CN102057551A - 保护设备 - Google Patents

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    • H02H9/042—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection responsive to excess voltage comprising means to limit the absorbed power or indicate damaged over-voltage protection device

Abstract

一种用于保护连接到高压直流线路的仪器的设备，所述设备包括具有至少一个半导体器件(13)和与该半导体器件(13)反并联连接的整流构件(14)的电流阀(12)，电涌捕获器(16)被配置为将所述电流阀(12)连接到所述线路(2)并且控制单元(15)被配置为控制电流阀(12)的导通以用于将来自线路(2)的电流排出到地(11)。

Description

保护设备
技术领域
本发明涉及用于保护连接到高压直流线路的仪器的设备，该设备被配置为通过具有接地装置来获得所述保护，所述接地装置使所述线路能连接到地，所述接地装置包括电流阀，该电流阀具有其正向导通方向接地的至少一个关断型的半导体器件和与该半导体器件反并联连接的至少一个整流构件，该设备进一步包括控制单元，该控制单元被配置为控制所述至少一个半导体器件导通，从而将来自所述线路的电流排出并由此保护所述仪器。
背景技术
“高压直流线路”将被广义地解释并且在本文中包括将具有直流形式的电力馈送到任意类型仪器并且具有高压电势的任意线路，所述高压电势即至少1kV并且通常更高的电压，例如100kV至1200kV的量级。因此，所述线路不必是设施中用于在换流站之间传输电力的直流电压网络，但这是本发明的特定应用。
“保护”在此同样被广义地解释，并且可以例如涉及防止所述线路上的电压将达到过高电平或馈送到所述仪器的电流将超过预定电平。因此，通过所述“保护”获得对所述仪器的更好或更优选的操作可能是个问题，但这也可以是保护仪器以防止其发生故障。
为了说明本发明但不以任何方式限制本发明的范围，现在将简要地讨论连接到直流电压网络的设备的情况，所述直流电压网络与设施的两个换流站互连以传输具有高压直流形式的电力。每个换流站均连接到交流电压网络，该交流电压网络可以包括电力生成器和/或耗电器，并且所述换流站具有适于将直流电压转换为交流电压和将交流电压转换为直流电压的变换器。直流电压网络的电压电平由一个或多于一个的电容器限定，并且如果这个电平变得过高，则设备的所述电流阀的所述至少一个半导体器件可以导通并且电容器可以通过将电流排放到地而放电并且由此直流电压网络上的电压可以被减小到适当电平，从而半导体器件被关断。
还可能发生的是例如由于极限状态，连接到一个换流站的风力发电站通过第一换流站馈送大量电力到直流电压网络中，但是任何耗电器或连接到其他换流站的其他仪器可能不能接受如此数量的电力。那么设备的电流阀的所述至少一个半导体器件可以导通用于将电流传导至地，从而使所述仪器不受发电的所述极限状态的影响。
在序言中定义的类型的已知设备中，线性电阻器与所述电流阀串联连接。当然期望通过使已知的这种设备更可靠和/或成本更低而使其得到改进。
发明内容
本发明的目的是提供一种在序言中定义的类型的设备，该设备与已知的这种设备相比在至少一些方面得到改进。
根据本发明，通过以下内容达到这个目的：提供这样一种设备，其中所述接地装置进一步包括至少一个电涌捕获器，该电涌捕获器被配置为将所述电流阀连接到所述线路并且具有至少是设备被配置为连接的所述线路的额定电压的0.5倍的阈值电压。
在序言中描述的类型的已知设备中，电流阀必须承受高压直流线路的全部电压，但是通过将所述电涌捕获器与电流阀串联连接，由于电涌捕获器通常将吸收所述线路的直流电压的相当部分，因此电流阀的电压额定值可以减小。这意味着在所述电流阀中仅有一个半导体器件的情况下，即可能对于具有“较低的”高压的情况下，可以使用这种具有较低电压额定值的半导体器件并由此使该半导体器件的成本更低。然而，在具有较高压的情况下，例如在通过高压直流(HVDC)传输电力的设施中，电流阀将具有串联连接的大量半导体器件，用于能够共同保持将由此而被保持的电压，并且半导体器件将全部同时导通和关断以用作一个单一的开关。本发明使得能够明显减少串联连接的半导体器件的数量并且还由此包含了成本的显著节约。因此，当发生将使设备被激活的任何情况时，例如在发生故障时，电流阀将被命令导通，并且所述高压直流线路的电压将通过电涌捕获器被减小。
关于所述电涌捕获器两端的电压的“阈值电压”在本文中意味着一种电压电平，当高于该电压电平时，电涌捕获器将从传导非常低的泄漏电流转变为传导强烈增大的电流。
根据本发明的实施例，所述至少一个电涌捕获器具有至少是所述额定电压的0.8倍的阈值电压。这意味着所述线路的直流电压的大部分将由电涌捕获器吸收，使得电流阀将仅吸收所述线路的直流电压的小部分。
根据本发明的另一个实施例，所述至少一个电涌捕获器具有所述额定电压的0.8至1.5倍或1.0至1.3倍的阈值电压。这是电涌捕获器的所述阈值电压的适当电平，用于获得所述电流阀的电压额定值的充分降低并且还在电流阀导通时通过电涌捕获器获得对地的高压直流线路的适当电压。
根据本发明的另一个实施例，所述接地装置进一步包括与所述电涌捕获器并联连接并且与所述电流阀串联连接的电阻器以及与首次提到的电涌捕获器串联连接并与所述电流阀并联连接且接地的第二电涌捕获器。所述接地装置的这种配置获得了在首次提到的电涌捕获器和所述电流阀两者中的泄漏电流的有利平衡。所述电阻器将泄漏电流提供到电流阀，而所述第二电涌捕获器将保护电流阀并且平衡来自与所述电流阀串联连接的所述电涌捕获器的泄漏电流。
根据本发明的另一个实施例，所述电流阀包括串联连接的多个有利地至少为5个并且优选至少为10个所述半导体器件。由于在所述接地装置中布置所述电涌捕获器，所以在根据本发明的设备中这些半导体器件的数量显著减少，并且通过这种布置将节约成本。
根据本发明的另一个实施例，所述电流阀包括与所述串联连接的半导体器件相并联连接的至少一个高欧姆电阻器以用于电流阀内部的电压分配。这种高欧姆电阻器的布置引起电流阀内部的均匀电压分布并且由此带来增加的可靠性并减小电流阀中的任意半导体器件发生故障的风险。
根据本发明的另一个实施例，所述至少一个半导体器件是IGBT(绝缘栅双极型晶体管)、IGCT(集成门极换流晶闸管)或GTO(门极可关断晶闸管)。虽然其他半导体器件也可以设想，但这些是对所述电流阀有利的半导体器件。
根据本发明的另一个实施例，所述接地装置被配置为连接到直流电压网络用于传输高压直流电(HVDC)，其中直流电压网络连接到具有至少一个电压源变换器的换流站，电压源变换器具有连接到交流电压网络的交流电压侧并且被配置为将交流电压变换为直流电压和将直流电压变换为交流电压。由于直流电压网络的电压电平很高并且由此对于这种设备可以获得相当的节约成本，因此这种类型的设备在被配置为用于这种应用时是特别有利的。该设备还可以有效地用于控制直流电压网络的电压电平并且由此控制所述电压源变换器的直流电压侧的电压电平。
根据本发明的另一个实施例，构成对上一个提及的实施例的进一步的发展，所述设备包括检测器，该检测器被配置为检测所述直流电压网络上的电压电平并且将有关电压电平的信息发送到所述控制单元，并且所述控制单元被配置为基于来自所述检测器的信息执行电流阀的控制。这意味着所述设备可以有效地控制所述直流电压网络上的直流电压电平。
根据本发明的另一个实施例，控制单元被配置为在由检测器检测到的电压超过预定电平的情况下控制电流阀导通。因此，设备可以用于确保所述直流电压网络上的电压不会过高。
根据本发明的另一个实施例，设备包括检测器，该检测器被配置为测量流入所述直流电压网络中的电流并且将有关电流的信息发送到所述控制单元，并且控制单元被配置为在由所述检测器检测到的电流超过预定值的情况下控制所述电流阀导通。这使得可以可靠并且有效地保护所述换流站的交流电压侧上的仪器避免在直流电压网络上可能发生的过电流。
根据本发明的另一个实施例，设备被配置为保护连接到高压直流线路的仪器，高压直流线路具有≥1kV，≥100kV，100kV至1200kV或者400kV至1200kV的额定电压。
本发明还涉及一种高压装置，其包括线路，该线路被配置为传导高压电势上的直流并且通过这个线路将电力馈送到属于所述装置的仪器，其中该装置进一步包括根据本发明的设备用于保护所述仪器。这种高压装置通过保护其仪器至有吸引力的低成本而具有可靠的操作。
本发明还涉及用于传输电力的设施，该设施包括直流电压网络和通过站连接到直流电压网络的至少一个交流电压网络，所述站适于在直流电压网络和交流电压网络之间执行电力传输并且包括至少一个电压源变换器，该电压源变换器适于将直流电压变换为交流电压和将交流电压变换为直流电压，其中所述设施包括根据本发明的连接到所述直流电压网络的设备。这种设施因具有根据本发明的所述设备而具有上述优点。
本发明进一步的优点和有利特征将通过以下说明显现。
附图说明
参考所附附图，以下是作为示例引用的本发明的实施例的具体说明。
在附图中：
图1是说明了根据本发明的第一个实施例的连接到直流电压网络的设备的非常示意性的图示，所述直流电压网络连接到具有电压源变换器的换流站，
图2是根据本发明的第二个实施例的设备的非常示意性的图示，并且
图3是根据本发明的所述第一个实施例的设备在另一个应用中的示意图。
具体实施方式
根据本发明的两个实施例的设备将在此后通过示例的方式加以说明。然而，本发明可以表现为多种不同形式并且不应被解释为限制于本文中提出的示例性实施例，而是这些实施例的提供使得本公开彻底和完整，并且将向本领域技术人员充分地传达本发明的概念。
图1非常示意性地说明了根据本发明的第一个实施例的用于保护仪器的设备，此处说明了连接到具有直流电压网络2的形式的高压直流线路的交流电压网络1，所述直流电压网络2是用于通过高压直流电(HVDC)传输电力的设施的一部分。非常示意性地说明了这种设施的换流站3，该换流站具有连接到直流电压网络2并将交流电压变换为直流电压和将交流电压变换为直流电压的电压源变换器4。对于交流电压网络的一个级示出了具有关断型的半导体器件7的仅两个阀5、6和具有二极管8形式的整流构件，二极管8与所述半导体器件反并联连接。因此，省略了本发明不需要的例如过滤器等多个其他器件。电容器9被布置用于限定直流电压网络2的电压。
根据本发明的设备具有接地装置10，其使直流电压网络2能连接到地或大地11。这种接地装置包括具有关断型的至少一个半导体器件13(为此其符号在此可以代表串联连接的多个这种半导体器件)和例如整流二极管等与其反并联连接的至少一个整流构件14的电流阀12，半导体器件13以其正向导通方向连接到地。设备还包括控制单元15，该控制单元15被配置为控制所述至少一个半导体器件导通或关断。
所述设备的接地装置10进一步包括至少一个电涌捕获器16，即非线性电阻器，例如氧化锌捕获器，其被配置为将所述电流阀12连接到直流电压网络2并且具有的阈值电压是直流电压网络的额定电压的至少0.5倍，优选为至少0.8倍并且更优选为在0.8倍到1.5倍之间或者在1.0倍到1.3倍之间。用于这种类型的HVDC设施的这种额定电压通常可以为100kV至1200kV。
所述设备还包括检测器17，该检测器17被配置为检测直流电压网络2上的电压电平并且将有关电压电平的信息发送到控制单元15，该控制单元15被配置为基于来自所述检测器17的信息而执行对电流阀12的控制。
所述设备还包括另一个检测器18，该检测器18被配置为测量流入直流电压网络中的电流并且将有关电流的信息发送到控制单元15，该控制单元15被配置为基于来自这个检测器18的信息控制电流阀12。
电流阀12常态为不导通并且电涌捕获器将吸收直流电压的大部分，而所述电流阀仅吸收直流电压的小部分。
所述设备的功能如下所述。我们假设直流电压网络的额定电压是100kV并且电涌捕获器的阈值电压也为100kV。当检测器17检测到超过例如130kV的预定电平的电压时，控制单元控制电流阀开始导通，用于如箭头19所示地使电容器9放电。由于电涌捕获器将吸收100kV，在此情况下电流阀仅承受额定直流电压的30％。
当直流电压网络上的电压电平达到期望电平时，例如达到所述额定电压电平时，控制单元15可以关断半导体器件13。
如果检测器18检测到超过预定值的电流，该电流可以例如为5000A，则控制单元15还可以控制电流阀开始导通。这种情况可以例如发生在当我们假设生成电力的风力发电站被连接到换流站的交流电压侧的情况下，连接到直流电压网络的另一端的换流站未示出，并且这种由极限状态导致的结果将过量的电力馈送到直流电压网络中并且向着站3馈送。到那时通过根据本发明的设备将电流排出到地，可以保护站3以及可能保护连接到站3的灵敏仪器1。
图2示意性地说明了根据本发明的第二个实施例的设备，该设备与图1中所示的设备的区别在于采取措施以平衡电涌捕获器16和电流阀12两者的泄漏电流。这通过将电阻器20与电涌捕获器16并联连接并与电流阀12串联连接以将泄漏电流提供到电流阀12而完成。此外，第二电涌捕获器21与电涌捕获器16串联连接并与电流阀12并联连接且接地11。这个第二电涌捕获器将保护电流阀并且还平衡来自电涌捕获器16的泄漏电流。
此外，电流阀12被提供有高欧姆电阻器22，该高欧姆电阻器22被配置为在电流阀12内部获得均匀电压分布。
对于其余部分，图2中所示的设备的功能与图1中所示的设备相同。
最后，图3非常示意性地说明了如何可以将根据本发明第一实施例的设备连接到任意高压直流线路2’，该高压直流线路2’连接到任意类型的仪器1’，该仪器1’通过可能将来自线路2’的电流经过设备的接地装置10排出到大地11而被保护。
当然，本发明不以任何方式被限制于上述实施例，而是在不背离所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，本发明的许多可能的修改对本领域普通技术人员来说将是显然的。

Claims (14)

1.一种用于保护连接到高压直流线路(2)的仪器(1)的设备，所述设备被配置为通过具有接地装置(10)获得所述保护，所述接地装置(10)使所述线路能连接到地(11)，所述接地装置包括具有其正向导通方向接地的关断型的至少一个半导体器件(13)和与该半导体器件(13)反并联连接的至少一个整流构件(14)的电流阀(12)，所述设备进一步包括控制单元(15)，该控制单元(15)被配置为控制所述至少一个半导体器件(13)导通，用于将来自所述线路的电流排出并由此保护所述仪器(1)，
其特征在于所述接地装置(10)进一步包括至少一个电涌捕获器(16)，该电涌捕获器(16)被配置为将所述电流阀(12)连接到所述线路并且具有至少是所述设备被配置为连接到的所述线路的额定电压的0.5倍的阈值电压。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于所述至少一个电涌捕获器(16)具有至少是所述额定电压的0.8倍的阈值电压。
3.如权利要求1或2所述的设备，其特征在于所述至少一个电涌捕获器(16)具有所述额定电压的0.8倍到1.5倍之间或者1.0倍到1.3倍之间的阈值电压。
4.如前述任一权利要求所述的设备，其特征在于所述接地装置(10)进一步包括与所述电涌捕获器(16)并联连接并且与所述电流阀(12)串联连接的电阻器(20)以及与首次提到的电涌捕获器(16)串联连接并与所述电流阀并联连接且接地的第二电涌捕获器(21)。
5.如前述任一权利要求所述的设备，其特征在于所述电流阀(12)包括串联连接的多个有利地至少为5个并且优选地至少为10个所述半导体器件(13)。
6.如权利要求5所述的设备，其特征在于所述电流阀(12)包括至少一个高欧姆电阻器(22)，该高欧姆电阻器(22)与所述串联连接的半导体器件并联连接以用于所述电流阀内部的电压分配。
7.如前述任一权利要求所述的设备，其特征在于所述至少一个半导体器件(13)是IGBT(绝缘栅双极型晶体管)、IGCT(集成门极换流晶闸管)或GTO(门极可关断晶闸管)。
8.如前述任一权利要求所述的设备，其特征在于所述接地装置(10)被配置为连接到直流电压网络(2)用于高压直流(HVDC)输电，其中所述直流电压网络连接到具有至少一个电压源变换器(4)的换流站(3)，所述电压源变换器(4)具有连接到交流电压网络(1)的交流电压侧并且被配置为将交流电压变换为直流电压以及将直流电压变换为交流电压。
9.如权利要求8所述的设备，其特征在于所述设备包括检测器(17)，该检测器(17)被配置为检测所述直流电压网络(2)上的电压电平并且将有关电压电平的信息发送到所述控制单元(15)，并且所述控制单元被配置为基于来自所述检测器的信息执行对所述电流阀(12)的控制。
10.如权利要求9所述的设备，其特征在于所述控制单元(15)被配置为在由所述检测器检测到的电压超过预定电平的情况下控制所述电流阀(12)导通。
11.如权利要求8-10中任一权利要求所述的设备，其特征在于所述设备包括检测器(18)，该检测器(18)被配置为测量流入所述直流电压网络(2)中的电流并且将有关电流的信息发送到所述控制单元(15)，并且所述控制单元被配置为在由所述检测器(18)检测到的电流超过预定值的情况下控制所述电流阀(12)导通。
12.如前述任一权利要求所述的设备，其特征在于所述设备被配置为保护连接到高压直流线路(2)的仪器，所述线路具有≥1kV，≥100kV，100kV至1200kV或者400kV至1200kV的额定电压。
13.一种高压装置，包括线路(2，2’)，该线路(2，2’)被配置为传导高压电势上的直流并且通过这个线路将电力馈送到属于所述装置的仪器(1，1’)，其特征在于所述装置进一步包括如权利要求1-12中任一权利要求所述的用于保护所述仪器的设备。
14.一种用于传输电力的设施，该设施包括直流电压网络(2)和通过站(3)连接到所述直流电压网络(2)的至少一个交流电压网络(1)，所述站适于在所述直流电压网络和所述交流电压网络之间执行电力传输并且包括至少一个电压源变换器(4)，该电压源变换器(4)适于将直流电压变换为交流电压以及将交流电压变换为直流电压，其特征在于所述设施包括如权利要求1-12中任一权利要求所述的连接到所述直流电压网络(2)的设备。
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