CN102870181B - 高压dc断路器装置 - Google Patents

Abstract

配置成中断高压DC导体（15）中出现的故障电流的高压DC断路器装置包括具有至少一个段（12）的电流限制设置（11）和与该电流限制设置串联连接并且包括机械开关（19）的机械DC断路器（18），该段具有至少一个关断型半导体器件（13）和至少一个与其并联连接的放电器（14）。该机械DC断路器配置成一旦所述设置的所述半导体器件关断则实现所述DC导体（15）中故障电流的中断。

Description

高压DC断路器装置

技术领域

本发明涉及高压DC断路器装置，其配置成中断在高压DC导体中出现的故障电流，所述装置包括

●电流限制设置，具有至少一个段，该段具有至少一个关断型半导体器件和至少一个与其并联连接的放电器，所述至少一个段配置成与所述DC导体串联连接，

●配置成检测所述DC导体中的故障电流的出现的部件，以及

●配置成当检测到所述故障电流出现时控制所述故障电流的中断的单元，所述控制包括关断所述设置的全部半导体器件。

背景技术

高压意思是≥10kV的电压并且常常是相对于地几百kV的电压。

这样的高压DC断路器装置可设置在高DC电压输运系统中用于获得所述DC导体中出现的故障电流的中断，该故障电流一般是对地短路的结果。于是当这样的故障电流出现时能够在非常短的时间（例如大约几百μs等）限制该故障电流以便防止对连接到系统的设备的严重影响是很重要的，这是使用关断型半导体器件（其可在几μs内断开）作为这样的断路器装置的电流限制设置中的开关的原因。

该类型的装置通过US5999388已知并且相似已知的这样的装置在附图1中示出，其中电流限制设置1具有串联连接的八段2，并且每段具有至少一个关断型半导体器件3（这里是IGBT（绝缘栅双极晶体管））和与其并联连接的至少一个放电器4。每个IGBT符号实际上可代表大量（例如10个）串联连接的IGBT，并且这同样可适用于放电器4。采用至少一个二极管的形式的整流元件也将与在该公开的图中示出的每个半导体器件反并联连接。然而，这些二极管为了简单的原因在图中省略了。设置1配置成与处于高电压电势的DC导体5串联连接。示出装置如何具有部件6用于检测DC导体中的故障电流的出现并且发送关于其的信息给控制单元7，其配置成通过控制半导体器件3而控制所述故障电流的中断。

在故障期间关断个体段2的IGBT3将对应的放电器4插入线路。尽管与故障电流无关，该段两端的电压由所述段的该放电器或放电器组（多个放电器）的保护水平给出。假设在图1中示出的完整设置的保护电压水平对应于对DC导体规定的DC电压的1.60倍，超过五个放电器（放电器组）的插入将减小故障电流。五个放电器组的插入将在中断时刻将故障电流限制于当前水平。

尽管这样的固态DC断路器（即基于半导体开关）几乎立刻响应于控制和保护系统的需求，这样的断路器装置的劣势是它具有大量要串联连接的半导体器件（例如IGBT等）用于能够取得对应于放电器组的保护电压的电压，其导致相当大的成本以及当DC导体的电流流过半导体器件时导致相当大的电力转移损耗。

基于如在高压直流应用中发现的标准AC断路器的机械DC断路器的损耗与这相比是非常小的。然而这样的现有机械DC断路器技术方案的劣势是来自保护系统的控制信号和中断动作之间的时间延迟。即使利用改良的标准AC断路器，将花费10-20ms直到机械接触断开，这对于例如在DC输电网中的高压DC导体中的应用太慢了。这是为什么具有在图1中示出的外观的固态DC断路器到目前为止用于实现高压DC断路器装置的原因。

发明内容

本发明的目的是要提供在引言中限定的类型的高压DC断路器装置，其相对于已知的这样的装置在至少某方面得到改进。

该目的根据本发明通过提供这样的装置获得，该装置进一步包括与所述电流限制设置串联连接并且包括机械开关的机械DC断路器，并且所述机械DC断路器配置成一旦所述设置的所述半导体器件关断则实现所述DC导体中故障电流的中断。

这意味在正常条件期间，即没有故障期间，所述DC导体中的电流将流过电流限制设置的半导体器件和所述机械开关。通过所述机械DC断路器配置成实现故障电流的中断的实际情况，所述电流限制设置的半导体器件仅完成故障电流的限制而不完成故障电流的中断，使得所述电流限制设置的保护电压水平可相对于在图1中示出的类型的装置减小。这意味较少数目的例如IGBT等半导体器件串联连接。这则将导致正常传导条件期间所述装置中电力转移损耗的显著减少。

根据本发明的实施例，由所述至少一个放电器限定的所述设置的保护电压水平是对DC导体规定的相对于地的DC电压±10%。与根据图1的装置的典型保护电压水平比较，这可大约是对DC导体规定的DC电压的150-160%。从而，所述电流限制设置中串联连接的半导体器件的数目以及这样的装置的电力转移损耗由此可减少大约40%。

根据本发明的另一个实施例，所述至少一个段具有多个所述半导体器件，其串联连接并且通过所述控制单元共同可控。在配置成连接到输运非常高的电压（例如高于100kV等）的DC导体的断路器的情况下，具有相对大数目（例如差不多十个或更多）的串联连接半导体器件用于获得要由所述段获得的保护电压水平是合适的并且有时甚至是必需的。当这些半导体器件是共同可控时，它们将充当一个单半导体器件，即开关。

根据本发明的另一个实施例，所述设置包括多个所述段，其由所述控制单元通过控制所述段的所述至少一个半导体器件而单独可控。这使选择电流限制设置的电流限制动作用于可能适应于发生的故障的特征成为可能。

根据本发明的另一个实施例，所述机械DC断路器包括与所述机械开关并联连接的至少一个模块，所述模块具有至少一个关断型半导体器件和至少一个与其并联连接的放电器，并且所述控制单元配置成按下列顺序通过控制机械DC断路器而控制所述故障电流的中断：导通所述至少一个模块的半导体器件，断开所述机械开关用于将故障电流换向以流过紧接前面提及的半导体器件以及关断这些半导体器件。在这样的装置中的电力转移损耗可相对于根据图1的已知装置而减少，因为电流将在正常操作期间仅流过电流限制设置的半导体器件，但由于与机械开关并联连接的半导体器件，将仍然获得中断故障电流的相同可能性。

根据本发明的另一个实施例，机械DC断路器的所述至少一个模块的放电器的保护电压水平是对所述DC导体规定的相对于地的DC电压的30-80%。从而，这意味在DC导体属于的系统的正常操作期间，装置的半导体器件中的所述电力转移损耗的对应可能减少。

根据本发明的另一个实施例，所述机械DC断路器的所述至少一个模块具有多个串联连接并且通过所述控制单元共同可控的半导体器件。该特征以及所述机械DC断路器包括多个根据本发明的另一个实施例的所述模块的特征的动因从上文的论述显现。

根据本发明的另一个实施例，所述机械DC断路器具有与所述机械开关并联连接的电感和电容的串联连接，并且控制单元配置成通过断开所述机械开关控制所述故障电流的中断。这样的经典DC断路器作为与高压DC断路器装置中的电流限制设置串联连接的所述机械DC断路器的使用结果不仅具有正常操作期间相对于已知这样的装置的电力转移损耗的减少，而且半导体器件的总数相对于这样的已知装置也减少了，其可对装置的成本具有明显的积极影响并且也简化了其控制方案。

根据本发明的另一个实施例，所述电流限制设置的所述至少一个段具有与所述设置的每个放电器并联连接的电阻器，并且所述机械DC断路器的保护电压水平是对所述DC导体规定的DC电压的100%-200%。然后用于耗散电力的这样的电阻器的设置则可导致当故障发生时装置的能量吸收能力的成本效率增加。

根据本发明的另一个实施例，所述半导体器件/多个器件是IGBT/多个IGBT、GTO/多个GTO或IGCT/多个IGCT。这样的绝缘栅双极晶体管、门极关断晶闸管和集成门极换流晶闸管是该类型装置的合适的关断型半导体器件。

根据本发明的另一个实施例，装置配置成中断在规定在相对于地≥10kV、10kV-1000kV、100kV-1000kV或300kV-1000kV的电压水平上的高压DC导体中出现的故障电流。

根据本发明的另一个实施例，装置配置成连接到作为这样的装置的一个适合的应用和位置的AC/DC转换器站中的所述高压DC导体，并且它然后可根据本发明的另一个实施例配置成设置在DC输电网中用于保护连接到其的设备。

本发明还涉及用于通过高压直流传输电力的设施，其特征在于，它提供有根据本发明的DC断路器装置。这样的设施可获益于这样的装置的上文提到的积极特征。

本发明还涉及用于控制根据本发明的高压DC断路器装置的方法，以便根据附上的独立方法权利要求以及在从属方法权利要求中限定的其实施例中断在所述高压DC导体中检测到的故障电流。同样这样的方法的优势从上文根据本发明的装置与已知的这样的装置的比较的论述清楚地显现。

本发明的另外的优势以及有利特征将从下列描述显现。

附图说明

参照附图，下文接着是引用为示例的本发明的实施例的具体描述。

在图中：

图1是图示连接成中断在高压DC导体中出现的故障电流的已知高压DC断路器装置的简单示意图，

图2是根据本发明的第一实施例的装置的对应于图1的视图，

图3是根据本发明的第二实施例的装置的对应于图1的视图，

图4是根据本发明的第三实施例的装置的对应于图1的视图，以及

图5是图示根据本发明的第四可能实施例的非常简化的装置的视图。

具体实施方式

根据本发明的实施例的高压DC断路器装置10在图2中示意图示。该装置包括具有五个段12的电流限制设置11，该段12具有至少一个关断型半导体器件13（这里是IGBT）和至少一个与其并联连接的放电器14。该五个段12串联连接并且配置成与高压DC导体15串联连接，该装置对于该高压DC导体15配置成当在其中出现故障电流时中断该故障电流。每个IGBT符号13可代表多个串联连接并且共同受控来起一个单半导体开关的作用的IGBT。

装置还具有配置成检测DC导体15中的故障电流的出现的部件16，并且这样的故障电流出现由箭头F指示。

装置还包括配置成当检测到所述故障电流出现时控制所述故障电流的中断的单元17，其中该控制包括关断电流限制设置的全部半导体器件。

根据本发明的断路器装置还包括与电流限制设置11串联连接并且具有机械开关19的机械DC断路器18，机械开关19的操作也由所述控制单元17控制。该机械DC断路器具有与所述机械开关19并联连接的三个模块20，该模块20具有至少一个关断型半导体器件21（这里是IGBT）和至少一个与其并联连接的放电器22。机械DC断路器的这些模块20配置成一旦电流限制设置11的半导体器件13关断则实现DC导体中故障电流的中断。

现将解释在图2中示出的高压DC断路器装置的操作。在正常操作中，DC导体15中的电流将流过电流限制设置11那时导通的半导体器件13，并且通过机械DC断路器那时闭合的机械开关19。这将导致比在图1中示出的对应装置（其中电流将流过更大数目的半导体器件）中更低的电力转移损耗。当故障电流出现F并且由所述部件16检测到时，控制单元17将首先控制段12中的至少一些段的半导体器件13被关断，其意味将施加这些段的保护电压用于抵消可能损伤连接到DC导体15的设备的故障电流。电流限制设置的保护电压水平优选地是对DC导体规定的相对于地的DC电压±10%，并且如果我们假设该保护电压水平与DC导体相对于地的电压相同，所有段12的半导体器件的关断可在几μs中将故障电流限制到可接受水平。控制单元然后将控制机械开关19断开同时确保机械DC断路器的模块20的半导体器件21导通。机械开关19的断开将在故障的检测时刻后花费几ms并且将导致流过其的电流换向而流过与其并联连接的半导体器件21。

由模块20的放电器22限定的模块20的保护电压水平将是对DC导体规定的相对于地的DC电压的30-80%，优选地大约50%，其意味控制单元17然后可通过控制要关断的半导体器件21来获得通过装置的电流的中断。然而，由于电流限制设置，它可在断开机械开关19后等待进行该动作如此之长以至于万一由所述部件16做出的检测不是采用对地短路的形式的真实故障的结果则可避免中断。

根据本发明的第二实施例的高压DC断路器装置在图3中示意图示，并且与图2中示出的那个区别于在于机械DC断路器18’的设计。该DC断路器具有LC电路23（其具有与机械开关19’并联连接的电感24和可能预充电的电容25）以及与该LC电路并联连接的放电器27。控制单元17在这里配置成通过如对于在图2中示出的实施例在关断电流限制设置的半导体器件13后断开所述机械开关19’而控制所述故障电流的中断。在根据图3的装置中需要的半导体器件相对于根据图2的装置的较低数目可导致成本的减少和装置的控制的简化。

根据本发明的第三实施例的高压DC断路器装置在图4中示意图示，并且与根据图2的那个仅区别在于电流限制设置11’’的每段12’’具有与每个放电器并联连接的电阻器26的实际情况，使得由高故障电流引起的电力损耗可通过这些电阻器耗散，使得从而获得装置的能量吸收能力的成本效率增加。在该情况下，电流中断部分（即，机械DC断路器18’’）的保护电压水平必须超过导体15相对于地的DC电压水平，并且典型的这样的保护电压水平是后者的150%。

最后，图5示意图示根据本发明的高压DC断路器装置的最简单设计，其具有电流限制设置11’’’和机械DC断路器18’’’，该电流限制设置11’’’仅带有一个所述段12’’’，该机械DC断路器18’’’与该电流限制设置11’’’串联连接并且具有机械开关19’’’和与其并联的在这里是所述段的电流中断部分20’’’。然而，应指出，该机械DC断路器可具有任何可想到的类型，例如根据在图3中示出的实施例的经典DC断路器或根据任何其他机械DC断路器概念的断路器等。

根据本发明的高压DC断路器装置优选地设置在AC/DC转换器站中的转换器的靠近该转换器的DC侧上或设置在DC开关站中。该转换器站可以是用于通过高压直流传输电力的设施的一部分，该设施进而可包括由互连的例如长距离高压电缆等高压DC导体形成的DC输电网。

本发明当然不以任何方式限制于上文描述的实施例，但对其的修改的许多可能性对于本领域内普通技术人员将是明显的而不偏离如在附上的权利要求中限定的本发明的范围。

在图2、4和5中示出的实施例中，例如IGBT等关断型半导体器件可与机械开关串联并且与半导体器件（其与所述开关并联连接）并联连接，用于简化故障电流从机械开关路径换向进入紧接前面提及的这些半导体器件的路径。

Claims (17)

1.一种高压DC断路器装置，其配置成中断高压DC导体中出现的故障电流，所述装置包括：

·具有至少一个段的电流限制设置，所述段具有至少一个关断型半导体器件和至少一个与其并联连接的放电器，所述至少一个段与所述DC导体串联连接，

·部件，配置成检测所述DC导体中的故障电流的出现，以及

·单元，配置成当检测到所述故障电流出现时控制所述故障电流的中断，所述控制包括关断所述设置的全部半导体器件，

其特征在于，所述装置进一步包括与所述电流限制设置串联连接并且包括机械开关的机械DC断路器使得在正常状况期间所述DC导体中的电流将流过所述电流限制设置的所述半导体器件和所述机械开关，并且所述机械DC断路器配置成一旦所述设置的所述半导体器件关断则实现所述DC导体中故障电流的中断。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，由所述至少一个放电器限定的所述设置的保护电压水平是对所述DC导体规定的相对于地的DC电压±10%。

3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，每个所述至少一个段具有多个所述半导体器件，所述多个所述半导体器件串联连接并且通过所述单元共同可控。

4.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述设置包括多个所述段，所述多个所述段由所述单元通过控制所述段的所述至少一个半导体器件而分别可控。

5.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述机械DC断路器包括与所述机械开关并联连接的至少一个模块，所述模块具有至少一个关断型半导体器件和至少一个与所述关断型半导体器件并联连接的放电器，并且所述单元配置成按下列顺序通过控制所述机械DC断路器而控制所述故障电流的中断：导通所述至少一个模块的半导体器件，断开所述机械开关用于将所述故障电流换向以流过紧接前面提及的该半导体器件，以及关断这些半导体器件。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，机械DC断路器的所述至少一个模块的放电器的保护电压水平是对所述DC导体规定的相对于地的DC电压的30-80%。

7.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述机械DC断路器的所述至少一个模块具有多个串联连接并且通过所述单元共同可控的半导体器件。

8.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述机械DC断路器包括多个所述模块。

9.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述机械DC断路器具有电感和电容的串联连接，所述串联连接与所述机械开关并联连接，并且所述控制单元配置成通过断开所述机械开关而控制所述故障电流的中断。

10.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电流限制设置的所述至少一个段具有与所述设置的每个放电器并联连接的电阻器，并且所述机械DC断路器的保护电压水平是对所述DC导体规定的DC电压的100%-200%。

11.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述半导体器件是IGBT、GTO或IGCT。

12.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，其配置成中断在规定在相对于地≥10kV、10kV-1000kV、100kV-1000kV或300kV-1000kV的电压水平上的高压DC导体中出现的故障电流。

13.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，其配置成连接到AC/DC转换器站中的所述高压DC导体。

14.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，其配置成设置在DC输电网中用于保护连接到其的设备。

15.一种用于通过高压直流传输电力的设施，其特征在于，其提供有根据权利要求1或2的高压DC断路器装置。

16.一种用于控制根据权利要求1或2的高压DC断路器装置的方法，用于中断在所述高压DC导体中检测到的故障电流，其特征在于，其包括步骤：

a）关断所述电流限制设置的半导体器件，以及

b）控制所述机械DC断路器来中断所述故障电流。

17.如权利要求16所述的用于控制高压DC断路器装置的方法，其特征在于，其应用在高压DC断路器装置上，其中所述机械DC断路器包括与所述机械开关并联连接的至少一个模块，所述模块具有至少一个关断型半导体器件和至少一个与所述关断型半导体器件并联连接的放电器，

并且步骤b）包括下列子步骤：

c）导通所述机械DC断路器的所述至少一个模块的半导体器件，

d）断开所述机械开关用于将流过所述机械开关的电流换向以流过紧接前面提及的所述半导体器件，以及

e）关断所述机械DC断路器的所述模块的所述半导体器件用于中断所述故障电流。