CN102884701A - 包括过压保护的用于传输高压dc电力的设施 - Google Patents

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Abstract

用于传输电力的设施包括高压DC线路（4-7），与该DC线路串联连接并且配置成当所述DC线路上发生故障时中断故障电流的DC断路器（8-13），配置成检测故障电流的出现的部件（21），配置成控制所述DC断路器用于当所述故障电流出现时保护连接到该DC线路的设备的控制单元（22），以及配置成耗散能量的部件，其配置成当所述故障发生时在所述DC断路器的所述控制的时刻耗散存储在所述位置（23）和这些部件之间的DC线路的故障电流路径中的能量。该能量耗散部件包括连接在地和所述DC线路之间的能量消耗制动电阻器（28）和续流整流元件（29）的串联连接来传导电流，同时当所述故障发生时在所述DC断路器的所述控制时形成通过该能量耗散部件的续流路径（30）。

Description

包括过压保护的用于传输高压DC电力的设施
技术领域
本发明涉及用于传输电力的设施，其包括
●高压DC线路，
●与所述DC线路串联连接并且配置成当所述DC线路上发生故障时中断故障电流的DC断路器，
●配置成检测作为在DC线路上的位置处发生故障的结果的故障电流的出现的部件，
●配置成控制所述DC断路器用于当所述故障电流出现时保护连接到DC线路的设备的控制单元，以及
●配置成耗散能量的部件，配置成当所述故障发生时在所述DC断路器的所述控制的时刻耗散存储在所述位置和这些部件之间的DC线路的故障电流路径中的能量。
背景技术
高压意思是≥10kV的电压并且常常是相对于地的几百kV的电压。
该设施可以是任何可想到的用于传输电力并且具有至少一个高压DC线路的类型。这样的设施的示例是用于通过高压直流传输电力的设施，其中采用架空线路或电缆的形式的DC线路用于长距离传输电力，具有与AC线路相比低的损耗。它还可是任何类型的用于传输电力的具有互连多个DC线路的DC开关站（可能连同其他这样的DC开关站形成DC输电网或网络）的设施。
所述故障可由于不同的原因（例如被闪电击中等）出现并且是线路到线路或线路到地的故障。于是当这样的故障发生时能够在非常短的时间限制由于这样的故障引起的快速增大的故障电流而且还处理产生并且存储在所述故障电流路径中的故障能量用于防止对连接到DC线路的设备的严重影响是很重要的。
已知的是具有所述DC断路器的该类型的设施，该断路器包括例如半导体开关等开关元件，其与所述DC线路串联连接并且当所述故障发生时控制开关以切换成将故障电流换向进入采用放电器组的形式的所述能量耗散部件，该耗散部件与该开关元件并联连接并且具有超过所述DC线路相对于地的电压的保护水平。该放电器组然后将通过耗散存储在故障电流路径中的能量使故障电流减小到零。要由所述放电器组处理的故障能量取决于中断电流水平，即在中断通过DC断路器的电流的时刻的电流水平，以及故障沿所述DC线路的位置（取决关系是与所述故障位置和DC断路器之间的DC线路的电感L成比例）。从而，如果故障发生在远离DC断路器（例如几百千米等）的位置，该能量可以比发生在DC断路器附近的故障高得多。从而，需要的放电器组的大小难以估计，特别对于这样具有复杂DC输电网的设施是难以估计的，并且需要高估来覆盖更坏的情况条件。这意味设计成处理几MJ到几十MJ的范围中的能量的大放电器组必须应用于高压DC输电网断路器。此外，放电器组可仅暴露于给定的标称能量耗散的有限数目的操作。从而，为了确保功能性并且减少放电器组的大小以及成本，在中断情况期间放电器组的需要的能量耗散应该保持尽可能低。
发明内容
本发明的目的是要提供在引言中限定的类型的设施，其相对于已知的这样的设施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设施获得，其中所述能量耗散部件包括连接在地和所述DC线路之间的能量消耗制动电阻器和续流整流元件的串联连接来传导电流，同时当所述故障发生时在所述DC断路器的所述控制时形成通过所述能量耗散部件的并且在地和所述位置之间的所述故障电流路径中的续流路径。
这样的用于在所述电阻器中能量耗散的续流路径的设置导致相当大地减少所述能量耗散部件的成本的可能性。这样的用于在一定时间段中消耗一定量能量的制动电阻器比对应的放电器组成本低。这样的制动电阻器的存在意味采用与DC断路器连接的放电器组的形式的能量耗散部件可在大小上减小，并且由此节省成本。此外，这样的放电器组不再需要被高估，因为要处理的能量由此将由于制动电阻器的存在而被精确地限定，因为所述故障沿DC线路的位置将仅影响制动电阻器的能量耗散能力的要求，这将去除要由任何放电器组处理的线路的电感。这意味实际上对于许多应用，这样的设施的DC断路器的任何放电器组可仅用于电流限制并且不用于消耗能量。
能量消耗制动电阻器和续流整流元件的所述串联连接的设置还实现了通过所述DC断路器将故障DC线路从设施的剩余部分更快切断并且从而实现了DC线路故障对设施的其他部分更小的影响。
根据本发明的实施例，所述整流元件包括将制动电阻器连接到所述DC线路的高压二极管，并且该整流元件优选包括这样的高压二极管的串联连接来一起阻挡其两端的超过所述DC线路上相对于地的规定电压的反向电压，并且当所述电压高达100kV或甚至更高时大数目的串联连接的这样的二极管将是必需的。
根据本发明的另一个实施例，所述DC断路器包括关断型半导体器件，并且所述控制单元配置成当所述故障发生时关断所述半导体器件用于将所述故障电流换向进入所述续流路径。这样的半导体器件的示例是IGBT（绝缘栅双极晶体管）、GTO（门极关断晶闸管）或IGCT（绝缘栅换流晶闸管）。
根据本发明的另一个实施例，该设施包括靠近所述DC断路器设置的电流限制设置以用于当所述故障发生时限制通过所述DC断路器的电流，其将减少中断电流水平和由此减少要耗散的故障能量和由此减少能量耗散部件需要的尺寸和成本。
根据本发明的另一个实施例，所述电流限制设置包括与所述半导体器件并联连接的放电器，并且该设置还可包括与所述DC断路器串联连接的电流导数限制电抗器，其意味故障电流到所述中断电流水平的增大将更小。
根据本发明的另一个实施例，该设施包括DC开关站，其包括至少一个母线和每个通过所述DC断路器连接到所述至少一个母线的至少两个所述DC线路，并且所述DC线路中的至少一个具有能量消耗制动电阻器和连接到其的续流整流元件的所述串联连接。对于包括这样的DC开关站的设施，本发明是特别令人感兴趣的，因为特别难以估计在复杂DC输电网中包括这样的DC开关站的已知这样的设施中的放电器组需要的大小。
根据本发明的另一个实施例，能量消耗制动电阻器和续流整流元件的所述串联连接连接到与所述DC开关站相连的所述DC线路，例如在所述DC开关站的DC线路入口处等。这意味制动电阻器将处理所述故障位置和DC断路器之间大致上全部的电感，因为它将设置在DC断路器附近。
根据本发明的另一个实施例，该设施对于连接到所述DC开关站的所述DC线路中的每个包括能量消耗制动电阻器和续流整流元件的所述串联连接。这提供针对在连接到DC开关站的所有DC线路上发生的故障的成本高效保护。
根据本发明的另一个实施例，该设施包括用于将交变电压转换成直流电压的站以及将直流电压转换成交变电压的站，所述站提供有所述DC断路器，并且能量消耗制动电阻器和续流整流元件的所述串联连接靠近所述站或与所述站直接相连地连接到与所述站的DC侧相连的DC线路。
该设施可以是通过高压直流传输电力的设施。
根据本发明的另一个实施例，所述DC线路配置成在相对于地≥10kV、10kV-1000kV、100kV-1000kV或300kV-1000kV的电压水平上。考虑到由此节省的成本，所述电压水平越高，所述能量消耗制动电阻器和续流整流元件的设置作为能量耗散部件越令人感兴趣。
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是具有配置成耗散存储在连接到DC开关站的DC线路的故障电流路径中的能量的已知部件的该DC开关站的示意图，
图2是根据本发明的第一实施例的设施的与图1相似的视图，以及
图3是根据本发明的第二实施例的设施的一部分的示意图。
具体实施方式
图1图示具有DC开关站的用于传输电力的设施，本发明可应用于该DC开关站，其将在下文参照图2进一步描述。该DC开关站1包括两个母线2、3，通过DC断路器8-13连接到这些母线中的每个的四个DC线路4-7，这些DC断路器包括例如IGBT等关断型半导体器件14和与其并联连接的放电器组15。还示出该DC开关站如何可具有例如电压源转换器等AC/DC转换器16，其中采用其DC侧17通过DC断路器18、19连接到两个母线2、3。该转换器的交变电压侧20可连接到例如交变电压网络或例如风力发电设施的发电机。
该设施还包括配置成检测作为在DC线路中的任何DC线路上的位置处发生故障的结果的故障电流的出现的部件21，以及配置成控制DC断路器中的对应DC断路器用于当所述故障电流出现时保护连接到所讨论的DC线路的设备的控制单元22
现在将解释当故障发生时该设施的功能。我们假设例如线路到地或线路到线路故障等故障在DC线路7上的位置23处发生。该故障将由部件21检测，并且控制单元22将控制DC断路器12和13的半导体器件14断开用于将故障电流换向进入这些DC断路器12、13的对应放电器组路径。这些放电器组将通过耗散存储在位置23和DC断路器之间的故障电流路径中的能量而将故障电流减小到零，并且该能量将取决于所述位置和DC断路器之间的距离和中断电流的水平。
图2图示几乎与图1中示出的设施相同的根据本发明的实施例的设施，但对于该设施，能量消耗制动电阻器28和采用整流二极管的形式的续流整流元件29的串联连接24-27在DC开关站的DC线路入口处连接在每个所述DC线路4-7与地之间。该整流元件29配置成能够阻挡其两端超过所述DC线路上在连接时的瞬态期间相对于地的最大电压的反向电压，其典型地意味超过标称DC电压1.8倍的电压阻挡能力，并且可为此包括多个串联连接的这样的高电压二极管。图2中示出的设施的放电器组的大小相对于图1可也相当大地减小了，因为这些放电器组在这里可主要设置用于电流限制目的。
制动电阻器28适当地确定尺寸用于能够耗散由在远离所述DC开关站的位置发生的DC线路故障形成的最大故障能量，并且可为此具有相当大的大小，例如是shed型等，并且优选地是不锈钢的。对于过压保护，放电器可与整流元件和/或制动电阻器并联连接。
在DC线路故障的情况下这样的设施的操作将如下。我们假设DC线路故障发生在位置23，其中控制单元22控制连接到故障线路7的对应DC断路器12、13断开，并且从而迫使故障电流换向进入由制动电阻器28和续流二极管29的串联连接27形成的续流路径30。制动电阻器然后当所述故障发生时在所述DC断路器的所述控制的时刻将耗散存储在位置23和续流路径的连接之间的DC线路7中的剩余故障能量。这将使故障电流减小到零。
具有大动态浪涌电流能力的鲁棒能量消耗电阻器可在市场上得到且相对于通过减小所述放电器组的大小而可能节省的成本具有非常有吸引力的价格。由于故障期间典型少于100ms的相对短的传导时间，不需要二极管的串联连接的强迫冷却。从而，实现续流路径是简单的，甚至户外安装是可能的。
根据本发明的第二实施例的设施在图3中非常简略地图示。在该设施中，电流导数限制电抗器31将DC断路器13连接到母线3。假设DC开关站的母线3处的高DC电压，DC断路器（即，其放电器组15）的需要的能量耗散能力仅取决于最大中断电流水平和例如用于改进保护的选择性的电流导数限制电抗器。安装在DC线路中的这样的电流导数限制电抗器的大小以及故障的位置23将仅影响对作为设备成本较低的部分的制动电阻器28的能量耗散能力的要求。
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。
本发明不限于具有半导体器件作为DC断路器的设施，而它将也对具有机械断路器作为DC断路器的设施起作用。
本发明可应用于图中示出的以外的其他类型的DC开关站，例如具有两个单独的用于将每个DC线路连接到母线的断路器的所谓的双断路器开关站，以及仅具有一个采用DC输电网节点（至少三个DC线路通过各自所述DC断路器连接到该节点）的形式的母线的开关站等。

Claims (14)

1.一种用于传输电力的设施，其包括：
●高压DC线路（4-7），
●与所述DC线路串联连接并且配置成当所述DC线路上发生故障时中断故障电流的DC断路器（8-13），
●配置成检测作为在所述DC线路上的位置（23）处发生故障的结果的故障电流的出现的部件（21），
●配置成控制所述DC断路器用于当所述故障电流出现时保护连接到所述DC线路的设备的控制单元（22），以及
●配置成耗散能量的部件，配置成当所述故障发生时在所述DC断路器的所述控制的时刻耗散存储在所述位置和这些部件之间的DC线路的故障电流路径中的能量，
其特征在于，所述能量耗散部件包括连接在地和所述DC线路之间的能量消耗制动电阻器（28）和续流整流元件（29）的串联连接（24-27）来传导电流，同时当所述故障发生时在所述DC断路器的所述控制时形成通过所述能量耗散部件的并且在地和所述位置（23）之间的所述故障电流路径中的续流路径（30）。
2.如权利要求1所述的设施，其特征在于，所述整流元件包括将所述制动电阻器（28）连接到所述DC线路的高压二极管（29）。
3.如权利要求2所述的设施，其特征在于，所述整流元件包括多个所述高压二极管（29）的串联连接，所述多个所述高压二极管（29）能够一起阻挡其两端的超过所述DC线路（4-7）上相对于地的规定电压的反向电压。
4.如权利要求1-3中任一项所述的设施，其特征在于，所述DC断路器（8-13）包括关断型半导体器件（14），并且所述控制单元（22）配置成当所述故障发生时关断所述半导体器件用于将所述故障电流换向进入所述续流路径（30）。
5.如权利要求4所述的设施，其特征在于，所述半导体器件是IGBT、GTO或IGCT。
6.如权利要求4或5所述的设施，其特征在于，其包括靠近所述DC断路器设置的电流限制设置用于当所述故障发生时限制通过所述DC断路器的电流。
7.如权利要求6所述的设施，其特征在于，所述电流限制设置包括与所述半导体器件（14）并联连接的放电器（15）。
8.如权利要求6或7所述的设施，其特征在于，所述电流限制设置包括与所述DC断路器（13）串联连接的电流导数限制电抗器（31）。
9.如权利要求1-8中任一项所述的设施，其特征在于，其包括DC开关站（1），其包括至少一个母线（2、3）和每个通过所述DC断路器（8-13）连接到所述至少一个母线的至少两个所述DC线路（4-7），并且所述DC线路中的至少一个具有能量消耗制动电阻器（28）和连接到其的续流整流元件（29）的所述串联连接。
10.如权利要求9所述的设施，其特征在于，能量消耗制动电阻器（28）和续流整流元件（29）的所述串联连接连接到与所述DC开关站（1）相连的DC线路，例如所述串联连接在所述DC开关站（1）的DC线路入口处连接到与所述DC开关站（1）相连的DC线路。
11.如权利要求9或10所述的设施，其特征在于，其对于连接到所述DC开关站（1）的所述DC线路（4-7）中的每个包括能量消耗制动电阻器（28）和续流整流元件（29）的所述串联连接。
12.如权利要求1-11中任一项所述的设施，其特征在于，其包括用于将交变电压转换成直流电压的站以及将直流电压转换成交变电压的站，所述站提供有所述DC断路器，并且能量消耗制动电阻器（28）和续流整流元件（29）的所述串联连接靠近所述站或与所述站直接相连地连接到与所述站的DC侧（17）相连的DC线路。
13.如权利要求1-12中任一项所述的设施，其特征在于，其是通过高压直流传输电力的设施。
14.如权利要求1-13中任一项所述的设施，其特征在于，所述DC线路（4-7）配置成在相对于地≥10kV-100kV、10kV-1000kV、100kV-1000kV或300kV-1000kV的电压水平上。
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