CN104756338B - 电路中断设备 - Google Patents

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Abstract

一种用于电路(32)的灭弧分支(28)，包括：缓冲电路(36)，包括能量储存臂(40)，其中所述能量储存臂(40)包括由第一联结点(46)分隔开以限定第一分压器的第一和第二能量储存臂部，并且每个能量储存臂部包括至少一个能量储存器件(48，50)；以及吸收器臂(38)，跨接在所述能量储存臂(40)两端，其中所述吸收器臂(38)包括由第二联结点(52)分隔开以限定第二分压器的第一和第二吸收器臂部，并且每个臂吸收器部包括至少一个吸收器元件(54，56)，其中所述第一和第二联结点(46，52)被连接为限定分压桥，并且所述分压桥可以电耦接到所述电路(32)，用于在使用时提供驱动电压以驱动所述电路(32)。

Description

电路中断设备
技术领域
本发明涉及一种用于高电压直流电(HVDC)输电中的开关元件、电路中断设备和灭弧分支(extinguishing branch)。
背景技术
在输电网络中，交流(AC)电力通常被转换成直流电(DC)电力以用于经由架空线路和/或海底电缆传输。此转换不需要补偿由传输线路或电缆所施加的AC电容性负载的影响，由此减少了线路和/或电缆的每公里成本。当需要长距离传输电力时，从AC到DC的转换从而变得具有成本效益。
从AC到DC的电力转换还用于有必要互连运行于不同频率的AC网络的输电网络中。在任何这样的输电网络中，在AC和DC电力的每个交接处均需要转换器来实现所需的转换。
HVDC转换器容易受到DC侧故障或其他异常运行状况的影响，其他异常运行状况能够呈现具有跨DC输电线路或电缆的低阻抗的短路。这样的故障可能是由于绝缘的损坏或击穿、雷击、导体的移动或由外物导致的导体之间的其他意外桥接而发生。
跨DC输电线路或电缆的低阻抗的存在可能不利于HVDC转换器。有时转换器的固有设计意味着其在这样的条件下不能限制电流，导致发展成超过HVDC转换器的额定电流的高故障电流。这样的高故障电流不仅损害HVDC转换器的部件，还导致HVDC转换器离线一段时间。这导致维修和维护受损电气设备硬件的成本增加，并给依靠电气装置工作的终端用户带来不便。因此，能够在检测出高故障电流时立即中断高故障电流很重要。
在转换器控制不能用任何其他手段限制故障电流的情况下，保护HVDC转换器免受来自DC侧故障影响的常规手段是使AC侧断路器跳闸，从而去除通过HVDC转换器将故障馈送到DC侧的电流供应。这是因为目前还没有可商购的HVDC断路器设计。此外，目前几乎所有的HVDC方案是具有连接到DC侧的两个HVDC转换器的点对点方案，其中一个HVDC转换器作为具有电力整流能力的电源，而另一个HVDC转换器作为具有电力逆变能力的电力负载。因此，因为在点对点方案中存在故障需要中断电力流动以允许清除故障，所以使AC侧断路器跳闸是可以接受的。
一类新的HVDC输电网络正被考虑用于长距离移动大量电力，以满足地理上分散的可再生形式的发电的要求，并且用能够支持现代电力交易要求的智能电网的智能和功能对AC输电网络的现有能力进行增强。
这样的HVDC输电网络需要HVDC转换器的多端子互连，从而可以使用并行工作的三个或更多个HVDC转换器在DC侧交换电力。每个HVDC转换器用作源或蓄能库(sink)，以维持网络的整体输入-输出电力平衡，同时根据需要交换电力。HVDC输电网络中的故障必须迅速与网络的其余部分隔离和分离，以便使得网络能够尽快恢复正常电力输送。
传统的AC断路器的电流中断是在电流达到电流零点时实施的，从而大大降低了中断任务的难度。因此，在传统的断路器中，如果未在用于中断电流的限定时间段内出现电流零点，则存在损坏电流中断设备的风险。因此，由于不像AC电流会自然发生电流零点，DC电流不能自然达到电流零点，所以本质上难以实施DC电流中断。
EP0867998B1公开了一种固态的DC断路器，包括串联连接的IGBT的层叠结构，其并联有金属氧化物电涌吸收器(surge arrester)。该方案实现了几毫秒范围内的响应时间，但具有高稳态电力损耗的缺点。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种用于电路的灭弧分支，所述灭弧分支包括：
缓冲电路，包括能量储存臂，其中所述能量储存臂包括由第一联结点分隔开以限定第一分压器的第一能量储存臂部和第二能量储存臂部，并且每个能量储存臂部包括至少一个能量储存器件；以及
吸收器臂，跨接在所述能量储存臂两端，其中所述吸收器臂包括由第二联结点分隔开以限定第二分压器的第一吸收器臂部和第二吸收器臂部，并且每个臂吸收器部包括至少一个吸收器元件，
其中所述第一联结点和第二联结点被连接为限定分压桥，并且所述分压桥与所述电路是可电耦接的，用于在使用时提供驱动电压以驱动所述电路，
其中所述第一分压器的第一分压比等于所述第一能量储存臂部的阻抗与所述第一能量储存臂部和第二能量储存臂部的阻抗总和的比率，并且所述第二分压器的第二分压比等于所述第一吸收器臂部的阻抗与所述第一吸收器臂部和第二吸收器臂部的阻抗总和的比率，
其中所述第一分压比的大小与所述第二分压比不同，和/或其中所述第一能量储存臂部的阻抗大于所述第二能量储存臂部的阻抗。
应理解的是，出于说明的目的，术语“跨接”是术语“并联连接”的同义词。同样地，在第二部件两端“跨接”第一部件是指第一部件与第二部件“并联连接”。
优选地，所述第二分压比在1:100到1:50的范围内。甚至更优选地，第二分压比为1:70。
所述缓冲电路还可以包括：
与所述能力储存臂串联连接的无源电流抑制元件；以及
跨接在所述无源电流抑制元件两端的电阻元件。
根据本发明的第二个方面，提供了一种开关元件,包括：
根据本发明第一方面的任何实施例的灭弧分支；
开关分支，包括至少一个半导体开关，所述至少一个半导体开关是可切换的以选择性地允许电流流入所述开关分支或将电流从所述开关分支换向到所述灭弧分支，以吸收和消散能量；以及
辅助切换控制单元，用于控制所述半导体开关或每个半导体开关的切换，
其中所述分压桥被电耦接到所述辅助切换控制单元，以便在使用时提供驱动电压以驱动所述辅助切换控制单元。
应该理解的是，电流换向是指将电流的流动从第一电流路径转向到第二电流路径的过程，例如从开关分支转到灭弧分支。这种电流流动从第一电流路径转向到第二电流路径可以通过第一电流路径中开关的切换来实现。
根据本发明第二个方面的开关元件可以形成为例如电路中断设备的一部分，所述电路中断设备包括：主分支；辅助分支；以及用于在使用时连接到电网的第一端子和第二端子，其中，所述主分支和辅助分支在所述第一端子和第二端子之间延伸。应当理解的是，使用灭弧分支以提供电源电路也可以延伸到形成除了电路中断设备的一部分的开关元件以外的电路。
在这样的电路中断设备中，主分支可包括开关装置，所述开关装置是可切换的以选择性地在正常操作模式下允许电流流入所述主分支或在故障操作模式下将电流从所述主分支换向到所述辅助分支，并且所述辅助分支可包括根据本发明第二方面的开关元件。
在电路中断设备的正常操作模式下，开关装置被闭合，并且电流从电网流入主分支。同时开关元件的所述半导体开关或每个半导体开关是截止的，并且几乎没有电流流过辅助分支。
在导致高故障电流流过主分支的电网中发生故障的情况下，开关装置被断开以在电路中断设备的故障操作模式下将故障电流从主分支换向到辅助分支。最初，在开关装置被断开之后，辅助分支的所述半导体开关或每个半导体开关保持截止，结果故障电流不完全从主分支换向到辅助分支。相反，辅助分支有电流脉冲，然后能量储存臂的能量储存器件进行充电。对能量储存臂的能量储存器件充电允许缓冲电路经由分压桥提供驱动电压，以驱动辅助切换控制单元，以便使得能够控制所述或每个半导体开关的切换。因此，缓冲电路不仅向开关元件提供缓冲能力，还用作自供电电源电路，其提供电力以驱动辅助切换控制单元，从而使得能够切换所述或每个半导体开关。
导通所述或每个半导体开关允许电流流入开关分支，由此使得故障电流被完全从主分支换向到辅助分支。在预定时间段之后，所述或每个半导体开关截止，以将故障电流从开关分支换向到灭弧分支。所述或每个半导体开关被关断后不久，辅助分支两端的电压变得足够高，以允许电流流过吸收器臂。这允许吸收器元件从DC网络吸收并耗散感应能量，以便限制开关元件电压两端的最大电压和开关元件两端的电压上升速率两者，并由此限制辅助分支两端的最大电压和电压上升速率。以这种方式，开关元件能够在电网发生故障期间限制整个电路中断设备两端的最大电压和电压上升速率。
在能量储存臂中，第一能量储存臂部仅被标定为能够充电到提供驱动辅助切换控制单元所需的驱动电压的电压水平，还被标定为当辅助分支中有电流脉冲时迅速充电到所需要的电压水平，以便达到对电网中故障发生的期望的切换响应时间。第一能量储存臂部的快速充电到所需电压水平的能力避免需要连续供电给辅助切换控制单元，以确保开关元件的快速切换响应时间。这减少了操作该开关元件和电路中断设备的成本，特别是在高电压水平下操作的成本。
虽然根据本发明第二方面的开关元件主要是参考其在电路中断设备中的使用来描述的，但应理解，根据本发明第二方面的开关元件的使用还可以扩展到其他类型的电路。
这样的电路可以是使用常关类型的一个或多个传统的半导体开关的电路。例如，该电路可以是电压源转换器，其中半导体开关被切换以选择性地使得不同电力网络之间能够进行电力传送。
在使用常关类型的一种或多个传统半导体开关的电路中，每个或所述常关类型的传统半导体开关可以替换为根据本发明第二方面的开关元件。在使用时，在关断状态的开关元件两端出现的电压对能量储存臂的能量储存器件充电。能量储存臂的能量储存器件的充电允许缓冲电路经由分压桥提供驱动电压，以驱动辅助切换控制单元，以便能够控制所述或每个半导体开关的切换。
以与对于所述电路中断设备描述的类似的方式，根据本发明第二方面的开关元件中包括灭弧分支给开关元件提供了在其他类型的电路中限制最大电压和电压上升速率的能力。
所述能量储存和吸收器臂用来限定所述第一和第二分压器的配置，允许通过以上述方式被标定的第一能量储存臂部和被标定为具有高电压保护水平的吸收器臂的组合来形成开关元件。这是因为使用第一和第二分压器允许第一和第二吸收臂部各自的保护水平被设定为提供吸收器臂的较高的整体电压保护水平，同时限制第一能量储存臂部两端出现的最大电压以使损坏的风险降到最低。这是有益的，因为当涉及适应驱动辅助切换控制单元所需的驱动电压和吸收器臂的电压保护水平的大的取值范围时，该设计提高了设计开关元件的灵活性。
与此同时，第二能量储存臂部在吸收器臂两端提供高频旁路路径。省略第二能量储存臂部则将意味着直到开关元件两端的电压高到足以使吸收器臂导电时，开关元件中才有电流通过。这将阻止第一能量储存臂部的所述或每个能量储存器件充电到所需要的电压水平，从而阻止所述或每个半导体开关的切换。
因此，开关元件的上述配置导致开关元件能够被设计为获得对电网中故障发生的快速响应时间，并且当开关元件形成电路中断设备的一部分时，能够被设计为适应驱动辅助切换控制单元所需的驱动电压和吸收器臂的电压保护水平的大的取值范围。
此外，开关元件的上述配置导致具有用于驱动辅助切换控制电路以切换所述或每个半导体开关的自供电电源电路的开关元件。与此相反，在开关元件中安装单独的电源或从接地电位向每个辅助切换控制单元供给电源将不仅增加开关元件的结构的复杂性，还增加每个开关元件的成本、尺寸和重量。
如果需要的话，每个臂部的结构使得能量储存臂部和吸收器臂部中的每个还可以进一步分成两个或更多个臂子部分。举例来说，如果能量储存臂部包括多个能量储存器件，所述能量储存臂部可以被划分成两个或更多能量储存臂子部分，使得每个能量储存臂子部分包括多个能量储存器件中的至少一个。应该理解的是，第一和第二吸收器臂部中的每个可以以类似的方式划分为限定两个或更多个吸收器臂子部分。
此外，任何两个能量储存臂子部分之间的联结点可被连接到任何两个吸收器臂子部分之间的联结点，以在灭弧分支中限定附加的分压桥。例如，如果第一能量储存和吸收器臂部分别被划分成两个第一能量储存臂子部分和两个第一吸收器臂子部分，则两个第一能量储存臂子部分之间的联结点可被连接到两个第一吸收器臂子部分之间的联结点以限定附加的分压桥。以这种方式，除了由分隔第一和第二能量臂部的联结点和分隔第一和第二吸收器臂部的联结点之间的连接所限定的分压桥以外，灭弧分支可以被配置为限定一个或多个附加的分压桥。
第一分压器的第一分压比可以等于第一能量储存臂部的阻抗与第一和第二能量储存臂部的阻抗的总和的比率，并且所述第二分压器的第二分压比可以等于所述第一吸收器臂部的阻抗与第一和第二吸收器臂部的阻抗总和的比率。如果需要的话，第一分压比的大小可以与第二分压比不同。
第一和第二分压比中每个分压比的值可以取决于驱动辅助切换控制单元所需的驱动电压和吸收器臂的电压保护水平的值而改变。
当辅助分支中有电流脉冲时，开关元件两端的总的可用电压显著低于吸收器臂的总的电压保护电平。这导致开关元件两端的总的可用电压在第一和第二能量储存臂部之间根据第一分压比被分压。因此，第一分压比可被设置为使得当辅助分支中有电流脉冲时，开关元件两端的可用电压的大部分出现在第一能量储存臂部两端，以便能够对第一能量储存臂部快速充电到所需要的电压水平。换句话说，第一能量储存臂部的阻抗可以设定成大于第二能量储存臂部的阻抗。优选地，第一和第二能量储存臂部的阻抗被设置成使所述第一分压比接近1:1。
在故障被清除后，开关元件两端的总的可用电压的大小与吸收器臂的整体电压保护水平相似。这导致开关元件两端的总的可用电压在第一和第二吸收器臂部之间根据第二分压比被分压。第二分压比可被设定为限制第一吸收器臂部两端出现的电压，并由此限制第一能量储存臂部两端出现的电压，同时保持吸收器臂的较高的整体电压保护水平。优选地，第二分压比被设定为在1:100到1:50的范围内。甚至更优选地，第二分压比设定为1:70。
为了确保电路中断设备的可靠操作，需要所述或每个半导体开关的状态信息，以确认所述或每个半导体开关是可操作的。然而，由于开关元件的所述或每个半导体开关仅在响应于电网中故障发生时导通并且仅在此时经受电压，所以仅当辅助分支的开关元件在使用时，才可以确定所述或每个半导体开关的状态。
可以实施状态检查程序以获得所述或每个半导体开关的状态信息。在状态检查程序中，开关装置被切换以将电流从主分支换向到辅助分支。如上所述，这导致对第一和第二能量储存臂部的能量储存器件充电。当第一能量储存臂部被充电到提供所需的驱动电压所需要的电压水平时，辅助切换控制单元导通所述或每个半导体开关，以确定所述或每个半导体开关是否可操作的。
在开关分支包括多个半导体开关的本发明的实施例中，辅助切换控制单元可以控制多个半导体开关的切换，以选择性地同时导通多个半导体开关中的全部或一次导通多个半导体开关中的一个。
导通半导体开关或一次导通多个半导体开关中的一个允许通过能量储存臂的能量储存器件电压的突然上升来检测发生故障的半导体开关。
在这种实施例中，开关元件还可以包括至少一个电流传感器，用于测量流过每个半导体开关的电流。
使用至少一个电流传感器允许在状态检查程序过程中或在操作电路中断设备以清除故障的过程中，在同时导通多个半导体开关时检测一个或多个发生故障的半导体开关。
在获得所述或每个半导体开关的状态信息之后，状态信息可接着被提供到外部中央控制器。为了恢复电路中断设备的正常操作模式，主分支中的开关装置被切换以允许电流流入主分支，而辅助分支中的所述或每个半导体开关截止。
因此，开关元件的配置快速和周期性地实施状态检查程序，对电路中断设备的整体开关损耗具有可忽略不计的影响。
灭弧分支和开关分支可被布置在开关元件中，以形成不同的配置。例如，灭弧分支可以跨接在开关分支两端。
在本发明的进一步的实施例中，缓冲电路还可以包括：
与所述能力储存臂串联连接的无源电流抑制元件；以及
跨接在所述无源电流抑制元件两端的电阻元件。
无源电流抑制元件是限制电流仅在一个方向上流动的器件，并且可以具有例如单个二极管或多个二极管的形式。类似地，电阻元件可以包括单个电阻器或多个电阻器。
根据本发明的第三个方面，提供了一种电路中断设备，包括：
主分支；
辅助分支；以及
用于在使用时连接到电网的第一端子和第二端子，其中，所述主分支和辅助分支在所述第一端子和第二端子之间延伸，
其中，所述主分支包括开关装置，所述开关装置是可切换的以选择性地在第一操作模式下允许电流流入所述主分支或在第二操作模式下将电流从所述主分支换向到所述辅助分支，并且
所述辅助分支包括根据本发明第二方面的任何实施例所述的至少一个开关元件，其中所述或每个开关元件的所述开关分支包括至少一个半导体开关，所述至少一个半导体开关是可切换的以选择性地在所述第二操作模式下允许电流流入所述开关分支或者在所述第二操作模式下将电流从所述开关分支换向到相应的灭弧分支，以便吸收和消耗能量。
在使用时，根据本发明的第三方面的电路中断设备可以被用作DC电路断路器。
该开关装置例如可以包括至少一个机械开关元件和/或至少一个半导体开关元件。开关装置中的机械开关元件和/或半导体开关元件的数量可以取决于电路中断设备的电压和切换要求而变化。
辅助分支中开关元件的数量可以取决于电路中断设备的电压要求而变化。
可选地，电路中断设备还可以包括与辅助分支联连接的多个无源电流抑制元件，以在第一和第二端子之间限定全桥结构，以便形成电路中断设备的双向配置。
电路中断设备还可以包括主切换控制单元，以控制所述开关装置的切换，其中所述主切换控制单元和辅助切换控制单元可以分别控制所述开关装置和所述或每个半导体开关的切换以选择性地执行上述状态检查程序，在所述状态检查程序中所述主切换控制单元切换所述开关装置以将电流从所述主分支换向到所述辅助分支，之后所述或每个辅助切换控制单元导通所述辅助分支的所述或每个半导体开关，以确定该所述半导体开关是否是可操作的。
在这样的实施例中，辅助分支可以包括带有开关分支的多个开关元件和/或至少一个开关元件，所述开关分支包括多个半导体开关，并且所述或每个辅助切换控制单元可以控制所述或每个相应半导体开关的切换，以选择性地同时导通所述辅助分支的所述多个半导体开关中的全部或一次导通所述辅助分支的所述多个半导体开关中的一个。
在另一些这样的实施例中，所述主切换控制单元和辅助切换控制单元可以分别控制所述开关装置和所述或每个半导体开关的切换从而以预定的时间间隔选择性地重复所述状态检查程序，以便定期提供关于所述或每个半导体开关的状态信息。
预定的时间间隔优选地小于相应的第一分压器的第一能量储存臂部的保持时间，以便防止第一能量储存臂部的所述或每个能量储存器件被完全耗尽。
附图说明
现在将参考附图通过非限制性示例的方式描述本发明的优选实施例，其中：
图1以示意的形式示出根据本发明第一实施例的电路中断设备；
图2以示意的形式示出形成图1中电路中断设备的一部分的开关元件；
图3示出主分支与辅助分支两端的电压变化，以及主分支与辅助分支中的电流变化；
图4以示意的形式示出用于模拟响应于电网中故障的发生，开关元件的第一和第二电容器的初始充电步骤的模型；
图5示出图4中模型的模拟结果；以及
图6以示意的形式示出根据本发明第二实施例的电路中断设备。
具体实施方式
根据本发明第一实施例的第一电路中断设备10示于图1。
第一电路中断设备10包括主分支12、辅助分支14以及第一和第二端子16、18。主分支12和辅助分支14各自均在第一和第二端子16、18之间延伸。
在使用时，第一和第二端子16、18连接到DC电网20。
主分支12包括机械开关元件22形式(例如真空断路器开关)的开关装置，与IGBT24形式的多个主半导体开关串联连接。第一电路中断设备10还包括主切换控制单元25，用以控制机械开关元件22和多个主IGBT 24的切换。
在其他实施例中，可以设想，开关装置中的机械开关元件22和主IGBT 24的数量可以取决于第一电路中断设备10的切换和电压要求而变化。
辅助分支14跨接在主分支12两端，并包括多个串联连接的辅助开关元件26。在其他实施例中，可以设想，辅助分支14中辅助开关元件26的数量可以取决于辅助分支14的电压要求而变化。
第一电路中断设备10中存在杂散电感(stray inductance)13。图1所示的杂散电感13与第一和第二端子16、18之间的辅助分支14串联连接。
图2以示意图形式示出每个辅助开关元件26的结构。
每个辅助开关元件26包括灭弧分支28、开关分支30和辅助切换控制单元32。开关分支30包括IGBT 34形式的多个并联连接的辅助半导体开关。在本发明的其他实施例中，一个或多个辅助半导体开关可以具有栅极关断晶闸管(GTO)、栅极换流晶闸管(GCT)、集成栅极换流晶闸管(IGCT)金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或结型场效应晶体管(JFET)的形式。
可以设想的是，在进一步的实施例中，开关分支30中并联连接的辅助IGBT 34的数量可以取决于辅助开关元件26的电流要求而改变。还可以设想的是，在更进一步的实施例中，多个并联连接的辅助IGBT 34可以替换为单个辅助IGBT。
灭弧分支28跨接在开关分支30两端，并包括缓冲电路36和吸收器臂38。
缓冲电路36包括能量储存臂40，其与二极管42形式的无源电流抑制元件串联连接，并且电阻44跨接在无源电流抑制元件两端。
可以设想，在其他实施例中，二极管42可替换为用于将电流限制为仅在一个方向上流动的另一类型的无源电流抑制元件。还可设想的是，在其他实施例中，二极管42可替换为多个二极管和/或电阻器44可替换为多个电阻器。
能量储存臂40限定第一和第二能量储存臂部，它们由第一联结点46分隔开以限定第一分压器。第一能量储存臂部包括第一电容器48，并且第二能量储存臂部包括第二电容器50。
第一分压器的第一分压比等于第一能量储存臂部阻抗与第一和第二能量储存臂部的阻抗总和的比率。在图2所示的实施例中，第一分压比等于第一电容器48的阻抗与第一和第二电容器50的阻抗总和的比率。
吸收器臂38跨接在能量储存臂40两端，并且限定第一和第二吸收器臂部，它们由第二联结点52分隔开以限定第二分压器。第一吸收器臂部包括第一吸收器元件54，并且第二吸收器臂部包括第二吸收器元件56。
第二分压器的第二分压比等于第一吸收器臂部的阻抗与第一和第二吸收器臂部的阻抗总和的比率。在图2所示的实施例中，第二分压比等于第一吸收器元件54的电压保护电平与第一和第二吸收器元件54、56的电压保护电平总和的比率。
可以设想，在本发明的其他实施例中，每个第一和第二能量储存臂部可以包括多于一个的电容器，和/或每个第一和第二吸收器臂部可以包括多于一个的吸收器元件。
辅助切换控制单元32包括电源单元58和控制电子装置60，以控制每个辅助IGBT34的切换。第一和第二联接点46、52被连接以限定分压桥，其被电耦接到辅助切换控制单元32的电源单元58。第一电容器48被标定为能够充电到所需的电压水平以提供驱动辅助切换控制单元32所需的驱动电压，即向电源单元58供电以使得控制电子装置60能够控制每个辅助IGBT 34的切换。
以下参考图1到图5描述图1中的第一电路中断设备10的用以中断DC网络20中的电流的操作。
图3示出主与辅助分支12、14两端的电压62、64的变化，以及主，辅分支12、14的电流66、68的变化。
在DC网络20的正常运行过程中，开关装置闭合并且在第一电路中断设备10的正常操作模式下，来自电网20的电流66流入主分支12。同时，每个开辅助关元件26的每个辅助IGBT 34被关断，并且几乎没有电流68流过辅助分支14。
DC网络20中的故障或其他不正常运行状况可以导致高故障电流流过DC网络20。
响应于DC网络20的高故障电流事件，主切换控制单元25控制开关装置的开关断开70以便在第一电路中断设备10的操作的故障模式下将电流从主分支12换向到辅助分支14。一开始，在开关装置被断开之后，辅助IGBT 34保持截止，其结果是故障电流没有完全从主分支12换向到辅助分支14。相反，辅助分支14中有电流脉冲72，电流脉冲72则对第一和第二电容器48、50充电。
当辅助分支14中有电流脉冲72时，每个辅助开关元件26两端的总的可用电压显著小于相应吸收器臂38的总的电压保护电平。这导致总的可用电压被按照第一分压比分压。
第一分压比优选地被设定为确保在辅助分支14中有电流脉冲72时，每个辅助开关元件26两端的可用电压的更大比例出现在第一电容器48两端，以使得第一电容器48能够快速充电。这要求第二电容器50的电容大于第一电容器48的电容。第一分压比优选地接近于1:1。
图4以示意图的形式示出用于模拟响应于DC电网中故障的发生，辅助开关元件的第一和第二电容器94、96的初始充电步骤的模型，图5示出图4中模型的模拟结果。
在该模型中，DC电网包括120kV电压源74，其连接到80Ω的负载76。电压源74的电感78和电阻80被选择为提供20kA的峰值故障电流和时间为10A每微秒的电流变化速率。
电路中断设备82串联连接在电压源74和负载76之间。电路中断设备82包括主分支84和辅助分支86。主分支84包括与2.5kV电涌吸收器90并联连接的3.3kV主IGBT 88。吸收器90在图4中表示为齐纳二极管D1。辅助分支86包括具有灭弧分支92的辅助开关元件以及杂散电感13，灭弧分支92在结构上与图1的第一电路中断设备10的灭弧分支28类似。灭弧分支92的第一和第二吸收器臂部在图4中分别表示为齐纳二极管D2和D4。
出于模拟的目的，该模型省略了辅助开关元件的开关分支，因为在辅助开关元件的第一和第二电容器94、96的初始充电步骤中不涉及它。
该模型还包括负载76两端的开关98，其可以被关闭以模拟DC网络中故障的发生。
在DC网络中没有故障时，主分支、第一电容器94、第二电容器98和缓冲电路的二极管100两端的电压102、104、106、108为零，如图5所示。
当DC电网中发生故障时，主IGBT 88截止。这将导致主分支84两端电压102、第一电容器94两端的电压104和第二电容器96两端的电压106快速增大，如图5所示。图5还示出缓冲电路中二极管100两端的电压108在返回到零之前暂时增大。
因此从图4的模型和图5的模拟结果可见，根据本发明的辅助开关元件的配置导致，响应于主分支84的主IGBT 88截止，第一电容器94快速充电。
回看图1，每个第一电容器48迅速充电到所需要的电压水平的能力避免了需要连续供电给每个辅助切换控制单元32以确保每个辅助开关元件26的快速切换响应时间。这降低了操作每个辅助开关元件26和第一电路中断设备10的成本，特别是高电压水平操作的成本。
第二电容器50在吸收器臂38两端提供高频旁路路径。省略第二电容器50则将意味着直到辅助开关元件26两端的电压高到足以使吸收器臂38导电时，辅助开关元件26中才有电流通过。这将阻止第一电容器48充电到所需要的电压水平以提供所需的驱动电压，从而阻止每个辅助IGBT 34的切换。
在第一电容器48有足够的时间110充电到提供所需的驱动电压需要的电压水平之后，缓冲电路36经由分压桥提供驱动电压到辅助切换控制单元32的电源单元58。因此，缓冲电路36不仅为辅助开关元件26提供缓冲能力，还用作提供电源以驱动辅助切换控制单元32的自供电电源电路，从而使辅助IGBT 34能够进行切换。然后，每个辅助IGBT 34导通112，以允许电流68流入每个开关分支30，并由此允许故障电流被完全从主分支12换向到辅助分支14。
预定时间段(通常至少为数百微秒)之后，每个辅助切换控制单元32控制相应的辅助IGBT 34切换为截止，以将故障电流从开关分支30换向到灭弧分支28。同时，在每个辅助开关元件26中，第一电容器48将有足够可用的存储能量以允许缓冲电路36提供驱动电压给辅助切换控制单元32的电源单元58来使得辅助IGBT 34截止。
辅助IGBT 34截止后不久，辅助分支14两端的电压变得足够高，以允许电流流过每个吸收器臂38。这允许吸收器元件54、56从DC网20吸收和消散感应能量，以便限制每个辅助开关元件26两端的最大电压和上升速率两者，从而限制第一电路中断设备10两端的最大电压和电压的上升速率两者。在此阶段，每个辅助开关元件26两端的总的可用电压在幅值上类似于相应的吸收器臂38的整体电压保护水平。这导致每个辅助开关元件26两端的总的可用电压在相应的第一和第二吸收器元件54、56之间根据第二分压比分压。
第二分压比优选地被设定为限制第一吸收器元件54两端出现的电压，并且由此限制第一电容器48两端出现的电压，同时保持吸收器臂38的较高的整体电压保护水平。更具体地，第二分压比可在1:100至1:50的范围内，甚至更具体地，第二分压比可为1:70。
每个辅助开关元件26中的能量储存臂40和吸收器臂38的用以限定第一和第二分压器的配置，允许通过被标定为迅速充电到所需要的电压水平的第一电容器48和被标定为具有高电压保护水平的吸收器臂38的组合来形成每个辅助开关元件26。这是因为使用第一和第二分压器允许第一和第二吸收器元件54、56的各自的保护水平被设定为提供吸收器臂38的较高的整体电压保护水平，同时限制第一电容器48两端出现的最大电压以使损坏的风险降到最低。这是有益的，因为当涉及适应驱动每个辅助切换控制单元32所需的驱动电压和每个吸收器臂38的电压保护水平的大的取值范围时，这种设计提高了设计每个辅助开关元件26的灵活性。
因此，上述每个辅助开关元件26的配置导致辅助开关元件26可被设计为获得对DC电网20中故障发生的快速响应时间，并且适应驱动辅助切换控制单元32所需的驱动电压和吸收器臂38的电压保护水平的大的电压范围。
此外，上述每个辅助开关元件26的配置导致具有用于驱动辅助切换控制电路以切换每个辅助IGBT 34的自供电电源电路的辅助开关元件26。与此相反，在每个辅助开关元件26中安装单独的电源或从接地电位向每个辅助切换控制单元32供给电源将不仅增加每个辅助开关元件26结构的复杂性，还增加每个辅助开关元件26的成本、尺寸和重量。
因此，在辅助分支14中使用多个辅助开关元件26的结果是得到更小、更轻和更具成本效益的电路中断设备。
为确保第一电路中断设备10的可靠操作，需要每个辅助IGBT 34的状态信息，以确认每个辅助IGBT 34是可操作的。然而，由于每个辅助IGBT 34仅在响应于DC电网20中故障发生时经受电压并且仅在此时导通，所以仅当辅助分支14的每个辅助开关元件26在使用时，才可以确定每个辅助IGBT 34的状态。
可以实施状态检查程序以获得每个辅助IGBT 34的状态信息。在状态检查程序中，主切换控制单元25控制主IGBT 24切换为截止以将电流从主分支12换向到辅助分支14。优选地，在状态检查程序中机械开关元件22保持闭合。
如上所述，这导致辅助分支14中的电流脉冲72，该电流脉冲72对每个辅助开关元件26的第一和第二电容器48、50充电。当每个第一电容器48被充电到提供所需的驱动电压所需要的电压水平时，每个辅助切换控制单元32导通每个辅助IGBT 34以确定每个辅助IGBT 34是可操作的。
辅助切换控制单元32可以控制辅助分支14的辅助IGBT 34的切换，以选择性地同时导通全部或一次一个地导通多个辅助IGBT 34。
一次一个地导通辅助IGBT 34允许通过相应的能量储存臂40的第一和第二电容器48、50的电压的突然上升来检测故障的辅助IGBT 34。
每个辅助开关元件26还包括多个电流传感器113来测量流过多个辅助IGBT 34中每一个的电流。使用电流传感器113允许在状态检查程序过程中或在操作第一电路中断设备10以清除故障的过程中，在同时导通辅助IGBT 34时检测一个或多个故障的IGBT 34。
在本发明的其他实施例中，每个辅助开关元件26可以省略多个电流传感器113。
在获得每个辅助IGBT 34的状态信息之后，状态信息可接着被提供到外部中央控制器(未示出)。为了恢复第一电路中断设备的正常操作模式，主切换控制单元25控制主IGBT 24的开关为导通以允许电流流到主分支12中，并且辅助切换控制单元32控制辅助分支14中的辅助IGBT 34切换为截止。
因此，第一电路中断设备10中辅助开关元件26的配置允许快速和周期性地实施状态检查程序，对第一电路中断设备10的整体的开关损耗具有可忽略不计的影响。
状态检查程序可以以预定的时间间隔重复进行，以便定期提供关于每个辅助IGBT的状态信息。优选地，预定的时间间隔被设置为小于每个辅助开关元件26的第一电容器48的保持时间(hold-up time)，以防止每个第一电容器48被完全耗尽。
根据本发明第二实施例的第二电路中断设备110如图6所示。图6的第二电路中断设备110在结构和操作上与图1的第一电路中断设备10相似，并且相似的特征共用相同的附图标记。
第二电路中断设备110与第一电路中断设备10的不同之处在于，第二电路中断设备110还包括多个无源电流抑制元件114，其与辅助分支14并联连接以在第一和第二端子16、18之间限定全桥结构。
第二电路中断设备110这种方式的配置导致电路中断设备110具有双向电流中断能力，即它能够在电路中断设备的第一和第二端子16、18之间电流的两个方向上操作。
图6所示的第二电路中断设备110中的杂散电感13与第一和第二端子16、18之间的全桥结构串联连接。
在其他实施例中，可以设想，与辅助分支14并联连接以在第一和第二端子16、18之间限定全桥结构的无源电流抑制元件114的数量可以取决于第一电路中断设备10的电压要求而变化。
虽然主要参照在电路中断设备10、110中的使用描述了辅助开关元件26，但应该理解的是，辅助开关元件26的使用也可以扩展到其他类型的电气电路，其示例已在本说明书上文中描述。
关于灭弧分支的信息，开关元件和电路中断设备以编号为[1]至[16]的段落的形式给出如下：
[1].一种用于电路的灭弧分支，所述灭弧分支包括：
缓冲电路，包括能量储存臂，其中所述能量储存臂包括由第一联结点分隔开以限定第一分压器的第一能量储存臂部和第二能量储存臂部，并且每个能量储存臂部包括至少一个能量储存器件；以及
吸收器臂，跨接在所述能量储存臂两端，其中所述吸收器臂包括由第二联结点分隔开以限定第二分压器的第一吸收器臂部和第二吸收器臂部，并且每个吸收器臂部包括至少一个吸收器元件，
其中所述第一联结点和第二联结点被连接以限定分压桥，并且所述分压桥与所述电路是可电耦接的，用于在使用时提供驱动电压以驱动所述电路。
[2].根据段落[1]所述的灭弧分支，其中所述第一分压器的第一分压比等于所述第一能量储存臂部的阻抗与所述第一能量储存臂部和第二能量储存臂部的阻抗总和的比率，并且所述第二分压器的第二分压比等于所述第一吸收器臂部的阻抗与所述第一吸收器臂部和第二吸收器臂部的阻抗总和的比率。
[3].根据段落[2]所述的灭弧分支，其中所述第一分压比的大小与所述第二分压比不同。
[4].根据段落[2]或[3]所述的灭弧分支，其中所述第一能量储存臂部的阻抗大于所述第二能量储存臂部的阻抗。
[5].根据段落[2]至[4]所述的灭弧分支，其中所述第二分压比在1:100到1:50的范围内。
[6].根据段落[5]所述的灭弧分支，其中所述第二分压比为1:70。
[7].根据段落[1]至[6]中任一段落所述的灭弧分支，其中所述缓冲电路还包括：
与所述能力储存臂串联连接的无源电流抑制元件；以及
跨接在所述无源电流抑制元件两端的电阻元件。
[8].一种开关元件，包括：
根据段落[1]至[7]中任一段落所述的灭弧分支；
开关分支，包括至少一个半导体开关，所述至少一个半导体开关是可切换的以选择性地允许电流流入所述开关分支或将电流从所述开关分支换向到所述灭弧分支，以吸收和消散能量；以及
辅助切换控制单元，用于控制所述半导体开关或每个半导体开关的切换，
其中所述分压桥被电耦接到所述辅助切换控制单元，以便在使用时提供驱动电压以驱动所述辅助切换控制单元。
[9].根据段落[8]所述的开关元件，其中所述开关分支包括多个半导体开关，并且所述辅助切换控制单元控制所述多个半导体开关的切换，以选择性地同时导通所述多个半导体开关的全部或一次导通所述多个半导体开关中的一个。
[10].根据段落[9]所述的开关元件，还包括至少一个电流传感器，以测量流过每个半导体开关的电流。
[11].一种电路中断设备，包括：
主分支；
辅助分支；以及
用于在使用时连接到电网的第一端子和第二端子，其中，所述主分支和辅助分支在所述第一端子和第二端子之间延伸，
其中，所述主分支包括开关装置，所述开关装置是可切换的以选择性地在第一操作模式下允许电流流入所述主分支或在第二操作模式下将电流从所述主分支换向到所述辅助分支，并且
所述辅助分支包括根据段落[8]至[10]中任一项所述的至少一个开关元件，其中所述开关元件或每个开关元件的所述开关分支包括至少一个半导体开关，所述至少一个半导体开关是可切换的以选择性地在所述第二操作模式下允许电流流入所述开关分支或者在所述第二操作模式下将电流从所述开关分支换向到相应的灭弧分支，以便吸收和消耗能量。
[12].根据段落[11]所述的电路中断设备，还包括多个无源电流抑制元件，与所述辅助分支并联连接以在所述第一端子和第二端子之间限定全桥结构。
[13].根据段落[11]或段落[12]所述的电路中断设备，还包括主切换控制单元以控制所述开关装置的切换，其中所述主切换控制单元和辅助切换控制单元分别控制所述开关装置和所述半导体开关或每个半导体开关的切换以选择性地执行状态检查程序，在所述状态检查程序中所述主切换控制单元切换所述开关装置以将电流从所述主分支换向到所述辅助分支，之后所述辅助切换控制单元或每个辅助切换控制单元使得所述辅助分支的所述半导体开关或每个半导体开关导通，以确定所述半导体开关是否是可操作的。
[14].根据段落[13]所述的电路中断设备，其中所述辅助分支包括带有开关分支的多个开关元件和/或至少一个开关元件，所述开关分支包括多个半导体开关，并且所述辅助切换控制单元或每个辅助切换控制单元控制相应半导体开关或每个相应半导体开关的切换，以选择性地同时导通所述辅助分支的所述多个半导体开关中的全部或一次导通所述辅助分支的所述多个半导体开关中的一个。
[15].根据段落[13]或段落[14]所述的电路中断设备，所述主切换控制单元和辅助切换控制单元分别控制所述开关装置和所述半导体开关或每个半导体开关的切换，从而以预定的时间间隔选择性地重复所述状态检查程序。
[16].根据段落[15]所述的电路中断设备，其中所述预定的时间间隔小于相应的第一分压器的第一能量储存臂部的保持时间。

Claims (13)

1.一种用于电路(32)的灭弧分支(28)，所述灭弧分支(28)包括：
缓冲电路(36)，包括能量储存臂(40)，其中所述能量储存臂(40)包括由第一联结点(46)分隔开以限定第一分压器的第一能量储存臂部和第二能量储存臂部，并且每个能量储存臂部包括至少一个能量储存器件(48,50)；以及
吸收器臂(38)，跨接在所述能量储存臂(40)两端，其中所述吸收器臂(38)包括由第二联结点(52)分隔开以限定第二分压器的第一吸收器臂部和第二吸收器臂部，并且每个吸收器臂部包括至少一个吸收器元件(54，56)，
其中所述第一联结点和第二联结点(46，52)被连接以限定分压桥，并且所述分压桥与所述电路(32)是可电耦接的，用于在使用时提供驱动电压以驱动所述电路(32)；
其中所述第一分压器的第一分压比等于所述第一能量储存臂部的阻抗与所述第一能量储存臂部和第二能量储存臂部的阻抗总和的比率，并且所述第二分压器的第二分压比等于所述第一吸收器臂部的阻抗与所述第一吸收器臂部和第二吸收器臂部的阻抗总和的比率，
其中所述第一分压比的大小与所述第二分压比不同，和/或其中所述第一能量储存臂部的阻抗大于所述第二能量储存臂部的阻抗。
2.根据权利要求1所述的灭弧分支(28)，其中所述第二分压比在1:100到1:50的范围内。
3.根据权利要求2所述的灭弧分支(28)，其中所述第二分压比为1:70。
4.根据前述任一权利要求所述的灭弧分支(28)，其中所述缓冲电路(36)还包括：
与所述能量储存臂(40)串联连接的无源电流抑制元件(42)；以及
跨接在所述无源电流抑制元件(42)两端的电阻元件(44)。
5.一种开关元件(26)，包括：
根据前述任一权利要求所述的灭弧分支(28)；
开关分支(30)，包括至少一个半导体开关(34)，所述至少一个半导体开关(34)是可切换的以选择性地允许电流流入所述开关分支(30)或将电流从所述开关分支(30)换向到所述灭弧分支(28)，以吸收和消散能量；以及
辅助切换控制单元(32)，用于控制所述半导体开关(34)或每个半导体开关(34)的切换，
其中所述分压桥被电耦接到所述辅助切换控制单元(32)，以便在使用时提供驱动电压以驱动所述辅助切换控制单元(32)。
6.根据权利要求5所述的开关元件(26)，其中所述开关分支(26)包括多个半导体开关(34)，并且所述辅助切换控制单元(32)控制所述多个半导体开关(34)的切换，以选择性地同时导通所述多个半导体开关的全部或一次导通所述多个半导体开关中的一个。
7.根据权利要求6所述的开关元件(26)，还包括至少一个电流传感器(113)，以测量流过每个半导体开关(34)的电流。
8.一种电路中断设备(10,110)，包括：
主分支(12)；
辅助分支(14)；以及
用于在使用时连接到电网(20)的第一端子和第二端子(16,18)，其中，所述主分支和辅助分支(12,14)在所述第一端子和第二端子(16,18)之间延伸，
其中，所述主分支(12)包括开关装置(22)，所述开关装置(22)是可切换的以选择性地在第一操作模式下允许电流流入所述主分支(12)或在第二操作模式下将电流从所述主分支(12)换向到所述辅助分支(14)，并且
所述辅助分支(14)包括根据权利要求5至7中任一项所述的至少一个开关元件(26)，其中所述开关元件(26)或每个开关元件(26)的所述开关分支(30)包括至少一个半导体开关(34)，所述至少一个半导体开关(34)是可切换的以选择性地在所述第二操作模式下允许电流流入所述开关分支(30)或者在所述第二操作模式下将电流从所述开关分支(30)换向到相应的灭弧分支(28)，以便吸收和消耗能量。
9.根据权利要求8所述的电路中断设备(10,110)，还包括多个无源电流抑制元件，与所述辅助分支并联连接以在所述第一端子和第二端子之间限定全桥结构。
10.根据权利要求8或9所述的电路中断设备(10,110)，还包括主切换控制单元(25)以控制所述开关装置(22)的切换，其中所述主切换控制单元和辅助切换控制单元(25,32)分别控制所述开关装置(22)和所述半导体开关(34)或每个半导体开关(34)的切换以选择性地执行状态检查程序，在所述状态检查程序中所述主切换控制单元(25)切换所述开关装置(22)以将电流从所述主分支(12)换向到所述辅助分支(14)，之后所述辅助切换控制单元(32)或每个辅助切换控制单元(32)使得所述辅助分支(14)的所述半导体开关(34)或每个半导体开关(34)导通，以确定所述半导体开关(34)是否是可操作的。
11.根据权利要求10所述的电路中断设备(10,110)，其中所述辅助分支(14)包括带有开关分支(30)的至少一个开关元件(26)，所述开关分支(30)包括多个半导体开关(34)，并且所述辅助切换控制单元(32)或每个辅助切换控制单元(32)控制相应半导体开关(34)或每个相应半导体开关(34)的切换，以选择性地同时导通所述辅助分支(14)的所述多个半导体开关(34)中的全部或一次导通所述辅助分支(14)的所述多个半导体开关(34)中的一个。
12.根据权利要求10所述的电路中断设备(10,110)，所述主切换控制单元和辅助切换控制单元(25，32)分别控制所述开关装置(22)和所述半导体开关(34)或每个半导体开关(34)的切换，从而以预定的时间间隔选择性地重复所述状态检查程序。
13.根据权利要求12所述的电路中断设备(10,110)，其中所述预定的时间间隔小于相应的第一分压器的第一能量储存臂部的保持时间。
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