电源可以为:
[0134].光学驱动的电源，其可以包括电绝缘光学纤维和激光二极管，以向模块提供光学能量，并且还包括光电接收器，以转换光学能量并且由此生成电能。
[0135].位于模块之内的涡轮发电机，其可以由电离水、压缩空气或者通过来自地面水平的电绝缘管道提供的任何其它合适的介质来供电。可以通过模块来串联电离水的液流或者压缩空气以维护使用的大量管道。该模块还可以包括:交流发电机或者DC发电机，其由蜗轮发电机来供电并且因此继而给模块提供电源。
[0136]?位于模块之内的燃料电池或者液流电池。通过来自地面水平的绝缘管道来将燃料或者电解液泵送到燃料电池或者液流电池。电化学反应使用燃料电池或者液流电池来生成由来自燃料或者电解液的模块所使用的电力；或者
[0137].位于模块之内的热电发电机，其包括一个或者多个帕尔贴(Peltier)效应热电设备，如图10所示。帕尔贴效应热电设备包括热电偶，其可以为但是不限于夹在两个瓷砖热传递表面之间的碲化铋丰富半导体结构。可以使用但不限于空冷散热器来保持一个热传递表面为环境温度附近，同时可以将热水环路与来自地面水平的电绝缘和落后的管道一起使用来加热另一个热传递表面。还可以利用用于创建相同温度差的其它方法。水流可以以串联或者并联构造布置在模块之间。这导致帕尔贴效应热电设备的两个瓷砖热传递表面之间的几十摄氏度的温度差，这导致热传递通过热电偶材料并且由此生成电离子电荷。这由给模块供电的DC到DC开关式转换器来转换到可用电源电压。
[0138]用于打开和闭合真空中继器的电激励的使用通常具有几十瓦特范围之内的功率要求。电源的功率要求可以通过使用液压或者气动激励来将真空中断器机构的锁定弹簧装载到闭合位置来减小为几瓦特。用于液压或者气动激励的激励可以为但不限于压缩空气或者去离子水，并且可以使用电绝缘管道来提供。一旦弹簧装载到闭合位置，就可以通过使用电子激励装置例如螺管线圈来松开以打开真空中断器。
[0139]在本发明的其它实施例中，应当还设想为:断路器设备可以包括参考上述实施例所描述的任何特征的组合。
【权利要求】
1.一种用在高压直流(HVDC)输电中的断路器设备，所述断路器设备包括一个模块(40)或者多个串联模块(40)； 所述模块(40)或者每个模块(40)包括:第一传导通路(42)、第二传导通路(44)、第三传导通路(46)和第四传导通路(48);以及连接到电子网络(54，56)的第一终端(50)和第二终端(52)，每个传导通路(42，44，46，48)在所述第一终端(50)和所述第二终端(52)之间延伸；所述第一传导通路(42)包括机械开关元件(58)，以选择性地在第一操作模式下允许电流在所述第一终端和所述第二终端之间流过所述第一传导通路(42)或者在第二操作模式下将电流从所述第一传导通路(42)整流换向到所述第二传导通路(44)； 所述第二传导通路(44)包括至少一个半导体开关元件￠6)，以选择性地在第二操作模式下允许电流在所述第一终端(50)和所述第二终端(52)之间流过所述第二传导通路(44)或者将电流从所述第二传导通路(44)整流换向到所述第三传导通路(46)，其中，所述机械开关元件(58)的电弧电压超过所述半导体开关元件￠6)或者所述多个半导体开关元件两端的导通状态电压； 所述第三传导通路(46)包括具有能量存储装置(70)的缓冲电路，以在第二操作模式下控制在所述机械开关元件(58)两端的电压的变化速率并且反抗在所述第一终端(50)和所述第二终端(52)之间流动的电流； 所述第四传导通路(48)包括电阻元件(74)，以在第二操作模式下吸收并且消散能量，并且转移来自所述第一终端(50)和所述第二终端(52)的充电电流而远离所述能量存储装置(70)，以限制所述第一终端和所述第二终端两端的最大电压。
2.根据权利要求1所述的断路器设备，包括多个串联模块(40)，其中，在使用中，一个或者多个模块的所述半导体开关元件或者每个半导体开关元件进行切换，以在第二操作模式下将电流从所述第二传导通路(44)整流换向到第三传导通路(46)，同时所述其它模块或者每个其它模块的所述半导体开关元件或者每个半导体开关元件进行切换，以允许电流在所述第一终端(50)和所述第二终端(52)之间流过所述第二传导通路(44)。
3.根据任何前述权利要求所述的断路器设备，其中，所述半导体开关元件或者每个半导体开关元件选择性地在第一操作模式下允许电流在所述第一终端(50)和所述第二终端(52)之间流过第二传导通路(44)。
4.根据任何前述权利要求所述的断路器设备，其中，所述机械开关元件(58)包括位于电介质之内的可缩进啮合的接触元件。
5.根据任何前述权利要求所述的断路器设备，其中，所述半导体开关元件(66)或者每个半导体开关元件出6)是或者包括绝缘栅双极型晶体管、栅极断开晶闸管、栅极整流换向晶闸管、集成式栅极整流换向晶闸管或者MOS受控晶闸管。
6.根据任何前述权利要求所述的断路器设备，其中，所述电阻元件(74)包括至少一个线性电阻器和/或至少一个非线性电阻器。
7.根据任何前述权利要求所述的断路器设备，其中，所述第四传导通路(48)还包括连接到所述电阻元件的辅助开关元件，所述辅助开关元件可操作为修改流过所述电阻元件的电流或者所述电阻元件两端的电压降。
8.根据任何前述权利要求所述的断路器设备，其中，第一传导通路(42)、第二传导通路(44)以及第三传导通路(46)在所述第一终端和所述第二终端之间并联。
9.根据任何前述权利要求所述的断路器设备，其中，所述能量存储装置(70)和所述电阻元件并联，并且所述缓冲电路还包括连接到所述能量存储装置的二极管。
10.根据任何前述权利要求所述的断路器设备，包括多个串联模块，其中，一个或者多个模块反向连接到一个或者多个其它模块。
11.根据权利要求1至7中任一项所述的断路器设备，其中， 所述第二传导通路(44)包括两个半导体开关元件；并且 所述缓冲电路包括能量存储装置和两个二极管，每个半导体开关元件与所述缓冲电路的二极管中的相应一个二极管串联，以限定电流控制元件集合，所述电流控制元件集合以全桥布置方式与所述能量存储装置并联。
12.根据任何前述权利要求所述的断路器设备，其中，所述第四传导通路(48)与所述缓冲电路的所述能量存储装置(70)并联。
13.根据权利要求1至11中任一项所述的断路器设备，其中，所述第四传导通路(48)与第一传导通路(42)、第二传导通路(44)和/或第三传导通路(46)并联。
14.根据任何前述权利要求所述的断路器设备，还包括给所述断路器设备的一个或者多个组件供电的电源，其中，所述电源是或者包括用于接收且整流纹波电流的变压器、光驱动电源、与交流发电机或者DC发电机耦合的涡轮发电机、燃料电池、液流电池或者热电发电机。
【文档编号】H01H33/59GK104247262SQ201280070999
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2012年3月1日 优先权日:2012年3月1日
【发明者】阿利斯泰尔·伯内特, 科林·唐纳德·默里·奥兹, 科林·查诺克·戴维森 申请人:阿尔斯通技术有限公司