CN103650086A - 开关装置 - Google Patents

Abstract

本发明给出一种用于开关高压电网中的双极DC电流的开关装置，其具有至少两个机电式开关单元和一个半导体开关设备。其被如此布置，使得DC电流可以在机电式开关单元的第一开关状态下经过至少一个机电式开关单元被传输，而不用在此流经半导体开关设备，并且使得DC电流可以在机电式开关单元的第二开关状态下经过半导体开关设备被传输和被断开。

Description

开关装置

技术领域

本发明涉及一种用于开关高压电网中的双极DC电流的开关装置。

背景技术

借助公知的基于交流电的过零点的开关原理，可以不中断高压电网中的DC电流。公知的关于用于开关高压电网中的双极DC电流的开关的方案基于组件和子系统的应用，如其被用于高压直流变电站那样。这样的方案有如下缺点，即在正常运行状态下，电流流经可断开的半导体元件，从而产生不可忽略的损耗功率。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，给出一种用于开关高压电网中的双极DC电流的开关装置，其避免了上述的缺点。

所述技术问题通过具有权利要求1特征的开关装置而解决。从属权利要求涉及到本发明的具有优势的改进方案。

根据本发明的用于开关高压电网中的双极DC电流的开关装置包括至少两个机电式开关单元和至少一个半导体开关设备。上述元件被如此布置，使得在开关装置的第一开关状态下，DC电流可以经过至少一个机电式开关单元被传输，而不用在此流经半导体开关设备。在装置的第二开关状态下与之相反，所述电流可以经过半导体开关设备被传输。

根据本发明的结构具有优势地带来更加简单、模块化的结构并与此相关地降低了制造成本。然而尤其具有优势的是，在导通的状态下电流不是伴随着巨大的损耗流经半导体开关，而是流经机电式开关单元。

半导体开关设备可以如此被实施，即它可以在两个方向或仅一个方向上传输电流。为了维持简单的半导体开关设备的结构和从而维持低的成本，仍然具有优势的是，将半导体开关设备实施为仅用于一个方向上的电流。另外，半导体开关设备又可以由多个半导体元件组成，其能够承受DC高压的分压。每个这样的半导体元件又可以按照本身已知的方案、例如作为MMC电路已知的方案而构造。

机电式开关单元按照目的是一个开关或多个开关的组合，如其被用作开关交流电流。尤其对此可以使用这样的机电式开关，其中断特性或绝缘特性基于真空开关原理或利用淬火气体和绝缘气体的开关原理。

在一种优选的构造中，开关装置包括另外的机电式开关单元。所述另外的机电式开关单元被接通作为半导体开关设备的一个接线点到DC导线的另一极之间的连接。据此可以具有优势地是，当额定电流完全流经机电式开关单元时，也在半导体开关设备上施加电压以便维持其运行准备。

在本发明的另外一种构造和改进方案中，开关装置具有四个处于全桥结构或H-电桥结构中的机电式开关单元。在此有目的地将半导体开关设备接通作为两个电桥臂的中心之间的连接。据此可以具有优势地是，将半导体开关设备在断开过程之后完全切换至无电压。

优选半导体开关设备包括用于吸收开关能量的装置。据此可以减少在断开过程中待转化的开关能量。

对于断开过程，例如当DC导线上存在短路时，断开至少一个机电式开关单元。在此有目的地断开机电式开关单元中包含的开关，并且由其生成的电弧电压导致，将电流换向到接通的半导体开关设备上。据此导致被断开的机电式开关单元的电流过零点和从而导致了该机电式开关单元的电流的中断。

如果机电式开关单元被布置在桥电路中，如此可以为断开电流，在每个电桥臂分别使用一个开关单元，其中在第一电桥臂中的机电式开关单元在电流方向上布置在半导体开关设备之前，而另外的电桥臂中的机电式开关单元在电流方向上布置在半导体开关设备之后。

在电流换向到半导体开关设备之后，该半导体开关设备被控制断开。然后可以在本发明的一个改进方案中将余下的机电式开关单元断开，以便获得完全的分离。

附图说明

现结合附图的图形进一步解释优选的、然而不在任何情况下受限的本发明的实施例。在此，特征仅示意性示出。其中：

图1表示带有由功率开关组成的全桥电路的第一开关装置，

图2表示在电流路径中断情况下的第一开关装置，

图3表示电流断开之后的第一开关装置，

图4表示电流断开时的方法步骤，

图5表示额定工作状态下的第二开关装置，

图6表示电流断开下的第二开关装置，

图7表示第二开关装置断开时的方法步骤，

图8表示带有两个功率开关的第三开关装置。

具体实施方式

图1示出对于本发明的第一实施例。在图1所示的第一开关装置10具有由第一到第四功率开关11...14组成的全桥装置。在此，桥电路以常见的方式具有两个并联的支路，在其之中分别串联有功率开关11...14中的两个。通过半导体开关设备15，将第一和第二功率开关11、12的中点与第三和第四功率开关13、14的中点相连。设置吸收能量的元件16与半导体开关设备15并联。

本实施例的半导体开关设备15是模块化多级整流器（MMC）的本身已知的模块的串联电路。吸收能量的元件16是多个高压放电器。

图1除了示出第一开关装置的基本结构之外还同时示出其处于第一开关状态，其对应于在电流导通下的正常运作。对此，所有四个功率开关11...14都是闭合的。在该第一开关状态下，电流可以畅通无阻地流经电桥装置的两个支路。功率开关11...14具有非常微小的电阻。通过布线使得半导体开关设备15基本上是没有电压的。

以下结合图2至4描述，如何发生断开过程。在此，图4示出第一至第四方法步骤41至44。在第一方法步骤41中，接通半导体开关设备15。即，它转变为导通的状态，但仍然基本上不传输电流，因为其上没有施加电压。在第二方法步骤42中，现断开第二功率开关12和第三功率开关13。在所述功率开关12、13的开关路径上有足够大的电压降的情况下，强制性地将电流换向到半导体开关设备15中，并且熄灭在功率开关12、13中的电弧。自该时间点起，功率开关12、13隔离。

在第三方法步骤43中，断开半导体开关设备15，并且在能量吸收元件16中耗散在DC电路中储存的能量。在可选的第四方法步骤44中，断开另外两个功率开关11、14并从而将半导体开关设备15从DC电网中完全分离。为了再次通电，将功率开关11...14接通，同时保持半导体开关设备15不激活。

图2示出第二方法步骤42之后的第一开关装置10的状态，图3示出第四方法步骤44之后的第一开关装置10的状态。

结合图5至7来介绍以第二开关装置50的形式的第二实施例。图5示出正常运作状态（也即是说在电流导通状态）下的第二开关装置50。第二开关装置50类似于第一开关装置10具有由功率开关11...14组成的全桥。此外，第二开关装置50具有半导体开关设备15，其中所述半导体开关设备15同样如在第一开关装置10中那样被连接。

与第一开关装置10不同地，第二开关装置50具有另外的功率开关51。所述另外的功率开关51在此连接半导体开关设备15的接线点到无法由第二开关装置50断开的极，在此情况下为负极。

在电流导通的正常运作状态下，调节开关状态，如图5所示。在此，如在第一开关装置10的情况下一样闭合第一和第二功率开关11、12。然而与第一开关装置10相反，在电流导通的情况下断开第三和第四功率开关13、14。但是另外的功率开关51是闭合的。由此在两个功率开关13、14上降落全部电网电压，其通过两个功率开关13、14被隔离。因此前两个功率开关11、12传输电流，并且半导体开关设备15承受全部电压。因此电源电压具有优势地持续地可供控制半导体开关设备15使用。同样如同在第一开关装置10的情况下一样，经过半导体开关设备15除了满足自身能量需要必要的电流之外基本上没有电流流过，因为其处于无电压状态。从而损耗也是微小的。

例如在识别出短路的情况下，现开始断开过程。图7对此示出第一至第七断开步骤71到77。

在第一断开步骤71中断开另外的功率开关51，以便将半导体开关设备15从负极分离。有目的地，在此将半导体开关设备15转化到断开状态，从而其可以承受整个电网电压并且经过半导体开关设备15的电流变为零。然后可以进行另外的功率开关51的无电流和无电压的断开。

在另外开关过程的描述中，假设待断开的负载电流或短路电流由第一功率开关11的一侧流向第二功率开关12一侧。对于颠倒的电流流动方向必须相应地颠倒开关过程，也即是说对此必须操作互补的功率开关。

一旦另外的功率开关51实现了这样的状态，使得其可以隔离全部电压，则在第二断开步骤72中如此控制半导体开关设备15，使得其变为导通并且随之其端电压变为零。随之由另外的功率开关51承载全部电网电压。紧接着在第三断开步骤73中闭合第四功率开关14。在第四功率开关14被闭合之后，在第四断开步骤74中断开第二功率开关12。据此第二功率开关12上生成电弧电压，由此其上的电流被换向到半导体开关设备15和第四功率开关14上。在第二功率开关12上的电弧熄灭，并且结果第二功率开关12被隔离。由此达到图6示出的开关状态。

在以下的第五断开步骤75中，类似于第一开关装置10现将半导体开关设备15控制地断开，并使得在DC电路中储存的能量在能量吸收元件16中被减少。在这里控制地断开意味着，半导体开关设备15建立详细定义的电压，并且随之将待断开的电流以预先定义的方式降低。在本实例中由于串联电路而可以按照细微的级别进行断开。此外实现了可控的断开。也即是说，控制装置既检查待断开的电流，又检查DC电网在断开时的反作用并且对其进行响应。

然后可选地在第六断开步骤76中断开所有余下的功率开关11、14，并且随之使整个开关装置50处于非运行状态。

替代地也可以，在第七断开步骤77中仅仅将第四功率开关14无电流地断开，但是保持第一功率开关11闭合。通过另外的功率开关51的闭合再次给半导体开关设备15施加电压，并且随之所述设备在第七断开步骤77中再次置于再次通电待命状态。为了通电，仅仅还闭合第二功率开关12，同时保持半导体开关设备15非激活。

所描述的原理在两个电流方向都有效。另外所述原理还可以相应地的应用于

-（HVDC）导线的负极上。

结合图8描述以第三开关装置80形式的第三实施例。在此所述第三开关装置80相对于前两个开关装置10、50被简化地构造。在这里设定先决条件，即待断开的额定电流和待断开的短路电流始终仅仅能够以一个方向流动，在此情况下为图8箭头所示的方向。在此第三开关装置80源于第二开关装置50，其方式为删去第一和第三功率开关11、13。在此通过直接的电连接替代第一功率开关11，同时彻底移除经由第三功率开关13的电连接。

图8在此示出处于导通的正常运行状态的第三开关装置80。这里在导通的正常运行状态也有电流流经功率开关，在此情况下为闭合的第二功率开关12。第四功率开关14是断开的。另外的功率开关51在导通的正常运行状态是闭合的。断开过程以同样的方式如同在第二开关装置50的情况下进行，其中，在此情况下只是不能进行半导体开关设备15的完全的隔离，并且不会被执行。为了在第三开关装置80中进行断开而执行第一至第五断开步骤71...75和第七断开步骤77。

在第三开关装置80可能的替代构造中保留功率开关11，其在第六断开步骤76中实现半导体开关设备15的完全的隔离。

Claims (12)

1.一种用于开关高压电网中的双极DC电流的开关装置（10，50，80），带有

-至少两个机电式开关单元（11...14），

-半导体开关设备（15），

这样被布置，使得DC电流能够在机电式开关单元（11...14）的第一开关状态下经过至少一个机电式开关单元（11...14）被传输，而不用在此流经半导体开关设备（15），并且使得DC电流能够在机电式开关单元（11...14）的第二开关状态下为了断开而经过半导体开关设备（15）被传输。

2.根据权利要求1所述的开关装置（10，50，80），带有另外的机电式开关单元（51），其被接通作为半导体开关设备（15）的一个接线点到DC导线（53）的另一极之间的连接。

3.根据权利要求1或2所述的开关装置（10，50），带有四个处于全桥结构中的机电式开关单元（11...14）。

4.根据权利要求3中所述的开关装置（10，50），其中，所述半导体开关设备（15）被接通作为两个电桥臂的中点之间的连接。

5.根据上述权利要求中任一项所述的开关装置（10，50，80），其中，所述半导体开关设备（15）包括用于吸收断开过程中的开关能量的装置（16）。

6.根据上述权利要求中任一项所述的开关装置（10，50，80），其中，所述半导体开关设备（15）具有多个半导体元件，其被如此构造，使得其分别承受施加在所述开关装置（10，50，80）上的高压的一个分压。

7.根据上述权利要求中任一项所述的开关装置（10，50，80），其中，所述机电式开关单元（11...14，51）分别包括用于通断交流电的多个开关的组合。

8.根据上述权利要求中任一项所述的开关装置（10，50，80），其被如此构造，使得为了断开电流，断开至少一个机电式开关单元（11...14），由此将电流换向到所述半导体开关设备（15）上。

9.根据权利要求8所述的开关装置（10，50，80），在将电流换向到所述半导体开关设备（15）上后，断开所述半导体开关设备。

10.根据权利要求8或9所述的开关装置（10，50，80），其中，在所述电流被断开之后，将余下的机电式开关单元（11...14）断开。

11.根据上述权利要求中任一项所述的开关装置（10，50，80），其中，所述用于吸收断开过程中的开关能量的装置（16）包括一个或多个高压放电器。

12.根据上述权利要求中任一项所述的开关装置（10，50，80），其中，所述半导体开关设备（15）包括由半导体元件组成的串联电路，尤其是由模块化多级整流器组成。

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