CN103403830A - 高压dc系统中的电流上升限制 - Google Patents

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Abstract

为了限制高压DC系统中的电流上升，电流被引导通过电流上升限制器（2）。该电流上升限制器（2）具有随通过电流上升限制器（2）的电流I和/或随所述电流I的时间导数dI/dt而增加的电感。在这样的系统中，电流上升限制器（2）对正常操作具有微小影响，但它在故障情况下限制电流的上升率，由此例如提供更多的时间来切断电流。

Description

高压DC系统中的电流上升限制
技术领域
本发明涉及用于在故障状况下限制高压DC网络中的电流上升的方法。它还涉及高压DC断路器，其包括用于中断高压DC电流的开关组装件和与所述开关组装件串联布置的感应电流上升限制器。
背景技术
在高压直流（HVDC）系统（DC电网）中，因为没有自然的电流零交叉，从而使得难以熄灭断路器中的电弧，常规的机械断路器必须能够非常快地切断大的电流。关于此，例如在接地故障的情况下，电流可以快速上升，并且因此断路器必须是快的，这使得根本难以使用机械断路器。
为了减轻这些问题，已知使感应电流上升限制元件与断路器的开关组装件串联对齐。这样的电流上升限制元件例如可以是具有大约100mH的恒定电感的空气盘管。电感在故障情况下固有地限制电流的上升率，由此给予开关组装件更多的时间来切断电流。
使用具有甚至更高电感的电流上升限制器可是有利的，但这导致系统不稳定并且特别地，它削弱了系统支持快速（但有常规的）负载变化的能力。而且，具有大的电感的感应电流限制器庞大且昂贵。
发明内容
要通过本发明解决的问题因此提供一种方法和具有上文的类型的一种断路器，其高效限制高压DC网络中的电流上升。
该问题通过所述方法、断路器、它的使用和高压DC网络（其包括这样的根据独立权利要求的断路器）来解决。
因此，电流上升通过在网络中布置感应电流上升限制器而受到限制。电流上升限制器具有电感，其随着流过电流上升限制器的电流I和/或所述电流I的时间导数dI/dt而增加。
因此，在正常操作中，其中电流I或它的时间导数dI/dt在标称范围内，电流上升限制器的电感比较小并且因此对网络的稳定性具有比较弱的影响。然而，在故障情况下，电流I和它的时间导数dI/dt增加，这导致限制器的电感增加并且因此提高限制器限制电流上升的能力。
该方法在高压DC断路器中特别有用。这样的断路器（其用于阻断高压DC电流）包括用于中断高压DC电流的开关组装件以及与开关组装件串联布置的感应电流上升限制器。
必须注意，对于AC网络已知使用这样的限制器：其的电感随着电流I或它的时间导数dI/dt而上升。然而，在AC系统中，这些限制器用作电流限制器，而不是作为电流上升限制器。当AC电流增加时，它们的电感增加，这进而导致对AC电流的限制。在DC系统中，该机制将不起作用并且因此这些限制器可不用作电流限制器，由于该原因，在DC系统中使用这样的限制器似乎没有意义。然而，本发明已经认识到这样的限制器可以用作DC系统中的电流上升限制器。
有利地，电流上升限制器具有随电流I而增加的电感。这样的限制器仅在电流已经达到标称以上的水平时才对电流的上升率产生额外的限制效应，而它对标称电流处的电流波动的影响是低的，由此维持系统支持突然负载变化的能力。
在从属权利要求以及下文的描述中列出其他有利实施例。
附图说明
从本发明的下列详细描述将更好理解本发明并且除上文阐述的目的外的目的将变得明显。这样的描述参照附图，其中：
图1是具有电流上升限制器的断路器的电路图，
图2是断路器的电流对时间图，
图3是电流上升限制器的第一实施例，
图4是电流上升限制器的第二实施例，
图5是电流上升限制器的第三实施例，以及
图6是电流上升限制器的第四实施例。
具体实施方式
一个或多个定义：
术语“高压”包含36kV或以上的电压。
具有“具有随电流而增加的电感”或“随所述电流的时间导数dI/dt而增加的电感”的电流上升限制器指示其的电感随电流或它的时间导数而自动增加的任何装置。在这样的装置中，在电感与电流（或时间导数）之间可存在例如函数、双射关系，或关系可不是双射的，但例如展现滞后效应。一旦电流或电流上升超出某一阈值，电感的变化例如还可被主动触发。而且，当电流或它的时间导数回落时，电感的减小可不是瞬间的，而仅在某一延迟之后出现，例如在超导体必须重获它的超导电性的实施例中。
综览：
图1示出断路器，其包括开关组装件1和与之串联布置的感应电流上升限制器2。电流I流过开关组装件1和电流上升限制器2。断路器布置在高压DC网络中，其示意地由DC电压源3和负载4表示。但是必须注意，网络可以比在断路器的两个侧上具有至少三个电压源和/或负载的复杂得多，并且电流I可在网络中的负载和源的分布动态改变时改变方向。
开关组装件1的目的是例如在接地故障（如由5指示的）的情况下切断电流I。在图1的实施例中，开关组装件1使用无源共振机构用于开关电流，并且它包括带弧隙7的至少一个机械开关6。开关6例如可以是吹式（blast）断路器，特别是压气式（puffer）断路器。弧隙7布置在共振电路中，该共振电路包括电容器8和电感9（电感9可由分立式感应器或由线缆和开关的引线的自感形成）。另外，放电器（变阻器）10与开关6并联而布置。
如上文提到的，电流上升限制器2具有随电流I（特别地随电流I的绝对值）或随时间导数dI/dt（特别地随时间导数dI/dt的绝对值）而上升的电感。
图1的断路器的操作示意地在图2中图示，其示出在故障情况下电弧中的电流以及电流I的时间行为。假设电流上升限制器具有随电流I而增加的电感。
在图2中，接地故障在时间t0处出现并且（理想地）开关6同时断开，由此在弧隙7中形成电弧。
如可以看到的，电流I开始快速上升。然而，这导致电流上升限制器2的电感增加，这进而越来越多地限制电流I的上升率。在图2的示例中，这近似在时间t1处变得明显。
而且，并且如可以在图2中看到的，振荡开始在共振电路7、8、9中建立并且导致弧隙7中的电流波动。这些振荡的建立是由于弧隙7的负dU/dI特性。在时间t2处，振荡达到这样的幅度：其中它们足以补偿电流I并且因此在下支路中（即电弧中）产生电流零交叉，在该时间处熄灭电弧并且下支路中的电流I1被截断。另一个可能性是使用反向电流注入以便在下支路中主动形成电流零。电流I将继续流过上支路并且可以在时间t3处被开关10b中断。因此，由这些概念中的一个产生的电流零交叉允许使用传统的AC断路器技术，例如开关6或机械开关6或断路器6或压气式断路器6或甚至自吹式断路器6。
由于由电流上升限制器2引致的上升限制，在电流达到它可能未被这些振荡或注入电流补偿的水平之前，仍然有更多的时间来形成电流零。
电流上升限制器：
在下面，论述电流上升限制器2的一些有利实施例。
在图3的实施例中，电流上升限制器2包括两个环形铁芯11。
第一线圈12环绕每个芯11来缠绕，其中两个线圈12串联布置并且携带电流I，即第一线圈12与开关组装件1串联。
另外，第二线圈13环绕两个芯11来缠绕。由电流源14产生辅助DC电流Iaux并且其通过第二线圈13而馈送。
选择各种线圈的绕组方向（winding sense）使得线圈12中的一个对于大的正电流I增加它的电感而另一个对于大的负电流I增加它的电感。这更详细地对于图3的左手边的芯11来论述。
第二线圈13中的辅助电流Iaux产生磁场Haux，这驱使铁芯11进入饱和（在饱和通量密度Bsat以上）。铁芯11的磁导率以及从而电流上升限制器2的电感是低的。第一线圈12中的电流I在至少一个芯11中在与Haux相反的方向上产生额外的磁场H1，从而促使芯11中的总磁通量密度B减少。
在没有电流I的情况下，芯11被通量B1所饱和，即B1在Bsat之上。当电流I开始在线圈12中流动时，它部分补偿芯11、辅助电流Iaux的磁场Haux中的至少一个。当铁芯11中所得的磁通量密度B1仍然高于饱和通量密度Bsat时，第一线圈12所经历的电感是低的。然而，当电流I在故障情形期间增加时，H1也增加并且开始使所得的总磁通量密度B1降到Bsat以下并且从而芯11变成不饱和。不饱和芯11的磁导率在增加，并且因此电流上升限制器2的电感也在增加。
图3的电流上升限制器是具有两个芯11的饱和铁芯型故障限制器。但是必须注意，如果可以假设电流I仅在一个方向上流动，可以使用具有单个芯并且适当地对第一和第二线圈12、13取向的限制器。
电流上升限制器2的另一个实施例在图4中示出。这是已知用于AC应用并且例如在EP 2 091 054中描述的装置。它包括铁磁芯11，其具有环绕它缠绕的线圈12。线圈12与开关阵列1串联。在图4的实施例中，芯11例如选择为环形。它具有与由通过线圈12的电流I产生的通量非并行布置的磁极化。当电流I是低的时，极化仍然恒定并且电感仍然是低的。当电流I上升时，由电流产生的磁场开始影响极化，并且电感增加。我们对于这样的装置的操作原理参考EP 2 091 054，其通过引用而全部包含于此。
电流上升限制器2的再另一个实施例是如在图5中示出的屏蔽铁芯限制器。它包括铁芯11，其具有环绕它缠绕、携带电流I的线圈12。线圈12再次与开关阵列1串联。由超导材料的线圈组成的超导屏蔽17布置在线圈12与芯11之间，由此在电流I为低时将线圈12与芯11的磁屏蔽。只要电流I一高到足以在屏蔽17中感应具有足够的幅度的电流，屏蔽17就失去它的超导性质，线圈12的场渗入芯11，并且芯11的有效磁导率使线圈12的电感增加。不再超导的线圈17的电阻率像一次线圈12中的电阻一样起作用。
电流上升限制器2的另外的实施例在图6中示出。它可包括与IS限制器21并联的电感20（和电阻）。IS限制器（其已知仅用于AC应用）是包括电流传感器以及极其快动的开关（其可以传导高额定电流但具有低的开关容量）与熔断器（其具有与开关并联安装的高阻断容量）的组合。当电流传感器检测到电流上升时，小的电荷用作存储能量机构来中断开关（主导体）。当主导体已经断开时，电流流过并联的熔断器，其中它典型地被限制在小于一毫秒内并且然后被关闭。然后，电流流过并联电感20，其具有高于闭合的IS限制器21中的一个的阻抗值。
如果单个IS限制器不能携带电感20上的全电压，若干IS限制器可以串联布置。
IS限制器的电流传感器可以设计成如果电流I超出给定阈值则被触发。备选地，或除此之外，如果时间导数dI/dt超出给定阈值或两个阈值的组合则它可以被触发。
注意：
必须注意图1仅示出开关组装件1的一个可能的实施例。也可以使用其他类型的开关组装件。
在上文描述电流上升限制器2的一些可能的实施例。但是必须注意，如果它的电感随着I或dI/dt而增加，则可以使用任何其他类型的电流上升限制器。特别地，具有随AC电流而增加的电感的任何感应AC故障电流限制器在本发明中可以用作DC电流上升限制器。
参考数字
1 开关组装件 2 电流上升限制器
3 电压源 4 负载
5 故障 6 开关
7 弧隙 8 电容器
9 电感 10 放电器（变阻器）
10b 开关 11 铁芯
12，13 第一和第二线圈 14 电流源
17 超导屏蔽    

Claims (15)

1.一种用于限制高压DC网络中的电流上升的方法，包括在所述网络中布置感应电流上升限制器（2）的步骤，其中所述电流上升限制器（2）具有随通过所述电流上升限制器（2）的电流I和/或随所述电流I的时间导数dI/dt而增加的电感。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述电流上升限制器（2）具有随所述电流I而增加的电感。
3.如权利要求2所述的方法，其中，所述电流上升限制器（2）包括铁芯（11），其具有环绕它缠绕的第一和第二线圈（12，13），其中所述电流I流过所述第一线圈（12）并且其中辅助电流（Iaux）流过所述第二线圈（13），其中所述电流I在所述芯（11）中产生与由所述辅助电流（Iaux）产生的磁场相反的磁场。
4.如权利要求2所述的方法，其中，所述电流限制器包括铁磁芯（11），其具有与由所述电流I产生的通量非并行对齐的极化。
5.如前述权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，所述电流上升限制器（2）具有随所述电流I的时间导数dI/dt而增加的电感。
6.如前述权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，所述电流上升限制器（2）包括环绕芯（11）缠绕的线圈（12），其中超导屏蔽（17）布置在所述线圈（12）与所述芯（11）之间。
7.一种高压DC断路器，特别用于实现前述权利要求1-6中任一项所述的方法，所述断路器包括
开关组装件，用于中断高压DC电流，和
感应电流上升限制器（2），其与所述开关组装件串联布置，
其中所述电流上升限制器（2）具有随通过所述电流上升限制器（2）的电流I和/或随所述电流I的时间导数dI/dt而增加的电感。
8.如权利要求7所述的高压DC断路器，其中，所述电流上升限制器（2）具有随所述电流I而增加的电感。
9.如权利要求8所述的高压DC断路器，其中，所述电流上升限制器（2）包括
铁芯（11），其具有环绕它缠绕的第一和第二线圈（12，13），其中所述第一线圈（12）与所述开关组装件串联并且，
DC电流源（14），其产生通过所述第二线圈（14）的辅助DC电流（Iaux），其中由所述芯（11）中的所述电流I引起的磁场与由所述辅助电流产生的磁场相反。
10.如权利要求8所述的高压DC断路器，其中，所述电流限制器包括铁磁芯（11），其具有与由所述电流I产生的通量非并行对齐的极化。
11.如前述权利要求7至10中任一项所述的高压DC断路器，其中，所述电流上升限制器（2）具有随所述电流I的时间导数dI/dt而增加的电感。
12.如权利要求7至11中任一项所述的高压DC断路器，其中，所述电流上升限制器（2）包括环绕芯（11）缠绕的线圈（12），其中超导屏蔽（17）布置在所述线圈（12）与所述芯（11）之间。
13.如权利要求7至12中任一项所述的高压DC断路器，其中，所述开关组装件包括具有弧隙（7）的机械开关（6），其中所述弧隙（7）布置在包括电容器（8）和电感（9）的共振电路（7，8，9）中。
14.一种如权利要求7至13中任一项所述的高压DC断路器的使用，其用于阻断高压DC电流。
15.一种高压DC网络，包括如权利要求7至13中任一项所述的高压DC断路器，其用于阻断高压DC电流。
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