CN104685597B - 具有堆叠中断器模块的断路器 - Google Patents

Abstract

断路器包括串联设置的多个堆叠中断器模块（3）。每个中断器模块（3）包括并联的机械开关组件（8）、半导体开关组件（10）和放电器组件（12）。断路器可以通过改变中断器模块（3）的数量而容易适应于较大数量的应用和电压范围。

Description

具有堆叠中断器模块的断路器

技术领域

本发明在于电能传输和分配的领域。它涉及断路器，其包括多个中断器模块的堆叠。本发明还涉及这样的断路器的使用。

背景技术

WO 2011/050832描述高压断路器，其包括串联连接的至少两个中断器段。

WO 2011/057675描述高压断路器，其在一个实施例中包括多个机械开关以及多个晶体管。

US 6 535 366描述高压断路器，其包括并联设置的机械和半导体开关的组合。

发明内容

本发明的目标是提供能够切换大的电压同时在生产中仍然经济的断路器。

该目标由独立权利要求1的断路器实现。因此，断路器包括电串联设置的多个堆叠中断器模块的堆叠，使得施加的电压在中断器模块上分布。每个中断器模块包括

-具有机械开关的机械开关组件，

-半导体开关组件，其包括半导体开关，以及

-放电器组件，其包括至少一个电涌放电器。

在每个中断器模块内，机械开关组件、半导体开关组件和放电器组件彼此电并联设置。这使得可能在正常操作中在机械开关组件的开状态使用它并且通过将每个模块内的电流首先切换到半导体开关组件并且然后通过关闭半导体开关组件以用于使电流换向到放电器组件而切断。

在限流模式中，中断器模块在中间状态可切换使得跨堆叠的电流路径在第一数量的中断器模块中通过放电器组件引导并且在第二数量的中断器模块中通过机械开关组件引导。

因为模块全部相同并且大量需要（这允许利用大规模生产技术和规模经济），生产这样的断路器的成本减少。此外，每个模块可以具有相对低的额定电压。断路器可以通过改变串联设置的断路器模块的数量而对不同额定电压标度。

在实施例中，每个中断器模块包括第一接触表面，其连接到机械开关组件的第一端子、半导体开关组件的第一端子和放电器组件的第一端子。中断器模块进一步包括第二接触表面，其连接到机械开关组件的第二端子、半导体开关组件的第二端子和放电器组件的第二端子。该第一和第二接触表面定位在它们的中断器模块的相对侧上。这允许使中断器模块容易采用堆叠中相邻中断器模块的接触表面彼此电连接这样的方式堆叠。

通过机械压缩堆叠，例如凭借机械弹簧，实现模块之间的低电阻和良好的导热性。

在另一个实施例中，每个机械开关组件包括电力供应，用于致动开关组件。此外，断路器包括电绝缘馈电器，用于将电力馈送到电力供应。该设计允许使每个机械开关组件的电力供应保持在机械开关组件的电势处，这降低成本并且改进模块性。

馈电器可以例如是光馈电器、机械馈电器或液压或气动馈电器，如将在下文更详细解释的。

本发明的断路器例如用于切换至少72 kV的电压，并且特别用于切换DC电压，但它例如还可以用于切换在中间或甚至低电压状态中的电压或用于切换AC电压。

附图说明

从本发明的下列详细说明将更好理解本发明并且除上文阐述的目标以外的目标将变得明显。这样的描述参照附图，其中：

图1是断路器的方块电路图，

图2是中断器模块的实施例的方块电路图，

图3示出中断器模块的实施例的视图，

图4示出图3的中断器模块（没有它的上板，即没有它的上部电端子），

图5示出具有中断器模块堆叠的断路器，

图6是机械开关组件的电力供应段的示意图，

图7是机械开关组件中处于其接通位置的开关的示意横截面图，

图8是图7的处于其断开状态的开关的示意横截面图，以及

图9是中断器模块的第二实施例的方块电路图。

图10示出通过采用限流模式的根据图1的断路器的中断器模块的电流路径。

具体实施方式

定义

术语“高压”指示超出72kV的电压。术语“中压”指示在1kV与72kV之间的电压。术语“低压”指示低于1kV的电压。

“电绝缘馈电器”是用于将来自接地电势的电力馈送到提升的高压电势的馈送。

断路器和中断器模块

图1示出断路器的实施例的最重要部件。它包括第一端子1和第二端子2，其连接到要切换的电力线。多个基本上相同的中断器模块3串联设置在第一断路器端子1与第二断路器端子2之间。提供控制单元4用于控制个体中断器模块3的操作并且控制单元4连接到它们，例如由于将在下文变得明显的原因而凭借光纤5。控制个体中断器模块3的操作理解为模块的选择性脱扣，其允许从彼此单独切换个体中断器模块3使得总反电压通过脱扣的中断器模块3的数量而可调整。最后，图1示出断路器包括电绝缘馈电器6，其适应于将电力馈送到机械开关组件的电力供应，这些机械开关组件将在下文更详细描述。

图2示出中断器模块3的方块电路。该模块包括三个主要部件，即：

-机械开关组件8，其包括至少一个机械开关9，

-半导体开关组件10，其包括至少一个半导体开关11，以及

-放电器组件12，其包括至少一个电涌放电器13。

这三个组件彼此电并联地设置在断路器模块3的第一接触表面15与第二接触表面16之间，这对每个模块形成电端子。

图3和4示出中断器模块3的示范性机械设计。如可以看到的，它包括底板17和顶板18，其中顶板18未在图4中示出。在图3和4的实施例中，这些板17、18示出为平坦的，但它们也可以结构化，例如以便促进中断器模块3的自对准堆叠。有利地，板17、18的外表面的至少部分是金属的。底板17形成第一接触表面15，而顶板18形成第二接触表面16。第一和第二接触表面15、16设置在中断器模块3的相对侧上。

如可以在图2中并且部分在图4中看到的，第一接触表面15电连接到机械开关组件8的第一端子20a、半导体开关组件10的第一端子21a和电涌放电器组件12的第一端子22a。相似地，第二接触表面16电连接到机械开关组件8的第二端子20b、半导体开关组件10的第二端子21b和到电涌放电器组件12的第二端子22b。

如在图5中示出的，中断器模块3设置在堆叠24中。应注意该堆叠24可具有任意取向并且可以例如垂直或水平延展。在示出的实施例中，堆叠24中相邻中断器模块3的接触表面15、16彼此邻接并且因此彼此电连接。备选地，可在每两个中断器模块3之间存在传导中间构件。

在下面，更详细描述组件8、10和12。

机械开关组件

如本文提到的，机械开关组件8包括至少一个开关9。提供致动器26（参见图6和7）用于致动开关9。致动器26应例如能够快速操作开关9，例如在毫秒范围内。

致动器26应例如基于排斥致动概念，例如汤姆逊效应，以便达到高的开断速度。合适的设计例如在US 7235751中并且特别在其中的图23、24中描述。

每个机械开关组件8具有电力供应27，如在图6中示出的，特别用于操作致动器26。因为中断器模块3在开关8的操作期间通常处于中或高压电势，提供电绝缘馈电器6用于将电力馈送到电力供应27。

图5和6示出将电力机械馈送到个体中断器模块3的这样的高压绝缘馈电器6的一个实施例。在示出的实施例中，馈电器6包括处于地电势的驱动器28和具有合适长度的绝缘轴29。驱动器28可以操作成使轴29绕它的纵轴旋转。该纵轴并行平行于堆叠24的堆叠方向30而延伸。

轴29穿过每个中断器模块3中的开口31。轴29的外侧提供有齿。这些齿通过在每个中断器模块3中可旋转设置的齿轮32而啮合。齿轮32驱动发电机33，其将轴29的旋转转换成电流。该电流被馈送到电力存储单元34，其存储从馈电器6接收的电能。电力存储单元34可例如是电容器或蓄电池。使用电力存储单元34允许快速释放大量能量以用于开关机械开关组件8，即使可以通过馈电器6馈送的功率水平是相对低的也如此。

来自电力供应27的电力不仅可以用于操作机械开关组件8，而且它可以将任何必需的操作电流馈送到半导体开关组件10以及任何另外的电部件，例如定位在中断器模块3中的信号放大器或传感器。

代替使用机械馈电器6（如在图5和6中示出的），可以使用光馈电器，其与例如光闸单元供电相似。在该情况下，馈电器6包括光源并且每个电力供应27包括用于将来自光源的电力转换成电流的光电池。

在再另一个实施例中，馈电器6可以包括串联设置以便传送AC电力同时使DC或低频AC电势去耦的许多电容器，参见例如US 2006/0152199。

在再另一个实施例中，馈电器6可以包括流体导管和用于通过导管来泵送流体的泵。导管通过每个中断器模块3。每个电力供应27包括小的涡轮机，其驱动发电机用于将流体的流动转换成电流。流体（其可以是液体或空气）同时可以用于冷却中断器模块3。流体应是电介质。

开关9和它的致动器26的设计应对速度优化并且适应于中断器模块3的额定电压。

如上文提到并且在图7和8中示出的，致动器26例如是如在US 7235751中描述的汤姆逊驱动器。

开关9可以是轻质型的（具有分段触点），这允许以低的开关能量实现快速开关。在一个实施例中，开关9使用在US 7235751中描述的设计来构造，其具有至少一个第一和至少一个第二接触构件。在图7和8的实施例中，提供两个第一接触构件35和三个第二接触构件36。它们凭借致动器26而在横过、特别垂直于堆叠方向30的方向37上互相可替换，这允许实现紧凑设计。如在US 7235751中描述的，每个接触构件35、36携有直通触点38，其对准以在接触构件35、36处于接通位置（图7）而不是处于断开状态（图8）时在端子20a、20b之间形成接触路径。

半导体开关组件

在半导体开关组件10中使用的晶体管例如是BiGT（双向IGBT），由此避免标准IGBT/二极管组合的并联来获得反向阻断能力。也可以使用其他关断型半导体开关。

根据中断器模块3的额定电流和电压，每个半导体开关组件10还可以包括串联和/或并联设置的多个半导体开关11。图9示出具有串联的多个半导体开关11的中断器模块3的实施例，而图4（其示出多个端子21b）代表具有并联设置的若干晶体管11（或晶体管11的系列）的设计。

放电器组件

放电器组件12包括一个或多个变阻器13或电涌放电器13。图4示出包括并联设置的十二个这样的变阻器13的示例。根据每个中断器模块3的期望钳位电压和耗散的能量的量，串联和并联的连接变阻器元件13的数量可改变。

应用、使用

本文描述的断路器的一些应用如下：

-对于岸上多终端、离岸或海底高压DC系统的DC中断器。

-对于中压（例如，1.5 kV -40kV）的DC中断器，例如在分布式风力涡轮发电机中。

-对于UPS（不间断电力供应）设备和/或对于敏感工业环境或负载的电能质量设备的快速且低损耗中断器。

-对于例如牵引电力系统的AC中压限流器，其中达到现有安装中的短路功率和电流并且进一步扩展是必需的。

-即在机械低压DC中断器具有不足性能的系统中（例如，在大的光伏安装中）的高端低压中断器。

一般，在基于电压源转换（VSC）的DC电网（其中阻断通过整流器或转换器的故障电流受到限制或甚至是不可能的）中，最重要的是在故障电流达到太高水平之前快速中断它。典型地，中断需要通过额外电感而促进，例如在故障电流限制电抗器中。从中断速度和电流水平两方面来看，功率半导体（例如IGBT）已经示出为有多至几倍（8-10x）的最大标称电流（典型地，1300A）的很强故障电流中断能力。这典型地通过串联设置若干功率半导体而利用。另外在旁路分支装有辅助半导体换向开关的情况下，这样的半导体堆叠的导通态损耗和主动冷却要求的缺点可以凭借与功率半导体并联的机械开关旁路而减少，如在WO2011057675中描述的。这在对于机械旁路开关的接近零电流处促进快速换向和触点分离并且利用一个机械开关单元能够达到高的额定电压。

在AC网络中限制故障电流几乎类似于DC故障电流中断。DC残余电流的缺乏和开断器可以使用的电流零交叉的可能性使得该职责比对于DC更容易。在网络阻抗太低的情况下，可必须控制故障电流的上升比率使得电流限制的时间可以与中断器模块的技术规范匹配。

代替对于所有半导体开关具有一个单公共机械旁路开关，本概念依赖将一个机械开关组件归属于半导体开关中的每个（或小的半导体开关组）。乍看起来，这似乎是昂贵且困难的技术方案，但概念提供如本文描述的许多优势。

凭借本文描述的电流中断器来限制或“中断”AC或DC网络中的故障电流可以通过下列方式进行：

-在正常操作中，标称电流由机械开关组件8传导。

-在故障情况下，电流换向到每个半导体开关模块10，其在该实例处处于它们的接通状态。到每个放电器组件12的最后换向然后通过关闭每个中断器模块3中的半导体开关组件10而达成。

根据脱扣的中断器模块3的数量，即在电流换向到半导体开关组件10的情况下，反电压容易可调整并且因此故障电流衰减和能量耗散可以被控制或甚至在故障后转变时间中被主动调制，即通过采用预定模式或凭借合适信号（例如在接近中断器位点处或在更遥远位点处的电压和电流）的控制反馈来切换模块3。

在限流模式中，中断器模块在中间状态中可切换使得跨堆叠的电流路径在第一数量的中断器模块中通过放电器组件并且再第二数量的中断器模块中通过机械开关组件（例如在图10中示出的）引导。在所述第一数量的中断器模块中，机械开关组件断开使得电流各自在换向到半导体开关组件后各自通过放电器组件而传导。在所述第二数量的中断器模块中，机械开关组件保持在它的接通状态用于经由它的直通触点来各自传导电流。术语第一/第二数量的中断器模块理解为断路器的整数数量的中断器模块，其中第一数量的中断器模块和第二数量的中断器模块之和等于断路器的总数量的中断器模块。

术语中间状态理解为有限的时间量，在该时间期间为控制个体中断器模块的操作而提供的控制单元作出如何继续进行的决定。根据所述决定，可需要第一数量的中断器模块在电流中断或限流后的预定时段内回复到它们的正常操作模式。

备注

每个中断器模块3形成机械单元，即它可以整体从断路器移除并且在它的移除状态中保持它的机械完整性。这可以例如通过提供具有框架（例如，由下板17形成）的每个中断器模块3并且通过将机械开关组件8、半导体开关组件10和放电器组件12安装到该框架17而实现。

通过使用足够大数量的中断器模块3，每个模块上的低电压在机械开关组件8之间实现短的切换间隙并且因此允许使用轻质型触点，因此能量存储单元34可以设计有相对低的存储容量。此外，可以使用低成本、大规模生产的电部件（例如低压电容器和晶闸管）。

在要中断通过断路器的电流例如用于开断故障电流时，因为在机械中断器组件8的接通状态中的正向电压降非常低并且紧密定位的组件8和10的杂散电感是小的，在每个中断器模块3中发生换向并且其是相对容易的职责。例如，为了换向，在100μs内4.5kA针对1μH的杂散电感导致45V感应电压降。

在实施例中，模块设计成凭借被动冷却而达到额定标称电流，但由例如强制空气对流或强制液体流动实现的冷却系统也是可能的，例如在本文结合流体馈电系统描述的。

每个中断器模块3可以包括局部控制单元，用于操作并且监视组件8、10和12。

对于中至高压应用，中断器模块3的数量典型地是至少10，特别在10-100个中断器模块3的范围内。为了避免太大的堆叠24，在一个堆叠24中可以选择10-30个中断器模块3的集群。

断路器或开关可以适应于在广泛的电压范围内的应用。对于每个应用，可以使用相同中断器模块3，并且它们的数量适应于所需的要开关的电压。可以构造单个中断器模块3用于开关多至3kV的电压，使得可以使用近似100个中断器模块3来构造300kV断路器。

在实施例中，断路器或开关具有内置特征使得在机械故障的情况下开关应保持闭合或应快速就位于闭合位置。使用电弧能量以凭借磁线圈致动或通过热推进来确保此，这可是可能的。

在本文描述的实施例中，馈电器6与中断器模块3的堆叠24并联设置。备选地，可通过模块3串联地馈送电力。

上文的设计的重要方面在于各种应用的所有当前和未来需要的集合和设计中断器模块3，即“构造块”3，其利用所有这些应用所共有的技术相似性。所有应用所需要的大量相同中断器模块3驱使成本下降。另外的有益副作用是更均质的安装底座。

尽管示出和描述有目前优选或有利或有益的本发明的实施例，要清楚地理解本发明不限于此，而在别的方面却可在下列权利要求的范围内多方面地体现和实践。

附图标记

1、2： 第一和第二断路器端子

3：中断器模块

4：控制单元

5：光纤

6:馈电器

8：机械开关组件

9：机械开关

10：半导体开关组件

11：半导体开关

12：放电器组件

13：电涌放电器

15，16：接触表面

17，18：底和顶板，框架

20a, 20b:机械开关组件的端子

21a,21b:半导体开关组件的端子

22a,22b:放电器组件的端子

24:堆叠

26:致动器

27:电力供应

28:馈电器

30:堆叠方向

31:开口

32:齿轮

33:发电机

34:电力存储单元

35,36:第一和第二接触构件

37:替换方向

38:直通触点

Claims (22)

1.一种断路器，其包括在所述断路器的第一端子（1）与第二端子（2）之间的电流路径中电串联设置的多个堆叠中断器模块（3）的堆叠（24），其中每个中断器模块（3）包括：

机械开关组件（8），其包括机械开关（9），

半导体开关组件（10），其包括半导体开关（11），以及

放电器组件（12），其包括至少一个电涌放电器（13），

其中所述机械开关组件（8）、所述半导体开关组件（10）和放电器开关组件（12）彼此电并联设置，使得能通过将每个模块内的电流首先切换到半导体开关组件并且然后通过关闭半导体开关组件以用于使电流换向到放电器组件而切断，以及

其中所述中断器模块（3）选择性地可脱扣，用于将所述中断器模块（3）从彼此单独切换使得总反电压可通过脱扣的中断器模块（3）的数量调整。

2.如权利要求1所述的断路器，其中每个中断器模块（3）包括：第一接触表面（15），其连接到所述机械开关组件（8）的第一端子（20a）、所述半导体开关组件（10）的第一端子（21a）和所述放电器组件（12）的第一端子（22a）；和第二接触表面（16），其连接到所述机械开关组件（8）的第二端子（20b）、所述半导体开关组件（10）的第二端子（21b）和所述放电器组件（12）的第二端子（22b），其中所述第一和所述第二接触表面（15，16）定位在它们的中断器模块（3）的相对侧上，并且其中所述堆叠（24）中相邻中断器模块（3）的接触表面（15，16）彼此电连接。

3.如权利要求1或2所述的断路器，其中每个机械开关组件（8）包括电力供应（27），并且其中所述断路器包括电绝缘馈电器（6），用于将电力馈送到所述电力供应（27）。

4.如权利要求3所述的断路器，其中所述馈电器（6）包括光源，并且其中每个电力供应（27）包括用于将来自所述光源的电力转换成电流的光电池。

5.如权利要求3所述的断路器，其中所述馈电器（6）包括驱动器（28）和通过所述驱动器（28）可旋转的轴（29），其中每个电力供应（27）包括发电机（33），用于将所述轴（29）的旋转转换成电流。

6.如权利要求3所述的断路器，其中所述馈电器（6）包括流体导管和用于通过所述导管来泵送流体的泵，其中每个电力供应（27）包括涡轮机和用于将所述流体的流动转换成电流的发电机。

7.如权利要求3所述的断路器，其中每个电力供应（27）包括电力存储单元（34），用于存储经由所述馈电器（6）来接收的电能。

8.如权利要求1或2所述的断路器，其包括所述中断器模块（3）中的至少十个。

9.如权利要求1或2所述的断路器，其中每个机械开关组件（8）包括至少第一和第二接触构件（35，36）和致动器（26），所述致动器适应于使所述第一和所述第二接触构件（35，36）在横向于所述中断器模块（3）的堆叠方向（30）的方向（37）上互相替换。

10.如权利要求1或2所述的断路器，其中每个半导体开关组件（10）包括串联和/或并联设置的多个半导体开关（11）。

11.如权利要求1或2所述的断路器，其中每个放电器组件（12）包括彼此电并联设置的多个变阻器（13）。

12.如权利要求1或2所述的断路器，其中每个中断器模块（3）形成机械单元，所述机械单元从所述断路器整体可移除。

13.如权利要求12所述的断路器，其中每个中断器模块（3）包括框架（17），并且其中所述机械开关组件（8）、所述半导体开关组件（10）和所述放电器组件（12）安装到所述框架（17）。

14.如权利要求1或2所述的断路器，其中所述每个中断器模块（3）的机械开关组件（8）可以在正常操作中在它的接通状态使用用于传导电流，并且

其中每个中断器模块（3）内的电流可以通过首先使电流切换到处于其接通状态的半导体开关组件（10）并且然后通过切换到它的断开状态从而使电流换向到所述放电器组件（12）来切断。

15.如权利要求1或2所述的断路器，其中在限流模式中，所述中断器模块（3）在中间状态可切换使得跨所述堆叠（24）的电流路径在第一数量的中断器模块（3）中通过所述放电器组件并且在第二数量的中断器模块（3）中通过所述机械开关组件（8）来引导。

16.如权利要求1或2所述的断路器，其进一步包括连接到所述中断器模块（3）的控制单元（4）。

17.如权利要求1或2所述的断路器，其中故障电流衰减和能量耗散可控制或者通过采用预定模式或基于本地或远程电流和电压测量信号来切换所述中断器模块（3）而在故障后转变时间中主动调制。

18.如权利要求1或2所述的断路器，其中所述断路器通过改变串联设置的中断器模块的数量而对于不同的额定电压可标度。

19.使用如权利要求1-18中任一项所述的断路器用于切换至少1kV的电压。

20.使用如权利要求1-18中任一项所述的断路器用于切换至少72kV的电压。

21.如权利要求19或20所述的使用，其中所述电压是DC电压。

22.AC或DC网络，其包括如权利要求1至18中任一项所述的至少一个断路器。