CN105515557A - 直流断路器及使用该直流断路器的方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种直流(DC)断路器，其包括第一线路，其中，第一高速开关和功率半导体开关被串联连接；第二线路，其中，多个第二高速开关、多对并联连接的第一非线性电阻器和电力熔丝、以及电阻器被串联连接；以及第三线路，其包括第二非线性电阻器。所述第一线路、所述第二线路以及所述第三线路被并联连接。

Description

直流断路器及使用该直流断路器的方法
技术领域
本公开该涉及直流(DC)断路器和使用该直流断路器的方法。更具体地，本公开涉及用于在设备的维护或替换时或者当在系统的传输线或配电线中发生故障电流时快速地且高效地中断高压直流电(HVDC)系统以便保护设备以及系统的DC断路器。本公开还涉及使用该DC断路器的方法。
背景技术
一般地，DC断路器被用于在设备的维护或替换时或者当在系统的传输线或配电线中发生故障电流时快速地且高效地中断高压直流电(HVDC)系统以便保护设备以及系统。
最近，DC断路器趋向于设计有功率半导体开关，其具有较短的响应时间，并且在发生故障时很少会损坏相邻线路。遗憾的是，采用功率半导体开关的此类DC断路器遭受大的电流损耗，并且因此不适合于HVDC传输。具体地，要求例如大量的功率半导体开关(约数十至数百个功率半导体开关)来传导HVDC传输。另外，此类大量的功率半导体开关导致电流损耗。
已经提出了用以改善此类缺点的方法，其在图1和2中示出。将参考图1和2来描述该方法。
图1示出了在参考文献中公开的固态断路器的基础元件6。固态断路器是下面将进一步描述的主要和辅助断路器。基础元件6包括设置在第一电流方向4上的功率半导体开关1和反并联地连接到功率半导体开关1的续流二极管(free-wheelingdiode)2。
在图2中描绘的设备的示例中使用基础元件6。断路器13如图2中所示与传输线14串联连接。传输线14是HVDC传输线。断路器13包括主断路器8，其包括：数十个至数百个(取决于电压水平)串联连接的基础元件6；被并联连接到主断路器8的非线性电阻器11；以及被串联连接的高速开关10和辅助断路器9，其被并联连接到主断路器8和非线性电阻器11。辅助断路器9包括仅一个基础元件6。虽然高速开关10被示为一个机械开关，但其包括被串联连接并同时地操作的至少两个机械开关。反应器12被串联连接到断路器13以限制电流额定值。
在参考文献中公开的断路器13的操作如下。
在额定电流操作期间，高速开关10以及主断路器8和辅助断路器9被闭合，使得额定电流流过高速开关10和辅助断路器9。
当由在线路上发生的缺陷引起故障电流时，辅助断路器9在接收到辅助断路器打开信号之后的几微秒内立即打开，促使故障电流流向主断路器8。高速开关10等待一会儿以确信辅助断路器9被打开，并且然后被打开。在高速开关10的打开被打开之后，主断路器8在几微秒内立即被打开。当主断路器8被打开时，故障电流被引导流向非线性电阻器11，并且然后电流水平减小且电压被限制。
然而，参考文献中的主断路器8要求被串联连接的数十至数百个功率半导体开关以供在几百kV下操作的HVDC系统中使用。由于功率半导体开关是昂贵的，所以DC断路器的制造成本增加。。
发明内容
鉴于上述内容，本公开提供了一种DC断路器以及使用该DC断路器的方法，该DC断路器可以减少额定电流操作期间的传导损耗，并且可以通过在不采用功率半导体的情况下构造主断路器来以低成本制造。
根据本公开的一方面，提供了一种DC断路器。该DC断路器包括：第一线路20，其中，第一高速开关21和功率半导体开关22被串联连接；至少一个第二线路30，其中，多个第二高速开关31、多对并联连接的第一非线性电阻器32和电力熔丝33、以及电阻器被串联连接；以及第三线路40，其包括第二非线性电阻器。此外，第一线路、第二线路以及第三线路被并联连接。
可将第二高速开关分别地在所述多对之前和之后布置在第二线路中。
第二高速开关可具有低于第一高速开关的电压容量。
功率半导体开关可以是绝缘栅双极晶体管(IGBT)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOS)、集成门极换流晶闸管(IGCT)以及门极可关断晶闸管(GTO)。
该DC断路器还可包括：电流测量单元，其设置在被并联连接的第一线路、第二线路和第三线路的并联连接之前。
DC断路器还可包括：快速故障检测器，其被连接到电流测量单元并被配置成向第一高速开关和第二高速开关或功率半导体开关发送打开信号。
DC断路器可包括被配置成被并联连接的多个第二线路。
DC断路器可由被串联连接的单元器件组成，其中的每一个是上述DC断路器中的一个，其中第一线路、第二线路和第三线路被并联连接。
根据本公开的另一方面，提供了一种使用DC断路器的方法。该方法包括：制备DC断路器，其包括：第一线路，其中，第一高速开关和功率半导体开关被串联连接；第二线路，其中，多个第二高速开关、多对并联连接的的第一非线性电阻器和电力熔丝、以及电阻器被串联连接；以及第三线路，其包括第二非线性电阻器；打开第一高速开关且然后在预定时间段之后关断功率半导体开关，使得电流绕过第一线路而流至第二线路；在电力熔丝被熔化时中断流过第二线路的电流，流过第二线路的此电流被引导流至第三线路；并且通过第二非线性电阻器来减小流过第三线路的电流。
该方法还可包括在所述制备之后通过电流测量单元来检测故障电流。
该方法还包括如果由电流测量单元检测到故障电流，则通过使用快速故障检测器来向第一高速开关、第二高速开关和功率半导体开关发送打开信号。
为了在稳态电流流动的同时中断额定电流以用于设备维护，可首先打开第二高速开关，并且然后在预定时间段之后打开第一高速开关。
用根据本公开的方面的DC断路器，可以通过出于断开故障电流的目的将断路器配置成包括高速开关及多对非线性电阻器和限流电力熔丝来降低制造成本。
此外，由于限流电力熔丝的优点在于其具有小的尺寸但却大的断路容量，所以DC断路器可以被制得较小且较轻并容易维护。
在使用根据本公开的另一方面的DC断路器的方法中，可使DC断路器在两个不同模式下操作：用于设备的维护和替换目的的额定电流中断模式、和当在线路中发生故障时的故障电流中断模式。因此，可以避免替换限流电力熔丝(这在系统被中断时在系统中频繁地发生)。结果，可以进一步降低维护成本。
附图说明
根据结合附图给出的示例性实施例的以下描述，本公开的上述及其它方面、特征和优点将变得显而易见，在所述附图中：
图1是根据现有技术的DC断路器的元件的框图；
图2是根据现有技术的DC断路器的元件的框图；
图3是根据本公开的实施例的DC断路器的框图。
图4是根据本公开的另一实施例的DC断路器的框图；以及
图5是根据本公开的另一实施例的DC断路器的框图。
具体实施方式
下面将参考附图来详细地描述本公开的优选示例性实施例。将详细地描述本公开以使得本领域的技术人员能够容易地实施本公开。然而，本公开的技术思想和范围不限于此。
将参考附图来详细地描述根据本公开的实施例的DC断路器。
图3是根据本公开的实施例的DC断路器的框图。
参考图3，DC断路器包括：第一线路20，其中，高速开关21和功率半导体开关22被串联连接；第二线路30，其中，高速开关31、多对并联连接的非线性电阻器32和电力熔丝33、以及电阻器36被串联连接；以及第三线路40，其包括非线性电阻器41。第一线路20、第二线路30以及第三线路40被相互并联地连接。
第一线路20由被串联连接的高速开关21和功率半导体开关22组成。第一线路20负责额定电流的传导。也就是说，第一线路20充当主电路。
高速开关21将有效地控制在电力系统中发生的故障电流，并被用来引导故障电流快速地流至另一电路。
高速开关21包括：被连接到主电路且被配置成打开和闭合主电路的真空断路器、被耦合到真空断路器的可活动部分并提供接触压力的接触压力弹簧、被连接到接触压力弹簧的绝缘棒、被连接到所述绝缘棒并提供用于打开和闭合的驱动力的永磁致动器、被连接到所述永磁致动器的驱动线圈、向所述驱动线圈或线圈部分提供放电电流的电容器等。可使用在交流电(AC)电力系统中所使用的典型断路器作为高速开关21。在那种情况下，取决于施加于第一线路20的电压水平，可使用气体绝缘开关设备、真空断路器等。
功率半导体开关22被用于功率转换和控制中的高电压和大电流。可以通过使用可以执行电流的接通和关断的IGBT(绝缘栅双极晶体管)、MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)、IGCT(集成门极换流晶闸管)、GTO(门极可关断晶闸管)来配置功率半导体开关22。
第二线路20由高速开关31、多对电力熔丝33和非线性电阻器32、以及电阻器36组成。也就是说，一个电力熔丝33和一个非线性电阻器32被并联连接为一对，并且多个这种对被串联连接为多个级。当发生故障电流时，第二线路300限制并断开故障电流。也就是说，第二线路30充当主断开电路。
电力熔丝33被构造成具有低于功率半导体开关22的电压容量。电力熔丝33可以是限流电力熔丝。在相应对中的每个电力熔丝33将施加于直流断路器的电压相等地划分。
例如可使用放电器(arrestor)作为非线性电阻器32。非线性电阻器32针对在电流被中断时施加于电力熔丝33的过电压而保护设备。
被并联连接的一对电力熔丝33和非线性电阻器32组成单元。此类单元的数目是根据DC断路器的电压水平确定的。
第二高速开关31被分别地设置在被串联连接的所述多对之前和之后。在第二线路30中提供的高速开关31可以是与设置在第一线路20中的高速开关21相同种类的高速开关。当两个高速开关31被设置在第二线路30中时，所以高速开关31只须覆盖由高速开关21所覆盖的电压的一半。因此，设置在第二线路30中的高速开关31可由具有低于设置在第一线路20中的高速开关21的电压水平的开关构成。
电阻器36被用来控制在第一线路20和第二线路30中流动的电流。电阻器36用于在电流被断开时限制电流。因此，可以调整电力熔丝33的熔化时间。
非线性电阻器41被设置在第三线路40中。第三线路40用于最终减小故障电流并限制电压。
电流测量单元50和快速故障检测器(FFD)55被设置在电路的前端以测量流过传输和配电线60的电流。当发生大于预定电流值的故障电流时，操作信号被连续地发送到高速开关21和31及功率半导体开关22，并且然后操作DC断路器100。
根据本公开的实施例的DC断路器被与DC传输和配电线60串联地设置。在额定电流传导状态下，高速开关21和31及功率半导体开关22被闭合。大多数额定电流流过其中高速开关21和功率半导体开关22被串联连接的第一线路20。在额定电流传导状态下，第一线路与第二线路之间的电流量的差由第一线路20和第二线路30的电阻值确定。可以通过增加第二线路30中的电阻器36的电阻器来增加流过第一线路20的电流的量。
下面将描述根据本公开的实施例的使用DC断路器100的方法。
存在其中根据本公开的实施例的DC断路器可以操作的两个中断模式：在发生故障电流的情况下的中断模式以及稳态电流传导状态期间的中断模式。
首先，将描述发生故障电流的情况下的中断模式。
在由电流测量单元50来测量大于设定电流值的故障电流的情况下，FFD55向高速开关21和31发送打开信号。当在高速开关21和31被打开之后流过了几毫秒(ms)的预定时间时，FFD55向功率半导体开关22发送打开信号。在接收到打开信号时，功率半导体开关22在几微秒(μm)内完成关断操作。当功率半导体开关22被关断时，故障电流绕过第一线路20流向第二线路30并被第二线路30中的电阻器36限制。不久之后，例如经历了几毫秒，电力熔丝被故障电流熔化，并且然后流过第二线路30的故障电流被切断。结果，故障电流被引导流向第三线路40。接下来，流过第三线路40的故障电流由非线性电阻器32减小，并且跨DC断路器的电压被限制。
接下来，将描述稳态电流传导状态期间的中断模式。稳态电流传导状态下的中断模式被执行在正常操作期间，例如在操作DC断路器100以用于安装在传输或配电线60中的设备的修理和替换的情况下。记住稳态电流传导状态下的此中断模式是在额定电流传导状态下执行的。
当从外部设备施加用于DC断路器100的中断模式的信号时，第二线路30的高速开关31被首先打开。由于流过第二线路30的电流仅仅大约在几A至几十A(安培)的范围内，所以所以可以响应于相对低的电压而断开(打开)高速开关31。当在几毫秒的时间段之后打开高速开关31时，第一线路20的高速开关21被打开。当在几毫秒之后打开第一线路20的高速开关21时，开始功率半导体开关22的关断操作。当功率半导体开关22在几微秒(μs)内被关断时，额定电流被引导流向第三线路40。流过第三线路40的额定电流由非线性电阻器32减小，从而限制跨DC断路器100的电压降。
下面将参考图4来描述根据本公开的另一实施例的DC断路器101。
在本实施例中，并联地设置被连接的多个第二线路30。如从所示的电路可以看到的，可与另外的多个电路元件并联地设置除电阻器36之外的多个电路元件。
在正常状态下，第二线路30中的仅一个被连接(闭合)。当第二线路由于中断操作而被打开时，另一第二线路30'在故障电流的绕路完成之后被连接(闭合)。然后，当当前被连接的第二线路30'由于故障电流的发生而被打开时，另一第二线路被闭合。以这种方式，设置多个替换线路以赢得替换电力熔丝33所需的时间。
将参考图5来描述根据本公开的另一实施例的DC断路器。
在本实施例中，上述实施例中的任何一个的配置(其中第一线路20、第二线路30和第三线路40被并联地连接的单个设备)被串联地连接到另一个。通过这样做，这使得可以在处理具有较高电压的输电或配电线时获得较高的断路能力。
根据本公开的实施例，DC断路器包括由多对并联连接的高速开关和限流电力熔丝组成的断路单元。在此配置中，可以降低制造成本。
此外，由于限流电力熔丝的优点在于其具有小的尺寸但大的断路容量，所以可以DC断路器可以被制得较小且较轻并容易维护。
根据本公开的实施例，提供了一种使用DC断路器的方法，其中，DC断路器可在两个不同模式下操作：用于设备的维护和替换目的的额定电流中断模式和当在线路中发生故障时的故障电流中断模式。因此，可以避免替换限流电力熔丝，这在系统被中断时在系统中频繁地发生。结果，可以进一步降低维护成本。
虽然已经相对于实施例图示出并描述了本公开，但本领域的技术人员将理解的是在不脱离本公开的范围的情况下可进行各种变更和修改。显而易见的是那些变更和修改全部落在仅仅由所附权利要求定义的本公开的范围内。
例如，根据本公开的实施例，电阻器被串联连接到第二线路。然而，根据另一实施例，DC断路器可包括：第一线路，其具有用于传导额定电流的功率半导体开关；被并联连接到所述第一线路的第二线路，其中，成对的并联连接的的非线性电阻器和电力熔丝被串联连接为多个级以在发生故障电流的情况下限制和断开故障电流；第三线路，其被并联连接到所述第一线路，并具有用于减小绕路的故障电流或额定电流并限制电压的非线性电阻器；以及快速故障检测器，其被配置成按照预定的设定顺序分别地向设置在第一线路和第二线路中的高速开关输出开关控制信号以便在故障电流中断模式和稳态电流中断模式中的每一个中使用。
同样地，根据另一实施例，可提供一种使用DC断路器的方法，其包括：制备第一线路，其具有用于传导额定电流的功率半导体开关；制备被并联连接到所述第一线路的第二线路，在第二线路中，成对的并联连接的非线性电阻器和电力熔丝被串联连接为多个级以在发生故障电流的情况下限制和断开故障电流；制备第三线路，其被并联连接到所述第一线路，并具有用于减小绕路的故障电流或额定电流并限制电压的非线性电阻器；以及按照预定的设定顺序分别地向设置在第一线路和第二线路中的高速开关输出开关控制信号以便在故障电流中断模式和稳态电流中断模式中的每一个中使用。

Claims (10)

1.一种直流(DC)断路器，包括：
第一线路，在所述第一线路中，第一高速开关和功率半导体开关被串联连接；
至少一个第二线路，在所述至少一个第二线路中，多个第二高速开关、多对并联连接的第一非线性电阻器和电力熔丝、以及电阻器被串联连接；以及
第三线路，其包括第二非线性电阻器；
其中，所述第一线路、所述第二线路以及所述第三线路被并联连接。
2.权利要求1的DC断路器，其中，所述第二高速开关被分别地在所述多对之前和之后布置在第二线路中。
3.权利要求1的DC断路器，其中，所述第二高速开关具有低于所述第一高速开关的电压容量。
4.权利要求1的DC断路器，其中，所述功率半导体开关是绝缘栅双极晶体管(IGBT)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、集成门极换流晶闸管(IGCT)和门极可关断晶闸管(GTO)中的一个。
5.权利要求1的DC断路器，还包括：
电流测量单元，其设置在被并联连接的所述第一线路、所述第二线路和所述第三线路之前。
6.权利要求5的DC断路器，还包括：
被连接到所述电流测量单元的快速故障检测器(FFD)，所述快速故障检测器被配置成向所述第一高速开关和所述第二高速开关、或者所述功率半导体开关发送打开信号。
7.权利要求1的DC断路器，其中，所述至少一个第二线路包括被并联连接的多个第二线路。
8.由被串联连接的单元器件组成的DC断路器，其中，所述单元器件中的每一个都是权利要求1的、具有被并联连接的第一线路、至少一个第二线路和第三线路的DC断路器。
9.一种使用DC断路器的方法，包括：
制备DC断路器，所述DC断路器包括：第一线路，在所述第一线路中，第一高速开关和功率半导体开关被串联连接；第二线路，在所述第二线路中，多个第二高速开关、多对并联连接的第一非线性电阻器和电力熔丝、以及电阻器被串联连接；以及第三线路，其包括第二非线性电阻器；
打开第一高速开关且然后在预定时间段之后关断功率半导体开关，使得电流绕过第一线路而流至第二线路；
在电力熔丝被熔化时中断流过第二线路的电流，使得流过第二线路的电流被引导流至第三线路；并且
由第二非线性电阻器来减小流过第三线路的电流。
10.权利要求12的方法，其中，为了在稳态电流流动时中断额定电流以设备维护，所述第二高速开关被首先打开，并且然后所述第一高速开关在预定时间段之后被打开。
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