CN104350569A - 旁路开关组件 - Google Patents
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Abstract
一种形式为旁路开关组件的机械开关，布置在两个电导体(汇流排)之间并且在正常操作期间保持打开。当发生单元故障时，故障和旁路信息被传送至致动器(用作触发电路)，所述致动器尤其激活气体生成器而在非常短的时间内产生大量气体。气压推动可移动部件以超快速度将两个电导体进行桥接。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于半导体模块的旁路开关组件。
背景技术
与更为常见的交流系统相比，在高压直流(HVDC)电力传输系统中，使用直流(DC)来进行电力的主干传输。灵活交流输电系统(FACTS)是一种包括用于电能的交流(AC)传输的静态设备的系统。FACTS旨在提升可控性并提高网络的功率输送能力。其通常是基于电力电子技术的系统。
电弧故障通常可以被描述为两个或更多导体之间的高功率放电。这一放电通常转化为热量，所述热量会损坏导线的绝缘并且可能导致电气火灾。这些电弧故障的电流范围从数安培到高达数十万安培并且在强度和持续时间方面高度变化。电弧故障的常见原因包括由于腐蚀导致的故障连接、故障的初始安装以及转换器中的半导体失效。在以上所描述的任意系统中不太可能出现内部故障(故障电弧或电弧故障)的情况下，安装安全和个人安全必须得到保障。
在电机驱动工业中所使用的电力电子转换器系统、HVDC和FACTS的环境中，模块化转换器单元被作为功率转换器系统的构建模块而得以应用。为了系统的可靠运行，模块化转换器系统通常具有多个冗余功率单元。因此，当一个单元在故障期间无法工作时，整个转换器系统应当能够继续运行直至下一次例行维护。为了确保持续的转换器操作而不会崩溃，尤其应当以非常快的速度对两个汇流排进行电连接而对故障单元进行旁路。在无故障条件期间，两个汇流排端子应当被恰当绝缘以避免任何偶发的断路故障。
在用于HVDC电力传输系统和FACTS的半导体模块的当前设计中，失效是通过内部短路模式来处理的。未来的构造可能需要外部(“旁路”)短路模式来处理某些失效情形。
在一些灭弧旁路开关中，使用附加的绝缘层或薄膜以在两个汇流排触点之间提供额外的间隔。该绝缘层通常由陶瓷或通用热塑料所制成。
发明内容
HVDC和FACTS应用中的半导体模块需要具有对短路故障的安全处置。因此，本文实施例的目标是为HVDC或FACTS电力传输系统中的半导体模块提供安全的布置形式。所附实施例的发明人已经通过实际实验与理论推导的结合，发现了一种对这样的故障进行处置的方式，其是将机械旁路开关与半导体模块并联连接以确保对电流进行稳定旁路直至在下一次维护时对已经失效的半导体模块进行更换。这样的旁路开关可能在不同阀设计中大量出现，并且它们因此应当优选地是紧凑、易于处理、快速且廉价的。
因此，特定的目标是提供一种用于半导体模块的旁路开关组件。根据第一方面，提供了一种用于半导体模块的旁路开关组件，包括外壳，该外壳包括第一电导体、第二电导体、和腔室；电绝缘体；置于所述腔室中并且在第一位置和第二位置之间可移动的可移动部件，其中该部件在第一位置中至多与所述第一电导体和所述第二电导体中的一个电接触，并且其中该可移动部件在第二位置中与所述第一电导体和所述第二电导体二者都电接触；该旁路开关组件进一步包括致动器，其被布置为将所述可移动部件从所述第一位置移动至所述第二位置，由此使得所述可移动部件对所述电绝缘体进行旁路；以及气体释放器件，其被布置为在所述可移动部件进行移动时从所述腔室释放气体。
所公开的旁路开关组件的优势在于其允许简单且紧凑的构造。所公开的旁路开关组件的优势进一步在于易于组装。所公开的旁路开关的优势进一步在于其由低成本部件制成。
致动器优选地来自于气体生成器、负载弹簧、电磁弹射器和爆发式胶囊的群组。致动器自身使得能够轻易且简单的开始可移动部件的移动。气体生成器的特别有利之处在于其将产生非常短的作用时间。负载弹簧的特别有利之处在于其允许简单且具有成本效益的解决方案。电磁弹射器的特别有利之处在于其允许致动器的简单监管。爆发式胶囊的特别有利之处在于其允许产生大的力度，由此使得可移动部件能够以特别快的速度进行移动。
根据实施例，该腔室被填充以来自CO2、SF6、N2、H2和空气的群组的气体，该腔室中的气体形成电绝缘体。形成电绝缘体的气体有利地允许简单的电绝缘体。
根据实施例，该电绝缘体是位于第一电导体和第二电导体之间的固态绝缘体。这有利地使得能够在第一电导体和第二电导体之间进行更进一步的绝缘。
根据实施例，该电绝缘体是聚合物膜。这有利地允许第一电导体和第二电导体具有最小间隔同时仍然使得第一电导体和第二电导体能够电隔离，由此允许该旁路开关组件的紧凑构造。
所附实施例的其它目的、特征和优势将由于以下的详细公开、所附从属权利要求以及附图而明显。
通常，除非在这里以其它方式明确定义，否则权利要求中所使用的所有术语都要根据其在技术领域中的常规含义进行解释。除非以其它方式明确指出，否则“一/一个/所述元件、装置、部件、器件、步骤等”的所有指代都被开放地解释为指代该元件、装置、部件、器件、步骤等的至少一个实例。除非明确指出，否则这里所公开的任意方法的步骤都并非必须以所公开的确切顺序来执行。
附图说明
现在将参考附图通过非限制性的示例对本发明的实施例进行描述，其中：
图1-10示意性地图示了旁路开关组件的不同实施例；
图11-14示意性地图示了如图1-10中的任一个所图示的旁路开关组件的致动器的不同实施例；
图15-16示意性地图示了根据一些实施例的用于与旁路开关组件一起使用的薄聚合物膜；
图17-19示意性地图示了其中可以使用如图1-10中的任一个所图示的旁路开关组件的模块化多级转换器；以及
图20-22示意性地图示了用于图17-19的模块化多级转换器的模块化单元。
具体实施方式
现在将在下文中参考其中示出本发明的某些实施例的附图对本发明进行更为全面地描述。然而，本发明可以以许多不同形式来实现并且不应当被理解为局限于这里所给出的实施例；相反，这些实施例是作为示例而提供以使得本公开全面且完整，并且将向本领域技术人员完全传递本发明的范围。同样的附图标记贯穿说明书指代同样的元件。
图1-10图示了用于半导体模块的旁路开关组件1的不同实施例并且总体上可以被表示为短路设备。图17-19示意性地图示了可以在其中使用图1-10中的任一个所图示的旁路开关组件的模块化多级转换器。因此旁路开关组件1优选地可以被用于熄灭故障电弧。通常，旁路开关组件1可以被用于对用于HVDC、FACTS和电气设备的功率转换器中诸如绝缘栅双极晶体管(IGBT)和/或转换器模块的故障半导体进行旁路。当半导体模块在断路条件期间出现故障时，该半导体模块可能被损坏并导致电弧。因此使用旁路开关组件1来熄灭电路。
现在将对图1-10所示的用于半导体模块的旁路开关组件1进行更为详细的描述。
一般而言，旁路开关组件1优选地基于管状铜质导体7、8配合于其中的聚合物管道。更具体地，旁路开关组件1包括可以在其中提供多个部件的外壳3。更具体地，外壳3包括第一电导体7和第二电导体8。外壳3进一步包括腔室4。根据一个优选实施例，腔室4被填充以气体(因此，根据该优选实施例，腔室4也被表示为气体填充腔室)。外壳3进一步包括可移动部件5。一般而言，第一导体7和第二导体8通过可移动部件5可电连接。旁路开关组件1进一步包括用于移动(如附图标记11所示)可移动部件5的致动器6以及用于从腔室4释放气体的气体释放器件2。
腔室4总体上可以由外壳3的(内)壁所限定的空间来定义。外壳3的面朝腔室4的壁优选由聚合物制成。通常，根据实施例，旁路开关组件1的绝缘系统可以专门由腔室4中的气体来定义(如图4、5和6所示)。总体而言，根据一些实施例，该绝缘系统因此可以被称作包括由聚合物的壁所包围的绝缘气体。腔室4中的气体优选为CO2或SF6。可替换地，腔室4中的气体为空气。
根据一些实施例，旁路开关组件1进一步包括固态绝缘体9(如图1、2、3、7、8、9和10中所示)。固态绝缘体9优选地被放置于第一电导体7和第二电导体8之间。根据一个优选实施例(如图1、2、3、9和10所示)，固态绝缘体9具有可移动部件能够通过其进行移动的通孔。根据该实施例，固态绝缘体9优选地是外壳3的一部分。根据另一个优选实施例(如图7和8所示)，固态绝缘体9由薄聚合物膜14所制成(如图15和16所示)。优选地，聚合物膜14具有0.1-2.0mm的厚度，更优选地为0.1-1.0mm。根据图7和8的实施例，第一电导体7和第二电导体8(即，两个汇流排)因此被形式为聚合物膜14的绝缘层而不是仅由自由空气或气体所绝缘。这允许第一电导体7和第二电导体8之间的间隔距离减小，由此允许旁路开关组件1更为紧凑的构造。图15图示了如沿图7的A-A所看到形式为薄聚合物膜14的固态绝缘体9。图16图示了如沿图8的B-B所看到的薄聚合物膜14，因此其已经被可移动部件5(图16中未示出)所穿过，由此在聚合物膜14中形成了空隙16。根据该实施例，绝缘层9包括具有良好绝缘/介电强度的薄聚合物膜14。其应当提供充分的耐电击穿和长期稳定性以防止老化。为了促成聚合物膜14被可移动部件5轻易穿破，可以在聚合物膜14上引入特殊设计的图案15，该图案15能够生成局部的应力不均匀性以引导可移动部件5的穿通。在绝缘层14已经穿破(如图8和16中)之后，聚合物膜14可以被可移动部件5、第一电导体7和第二电导体8之间的电接触所生成的热量所蒸发，使得碎片或残渣无法阻挡所建立的电接触。当旁路开关组件1被用于转换器单元的DC侧(作为DC旁路)时，聚合物膜的蒸发由于DC链路电容器的数十万安培的放电浪涌电流而更为容易。
可移动部件5可以是抛射型部件。例如，当闭合开关时，该抛射型部件可以在电导体7、8之间被射中而形成摩擦焊接20a、20b、20c、20d，它们将形成模块的稳定短路。第一电导体7因此可以进一步包括一个或多个摩擦焊接区20a、20b以便与可移动部件5在第二位置上相接触。进一步地，第二电导体8因此可以进一步包括一个或多个摩擦焊接区20c、20d以便与可移动部件5在第二位置上相接触。因此，摩擦焊接区20a-d的有利之处在于他们可以确保第一电导体7和第二电导体8之间经由可移动部件5的电连接。
进一步地，第二电导体8和/或可移动部件5可以具有圆锥形状(如图9和10所示)。该圆锥形状因此用作机械钳制设备以确保可移动部件5与第二电导体8在第二状态中的连接。根据第一优选实施例(如图1、2、3、4、7、8、9和10所示)，可移动部件5因此是活塞。根据该第一优选实施例，第一电导体7和第二电导体8优选地具有圆筒形状，更为优选地具有圆锥形状。由此可移动部件5在第二位置上被布置为通过至少部分进入该圆筒而与第二电导体8相接合。可移动部件5因此被布置为与第二电导体处于电接触。
根据第二优选实施例(如图5和6所示)，可移动部件5为圆筒。根据该第二优选实施例，第二电导体8优选地具有活塞的形状。由此可移动部件5在第二位置上被布置为通过至少部分包围该活塞而与第二电导体8相接合。可移动部件5因此被布置为与第二电导体处于电接触。
气体释放器件2被提供以在可移动部件5致动时从腔室4释放气体以便确保可移动部件5的快速行进并且避免在腔室4中的聚集气压。气体释放器件2因此优选地与开关的闭合同步。根据优选实施例，气体释放器件2是压力释放阀。该压力释放阀因此优选地被布置为在可移动部件5致动时被打开。
根据一个实施例，旁路开关组件的每一端被连接至阀中的冷却器，由此将其与模块并联连接。
旁路开关组件1可以进一步包括检测器件10。检测器件10被布置为检测电气故障。当检测到电气故障时，检测器件10优选地被布置为触发致动器6从而闭合开关。检测器件10进一步优选地被布置为激活气体释放器件2以从腔室4释放气体。检测器件10优选地被布置为使得气体释放器件2的激活与致动器6的触发同步。检测器件10可以被提供作为控制电路的一部分。
现在将更为详细地对图1-10中所图示的用于半导体模块的旁路开关组件的操作进行描述。
如以上所提到的，旁路开关组件1的主要作用是在半导体设备出现故障时熄灭故障电力电子转换器模块中的故障电弧，由此作为旁路开关组件1中的开关被闭合的结果，HVDC和FACTS电力传输系统中所使用的多个故障电力电子转换器模块被旁路。为了如此，可移动部件5从第一位置(如图1、3、4、5、7、9)移动至第二位置(如图2、6、8、10)从而闭合该开关。总体而言，第二位置因此可以被视为对应于导通状态，而第一位置则可以被视为对应于绝缘状态。在第一位置，可移动部件5至多与第一电导体7和第二电导体8中的一个电接触。在图3中，可移动部件5既不与第一电导体7相接触也不与第二电导体8相接触。在第二位置，可移动部件5与第一电导体7和第二电导体8二者都电接触。为不失一般性，在下文中将假设处于第一位置的可移动部件5并不与第二电导体8相接触。
因此，所公开的形式为旁路开关组件1的机械开关被布置在两个电导体7、8(即，汇流排)之间并且在正常操作期间保持打开。当发生单元故障时，故障和旁路信息将被传送至致动器6(用作触发电路)，后者尤其激活气体生成器而在非常短的时间内产生大量气体。气压尤其推动可移动部件5穿破绝缘层14并且以小于1毫秒的超快速度将两个电导体7、8桥接。对于闭合速度的高度要求是由于转换器单元爆炸的风险。
由多种方式来闭合开关。通常，开关通过可移动部件5从其第一位置移动至其第二位置(如附图标记11所示)而闭合。由多种方式将可移动部件5从其第一位置移动至其第二位置。通常，可移动部件5利用致动器6而从其第一位置可移动至其第二位置。
图11-14示意性地图示了用于如图1-10中任一个所示的旁路开关组件1的致动器6的不同实施例。在图11-14中，可移动部件5已经朝向第二位置进行了移动。
根据第一优选实施例(如图11所示)，致动器6是气体生成器。在激活该气体生成器时，气体12从该气体生成器被释放。可移动部件5因此利用从气体生成器所释放的气体12所产生的压力从其第一位置移动至其第二位置。
根据另一个实施例(如图12所示)，致动器6为负载弹簧。在负载弹簧被释放时，由于负载弹簧被卸除负载，可移动部件从其第一位置移动至其第二位置。
根据另一个实施例(如图13所示)，致动器6是电磁弹射器，诸如汤姆逊线圈。例如，致动器6可以包括可连接至AC电源的感应线圈和金属环。在操作期间，该金属环被置于感应线圈的核心之上。当该感应线圈连接至AC电源时，该环将从感应线圈被释放，因此用作针对可移动部件5的致动器。因此，在汤姆逊线圈激活时，可移动部件5通过该环而从其第一位置移动至其第二位置。
根据另一个实施例(如图14所示)，致动器6是爆发式胶囊。该爆发式胶囊的激活导致该胶囊发生爆发13或至少膨胀，其爆发力因此迫使可移动部件5从其第一位置移动至其第二位置。
图17示出了在电压源转换器(VSC)HVDC输电中使用的模块化多级转换器。VSC HVDC模块化多级转换器使用模块化单元，其中一个在图17中由附图标记18所标示。
模块化单元18可以为各种类型。图20、21和22中提供了三个示例。模块化多级转换器被设计为具有一些冗余单元18，从而如果一些单元18故障或者失灵，旁路开关组件1能够在检测到故障单元1(通过电弧传感器、电压或电流测量结果)之后立刻对故障单元1进行旁路。因此，作为整体的转换器站仍然能够操作而不中断。
图20的单元21(记为单元类型1)是与例如绝缘栅双极晶体管(IGBT)一起使用的单个半导体模块。IGBT被栅极单元22触发。图21的单元23(记为单元类型2)是半桥转换器模块，其包括由栅极单元22触发的两个IGBT。图22的单元24(记为单元类型3)是全桥转换器模块，其中IGBT T1、T2、T3、T4中的每一个由其自己的栅极单元22触发。如本领域技术人员所注意到的，这些仅是单元类型的三种示例并且所公开的旁路开关组件1同样可以与其它类型的单元等效地工作。
具有用于无功功率补偿应用的使用多个转换器单元18的FACTS/静态无功补偿器(SVC)。图18和19中示出了两种类型的转换器电路(所谓的链式转换器)。一种类型的转换器是如图18所示的Y形连接的链式转换器19。另一种类型的转换器是如图19所示的三角形连接的链式转换器20。转换器单元类型3—即全桥转换器模块—在FACTS链式转换器中使用是有利的。当一个单元出现故障时，旁路开关组件1将故障单元旁路以确保作为整体的转换器的持续且可靠的操作。
以上已经参考一些实施例对本发明进行了描述。然而，如本领域技术人员所轻易意识到的，以上所公开的之外的其它实施例在如所附专利权利要求所确定的本发明的范围之内同样是可能的。例如，虽然根据优选实施例的旁路开关组件已经被公开为包括外壳，其包括第一电极、第二电极、腔室和可移动部件，但是该外壳根据一个实施例也可以被具有以空气作为绝缘气体的开放结构所替代。
Claims (17)
1.一种用于半导体模块的旁路开关组件(1)，包括
外壳(3)，所述外壳包括
第一电导体(7)；
第二电导体(8)；以及
腔室(4)；
电绝缘体(9)；
放置于所述腔室中并且在第一位置和第二位置之间可移动的可移动部件(5)，其中所述部件在所述第一位置上最多与所述第一电导体和所述第二电导体中的一个电接触，并且其中所述可移动部件在所述第二位置上与所述第一电导体和所述第二电导体二者都电接触；
所述旁路开关组件进一步包括
致动器(6)，被布置为将所述可移动部件从所述第一位置移动至所述第二位置，由此使得所述可移动部件将所述电绝缘体旁路；以及
气体释放器件(2)，被布置为在所述可移动部件移动时从所述腔室释放气体。
2.根据权利要求1所述的旁路开关组件，其中所述致动器为来自于气体生成器、负载弹簧、电磁弹射器和爆发式胶囊的群组中的一个。
3.根据权利要求1或2所述的旁路开关组件，其中所述气体释放器件是压力释放阀。
4.根据之前任一项权利要求所述的旁路开关组件，其中所述可移动部件是活塞。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的旁路开关组件，其中所述可移动部件是圆筒。
6.根据之前任一项权利要求所述的旁路开关组件，其中所述第一电导体和/或所述第二电导体进一步包括一个或多个用于与所述可移动部件在所述第二位置上相接触的摩擦焊接区(20a、20b、20c、20d)。
7.根据之前任一项权利要求所述的旁路开关组件，其中所述第二电导体和/或所述可移动部件具有圆锥体形状而使得所述可移动部件在所述第二位置上以夹钳抓握而与所述第二电导体相接合。
8.根据之前任一项权利要求所述的旁路开关组件，其中所述外壳朝向所述腔室的壁由聚合物制成。
9.根据之前任一项权利要求所述的旁路开关组件，其中所述外壳是管道。
10.根据之前任一项权利要求所述的旁路开关组件，其中所述腔室被填充以来自CO2、SF6、N2、H2和空气的群组中的一种气体，所述腔室中的所述气体形成所述电绝缘体。
11.根据权利要求1至9中任一项所述的旁路开关组件，其中所述电绝缘体是位于所述第一电导体和所述第二电导体之间的固态绝缘体。
12.根据权利要求11所述的旁路开关组件，其中所述电绝缘体是聚合物膜(14)。
13.根据权利要求12所述的旁路开关组件，其中所述可移动部件被布置为在其从所述第一位置向所述第二位置移动时穿透所述聚合物膜。
14.根据权利要求13所述的旁路开关组件，其中所述聚合物膜被布置为在被所述可移动部件穿透时被蒸发。
15.根据权利要求的12至14中任一项所述的旁路开关组件，其中所述聚合物膜包括预定义的穿破图案(15)，所述穿破图案(15)被布置为在所述可移动部件从所述第一位置向所述第二位置移动时对所述可移动部件进行引导。
16.根据权利要求11所述的旁路开关组件，其中所述固态绝缘体是所述外壳的一部分。
17.根据之前任一项权利要求所述的旁路开关组件，进一步包括用于检测电气故障的检测器件(10)，所述检测器件触发所述致动器。
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