永久短路设备的制作方法

本发明一般涉及输电应用。更具体地，本发明涉及用于输电应用的永久短路设备，以及包括所述设备的变流器和输电系统。

背景技术：

在某些高压输电应用中，有必要使机械开关永久地进入某一状态。例如在如果开关正在保护重要装备，或者装备的重要部分时，这可以是有意义的。

这种开关状态的永久改变可以例如通过爆炸物的使用来获得。使用爆炸物具有快速、可靠以及对高电流水平不敏感的优点。

作为示例，cn2720611、de2103565和us3848100涉及爆炸物的使用，以便永久地切断电连接。

然而，在某些情况下，有必要永久地短路连接。在这种情况下，所获得的短路具有低电阻也可以是有意义的。

关于这一点，已知使用爆炸物以导致抛射体沿着纵向轴线移动，以便在径向方向上获得用于保证短路的电接触。该技术在例如wo2013/185815和ep2073229中被描述。

可以看出的是，上述设计涉及通过爆炸在轴向方向上加速质量来闭合开关。

考虑到上文已说明的内容，提供使用爆炸物来实现短路的备选方式将是有意义的。

这种解决方案的主要挑战是：

·质量的安全加速和行进；

·最小化由高电流引起的力的影响。

技术实现要素：

本发明涉及获得改进的永久短路设备。

根据本发明的第一方面，该目标通过永久短路设备来实现，该永久短路设备用于高压输电应用：

设备包括外壳，该外壳具有固定的第一导电体和固定的第二导电体，每个都被连接到离开外壳的相应的导体，

第一主体具有在该第一主体的相反侧上的第一和第二表面，

第二主体具有在该第二主体的相反侧上的第一和第二表面，

其中第一主体的第一表面面向第二主体的第一表面，且通过具有宽度d的间隙与其分开，并且第一主体的第二表面被提供有连接到起爆物的爆炸物，用于将第一主体在朝着第二主体的第一表面的方向上变形，以使得第一主体的第一表面跨间隙电连接到第二主体的第一表面。

根据本发明的第二方面，该目标通过变流器来实现，该变流器包括与需要保护的元件并联连接的所述永久短路设备。

根据本发明的第三方面，该目标通过包括所述变流器的输电系统来实现。

本发明有许多优点。由于仅涉及两个主体，可以轻松获得短路，不需要必须考虑用于接触的任何其他主体或者元件。因此短路也很快速。此外，除了获得使第一主体充分变形的起爆以外，不需要控制其他要素。这简化了该短路设备的实现。

附图说明

在下文中，将参照附图来描述本发明，其中

图1概要示出连接在ac与dc输电系统之间的变流器，

图2概要示出在ac输电系统中，作为静态无功补偿器使用的电压源变流器，

图3概要示出电压源变流器的一种实现，该电压源变流器包括永久短路设备并且可以在ac和dc输电系统中被作为变流器使用，

图4概要示出可以被用于图3变流器中的单元，

图5概要示出电压源变流器的另一种实现，该电压源变流器可以被用于ac和dc输电系统中，

图6概要示出根据本发明的第一实施例的永久短路设备，

图7概要示出根据本发明的第二实施例，在完成短路动作之前的永久短路设备，

图8概要示出根据本发明的第二实施例，在完成短路动作期间的永久短路设备，

图9概要示出根据本发明的第二实施例，在完成短路动作之后的永久短路设备，

图10概要示出根据本发明的第三实施例的永久短路设备，

图11概要示出根据本发明的第四实施例的永久短路设备。

具体实施方式

在下文中，将给出本发明的优选实施例的具体描述。

本发明涉及永久短路设备，用于保护在输电应用中的装备或者装备的部分，诸如用于在输电系统(如高压直流(hvdc)或者柔性交流输电系统(facts))的变流器。

在输电系统中，变流器是重要的装备。该变流器可以例如被提供在ac与dc输电系统之间的接口处。

图1示出在ac与dc输电系统或者网络之间的接口处使用变流器的一个示例。图1中有第一换流站10，包括第一变压器t1和第一变流器14。第一变压器t1将第一变流器14与第一ac网络acn1互相连接。第一换流站10中的第一变流器14反过来通过dc网络dcn的dc输电线路18，被连接到第二换流站12中的第二变流器16。第二变流器16反过来通过第二变压器t2，被连接到第二ac网络acn2。第一和第二变流器14和16是包括需要保护的元件的输电装备的示例。在这里该第一变流器14可以被认为是dc网络dcn的一部分。作为替换，它可以被认为形成第一ac网络acn1的一部分。

然而，除了在ac与dc网络之间的换流站中，变流器还可以被用于其他情况中。作为示例，变流器还可以作为ac网络的一部分被提供，用于提供无功补偿。图2示出这种情况的一个示例，该图示出了静态无功补偿器20的单线路示意图，静态无功补偿器20连接到第一ac网络acn的三相功率线路22。

图3概要示出图1中的第一变流器14a的一种实现。

变流器14a包括由多个相脚组成的三相桥。在这种情况下有三个相脚。有第一相脚pl1、第二相脚pl2和第三相脚pl3。更具体地，在第一和第二直流(dc)极之间连接相脚，其中第一极提供第一电压dc+并且第二极p2提供第二电压dc-。每个相脚的中点都被连接到相应的交流端子ac1、ac2和ac3。相脚的中点进一步地通过相应的电抗器lac1、lac2和lac3，被连接到交流(ac)端子ac1、ac2和ac3，且ac端子反过来被连接到第一变压器tr1(未示出)的绕组。

相脚由多个阀组成，在这种情况下由上阀和下阀组成。如果变流器是电压源变流器，阀可以是基于开关的，诸如绝缘栅双极晶体管(igbt)开关。在本示例中，变流器是多电平电压源变流器，因此阀是基于单元的。在这种情况下，第一相脚pl1的上阀包括第一、第二和第三单元ca1、ca2和ca3，且下阀包括第四、第五和第六单元ca4、ca5和ca6。在图3中还可以看出，第一单元ca1通过电抗器la1被连接到第一极，且第六单元ca6通过电抗器la2被连接到第二极。以相似的方式，第二相脚pl2的上阀包括第一、第二和第三单元cb1、cb2和cb3，且下阀包括第四、第五和第六单元cb4、cb5和cb6。还可以看出，第一单元cb1通过电抗器lb1被连接到第一极，且第六单元cb6通过电抗器lb2被连接到第二极。并且第三相脚pl3的上阀包括第一、第二和第三单元cc1、cc2和cc3，且下阀包括第四、第五和第六单元cc4、cc5和cc6。在图3中还可以看出，第一单元cc1通过电抗器lc1被连接到第一极，且第六单元cc6通过电抗器lc2被连接到第二极。

最后，示出了与第一相脚pl1的第一单元ca1并联连接的永久短路设备24，以及控制短路设备24的控制部件26。

控制部件26可以以几种方式被实施。可以以离散部件的形式来实现控制部件26。然而，还可以以处理器的形式来实现控制部件26，该处理器有配合的程序存储器，包括计算机程序代码，当计算机程序代码在该处理器上被运行时，执行需要的控制功能。载有所述代码的计算机程序产品可以被作为数据载体提供，诸如一个或者多个cdrom盘或者一个或者多个载有计算机程序代码的存储条，当数据载体被载入电压源变流器的控制部件中时，执行上述控制功能。

这里应该认识到的是，可以有若干更多的短路设备24。例如可以有与每个单元并联连接的短路设备。控制部件26还可以被提供用于控制变流器其他方面，诸如控制各单元以在ac电压端子上形成ac电压。

这里可以说明的是，图2的svc也可以通过三个相脚被提供，其中每个相脚将被连接在ac输电线路22的两相之间。在这种情况下，相脚可以是被三角连接在ac输电线路22的相导体之间。

变流器的各单元一起提供多个电压水平。多电平单元可以是半桥单元，这意味着它们提供电压贡献或者提供零电压，该电压贡献对应于跨该单元的能量存储元件的电压，其中能量存储元件可以是电容器。因此单元可以是级联两电平单元(ctl)。然而应该认识到的是，作为备选，单元还可以是全桥单元。还可能有其他类型的单元，例如采用两个电容器的单元。

在这方面，多电平意味着各单元一起提供被用于形成ac电压的多个电平。

图4示出图3中的单元ca1作为半桥单元的实施示例。

单元ca1包括电容器c，与第一组开关部件并联连接。第一组开关部件中的开关部件su1和su2互相串联连接。因此在这里第一组包括两个开关部件su1和su2(如虚线框所示)，其中每个开关部件su1，su2以电子开关的形式被实现，该电子开关可以是与反并联二极管一起的igbt(绝缘栅双极晶体管)晶体管。因此在图4中有第一开关部件su1，具有带第一反并联二极管d1的第一晶体管t1。还有与第一开关部件su1串联连接的第二开关部件su2，具有带有第二反并联二极管d2的第二晶体管t2。

单元有第一连接端子te1和第二连接端子te2，每个端子都提供用于单元到变流器的相脚的连接。在这种类型的单元中，第一连接端子te1更具体地提供从相脚到第一与第二开关部件su1与su2之间的结合处的连接，且第二连接端子te2提供从相脚到第二开关部件su2与电容器c之间的结合处的连接。这些连接端子te1和te2因此提供了使单元可以被连接到相脚的点。

从图3和图4中可以明白，短路设备24可以被连接在两个单元连接端子te1与te2之间，以获得该单元的旁路。此外，这种连接将通常独立于被保护的单元类型而被作出。

电压源变流器还可以是两电平变流器。这种变流器14b的一个示例在图5中被概要示出。在这种情况下只有一个极，具有电压dc+的第一极。在本特定示例中，上阀和下阀uv和lv被连接在第一极与地之间。如图3一样，相脚的中点通过第一变压器t1被连接到第一ac网络。在这种情况下，每个阀uv和lv都由多个开关部件(即开关和反并联二极管的组合)组成。还有dc电容器cdc，被连接在该极与地之间。整个阀或者有限数量的阀的开关部件(例如只有一个)，可以在这种情况下与短路设备并联连接。

由于涉及的高电流和高电压水平，在变流器中使用的设备是昂贵的。因此需要保护该设备。特别是如果设备包括单元，该单元包括多个开关部件的情况。然而，单独的开关部件也可能有足够的价值以被保护。如果阀、单元或者开关部件出现故障，然后它们可能为了保护的目的而需要被旁路。这种旁路可能需要被快速完成，并且可能额外地需要被作为永久旁路，至少直到设备被维修为止。

实现这种永久旁路的一种方式是通过机械开关的使用，该机械开关使用爆炸物被驱动。

换句话说，在某些情况下永久地短路变流器的阀或者变流器的阀的一部分是必须的，诸如工作于在ac与dc之间转换的变流器，或者被提供用于无功功率补偿的变流器，如无功功率补偿器。

在这样的情况下，使短路快速、可靠是很重要的。还可能重要的是，保持短路设备的成本和复杂度较低。

通常地使用机械开关来获得所述短路，其中使得抛射物在轴向或者纵向方向上行进一定距离，以便在关于抛射物行进方向在径向方向上基本合上两个接触元件之间的接触。

本发明涉及提供本原理的备选方案。

图6概要示出根据本发明的永久短路设备24的第一实施例。作为机械开关工作的设备24包括外壳28，第一导体30和第二导体32被引入外壳28，其中该导体从相反的方向进入外壳28。在外壳28内部的第一导体30被电连接到第一导电体34，即被连接到具有较好电导属性材料的主体上，并且同样在外壳28内部的第二导体32被连接到第二导电体40。两个导电体34和40可以有利地通过诸如铜或者铝材料被提供。该导电体可以进一步地被伸长并且因此沿着相应的纵向轴线延伸。进一步地，两个导电体被固定，以使得它们在外壳中有固定的位置。外壳28可以有利地还包括绝缘流体或者介质，诸如像sf6或者co2的绝缘气体。

进一步地，第一主体34有第一表面36和第二表面38，其中第二表面38在第一表面34的相反面。进一步地，两个表面可以有利地垂直于主体34的纵向轴线。第一表面36可以朝着外壳28的中心面向内，且第二表面38可以朝着外壳28的壁面向外。在这种情况下，表面36和38都有利地被提供在第一主体34的纵向轴线的相反侧上。

类似地，第二主体40可以有相似的形状。它还可以有第一表面42和第二表面44，其中第二表面44在第一表面42的相反面。进一步地，两个表面可以有利地垂直于主体40的纵向轴线并且被提供在主体40的纵向轴线的相反侧上。在这种情况下，第一表面42还可以朝着外壳的中心面向内，且第二表面44可以朝着外壳的壁面向外。更具体地，第一和第二主体34和40的第一表面36和42可以垂直于这两个主体的纵向轴线，并且它们还互相面对。第一表面36和42进一步地还通过具有宽度d的间隙被互相分开。因此它们以距离d被互相隔开。

在第一实施例中，两个主体以平坦的或者平面的板被实现。第一主体34的第二表面38还被提供爆炸物46。爆炸物46可以因此被附接到第二表面38，并且可以进一步地被设置成当被点燃时至少在朝着第一主体34的第一表面36的方向上爆炸。

这样做使得第一主体34在朝着第二主体40的方向上被变形，这导致第一主体34的第一表面36电连接到第二主体40的第一表面42。在这种情况下，能够使得第一主体34的两个表面36与38之间的在施加爆炸物46地区中的材料厚度比在主体的其余部分中的厚度更小。因此主体在这个区域中可以有比在该主体其余部分中更少的材料。因此在第一与第二表面36，38之间第一主体材料的量，在起爆区中比在第一主体34的其余部分中更少。更具体地，该量可以关于主体的长度而更少。因此沿着纵向轴线每米材料的量在起爆区中比在主体的其余部分中更少。这可以通过使主体更细或者通过提供具有孔或者狭缝的区而完成。地区或者区域在这里被定义为起爆区，因为是在这个区中发生起爆。材料的移除或者提供较少的材料可以被完成，以便在垂直于纵向轴线的角度获得需要的主体变形。被移除或者被留下材料的量可以是足够用于保证引爆导致第一主体34的第一表面36跨越距离d，与第二主体40的第一表面42产生电接触。

在点燃爆炸物46之后，爆炸随后导致在第一主体34与第二主体40之间的永久电连接。进一步地，该爆炸还可能起到另一个目的，即将绝缘流体从外壳28排出的目的。

有若干优点与第一实施例相关联。由于仅涉及两个主体，可以轻松获得短路，不需要必须考虑用于接触的任何其他主体或者元件。因此短路也很快速。此外，除了获得使第一主体充分变形的起爆以外，不需要控制其他要素。这简化了该短路设备的实现。

图7至图9示出短路设备24的第二优选实施例，其中图7以概要形式示出爆炸物被起爆之前的设备，图8以概要形式示出在起爆过程期间的设备，且图9以概要形式示出完全起爆之后的设备。

在图7中可以看出，第一和第二主体34和40都以中空管或者圆筒的形式实现，被固定在外壳的内部。在这种情况下第一主体34被提供在第二主体40的内部。因此它们是围绕共同的纵向轴线la而共轴的。在这里第一主体34的第一表面36是内圆筒的外表面并且第一主体34的第二表面38是内圆筒的内表面。以相似的方式，第二主体40的第一表面42是外圆筒的内表面并且第二主体40的第二表面44是外圆筒的外表面。进一步地，在内圆筒的外表面与外圆筒的内表面之间的距离或者间隙，在这里也有宽度d。因此两个第一表面36和42以距离d被互相隔开。

在本实施例中，两个主体34和40还可以由适当的电导材料制成，诸如铜或者铝。外壳还可以封闭绝缘介质，诸如像sf6或者co2的绝缘流体。

在这种情况下第一主体34在第一端被附接到第一导体(未示出)。然而，在沿着纵向轴线la(即圆筒轴线)的第二相反端，提供了起爆区的开始部分。因此起爆区开始于内圆筒的第二端，然后从这里朝着第一端伸展一定长度。起爆区可以朝着第一端伸展一半的长度。然而它还可以更短，诸如伸展三分之一的长度。它甚至可以伸展更长。第一主体34的第二端是第一主体的第一和第二表面36和38会和的一端。与此同时这里是内圆筒的开口端。爆炸物在从该第二端开始的起爆区中被提供。在本实施例中爆炸物更具体地在圆筒的内部被提供，即在第一主体34的第二表面38上。由于该区是起爆区，起爆物48也被置于在第二端与爆炸物46相接触，其中起爆物48通过控制部件被激活。

进一步地，在起爆区中的第一主体材料已经被移除，所以形成了狭缝50。在这种情况下，沿着纵向轴线每米材料的量因此比在该主体的其余部分中更少。狭缝50是在起爆区中沿着圆筒的边缘伸展的狭缝，即从第二端在朝着第一端、与圆筒轴线la平行的方向上。可以进一步地看出的是，通过提供狭缝50，形成了多个间隔开的指状物，该指状物可以围绕圆筒轴线la被均匀分布。可以选择狭缝的设计，用于对爆炸物提供的特定爆炸实现指状物的变形，以使得该指状物将第一和第二主体34和40之间的间隙d连接起来。因此可以选择由狭缝50所限定的指状物的长度和宽度，以使得间隙d被连接并且获得电接触。作为示例，狭缝长度可以是间隙d的1–15倍并且有利地至少是间隙d的1.5倍，狭缝宽度可以是间隙d的1/10–1/2，外圆筒的直径可以是d的11–20倍并且内圆筒的直径可以是d的10–19倍。内圆筒和外圆筒的厚度都可以在d的1/25–2倍范围内。如果间隙是10–50mm，这意味着狭缝长度可以是40–150mm，狭缝宽度是5–20mm，外圆筒的直径是110–200mm，内圆筒的直径是100–190mm并且圆筒的厚度是2–20mm。

如果保护将要被激活，控制部件发射控制信号，来点燃起爆物48。这如何影响两个主体在图8中被概要示出。随着起爆物48被点燃，该起爆物导致爆炸物爆炸54。爆炸沿着箭头56，在第一主体34内部的起爆区中移动。更具体地，爆炸导致振荡波相对于纵向圆筒轴线la在径向方向上被产生。这将指状物52变形以使得它们从圆筒轴线la被径向地推开。进一步地，它们被推开以使得它们被强迫与第二主体40的第一表面42接触。进一步地，爆炸可能导致两个主体的第一表面36和42被焊接到一起，因此确保可靠的连接。爆炸还可以强迫绝缘介质，至少在起爆区的区域中离开外壳，这更进一步地改善了电接触。

图9概要示出在爆炸之后的设备。可以看出，在第一主体34的指状物52与第二主体40的第一表面之间有安全的电接触，其中有电流i流过第一主体34的未改变部分，通过指状物52进入第二主体40。

可以看出，本发明的第二实施例是基于内金属圆筒或者管，到外圆筒或者管的内表面上的横向扩张，其中内圆筒被配备有形成狭缝的“指状物”并且在内圆筒的内部提供有合适量的爆炸物，该爆炸物具有精准的起爆速率。

由于在内圆筒或者管的第二端处提供的起爆物48，起爆将在爆炸物的下侧部分被启动，并且在内管中轴向地传播。开缝的指状物因此可以被加速，来创建靠着外管的扩张。当指状物撞击进入外圆筒的内管表面时，它们可以形成纯固态金属焊接，因此创建了非常低的接触电阻的连接。

有若干优点与第二实施例相关联。由于仅涉及两个主体，可以轻松获得短路，不需要必须考虑用于接触的任何其他主体或者元件。在径向方向上的直接加速也被获得。没有质量的轴向行进。因此短路也很快速。例如，有可能在500与5000m/s之间调制起爆速率。除了获得使第一主体充分变形的起爆以外，不需要控制其他要素。由于起爆在圆筒的内部被实现，在径向方向上的爆炸被进一步地加强，这允许了爆炸物的高效使用。通过若干指状物的提供，还具有关于电接触的冗余。有可能在并非所有指状物都接触第二主体的情况下获得短路。因此，有可能在非最优设置的爆炸的情况下，获得电接触以及随后的短路。由于爆炸直接影响第一和第二主体，还可能获得作为固态焊接的强金属结合。进一步地，还可能移除在第一和第二主体的第一表面上的可能的氧化物，因此获得更好的电连接。实际上有可能获得电阻接近零的连接。

可能以多种方式变化本发明，其中两个在图10和图11中被示出。

例如，能够使得起爆区、狭缝以及爆炸物在离第二端一定距离处被提供，例如在第一主体34的中间，即在第一主体34的第一与第二端之间。具有更少材料的起爆区可以因此被具有正常材料量的区从两个圆筒端分开。在这种情况下狭缝可以是第二实施例的狭缝长度的两倍。在本示例中，圆筒壁在起爆区的两侧上可以是实心的，这种情况在图10中被概要示出。

第一主体34不需要是内圆筒。它也可以是外圆筒，如图11所示。在这种情况下具有爆炸物的起爆区46被提供在外圆筒的外表面上，这就是第一主体34的第二表面38。在本特定变化中，在带有爆炸物的区中也没有狭缝。相反地，在外圆筒的内表面与外表面之间该爆炸物区中的材料厚度，比在第一主体34的其余部分中更少，因此保证第一主体被充分地变形。在这种情况下，爆炸导致变形在朝着纵向轴线的方向上径向地向前。

这里应该认识到的是，起爆区的厚度改变可以散布于正常厚度的区域当中。外圆筒可以因此由在起爆区中具有不同厚度的环组成，其中一些环有比其余的环更小的厚度。作为备选，有可能提供带有狭缝的区域。进一步地，这些狭缝可以位于外圆筒的一端处。然而，在这种情况下，与第二实施例中相比，狭缝可以被提供在相反的端中，这是由于所连接到导体的位置。还可以在所述端处作出材料厚度的变化。

从上文的讨论中，可以以多种方式来变化本发明是显而易见的。因此应该认识到的是，本发明仅由以下权利要求所限定。