CN104137211A - 具有缓冲电路的高压直流混合电路断路器 - Google Patents

具有缓冲电路的高压直流混合电路断路器 Download PDF

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Abstract

提供了一种高压直流(HVDC)混合电路断路器(200)。该电路断路器包括：固态主断路器(210)；串联连接的机械快速切断开关(220)和固态辅助断路器(230)，串联连接的切断开关和辅助断路器并联连接到主断路器；包括电容器的缓冲电路(250)；以及被配置为响应于辅助断路器被断开而切断缓冲电容的开关装置(270)。通过切断缓冲电容，该电容器经过切断开关和主断路器的不受控放电，以及所导致的在断路动作时流经切断开关的非零电流，可以被避免。进一步，提供了一种高压直流混合电路断路器的方法。

Description

具有缓冲电路的高压直流混合电路断路器
技术领域
本发明一般涉及高压直流(HVDC)混合电路断路器，并且更具体地涉及在这种电路断路器中的缓冲电路(snubber circuit)。
背景技术
高压直流混合电路断路器，如在WO2011/057675中公开的，通常基于并联连接到固态辅助断路器和机械切断开关的串联连接的固态主断路器的组合。混合电路断路器的工作原理是，主断路器、辅助断路器和切断开关在正常工作期间被闭合。如果接收到跳闸信号，则混合电路断路器通过首先断开辅助断路器来试图切断流经混合断路器的电流，从而使流经辅助断路器和切断开关的电流换向到主断路器。随后，切断开关被断开用于切断辅助断路器，并且最后主断路器被断开，导致从主断路器到并联连接到主断路器的电涌放电器的电流换向。
通常，混合电路断路器都带有缓冲电路，以抑制响应于当所述切断开关被断开时电流的突然中断所引起的电压瞬变。缓冲电路通常包括并联连接到辅助断路器的电容器。
当通过断开辅助断路器而启动混合电路断路器的断路操作时，缓冲电容器被充电，但电流一从辅助断路器换向到主断路器，电容器就通过切断开关和主断路器放电。这一放电过程，以及所导致的经过切断开关的非零电流，阻碍了切断开关的切断操作。
发明内容
本发明的目的是提供一种相对上述技术和现有技术更有效的备选方案。
更具体地说，本发明的目的是提供一种改进的高压直流混合电路断路器。
本发明的这些和其它目的通过具有在独立权利要求1中限定的特征的直流(DC)电路断路器，以及在独立权利要求7限定的DC电路断路器的方法的手段来实现。本发明的实施例具有从属权利要求的特征。
根据本发明的第一方面，提供一种DC电路断路器。电路断路器包括主断路器、切断开关、辅助断路器以及缓冲电路。切断开关和辅助断路器串联连接。切断开关和辅助断路器的串联连接被并联连接到主断路器。缓冲器电路包括电容器。电容器并联连接到辅助断路器。电路断路器还包括开关装置。开关装置被配置用于切断缓冲电容器。缓冲电容器响应于辅助断路器被断开而切断。
根据本发明的第二方面，提供了一种DC电路断路器的方法。电路断路器包括主断路器、切断开关、辅助断路器以及缓冲电路。切断开关和辅助断路器串联连接。切断开关和辅助断路器的串联连接被并联连接到主断路器。缓冲电路包括电容器。电容器并联连接到辅助断路器。该方法包括切断缓冲电容器。缓冲电容器响应于辅助断路器被断开而切断。
本发明利用了高压直流混合电路断路器的断路操作期间缓冲电容的不受控放电可以通过提供具有开关装置的电路断路器来避免的认识，其中开关装置被配置用于响应于辅助断路器被断开而切断电容器。换句话说，当辅助断路器被断开时开关装置被断开。例如，被布置用于控制混合电路断路器的控制单元，还可以被布置用于控制开关装置，以便与辅助断路器在同一时间或在不久之后断开开关装置。作为备选，开关装置可以被布置用于检测辅助断路器的状态或状态的改变。后者可能，例如，通过接收来自混合电路断路器的控制单元的信号来实现，该信号指示出辅助断路器的状态或状态改变。作为进一步的备选，开关装置还可以被提供用于通过监测缓冲电容器的上电压和/或经过缓冲电容器的电流来检测辅助断路器的状态变化的装置。在这种情况下，所测量的量的突然变化可指示辅助断路器被断开。
因为与现有技术的混合电路断路器相关的问题，本发明的实施例是有利的，其中由于放电电流从电容器流经切断开关和主断路器引起的问题得以缓解。更具体地，非零电流流经现有技术混合电路断路器的切断开关阻碍了断路器的切断操作。在另一方面的本发明的实施例中，电容器的不受控放电被阻止，从而允许切断开关断开电流。
根据本发明的实施例，开关装置与缓冲电容器串联连接。
根据本发明的实施例，开关装置包括功率半导体开关元件。
根据本发明的实施例，开关装置和/或功率半导体开关元件包括一个或多个绝缘栅双极晶体管(IGBT)和双模式绝缘栅晶体管(BiGT)。
根据本发明的实施例，主断路器包括多个功率半导体开关元件。开关元件串联连接。
根据本发明的实施例，切断开关包括机械开关。
根据本发明的实施例，辅助断路器包括功率半导体开关元件。此外，辅助断路器可包括多个串联和/或并联连接的功率半导体开关元件。
尽管本发明的优点已经在某些情况中参照根据本发明的第一方面的混合电路断路器的实施例进行了描述，但相应的推理也适用于根据本发明的第二方面的方法的实施例。
本发明的进一步的目的、特征和优点，在研究下面详细的公开内容、附图和所附权利要求时，将变得显而易见。那些本领域技术人员认识到，除了那些在下面描述的，本发明的不同特征可以被组合以创建实施例。
附图说明
参照附图，上述以及其它本发明的目的、特征和优点，通过本发明实施例的以下说明性且非限制性详细描述将被更好地理解，其中：
图1是现有技术的高压直流混合电路断路器的示意图。
图2是根据本发明的实施例的高压直流混合电路断路器的示意图。
图3示出根据本发明另一实施例的高压直流混合电路断路器。
所有附图都是示意性的，不是必须成比例的，并且一般只显示为了阐明本发明的必要的部分，其中，其他部分可以省略或者仅仅是建议。
具体实施方式
参考图1，描述现有技术的高压直流混合电路断路器。
混合电路断路器100包括主断路器110、快速切断开关即高速开关120、辅助断路器130、电涌放电器140和缓冲电容器150。切断开关120和辅助断路器130串联连接，并且切断开关120和辅助断路器130的串联连接被并联连接到主断路器110。电涌放电器140并联连接到主断路器110以及切断开关120和辅助断路器130的串联连接。缓冲电容器150并联连接到辅助断路器130。
混合电路断路器100可以在端子101和102被连接到外部电路，例如高压直流传输线。例如，混合电路断路器100可被用于将高压直流传输线连接到开关站(switchyard)的母线，用于从发生故障时的母线切断传输线目的，或用于维护目的。
在下文中，描述混合电路断路器100的工作原理。在正常工作期间，主断路器110、切断开关120和辅助断路器130被闭合。如果由混合电路断路器100接收到跳闸信号，则通过首先断开辅助断路器130，电路断路器100试图断开流经它、即从端子101到102(或者反过来)的电流，从而使流经辅助断路器130和隔离开关120的电流换向到主断路器110。随后，切断开关120被断开以切断辅助断路器130，以及最后主断路器110被断开，导致从主断路器110到电涌放电器140的电流换向。
混合电路断路器100配备有缓冲电容器150，用于当辅助断路器130被断开时，抑制在辅助断路器130上响应于电流的突然中断而引起的电压瞬变的目的。即使混合电路断路器100已经被描述为包括缓冲电容器150，但可以理解的是更先进的缓冲电路120可以被利用。
在现有技术的混合电路断路器、诸如参照图1描述的混合电路断路器100中引起的问题，是当辅助断路器130被断开时，充电的缓冲电容器150经过切断开关120和主断路器110放电，如图1中箭头160所示。作为非零电流流经切断开关120的结果，切断开关120的断开动作受到阻碍。
在下文中，参照图2说明本发明的实施例。
混合电路断路器200类似于参照图1说明的电路断路器100，其中它包括主断路器210、快速切断开关即高速开关220、辅助断路器230、电涌放电器240和缓冲电容器250。切断开关220和辅助断路器230串联连接，并且切断开关220和辅助断路器230的串联连接被并联连接到主断路器210。电涌放电器240并联连接到主断路器210以及切断开关220和辅助断路器230的串联连接。缓冲电容器250被并联连接到辅助断路器230。
混合电路断路器200可以在端子201和202被连接到外部电路，例如高压直流传输线。例如，混合电路断路器200可被用于将高压直流传输线连接到开关站的母线，用于从发生故障时的母线切断传输线目的，或用于维护目的。
主断路器210、切断开关220和辅助断路器230可基于不同类型的断路器技术。例如，主断路器210和辅助断路器230可以基于固态开关、即功率半导体设备，诸如晶体管或晶闸管，如以下进一步说明。为了实现更高的额定电压，主断路器210和辅助断路器230可以包括多个串联连接的固态开关。此外，为了提高电流额定值，主断路器210和辅助断路器230可基于并联连接的功率半导体开关元件。切断开关220可以例如基于机械开关。
混合电路断路器200进一步配置有开关装置270，其被布置用于阻止缓冲电容器250通过切断开关220和主断路器210的不受控放电，如上文参照图1所述。为此目的，与电容器250串联连接的开关装置270，连同辅助断路器230一起被断开，从而切断电容器250。结果，电容器250的放电被阻止，从而消除了切断开关220的切断动作期间流经切断开关220的非零电流。以这种方式，与现有技术的混合电路断路器、诸如电路断路器100相关联的问题，得以缓解，并且切断开关220可以切断电流并切断辅助断路器230。
开关装置270可以例如基于与主断路器210和辅助断路器230相同或类似类型的固态开关。开关装置270可以例如包括绝缘栅双极晶体管(IGBT)或双模式绝缘栅晶体管(BiGT)。
在图3中，图示根据本发明的混合电路断路器的另一个实施例。
混合电路断路器300包括主断路器310、快速切断开关即高速开关320、辅助断路器330、电涌放电器340、缓冲电路350和开关装置370。切断开关320和辅助断路器330串联连接，且切断开关320和辅助断路器330的串联连接被并联连接到主断路器310。电涌放电器340并联连接到主断路器310以及切断开关320和辅助断路器330的串联连接。缓冲电路350被并联连接到辅助断路器330。开关装置370与缓冲电路350串联连接，且被布置用于阻止缓冲电容器350的不受控放电，如前文所述。
类似于电路断路器100和200，混合电路断路器300可在端子301和302被连接到外部电路，例如高压直流传输线。
进一步参考图3，主断路器310是基于功率半导体开关元件380的串联连接。功率半导体开关元件380可以例如基于绝缘栅双极晶体管(IGBT)381和反并联连接到晶体管381的二极管382。辅助断路器330可基于相同或相似类型的功率半导体开关元件380。另外，辅助断路器330可以包括多个串联和/或并联连接的开关元件。还应当理解的是，主断路器310和辅助断路器330可以包括并联连接的功率半导体开关元件，从而增加了在各个断路器的额定电流。
缓冲电路350包括并联连接的电容器351和电阻器352。
开关装置370包括例如功率半导体开关元件380或类似物的、与电阻器372串联连接的开关元件371。开关元件371和电阻器372的串联连接被并联连到接二极管373。
开关装置370和/或开关元件371可以例如包括IGBT或BiGT。
主断路器310、切断开关320、辅助断路器330和开关装置370特别是功率半导体开关元件371，由控制单元(图3中未示出)来控制。控制单元可以布置在混合电路断路器300或在外部单元，如高压直流开关站的控制单元。
本领域的技术人员意识到，本发明绝不限于上述的实施例。与此相反，许多修改和变化在所附权利要求的范围之内都是可能的。
总之，提供了一种高压直流混合电路断路器。该电路断路器包括：固态主断路器；串联连接的机械快速切断开关和固态辅助断路器；切断开关和辅助断路器的串联，连接被并联连接到主断路器；包括电容器的缓冲电路；以及开关装置，所述开关装置被布置为响应于辅助断路器被断开而切断缓冲电容器。通过切断缓冲电容器，该电容器经过切断开关和主断路器的不受控放电，以及所导致的断路动作时流经切断开关的非零电流，可以被避免。进一步，提供了一种高压直流混合电路断路器的方法。

Claims (9)

1.一种直流DC电路断路器(200；300)，包括：
主断路器(210；310)；
串联连接的切断开关(220；320)和辅助断路器(230；330)；
所述切断开关和所述辅助断路器的所述串联连接，被并联连接到所述主断路器；以及
包括电容器(250；351)的缓冲电路，所述电容器被并联连接到所述辅助断路器，
其中，所述电路断路器还包括开关装置(270；371)，所述开关装置(270；371)被布置用于响应于所述辅助断路器被断开而切断所述缓冲电容器。
2.根据权利要求1所述的DC电路断路器，其中开关装置与所述缓冲电容器串联连接。
3.根据权利要求1所述的DC电路断路器，其中所述开关装置包括功率半导体开关元件(371，380)。
4.根据权利要求3所述的DC电路断路器，其中，所述功率半导体开关元件包括绝缘栅双极晶体管IGBT(381)。
5.根据权利要求3所述的DC电路断路器，其中，所述功率半导体开关元件包括双模式绝缘栅晶体管BiGT。
6.根据权利要求1所述的DC电路断路器，其中所述主断路器包括多个串联连接的功率半导体开关元件(380)。
7.根据权利要求1所述的DC电路断路器，其中，所述切断开关包括机械开关。
8.根据权利要求1所述的DC电路断路器，其中，所述辅助断路器包括功率半导体开关元件(330，380)。
9.一种直流DC电路断路器(200；300)的方法，所述电路断路器包括：
主断路器(210；310)；
串联连接的切断开关(220；320)和辅助断路器(230；330)；
所述切断开关和所述辅助断路器的所述串联连接，被并联连接到所述主断路器；以及
包括电容器(250；351)的缓冲电路，所述电容器被并联连接到所述辅助断路器，
其中，所述方法包括响应于所述辅助断路器被断开而切断所述缓冲电容器。
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