高压直流电流断路装置

摘要

本发明涉及一种用于高压直流的电流断路装置(1)，其包括：在端子之间并联连接的主导电线路(141)和次导电线路(142)；主导电线路(141)包括第一控制开关(121)以及，该电路包含电容器(131)和限流器(111)；次导电线路(142)包括第二控制开关(123)，在第一和第二控制开关闭合时，主导电线路和次导电线路在第一控制开关的端子处形成振荡电路；控制电路(103)，其具有用于维持第一开关(121)闭合和第二开关(123)断开的第一运行模式和用于维持断开第一开关(121)的控制指令和闭合第二开关(123)的控制指令的第二运行模式。

权利要求

1.一种用于高压直流电的电流断路装置(1)，其特征在于，该电流断路装置包括：

第一和第二端子(101、102)；

在所述第一和第二端子之间并联地连接的主导电线路(141)和次导电线路(142)；

所述主导电线路(141)包括第一控制开关(121)以及与其串联连接的电路，该电路包含并联地连接的第一电容器(131)和限流器(111)，所述限流器(111)被配置为将通过该限流器的电流维持在小于或等于极限电流的水平；

所述次导电线路(142)包括第二控制开关(123)，当所述第一和第二控制开关闭合时，所述主导电线路和次导电线路在所述第一控制开关的端子处形成振荡电路，其在所述极限电流通过限流器时具有至少等于所述限流器的极限电流的振荡幅度；

控制电路(103)，其具有第一运行模式和第二运行模式，在所述第一运行模式中，该控制电路(103)被配置为维持所述第一控制开关(121)闭合并维持所述第二控制开关(123)断开，在所述第二运行模式中，该控制电路(103)被配置为维持断开所述第一控制开关(121)的指令并维持闭合所述第二控制开关(123)的指令。

2.如权利要求1所述的电流断路装置(1)，其中，所述限流器(111)是超导体电阻类型的。

3.如权利要求1所述的电流断路装置(1)，其中，所述次导电线路包括与所述第二控制开关串联连接的第二电容器。

4.如权利要求1至3中任一项所述的电流断路装置(1)，其中，所形成的所述振荡电路的共振频率小于或等于5kHz和/或所述振荡电路中的电流相对于时间的漂移最大等于500A/μs。

5.如权利要求1至3中任一项所述的电流断路装置(1)，其中，所形成的所述振荡电路的共振频率大于或等于500Hz。

6.如权利要求1至3中任一项所述的电流断路装置(1)，其中，所述次导电线路包括与所述第二控制开关(123)串联连接的电感器(133)。

7.如权利要求1至3中任一项所述的电流断路装置(1)，其中，所述控制电路(103)被配置为在所述第一运行模式中检测过电流，并被配置为在检测到过电流之后最多50ms生成针对所述第一控制开关(121)的断开信号。

8.如权利要求1至3中任一项所述的电流断路装置(1)，其中，所述控制电路(103)在所述第二运行模式中被配置为产生针对所述第一控制开关(121)的断开信号，并被配置为在所述生成针对所述第一控制开关(121)的断开信号之后至少500μs生成针对所述第二控制开关(123)的闭合信号。

9.如权利要求3所述的电流断路装置(1)，其中，过电压防护器(112)与所述第二电容器(132)并联连接。

10.如权利要求1至3中任一项所述的电流断路装置(1)，其规格被设置为在所述第一端子和第二端子之间施加至少等于10kV的电位差和至少等于1kA的电流。

说明书

高压直流电流断路装置

[0001] 本发明涉及高压直流电(一般用缩写HVDC来指代)输送和/或配送网络。本发明特别地涉及用于这样的网络的故障电流断路装置。

[0002] HVDC网络尤其被认为是随着可再生能源的发展而出现的迥然不同或不同步的电力生产现场互连的一个解决方案。由于网络在长距离上的更小的线损和不会生成寄生电容，HVDC网络尤其被考虑用于输送和分配由海上风电场而不是交流技术产生的能量。这样的网络通常具有大约50kV和以上的电压水平。

[0003] 为了点对点地输送电力，通过线路末端的转换器可实现断路。相反地，在多点输送中，不再能够通过这样的转换器来实现断路。在这样的网络中对直流电流的断路是直接影响这样的网络的可行性和发展的一个关键挑战。

[0004] 文献EP0431510尤其描述了一种用于高压直流电流的断路装置。

[0005] 对于更低的电压水平，机械断路器通常用于产生电流断路，即仅通过机械开关元件的断开来获得电流的断路。这样的机械开关元件包括接触的两个导电部件，其在开关元件闭合时机械地接触，并在开关元件断开时机械地分离。这些机械断路器尤其是当其通过高电流时表现出许多缺点。

[0006] 由于断路器所保护的网络中积累的大量的能量，机械断路体现于在两个导电部件之间产生电弧。该电弧一方面通过侵蚀而损害接触的两个导电部件，另一方面通过离子化而损害周围的环境。而且，由于该离子化，电流的中断需要一定时间。该电弧由于损害导电部件的接触而需要限制性的并且成本高昂的维护操作。而且，在直流和高压情况下(这些条件倾向于保持电弧)，非常难以实现电流的断路。此外，尽管能够为高压直流应用设置机械断路器的规格，但是该机械断路器一般仍例如在出现短路时具有相对长的断开延迟，这与对网络的保护不兼容。

[0007] 本发明旨在解决这些缺点中的一个或多个。本发明尤其旨在提供一种HVDC断路装置，使其能够在短时间内产生保护网络，并大大限制了传输线路上的传导损耗。本发明由此涉及一种用于高压直流的电流断路装置。本发明还涉及各种变型。本领域的技术人员将理解，各种变型都可以与本申请的实施例独立地组合而不因此构成中位概括。

[0008] 本发明的其它特征和优点将从以下参照附图的示例性和非限制性方式给出的描述中清楚地显现，在附图中：

[0009] 图1示出根据本发明的断路装置的第一实施例；

[0010] 图2示出根据本发明的断路装置的第二实施例；

[0011] 图3示出根据本发明的断路装置的第三实施例；

[0012] 图4是示出在该开关没有断开的情况下通过主导电线路的开关的电流的图；

[0013] 图5是示出在主导电线路的开关没有断开的情况下通过次导电线路的开关的电流的图；

[0014] 图6示出在检测到过电流时主要线路的开关和次级线路的开关的状态；

[0015] 图7示出在检测到过电流时两个电容器的端子处的各自的电位差；

[0016] 图8示出对断路装置的输出处的电流的模拟；

[0017] 图9示出在检测到过电流时分别通过主导电线路的开关和限流器的电流；

[0018] 图10示出在检测到过电流时两个电容器的端子处的各自的电位差；

[0019] 图11示出作为避雷器的存在的函数的次级线路的电容器的端子处的电位差；

[0020] 图12示出作为避雷器的存在的函数的线电流；

[0021] 图13示出作为避雷器的存在的通过次级线路的电容器的电流；

[0022] 图14示出根据本发明的断路装置的第四实施例；

[0023] 图15示出根据本发明的断路装置的第五实施例。

[0024] 本发明提出一种用于高压直流的电流断路装置。该电流断路装置包括在输入端子和输出端子之间并联地连接的主导电线路和次导电线路。在主导电线路中，电路包含并联连接的限流器和电容器。控制开关与该电路串联连接。当控制开关闭合时，主导电线路和次导电线路形成在主导电线路的开关的端子处的振荡电路，其具有至少等于由限流器维持的极限电流的电流振荡幅度。所述断路装置还包括控制电路，其包括断路运行模式，在该模式中，该断路装置被配置为维持主导电线路的控制开关的断开指令和次导电线路的控制开关的闭合指令。

[0025] 由此，在过电流时，限流器将通过该限流器的电流维持为极限电流，并且限流器的端子处的电位差增大到直至达到极限电流。与限流器并联连接的电容器则被充电。当次导电线路的控制开关闭合时，所形成的振荡电路在预先充电的电容器放电时迫使通过主导电线路的开关的电流通过零值。在维持主导电线路的开关上维持断开的控制指令的情况下，当通过该开关的电流达到零值时，容易获得对该开关的有效断开，可能的电弧由于被切断而不再阻碍该开关的断开。如果在切断电弧时触点之间的距离足够，则能够肯定地切断电流的通过。该开关在断路能力方面的规格由此能够被减小。这样的开关由此能够是被设计为用于交流电流的、成本更低的开关。

[0026] 例如，这样的电流断路装置的规格能够被设置为用于至少等于10kV、甚至至少等于50kV、通常至少等于100kV、潜在地至少等于300kV的直流电压。这样的电流断路装置的规格还能够被设置为用于至少等于1kA、甚至至少等于2kA的工作直流电流。

[0027] 图1是根据本发明的断路装置1的例子的第一实施例的示意图。装置1包括输入端子101，其用于连接到本身已知的直流电压源2。装置1还包括输出端子102，其用于供给例如电荷载或电网。

[0028] 一方面，断路装置1包括在端子101和102之间并联连接的主导电线路141和次导电线路142。主导电线路141意于被由直流电压源2提供的额定电流通过。

[0029] 主导电线路141包括电路，该电路包含并联连接的限流器111和电容器131。控制开关121在端子101和102之间与该电路串联连接。限流器111被配置为将通过该限流器的电流维持在小于或等于极限电流的水平。限流器111的极限电流例如至少等于断路装置1的额定电流的两倍。

[0030] 例如，在由于端子102和大地之间的短路造成过电流时，通过限流器的电流曲线通常并短暂地包括上升到峰值的斜坡部，并尤其超过限流器111的激活值。限流器111被这样地实施以使得该峰值的幅度最多等于额定电流的6倍。电流然后迅速回落到限流器111维持的极限电流。为了避免限流器111过热，装置1被配置为在短时间内切断通过该限流器111的电流。

[0031] 次导电线路142包括与电容器132串联连接的控制开关123。当然，开关121和123的规格被设置为能够承受其意于承受的电流和电位差。

[0032] 断路装置1还包括控制电路103。控制电路103被配置为向控制开关121和123施加控制信号，以便选择性地获得其各自的断开/闭合。控制电路103还被配置为检测过电流。电路103为此可接收通过限流器111的电流的(例如由电流探测器发送的)测量值，或接收限流器111或电容器131的端子处的电位差的(例如由电压计发送的)测量值。对过电流的检测可通过限流器111本身来实现。由此，如果电路103检测到超过电流阈值或电位差阈值，则该电路可从第一运行模式(在该模式中，装置1必须在端子101和102之间导通额定电流)切换到第二运行模式(在该模式中，装置1必须切断端子101和102之间的电流)。

[0033] 在第一运行模式中，电路103维持开关123断开以避免次导电线路142的导通，并维持开关121闭合以保证通过限流器111的主导电线路141的导通。

[0034] 在第二运行模式中，电路103生成断开开关121的指令和闭合开关123的指令。有利地，电路103在超过激活电流时首先检测过电流的发生，并仅在等待时间之后就生成断开开关121的指令。激活电流可例如至少等于额定电流的4倍以限制开关121过早地断开。

[0035] 等待时间允许保证限流器111达到极限电流维持阶段。在该维持阶段中，限流器111的端子处的电位差已经允许对电容器131充电。在检测过电流和生成断开开关121的指令之间的等待时间例如至少等于5ms，甚至至少等于10ms。为了不过长时间地将限流器111维持在其极限电流，在检测过电流和生成断开开关121的指令之间的等待时间例如最多等于50ms，甚至最多等于30ms。

[0036] 在第二运行模式中，电路103有利地在生成断开开关121的指令之后生成闭合开关123的指令。生成闭合开关123的指令的该错开允许保证在施加断开开关121的指令的同时正确地获得导致电流通过开关121的零交叉的振荡电路的形成，并保证正确地启动通过分离开关121的触点的断开。振荡电路在此通过电容器131和132和初级和次导电线路的接线电感形成。对于机械类型的开关121，所述等待时间还允许考虑到在开关121上施加断开指令和该指令的效果之间的时差。断开开关121的指令和闭合开关123的指令之间的该时差例如至少等于500μs。为了最大地限制限流器111在其极限电流下的运行时间，并且为了限制在施加断开控制指令之后电弧在开关121中的存在时间，指令之间的该时差有利地最大等于5ms，优选地最大等于3ms。

[0037] 在第二运行模式中对限流器111在其极限电流下的运行时间的减少还可以方便之后的借助于开关121的再次闭合的向第一运行模式转换的阶段。超导体类型的限流器将需要时间才能再次工作，当该限流器在电流限制模式中加热的时间越长，所需要的时间就越长。

[0038] 此外，当开关121的断开和任何电弧的抑制已经获得时，电容器132使得可以断开次导电线路中的直流电流。

[0039] 限流器111有利地是SCFCL类型的。由此，在第一运行模式中，限流器111在其端子之间具有零的电位差，因此允许限制由电流断路装置1引起的损耗。限流器111尤其可以是超导体电阻类型的。这样的超导体电阻类型的限流器111通常被设置为如果其温度由于发生过电流而升高则在其端子之间呈现电阻，以限制短路过电流的幅度。这样的限流器111包括例如在端子101和102之间通过额定电流的超导体材料条。该超导体材料条浸入液态氮浴以在第一运行模式期间将其维持在其临界温度以下。限流器111可包括电感部件。

[0040] 当然可考虑另一种类型的限流器111，尤其是包含IGBT的、其结构本身已知的限流器。

[0041] 开关121有利地是电动机械开关，这尤其是因为其能够产生的低线损。

[0042] 图2示出根据本发明的断路装置1的例子的第二实施例。在该实施例中，次导电线路包含与开关123串联连接的电感器133。独立于电感器133，断路装置1在此包括与电容器131串联连接的开关122。开关122在第一和第二运行模式中被维持闭合。此外，图2的断路装置1的其它部件的结构与图1的断路装置的结构相同。这样的电感器133允许精确地限定在闭合开关123期间形成的振荡电路的共振频率。实际上，为了确定振荡电路的共振频率，该电感器133的电感值将相对于振荡电路中的寄生电感占优势。

[0043] 对电容器131、电容器132、并且在该具体情况下对电感器133的特征的确定可如下地实现。

[0044] 首先确定对于振荡电路所期望的共振频率的数值fr，以及在闭合开关123期间的振荡的最小幅度的数值Io。Io必须满足条件Io>Inl，其中Inl是限流器111的极限电流。Inl例如等于断路装置1的额定电流的两倍。

[0045] 对于图2的例子，获得以下方程：

[0046]

[0047]

[0048]

[0049] 其中：

[0050] Vnl是在限流器111维持其极限电流Inl时限流器111的端子之间的电位差，Ceq是在所形成的振荡电路中串联的电容器131和132的等效电容，C131是电容器131的电容，C132是电容器132的电容，并且L是电感器133的电感值。

[0051] 当然可以考虑其它规格设置标准，例如为了限制在发生过电流时存储在电容器131中的能量的量。

[0052] 图4和5是根据图2的断路装置1的例子的模拟图。这些图允许示出断路装置1在发生过电流期间的运行。图4示出通过开关121的电流。图5示出通过电容器132的电流。

[0053] 假设在时刻t＝0发生过电流并且限流器111在其极限电流下快速稳定。电容器131则被充电。控制电路103生成闭合指令，开关123在时刻t＝25ms闭合。自此，主导电线路141和次导电线路142形成振荡电路。为了更好地说明在闭合开关123时形成的振荡电路的操作，示出了不断开开关121的模拟。

[0054] 如图5所示，自t＝25ms起，电容器131在振荡电路中放电，这在振荡电路中导致电流振荡。振荡电路的规格被设置为至少一次振荡，以显示至少等于限流器111的极限电流的电流的幅度。由此，如图4所示，通过开关121的电流在至少一次振荡时通过零值。由此，如果电路103施加断开开关121的指令，在该电流取值为零值时，在该开关的触点的初始分离期间存在的任何电弧被切断。由此，开关121能够是用于断开交流电流的、具有相对小的断路能力的标准开关。所形成的振荡电路的共振频率有利地小于或等于5kHz。由此，当电流I通过开关121时，数值dl/dt(例如小于500A/μs)足够地小以便于开关121在其断开指令被维持时的有效断开。有利地，所形成的振荡电路的共振频率有利地大于或等于500Hz，以获得开关121的快速有效断开，或者如果开关121不立即断开，以产生通过开关121的电流的多次零交叉。下面参考图2的实施例详细描述振荡电路的规格的一个例子。图6示出开关121和123在发生过电流期间的断开/闭合状态的时序图例子。时刻t＝0对应于过电流的发生。电路103指令开关121在时刻t＝23ms断开，并指令开关123在时刻t＝25ms闭合。

[0055] 尽管没有示出，控制电路103可然后在开关123上施加断开指令。该断开指令例如在足够的时间之后执行，以使得开关121能够被断开并且使通过输出端子102的电流为零。例如，该断开指令将能够相对于闭合该同一开关123的指令错开至少等于5ms的时长，该时差例如为25ms。开关123的断开将允许在恢复断路装置1的导通之后再次形成振荡电路。

[0056] 图7是对电容器131的端子(实线曲线)和电容器132的端子(虚线曲线)处的各个电位差进行模拟的图。图8是端子102处的电流的模拟图。图9分别示出通过开关121的电流(实线)和通过限流器111的电流(虚线)。

[0057] 在发生过电流期间，电容器131的端子处的电位差在达到数值Vnl之前遵循斜坡部。在闭合开关123期间，在振荡电路中导致的振荡允许在零电流下断开开关121。自此，限流器111的端子处的电位差下落，端子102处的电流也快速地变为零，电容器132阻断次导电线路中的直流电流。

[0058] 图3示出根据本发明的断路装置1的例子的第三实施例。在该实施例中，次导电线路包含与电容器132并联连接的过电压防护器112。独立于该过电压防护器112，断路装置1在此包括与电容器131串联连接的开关122。此外，图3的断路装置1的其它部件的结构与图1的断路装置的结构相同。

[0059] 过电压防护器112允许限制电容器132的端子处的电位差，并允许吸收存储在连接到端子102的电气线路中的感应能量。

[0060] 图10示出了在不存在过电压防护器112的情况下电容器131(实线)和132(虚线)的端子处的各自的电位差。

[0061] 图11比较地示出了在存在过电压防护器112时(实线)和不存在该过电压防护器(虚线)的情况下电容器132的端子处的各自的电位差。

[0062] 图12比较地示出了在存在过电压防护器时(实线)和不存在该过电压防护器(虚线)的情况下端子102处的电流。

[0063] 图13比较地示出了在存在过电压防护器112时(实线)和不存在该过电压防护器(虚线)的情况下通过电容器132的电流。

[0064] 图14示出根据本发明的断路装置1的例子的第四实施例。该实施例与第二实施例在结构上的不同之处在于一方面去除了与电容器131串联的开关122，另一方面包含连接在端子101和次导电线路与电容器131的连接节点之间的控制开关126。振荡电路在此包含电容器131和132和电感器133。

[0065] 控制开关的控制逻辑与第二实施例的相同。开关126在第一和第二运行模式中被维持闭合。

[0066] 图15示出根据本发明的断路装置的例子的第五实施例。该实施例与第四实施例在结构上的不同之处在于通过开关123与电感器133之间的直接连接取代了电容器132。振荡电路在此包含电容器131和电感器133。

[0067] 控制开关的控制逻辑与第二实施例的相同。开关126在第一运行模式中被维持闭合。在第二运行模式中施加断开开关126的指令。断开的开关126允许断开次导电线路中的直流电流。断开开关126的指令可先于闭合开关123的控制指令。

[0068] 大部分过电流是短暂的，并且不会导致永久短路。因此，断路装置1有利地被配置为实现OFO类型的循环，在第二运行模式中开关121的断开之后接着是电容器132的放电，并尝试闭合该开关121以确定故障是否持续，然后如果确定了故障确实是持续的则再次断开该开关121。

[0069] 在所示的各个实施例中，可考虑在端子101和102之间串联连接另一个限流器(未示出)。这样的限流器可以是电感类型的，并将允许改变电流断路装置1的各个开关的规格。这样的限流器与第五实施例的组合是特别有利的。

[0070] 在各个实施方式中，可考虑与开关121的端子并联地布置过电压防护器。