CN102227796B - 高压直流电路断路器设备和方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于中断传输线路上或HVDC电路中的直流的DC电路断路器设备。DC电路断路器设备包括第一DC断路器和与第一DC断路器相同的第二DC断路器。第二DC断路器与传输线路上或HVDC电路中的第一DC断路器并联连接并且电流在第一和第二DC断路器之间分割。通过本发明，提供了能够处理非常大的电流的DC电路断路器设备。本发明还涉及相应的方法。

Description

高压直流电路断路器设备和方法
技术领域
本发明一般地涉及电力传输系统领域，并且特别地涉及用于中断高压直流或对高压直流进行换流的装置。本发明还涉及相应的方法。 
背景技术
高压直流(HVDC)电力系统包括配置为保护、监测和控制形成电力系统一部分的设备的运行的保护和控制系统。所述保护系统尤其防止在例如HVDC系统的电力传输线路中的短路、过电流和过电压等等。 
保护继电器遍及HVDC系统而被使用来提供这种保护和控制。所述保护继电器检测传输和分配线路上的故障并通过断开和闭合电路断路器来隔离故障。并非总是必须执行完全的中断，可取而代之的是执行换流到可替换的路径。本质上，原始电流路径的部件中的电流将停止流动，但不是被中断，而仅是改变方向。为了实现此目的，使用了HVDC断路器。 
图1示意性地示出了基本的传统直流(DC)电路断路器，其还被称为DC断路器，其沿承载直流I的DC线路L配置。DC断路器1被设计为使得能够切断直流I或对直流I换流。为此，DC断路器1包括交流电路断路器2，其在以下被表示为断流器，其与谐振LC支路3、4(即与电感器4串联连接的电容器3)并联连接。非线性电阻器5与LC支路3、4并联连接，用以在直流I流经电容器而不是流经断流器2时限制电容器电压。电感器4可以但不必须是物理组件，电路中的漏电感通常可以是足够的。 
以下，说明常规的中断过程。一旦中断或切断直流I，电流通过电弧承载在断流器2的触点之间，并且这种电弧电流Iarc必须被熄灭。图2示出了断流器2中的电弧电流Iarc的电弧特性。对于达到约5kA的断流器电流Iarc，电弧电压/电流斜率为负，这导致针对LC支路3、4的不断增大的振荡。当振荡电流达到足够大时，即，大到等于直流I时，电弧电流Iarc达到电流过零点，于是电弧被熄灭并且全部直流经过电容器3。然后电容器3的电压快速增大直至其达到非线性电阻器5(例如电涌捕获器) 的曲线拐点，非线性电阻器5配置为限制电容器3上的电压。电容器电压构成电路中的反电压，使得电流I减小直至其停止。 
上述传统DC电路断路器1对于达到约4-5kA的传输线路或HVDC电路直流I运行恰当。对于更大的电流，在刚才描述的中断处理中存在两个主要的限制因素： 
断流器的稳态电流能力目前被限制为大约5kA。 
如图2所示，电孤特性是曲线，该曲线超过特定的电弧电流Iarc的部分失去其负斜率并且变得平直，这使其难以具有足够大到引起电弧电流Iarc的过零点的振荡。在特性变为平直处的相应的直流I并非一个精确点，但是在大约4到5kA的某处。 
发明内容
本发明的一个目的是提供改进的DC电路断路器设备，其能够比现有的DC电路断路器处理更大的电流水平。 
本发明的另一个目的是提供一种能够使用现有组件实现的DC电路断路器设备。 
这些目的以及其他方面均由根据本发明的实施例的DC电路断路器设备以及方法实现。 
根据本发明，提供了一种用于中断线路上的直流的DC电路断路器设备，其中所述线路被理解为在承载了将被中断的直流的HVDC电路中的电力传输线路或连接线路。所述DC电路断路器设备包括沿所述线路并联配置的至少第一和第二DC断路器，并且所述线路的电流在所述至少第一和第二DC断路器之间分割。 
特别地，所述DC电路断路器设备包括第一DC断路器，该第一DC断路器又包括连接到所述线路的第一断流器。所述第一DC断路器进一步包括第一谐振LC支路和与所述第一断流器并联连接的第一非线性电阻器。所述DC电路断路器设备进一步包括和所述第一DC断路器相同的第二DC断路器。因此，所述第二DC断路器包括第二断流器、第二谐振LC支路和与第二断流器并联连接的第二非线性电阻器。所述第二DC断路器与所述线路上的第一DC断路器并联连接，其中第一和第二DC断路器的并联连接与所述线路串联连接。所述直流在第一和第二DC断路器之 间分割。通过引入将电流分割为两个或更多个支路，每个支路承载所述电流的一部分，每个断流器中的稳态电流被减半或减少得更多。进一步地，每个断流器中将被中断的电流同样被减半或减少得更多。通过本发明，提供了一种DC电路断路器设备，其能够处理达到10kA或更大的直流。所述DC电路断路器设备能够通过使用易于获得的传统组件制造，使得所述DC电路断路器设备具有成本效益并且易于制造。提供了一种在额定直流或在过载状态期间的电流超过了现有DC断路器的能力的应用中使用的DC电路断路器设备。 
根据本发明的一个实施例，包括用于在所述至少第一和第二DC断路器的中断处理中保持期望的电流分割的装置。由此提供最可靠的DC电路断路器设备，其中所述电路断路器不存在将全部电流换流到另一个电路断路器时首先中断其电流的风险。 
根据本发明的一个实施例，用于在所述中断处理中保持所述电流分割的所述装置包括连接到第一和第二DC断路器的两绕组变压器。因此，本发明能够使用传统组件实现，使得能够提供具有成本效益的方案。 
根据本发明的另一个实施例，提供了第三DC断路器，其与传输线路上或HVDC电路中的第一和第二DC断路器并联连接。因此，电流在三个支路之间分割并且由此提供了能够处理更大电流的DC电路断路器设备。这种电路断路器设备足够用于所有类型的高压直流(HVDC)网络的应用。 
根据本发明的另一个实施例，用于在具有三个支路的中断处理中使能被保持的电流分配的装置包括三个Z形连接(Z字形连接)的变压器，所述变压器连接到第一、第二和第三DC断路器。此外，本发明能够使用传统组件实现，这使得能够提供具有成本效益的方案。 
本发明还涉及一种相应的方法，由此获得与上述类似的优点。 
根据对以下说明的阅读，进一步的实施例及其优点将变得清楚。 
附图说明
图1示出了基本的传统DC电路断路器。 
图2示出了用作DC电路断路器中的断流器的交流电路断路器的电弧特性。 
图3示出了根据本发明的DC电路断路器设备的第一实施例。 
图4示出了根据本发明的DC电路断路器设备的第二实施例。 
图5示出了根据本发明的方法的步骤。 
具体实施方式
已经说明了图1和图2并且在全部附图中使用相同的参考标记表示相同或相应的部件。 
图3示出了本发明的第一实施例。根据本发明的DC电路断路器设备，以下被表示为DC电路断路器设备6，被设备为沿承载DC电流I的线路L连接，即与线路L串联。线路L可以是HVDC电路中的电力传输线路或连接线路。 
根据本发明，线路L的直流I被分割为两个支路B1和B2。所述两个支路B1和B2是相同的，并且每个支路包括DC断路器11、12，所述DC断路器又包括结合图1所述的各自的第一或第二断流器21、22。各自的第一或第二LC支路31、41和32、42与各自的第一或第二断流器21、22并联连接。进一步地，第一和第二非线性电阻器51、52与各自的第一或第二LC支路31、41和32、42并联连接。由此，每个支路B1、B2占线电流I的一半。 
简单地将直流I分割为两个路径不能解决上述在大电流下失去负电流/电压斜率(见图2)的问题并且所引起的实现电流中断的困难仍存在。更具体地，如果直流I被简单地分割到两个支路B1、B2中，则当一个断流器即第一断流器21或第二断流器22成功切断其电流，而另一个断流器仍处于熄灭其电弧的处理中时，全部电流将换流到另一个支路中。另一个支路之后不能中断电流。如果电流被简单地分割到更多个电流路径中，则适用相同的情况。 
因此，为了在中断处理中保持期望的电流分割，根据本发明使用两绕组变压器T1。当第一和第二断流器21和22中的一个成功地中断其电流时，两绕组变压器T1的磁化阻抗阻止将在上述情况中发生的不均匀的电流分配。 
由此，根据本发明的第一实施例的DC电路断路器设备6包括两个并联连接的传统DC断路器11和12，所述传统DC断路器11和12连接到两 绕组变压器T1，即连接到包括初级绕组和次级绕组或绕单个磁芯缠绕的线圈的单相两绕组变压器。特别地，DC断路器11和12中的一个连接到变压器T1的一个绕组的极性端，并且另一个DC断路器连接到变压器T1的另一个绕组的非极性端。绕组极性在附图中以传统方式的填充点显示。在稳态操作期间，绕组的电流将抵偿磁芯中彼此的磁通量。由此，可以利用传统的组件，提供具有成本效益的DC电路断路器设备。 
当要中断直流I时，DC断路器11、12以传统方式工作，如本申请的前言部分所述。DC断路器11、12中的一个将在电流中断处理中首先完成。首先完成的DC断路器被表示为x并且其电流将流经其相关联的电容器3x。DC断路器1x两端的电压将增大并且该电压将试图将支路Bx中的电流移向另一个支路，另一个支路还不具有反电压。然而，变压器T1的磁化阻抗避免这种情况的发生。 
图4示出了本发明的第二实施例。在根据本实施例的DC电路断路器设备6’中，直流I被分割到三个支路B1、B2和B3中，每个支路由此在稳态操作期间承载直流I的三分之一。每个支路B1、B2、B3包括对应的具有如前所述的布置的DC断路器11、12、13。 
为了在电流中断处理中保持所述电流分配，提供了三个传统的变压器T1、T2、T3。变压器T1、T2、T3以Z字形连接相连接并且具有如图4所示的极性。对于具有三个支路的特定情况，这种变压器连接还被称为Z形连接，并且能够以三相Z形连接的变压器实现。 
特别地，每个变压器上的一个线圈的非极性端连接到另一个变压器中的一个线圈的非极性端。可替换地，连接可以是每个变压器上的一个线圈的极性端连接到另一个变压器的一个线圈的极性端。在稳态操作期间，通过相反的电流，每个变压器中的第一和第二线圈绕组的磁通量将相互抵偿。 
以根据本发明的第一实施例的方式，变压器的互感用于在中断处理中保持所述电流分配。 
一旦全部支路B1、B2、B3将其对应的电流换流到其对应的电容器31、32、33或其对应的非线性电阻器51、52、53，由于全部电流衍生支路将处于相同方向中，因此变压器的漏电感将被添加到总电路的电感中。然而，变压器的漏电感(还被称作短路阻抗)非常低，比磁化电感低几千倍，并且可以被忽略。 
本发明的原理可以相应的方式应用于任意数量的n个支路B1、B2...、Bn。由此，可以设计DC电路断路器设备6n-1并且适用于每个具体的应用。然而，上述具有三个支路B1、B2、B3的DC电路断路器设备6’足够用于在不远的将来能够预见的绝大多数应用。注意，应用本发明的原理，可以不使用例如能够处理达到5kA的电流的两个并联连接的DC断路器，而是可以使用多个更具有成本效益的能够处理更低的电流例如500A的DC电路断路器。 
在以上说明中，利用了适当数量的n个变压器以便在断流器21、22、...、2n的中断处理中保持电流分配。然而，可以替换为使用用于保持不同支路之间的电流分配的其他装置。 
例如，可以可替换地使用仅包括不依赖于上述互感的电抗器的装置。然而，必须考虑以下事实：在中断期间用于保持电流分配所需要的非常大的电感即便在全部支路中的断流器均已完成将电流换流到其各自的电容器或非线性电阻器之后仍然保留在电路中。 
如图5所示，本发明还提供了一种用于中断或对传输线路L或HVDC电路上的直流I换流的方法10。所述方法10包括第一步骤11：将直流I分割到两个或更多个支路B1、B2、B3中。第二步骤12包括通过激励配置在每个相应的支路B1、B2、B3处的DC断路器11、12、13而中断直流I，同时在直流I的中断期间通过变压器设备保持所述电流分割。DC断路器11、12、13如前所述配置，变压器设备同样如前所述配置，即，如果电流被分割到两个支路中，则所述变压器设备是一个单相两绕组变压器T1，或者如果电流被分割到三个支路中，则所述变压器设备是三个两绕组变压器T1、T2、T3，以此类推，直到n个两绕组变压器T1、T2、T3、...、Tn以将电流分割到n个支路中。 
总之，本发明提供了用于允许通过结合传统的DC断路器中断大于5kA并且最为有利地是10kA或更大的直流的装置，传统的DC断路器具有能够处理达到约5kA的断流器。因此，本发明对于电流超过5kA的应用是有利的，不管该电流为额定电流或在过载状态下的电流。通过将电流分到两个或更多个支路中，每个支路承载一半或更少的直流I，每个断流器中的稳态电流被减半或者甚至更低。进一步地，将被中断的电流(或者将发生振荡的电流)被减半或者更低。进一步地，以创新的方式促进稳态和瞬态的均匀电流分配。 

Claims (5)

1.一种DC电路断路器设备(6’)，用于中断线路(L)上的直流(I)，其特征在于沿所述线路(L)并联配置的至少第一、第二和第三DC断路器(11，12，13)，每个DC断路器被配置在n个支路(B1、B2、B3、……、Bn)中对应的一个处，支路的个数至少为3，其中所述线路(L)的所述直流(I)在所述至少第一、第二和第三DC断路器(11，12，13)之间分割，所述DC电路断路器设备的特征还在于用于在所述至少第一、第二和第三DC断路器(11，12，13)的中断处理中保持所述电流分割的装置(T1、T2、T3、……、Tn)，所述装置包括至少三个Z字形连接的两绕组变压器(T1、T2、T3、……、Tn)，每个两绕组变压器被连接到所述至少第一、第二和第三DC断路器(11，12，13)中对应的一个。
2.根据权利要求1所述的DC电路断路器设备(6’)，其中每个变压器的一个线圈的非极性端连接到另一个变压器的一个线圈的非极性端，或者每个变压器的一个线圈的极性端连接到另一个变压器的一个线圈的极性端。
3.根据前述权利要求中任一项所述的DC电路断路器设备(6’)，其中每个DC断路器包括：
断流器(2)、谐振LC支路(3，4)和与所述断流器(2)并联连接的非线性电阻器(5)，
所述DC断路器彼此并联连接，并且所述DC断路器的并联连接和所述线路(L)串联连接。
4.根据前述权利要求1或2所述的DC电路断路器设备(6，)，其中所述线路是高压DC传输线路或高压直流电路的一部分。
5.一种用于中断或换流传输线路(L)上或高压直流电路中的直流(I)的方法，其特征在于以下步骤：
将所述直流(I)分到至少三个支路(B1，B2，B3)中；
通过激励配置在每个支路(B1，B2，B3，…，Bn)处的断路器(11，12，13)而中断所述直流(I)，同时在所述电流(I)的中断期间通过以Z字形连接到所述第一、第二和第三DC断路器(11，12，13)的三个或更多个两绕组变压器(T1，T2，T3，…，Tn)的配置保持所述电流分割。
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