本发明涉及断路器装置的一般技术领域，尤其是设计为在负载上断开其所插入的电路，更确切地说，本发明涉及带有强制注入振荡电流的用于高压或中压直流网络的断路器装置。
背景技术：
本发明在保护多点高压直流(HVDC)网络或多点中压直流(MVDC)网络的技术领域中找到特别有利的应用。本发明的断路器装置能够在这种网络中出现故障的情况下保护这种网络以及相关联的交流/直流(AC/DC)转换器。
随着DC网络和基于DC转换器的多点DC网络的发展，DC断路器装置已成为确保稳定、安全和可靠运行的关键因素。
在AC网络中，电流在每个周期内两次过零，这样AC断路器就利用自然电流过零点来中断电流。在DC网络中，直流电流没有自然过零点，因此中断电流更为复杂。
在DC网络的现有技术中，已知利用基于绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的电力电子系统来直接中断故障DC电流。虽然这样的系统能够使电流快速中断，但该解决方案过于昂贵，并且在正常运行中导致大的传导损耗。
另一种已知的解决方案被称为“混合”或“机电一体化”，并且其首先包括具有与超快速机械隔离开关串联连接的电子功率器件的主支路，并且其次并联地包括电子功率器件。出现故障时，主支路中的电子功率器件将中断电流，并且机械隔离开关断开。电流切换到并联支路中，这样消除了故障。该解决方案具有降低传导损耗和以非常高的速度进行断路的优点。然而，该解决方案需要多个器件被串联和并联连接，因此需要复杂的控制。
还从专利申请WO2012/100831已知用于HVDC网络的断路器装置，其包括具有插入在网络线路中的机械断路器的一个支路，以及与该支路并联连接的避雷器和串联连接在一起且与该支路并联连接的跳闸开关、电感和预充负电压的电容。在出现故障电流时，跳闸开关用于将电流传送到电容器支路，以便减少和停止机械断路器支路中的电流流动。
另一种解决方案也是已知的，其使用一种机械断路器，该机械断路器只要呈现过零点就能够消除故障电流。然而，在DC网络中，由于故障电流不存在过零点，所以这样的机械断路器与用于注入振荡电流的电路相关联，使得可以人为引起故障电流呈现过零点。典型地，与机械断路器并联连接了包括第一电容器组、跳闸开关和电感器的一个串联连接。在出现故障电流时，跳闸开关使电容器组通过电感器放电，从而在流过具有机械断路器的支路的电流中产生过零点。
在出版物AORC Technical Meeting 2014，B4-1120，Mitsubishi，“HVDC breakers for HVDC grid applications(用于HVDC电网应用的HVDC断路器)”中描述的变型实施例中，AC电源用于给电容器组充电。因此，该解决方案是昂贵的，因为它需要使用在网络电压下工作的辅助电源和跳闸开关(晶闸管或绝缘栅极双极型晶体管的堆叠，或等离子体控制的放电间隙(spark gap))。
同样，出版物IEEE Transactions on Power Apparatus Systems，Hitachi，1985“Development and interrupting tests on 250kV 8kA HVDC circuit breaker(在250kV 8kA HVDC断路器上开发和中断测试)”提出，网络应该将电容器组充电到网络电压，使得跳闸开关也在网络电压下工作。
专利申请CN10333785没有描述用于给电容器组充电的电路，并且提供了使用具有控制监测的多个电子功率器件，这些器件也用于在网络电压下工作。
技术实现要素：
本发明寻求通过提出用于高压或中压直流网络的断路器装置来弥补上述缺点，该装置使用与用于注入振荡电流的电路相关联的机械断路器，该断路器装置被设计成避免需要使用辅助电压源，而不需要各种电子元件在网络电压下工作。
为了实现这样的目的，用于高压或中压DC网络的断路器装置包括具有插入网络线路中的机械断路器的支路，并且与该支路并联连接的首先是避雷器支路，其次是串联连接着的第一电容器组、跳闸开关(make switch)和电感器，跳闸开关在出现故障电流时动作以使电容器组通过电感器放电，从而在机械断路器支路中流动的电流中产生过零点。
根据本发明，所述断路器装置包括至少一个电阻分压器，所述至少一个电阻分压器与网络电压连接并具有与电容器组并联连接以对电容器组充电的低电压级。
本发明的断路器装置进一步包括以下特征中的一个和/或多个特征：
·第一个电阻分压器与电容器组一起具有短于100毫秒(ms)的充电时间常数；
·第一电阻分压器具有高电压级和低电压级之间的比率，所述比率在0.05至0.25的范围内；
·第二电阻分压器，连接到网络电压并具有与电容器组并联的低电压级，第一分压器的低电压级的电阻小于第二分压器的低电压级的电阻，其中第一电阻分压器的分压比等于第二电阻分压器的比率，第一分压器的各级包括受控开关，所述受控开关首先闭合以便对所述电容器组快速充电，然后在充电后断开以便使所述第二分压器保持所述电容器组的电荷。；
·具有第二电容器组的支路，该第二电容器组与第一电阻分压器的低电压级并联连接并且具有与第一电容器组的电容相同的电容，第一电容器组和第二电容器组各自与相应的受控开关串联连接，其中一个受控开关在出现故障电流时被闭合，以使相关联的电容器组放电，以便在机械断路器支路中流动的电流中产生过零点，并且另一个受控开关在基于故障而再次闭合时被闭合，以使相关联的电容器组放电，以便在机械断路器支路中流动的电流中产生过零点；
·用于在消除所述故障电流之后对所述电容器组进行放电的系统；
·作为用于对所述电容器组进行放电的系统，所述第一电阻分压器的所述受控开关和所述第一分压器的所述高电压级，所述受控开关被闭合以使所述电容器组放电；以及
·用于所述跳闸开关和隔离开关的控制电路，所述控制电路用于，首先在断开机械断路器之后，快速闭合跳闸开关以产生交流电流，其次断开隔离开关以重新初始化对所述电容器组的充电，以便为随后的断路操作做准备。
附图说明
从参考附图进行的以下描述中可以看出各种其他特征，附图示出了本发明的实施例作为非限制性示例。
图1是根据本发明的断路器装置的电路图。
图2是本发明的断路器装置的第一变型实施例的示意图，其包括两个电阻分压器。
图3A是示出对图2所示的断路器装置的电容器组进行充电的步骤的图。
图3B示出了在图3A的步骤中对断路器装置的电容器组进行充电的电压的波形，并且示出了在网络线路中流动的电流的波形。
图4A是断路器装置的示意图，示出了保持电容器组的充电的步骤。
图4B示出了在图4A的步骤中用于给断路器装置的电容器组进行充电的电压的波形。
图5A是示出出现故障电流时的断路器装置的图。
图5B示出出现故障电流时的网络电流波形以及用于给电容器组充电的电压波形。
图6A是示出断开断路器装置的机械断路器的步骤的断路器装置的图。
图6B示出了出现故障电流时的网络电流波形以及用于给电容器组充电的电压波形。
图7A是断路器装置的示意图，示出了对电容器组进行放电以产生振荡电流的步骤。
图7B对应于图7A中所示的放电步骤，并且示出了网络电流的波形和用于给电容器组充电的电压的波形。
图8A是断路器装置的示意图，示出了对电容器组进行放电以使其能够重新初始化的第一阶段。
图8B对应于图8A所示的放电步骤，示出了电容器组的电压波形。
图9A是断路器装置的示意图，示出了对电容器组进行放电以使其能够重新初始化的第二阶段。
图9B对应于图9A所示的放电步骤，并示出电容器组的电压波形。
图10是具有两组电容器的本发明的断路器装置的第二变型实施例的图。
具体实施方式
从附图中可以看出，特别是从图1可以看出，本发明的主题涉及用于具有强制注入振荡电流的高压或中压DC网络2的断路器装置1。本发明的断路器装置1能够在这样的网络中出现故障时保护这种网络及其相关联的AC/DC转换器。典型地，这样的断路器装置1被放置在这种转换器的DC插座和DC网络之间。在附图中，DC网络2由在点A和A'之间插入断路器装置1的线路表示，并且其在一侧包括负载电阻Rc，并且在另一侧包括DC源Vd。
根据本发明的断路器装置1包括具有插入在DC网络线路2中的机械断路器S1的支路A-A'。术语“机械断路器”S1用于指定一种装置，在该装置中，有源电路断路构件被密封在密封的外壳内，外壳内充满绝缘液，或者外壳内具有真空度低于10-5毫巴(mbar)的高真空。这种流体可以是气体，通常但不仅限于六氟化硫(SF6)，然而也可以使用液体或油。这种绝缘和电流中断介质因为其绝缘特性而被选中，特别是在相当的压力下具有大于干空气的介电强度，并且还因为其中断电流的能力而被选中。
与支路A-A'并联的情况下，存在串联连接的第一电容器组C、跳闸开关(make switch)S2和电感器L1。跳闸开关S2在控制电路(未示出)的控制下断开和闭合，使得在出现故障电流时，电容器组C通过电感器放电，从而在包含机械断路器S1的支路中流动的电流中产生过零点。
根据本发明的断路器装置1被设计成使电容器组C能够通过AC/DC转换器或者如图1的示例中所示通过高压线路至少经由第一电阻分压器Rs进行充电。分压器具有与电容器组C并联的低电压级R1s和高电压级R2s。通过适当选择该电阻分压器的分压比，可以使用几十千伏(kV)的组充电电压工作，从而延长其寿命(而不是在网络电压(即320kV dc)下连续工作)。在该电路中，跳闸开关S2以低电压(即电容器组的充电电压)工作，从而使受控的放电间隙，或者晶闸管或绝缘栅双极晶体管(IGBT)堆叠达成低成本。
从断路器装置1的上游，在DC源和A点之间串联连接隔离开关S3，该隔离开关适用于对电容器组C进行放电，如下面的描述中所述。
根据有利的实施例特征，第一电阻分压器Rs具有高电压级R2和低电压级R1s之间的分压比，该分压比在0.05至0.25的范围内。典型地，高电压级R2s的电阻在1.5兆欧(MΩ)至10MΩ的范围内，并且低电压级R1s的电阻在0.1MΩ至2.5MΩ的范围内。
最后，仍然与支路A-A'并联的情况下，存在避雷器支路5。该支路包括避雷器5，即用于针对任何已知类型的浪涌电压提供保护的器件。避雷器5用于设置电容器组C和机械断路器S1的端子两端的最大浪涌电压，并且在由机械断路器S1断路之后吸收来自网络的能量。
图2示出了根据本发明的断路器装置1的第一变型实施例，其具有连接到网络电压的第一电阻分压器Rs和也连接到网络电压的第二电阻器分压器Rl。第一电阻分压器Rs用于对电容器组C快速充电，同时在非常短的持续时间内呈现高损耗。第二电阻分压器Rl用于接管(代替)第一电阻分压器，以连续地保持电容器组C的电荷，同时呈现低的连续损耗。
第一电阻分压器Rs和电容器组C一起具有小于100毫秒(ms)的充电时间常数。
第一电阻分压器Rs具有低电压级R1s和高电压级R2s。低电压级R1s与电容器组C并联连接，以给电容器组充电。该低电压级R1s串联地包括受控开关T1s，其执行在下面的描述中详细描述的功能。高电压级R2s连接到电接地，并且串联地包括受控开关T2s，其执行下面详细描述的功能。受控开关T1s和T2s在与断路器装置1相关联的控制电路的控制下断开和闭合。
第二电阻分压器Rl具有低电压级R1l和高电压级R2l。低电压级R1与电容器组C并联连接，以给电容器组充电。高电压级R2l连接到电接地。
根据有利的实施例特征，第一电阻分压器Rs的低电阻级R1s的电阻小于第二电阻分压器Rl的低电压级R1l的电阻。根据另一个有利的实施例特征，第一电阻分压器Rs的分压比等于第二电阻分压器Rl的比率。如上所述，每个电阻分压器Rs和Rl的分压比在0.05至0.25的范围内。通常，对于第一电阻分压器Rs，低电压状态R1s的电阻处于1千欧姆(kΩ)至100kΩ的范围内，并且高电压级R2s的电阻处于20k kΩ至400kΩ的范围内。
图3A-3B至图9A-9B示出了图2所示的断路器装置1的操作中的主要步骤。
图3A-3B中所示的第一步骤涉及电容器组C的快速充电。为此目的，机械断路器S1闭合并且跳闸开关S2断开。应该观察到，与断路器装置1串联连接的隔离开关S3是闭合的。第一电阻分压器Rs的受控开关T1s和T2s是闭合的，以便通过第一电阻分压器Rs提供电容器组C的快速充电。电容器组C的充电电压的波形由图3B中的曲线T1示出，图3B也示出了在网络线路中流过(即通过机械断路器S1)的电流的波形(曲线I1)。
图4A-4B所示的第二步骤涉及将电容器组C的电荷保持在永久值，同时呈现低损耗。为此目的，第一电阻分压器Rs的受控开关T1s和T2s断开，而机械断路器S1保持闭合并且跳闸开关S2保持断开。应该观察到，与断路器装置1串联连接的隔离开关S3是闭合的。
受控开关T1s和T2s断开，以使得第一电阻分压器Rs断开，并且第二电阻分压器Rl连接到电容器组C的端子。受控开关T1s和T2s被控制为占据在电容器组达到完全充电之前的断开位置，使得通过使用第二电阻分压器Rl来终止电容器组C的充电。对电容器组C进行充电的电压的波形由图4B中的曲线T2示出，图4B示出了第一电阻分压器Rs与第二电阻分压器Rl之间的点A处的充电转变。因此第二电阻分压器Rl连续地作用以保持电容器组C的电荷，同时呈现低的连续损耗。
图5A-5B中所示的以下步骤示出了在网络线路上出现了故障电流Id。出现故障电流导致电容器组的电容减小，正如从图5B中的曲线T3可以看出的，该曲线示出了电容器组的电荷曲线。应该观察到的是，呈现大电阻的高电压级R2l适于在出现该故障电流期间限制电容器组的放电。
在出现故障电流之后，机械断路器S1被控制为通过来自保护电路的控制命令而断开，如图6A至6B所示。传统上，电弧出现在机械断路器S1内。如下所述，由于高电压级R2l的大电阻，电容器组在故障电流出现时不会瞬时释放其电荷。
在图7A-7B中示出了以下步骤，其示出了电容器组C放电到机械断路器S1中。为此，跳闸开关S2闭合，以允许电容器组放电到由电感器L1和机械断路器S1形成的电路中，从而产生高频振荡电流，该高频振荡电流叠加在通过机械断路器S1的故障电流上。自然地，以这种方式产生的振荡电流必须呈现比要消除的故障电流大的第一峰值。
振荡电流Ip的幅度是这样的：
振荡电流的频率是这样的：
分压器消耗的功率是这样的：
每个分压器的电流是这样的：
电容器组两端的电压是这样的：
充电时间常数是这样的：
因此，通过设定振荡电压和电流幅值，可以为电感L1确定电阻分压器Rs，Rl的电阻值并且可以确定电容器组的电容的值。
例如，如果故障电流的值等于16千安(kA)，则选择断路器装置的组件，使得振荡电流的峰值达到20kA。
因此应该理解，流过机械断路器S1的电流呈现过零点，使得机械断路器S1能够消除这样的故障电流。然后，机械断路器S1断开网络的支路A-A'。
考虑到包含机械断路器S1的支路的这种断开，电流在该支路周围流动并且可以通过由电感器L1和电容器组C形成的电路。因此，网络对电容器组进行充电，使得其电压增加，如图7B中的曲线T4所示。
然而，应该注意的是，避雷器5连接到电容器组C的端子。避雷器5因此将电容器组的电压的峰值限制成给定值，使得电流不再流过电容器组C而是通过包含避雷器5的支路。电容器组的电压因此基本稳定在网络电压。然后避雷器5通过电流并吸收能量，使得线路中的电流变为零(图7B中的电流曲线I4)。根据本发明的断路器装置1已经执行了消除故障电流的断开操作。
以下操作包括对电容器组C进行放电，在电容器组C中，电压已经达到网络的电压值，使得电容器组可以重新初始化，即以其值来重新充电以产生期望的振荡放电电流。
图8A-8B和9A-9B示出了对电容器组C进行放电的这种操作，其以两个阶段执行。首先，使隔离开关S3断开，使得电容器组C以第二电阻分压器Rl的时间常数放电(图8A)。应该回想到，第二电阻分压器Rl的时间常数相对较长，使得放电速度相对较慢，如从图8B中的曲线T5可以看出的那样，其绘制了电容器组的电压。
之后，如图9A所示，使受控开关T1s和T2s闭合，从而将第一电阻分压器Rs连接到电容器组C的端子。因此，电容器组C以第一电阻分压器Rs的时间常数放电。应该回想到，第一电阻分压器Rs的时间常数相对较短，使得放电速度相对较快，这可从图9B中的曲线T6看出，其绘制了电容器组的电压。曲线T6中的点P对应于经由第二电阻分压器Rl的放电和经由第一电阻分压器Rs的放电的转变。
一旦故障电流已被消除且电容器组C已经放电或正在放电，则在闭合机械断路器S1和与所述机械断路器S1串联连接的隔离开关S3之前断开跳闸开关S2。如参考图3A和3B所解释的那样，电容器组C快速充电并且断开受控开关T1s和T2s使得可以保持电容器组C的电荷(图4A-4B)。
在对电容器组充电之后，一旦出现故障电流，本发明的断路器装置1再次准备好执行另一个电路断开操作。重复上述各个步骤。
从以上描述中可以看出，本发明的断路器装置1不需要辅助电压源，从而增加其可靠性并降低其成本。此外，电容器组的充电电压达到几十kV的值，这与网络的永久值相差很远，从而改善了电容器组的老化。同样，即使在断路阶段，跳闸开关S2也在几十kV的电压下工作，而不是在网络电压下工作。跳闸开关S2因此可以是低成本的，例如，由“快速触发”或“受控”放电间隙、晶闸管的堆叠或绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的堆叠组成。
图10示出根据本发明的断路器装置1的第二变型实施例，其能够以非常短的时间间隔(通常短于100ms)执行两个连续的断路操作。在附图中所示的变型实施例中，在如图1所示的示例那样，断路器装置1仅具有一个电阻分压器Rs，但其具有与第一电容器组C并联布置的第二电容器组C1。第二电容器组C1因此与电阻分压器Rs的低电压级R1s并联连接并呈现与第一电容器组C的电容相同的电容。第一和第二电容器组中的每一个与相应的受控开关Tc、Tc1串联连接。
该第二变型实施例的操作原则上与参照图3A至9A详细描述的第一变型的操作相同。不同之处在于为两个电容器组充电，该充电同时通过单个电阻分压器Rs或通过两个并联电阻分压器Rs和Rl来执行。此外，在出现第一故障电流时，第一电容器组的受控开关Tc闭合，以使第一电容器组放电，从而在流过机械断路器的支路的电流中产生过零点。在断路器装置重新接合时，如果故障仍然存在，则机械断路器S1重新断开，并使与第二电容器组C1串联连接的受控开关Tc1闭合，以使第二电容器组放电，以便在流过包含机械断路器的支路的电流中产生过零点。
本发明的断路器装置1因此使得至少一个电容器组能够借助于高压网络或转换器简单地通过至少一个电阻分压器来充电。在这方面，应该看到，在图1所示的示例中，跳闸开关S2和高电压级R2s位于网络侧，而在所示的另一个实施例中，跳闸开关S2和高电压级R2位于转换器侧。自然地，跳闸开关S2和高电压级R2s可以位于转换器侧或网络侧。
本发明的断路器装置1包括用于跳闸开关S2和隔离开关S3的控制电路，该电路可以以任何合适的方式制造。通常，控制电路首先用于在断开机械断路器S1之后快速闭合跳闸开关S2以产生振荡电流，其次断开与断路器装置1串联连接的隔离开关S3以便重新初始化电容器组的充电，从而为随后的电路断开操作做好准备。一旦故障电流已被消除且电容器组放电，该控制电路还用于断开跳闸开关S2并闭合与断路器装置1串联连接的隔离开关S3。
本发明不限于所描述和示出的示例，因为可以在不超出其范围的情况下对其进行各种修改。