CN105122408A - 电路中断设备 - Google Patents

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Abstract

一种电路中断设备(10)，包括：主支路(12)；辅支路(14)，具有高于主支路(12)的导通电阻的导通电阻；以及第一端子(16)和第二端子(18)，用于在使用中连接到电网络(20)，主支路(12)和辅支路(14)在第一端子(16)和第二端子(18)之间延伸；其中主支路(12)包括开关装置(22)，其可被切换为在正常运行模式中选择性地允许电流在主支路(12)中流动，或在故障运行模式中使电流从主支路(12)换向到辅支路(14)，并且辅支路(14)包括至少一个开关设备(26)，所述或每个开关设备包括至少一个常通开关元件，辅支路(14)进一步包括与所述或每个常通开关元件通信的控制单元，辅支路(14)进一步包括与控制单元电耦接的电力抽取电路；其中在正常运行模式期间，所述或每个常通开关元件处于导通状态来允许辅支路(14)传导电流，并且在故障运行模式期间，控制单元控制所述或每个常通开关元件切换到关断状态来禁止电流在辅支路(14)中流动，其中电力抽取电路从辅支路(14)中流动的电流抽取电力。

Description

电路中断设备
技术领域
本发明涉及电路中断设备及电路中断设备组件。
背景技术
在输电网络中，交流(AC)电力通常被转换成直流(DC)电力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。从而当需要长距离传输电力时，从AC到DC的转换变得具有成本效益。
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侧故障或能够呈现在DC输电线路或电缆两端具有低阻抗的短路的其他异常运行状况的影响。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。
在DC输电线路或电缆两端存在低阻抗可能不利于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坏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侧故障影响的传统手段是使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方案都是具有连接到DC侧的两个HVDC转换器的点对点方案，其中一个HVDC转换器用作具有电力整流能力的电源，而另一个HVDC转换器用作具有电力逆变能力的电力负载。因此，由于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需求的智能电网的智能和特征对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，从而可以使用并联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，如果在用于中断电流的限定时间段内未出现电流零点，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。
出于相同的理由，由于传统的AC断路器需要等到故障电流达到电流零点(此时故障电流能够被安全中断)，而电流零点在故障电流到达峰值且随后降落到零点之后发生，所以在故障电流的第一个半周期内执行AC中断存在固有的困难。此外，机械的AC断路器相对较慢并且占用若干周期(通常多达50-100ms)来清除故障电流，如图1中所示。这不仅会使得由于高故障交流电流产生的损坏增加，而且导致传统AC断路器固有的最短运行时间。
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(surgearrester)。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
根据本发明的一个方面，提供一种电路中断设备，包括：
主支路；
辅支路，具有高于所述主支路的导通电阻的导通电阻；以及
第一端子和第二端子，用于在使用中连接到电网络，所述主支路和辅支路在所述第一端子和所述第二端子之间延伸；
其中所述主支路包括开关装置，其可被切换为在正常运行模式中选择性允许电流在所述主支路中流动，或在故障运行模式中使电流从所述主支路换向到所述辅支路，并且所述辅支路包括至少一个开关设备，所述或每个开关设备包括至少一个常通开关元件，所述辅支路进一步包括与所述或每个常通开关元件通信的控制单元，所述辅支路进一步包括与所述控制单元电耦接的电力抽取电路；
其中在正常运行模式期间，所述或每个常通开关元件处于导通状态来允许所述辅支路传导电流，并且在故障运行模式期间，所述控制单元控制所述或每个常通开关元件切换到关断状态来禁止电流在辅支路中流动。
其中所述电力抽取电路从所述辅支路中流动的电流抽取电力。
应该理解根据本发明的电路中断设备不需要任何修改就可以作为DC电路中断设备来中断DC或作为AC电路中断设备来中断AC。因此，出于本说明书的目的，术语“电路中断设备”意图指代能中断DC或AC的设备。
图2a或图2b分别示出使用DC电路中断设备和被配置为能在故障电流仍升高时中断故障电流的超快、子周期的AC电路中断设备。在图2a中，DC电路中断设备的操作驱动(即，迫使)故障电流在故障发生之后于开始升高时降落到零点。在图2b中，AC电路中断设备的操作驱动(即，迫使)故障电流在故障发生之后于它的第一个半周期内开始升高时降落到零点。
图2a和图2b之间的唯一不同在于图2a中的电流在故障发生之前具有恒定值，而图2b中的电流在故障发生之前具有时变交流值。在另一方面，图2b中的电流在故障发生和强制电流零点之间在形状上类似于图2a中的电流在故障发生和强制电流零点之间的形状，并且因此在该阶段可以认为是准DC。图2a和图2b的电流在故障发生和强制电流零点之间的时间段中的相似性意味着超快、子周期的AC电路中断设备的中断电流的操作可以等同于DC电路中断设备的中断电流的操作。
因此应该理解，任何能中断直流电流的电路中断设备也能中断等效幅度的交流电流。还应该理解，任何能中断直流电流的电路中断设备具有不必等待自然电流零点的优点。
在电路中断设备的正常运行模式中，开关装置被闭合，并且因此电流从电网络流入所述主支路。同时，尽管在正常运行模式中所述或每个常通开关元件处于导通状态来允许所述辅支路传导电流，但是作为所述辅支路具有高于所述主支路的导通电阻的导通电阻的结果，几乎没有电流在所述辅支路中流动。
在电网络中发生故障导致在主支路中流动高故障电流的事件中，在电路中断设备的故障运行模式中，所述开关装置被断开来使故障电流从所述主支路换向到所述辅支路。由于在所述故障发生之前，所述或每个常通开关元件已经处于导通状态来允许所述辅支路传导电流，所以所述故障电流从所述主支路向所述辅支路的换向即刻发生。在所述故障电流从所述主支路换向到所述辅支路一段时间之后，所述控制单元关断所述或每个常通开关元件来完成所述电路中断过程。应该理解，所述电路中断设备可以可选地进一步包括一个或更多个能量吸收或耗散元件，例如缓冲电路或在EP0867998B1中描述的金属氧化物电涌吸收器，以辅助进行所述电路中断过程。
在所述或每个开关设备中的所述或每个常通开关元件的前述使用和配置使得所述故障电流即刻从所述主支路换向到所述辅支路，从而提高了在执行所述电路中断过程时所述电路中断设备的响应能力。
此外，所述或每个常通开关元件不需要被供能来处于导通状态。这样，在正常运行模式期间不必要为所述或每个常通开关元件提供恒定电能来维持其导通状态以允许所述辅支路传导电流，因此在运行成本和能量使用方面提高了所述电路中断设备的效率。
与此相反，在所述或每个开关设备中将所述或每个常通开关元件替换为常断开关元件将导致在所述开关装置被断开之后，故障电流分别在所述主支路和辅支路中传导之间的暂停，因此抑制了所述故障电流从所述主支路向所述辅支路的即刻换向。该暂停是由在所述开关装置被断开后，导通所述或每个常断开关元件来允许所述辅支路传导电流所使用的时间导致的。
在另一方面，通过在所述故障发生之前即在正常运行模式期间导通所述或每个常断开关元件来允许所述辅支路传导电流，将消除所述暂停。然而，常断开关元件将被供能以使得其导通，即使得其切换到导通状态，那么该方法将需要对所述或每个常断开关元件恒定供能来维持其导通状态，以允许所述辅支路在正常运行模式期间传导电流，从而导致更高的运行成本和更低的运行效率。
作为对所述或每个常断开关元件提供恒定电能的替代，所述或每个常断开关元件可以与电源装置关联，所述电源装置能即刻产生电力来使得所述控制单元能够导通所述或每个常通开关元件，并且因此允许所述辅支路即刻传导电流来响应于所述开关装置的断开。虽然这样的电源装置能减少与所述或每个常断开关元件的恒定供能关联的运行成本，但是设计和构建与电路中断设备兼容使用的电源装置将是复杂的和昂贵的，需要高水平的响应能力和可靠性，特别当所述电路中断设备在其辅支路中需要大量的开关设备时。
在故障运行模式中，所述或每个开关设备中的所述或每个常通开关元件的关断需要对每个常通开关元件供能。这样的供能由电力抽取电路提供，通过使用电力抽取电路来电耦接所述辅支路和所述控制单元，从在所述辅支路中流动的电流抽取电力来控制所述控制单元。这从而提供了具有本地获得电力用于驱动所述控制单元来关断所述或每个常通开关元件的能力的电路中断设备。
与之相反，增加到所述电路中断设备的单独的电源或增加用于从地电势供应电力到所述控制单元的硬件将不仅增加所述电路中断设备的结构复杂性，而且增加所述电路中断设备的成本和占地面积。此外，故障运行模式的持续期远远短于正常运行模式的持续期。这意味着单独的电源或硬件将被很少使用，并且因此操作单独的电源或硬件在运行成本和能量利用方面将变得低效。
从而，根据本发明的电路中断设备的结构实现了低成本、高能效的电路中断设备，其可以被设计来响应于关联的电网络中故障的发生，快速和可靠地执行电路中断过程。
所述辅支路中开关设备和常通开关元件的数量将根据设计要求改变，设计要求例如为关联的电力应用的额定电压和额定电流、损耗、响应时间。例如，所述辅支路可以包括串联连接的多个开关设备和/或每个开关设备可以包括并联连接的多个常通开关元件。
在所述或每个开关设备中使用的常通开关设备的类型还可以根据关联的电力应用的设计需求改变。例如，至少一个常通开关元件可以为半导体开关元件。所述半导体开关元件可以为耗尽型开关元件，例如为耗尽型MOSFET或JFET。至少一个常通开关元件可以包括宽带隙半导体材料，例如但不限于碳化硅、氮化镓或金刚石。
所述电力抽取单元可以被配置为在所述电路中断设备的所述正常和/或故障运行模式期间从所述辅支路中流动的电流抽取电力，如下所述。
例如，在故障运行模式期间，在电流从所述主支路换向到所述辅支路之后，所述电力抽取电路可以从所述辅支路中流动的电流抽取电力来驱动所述控制单元。
在本发明的实施例中，所述电力抽取电路可以包括与所述控制单元电耦接的电气模块，所述电气模块被连接到所述辅支路，使得当电流在所述辅支路中流动时，所述电气模块两端产生电压降。在所述正常和/或故障运行模式中，所述电气模块两端的所述电压降的存在允许所述电力抽取电路从所述辅支路中流动的所述电流抽取电力。
可选地，所述电气模块可以包括至少一个电阻性元件。
在故障运行模式中，虽然经过所述或每个电阻性元件的电流导致了电阻性损耗，但是故障运行模式的短持续期意味着所述电阻性损耗将最小化。
进一步可选地，所述电气模块可以包括至少一个电感性元件，例如电抗器或电流变压器的绕组。
当所述故障电流从所述主支路换向到所述辅支路时，所述辅支路出现具有短持续期的和高电流变化率的电流脉冲。所述电流脉冲的高电流变化率引起所述或每个电感性元件两端的电压降，从而使得所述电力抽取电路从所述辅支路中流动的电流抽取电力。
所述电气模块中所述电流变压器的使用免除了对任何电压隔离或“电平转换”的需要，而电压隔离或“电平转换”对于具有包括电阻器或电抗器的电气模块的开关设备来说通常是必需的。
所述电气模块可以被以各种方式连接在所述辅支路中来使得在所述正常和/或故障运行模式中，当电流在所述辅支路中流动时所述电气模块两端产生电压降。例如，所述电气模块可以与至少一个常通开关元件串联连接。
在本发明的采用电气模块的另外实施例中，所述电气模块可以包括至少一个常通开关元件。这允许所述电路抽取电路在所述正常和/或故障运行模式中，从在所述辅支路中流动的电流中通过利用当电流流动时所述或每个对应常通开关元件两端出现的导通状态电压来抽取电力。
根据本发明的第二方面，提供了一种电路中断设备组件，包括：
根据本发明第一方面的任一实施例的电路中断设备；以及
电流注入电路，包括：
至少一个电流源，用于将电流注入到所述电路中断设备的辅支路；以及
至少一个滤波臂，可操作地连接到所述电路中断设备的辅支路以在使用中禁止注入的电流流动到所述电网络。
使用中，在所述正常和/或故障运行模式中，所述或每个电流源可以被控制为注入电流到所述辅支路。设置所述电流注入电路使得所述电力抽取电路通过注入合适的电流从所述辅支路中流动的电流来可靠地抽取所需量的电力，因此提高了所述电路中断设备的可靠性。
当所述电路中断设备组件包括采用电气模块的电路中断设备组件时，当注入的电流在所述辅支路中流动时，在所述电气模块两端产生电压降，从而使得所述电力抽取电路从在所述辅支路中流动的注入的电流抽取电力。例如，当所述电气模块包括至少一个电感性元件时，所述或每个电流源可以被配置为注入纹波电流到所述辅支路以在所述或每个电感性元件两端引起电压降。
所述或每个滤波臂可以包括至少一个电感性元件，至少一个电容性元件和/或至少一个电阻性元件。
所述或每个滤波臂限定线路陷波器，其阻止注入的电流进入关联的电网络。所述或每个滤波臂可以以不同的配置可操作地连接到所述电路中断设备的所述辅支路，以禁止使用时注入的电流流到所述电网络中。所述不同配置的例子被描述如下。
在本发明的实施例中，所述电流注入电路可以包括：
一对第一滤波臂，每个第一滤波臂具有第一端部和第二端部，每个第一滤波臂的第一端部可连接到所述电网络；
一对第二滤波臂，每个第二滤波臂具有第一端部和第二端部，每个第二滤波臂的第一端部可连接到地或所述电网络，所述电路中断设备的所述辅支路与第二滤波臂连接来限定所述辅支路和第二滤波臂的π形结构，在所述π形结构中所述辅支路在所述一对第二滤波臂的第二端部之间延伸，所述π形结构连接在所述一对第一滤波臂之间，使得每个第一滤波臂的第二端部连接到相应一个第二滤波臂的第二端部。
在这样的实施例中，每个第一滤波臂的第一端部可以被连接到所述电路中断设备的所述第一端子和所述第二端子中相应的一个。这阻止了注入的电流在所述电路中断设备的所述主支路中流动。
在另一个这样的实施例中，每个第一滤波臂的第二端部可以被连接到所述电路中断设备的所述第一端子和所述第二端子中的相应一个。
当每个第一滤波器的第二端部被连接到所述电路中断设备的所述第一端子和所述第二端子中的相应一个时，所述电路中断设备组件可以进一步包括一对第三滤波臂，每个第三滤波臂具有第一端部和第二端部，其中每个第三滤波器的第一端部被连接到相应一个第二滤波臂的第一端部，并且每个第三滤波臂的第二端被连接到所述电网络。可选地，所述电路中断设备组件可以进一步包括根据本发明的第一方面的任一实施例的附加电路中断设备，所述附加电路中断设备被连接在所述一对第二滤波臂的第一端部之间。这样的电路中断设备组件可以直接连接在所关联的电网络的不同极之间。
在所述电流注入电路中的所述或每个电流源的位置可以改变。例如，至少一个分支(例如至少一个第二滤波臂)可以包括电流源和/或至少一个电流源可以与所述一对第二滤波臂的第二端部之间的第一端子和第二端子串联连接。
所述电流注入电路包括多个电流源。这允许为可靠性增加所述电流注入电路的冗余度。但是，应该理解所述电流注入电路可以使用单个电流源运行。
在采用电流注入电路的实施例中，所述电路中断设备组件可以包括用于储存和释放电力的储能元件，
其中在正常运行模式期间，所述或每个电流源注入电流到所述辅支路并且所述电力抽取电路从注入的电流中抽取用于储存在所述储能元件中的电力，并且
其中在故障运行模式期间，所述储能元件释放储存的电力来驱动所述控制单元。
储能元件的设置使得所述电路中断设备组件能在所述正常运行期间储存电力来确保可得到在所述故障模式运行期间驱动所述控制单元所需量的电力。这减小了对所述电力抽取电路在故障运行模式期间从所述辅支路中单独抽取足够电力的能力的依赖，因此提高了所述电路中断设备的可靠性。
所述储能元件可以被额定为使得它自己储存的电力或与在故障运行模式中从所述故障电流中抽取的电力的组合足够驱动所述控制单元。
所述储能元件与所述控制单元集成或可以为与所述控制单元分离的部件。
在采用所述电流注入电路的其他实施例中，在故障运行模式期间，所述或每个电流源可以注入电流到所述辅支路。所述或每个电流源可以额定为使得它自己注入的电流或与所述故障电流的组合足够来使得所述电力抽取电路能从在所述辅支路中流动的电流抽取驱动所述控制单元所需量的电力。
应该理解，在采用多个常通开关元件的实施例中，所述电路中断设备可以包括与多个常通开关元件通信的单个控制单元，或每个控制单元与多个常通开关元件中相应一个通信的多个控制单元。
还应该理解，在采用多个控制单元的实施例中，所述电路中断设备可以包括单个电力抽取电路，其可以与多个控制单元中的每个电耦接，或者包括多个电力抽取电路，其中每个电力抽取电路与所述多个控制单元中的相应一个电耦接。
此外，在所述电路中断设备中，所述控制单元和电力抽取电路的数量可以对应于开关设备和/或常通开关元件的数量。
附图说明
现在将参考附图以举例的方式描述本发明优选的实施例，附图中：
图1示出使用传统AC断路器的电流中断；
图2a和图2b分别示出使用DC电路中断设备和超快、子周期的AC电路中断设备的例子；
图3以示意图形式示出根据本发明第一实施例的电路中断设备；
图4以示意图形式示出形成图3的电路中断设备的辅支路的一部分的开关设备的结构；
图5以示意图形式示出形成根据本发明第二实施例的电路中断设备的辅支路的一部分的开关设备的结构；
图6以示意图形式示出形成根据本发明第三实施例的电路中断设备的辅支路的一部分的开关设备的结构；
图7以示意图形式示出形成根据本发明第四实施例的电路中断设备的辅支路的一部分的开关设备的结构；以及
图8示出根据本发明第五实施例的电路中断设备组件；
图9示出根据本发明第六实施例的电路中断设备组件；
图10示出根据本发明第七实施例的电路中断设备组件；以及
图11示出根据本发明第八实施例的电路中断设备组件。
具体实施方式
根据本发明的第一实施例的第一电路中断设备10在图3中示出。
电流中断设备10包括主支路12、辅支路14以及第一端子16和第二端子18。主支路12和辅支路14中的每个均在第一端子16和第二端子18之间延伸。
使用中，第一端子16和第二端子18被连接到DC电网络20。
主支路12包括开关装置22，其包括机械开关元件22a(例如真空断路开关)，机械开关元件22a与绝缘栅双极晶体管(IGBT)形式的多个半导体开关元件22b串联连接。第一电路中断设备10进一步包括主控制单元24来控制开关装置22的开关。
在本发明的其他实施例中，设想开关装置22中的开关元件的类型和数量可以根据主支路12的设计需求改变。
辅支路14连接在主支路12两端并且包括多个串联连接的第一开关设备26。
图4以示意图形式示出每个第一开关设备26的结构。每个第一开关设备26包括常通开关元件28、辅控制单元30和电力抽取电路32。
每个第一开关设备26的常通开关元件28为耗尽型结型场效应晶体管(JFET)。设想在本发明的其他实施例中，每个耗尽型JFET可以包括宽带隙半导体材料，例如碳化硅、氮化镓、金刚石或其他任何合适的半导体材料和/或每个耗尽型JFET可以被其他类型的常通开关元件取代，例如，任何类型的耗尽型开关元件。
可选地每个第一开关设备26可以包括多个并联连接的常通开关元件，而不是单个的常通开关元件28，以改变每个第一开关设备26的额定电流。
每个第一开关设备26的辅控制单元30包括电源单元34和控制电子设备36来控制对应的常通开关元件28的开关。
每个第一开关设备26的电力抽取电路32包括具有电阻器38的电气模块。每个第一开关设备26的电阻器38与对应的常通开关元件28串联连接。每个辅控制单元30的电源单元被电连接到对应的电气模块的两端。通过这种方式，每个第一开关设备26的电力抽取电路32与对应的辅控制单元30电耦接。
每个第一开关设备26进一步包括缓冲电路40以及能量吸收元件42，缓冲电路40以及能量吸收元件42中每个都被连接到对应的常通开关元件28的两端。每个能量吸收元件42为电涌吸收器的形式。
主支路12和辅支路14的部件被额定为使得辅支路14的导通电阻高于主支路12的导通电阻。
图3的第一电路中断设备10中断DC电网络20中的电流的操作被描述如下。
在第一电路中断设备10的正常运行模式中，开关装置22被闭合并且来自DC电网络20的电流在主支路12中流动。同时在正常运行模式中，每个常通开关元件28处于导通状态来允许辅支路14传导电流。作为辅支路14的导通电阻高于主支路12的导通电阻的结果，几乎没有电流在辅支路14中流动。
DC电网络20中的故障或其他异常运行条件可以导致高故障电流流过DC电网络20。
在第一电路中断设备10的故障运行模式中，响应于DC电网络20中的高故障电流的事件，主控制单元24控制开关装置22的开关断开以将电流从主支路12换向到辅支路14。由于在故障发生之前每个常通开关元件28已经处于导通状态来允许辅支路14传导电流，因此故障电流从主支路12换向到辅支路14即刻发生。
在该阶段辅支路14出现具有短持续期的和高电流变化率的电流脉冲，高电流变化率通常为1到10A/μs，并且因此辅支路14中电流的流动导致在每个第一开关设备26的电阻器38两端出现电压降。每个第一开关设备26的电阻器38被额定为使得在故障运行模式中每个第一开关设备26的电阻器38两端出现的电压降适合于驱动对应的辅控制单元30，即，电源单元34的电力能使控制电子设备36关断对应的常通开关元件28。通过这种方式，每个第一开关设备26的电力抽取电路32能在本地产生用于驱动对应的辅控制单元30的电力。
在故障电流从主支路12换向到辅支路14一段时间之后，每个第一开关设备26的辅控制单元30的控制电子设备36关断对应的常通开关元件28来禁止电流在辅支路14中流动，并且从而将故障电流换向到对应的缓冲电路40和能量吸收元件42来完成电路中断过程。
多个常通开关元件28在辅支路14中的前述使用和配置使故障电流能够从主支路12即刻换向到辅支路14，从而在执行电路中断过程时提高了第一电路中断设备10的响应能力。
此外，常通开关元件28不需要被供能来处于导通状态。这样，在正常运行模式期间不必要为所述或每个常通开关元件28提供恒定电能来维持其导通状态以允许辅支路14传导电流，因此在运行成本和能量使用方面提高了电路中断设备10的效率。
因此，图3的第一电路中断设备10的配置实现了低成本和高能效的电路中断设备，其可以被设计来响应于在DC电网络20中发生的故障，快速地和可靠地执行电路中断过程。
根据本发明第二实施例的形成第二电路中断设备的辅支路14的一部分的第二开关设备126在图5中示出。第二电路中断设备的辅支路14包括多个串联连接的第二开关设备126。第二电路中断设备在结构和操作方面类似于图3的第一电路中断设备10，如图5所示的每个第二开关设备126在结构和操作方面类似于如图4所示的每个第一开关设备26，并且相似的特征共用相同的附图标记。
每个第二开关设备126不同于每个第一开关设备26之处在于每个第二开关设备126的电气模块包括电抗器44，取代图4中所示的电阻器38。
在故障电流从主支路12换向到辅支路14之后，电流脉冲的高电流变化率引起每个第二开关设备126的电抗器44两端的电压降，并且从而使每个第二开关设备126的电力抽取电路32能够从辅支路14中流动的电流抽取电力来驱动对应的辅控制单元30。每个第二开关设备126的电抗器44被额定为使得在故障运行模式中在每个第二开关设备126的电抗器44两端出现的电压降适于驱动对应的辅控制单元30。
根据本发明第三实施例的形成第三电路中断设备的辅支路14的一部分的第三开关设备226在图6中示出。第三电路中断设备的辅支路14包括多个串联连接的第三开关设备226。第三电路中断设备在结构和操作方面类似于第二电路中断设备，如图6所示的每个第三开关设备226在结构和操作方面类似于如图5所示的每个第二开关设备126，并且相似的特征共用相同的附图标记。
每个第三开关设备226不同于每个第二开关设备126之处在于，每个第三开关设备226的电气模块包括电流变压器46的第一绕组，取代如图5所示的电抗器44。
在故障电流从主支路12换向到辅支路14之后，电流脉冲的高电流变化率引起每个第三开关设备226的电流变压器46的第一绕组两端的电压降。这进而引起对应的第二绕组两端的电压降并从而使每个第三开关设备226的电力抽取电路32能够从辅支路14中流动的电流抽取电力来驱动对应的辅控制单元30。每个第三开关设备226的电流变压器46被额定为使得在故障运行模式中其第一绕组两端出现的电压降适于来驱动对应的辅控制单元30。
电流变压器46在每个第三开关设备226的电气模块中的使用免除了对任何电压隔离或“电平转换”的需要，而电压隔离或“电平转换”对于具有包括电阻器或电抗器的电气模块的开关设备来说通常是必需的。
根据本发明第四实施例的形成第四电路中断设备的辅支路14的一部分的第四开关设备326在图7中示出。第四电路中断设备的辅支路14包括多个串联连接的第三开关设备326。第四电路中断设备在结构和操作方面类似于图3的第一电路中断设备10，如图7所示的每个第四开关设备326在结构和操作方面类似于如图4所示的每个第一开关设备26，并且相似的特征共用相同的附图标记。
每个第四开关设备226不同于每个第一开关设备26之处在于：
·每个第四开关设备326省略了如图4所示的电阻器38；
·每个第四开关设备326的电气模块包括常通开关元件28。
通过这种方式，当在故障运行模式中故障电流在辅支路14中流动时，每个第四开关设备326的电力抽取电路32能够通过利用在对应的常通开关元件28两端出现的导通状态电压从辅支路14中流动的电流抽取电力。
根据本发明第五实施例的第一电路中断设备组件70在图8中示出。
第一电路中断设备组件70包括第五电路中断设备110。第五电路中断设备110的辅支路14包括多个串联连接的第五开关设备。第五电路中断设备110在结构和操作方面类似于第二电路中断设备，每个第五开关设备在结构和操作方面类似于如图5所示的每个第二开关设备126，并且相似的特征共用相同的附图标记。
第一电路中断设备组件70进一步包括电流注入电路。电流注入电路包括一对第一滤波臂48和一对第二滤波臂50。
每个第一滤波臂48具有第一端部52和第二端部54，并且包括辅助的电抗器。在使用中，第一滤波臂48的第一端部52被连接到一对DC电网络56a、56b中相应一极。每个第一滤波臂48的第二端部54被连接到第五电路中断设备110的第二端子16、18中的相应一个。
每个第二滤波臂50具有第一端部58和第二端部60，并且包括辅助的电容器。在使用中，每个第二滤波臂50的第一端部58被连接到地。
第五电路中断设备110的辅支路14与第二滤波臂50连接来限定辅支路14和第二滤波臂50的π形结构，其中辅支路14在第二滤波臂50的第二端部60之间延伸。π形结构被连接在第一滤波臂48之间，使得每个第一滤波臂48的第二端部54被连接到相应一个第二滤波臂50的第二端部60。
电流注入电路进一步包括驱动变压器62形式的电流源。驱动变压器62形成一个第二滤波臂50的一部分，使得该第二滤波臂50包括串联连接的驱动变压器62和辅助电容器。另外，驱动变压器62被连接在对应的辅助电容器和地之间。
将驱动变压器62连接在电流注入电路的地侧电势上免除了在驱动变压器上安装高电压绝缘的需要，由此减小了其制造成本。
设想在其他实施例中，驱动变压器62可以被连接在辅助电容器的不连接到地的另一侧，即，电流注入电路的高电压侧电势。
在其他实施例中，设想电流注入电路可以包括多个电流源。这允许出于可靠性原因而在电流注入电路中包括冗余度。
在第五电路中断设备110的故障运行模式中，驱动变压器62被控制为将纹波电流注入到辅支路14中。辅支路14中纹波电流的流动引起每个第五开关设备的电气模块的电抗器两端的电压降，并且由此使得每个第五开关设备的电力抽取电路能够从辅支路14中流动的纹波电流抽取电力。
第一滤波臂48和第二滤波臂50形成线路陷波器(linetrap)，其提供通过第五电路中断设备110和第二滤波臂50的电流环返回路径64。电流注入电路中包含线路陷波器阻止了注入的纹波电流进入DC电网络56a、56b。图8中示出的线路陷波器使用第一阶滤波网络但是可以具有带有多个电感性、电容性和电阻性元件的更高阶滤波，取代图8所示的一对辅助电抗器和辅助电容器。
因此电流注入电路使得每个第五开关设备的电力抽取电路能够通过合适的纹波电流的注入，可靠地从辅支路14中流动的电流抽取所需量的电力，因此提高了第五电路中断设备110的可靠性。
驱动变压器62可以被额定为使得注入的电流本身或与故障电流的组合足够使得电力抽取电路从辅支路14中流动的电流抽取所需量的电力用以关断对应的常通开关元件28。
应该理解，如果每个第五开关设备的电抗器被图6中所示的电流变压器46的第一绕组取代，那么第一电路中断设备组件70的电流注入电路将以类似的方式操作。
根据本发明第六实施例的第二电路中断设备组件170在图9中示出。图9的第二电路中断设备组件170在结构和操作方面类似于图8的第一电路中断设备组件70，并且相似的特征共用相同的附图标记。
第二电路中断设备组件170不同于第一电路中断设备组件70之处在于，在第二电路中断设备组件170中，驱动变压器62被连接到第五电路中断设备110的第一端子16，使得驱动变压器62在两个第二滤波臂50的第二端部60之间与第一端子16和第二端子18串联连接。
可替换地，在其他实施例中，驱动变压器62可以被连接到第五电路中断设备110的第二端子18，使得驱动变压器62在两个第二滤波臂50的第二端部60之间与第一端子16和第二端子18串联连接。
根据本发明第七实施例的第三电路中断设备组件270在图10中示出。图10的第三电路中断设备组件270在结构和操作方面类似于图8的第一电路中断设备组件70，并且相似的特征共用相同的附图标记。
第三电路中断设备组件270不同于第一电路中断设备组件70之处在于，在第三电路中断设备组件中：
·每个第一滤波臂48的第一端部52被进一步连接到第五电路中断设备110的第一端子16和第二端子18中的相应一个；
·每个第一滤波臂48的第二端部54未连接到第五电路中断设备组件110的第一端子16和第二端子18中的相应一个；
第五电路中断设备组件110进一步包括多个储能元件(没有示出)，用于储存和释放电力，每个储能元件为电容器的形式。
因此，辅支路14和第一滤波臂48被连接在第五电路中断设备110的第一端子16和第二端子18之间。
每个储能元件与多个第五开关设备中相应一个辅控制单元集成。可选地，在其他实施例中，每个储能元件可以为与对应的辅控制单元分离的部件。此外，在其他实施例中，每个储能元件可以为能够储存和释放电力的任意器件(除了电容器)，例如为蓄电池。
在第五电路中断设备110的正常运行模式中，驱动变压器62被控制为将纹波电流注入到辅支路14中。纹波电流在辅支路14中的流动引起每个第五开关设备的电气模块的电抗器两端的电压降，并且从而使得每个第五开关设备的电力抽取电路能够从辅支路14中流动的纹波电流抽取电力。然后将抽取的电力储存在储能元件中。
第一滤波臂48和第二滤波臂50限定线路陷波器，其提供通过第五电路中断设备110的辅支路114和第二滤波臂50的电流环返回路径64。这阻止了注入的电流进入第五电路中断设备110的主支路12和DC电网络56a、56b。
在第五电路中断设备110的故障运行模式中，每个储能元件被配置为释放储存的电力来驱动对应的辅控制单元以关断对应的常通开关元件28。
储能元件的设置使得电路中断设备组件能够在正常运行模式期间储存电力来确保可得到在故障运行模式期间驱动每个辅控制单元的所需量的电力。这减小了对电力抽取电路在故障运行模式期间只从辅支路中流动的故障电流抽取足够电力的能力的依赖，因此提高了电路中断设备的可靠性。
每个储能元件被额定为使得所储存的电力本身或与在故障运行模式中从故障电流中抽取的电力的组合足够来驱动对应的辅控制单元。
根据本发明第八实施例的第四电路中断设备组件370在图11中示出。图11的第四电路中断设备组件370在结构和操作方面类似于图8的第一电路中断设备组件70，并且相似的特征共用相同的附图标记。
第四电路中断设备组件370不同于第一电路中断设备组件70之处在于第四电路中断设备组件370进一步包括一对第三滤波臂72和附加电路中断设备210。
每个第三滤波臂72具有第一端部74和第二端部76。每个第三滤波臂72的第一端部74被连接到相应一个第二滤波臂50的第一端部58。在使用中，每个第三滤波臂72的第二端部76被连接到相应一对DC电网络56a、56b中的另一极。通过这种方式，电流注入电路被直接连接在DC电网络56a、56b的不同极之间。
附加电路中断设备210的辅支路14包括串联连接的多个附加开关设备。附加电路中断设备210在结构和操作方面类似于第五电路中断设备110，每个附加开关设备在结构和操作方面类似于每个第五开关设备，并且相似的特征共用相同的附图标记。附加电路中断设备210被连接在两个第二滤波臂50的第一端部58之间。
通过这种方式，第一滤波臂48、第二滤波臂50、第三滤波臂72形成了通过第五电路中断设备110、附加电路中断设备210和第二滤波臂50的电路环返回路径78。
在第五电路中断设备110的故障运行模式中，驱动变压器62被控制为将纹波电流注入到每个第五电路中断设备110和附加电路中断设备210的辅支路14中。每个第五电路中断设备110和附加电路中断设备210的辅支路14中纹波电流的流动引起第五开关设备和附加开关设备中每个的电气模块的电抗器两端的电压降，并且因而使得第五开关设备和附加开关设备中每个的电力抽取电路能够从在每个第五电路中断设备110和附加电路中断设备210的辅支路14中流动的纹波电流抽取电力。
所以，第四电路中断设备组件370的配置允许使用带有多个电路中断设备110、210的单个电流注入电路，以允许通过注入合适的纹波电流从多个电路中断设备110、210中每个的辅支路14中流动的电流可靠地抽取所需量的电力。这不仅提高了第五电路中断设备和附加电路中断设备的可靠性，而且从操作成本和硬件方面看提高了第五电路中断设备和附加电路中断设备的效率。

Claims (21)

1.一种电路中断设备，包括：
主支路；
辅支路，具有高于所述主支路的导通电阻的导通电阻；以及
第一端子和第二端子，用于在使用中连接到电网络，所述主支路和辅支路在所述第一端子和所述第二端子之间延伸；
其中所述主支路包括开关装置，其能够被切换为在正常运行模式中选择性地允许电流在所述主支路中流动，或在故障运行模式中使得电流从所述主支路换向到所述辅支路，并且所述辅支路包括至少一个开关设备，所述或每个开关设备包括至少一个常通开关元件，所述辅支路进一步包括与所述或每个常通开关元件通信的控制单元，所述辅支路进一步包括与所述控制单元电耦接的电力抽取电路；
其中在正常运行模式期间，所述或每个常通开关元件处于导通状态以允许所述辅支路传导电流，并且在故障运行模式期间，所述控制单元控制所述或每个常通开关元件切换到关断状态以禁止电流在所述辅支路中流动，
其中所述电力抽取电路从所述辅支路中流动的电流抽取电力。
2.根据权利要求1所述的电路中断设备，其中在故障运行模式期间，在电流从所述主支路换向到所述辅支路之后，所述电力抽取电路从所述辅支路中流动的电流抽取电力。
3.根据权利要求1或2所述的电路中断设备，其中至少一个常通开关元件为半导体开关元件。
4.根据权利要求3所述的电路中断设备，其中所述半导体开关元件为耗尽型开关元件。
5.根据任一前述权利要求所述的电路中断设备，其中至少一个常通开关元件包括宽带隙半导体材料。
6.根据任一前述权利要求所述的电路中断设备，其中所述电力抽取电路包括与所述控制单元电耦接的电气模块，所述电气模块被连接到所述辅支路，使得当电流在所述辅支路中流动时，在所述电气模块两端产生电压降。
7.根据权利要求6所述的电路中断设备，其中所述电气模块包括至少一个电阻性元件和/或至少一个电感性元件。
8.根据权利要求6或7所述的电路中断设备，其中所述电气模块与至少一个常通开关元件串联连接。
9.根据权利要求6到8中任一项所述的电路中断设备，其中所述电气模块包括至少一个常通开关元件。
10.一种电路中断设备组件，包括：
根据任一前述权利要求所述的电路中断设备；以及
电流注入电路，包括：
至少一个电流源，用于将电流注入到所述电路中断设备的所述辅支
路中；以及
至少一个滤波臂，可操作地连接到所述电路中断设备的所述辅支路
以在使用中禁止注入的电流流动到所述电网络中。
11.根据权利要求10所述的电路中断设备组件，其中所述或每个滤波臂包括至少一个电感性元件，至少一个电容性元件和/或至少一个电阻性元件。
12.根据权利要求10或11所述的电路中断设备组件，其中所述电流注入电路包括：
一对第一滤波臂，每个第一滤波臂具有第一端部和第二端部，每个第一滤波臂的第一端部能够连接到所述电网络；
一对第二滤波臂，每个第二滤波臂具有第一端部和第二端部，每个第二滤波臂的第一端部能够连接到地或所述电网络，所述电路中断设备的所述辅支路与第二滤波臂连接来限定所述辅支路和第二滤波臂的π形结构，在所述π形结构中所述辅支路在所述一对第二滤波臂的第二端部之间延伸，所述π结构连接在所述一对第一滤波臂之间，使得每个第一滤波臂的第二端部连接到相应一个第二滤波臂的第二端部。
13.根据权利要求12所述的电路中断设备组件，其中每个第一滤波臂的第一端部被连接到所述电路中断设备的所述第一端子和所述第二端子中的相应一个。
14.根据权利要求12所述的电路中断设备组件，其中每个第一滤波臂的第二端部被连接到所述电路中断设备的所述第一端子和所述第二端子中的相应一个。
15.根据权利要求14所述的电路中断设备组件，进一步包括一对第三滤波臂，每个第三滤波臂具有第一端部和第二端部，其中每个第三滤波器的第一端部被连接到相应一个第二滤波臂的第一端部，并且每个第三滤波臂的第二端部能够被连接到所述电网络。
16.根据权利要求15所述的电路中断设备组件，进一步包括附加的根据权利要求1到9中任一项所述的电路中断设备，所述附加电路中断设备连接在所述一对第二滤波臂的第一端部之间。
17.根据权利要求12到16中任一项所述的电路中断设备组件，其中至少一个第二滤波臂包括电流源。
18.根据权利要求12到17中任一项所述的电路中断设备组件，其中至少一个电流源在所述一对第二滤波臂的第二端部之间与所述第一端子和所述第二端子串联连接。
19.根据权利要求10到18中任一项所述的电路中断设备组件，包括用于储存和释放电力的储能元件，
其中在正常运行模式期间，所述或每个电流源将电流注入到所述辅支路中并且所述电力抽取电路从注入的电流抽取电力用于储存在所述储能元件中，并且
其中在故障运行模式期间，所述储能元件释放所储存的电力以驱动所述控制单元。
20.根据权利要求19所述的电路中断设备组件，其中所述储能元件与所述控制单元集成或为与所述控制单元分离的部件。
21.根据权利要求10到20中任一项所述的电路中断设备组件，其中在故障运行模式期间，所述或每个电流源将电流注入到所述辅支路中。
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