CN104040666B - 直流断路器和包括这样的直流断路器的电力系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于高压直流应用的直流断路器（10）。该直流断路器（10）包括：采用反并联连接设置的两个高压电子管（11），和控制电路（15），用于从控制系统（13）接收包括控制信息的红外脉冲，该控制电路（15）进一步包括用于将红外脉冲转换成电控制信号、用于控制直流断路器（10）的开关状态的设备。本发明还涉及电力系统，其包括这样的直流断路器。

Description

直流断路器和包括这样的直流断路器的电力系统

技术领域

本发明一般而言涉及直流传输和分配系统中的保护的领域，并且特别地涉及这样的传输和分配系统中的直流断路器。

背景技术

高压直流（HVDC）传输系统包括对交流传输系统的感兴趣替代，并且正在开发中。在开发HVDC系统并且特别在设计HVDC电网时的困难是提供能够断开高压直流的断路器。机械开关经受长的响应时间，即，它们简直太慢而不能满足各种要求。此外，电弧放电可能是这样的机械开关的另一个困难并且必须纳入考虑。此外，清除故障的时间可能是非常长的，其可解释为尺寸过大的部件使得它们能够持续延长的持续时间地承受故障电流和/或故障电压。然而，电力系统中的部件的尺寸过大转化成增加的成本并且通常还转化成更大的占地要求。

基于半导体的开关是快速的并且可以用于HVDC应用。然而，对于高的电压和电流将需要大量的半导体器件，这将再次给出昂贵的技术方案并且典型地将需要大的占地。

多年来已经论述基于真空技术的电子管的使用作为替代，并且近来，能够耐受高的电压和电流的冷阴极电子管引起关注。电子管在高压直流应用中的使用需要各种考虑。

发明内容

本发明的目标是提供能够断开高电流并且适于在现有的电力系统中使用的直流断路器。

根据本发明的第一方面，该目标由用于高压直流应用的直流断路器实现。该直流断路器包括：采用反并联（anti-parallel）连接设置的两个高压电子管；和控制电路，用于从控制系统接收包括控制信息的红外脉冲，该控制电路进一步包括用于将红外脉冲转换成电控制信号、用于控制直流断路器的开关状态的设备。

除转换器的AC侧上现有的ac断路器，本发明通过在它的DC侧上引入DC极断路器而提供改进的转换器保护。

在实施例中，直流断路器包括两个或更多采用串联连接的反并联连接而设置的两个高压电子管。至少两对高压电子管的使用因为它在任一个失效的情况下提供冗余而是有利的。

在实施例中，控制电路包括输入装置，用于从外部电源接收电力。

在上文的实施例的变化中，输入装置设置成将AC电力转换成控制电路（15）所需要的DC电力或将DC电力转换成控制电路所需要的AC电力。

在实施例中，高压电子管包括冷阴极电子管。

在实施例中，高压直流应用包括电力系统的电压源转换器或基于晶闸管的线路换向转换器（linecommutatedconverter）的故障电流的中断。

根据本发明的第二方面，目标由电力系统实现，该电力系统包括电压源转换器或线路换向转换器和DC传输线。电力系统进一步包括如上文限定的至少一个直流断路器，其中该直流断路器在一端连接到电压源转换器或线路换向转换器并且在另一端连接到传输线。

在实施例中，电力系统进一步包括电源，用于对直流断路器供应实现红外信号到电控制信号的转换的电力。

本发明的另外的特征和优势在阅读下列描述和附图时将变得清楚。

附图说明

图1示意地图示其中可实现本发明的实施例的环境；

图2图示根据本发明的实施例的基于电子（真空）管的断路器。

具体实施方式

在下列描述中，为了解释而非限制的目的，阐述例如特定架构、接口、技术等具体细节以便提供对本发明的全面理解。在其他实例中，省略众所周知的装置、电路和方法的详细描述以便不用不必要的细节来掩盖本发明的说明。贯穿整个描述，类似的数字指代类似的元件。

图1图示其中可实现本发明的实施例的环境。特别地，图1图示电力系统1，其包括转换器站4，用于将AC电力（交变电流/电压）在通过HVDC传输线2、3传输之前转换成DC电力（直流电流/电压）。DC电力然后在HVDC传输线2、3的另一端（未图示）转换回到AC电力用于供应给最终用户。

在图1中，图示双极HVDC传输技术。双极HVDC传输系统可以视为两个单极传输系统，每个这样的单极传输系统具有相应的传输线2、3，一个是正2并且另一个是负3。该双极HVDC传输系统从而包括两个传输线2、3，一个是正（+DC极）并且一个是负（-DC极），这些极可以独立使用并且从而提供极中的一个可以在另一个退出服务的情况下继续传输电力的优势。

转换器站4包括电压源转换器（VSC）5或基于晶闸管的线路换向转换器（LCC），用于完成从AC到DC电力的转换，并且反之亦然。在下面，转换器5由VSC例示，但本发明不限于这样的转换器并且相反如指出的那样可以是线路换向转换器。电压源转换器5在其AC侧经由相电抗器（phasereactor）8连接到ac总线6。该相电抗器8设置成通过调节通过它们的电流来控制有功和无功功率，并且还起到ac滤波器的作用，该ac滤波器减少由电压源转换器5的开关操作引起的ac电流上的高频谐波含量。相电抗器8提供例如低通滤波以便提供期望的基频电压。转换器站4还包括ac滤波器9，其功能是消除输出ac电压的谐波含量。

转换器站4进一步包括AC电路断路器7，每相一个。该AC电路断路器7用于在HVDC系统出故障时（即，在检测到故障时）使HVDC系统与AC系统隔离。现今，系统保护仅凭借在ac侧上提供的AC电路断路器7来完成。本发明通过还在DC侧上引入DC极断路器10用于保护转换器站4并且特别地电压源转换器5而在该方面提供改进。

在实施例中，DC极断路器10包括采用反并联连接设置的单个高压电子管对11。凭借该设置，实现双向故障电流断开。电子管的反并联连接在VSCHVDC系统中是有利的，其中电流方向可以改变以便控制电气系统中的功率流。

电子管的反并联连接由电子管的内部构造或外部机械连接实现。在后者的情况下，一个电子管的阳极和阴极分别凭借导体条而链接到另一个电子管的阴极和阳极。电子管对11的每个电子管包括它自己的辅助控制电路15。该控制电路15端接至阴极。

在其他实施例中，存在串联连接的若干高压电子管对11，例如2、3、4、…或n个串联连接的电子管对11。使用至少两对高压电子管11用于在任一个失效的情况下提供冗余，这是有利的。

每个DC极提供有这样的DC极断路器10。DC极断路器10连接在传输线2、3上以便在检测到故障时实现电流的断开并且由此保护电压源转换器5。

控制电路15如上文提到的那样对电子管对11的每个电子管提供。提供控制电路15用于控制DC极断路器10的开关状态。控制电路15经由通过光纤链路12a的光信号而与中央DC控制系统13通信并且将光命令信号转换成到DC极断路器10的电命令。

控制电路15可包括智能电子装置（IED），其从中央DC控制系统13接收数据。控制电路15设置成如果中央DC控制系统13在DC系统中检测到电压和/或电流异常则发出例如用于使电路断路器（例如DC断路器10）跳闸的跳闸命令等控制命令。控制电路15还可向DC断路器10发出控制命令用于系统的正常开关。

IED在包括硬件和固件的平台上执行特定应用功能。硬件平台典型地包括模拟处理部件，例如变换器模块或A/D转换，并且提供呈现给主中央处理单元/数字信号处理器（CPU/DSP）的输入用于处理。该主CPU/DSP是在运行时环境中执行应用功能的地方。来自电力系统1的装置的二进制状态数据经由二进制输入模块而传递到CPU/DSP用于处理和逻辑计算。处理（例如断开和闭合电路断路器的处理）的命令经由二进制输出模块而执行。具有模拟或布尔类型的所有输入/输出模块经由通信底板而与主CPU/DSP通信。另外，IED可以支持本地机器界面屏幕、通信端口和时间同步端口。

为了与各种装置（例如中央DC控制系统13）通信，提供一些通信设备。在下面，这样的通信设备由光纤链路12a、12b、12c例示。

图2图示DC极断路器10、中央DC控制系统13和连接在它们之间的光纤链路12a。特别地，光纤链路12a在一端连接到控制系统13并且在另一端连接到DC极断路器10的相应电子管的每个控制电路15。包括控制信息的红外（IR）脉冲通过光纤链路12a来发送。控制电路15设置成将由控制系统13通过光纤链路12a发送的IR脉冲变换成电控制信号用于控制电子管对11。为此，控制电路15除其他事物外还包括光接收器，例如包括光检测器，其设置成接收IR脉冲并且将它们转换成电控制信号。

IR脉冲需要转换成kV量级的电控制信号，其比用于控制电力系统1的其他装置（例如ac断路器7）的电控制信号高得多。因此在该方面需要适配。特别地，现今，低电压（例如，几百伏）的电控制信号用于控制ac断路器7或机械类型的DC断路器。

来自中央DC控制系统13的电控制信号（例如，几伏）转换成光信号，并且经由光纤链路12a传输到高（极）电势。光信号然后转换回到电控制信号。该电控制信号被放大到能够控制电子管对（例如，几百伏）的水平。该放大在控制电路15中进行。

电力需要供应给控制电路15用于完成电控制信号的放大。

在实施例中，高频电压变换器14包括外部电源，其构成需要的电力供应。该高频电压变换器14设置成提供用于断开和/或闭合DC极断路器10的电控制信号所需要的电力，如在图2中示意地图示的。

在另一个实施例中，使用另一个外部电源（示意地在标号16处图示）。例如，可以使用电池。在又一个实施例中，需要的电力取自传输线2、3。

控制电路15包括输入装置17，用于从外部电源接收电力。该输入装置17设置成将来自14的AC电力供应转换成控制电路15所需要的DC电压。输入装置17进一步设置成将DC电力转换成AC电力。

需要控制DC极断路器10的所有电子管对11，并且控制电路15包括用于实现此的设备。取决于DC电流方向，一个电子管是活性的并且另一反并联连接的电子管作为绝缘体而是非活性的。如果DC系统改变它的电流方向，该非活性的电子管处于待命状态用于反向电流断开。在该情况下，该电子管变成活性的并且之前活性的那个自动使它的状态变为非活性元件。特别地，每个电子管对11包括用于接收电控制信号（例如，使DC极断路器10跳闸）的输入设备。控制电路15从而提供有用于对电子管对11供应电控制信号的连接设备。

电子管对11中的每个从而被控制，并且电控制信号凭借从控制电路15到电子管对11的电线而供应给它们。

Claims (9)

1.一种用于高压直流应用的直流断路器（10），所述直流断路器（10）包括：

－采用反并联连接设置的两个高压电子管（11），每个高压电子管提供有阳极和阴极，和

－控制电路（15），用于从控制系统（13）接收包括控制信息的红外脉冲，所述控制电路（15）进一步包括用于将所述红外脉冲转换成电控制信号、用于控制所述直流断路器（10）的开关状态的设备。

2.如权利要求1所述的直流断路器（10），其中取决于流经所述直流断路器（10）的直流电流方向，一个高压电子管配置为活性的以便导通，并且另一个反并联连接的电子管配置为非活性的而作为绝缘体。

3.如权利要求1所述的直流断路器（10），其包括两个或更多采用串联连接的反并联连接而设置的两个高压电子管（11）。

4.如权利要求1所述的直流断路器（10），其中所述控制电路（15）包括输入装置（17），用于从外部电源（16，14）接收电力。

5.如权利要求4所述的直流断路器（10），其中所述输入装置（17）设置成将交流电力转换成所述控制电路（15）所需要的直流电力或将直流电力转换成所述控制电路（15）所需要的交流电力。

6.如权利要求1-5中任一项所述的直流断路器（10），其中所述高压电子管（11）包括冷阴极电子管。

7.如权利要求1-5中任一项所述的直流断路器（10），其中所述高压直流应用包括电力系统（1）的电压源转换器（5）或基于晶闸管的线路换向转换器的故障电流的中断。

8.一种电力系统（1），其包括电压源转换器（5）和直流传输线（2，3），所述电力系统（1）进一步包括前面的权利要求中任一项所述的至少一个直流断路器（10），所述直流断路器（10）的一端连接到所述电压源转换器（5）并且所述直流断路器（10）的另一端连接到所述传输线（2，3）。

9.如权利要求8所述的电力系统（1），其进一步包括电源（16，14），用于对所述直流断路器（10）供应实现红外信号到电控制信号的转换的电力。