CN107112154B - Dc断路器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及DC断路器，具体涉及适合用在高压DC电路中的DC断路器模块(200)。所述断路器模块包括包围在导电外壳(202)内的至少第一断路器电路(100)。所述外壳被配置成使得所述第一断路器电路能够在电气路径中与所述导电外壳外部的电路连接(206)。所述导电外壳还被配置成连接(204)至所述电气路径的节点，使得在使用中，所述导电外壳处于与电路路径的节点相同的电压电位。所述导电外壳可以是标准化的尺寸，并且例如可以是标准的运输容器。本发明的方法和设备允许由可以在标准化的外壳中建造、测试、运输和安装的模块形成DC断路器。

Description

DC断路器

技术领域

本发明涉及用于在短路或故障情况下保护高压直流(HVDC)系统的方法和设备。具体地，本发明涉及HVDC断路器的设计和组装。

背景技术

高压直流(HVDC)电力系统能够提供高压交流(HVAC)电力系统的经济和有效的替代方式，特别是在远距离(>50km)传输电力时，HVDC通常具有较低的损耗，并且能提供提高的传输容量。

HVDC系统也可以用于促进在异步网络和在不同的AC频率操作的网络之间电力的传递和/或帮助稳定AC网络。

一个特定的感兴趣的领域是使用HVDC系统从远程可再生能源诸如从离岸风电或水电场向大陆传输电力。

相比AC使用DC系统的一个挑战是在电涌或故障情况下中断电流。在AC系统中，电流每半个周期经过零，因此机械断路器可以在电流零或接近电流零操作以避免当断路器断开时的任何显著的电弧。然而，在DC系统中，不存在电流的这种中断。能够有效地中断DC电流的机械断路器是已知的，不过他们对于现代电力系统太慢，要花几十毫秒的时间。使用半导体开关的断路器能够克服此问题，不过，半导体开关会有高的导通损耗，与半导体断路器有关的损耗可以高达电压源换流站的损耗的30％。

解决这些问题的一种形式的HVDC断路器称作“混合”断路器，例如具有如WO2012/100831或WO2013/071980中描述的结构。混合断路器组合机械和半导体部件以提供适合现代HVDC系统的需求的快速、高效的断路器。图1所示为混合断路器的原理图。图1中所示的混合断路器100，其分成并联连接的两个电流路径，由主支路104和辅助支路102组成。辅助支路102包括多个半导体开关，诸如串联连接的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)106。电涌捕获器108与IGBT 106并联连接。主支路104包含机械断路器110和换向开关，换向开关可以包括一个或多个IGBT 112。如在下文更详细地描述的，辅助支路102包括足够数目的IGBT，以在故障情况下中断电路，因此实际上可能有几十或者甚至上百个串联的开关。为了简洁，图1只示出几个开关元件。换向开关112实际上包括明显更少的IGBT。

在正常操作中，主支路的机械断路器110和换向开关112都闭合，即导通。在正常操作期间，辅助支路的半导体开关106通常是断开的，即非导通的(但在一些应用中，在正常操作期间，半导体开关也可能闭合)。在正常操作中，电流流过主支路104。在故障情况下，辅助支路的半导体开关106闭合，换向开关112断开，因此将电流从主支路转移到辅助支路102，允许主支路的机械断路器110断开，无显著的电流从其通过。一旦机械断路器断开，然后辅助支路的IGBT 106断开以中断电路。因此，要认识到在正常操作中的电流路径是经由主支路的机械断路器110和换向开关的相对少数的IGBT。与此路径关联的功率损耗因此相对较低。因此，在正常操作期间与机械断路器关联的低功率损耗与IGBT开关组的速度和稳定性组合，产生快速、高效的HVDC断路器。

使用中，HVDC断路器会被安装在DC电网中的适当点，例如关联的HVDC转换器或HVDC变电站内。常规上，为了提供电磁干扰(EMI)屏蔽，并且为了提供适当安全和干净的环境，整个DC断路器会被组装并安装在基本上密封和屏蔽的结构内。不过，这的确需要专门建造的结构，其必然相当大以具有必需的电气间隙容置断路器。这可能增加DC断路器的费用，对大结构的需求在一些应用中可能是有问题的，诸如离岸安装。本发明的实施例因此涉及缓解上述的问题中的至少一些的DC断路器。

发明内容

因此，根据本发明的第一实施例，提供了一种适合用在高压DC电路中的DC断路器模块，包括：包围在导电外壳内的至少第一断路器电路；所述外壳被配置成使得在使用中，所述第一断路器电路能够在电气路径中与所述导电外壳外部的电路连接。所述导电外壳还被配置成连接至所述电气路径的节点，使得在使用中，所述导电外壳处于与电路路径的节点相同的电压电位。

本发明的实施例因此涉及一种模块化的HVDC断路器系统，其允许以一系列独立的模块建造、运输和安装HVDC断路器，不需要为容置断路器专门建造的建筑。单独的模块的使用有利于简便的运输和组装，如下文将描述的，每个模块是自包含的，在使用中可能不需要另外的专门的容器，因此避免了大的专用结构的需要。

本领域技术人员会认识到DC转换器通常安装在通常称作阀厅的专门建造的建筑中，以便抑制由变换器产生的电磁干扰(EMI)，提供干净的环境，目的是防止由于由高的DC电压引起的静电沉淀(electrostatic precipitation)造成的过量灰尘积累。如上文提到的，常规的方法是DC断路器应当位于相似的结构中。

本发明的发明人已经认识到这些因素对于DC断路器远不及对DC变换器那么相关。这是因为在正常操作期间(即当断路器闭合时)，在HVDC断路器的外壳中没有任何装置会产生EMI，即便是在断路器断开时，EMI只是暂时产生的。

关于灰尘的积累，已经认识到通过在导电外壳例如金属外壳中设置DC断路器电路，可以显著降低静电沉淀，其中，外壳电连接至断路器电路的适当节点，因此使用中在HVDC线电位操作时，使得在正常操作期间(断路器闭合)，导电的例如金属外壳处于与断路器相同的电压电位。导电外壳可以被配置成连接至第一断路器电路的输入节点或第一断路器电路的输出节点。

断路器处于与外壳相同的电位的结果是断路器包含于局部DC电场很低的环境中，因此，在断路器闭合时，不存在灰尘通过静电沉淀在DC断路器设备上积累的机构。此外，确保在闭合时外壳处于与断路器相同的电压电位能够降低对断路器电路的有源带电元件和外壳之间的电气间隙(electrical clearance)的需求，即间隔距离。在正常使用中(当断路器电路闭合)，外壳因此基本上处于与断路器电路的元件相同的电位，因此对电气间隙的需求是最小的。

断路器电路的元件和外壳之间所需的电气间隙因此由与在故障条件操作的断路器电路关联的电压确定。

在故障情况下，断路器电路会如上文描述的操作。一旦断路器完全断开，故障清除，则在断路器电路的输入和输出节点之间有电压差，其可能高达断路器电路的标称额定电压(nominal rated voltage)。不过，如本领域技术人员会理解的，当断路器断开时(即在故障清除过程中的几毫秒)经历的电压，称作暂态中断电压(TIV)可能比此标称电压高大约50％。当导电外壳保持与断路器电路的一部分相同的电位时，外壳和断路器电路之间的最大预期电压差因此会等于断路器电路的TIV。因此，是TIV决定外壳和断路器电路之间所需的电气间隙，这将在下文更详细地讨论。通过将DC断路器分成一系列个别的模块，每个模块具有在导电外壳中的断路器电路，在使用中，导电外壳被保持在与断路器电路的节点相同的电压电位，每个模块的感兴趣的电压相对较低，因此每个个别的模块的电气间隙能够相对较低。

在一些实施例中，单独的隔离开关可以与断路器串联设置。隔离开关是本领域已知的，通常可以与断路器串联设置，以便一旦断路器已经断开，提供网络的更永久的断开。如果在任何时间长度内，断路器要保持断开，则隔离开关可以被断开，这可能平衡断路器电路和导电外壳上的电压。隔离开关的使用限制模块内所需的绝缘支撑的数量，原因是只需要在断路器内DC断路器设备的绝缘支撑在短的时间段内承受导电外壳和断路器电路之间的任何电压差，例如其在断路器断开和故障清除期间必须承受TIV，但这可能花费毫秒量级的时间。在TIV之后，会有高达断路器电路的标称电压的电压差，但隔离开关的使用可以确保在断路器被断开和隔离开关被断开之间只有短的时间段(比如几秒或几分钟)。

在适合断开通常在HVDC系统中出现的标称电压的断路器的情况下，将全部的断路器电路容置在单个导电外壳中，例如单个金属外壳中，会需要大的导电外壳，这对于至少一些应用是不现实的。这是因为在通常320kV DC系统的情况下，需要的电气间隙可能导致不现实的大的金属外壳。

因此，根据本发明的实施例，例如诸如图1中图示的，HVDC断路器被分成串联连接在一起的多个较小的模块。每个模块包含容置在导电外壳中的断路器电路。每个断路器模块能够凭借其自身充当断路器，额定电压低于HVDC系统的标称电压。然后可以通过将许多个模块串联电连接在一起，建立具有适合HVDC系统的额定电压的断路器。设想了可以构建一系列尺寸的模块，不过，对于一些模块的适当尺寸可以是83kV和167kV。结果，分别由两个或三个167kV模块串联连接可以容易地创建常用的320kV和500kV的HVDC电压。通过使用83kV和167kV模块的混合，也可以实现150kV、250kV和400kV的中间电压。

通过此以方式拆分断路器，当断路器处于断开位置时，每个断路器电路和其关联的外壳之间所需的电气间隙相对较小。对于83kV或167kV断路器模块，各自的TIV会是125kV和250kV。本领域技术人员会理解，此尺寸的TIV所需的电气间隙对于断路器模块是足够低的，以适应可以是标准尺寸的运输容器。

DC断路器模块因此可以容置在符合ISO标准运输容器的尺寸的结构中。例如，可以在运输容器内或者由运输容器形成导电外壳。导电外壳的至少一个壁可以形成运输容器的至少一部分。

在一些实施例中，DC断路器模块还可以包括在导电外壳内的第二断路器电路，第一和第二断路器电路串联连接。所述导电外壳可以被配置成使得在使用中，所述第二断路器电路能够在所述电气路径中与所述第一断路器电路连接。在这些实施例中，所述导电外壳可以被配置成在所述第一和第二断路器电路之间的连接点连接至节点。

每个DC断路器模块因此可以有效地包括安装所需的部件，作为对于其额定电压的完整的断路器电路，例如混合断路器的主支路和辅助支路的适当额定值的部件，通过串联连接这些模块可以形成较高额定值的断路器。不过，如果需要可以在多个外壳之间拆分断路器电路的部件。例如，主支路的部件可以位于一个外壳中，辅助支路的部件在另一外壳中。

所述导电外壳可以包括用于连接电衬套的至少一个连接部位，诸如孔以允许所述第一断路器电路在所述电气路径中与所述金属外壳外部的电路通过所述金属外壳的壁电连接。

所述模块还可以包括至少一个绝缘支撑构件，所述至少一个绝缘支撑构件用于在使用中将所述断路器电路支撑在所述导电外壳内。在一些实施例中，所述断路器电路和/或导电外壳可以包括一个或多个安装部位，所述一个或多个安装部位用于安装至少一个可移动支柱构件，以便在不使用时例如在运输期间支撑所述断路器电路。

使用中，均压环(corona ring)可以适配到所述金属外壳的外部。

所述第一断路器电路可以包括混合断路器电路，所述混合断路器电路包括主路径和辅助路径，其中，所述辅助路径包括串联连接的多个半导体开关，所述主路径包括串联连接的一个或多个半导体开关和机械断路器。所述模块可以包括在所述导电外壳的外部上的至少一个安装点，用于在所述断路器电路的外部与所述辅助路径的多个半导体开关并联地安装一个或多个电涌捕获器(surge arrester)。当然，要认识到还可以使用其它形式的断路器电路，例如完全固态(fully solid-state)的断路器，混合断路器的替代性布置或任何类型的机械断路器。本发明的原理通常适用于使用可以被实现或开发的任何适当类型的断路器电路。

本发明的各方面还涉及一种适合用在高压DC系统中的DC断路器，所述DC断路器包括如上文描述的多个DC断路器模块，其中，所述多个DC断路器模块串联连接。

在另一方面，提供了一种形成DC断路器的方法。所述方法可以包括：取得多个DC断路器模块，每个DC断路器模块包括在导电外壳中的DC断路器电路；将所述DC断路器模块的DC断路器电路串联连接；以及将DC断路器模块的每个导电外壳连接至相应的DC断路器电路的节点。

提出的方案具有许多优点，主要是可掌控大小的自包含模块的使用消除了建造专用厅容纳断路器的必要，因此节约了相当大的成本。而且，可以在运输之前在出厂设置测试每个组装好的模块，在运输期间有最小的干扰，并在现场安装。这与传统的安装形成对比，在传统安装中，断路器必须在测试之前在现场组装。而且，本发明提供了在标准化DC断路器设备方面的优点，原因是可以生产标准尺寸的模块，并且在一系列电路规模和应用中以最小的改动使用。不过，要认识到对于一些应用，也可以为特定的外壳制造模块，每个模块根据特定的安装确定尺寸。如上文提到的，设想了一些模块将被制成适合尺寸与运输容器一致的容器的大小，因此有利于简便的运输。

附图说明

参照附图，现在只通过示例描述本发明，附图中：

图1所示为HVDC断路器电路的现有技术的示例。

图2a所示为本发明的实施例中说明的单个断路器模块。

图2b所示为本发明的实施例中说明的双断路器模块。

图3所示为包括串联连接的两个167kV断路器模块的320kV断路器的示例。

具体实施方式

图2a示出了本发明的一个实施例，其说明了一断路器模块200，断路器模块200包括导电外壳202，导电外壳202包围大致指示为100的断路器电路。

在图2a所示的实施例中，断路器电路可以是混合断路器电路，即断路器电路可以是图1中图示的形式，在断路器电路100内有主路径和辅助路径。断路器电路100因此可以被视作一个完整的DC断路器，但需要比全HVDC系统相对较低的额定电压。例如，断路器电路100可以具有量级大约为83kV的额定电压，比如在60kV-100kV的范围内。不过，当然要认识到断路器电路可以额定为其它标称电压。在此意义上，术语“额定电压”解读为指在故障已经清除之后断路器电路100在其端子之间能够承受的标称电压。因此，83kV的额定电压指在故障清除之后并作为断路器以此电压操作时，断路器电路适于承受83kV的标称电压。在混合断路器的情况下，83kV的额定电压意味着断路器电路100在辅助路径中包含足够多的IGBT 106以安全地中断83kV标称系统上的DC故障电流。如下文将解释的，因此通过将适当数目的断路器模块串联连接在一起可以形成全额定DC断路器。

在此示例中，导电外壳202是金属外壳，其被配置成经由电连接204连接至断路器电路100的节点，使得在使用中，金属外壳202处于与断路器电路100的对应节点相同的电压电位。连接204可以连接至断路器电路100的输入节点114或输出节点116。替代性地，连接204可以连接至处于与断路器电路100关联的电压电位的另一节点。在所有情况下，连接204确保在正常使用中，金属外壳202处于基本上与断路器电路的相关节点相同的电位。断路器电路100优选完全由外壳202包围，即外壳基本上包围所有的面以提供对包围的电路的环境保护——尽管在使用中，有至少一些电连接穿过外壳的壁，外壳可以配备有一个或多个门，以允许为了维修或调试的进入。优选地，外壳的导电材料被设置成使得断路器电路基本上完全由导电材料围绕，使得在使用中，断路器电路由处于与断路器相似的电位的材料围绕。导电材料可以在外壳的至少一部分上是连续的，例如连续的金属板或者在一些实施例中，外壳的至少一部分可由导电网状物提供。

外壳202包括一个或多个穿墙衬套206，这允许连接208穿过导电外壳202，使得断路器模块能够与外壳外部的电路在电气路径中连接，例如与至少一个其它断路器模块串联。对于图2a中所示的断路器模块，导电外壳本身可以经由连接204附连到DC断路器电路的一端，例如图1中图示的节点114。由于节点114连接至外壳，因此处于相同的电位，在此连接点不需要任何衬套。如图2a中所示的，可能只需要单个衬套(用于建立与节点116的连接)。替代性地，可以使用两个衬套将断路器模块200连接至外部电路，这些衬套可以设置在容器的任一端，或者在金属外壳202上的某一位置。可以通过衬套要在现场安装的方式确定衬套206的定位的选择，例如衬套206可以定位在容器的相对端，以便允许在并排设置的同时方便地连接一个或多个模块。替代性地，第一衬套可以被定位成允许连接通过金属外壳202的上壁进行，第二衬套可以被定位成允许连接通过金属外壳202的底板进行，以便使得模块能够在使用时堆叠。

尽管一个或多个衬套206可以在出厂设置中适配到模块200，特别是为了模块的测试，为了防止损坏，衬套可以被拆掉以便运输，并且在现场重新附连。在这种情况下，在模块的运输期间，可以由盲板(blanking plates)替代衬套206。

在替代性地实施例中，可以在金属外壳202上提供多个可能的“衬套部位”，可以使用其中的每一个适配衬套，并提供断路器模块和外部电路之间的连接点208。提供多个衬套部位的目的是提供一系列可能的连接点208，使得模块能够在各种各样的安装布置中安装。这意味着在模块的制造地点不需要确定模块的外部连接，而是可以在安装地点确定这些连接，因此，断路器模块的设计可以变得高度标准化。在这种情况下，可以使用盲板密封在最终的断路器布置中不使用的任何连接点。

在外壳内，一个或多个绝缘支撑210将断路器电路100支撑在外壳内的限定位置。方便的是，绝缘支撑可以只包括从导电外壳202的底板提升断路器电路的支撑。但在一些实施例中，可以另外或替代性地提供顶板或侧壁的支撑。在一些实施例中，断路器模块可能能够安装在不同的方位，即取决于方位，外壳的特定壁可充当底板或者充当侧壁。在其它实施例中，尽管断路器模块可以用限定的底板设置，但应当关于限定的“向上方向”安装。在任何情况下，绝缘支撑被设置成在断路器电路和导电外壳202的壁之间以足够大的电气间隙支撑断路器电路。

因此，绝缘支撑210支撑断路器电路100足够远离外壳的壁，使得在围绕断路器电路100的所有点，断路器电路100和金属外壳202之间的空隙至少与所需的电气间隙一样大，如在下文更详细地描述的。换言之，本领域技术人员会认识到，断路器电路100设置在外壳内，以满足预定的最小电气间隙。

不过，本发明的发明人已经认识到，通过确保使根据本发明的模块的断路器电路具有相对适中的电压额定值，比如说大约80kV的量级，并且导电外壳被设置成处于与断路器电路的节点相同的电位，则所需的电气间隙相对较低。因此，可以在为加工、运输和安装方便的尺寸的外壳中安装断路器模块。

可以基于断路器的暂态中断电压(TIV)计算所需的电气间隙，TIV通常定义为额定电压的大约一点五(1.5)倍。如上文指出的，对于83kV或167kV的断路器模块，为125kV和250kV的相应TIV相对较低，这意味着可以在不太大的金属外壳中实现相关的间隙。具体地，导电外壳可以被设置成标准运输容器的尺寸。

因此，在一些实施例中，导电的例如金属外壳202因此可以具有与运输容器相当或兼容的外部尺寸。在一些实施例中，外壳202可以包括运输容器。例如，导电外壳可包括金属壁的运输容器。运输容器可以是标准的运输容器，例如具有单壁的金属结构和/或可包括由多个金属层制成的容器，其中的至少一个在整个外壳上是充分导电的。然而，在一些实施例中，导电外壳202可以是容置于运输容器中的单独的结构。

运输容器可以是标准运输容器，有时称作联合模式容器或ISO容器。本领域技术人员会认识到对于运输用的运输容器有列出标准化需求的各个标准。运输容器因此可以符合标准尺寸集合中的一个和/或符合用于运输/联合模式容器的相关ISO标准的至少一部分，诸如在ISO3646中提到的尺寸。

本领域技术人员会认识到，在一系列尺寸上，可用ISO兼容的运输容器，然而，许多这类容器基于20英尺(6.1m)的标准长度，已知有单长度或双长度(40英尺或12.9m)的容器。实际上，容器容量通常可以用TEU表示(20英尺等效单位)。已知当前的标准高度为8英尺6英寸(2.59m)，不过，其它高度也是可行的，8英尺(2.44m)的宽度也是常见的，不过已知有其它宽度。

在一个实施例中，运输容器因此可以是单TEU容器或双TEU容器，即20英尺长或者40英尺长(高度和宽度在标准范围内)。

本发明的发明人已经认识到，通过使用导电外壳包围断路器电路，并通过将导电外壳连接至断路器电路的节点，可以在标准大小的运输容器例如20英尺长8英尺宽的运输容器中安装额定为大约80kV量级的电压的断路器电路，并且可以在HVDC系统中的这种运输容器中安装并安全地使用断路器电路(只要其连接至足够多的其它模块，使得总的等效断路器额定为DC系统的标称电压)。可以在标准尺寸的运输容器中安装用于HVDC即与电压的量级比如300kV或更大的其它模块串联使用的断路器模块以适当操作，即在此外壳内装配，这是特别令人惊讶的，代表本发明的一个新颖方面。本领域技术人员一般不会认为运输容器的尺寸会安全地包围HVDC部件，并提供足够的电气间隙或足够的绝缘。

应当注意，运输容器通常有尖的拐角，这可能导致在容器连接在高电位的点的高电场。为了减少这种问题，在安装期间，均压环可以被增加到金属外壳202的外部轮廓，以便磨光尖锐的边缘。再一次，可以与断路器模块分开地运输均压环，并在现场就地装配。

如图1中图示的，断路器电路100包括多个电涌捕获器108。在一些实施例中，电涌捕获器108容置在模块200内。不过，在一些实施例中，电涌捕获器212可以安装在金属外壳202的顶板上，以便限制在放电或爆炸情况下对其它电路部件造成损坏的风险。针对这些外部安装的电涌捕获器的电连接可以由衬套206的外部形成，或者替代性地，可以制成针对金属外壳的电连接。可以使用绝缘支撑将衬套与外壳分开，或者替代性地，电涌捕获器可以安装成使得捕获器的一个端子直接连接至金属外壳。要安装在金属外壳202的顶板上的任何电涌捕获器108可以与模块200分开地运输，并在现场组装(以与上文描述的衬套206类似的方式)。电涌捕获器基本上可以不被围住。然而，在一些安装中，电涌捕获器可以位于外壳内，外壳例如可以是丝网等等。这种丝网可以电连接至金属外壳，使得捕获器处于与丝网外壳相同的电压。这具有优点：确保局部的DC电场是低的，以便防止在捕获器上积累灰尘。

因此，本发明的模块可以至少部分地在第一方位组装以运输到需要DC断路器的现场。可以在外壳中组装断路器电路和绝缘支撑，因此断路器模块可以在制造时被测试。模块然后可以被运输到所需方位。在输运期间，外壳能够保护断路器电路。

在模块的运输中，可以在断路器电路100和金属外壳202之间提供附加的支柱(bracing)，以帮助保护断路器电路不受由于例如机械冲击或振动引起的损坏。设想了在测试之后运输之前可以拆掉穿墙衬套206，用盲板代替，并且在测试之后准备运输时，可以增加任何运输支柱。由于外壳可以包括标准运输容器，所以模块的运输可以相对简单。

在现场，可以通过拆掉运输支柱，拆掉相关盲板并用穿墙衬套206代替来安装模块。然后，每个模块被提升到绝缘基座上。一旦就位，可以装配任何外部的电涌捕获器，然后均压屏蔽最后装配到容器的顶部和底部以控制结构周围的电场。

如上文描述的，图2a所示为外壳内的单个断路器电路，其中，外壳在使用中链接至节点，诸如断路器电路的端节点。如提到的，此断路器电路例如可以具有大约83kV的额定电压，并且例如可以容置于20英尺的容器中。此模块在本文中被称作“单模块”。在一些实施例中，使用一些断路器技术，具体地借助断路器技术的发展，可以在20英尺的容器内组装较高电压额定值的断路器模块，例如可以在单个20英尺容器中组装167kV额定值的断路器模块。

较大的容器例如40英尺容器能够容置包含更多的IGBT元件的更大额定电压的断路器。显然，尽管断路器的电压额定值越大，在使用中，断路器两端的电压差越大，因此，要求外壳内有较大的电气间隙。这会潜在地限制可被使用的断路器电路的电压额定值。

不过，本发明的发明人已经认识到，可以通过将断路器电路拆分到串联连接的两个不同的断路器电路中限制所需的电气间隙。通过将导电外壳连接至在两个断路器电路之间的连接点的节点，例如在两个断路器电路100之间的中间点，限制所需的间隙。例如，图2b示出单个导电外壳202中包含的两个断路器电路100。这些断路器电路中的每一个可以额定为大约83kV的电压，并串联连接以产生额定为167kV的模块。这可以称作“双模块”。在图2b所示的双模块中，金属外壳202被配置成在两个断路器电路100的中点或连接点经由连接204连接至节点，使得在使用中，金属外壳202处于与两个断路器电路100的中点相同的电压电位。

对于单断路器模块，诸如图2a中所示的，假如断路器电路的额定电压为167kV，则外壳内所需的电气间隙会与和全167kV额定电压关联的TIV即250kV有关。

不过，如果167kV被拆分成串联连接的两个83kV断路器电路100，并在两个断路器电路之间的中点连接金属外壳202，如图2b所示的，断路器模块的额定电压仍为167kV，不过所需的间隙显著降低。这是因为所需的间隙与每个个别的断路器电路100两端的电压降有关，即与250kV相比，与125kV的TIV有关，因此降低所需的间隙。

因此，通过将较大的断路器电路100拆分成串联连接的较小的断路器电路，并在断路器电路的中点连接至金属外壳，可以降低断路器模块的物理尺寸和金属外壳202的尺寸。

将83kV断路器电路用作创建较大断路器电路的构造块还具有标准化模块中使用的断路器电路的优点。

要认识到，这些电压额定值只是出于示意，可以使用电压额定值的其它组合。例如，双模块中的两个断路器电路100可以具有相同的电压额定值，或者可以具有不同的电压额定值。而且，一个模块内包含的断路器电路的数目不局限于一个或两个，而是在金属外壳202中可以包含任何数目的断路器电路，只要外壳足够大，以在断路器电路100和金属外壳202的壁之间提供足够的间隙。

如上文提到的，导电的例如金属外壳202被配置成在两个断路器电路100的中点经由连接204连接至节点，使得在使用中金属外壳202处于与两个断路器电路100的中点相同的电压电位。替代性地，连接204可以将金属外壳202的壁连接至模块的端子，这将模块电连接至外部电路，或者处于与断路器电路100关联的电压电位的某些其他节点。在所有实施例中，电连接204的目的是确保在正常使用中，金属外壳202处于与被包围的断路器电路相同(或紧密相关或相似)的电位。这具有前述的优点：降低所需的电气间隙，使得金属外壳202能够将尺寸减少到运输容器的尺寸。而且，降低了静电沉淀和灰尘的积累的效应。

在图2b所示的实施例中，金属外壳202包括两个穿墙衬套206，允许两个连接208穿过金属外壳202，使得断路器模块可以在电气路径中与金属外壳202外部的电路连接。衬套可以设置在容器的任一端，或者在金属外壳202上的某个位置。衬套可以定位在容器的相对端，以便允许方便地连接一个或多个模块，同时并排设置。替代性地，第一衬套可以定位成允许通过金属外壳202的上壁进行连接，第二衬套可以定位成允许通过金属外壳202的底板进行连接，以便使得模块在被堆叠时容易连接。在上文描述的实施例中，对于衬套需要125kV的电压额定值，结果，衬套可以是紧凑的。

再一次，外壳202可以包括标准运输容器，例如符合ISO标准诸如ISO 3646的联合模式容器。而且，外壳202可以具有关于图2a中图示的单模块在上文描述的外壳202的任意特性。

以与关于图2a概括的之前实施例相似的方式，图2b的双模块可能需要安装均压环，以便平滑金属外壳的拐角，目的是防止在模块的拐角产生高密集的电场线，特别是当金属外壳202是标准运输容器时。连同前述的衬套，可以与双模块分开地运输均压环，并在现场安装。

图3图解说明使用中的模块化320kV断路器。断路器300由两个如上文描述的并在图2b中图示的167kV“双模块”302组成。这些模块通过链接连接304串联连接。每个模块包括形式为标准运输容器并安装到多个绝缘基座306以防止放电的金属外壳308。每个模块302装配有均压环310，以平滑在运输容器的拐角的电场的轮廓。而且，衬套312能够使电连接314穿过金属外壳308以将断路器电连接至外部系统。

在现场可以拆掉衬套312和均压环310运送模块。在运输期间，衬套312可以用盲板替代。在断路器300的安装期间，可以去掉每个模块内部的运输支柱，用穿墙衬套206替代盲板。每个模块然后可以提升到绝缘基座306上。最后，均压环310可以装配到模块的顶部和底部，以控制结构周围的电场。

尽管主要根据混合断路器描述了本发明，但本领域技术人员会认识到，上文描述的原理也适用于其它类型的断路器。

应当注意，上文提到的实施例说明而不是限制本发明，在不偏离所附权利要求的范围下，本领域技术人员能够设计许多替代性实施例。在权利要求中，词语“包括”并不排除除了列出的之外的元件或步骤的存在，“一(a)”或“一(an)”并不排除复数，并且单个特征或其它单元可以实现权利要求中陈述的几个单元的功能。权利要求中任何附图标记不应解读为限制其范围。

Claims (15)

1.一种适合用在高压DC电路中的DC断路器模块，包括：

包围在导电外壳内的至少第一断路器电路；

所述导电外壳被配置成使得在使用中，所述第一断路器电路能够在电气路径中与所述导电外壳外部的电路连接；

其中，所述导电外壳还被配置成连接至所述电气路径的节点，使得在使用中，所述导电外壳处于与电路路径的节点相同的电压电位。

2.根据权利要求1所述的DC断路器模块，其特征在于，所述导电外壳被配置成连接至所述第一断路器电路的输入节点或所述第一断路器电路的输出节点。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的DC断路器模块，其特征在于，所述模块容置在符合ISO标准运输容器的尺寸的结构中。

4.根据权利要求1或权利要求2所述的DC断路器模块，其特征在于，在运输容器内或者由运输容器形成所述导电外壳。

5.根据权利要求1或权利要求2所述的DC断路器模块，其特征在于，所述导电外壳的至少一个壁形成运输容器的至少一部分。

6.根据权利要求1或权利要求2所述的DC断路器模块，还包括在所述导电外壳内的第二断路器电路，所述第一断路器电路和所述第二断路器电路串联连接，所述导电外壳被配置成使得在使用中，所述第二断路器电路能够在所述电气路径中与所述第一断路器电路连接。

7.根据权利要求6所述的DC断路器模块，其特征在于，所述导电外壳被配置成在所述第一断路器电路和所述第二断路器电路之间的连接点连接至节点。

8.根据权利要求1或权利要求2所述的DC断路器模块，其特征在于，所述导电外壳包括用于连接电衬套的至少一个连接部位，以允许所述第一断路器电路在所述电气路径中与所述导电外壳外部的电路之间的通过所述导电外壳的壁的电连接。

9.根据权利要求1或权利要求2所述的DC断路器模块，其特征在于，所述模块包括至少一个绝缘支撑构件，所述至少一个绝缘支撑构件用于在使用中将所述第一断路器电路支撑在所述导电外壳内。

10.根据权利要求1或权利要求2所述的DC断路器模块，其特征在于，所述第一断路器电路和/或导电外壳包括一个或多个安装点，所述一个或多个安装点用于安装至少一个可移动支柱构件，以在不使用时支撑所述第一断路器电路。

11.根据权利要求1或权利要求2所述的DC断路器模块，还包括适配到所述导电外壳的均压环。

12.根据权利要求1或权利要求2所述的DC断路器模块，其特征在于，所述第一断路器电路包括混合断路器电路，所述混合断路器电路包括主路径和辅助路径，其中，所述辅助路径包括串联连接的多个半导体开关，所述主路径包括串联连接的一个或多个半导体开关和机械断路器。

13.根据权利要求12所述的DC断路器模块，包括在所述导电外壳的外部上的至少一个安装点，用于在所述导电外壳的外部上与所述辅助路径的多个半导体开关并联地安装一个或多个电涌捕获器。

14.一种适合用在高压DC系统中的DC断路器，所述DC断路器包括多个如任一前述权利要求所述的DC断路器模块，其中，所述多个DC断路器模块串联连接。

15.一种形成DC断路器的方法，包括：

取得多个DC断路器模块，其中，每个DC断路器模块包括在导电外壳中的DC断路器电路，

将所述DC断路器模块的DC断路器电路串联连接；以及

将DC断路器模块的每个导电外壳连接至相应的DC断路器电路的节点。