CN107210598B - 具有反向电流生成的dc断路器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种断路器装置(10)，包括：主支路(BM)和与所述主支路电并联的辅助支路(BA)，其中，所述主支路包括与由至少一个半导体开关(QP)构成的断路器单元串联的至少一个机械隔离开关(S1、S2)和与所述至少一个断路器单元并联的缓冲器电路(Sn2)，所述缓冲器电路包括能量储存元件(CP)，其中，所述机械隔离开关(S1、S2)可开关以选择性允许在第一操作模式中电流在所述主支路中流动，或者在第二操作模式中电流从所述主支路换向到所述辅助支路，其特征在于，所述缓冲器电路(Sn2)还包括泄流电阻器(R2)，所述泄流电阻器(R2)被设置成当电流从所述主支路换向到所述辅助支路时，通过对所述能量储存元件(CP)放电在所述主支路中产生反向电流。

Description

具有反向电流生成的DC断路器
技术领域
本发明涉及用在高压直流(HVDC)电力传输中的断路器装置。
背景技术
电网运营商越来越多地使用高压直流(HVDC)来在长距离上有效地运送大功率。主要原因是对于这种大功率长距离链路，直流(DC)优于交流(AC)，原因是直流能够没有电容或电感损耗地传送电力。
DC换流站还通过去耦连这些网络的频率和相位提高关联的AC网络的稳定性。HVDC链路因此对稳定电网是非常有用的，电网受到来自分布式和间歇式电源，诸如风能或太阳能的电力的越来越多的贡献的挑战。
电力网络中的关键元件是断路器。其作用是通过快速地切断故障元件中的电流保护网络，从而防止故障和停电(例如在雷击或海底电缆断开之后)。以此方式，断路器将故障与电网的剩余部分隔离。不管是AC或DC，断路器对保护复杂的互连电网至关重要。
在AC网络中，电流周期性地驱动通过零点(对于50Hz网络，每秒100次)，电流零点是中断的理想时刻。
但是在DC网络中，没有自然的电流零点，一个主要技术挑战是不停止升高的故障电流。
在缺少电流零点时，在由断路器的开关分开的触点之间产生电弧。这可能侵蚀并使触点恶化，由此不利地影响介质承受，降低开关的寿命。
因此已经开发出具有能够产生人工电流零点的DC断路器。
如图1上所示，并且对于在Dag Andersson Dr.和Anders Henriksson的文章“Passive and Active DC Breakers in the Three Gorges-Changzhou HVDC Project”(Cigré International Conference on Power Systems(国际大电网会议)，中国，武汉，2001年9月3-5日，391页)中描述的情况，通过增加与断路器B并联的LC振荡电流，可以实现这种人工的电流零点。这里，LC电路包括电感器L、中断器I和被永久性预充电的电容器C的串联布置。
图1的DC断路器包括并联的三个支路：具有断路器B的低阻抗支路(主支路)，其中，电流稳态流动；具有LC电路的辅助支路；和具有浪涌捕获器(surge arrester)P的能量吸收支路。
开关情形是一个两步骤过程。
-步骤1：在断路器B的闭合位置，电流流动通过主支路，辅助和能量吸收支路不起作用。按跳闸次序，为了发起从主支路到辅助支路的电流换向，在电流仍流动通过主支路时，断路器的触点被分开。由此在断路器的触点之间拉出长度增长的电弧。当触点充分分开时，辅助支路的中断器I闭合。预充电的电容器C通过电感器L和断路器B以由此振荡电路的电容和电感强加的频率放电。如果电容器的电压足够高，则放电电流超过DC电流，电流穿过零点，主支路中的电流在小于一个周期中被中断。否则，放电引起由主支路和辅助支路形成的回路中的电流振荡。振荡电流增加，最终超过要被中断的DC电流。现在，流动通过主支路的电流具有过零点，断路器能够中断该电流。
-步骤2。当电弧电流被中断时，电流现在只在辅助支路中流动。线路(或电缆)中的能量仍太高，其继续对电容器充电。当达到浪涌捕获器的拐点电压时，浪涌捕获器开始导通，吸收能量，钳制电压。此电压反对通过断路器的电流流动，直到线路没有与零电流对应的更多能量。电压降低到浪涌捕获器的拐点电压，电流被绝对地中断。
具有借助LC电路的人工电流零点产生的DC断路器的另一示例示于图2上，并在Yeqi Wang和Rainer Marquardt的文章《A fast switching，scalable DC-Breaker formeshed HVDC-Super-Grids》，PCIM-Europe，2014年5月20-22日中描述。
在主支路上的两个断路器Bin、Bout的闭合位置，电容器CPG充电到电网电压。当此断路器被设置成中断时，机构打开断路器Bin和Bout，由此在两个断路器中产生电弧。当触点分开得足够大时以确保电压稳定性时，晶闸管TPG闭合，在由电容器CPG(预充电的)和电感器LPG形成的回路中引起电流。当电流试图反向时(即在半周期之后)，晶闸管不需要关断命令自然地关断。在晶闸管阻断之后，电容器CPG以大致相同的电荷结束，但电压反向。然后在电容器CPG和断路器外部的电感Lin和Lout之间引发第二电流振荡。在断路器的左边和右边朝电容器CPG的网络部分的大的涌入电流在断路器中故障的一侧产生零电流。在涌入电流比在开关时刻流动的电流大很多的情况下，与断路器并联的二极管Din、Dout允许电流流动，不再次点燃电弧，标记为DB的支路闭合电路，以保持回路电感很低，涌入电流很高。如果电网电感Lin、Lout仍具有磁能，则其可以耗散在浪涌捕获器VDRPG中。电流降低至零，故障被隔离。
这些现有技术解决方案具有产生比要切断的电流高的反向电流的缺点。实际上，反向电流值必须超过图1断路器的几千安培和图2断路器的几十千安培的幅值。由于电流必须在其中流动的回路的电感，必须储存一定量的能量，这需要大体积的电容器。因为必须与大地绝缘地安装，并且在第二现有技术中必须相互隔离，所以这些电容器是特别麻烦的。
发明内容
本发明旨在加速HVDC断路器中的电弧熄灭，同时克服现有技术解决方案的缺点。为此目的，本发明提出一种断路器装置，包括：主支路和与所述主支路电并联的辅助支路，其中，所述主支路包括与由至少一个半导体开关构成的断路器单元串联的至少一个机械隔离开关和与所述至少一个断路器单元并联的缓冲器电路，所述缓冲器电路包括能量储存元件，其中，所述机械隔离开关可开关以选择性允许在第一操作模式中电流在所述主支路中流动，或者在第二操作模式中将电流从所述主支路换向到所述辅助支路，其特征在于，所述缓冲器电路还包括泄流电阻器，所述泄流电阻器被设置成当电流从所述主支路换向到所述辅助支路时，通过对所述能量储存元件放电在所述主支路中产生反向电流。
此断路器装置的某些优选但非限制性的特征如下：
-所述缓冲器电路包括与所述能量储存元件串联连接的二极管，所述泄流电阻器被设置成与所述二极管并联；
-其还包括与所述至少一个断路器单元并联的浪涌捕获器；
-所述辅助支路还包括与开关辅助模块串联的至少一个晶闸管，所述开关辅助模块由电容器、电阻器和浪涌捕获器的并联连接构成；
本发明还涉及一种电力系统，所述电力系统包括被设置成运送直流电流的传输线和根据本发明的断路器装置，所述断路器装置耦连至所述传输线以可控地实现直流电流在所述传输线中流动的中断。所述电力系统可以包括高压直流电力传输系统。
附图说明
在阅读以下对本发明的优选实施例的详细描述后，本发明的其它方面、目标、优点和特征将变得更清楚，优选实施例通过非限制性示例并参照附图给出，附图中：
图1和图2已经在上文讨论过，示出现有技术的断路器装置；
图2a-2c图解说明另一现有技术的断路器装置的操作模式；
图2d示出图2a-2c的现有技术的断路器装置从主支路到辅助支路的电流换向；
图3a示出根据本发明的可行实施例的断路器装置；
图3b示出图3a的断路器从主支路到辅助支路的电流换向。
具体实施方式
图2a-2c图解说明现有技术的断路器装置1的操作模式，其没有用于加速电弧熄灭的反向电流生成。图3a示出根据本发明的可行实施例的断路器装置10。从下面的描述显然可知，断路器装置10具有与现有技术的断路器1相同的拓扑，但断路器装置10具有附加的泄流电阻器，允许创建反向电流。出于此原因，断路器装置1和10中的共同元件共用相同的附图标记。
断路器装置1、10各自适于耦连至被布置成传送直流电流的电力系统的传输线，用于可控地实现直流电流在传输线中的流动的停止。电力系统可以包括高压直流电力传输系统。
断路器装置1、10中的每一个包括：主支路BM，在使用中电流在其中稳态流动；和辅助支路BA，其与主支路电并联。主支路和辅助支路BM、BA中的每一个在第一和第二端子2、3之间延伸，其在使用中连接至DC电力网络4。
主支路BM包括至少一个机械隔离开关S1、S2，其与由至少一个半导体开关QP构成的至少一个断路器单元串联。至少一个机械隔离开关S1、S2例如是真空断路器。每个半导体开关QP例如可以是基于硅的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。替代性地，可以使用其它类型的关断半导体器件，诸如JFET、MOSFET或双极型晶体管，也可以使用其它宽带隙半导体材料，诸如碳化硅或氮化镓。
断路器装置1、10还包括开关控制单元5，以控制至少一个机械隔离开关S1、S2和至少一个半导体开关QP的开关。
因此，借助开关控制单元5，至少一个机械隔离开关S1、S2可开关以选择性允许在第一操作模式中电流在主支路BM中流动，或者在第二操作模式中使电流从主支路换向到辅助支路BA。
主支路BM还包括与至少一个断路器单元QP并联的缓冲器电路Sn1、Sn2。缓冲器电路包括与能量储存元件诸如电容器CP电串联的二极管DP，电容器CP本身与放电电阻器R1电并联。
当断路器单元QP由开关控制单元5切换到截止(OFF)状态时，能量储存元件CP控制在其端子处的电压的增长速率。二极管DP防止当断路器单元QP开始导通时电容器CP的凶猛放电。最后，放电电阻器R1实现能量储存元件CP的缓慢放电。
因此，当断路器单元从导通(ON)状态切换到非导通(OFF)状态时，缓冲器电路通过控制断路器单元端子两端的电压增长的速率保护与其关联的断路器单元。从贡献于控制所述支路中的电流的di/dt的意义上，电压增长的速率的这种限制还具有将电流从主支路切换到辅助支路的有益效果。
浪涌捕获器RP也与断路器单元QP电并联。浪涌捕获器RP设计成将电压限制到小于断路器单元QP的承受电压的值。
与主支路BM并联地提供辅助支路BA，辅助支路BA包括与开关辅助模块串联的至少一个晶闸管T1，开关辅助模块由电容器C、对电容器放电的电阻器R和浪涌捕获器P的并联连接构成。开关控制模块5还被配置成在其非导通(OFF)状态和其导通(ON)状态之间切换至少一个晶闸管T1。
当断路器装置1、10从主支路切换到辅助支路时，在两个支路中相继地使用浪涌捕获器RP、P。
图2a图解说明第一操作模式，其中，电流IP在主支路BM中流动。
一旦网络4上出现电力故障，主支路BM中电流IP增大。为了消除此故障，电流必须被中断。借助实现以下操作序列的开关控制单元5执行电流中断。
如图2b上所示的，首先，主支路BM中的至少一个断路器单元QP被关断，电流转移到缓冲器电路Sn1。缓冲器电路Sn1限制电压的上升速率，并对其能量储存元件CP充电，直到并联的浪涌捕获器RP导通。
在第二步骤中，如图2c上所示的，辅助支路BA中的至少一个晶闸管T1被切换到其导通状态。同时，启动主支路中至少一个机械隔离开关S1、S2的打开。
因此电流转移到辅助支路BA。图2d示出从主支路到辅助支路的这种电流换向，IM指随时间的主支路中的电流值，IA指随时间的辅助支路中的电流值。
在此换向之后，辅助支路BA中的电容器C变成充电，直到并联的浪涌捕获器P导通。此最后的浪涌捕获器P将电压限制到比第一浪涌捕获器RP小的值。缓冲器电路Sn1的能量储存元件CP缓慢地通过并联的放电电阻器R1放电。取决于电压差和使用的技术(高度非线性的暂态电压抑制器相对于非线性浪涌捕获器)，电流仍与第二步骤之前相同的方向通过现有技术的断路器装置1的主支路BM中的至少一个机械隔离开关S1、S2，产生电弧6。
为了在支路中建立电流零，确保电弧熄灭，本发明利用储存在缓冲器电路的能量储存元件CP中的电荷，以在主支路中生成反向电流。如图3a上所示，其代表根据本发明的断路器装置10，缓冲器电路Sn2还包括泄流电阻器R2，泄流电阻器R2被设置成当电流从主支路换向到辅助支路时通过对能量储存元件CP放电，在主支路BM中产生反向电流IC。
一旦完成能量储存元件CP的放电，反向电流稳定在零。
如图3a上所示，泄流电阻器R2可以与缓冲器电路Sn2的二极管DP并联设置。
泄流电阻器R2可以与放电电阻器R1相同，但可以选择得更小，以调节反向电流IC。
在图3b上可见在至少一个机械隔离开关S1、S2中的电流上增加泄流电阻器R2的效果，图3b代表随时间在主支路中的电流值IM，以及随时间在辅助支路中的电流值IA。观察到几十安培的负电流的峰值，但持续时间非常短(小于一毫秒)，其对应于在主支路BM中产生的反向电流IC。与要中断的电流相比，此反向电流IC具有非常低的值，但是具有产生过零的足够的值，加速电弧的熄灭。因此提高了至少一个机械隔离开关的触点的寿命，同时反向电流只需要小的电容器产生。

Claims (6)

1.一种断路器装置(10)，包括：主支路(BM)和与所述主支路电并联的辅助支路(BA)，其中，所述主支路包括与由至少一个半导体开关(QP)构成的至少一个断路器单元串联的至少一个机械隔离开关(S1、S2)和与所述至少一个断路器单元并联的缓冲器电路(Sn2)，所述缓冲器电路包括能量储存元件(CP)，其中，所述机械隔离开关(S1、S2)可开关以选择性允许在第一操作模式中电流在所述主支路中流动，或者在第二操作模式中将电流从所述主支路换向到所述辅助支路，
其特征在于，所述缓冲器电路(Sn2)还包括泄流电阻器(R2)，所述泄流电阻器(R2)被设置成当电流从所述主支路换向到所述辅助支路时，通过对所述能量储存元件(CP)放电在所述主支路中产生反向电流。
2.根据权利要求1所述的断路器装置，其特征在于，所述缓冲器电路(Sn)包括与所述能量储存元件(CP)串联连接的二极管(DP)，所述泄流电阻器(R2)被设置成与所述二极管并联。
3.根据权利要求1-2中任一项所述的断路器装置，还包括与所述至少一个断路器单元并联的浪涌捕获器(RP)。
4.根据权利要求1-2中任一项所述的断路器装置，其特征在于，所述辅助支路(BA)还包括与开关辅助模块串联的至少一个晶闸管(T1)，所述开关辅助模块由电容器(C)、电阻器(R)和浪涌捕获器(P)的并联连接构成。
5.一种电力系统，所述电力系统包括被设置成运送直流电流的传输线和根据权利要求1-4中任一项所述的断路器装置，所述断路器装置耦连至所述传输线以可控地实现直流电流在所述传输线中流动的中断。
6.根据权利要求5所述的电力系统，包括高压直流电力传输系统。
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