CN103650091A - 电力切换装置 - Google Patents

Abstract

一种包括并联连接在一对端子（7）之间的真空断路器组件（8）和切换组件（9）的电力切换装置（6），每个该端子（7）在使用中可连接到电气电路。该真空断路器组件（8）包括：安装在导电杆中的第一导电杆（26）的第二末端处或附近的第一电极（30）以及包括安装在该导电杆中的第二导电杆（28）的第二末端处或附近的支撑基座（36）的开槽线圈（38）。第二电极（32）安装在该开槽线圈（38）的内表面上，并且第三电极（34）安装在该支撑基座（36）上。该切换组件（9）包括至少一个交叉场等离子放电开关，其中，该交叉场等离子放电开关在它的打开状态中不承载任何电流并且在它的关闭状态中传导并且承载电流。该切换组件（9）可控制地在打开状态与关闭状态之间切换，以改变流经该真空断续器组件（8）的电流。

Description

电力切换装置

技术领域

本发明涉及电力切换装置。

背景技术

多端子高压直流（HVDC）传输和分配网络的操作涉及负载和故障/短路电流切换操作。可用于执行该切换的切换组件允许HVDC应用的弹性规划和设计，如具有抽头线路或闭环电路的并行HVDC线路。

用于负载和故障/短路电流切换的已知技术方案是使用一般用于点对点高功率HVDC传输中的基于半导体的开关。基于半导体的开关的使用导致更快速的切换和更小的允通故障电流值。然而，使用该开关的缺点包括高正向损耗、对瞬变敏感以及当设备处于它们的断开状态时缺乏实际的隔离。

用于负载和故障/短路电流切换的另一个已知的技术方案是真空断路器。真空断路器的操作依赖于导电触头的机械分离来打开相关的电气电路。该真空断路器能够允许具有高的短路电流断路能力的高幅度的连续AC电流。

然而，由于不存在电流零点，常规的真空断路器在中断DC电流中展示出差的性能。虽然使用常规真空断路器来中断高达数百安培的低DC电流是可行的，但是由于在低电流处的电弧的不稳定性，该方法不仅是不可靠的而且还与一般在HVDC中出现的电流水平不兼容。

可以通过应用强制电流零点或人工地创建电流零点来使用常规真空断路器执行DC电流中断。该DC电流中断方法涉及将辅助电路与常规真空断路器并联连接，该辅助电路包括电容器、电容器与电感器的组合或者其他振荡电路。在真空断路器的正常操作期间，该辅助电路保持被火花间隙隔离。

当真空断路器的触头开始分离时，接通火花点火间隙以引起经过真空断路器的具有足够幅度的振荡电流，并且因此强制经过断路器的电流通过电流零点。这允许真空断路器成功地中断DC电流。然而，由于需要集成辅助电路的附加组件，所以该配置变得复杂、高成本并且耗费空间。

发明内容

根据本发明的一个方案，提供了一种包括在一对端子之间并联的真空断路器组件和切换组件的电力切换装置，每个该端子在使用中可连接到电气电路，其中：该真空断路器组件包括至少一个真空断路器，该真空断路器具有在第一末端处连接到该端子中的一个相应的端子并且在第二末端处延伸到真空密封外壳中的第一导电杆和第二导电杆、安装在该导电杆中的第一导电杆的第二末端处或附近的第一电极、以及包括安装在该导电杆中的第二导电杆的第二末端处或附近的支撑基座的开槽线圈、安装在该开槽线圈的内表面上的第二电极以及安装在该支撑基座上的第三电极，该导电杆的该第二末端延伸到该真空密封外壳中，因而该第一电极和第二电极限定正对的接触表面，并且该导电杆中的至少一个导电杆可相对于另一个导电杆移动以打开或关闭该正对的接触表面之间的间隙；并且该切换组件包括至少一个交叉场等离子放电开关，其中，该交叉场等离子放电开关在它的打开状态中不承载任何电流并且在它的关闭状态中传导并且承载电流，在该电力切换装置的使用中，该切换组件可控制地在打开状态与关闭状态之间切换，以改变流经该真空断续器组件的电流。

已发现该电力切换装置中的该真空断路器与切换组件的并联连接以改善使用真空断路器组件来执行的电流中断。

真空断路器组件中的第一电极和开槽线圈的以上配置允许自感应轴向磁场的生成，其中，该自感应轴向磁场与电流中断过程期间在第一电极和第二电极之间汲取的电弧电流垂直。在出现轴向磁场的情况中，电弧电压开始升高，同时电弧电流开始快速下降直到电弧电流达到比电极材料的截断电流值更低的值为止。在该时刻，电流立即下降到零，这导致完全的介质恢复和成功的电流中断。自感应轴向磁场的生成消除了对于将附加设备合并到真空断路器组件中以便生成所需要的轴向磁场的需求，并且因此降低真空断路器组件的布设的复杂度。

该切换组件通过在电流中断过程期间允许改变流经真空断路器组件的电流的大小，提供对电流中断过程的附加控制。可以例如改变电流的大小以将高电流强度对电极的任意不利影响最小化，因而提高真空断路器组件的寿命。

交叉场等离子开关具有快速切换能力，并且可以在它的打开状态中支持高的压降。这因而使得交叉场等离子开关可兼容用于切换组件中，以辅助高压应用中的电流中断。

该电力切换装置中的该真空断路器与该切换组件的并联连接还导致电力切换装置的简单的布设，这因而降低该装置的制造和安装成本。

该开槽线圈的形状以及每个电极的材料可以根据真空断路器的设计要求改变。该开槽线圈可以例如仅包括优选地围绕该线圈的整个周长延伸的单个槽或者包括多个槽，同时可以例如由从可以包括铬-铬、铜-钨、铜钨碳化物、钨、铬或钼的组中选择的耐火材料来制造每个电极。

在本发明的实施方式中，该切换组件可以可控制地响应于该或每个真空断路器的该正对的接触表面之间的间隙的形成，而从打开状态切换到关闭状态。

在正常操作期间，电流仅流经真空断路器，同时切换组件保持处于打开状态并且因此不传导电流。在形成了在正对的接触表面之间的间隙之后，切换组件切换到关闭状态，以通过切换组件分流部分电流。这不仅限制了经过该或每个真空断路器的电弧电压，而且还降低了在该正对的接触表面处的电流强度，因而将在当该间隙的长度仍然非常小并且电流流经电极材料的熔球时的阶段期间对该正对的接触表面之间的损坏最小化。

该电力切换装置优选地还包括控制电路，该控制电路可控制地响应于该或每个真空断路器的该正对的接触表面之间的该间隙的该形成来生成控制信号，并且向该切换组件发射该控制信号，该切换组件可控制地响应于从该控制电路接收的该控制信号，在关闭状态与打开状态之间切换。

该控制电路的使用使得切换组件能够快速并且自动地响应该或每个真空断路器的该正对的接触表面之间的该间隙的该形成。

该切换组件优选地可控制地在该或每个真空断路器的该正对的接触表面之间的该间隙的该形成之后，在该间隙的预先确定的长度处从打开状态切换到关闭状态。

在该正对的接触表面之间的该间隙达到足够大的长度之后，电流开始在该第一电极和第二电极之间横向地流动。在该阶段，切换组件被切换回到打开状态，因而所有电流流经真空断路器。这因而允许在该开槽线圈中生成轴向磁场，以作用在所有流经该或每个真空断路器的电流上。

该切换组件可以可控制地在该或每个真空断路器中的电流的消失之前，在预先确定的电流水平处从打开状态切换到关闭状态，并且可以可控制地在在该或每个真空断路器中的电流的消失之后从关闭状态切换到打开状态。

在出现轴向磁场的情况中，电弧电压开始升高，同时电弧电流开始快速下降直到电弧电流达到比电极材料的截断电流值更低的值为止。在该电流消失之前的时刻将该切换组件切换到关闭状态就通过切换组件分流任意剩余电流的流动。然后将切换组件切换到打开状态以完成电流中断过程。

电力切换装置的该操作不仅允许每个电极由这样一种材料制作，其中，该材料有益于在打开条件期间经受真空断路器中的要求的高介电质，而且电力切换装置的该操作还具有较低的截止电流值，其中，该较低的截止电流值降低了在电流中断过程期间生成的任意过电压。

真空断路器组件中的真空断路器的数量和配置可以根据电力切换装置的设计要求改变。真空断路器组件可以例如包括多个串联连接的和/或并联连接的真空断路器。

可以连接多个真空断路器以限定真空断路器组件的不同的配置，以便改变它的操作电压和电流特征以匹配相关的电力应用的要求。

如同真空断路器组件一样，可以连接多个交叉场等离子放电开关以限定切换组件的不同的配置，以便改变它的操作电压和电流特征以匹配相关的电力应用的要求。

在该切换组件包括多个并联连接的交叉场等离子放电开关的实施方式中，该切换组件可以可控制地按次序打开或关闭该多个并联连接的交叉场等离子放电开关

按次序打开并且关闭该多个并联连接的交叉场等离子放电开关允许至少在较长的持续时间期间在至少一个交叉场等离子放电开关中维持放电，并且因此增加切换组件中的电流传导的总持续时间。这因而使得切换组件可兼容用于这样一种电流中断过程，其中，在该电流中断过程中用于最初分离该正对的接触表面所花费的时间和用于扩散电弧所花费的时间比单个交叉场等离子放电开关中所允许的电流传导的持续时间更长。

与根据本发明的电力切换装置兼容的应用的实例包括例如AC电力网络、AC高压电路断路器、AC发电机电路断路器、铁路牵引、轮船、超导磁存储设备、高能量聚变反应器试验、静止电力应用和高压直流（HVDC）多端子网络。

附图说明

现在将参考附图，以非限制性的实例的方式描述本发明的优选实施方式，其中：

图1显示了根据本发明的实施方式的电力切换装置；以及

图2显示了用于形成图1的电力切换装置的局部的真空断路器组件。

具体实施方式

图1显示了根据本发明的一个实施方式的电力切换装置6。

电力切换装置6包括一对端子7、真空断路器组件8、切换组件9和控制电路（未显示）。

真空断路器组件8在端子7之间与切换组件9并联连接。

在使用中，该端子分别连接到DC电气电路的正极端子和负极端子。

真空断路器组件8包括单个真空断路器10。

真空断路器10包括一对圆柱形壳体12、第一末端法兰14和第二末端法兰16以及被组装为限定真空密封外壳的环状结构18。将末端法兰14、16中的每一个铜焊到各自的圆柱形壳体12的第一末端以形成密封的接头。在两个圆柱形壳体12的第二末端经由环状结构18将它们接合在一起。环状结构18包括中央护罩20，该中央护罩20与圆柱形壳体12的内壁重叠以保护圆柱形壳体12的内幕免受从电弧放电引起的金属蒸汽沉积，而末端法兰14、16中的每一个包括末端护罩22，以沿真空断路器10的长度改善静电场线的分布。

每个圆柱形壳体12在两个末端都被金属化并且镀镍。各个圆柱形壳体12的长度和直径根据真空断路器10的额度操作电压而改变，而第一末端法兰14和第二末端法兰16以及环状结构18的尺寸和形状可以改变以对应圆柱形壳体12的尺寸和形状。

真空断路器10还包括管状风箱24以及第一导电杆26和第二导电杆28。

第一末端法兰14包括尺寸适用于容纳管状风箱24的中空钻孔，而第二末端法兰16包括尺寸适用于将第二杆28容纳在第二末端法兰16的中空钻孔中。管状风箱24还包括用于第一杆26的保持的中空钻孔。

第一杆26和第二杆28分别保持在管状风箱24和第二末端法兰16的中空钻孔中，因而杆26、28的第二末端位于该外壳内部并且杆26、28的第一末端位于该外壳外部。可以例如由高导电性无氧（OFHC）铜焊接成第一杆26和第二杆28。

真空断路器10还包括第一电极30、第二电极32和第三电极34以及多开槽线圈38。该多开槽线圈38包括多个槽（未显示）。

设想在其他实施方式中可以有仅包括单个槽的开槽线圈替换多开槽线圈。该单个槽优选地将完全围绕整个周长例如线圈的圆周延伸。

第一电极30包括第一电极部分30a和第二电极部分30b。第一电极部分30a的形式为安装在第一杆26的第二末端处的圆形电极部分。第二电极部分30b的形式为围绕第一杆26的圆周安装并且与第一电极部分30a相邻的环形电极部分。

第二电极32安装在多开槽线圈38的内表面上。

多开槽线圈38包括支撑底座36。支撑底座36安装在第二杆28的第二末端处。

第三电极34安装在支撑底座36的中央处。杆26、28轴向地对齐，因而第一电极30和第三电极34限定正对的接触表面。第三电极34包括用于第一电极部分30a的接收的凹进处40，并且凹进处40的形状与圆形的第一电极部分30a对应，以将第一电极30与第三电极34之间的接触最大化。

由从可以包括铬-铬、铜-钨、铜钨碳化物、钨、铬或钼的组中选择的耐火材料制造电极30、32、34中的每一个。这些耐火材料不仅展现极好的导电性而且在电流中断之后显示高的介质强度。此外，这些耐火材料具有相对高的截止电流值，这助于在电流下降到该截止电流值之下之后快速地熄灭电弧。

管状风箱24的波形壁允许管状风箱24经历扩张或收缩，以增加或减少管状风箱24的长度。这允许第一杆26在第一位置和第二位置之间相对于第二杆28移动，其中，在该第一位置中第一电极30和第三电极34保持接触，并且在该第二位置中第一电极部分30a的仅仅一部分仍然位于多开槽线圈38中。第二杆28保持处于固定位置上。

在使用中，第一杆26和第二杆28的第一末端分别连接到电力切换装置6的端子7，因而第一杆26的第一末端连接到DC电气电路的正极端子，而第二杆28的第一末端连接到DC电气电路的负极端子44。

切换组件9包括交叉场等离子放电开关。

该交叉场等离子放电开关包括阳极46、阴极38、交叉场磁体50以及两个栅极52。栅极52位于阳极46与阴极48之间，栅极52分别与阳极46和阴极48相邻。控制交叉场磁体50维持在阳极46与阴极48之间到阴极的冷阴极放电。

当与阳极46相邻的栅极52维持处于较低阳极电压以防止电子传递通过时，切换组件9处于打开状态并且因此不传导电流。当栅极52的电势增加以匹配阳极46的电势来允许电流传递通过时，切换组件9处于关闭状态并且因此传导电流。

在US5336975中描述了交叉场等离子放电开关和它们的操作的实例。

交叉场等离子开关具有快速切换能力，并且可以在它的打开状态中支持高的压降。这因而使得交叉场等离子开关可兼容用于切换组件，以辅助高压应用中的电流中断。

在所连接的DC电气电路的正常操作期间，控制管状风箱24将第一杆26移动到第一位置，以使第一电极30和第三电极34接触。同时，交叉场等离子放电开关保持处于打开状态。这允许电流经由真空断路器10的导电杆26、28，在所连接的DC电气电路的正极端子42和负极端子44之间流动，同时没有电流流经切换组件9。第一电极30与第三电极34之间导致的低的接触电阻意味着没有电流流经多开槽线圈38。

在流动在所连接的DC电气电路中的高故障电流导致故障的情况中，必须将该电流中断，以防止该高故障电流损坏DC电气电路的组件。故障电流的中断允许故障的隔离和后续维修，以将DC电气电路恢复到正常操作条件。

通过控制管状风箱24朝向第一杆26的第二位置移动第一杆26来开始电流中断过程，以分离第一电极30和第三电极34的正对的接触表面。正对的接触表面的分离导致第一电极30和第三电极34之间的间隙的形成，这导致该间隙中的电弧的形成。电弧包括金属蒸汽等离子，该金属蒸汽等离子在第一电极30和第三电极34之间继续传导电流。

控制电路检查正对的接触表面之间的间隙的形成，并且生成后续被发射给切换组件9的控制信号。在该控制信号的接收之后，控制切换组件9从打开状态切换到关闭状态。切换组件9然后开始传导电流，这具有通过切换组件9分流该电流的一部分的效果。

流经切换组件9的电流分流不仅限制经过真空断路器10的电弧电压，而且还降低在该正对的接触表面处的电流强度，因而将在当该间隙的长度仍然非常小并且电流流经电极材料的熔球时的阶段期间对该正对的接触表面的损坏最小化。这助于最小化在电流中断期间对电极30、34的损害并且因此延长真空断路器10的寿命。

随着正对的接触表面之间的间隙增加并且电流幅度增加，多个开槽线圈38开始经由第二电极32汲取电流。多个开槽线圈38的形状导致汲取电流在该多个开槽线圈38中在优选方向中流动，这导致第一电极30与第二电极32之间的间隙中的轴向磁场的生成。所生成的轴向磁场的方向与在第一电极30与第二电极32之间汲取的电流的方向垂直。

当该间隙增加到该多个开槽线圈38开始汲取电流的点时，控制切换组件9从关闭状态切换到打开状态。然后该切换组件9停止传导电流，这具有导致全部电流流经真空断路器10的效果。这允许在多个开槽线圈38中生成的轴向磁场作用在流经电力切换装置6的所有电流上。

在出现轴向磁场的情况中，强制金属蒸汽等离子远离第一电极30与第二电极32和第三电极34之间的间隙。接下来，电弧电压开始升高，同时汲取电流的幅度开始快速下降。当汲取电流的幅度达到电弧电流达到比电极材料的截断电流值更低的值时，电弧能量变得不足以维持该电流，这导致电弧开始变得非常不稳定并且电流立即下降到零。这允许发生完全的电介质恢复和成功的电流中断。

由用于将第一杆26从第一位置机械地移动到第二位置所需要的时间（其一般是几毫秒）来限制电流中断的持续时间。在第一杆26到达第二位置之后，电流一般将在10到20μs内下降到零。

第一杆26和多个开槽线圈38的配置因此允许第一电极30与第三电极34的分离，以导致自感应轴向磁场的生成以辅助熄灭在第一电极30与第二电极32和第三电极34之间形成的电弧。这消除了对于将附加设备合并到真空断路器组件中以便生成所需要的轴向磁场的需求，并且因此降低真空断路器组件的布设的复杂度。

真空断路器组件的相较更简单的布设具有降低组件所需要的空间数量和相关安装成本的效果，而真空断路器组件中的组件数量的降低提高了电流中断过程的可靠性。

可选择地，在真空电路器10中的电流消失之前，可以控制切换组件在预先确定的电流水平处从打开状态切换到关闭状态。在该电流消失之前的时刻将切换组件9切换到关闭状态将通过切换组件9分流了任意剩余电流的流动。这允许跨过真空断路器打开触头的电流变成零。在此之后，控制切换组件9切换回到打开状态以完成电流中断过程。

电力切换装置6的该操作不仅允许电极30、32、34中的每一个由这样一种材料制作，其中，该材料有益于在打开条件期间经受在真空断路器中的要求的高介电质，而且还发现该操作降低了在电流中断过程期间生成的任意过电压。

已发现电力切换装置6中的切换组件8、9和真空断路器的并联连接改善了使用真空断路器10执行的电流中断。

该切换组件9通过在电流中断过程期间允许改变流经真空断路器组件10的电流的大小，提供对电流中断过程的附加控制。

电力切换装置6中的切换组件8、9和真空断路器的并联连接还导致电力切换装置6的简单的布设，这因而降低该装置6的制造和安装成本。

设想在其他实施方式中真空断路器组件可以包括多个串联连接和/或并联连接的真空断路器。

可以连接多个真空断路器以限定真空断路器组件的不同配置，以便改变它的操作电压和电流特征来匹配相关的电力应用的功率要求。例如将多个真空断路器串联连接就增加了真空断路器组件的电介质强度，并且因此允许真空断路器组件在更高的操作电压上的使用，而将多个真空断路器并联连接就允许真空断路器中断更高的电流水平。

设想在其他实施方式中真空断路器可以包括多个串联连接和/或并联连接的交叉场等离子放电开关。

如同真空断路器组件一样，可以连接多个交叉场等离子放电开关以限定切换组件的不同的配置，以便改变它的操作电压和电流特征以匹配相关的电力应用的功率要求。

可以例如将多个真空断路器和多个交叉场等离子放电开关串联连接和并联连接，以中断在HVDC多端子网络的大于等于400kV的操作电压上的大于等于100kA的短路电流和大于等于400kV的连续电流。

取决于杆26、28的打开速度和扩散电弧所花费的时间，交叉场等离子放电开关的最大导电持续时间一般为1到3ms。

在切换组件中的并联连接的交叉场等离子放电开关允许按次序地断开/打开多个并联交叉场等离子放电开关。这因而允许至少在较长的持续时间期间在至少一个交叉场等离子放电开关中维持放电，并且因此增加切换组件中的电流传导的总持续时间。这因而使得切换组件可兼容用于这样一种电流中断过程，其中，在该电流中断过程中用于最初分离该正对的接触表面所花费的时间和用于扩散电弧所花费的时间比单个交叉场等离子放电开关中的电流传导的持续时间更长。

图1的电力切换装置兼容用于但不限于例如AC电力网络、AC高压电路断路器、AC发电机电路断路器、铁路牵引、轮船、超导磁存储设备、高能量聚变反应器试验、静止电力应用和高压直流（HVDC）多端子网络的应用。

Claims (8)

1.一种包括并联连接在一对端子（7）之间的真空断路器组件（8）和切换组件（9）的电力切换装置（6），每个所述端子（7）在使用中可连接到电气电路，其中：

所述真空断路器组件（8）包括至少一个真空断路器，所述真空断路器具有：在第一末端处连接到所述端子（7）中的一个相应的端子并且在第二末端处延伸到真空密封外壳中的一对导电杆（26、28）、安装在所述导电杆中的第一导电杆（26）的第二末端处或附近的第一电极（30）、以及包括安装在所述导电杆中的第二导电杆（28）的第二末端处或附近的支撑基座（36）的开槽线圈（38）、安装在所述开槽线圈（38）的内表面上的第二电极（32）以及安装在所述支撑基座（36）上的第三电极（34），所述导电杆（26、28）的所述第二末端延伸到所述真空密封外壳中，以便所述第一电极（30）和第三电极（32）限定正对的接触表面，并且所述导电杆（26、28）中的至少一个导电杆可相对于另一个导电杆移动以打开或关闭所述正对的接触表面之间的间隙；并且

所述切换组件（9）包括至少一个交叉场等离子放电开关，其中，所述交叉场等离子放电开关在它的打开状态中不承载任何电流并且在它的关闭状态中传导并且承载电流，所述切换组件（9）可控制地在打开状态与关闭状态之间切换，以在所述电力切换装置的使用中改变流经所述真空断续器组件（8）的电流。

2.根据权利要求1所述的电力切换装置（6），其中，所述切换组件（9）可控制地响应于所述或每个真空断路器（10）的所述正对的接触表面之间的间隙的形成，从打开状态切换到关闭状态。

3.根据权利要求2所述的电力切换装置（6），还包括控制电路，所述控制电路可控制地响应于所述或每个真空断路器（10）的所述正对的接触表面之间的所述间隙的所述形成来生成控制信号，并且向所述切换组件（9）发射所述控制信号，所述切换组件（9）可控制地响应于从所述控制电路接收的所述控制信号，从关闭状态切换到打开状态。

4.根据权利要求2或3所述的电力切换装置（6），其中，所述切换组件（9）可控制地在所述或每个真空断路器（10）的所述正对的接触表面之间的所述间隙的所述形成之后，在所述间隙的预先确定的长度处从关闭状态切换到打开状态。

5.根据权利要求4所述的电力切换装置（6），其中，所述切换组件（9）可控制地在所述或每个真空断路器（10）中的电流的消失之前，在预先确定的电流水平处从打开状态切换到关闭状态，并且可控制地在在所述或每个真空断路器（10）中的电流的消失之后从关闭状态切换到打开状态。

6.根据任意一个前述权利要求所述的电力切换装置（6），其中，所述真空断路器组件（8）包括多个串联连接的和/或并联连接的真空断路器（10）。

7.根据任意一个前述权利要求所述的电力切换装置（6），其中，所述切换组件（9）包括多个串联连接的和/或并联连接的交叉场等离子放电开关。

8.根据权利要求7所述的电力切换装置（6），其中，所述切换组件（9）包括多个并联连接的交叉场等离子放电开关，所述切换组件（9）可控制地按次序断开所述多个并联连接的交叉场等离子放电开关。

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