电路中断设备的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电路中断设备及电路中断设备组件。
【背景技术】
[0002]在输电网络中，交流(AC)电力通常被转换成直流(DC)电力用于经由架空线路和/或海底电缆传输。此转换不需要补偿由传输线路或电缆所施加的AC电容性负载的影响，由此减少了线路和/或电缆的每公里成本。从而当需要长距离传输电力时，从AC到DC的转换变得具有成本效益。
[0003]从AC到DC的电力转换还用于有必要互连运行于不同频率的AC网络的输电网络中。在任何这样的输电网络中，在AC和DC电力的每个交接处均需要转换器来实现所需的转换。
[0004]HVDC转换器容易受到DC侧故障或能够呈现在DC输电线路或电缆两端具有低阻抗的短路的其他异常运行状况的影响。这样的故障可能是由于绝缘的损坏或击穿、雷击、导体的移动或由外物导致的导体之间的其他意外桥接而发生。
[0005]在DC输电线路或电缆两端存在低阻抗可能不利于HVDC转换器。有时转换器的固有设计意味着其在这样的条件下不能限制电流，导致发展成超过HVDC转换器的额定电流的高故障电流。这样的高故障电流不仅损坏HVDC转换器的部件，还导致HVDC转换器离线一段时间。这导致维修和维护受损电气设备硬件的成本增加，并给依靠电气装置工作的终端用户带来不便。因此，能够在检测出高故障电流时立即中断高故障电流很重要。
[0006]在转换器控制不能用任何其他手段限制故障电流的情况下，保护HVDC转换器免受来自DC侧故障影响的传统手段是使AC侧断路器跳闸，从而去除通过HVDC转换器将故障馈送到DC侧的电流供应。这是因为目前还没有可商购的HVDC断路器设计。此外，目前几乎所有的HVDC方案都是具有连接到DC侧的两个HVDC转换器的点对点方案，其中一个HVDC转换器用作具有电力整流能力的电源，而另一个HVDC转换器用作具有电力逆变能力的电力负载。因此，由于在点对点方案中存在故障需要中断电力流动以允许清除故障，所以使AC侧断路器跳闸是可以接受的。
[0007]一类新的HVDC输电网络正被考虑用于长距离移动大量电力，以满足地理上分散的可再生形式的发电的要求，并且用能够支持现代电力交易需求的智能电网的智能和特征对AC输电网络的现有能力进行增强。
[0008]这样的HVDC输电网络需要HVDC转换器的多端子互连，从而可以使用并联工作的三个或更多个HVDC转换器在DC侧交换电力。每个HVDC转换器用作源或蓄能库(sink)，以维持网络的整体输入-输出电力平衡，同时根据需要交换电力。HVDC输电网络中的故障必须迅速与网络的其余部分隔离和分离，以便使得网络能够尽快恢复正常电力输送。
[0009]传统的AC断路器的电流中断是在电流达到电流零点时实施的，从而大大降低了中断任务的难度。因此，在传统的断路器中，如果在用于中断电流的限定时间段内未出现电流零点，则存在损坏电流中断设备的风险。因此，由于不像AC电流会自然发生电流零点，DC电流不能自然达到电流零点，所以本质上难以实施DC电流中断。
[0010]出于相同的理由，由于传统的AC断路器需要等到故障电流达到电流零点(此时故障电流能够被安全中断)，而电流零点在故障电流到达峰值且随后降落到零点之后发生，所以在故障电流的第一个半周期内执行AC中断存在固有的困难。此外，机械的AC断路器相对较慢并且占用若干周期(通常多达50-100ms)来清除故障电流，如图1中所示。这不仅会使得由于高故障交流电流产生的损坏增加，而且导致传统AC断路器固有的最短运行时间。
[0011]EP0867998B1公开了一种固态的DC断路器，包括串联连接的IGBT的层叠结构，其并联有金属氧化物电涌吸收器(surge arrester) 0该方案实现了几毫秒范围内的响应时间，但具有尚稳态电力损耗的缺点。
【发明内容】
[0012]根据本发明的一个方面，提供一种电路中断设备，包括:
[0013]主支路；
[0014]辅支路，具有高于所述主支路的导通电阻的导通电阻；以及
[0015]第一端子和第二端子，用于在使用中连接到电网络，所述主支路和辅支路在所述第一端子和所述第二端子之间延伸；
[0016]其中所述主支路包括开关装置，其可被切换为在正常运行模式中选择性允许电流在所述主支路中流动，或在故障运行模式中使电流从所述主支路换向到所述辅支路，并且所述辅支路包括至少一个开关设备，所述或每个开关设备包括至少一个常通开关元件，所述辅支路进一步包括与所述或每个常通开关元件通信的控制单元，所述辅支路进一步包括与所述控制单元电耦接的电力抽取电路；
[0017]其中在正常运行模式期间，所述或每个常通开关元件处于导通状态来允许所述辅支路传导电流，并且在故障运行模式期间，所述控制单元控制所述或每个常通开关元件切换到关断状态来禁止电流在辅支路中流动。
[0018]其中所述电力抽取电路从所述辅支路中流动的电流抽取电力。
[0019]应该理解根据本发明的电路中断设备不需要任何修改就可以作为DC电路中断设备来中断DC或作为AC电路中断设备来中断AC。因此，出于本说明书的目的，术语“电路中断设备”意图指代能中断DC或AC的设备。
[0020]图2a或图2b分别示出使用DC电路中断设备和被配置为能在故障电流仍升高时中断故障电流的超快、子周期的AC电路中断设备。在图2a中，DC电路中断设备的操作驱动(即，迫使)故障电流在故障发生之后于开始升高时降落到零点。在图2b中，AC电路中断设备的操作驱动(即，迫使)故障电流在故障发生之后于它的第一个半周期内开始升高时降落到零点。
[0021]图2a和图2b之间的唯一不同在于图2a中的电流在故障发生之前具有恒定值，而图2b中的电流在故障发生之前具有时变交流值。在另一方面，图2b中的电流在故障发生和强制电流零点之间在形状上类似于图2a中的电流在故障发生和强制电流零点之间的形状，并且因此在该阶段可以认为是准DC。图2a和图2b的电流在故障发生和强制电流零点之间的时间段中的相似性意味着超快、子周期的AC电路中断设备的中断电流的操作可以等同于DC电路中断设备的中断电流的操作。
[0022]因此应该理解，任何能中断直流电流的电路中断设备也能中断等效幅度的交流电流。还应该理解，任何能中断直流电流的电路中断设备具有不必等待自然电流零点的优点。
[0023]在电路中断设备的正常运行模式中，开关装置被闭合，并且因此电流从电网络流入所述主支路。同时，尽管在正常运行模式中所述或每个常通开关元件处于导通状态来允许所述辅支路传导电流，但是作为所述辅支路具有高于所述主支路的导通电阻的导通电阻的结果，几乎没有电流在所述辅支路中流动。
[0024]在电网络中发生故障导致在主支路中流动高故障电流的事件中，在电路中断设备的故障运行模式中，所述开关装置被断开来使故障电流从所述主支路换向到所述辅支路。由于在所述故障发生之前，所述或每个常通开关元件已经处于导通状态来允许所述辅支路传导电流，所以所述故障电流从所述主支路向所述辅支路的换向即刻发生。在所述故障电流从所述主支路换向到所述辅支路一段时间之后，所述控制单元关断所述或每个常通开关元件来完成所述电路中断过程。应该理解，所述电路中断设备可以可选地进一步包括一个或更多个能量吸收或耗散元件，例如缓冲电路或在EP0867998B1中描述的金属氧化物电涌吸收器，以辅助进行所述电路中断过程。
[0025]在所述或每个开关设备中的所述或每个常通开关元件的前述使用和配置使得所述故障电流即刻从所述主支路换向到所述辅支路，从而提高了在执行所述电路中断过程时所述电路中断设备的响应能力。
[0026]此外，所述或每个常通开关元件不需要被供能来处于导通状态。这样，在正常运行模式期间不必要为所述或每个常通开关元件提供恒定电能来维持其导通状态以允许所述辅支路传导电流，因此在运行成本和能量使用方面提高了所述电路中断设备的效率。
[0027]与此相反，在所述或每个开关设备中将所述或每个常通开关元件替换为常断开关元件将导致在所述开关装置被断开之后，故障电流分别在所述主支路和辅支路中传导之间的暂停，因此抑制了所述故障电流从所述主支路向所述辅支路的即刻换向。该暂停是由在所述开关装置被断开后，导通所述或每个常断开关元件来允许所述辅支路传导电流所使用的时间导致的。
[0028]在另一方面，通过在所述故障发生之前即在正常运行模式期间导通所述或每个常断开关元件来允许所述辅支路传导电流，将消除所述暂停。然而，常断开关元件将被供能以使得其导通，即使得其切换到导通状态，那么该方法将需要对所述或每个常断开关元件恒定供能来维持其导通状态，以允许所述辅支路在正常运行模式期间传导电流，从而导致更高的运行成本和更低的运行效率。
[0029]作为对所述或每个常断开关元件提供恒定电能的替代，所述或每个常断开关元件可以与电源装置关联，所