CN108028148A - 直流开关装置及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于中断沿着中压或者高压电流路径(12)流动的直流电流(I)的直流开关装置(10)，具有电路布置(14)，所述电路布置具有至少一个能够连接在中压或者高压电流路径(12)中的机械开关设备(16,54)以及用于在连接在中压或者高压电流路径(12)中的机械开关设备(16,54)中强制产生电流过零点的至少一个电路单元(18,50)。设置为，至少一个电路单元(18,50)具有多个电容组件(20,22)和开关部件(34)，所述开关部件连接在电路单元(18)中，使得电容组件(22,24)‑在所述开关部件(34)的第一开关状态下并联连接，以经由中压或者高压电流路径(12)对其进行相应的充电，并且‑在所述开关部件(34)的第二开关状态下串联连接，以产生强制产生电流过零点的电流脉冲。本发明还涉及这种直流开关装置(10)的应用，用于中断沿着中压或者高压电流路径(12)流动的直流电流(I)。

Description

直流开关装置及其应用
技术领域
本发明涉及一种用于中断沿着中压或者高压电流路径流动的直流电流I的直流开关装置，具有电路布置，该电路布置具有至少一个能够连接在中压或者高压电流路径中的机械开关设备和至少一个电路单元，该电路单元用于在连接在中压或者高压电流路径中的机械开关设备中强制产生电流过零点。
背景技术
中压和高压技术的机械开关设备、例如真空开关管为了中断电流需要电流过零点。这种电流过零点在目前流行的借助交流电流产生、传输以及分配电能的技术中自然总是存在。
目前在电能的产生、传输以及分配领域中的发展的目标是更多地使用利用直流电流的系统，从而需要对应的直流开关装置。然而，在直流电流的情况下，没有所需要的电流过零点，因此在使用机械开关设备时必须人为地产生电流过零点。
从文献US 2013/0070492 A1中已知一种开头提及的类型的直流开关装置。该文献示出了一种用于中断沿着高压直流电流路径流动的直流电流的直流开关装置，具有电路布置，该电路布置具有能够连接在高压直流电流路径中的机械断电器(Unterbrecher)以及用于在连接在中压或者高压电流路径中的机械开关设备中强制产生电流过零点的电路单元。此外，该电路单元具有用于形成经由断电器闭合的有源振荡回路的、具有至少一个电感组件和至少一个电容组件的LC电路，以及用于产生激励该振荡回路的激励频率的可开关的半导体元件。该半导体元件是关断型的半导体元件，其在直流电流路径中与机械断电器串联连接。通过以与有源振荡回路匹配的频率开关半导体元件，对直流电流调制激励振荡回路振荡的交流电流。如果该振荡回路的振荡的电流幅值大于直流电流，或者其至少具有相同的大小，则形成希望的电流过零点。DE 10 2011 079 723 A1示出了具有两个断电器和替换地工作的用于强制产生电流过零点的电路单元的另一种直流开关装置。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，给出一种替换地构建的用于中压和高压应用的直流开关装置。
上述技术问题通过独立权利要求的特征来解决。在从属权利要求中给出有利构造。
在根据本发明的直流开关装置中设置，至少一个电路单元具有开关装置和多个电容组件。电容组件和开关装置在此连接在电路装置中，使得电容组件依据开关装置的开关状态，(a)并联连接，以经由中压或者高压电流路径对其进行相应的充电，或者(b)串联连接，以产生强制产生电流过零点的电流脉冲。
与在已知的具有振荡回路的直流开关装置中不同，通过具有合适的大小的(单个)电流脉冲实现电流过零点。该电流脉冲通过电路单元的保持通过电流路径本身充电的电容组件的串联连接产生。
根据本发明的一个优选构造，至少一个电路单元构造为H形的桥式电路或者具有至少一个这种H形的桥式电路。在此，电容组件和开关部件布置在该H形的桥式电路中。
根据本发明的另一个优选构造设置，电路单元还具有多个电感组件和/或多个电阻组件。
在此，特别地设置，H形的桥式电路或者H形的桥式电路中的至少一个
-具有从中压或者高压电流路径引出的第一电流支路，电容组件中的至少一个、电感组件中的至少一个和电阻组件中的至少一个串联地布置在第一电流支路中，
-具有从中压或者高压电流路径引出的第二电流支路，电容组件中的至少一个、电感组件中的至少一个和电阻组件中的至少一个串联地布置在第二电流支路中，并且
-具有将第一电流支路与第二电流支路连接的横向电流路径，开关部件布置在横向电流路径中。
特别地设置，两个电流支路分别将中压或者高压电流路径与共同的参考电势连接。该参考电势优选为地电势。
根据本发明的又一个优选实施方式设置，第一电流支路的电容组件在第一电流支路中布置在中压或者高压电流路径和横向电流路径之间，并且第二电流支路的电容组件布置在第二电流支路的、相对于横向电流路径远离中压或者高压电流路径的一侧。
在另一个有利的构造中设置为，机械开关设备中的至少一个构造为真空开关管。特别有利的是，所有机械开关设备都构造为真空开关管。
根据本发明的另一个优选实施方式，电路布置(分别)具有与(相应的)机械开关设备并联连接的过电压放电器。
最后，优选设置，直流开关装置还具有控制和/或调节装置，用于协调地控制至少一个机械开关设备和至少一个开关部件。
本发明还涉及一种前面提及的直流开关装置的应用，用于中断沿着中压或者高压电流路径流动的直流电流I。
附图说明
下面，在附图中示意性地示出并且随后详细地描述本发明的实施例。附图中：
图1示出了根据本发明的第一优选实施方式的直流开关装置，
图2示出了直流开关装置中的各个电流的时间曲线，
图3示出了根据本发明的第二优选实施方式的直流开关装置，以及
图4示出了根据本发明的第三优选实施方式的直流开关装置。
具体实施方式
图1示出了用于中断沿着中压或者高压电流路径12流动的电流I的直流开关装置10和对应的电流路径12。直流开关装置10具有电路布置14，电路布置14在其方面具有能够连接/连接在中压或者高压电流路径12中的机械开关设备16以及用于在连接在中压或者高压电流路径12中的该机械开关设备16中强制产生电流过零点的电路单元18。该电路单元18在此在直流电流I的电流方向上布置在机械开关设备16后面(由I处的箭头表示)。
电路布置14的电路单元18设计为具有两个电容组件22,24、两个电感组件26,28、两个电阻组件30,32和构造为开关部件34的其它组件的H形的桥式电路20。在电气元件的意义上，电容组件22,24在此作为电容器示出，电感组件26,28在此作为线圈示出，并且电阻组件30,32在此作为欧姆电阻示出。然而，各个组件22,24,26,28,30,32,34不一定必须作为相应的元件存在，而是也可能一个元件形成多个不同的组件或者单个组件由多个元件形成。例如，通常实际的线圈形成电感组件26,28和电阻(子)组件30,32。
原则上，开关部件34可以设计为机械开关部件，然而例如作为半导体开关部件、作为触发火花隙或者类似的快速接通开关的其它设计也是可以的。
所提及的组件22,24,26,28,30,32,34连接在构造为H形的桥式电路20的电路单元18中，使得电容组件22,24依据开关部件的开关状态，(a)在第一开关状态下并联连接，以经由中压或者高压电流路径12对其进行相应的充电，并且(b)在第二开关状态下串联连接，以产生在开关设备16中强制产生电流过零点的电流脉冲。在该示例中，第一开关状态对应于开关部件34的断开开关状态，而第二开关状态对应于开关部件34的闭合开关状态。
在所示出的示例中，H形的桥式电路20具有：(i)从中压或者高压电流路径12引出的第一电流支路36，其中，电容组件中的电容组件22、电感组件中的电感组件26和电阻组件中的电阻组件30(作为第一RLC连接)串联地布置；(ii)从中压或者高压电流路径12引出的第二电流支路38，其中，电容组件中的另一个电容组件24、电感组件中的另一个电感组件28和电阻组件中的另一个电阻组件32(作为第二RLC连接)串联地布置；以及(iii)将第一电流支路36与第二电流支路38连接的横向电流路径40，开关部件32布置在横向电流路径40中。两个电流支路36,38在此分别将中压或者高压电流路径12与共同的参考电势连接，参考电势在此在该示例中为地电势E。
在此，第一电流支路36的电容组件22在该第一电流支路36中布置在中压或者高压电流路径12和横向电流路径40之间，并且第一电流支路36的电感组件26以及电阻组件30布置在横向电流路径40和参考电势、即地电势E之间。此外，第二电流支路38的电感组件28以及电阻组件32在该第二电流支路38中布置在中压或者高压电流路径12和横向电流路径40之间，并且第二电流支路38的电容组件24布置在横向电流路径40和参考电势、即地电势E之间。
因此，两个并联地延伸的RLC连接相反地连接。然而，原则上，两个RLC连接也可以交换。
电路布置14还具有过电压放电器42，其在并联电流路径44中与机械开关设备16并联连接。
最后，直流开关装置10还具有控制和/或调节装置46，用于协调地控制至少一个机械开关设备16和开关部件34。控制经由信号路径48进行。
得到以下功能：
在正常运行时，经由还包括中压或者高压电流路径12的直流电网对两个电容组件(电容器)22,24充电，并且直流电流I流经机械开关设备16。如果出现开关操作，则断开电流路径12中的机械开关设备16，并且以一定的延迟闭合开关部件34。
充电到系统电压的两个电容组件22,24通过闭合的开关部件34串联/串行连接。在电流路径12中的机械开关设备16上短暂地出现电压过冲，使得机械开关设备16中的电流流动短暂地反转，并且人为地使其为零。机械开关设备16中的电流中断，并且并联连接的过电压放电器(例如MO变阻器)42针对形成的过电压保护布置10,14。
在此，在图2的曲线图中示出了形成的电流I,I1,I2,I3的时间曲线，其中，示出了几毫秒的时间窗口。对应的数据通过仿真生成。在此，直流电流I是在电流方向上在直流开关装置10后面流动的直流电流。电流I1是流过机械开关设备16的直流电流，电流I2是流过电容组件22,24的串联电路的电流，并且电流I3是流过过电压放电器42的电流。
在时间点t0，开关设备16(仍然)闭合，并且直流电流I流过电流路径12。两个电容组件22,24被充电到系统电压。
在时间点t1，此时开关设备16断开，并且形成电弧。此时，在时间点t3，以一定的延迟将开关部件34闭合。通过充电到系统电压的两个电容组件22,24的串联电路，得到流过电容组件22,24的串联电路的电流I2。由此，在电流路径12中的机械开关设备16上产生电压过冲，使得机械开关设备16中的电流流动短暂地反转，并且人为地使其为零。机械开关设备16中的电流I1中断，并且并联连接的过电压放电器42针对形成的过电压保护布置10,12。
此外，此时，从时间点t3起，对应的电流I3流过并联电流路径44和连接在其中的过电压放电器42，直到时间点t4，电流I3、由此直流电流I也完全消退。沿着电流路径12的直流电流I的中断由此完全结束。
在图1中示出的直流开关装置10在图1中示出的这种配置中仅适合于单极运行。如果要也可以中断具有相反的电流方向的直流电流I，则必须扩展电路布置14。一种可能性在于，在电流路径12的相对于机械开关设备16的另一侧，第二次布置由两个RLC连接和横向电流路径40中的开关部件构成的电路单元18、即H桥式电路20。得到的电路单元18,50或H桥式电路20,52可以在同一方向上或者镜像地接触。为了进行说明，在图3中示出了这种双极直流开关装置10的一种形式。
但是，也可以替换地在电流路径12中在图1中的电路单元18、即H桥式电路20后面插入另一个机械开关设备54，其中，电路布置14在此也具有过电压放电器56，其在并联电流路径58中与该另一个机械开关设备54并联连接。
在这种类型的连接中，得到如下优点：在接通时，例如首先闭合一个机械开关设备16，其中，另一个机械开关设备54仍然保持断开。由此，在接入所连接的直流系统之前，首先对电容组件(电容器)22,24充电。如果例如在此存在故障，则可以紧接在接入另一个机械开关设备54之后又关断。
附图标记列表
10 直流开关装置
12 电流路径
14 电路布置
16 开关设备，机械
18 电路单元
20 桥式电路，H形
22 组件，电容
24 组件，电容
26 组件，电感
28 组件，电感
30 电阻组件
32 电阻组件
34 开关部件
36 电流支路，第一
38 电流支路，第二
40 横向电流路径
42 过电压放电器
44 并联电流路径
46 控制和/或调节装置
48 信号路径
50 电路单元，另一个
52 桥式电路，H形
54 开关设备，机械
56 过电压放电器，另一个
58 并联电流路径，另一个
I 直流电流
I1 经由开关设备的电流
I2 经由电容组件的电流
I3 经由过电压放电器的电流
E 地

Claims (10)

1.一种用于中断沿着中压或者高压电流路径(12)流动的直流电流(I)的直流开关装置(10)，具有电路布置(14)，所述电路布置具有至少一个能够连接在中压或者高压电流路径(12)中的机械开关设备(16,54)以及用于在连接在中压或者高压电流路径(12)中的机械开关设备(16,54)中强制产生电流过零点的至少一个电路单元(18,50)，
其特征在于，
至少一个电路单元(18,50)具有多个电容组件(20,22)和开关部件(34)，所述开关部件连接在电路单元(18)中，使得电容组件(22,24)
-在所述开关部件(34)的第一开关状态下并联连接，以经由中压或者高压电流路径(12)对其进行相应的充电，并且
-在所述开关部件(34)的第二开关状态下串联连接，以产生强制产生电流过零点的电流脉冲。
2.根据权利要求1所述的直流开关装置，
其特征在于，
至少一个电路单元(18,50)构造为H形的桥式电路(20,52)或者具有至少一个这种H形的桥式电路(20)，其中，所述电容组件(22,24)和所述开关部件(34)布置在该H形的桥式电路(20)中。
3.根据权利要求1或2所述的直流开关装置，
其特征在于，
电路单元(18)还具有多个电感组件(26,28)和/或多个电阻组件(30,32)。
4.根据权利要求3所述的直流开关装置，
其特征在于，
H形的桥式电路(20)或者H形的桥式电路(20,52)中的至少一个
-具有从中压或者高压电流路径(12)引出的第一电流支路(36)，电容组件中的至少一个(22)、电感组件中的至少一个(26)和电阻组件中的至少一个(30)串联地布置在第一电流支路中，
-具有从中压或者高压电流路径(12)引出的第二电流支路(38)，电容组件中的至少一个(24)、电感组件中的至少一个(28)和电阻组件中的至少一个(32)串联地布置在第二电流支路中，并且
-具有将第一电流支路(36)与第二电流支路(38)连接的横向电流路径(40)，开关部件(34)布置在横向电流路径中。
5.根据权利要求4所述的直流断路器，
其特征在于，
两个电流支路(36,38)分别将中压或者高压电流路径(12)与共同的参考电势(E)连接。
6.根据权利要求4或5所述的直流开关装置，
其特征在于，
第一电流支路(36)的电容组件(22)在第一电流支路(36)中布置在中压或者高压电流路径(12)和横向电流路径(40)之间，并且第二电流支路(38)的电容组件(24)布置在第二电流支路(38)的、相对于横向电流路径(40)远离中压或者高压电流路径(12)的一侧。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的直流开关装置，
其特征在于，
开关设备(16)或者机械开关设备(16,54)中的至少一个构造为真空开关管。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的直流开关装置，
其特征在于，
电路布置(14)具有与至少一个机械开关设备(16,54)并联连接的过电压放电器(42,56)。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的直流开关装置，
其特征在于，
控制和/或调节装置(46)，用于协调地控制至少一个机械开关设备(16,54)和至少一个开关部件(34)。
10.一种根据权利要求1至9中任一项所述的直流开关装置(10)的应用，用于中断沿着中压或者高压电流路径(12)流动的直流电流(I)。
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