CN109075555B

CN109075555B - 电流限制装置及包括这种电流限制装置的高压直流装置和高压电力系统

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Publication number: CN109075555B
Application number: CN201680082120.8A
Authority: CN
Inventors: S·加尔丹基; A·哈桑普尔
Original assignee: ABB Grid Switzerland AG
Current assignee: Hitachi Energy Co ltd
Priority date: 2016-03-17
Filing date: 2016-03-17
Publication date: 2021-02-05
Anticipated expiration: 2036-03-17
Also published as: WO2017157440A1; CN109075555A

Abstract

本发明涉及一种用于高压直流电力系统中的高压设备(20)的电流限制装置(41)，其中，该设备包括可操作以获得与系统的电力线导体(44)机械分离的隔离开关。本发明还涉及高压直流电装置和包括这种电流限制装置(41)的高压电力系统。该电流限制装置(41)包括：用于连接在电力线导体(44)与设备(20)的第一连接端子(Ti)之间的第一电流限制电路(42)，并且第一电流限制电路(42)可操作以减少频率范围为70‑200kHz的交流。

Description

电流限制装置及包括这种电流限制装置的高压直流装置和高压电力系统

技术领域

本发明一般地涉及高压电力系统。更具体地，本发明涉及用于高压电力系统的电流限制装置以及包括这种电流限制装置的高压直流装置和高压电力系统。

背景技术

用于与电力线导体串联连接并且包括隔离开关的高压设备可被用于各种高压应用中，诸如例如作为高压直流电力传输系统的直流断路器。

从WO2011/057675中已知这种断路器的一种实现，其中，存在第一分支，其包括与第二分支并联的主断路器，第二分支包括隔离开关和负载换向开关。电涌放电器也与主断路器并联连接，并且也可能与负载换向开关并联。这里主断路器以及负载换向开关可以通过使用诸如晶体管的串联电子开关来实现。

在这种类型的设备的操作中，隔离开关可以在稳态操作期间永久闭合，并且可能需要在诸如归因于故障的异常操作的情况下断开。负载换向开关和主断路器两者都可需要被断开。

这种断路器的一个问题是对半导体的供电。US2015/03724474描述了一种供电解决方案，其中，连接在滤波器中的变压器被用作将电流注入到断路器的分支中的电流源，以用于对半导体供电，其中，滤波器还被用于滤除注入的电流。

另一个问题是与故障的处理相关联。可能发生的一种类型的故障是接地故障。此外，如果电力线导体包括架空线，则这种接地故障可使得生成在故障位置处由反射所引起的高频电流。该电流可反过来导致隔离开关断开的问题。

因此需要处理由架空线中的接地故障所引起的这些高频电流。

发明内容

本发明解决了当架空线中存在接地故障时处理包括隔离开关的高压设备中的高频电流的问题。

根据本发明的第一方面，本发明的目的是通过用于高压直流电力系统中的高压设备的电流限制装置来实现，其中，高压设备与高压直流电力系统的电力线导体串联连接并且包括隔离开关，该隔离开关可操作以获得与电力线导体机械分离。

电流限制装置包括用于连接在电力线导体与设备的第一连接端子之间的第一电流限制电路，并且可操作以减少频率范围为70-200kHz的交流。

根据本发明的第二方面，本发明的目的是通过高压直流装置实现的，该高压直流装置包括根据第一方面的电流限制装置和高压设备，高压设备配备有用于与高压直流系统的电力线导体串联连接的隔离开关(UFD)。

根据本发明的第三方面，本发明的目的是通过高压直流系统实现的，该高压直流系统包括：配备有隔离开关的高压设备、与高压设备串联连接的电力线导体以及根据第一方面的电流限制电路。

本发明具有许多优点。它允许高压设备的隔离开关被安全地断开，而不必考虑故障发生的位置。此外，用于断开隔离开关的任何隔离开关控制机构不必考虑何时出现高频电流。这也实质上简化了这种控制。

附图说明

以下将参考附图描述本发明，其中：

图1示意性地示出了单一电力线形式的第一类型的DC电力传输系统，包括DC断路器和互连两个变流器站，

图2示意性地示出了DC电网互连若干变流器站形式的第二类型的DC电力传输系统，

图3示意性地示出了在机械开关与电流限制电感器之间连接的第一类型的DC断路器，

图4示意性地示出了图3的断路器、机械开关和电流限制电感器以及电流限制装置的两个电流限制电路，

图5示意性地示出了电流限制装置的第一实施例以及DC断路器和第一和第二电流限制电感器，

图6示意性地示出了图3的断路器的第一端子处和第二电流限制电感器处的电压以及通过断路器的与DC链路上故障相关的电流，

图7示出了针对图4的DC断路器、第二电流限制电感器和电流限制装置与DC链路上的故障相关的相同电压和电流，

图8示出了根据第一实施例的变型的电流限制装置的备选放置方案，

图9示出了电流限制装置的第二实施例以及DC断路器和第一和第二电流限制电感器，

图10示出了电流限制装置的第三实施例以及DC断路器，以及

图11示意性地示出了可以与电流限制装置组合的第二类型的DC断路器。

具体实施方式

以下，将给出本发明优选实施例的详细描述。

图1示出了简化的直流(DC)电力系统10，诸如高压直流(HVDC)电力系统，其包括第一变流器站11和第二变流器站12。两个变流器站11和12通过第一DC链路18互连，该第一DC链路18包括DC断路器20，DC断路器20可以是混合HVDC断路器。

图1中的系统10是用于两个交流(AC)电力传输系统之间的连接的点对点电力传输系统。为此，HVDC系统10包括第一变流器站11和第二变流器站12，其中，第一变流器站11包括第一变压器TR1。第一变流器站11还包括用于在AC与DC之间转换的第一变流器14，该变流器14因此包括被连接到变压器TR1的AC侧和被连接到第一DC链路18的DC侧。因此，第一变压器TR1将第一变流器14连接到第一AC电力传输系统(未示出)。第一变流器14经由第一DC链路18被连接到第二变流器站12的第二变流器16，该第一DC链路18可包括具有至少一个电力线导体的电力线或线缆。第一DC链路18可以更具体地包括架空线。第二变流器16还在AC与DC之间转换，并且可以是反相器。第二变流器站12还可以包括第二变压器TR2，第二变压器TR2将第二变流器16连接到第二AC电力传输系统(未示出)。

DC系统10和AC系统都是高压电力系统的示例，并且在这种情况下也是高压电力传输系统的示例。

变流器14和16可以都是强制换向电压源变流器(VSC)，并且可以是包括单元的两电平变流器或多电平变流器(即采用用于形成多个电压水平的单元的电压源变流器)。可以在DC与三相AC之间进行转换。因此，变流器14和16两者都可以具有三个相臂，每相一个臂。还应该认识到，存在其他类型的电压源变流器，诸如中性点钳位三电平变流器和各种n电平变流器。此外，变流器还可以实现为电流源变流器，诸如线换向电流源变流器。

如前所提及，DC链路18中存在DC断路器20。该DC断路器20可以被放置在距两个变流器站相当远的距离处。DC断路器20更具体地与DC链路的电力线导体串联连接，该导体可以是DC系统的极的导体。因此，DC断路器20在两个变流器站11与12之间连接在第一DC链路18中。尽管仅示出了一个，但应该认识到在每个换流站附近可能存在一个这样的DC断路器。作为图1中所示的放置在变流器站11与12之间内的DC断路器20的备选方案或附加方案，在第一DC链路18的相对侧可以存在DC断路器。变流器站处的这种DC断路器可以仅与一个电力线导体串联连接。

图1中的HVDC系统10是单极系统。然而，应该意识到该系统也可以是双极系统。

图2示出了另一种类型的HVDC系统。该系统在这里是多端子HVDC系统22，诸如包括在AC与DC之间转换的多个变流器的HVDC系统。每个变流器包括AC侧和DC侧，其中第三变流器24的DC侧经由第二DC链路32被连接到第四变流器26的DC侧，第五变流器28的DC侧经由第三DC链路34被连接到第六变流器30的DC侧。还存在互连第三变流器24和第五变流器28的DC侧的第四DC链路36以及互连第四变流器26和第六变流器30的DC侧的第五DC链路38。

还可以看出，在所有DC链路32、34、36和38中都连接有DC断路器20。

图3示出了DC断路器20的第一种变型，这在这种情况下是先前所提及的HVDC混合断路器。DC断路器20具有第一连接端子T1和第二连接端子T2，其中第二连接端子T2被连接到第一电流限制电感器CLI_1，该第一电流限制电感器CLI_1反过来被连接到第一机械开关MS1。第一连接端子T1被连接到第二电流限制电感器CLI_2，该第二电流限制电感器CLI_2反过来被连接到第二机械开关MS2。机械开关MS1和MS2、电流限制电感器CLI_1和CLI_2以及DC断路器20旨在使用DC链路被串联连接在两个变流器站之间，其中DC链路的电力线的一个或两个导体也可以被放置在这个串联连接中。此外，这种HVDC链路将包括架空线。因此，断路器20可以与DC链路的架空线的导体串联连接。一般地，混合HVDC断路器20的一侧可以被连接到架空线(OHL)或到DC线缆，而另一侧可以被连接到高压DC(HVDC)变流器站或另一架空线或线缆。

如图3中所见，在混合断路器20内还存在隔离开关UFD(该隔离开关UFD可以是超快隔离开关)和负载换向开关LCS的串联连接。负载换向开关LCS在第二连接端子T2与第一连接端子T1之间。还存在一个主断路器MB，其与隔离开关UFD和负载换向开关LCS的串联连接并联，其中第一电涌放电器SA1与主断路器MB并联连接，以及第二电涌放电器SA2与负载换向开关LCS并联连接。

主断路器MB可以由具有反并联二极管的关断类型开关的串联连接构成，该开关可以是晶体管，诸如结型场效应晶体管(JFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)、或双模绝缘栅极晶体管(BIGT)，或者晶闸管，诸如集成栅极换向晶闸管(IGCT)或双模栅极换向晶闸管(BGCT)。负载换向开关LCS也可以具有相同的实现。两个元件之间的差异一般是额定值，其中主断路器MB能够处理比负载换向开关LCS更高的电流。隔离开关UFD反过来是机械开关，该机械开关获得隔离开关分支与电力线导体的机械分离。还可以看出，存在通向DC断路器20的第二连接端子T2的第一电流I_T1，第一电流I_T1被分成进入主断路器MB的第二电流I_T2和进入隔离开关UFD的第三电流I_T3。在附图中还示出了两个电压，即第一连接端子T1处的第一电压V₁以及第二电压V₂，该第一电压V₁是断路器20与第二电流限制电感器CLI_2之间结点相对于接地的电压，该第二电压V₂是第二电流限制电感器CLI_2与第二机械开关MS2之间结点相对于接地的电压。

图4示意性地示出了DC断路器20，DC断路器20使用第二连接端子T2经由第一电流限制电感器CLI_1而被连接到第一机械开关MS1以及使用第一连接端子T1经由第二电流限制电感器CLI_2而被连接到第二机械开关MS2。作为一个示例，可能的是，第二机械开关MS2被进一步连接到变流器站，而第二电流限制电感器CLI_2被连接到DC链路18中的电力线的导体44。

此外，图4中存在电流限制装置41，其包括第一电流限制电路42和第二电流限制电路43，其中，第一电流限制电路42被连接在DC断路器20与第二电流限制电感器CLI_2之间，而第二电流限制电路43被连接在DC断路器20与第一电流限制电感器CLI_1之间。由此，第一电流限制电路42被连接在DC断路器20的第一连接端子T1与导体44之间，导体44在这种情况下也在DC断路器20的第一连接端子T1与第二电流限制电感器CLI_2之间。第二电流限制电路43被连接在DC断路器20的第二连接端子T1与第一电流限制电感器CLI_1之间。这里应当提及的是，尽管附图示出了两个电流限制电路，但是电流限制装置可以仅包括一个(第一或第二)电流限制电路，第一或第二电流限制电路。每个电流限制电路可以更具体地操作以减少频率范围为70-200kHz的交流。此外，电流限制装置和DC断路器的组合也构成高压直流装置。在附图中还示出了两个电压V₁和V₂，其中，在这种情况下的第一电压V₁是DC断路器20的第一连接端子T1与第一电流限制电路42之间的结点处的电压。

图5示意性地示出了电流限制装置的第一实施例。根据第一实施例，电流限制装置仅包括第一电流限制电路。在第一实施例中，电流限制装置因此由第一电流限制电路组成。此外，在本发明的各种实施例中，第一电流限制电路还包括第一电容器。在该第一实施例中，第一电流限制电路仅包括第一电容器C1。因此，它由第一电容器C1组成。该电容器可以根据图5中所示的变型被添加在第二电流限制电感器CLI_2之前，以及可以具有范围为0.5-4μF的值，以及可以例如具有1μF的值。因此，第一电容器C1被连接在第一连接端子T1与通向电力线导体44的电感器(这里第二电流限制电感器CLI_2)之间的结点处。

如图5中所见，第一实施例的所公开的变型中，第一电容器C1连接在DC断路器20的第一连接端子T1和第二电流限制电感器CLI_2之间。更具体地，它被连接在该第二连接端子T2与接地之间。因此，它与电力线导体并联连接并且被连接到第二电流限制电感器CLI_2与断路器20之间的结点。

现在将更详细地描述电流限制装置的目的。

如图1和图2两者中可以看出，存在在每个DC链路中设置的DC断路器20。使用DC断路器20(其是配备有隔离开关的一种高压设备)是为了安全目的，以便当DC链路上存在故障(诸如极-接地故障)时，获得DC传输系统中元件的断开。

DC断路器20的一般操作正常地如下：

·阶段a.正常操作：隔离开关UFD、负载换向开关LCS和主断路器MB被闭合。由此，负载电流I_T3流过包括隔离开关UFD和负载换向开关LCS的隔离开关分支。

·阶段b.在故障情况下，负载换向开关LCS在故障电流经过某个阈值后被断开。然后故障电流I_T2被转移到主断路器MB中。

·阶段c.隔离开关UFD被断开。

·阶段d.主断路器MB被断开，由此故障电流I_T2被转移到连接在主断路器MB两端的放电器SA1中。

·阶段e.放电器SA1限制故障电流，并且机械开关MS2以及可能地MS1被断开以隔离故障。

隔离开关UFD是断路器20中的关键组件，用于从电力线导体获得机械分离。然而，只能当通过它的电流I_T3为低时(诸如小于几百mA)，才能断开其机械接触点。

如前所述，DC链路可以包括架空线。这些类型的链路存在问题在于，如果在这样的架空线上存在故障(诸如极-接地故障)，则故障可能引起故障电流反射。这些可能使得难以断开隔离开关UFD。

这在图6中图示出，其示出当图3中的DC断路器20的架空线导体44上存在接地故障时、第一电压V₁和第二电压V₂(以kV为单位)以及通过隔离开关UFD的电流I_T3(以kA为单位)，即当不存在电流限制装置时的情形。

然后断路器20将操作上文所描述的阶段a和b。现在，归因于故障，故障位置处的DC链路电压将经历高dv/dt，并且该干扰从故障位置穿过架空线至到达断路器20。应注意，断路器20与DC链路18的导体44串联连接，因此相对于接地处于极电位。因此，在DC断路器20的各个点与接地之间可存在一些杂散电容。此外，相关联的电压干扰或高dv/dt导致高频电流流过杂散电容。这些电流也将流过隔离开关UFD，如果它们高于一定水平，则隔离开关UFD不能被断开。

图6示出了隔离开关电流I_T3和第二故障限制电感器CT1_2之前V₂和之后V₁电压。根据V₂的波形可以观察到，归因于DC链路导体是架空线的反射r1、r2和r3而引起高频振荡。此外，观察到多次反射r1、r2、r3，并且两次连续反射之间的持续时间与故障和第二电流限制电感器CLI_2之间的线的长度成比例。可以观察到，第二电流限制电感器CLI_2减轻了这种影响(V₁中的振荡小于V₂)。然而，隔离开关电流I_T3仍然经历振荡，如从图6也可观察出。这些振荡的频率范围为70-200kHz。此外，归因于反射的电流幅值相当高，并且高于上文所提及的限值。归因于反射的幅值以及高频电流的实例是故障位置的强函数，并且很难预测。很难确定何时隔离开关UFD以被断开。因此，最好的解决方案是减轻反射的影响。

电流限制装置被提供以用于解决这种情形。因此提供电流限制装置41以减轻反射的影响。此外，电流限制装置的电流限制电路可以两种方式操作，以便限制电流幅值，其中一个是保持电压刚性而另一个是滤除电流。

图5中所示的第一实施例操作以保持电压V₁刚性，以便减少归因于反射的隔离开关电流I_T3中的高频振荡。

图7示出了具有与图6中相同故障的电压V₁和V₂和针对断路器的隔离开关电流I_T3，但是其中使用了根据第一实施例的电流限制装置。因此，该电路是图4的电路，但是其中，电流限制装置41仅包括第一电流限制电路42，第一电流限制电路42反过来由第一电容器C1组成。通过比较图6和图7，可以得出结论，归因于反射的电流被减轻了很多。因此，减轻了频率范围为70-200kHz的交流。由此，可以安全地断开隔离开关UFD。此外，可以不必考虑故障发生的位置，而能够这样做。因此，用于断开隔离开关的任何隔离开关控制机构不必考虑何时发生由这种反射引起的高频电流，这实质上简化了这种控制。

在图5中所示的第一实施例的变型中，第一电容器C1被连接在DC断路器20的第一连接端子T1与第二电流限制电感器CLI_2之间。作为备选方案，可以将第二电流限制电感器分成两个分离的电感器CLI_2a和CLI_2b。在第一实施例的变型中，第一电容器C1的一端然后被连接在这两个电感器CLI_2a与CLI_2b之间，其中另一端被连接到接地。这种情形在图8中示意性地示出。因此，第一电容器C1被连接在通向第一连接端子T1的电感器CLI_2a的第一部分与通向电力线导体44的电感器CLI_2b的第二部分之间的结点处。

在上文所给出的故障示例中，在被连接到DC断路器20的第一连接端子T1的架空线上发生故障。如上文所提及，架空线也可以被连接到断路器20的第二端子T2。在这种情况下当然也可能在断路器20的这一侧可发生故障。为此，电流限制装置可以包括先前所提及的第二电流限制电路，第二电流限制电路被连接到DC断路器的第二连接端子T2，第二电流限制电路在DC断路器20与第一电流限制电感器CL_1之间。可以这样做的一个实施例在图9中示出，其中第二电流限制电路包括并联连接的第二电容器C2，其被连接到第二连接端子T2。因此，第二电容器C2的一端被连接到DC断路器20的第二连接端子T2，并且另一端被连接到接地。该第二电容器C2具有与第一电容器C1相同的目的，即保持第二连接端子T2处的电压刚性，从而减少频率范围为70-200kHz的交流。因此，第二电容器C2可以具有与第一电容器C1相同的值。

如上文所提及，还可以滤除由反射引起的故障电流。可以这样做的一种方式在图10中示出，这示出了电流限制装置的第三实施例，电流限制装置包括第一和第二电流限制电路。

第一电流限制电路在这种情况下是第一滤波器F1，以及第二电流限制电路是第二滤波器F2，其中第一滤波器F1被连接在断路器20的第一连接端子T1与第二电流限制电感器之间(未示出)，以及第二滤波器F2被连接在断路器20的第二连接端子T2与第一电流限制电感器(未示出)之间。在图10所示出的示例中，每个滤波器包括被连接在线与接地之间的两个电容器，并且通过与电感器并联的电阻器分离。由此可以看出，第一电容器可以是第一滤波器F1的一部分，以及第二电容器可以是第二滤波器F2的一部分。

在两个滤波器中，还可以使用图8中所示的电容器放置，其中，电容器被连接到通向设备的连接端子的第一电感器部分与通向电力线导体或变流器站的第二电感器部分之间的结点。

这里，每个滤波器被设置为滤除频率范围为70-200kHz的高频电流，以便允许断开断路器20的隔离开关UFD。

这里应该认识到，所示的特定滤波器实现仅仅是示例性的，并且每个滤波器可以具有不同的实现。还应该认识到，滤波器不需要分别包括第一和第二电容器，而是可以仅使用电感器作为电抗元件可能还使用电阻器一起实现。作为备选方案，可以仅使用电容器作为电抗元件(可能与电阻器组合)来实现滤波器。

还应该认识到，取决于DC断路器的放置，可以省略其中一个滤波器，例如第二滤波器。

在上文所给出的示例中，断路器是混合HVDC断路器。然而，应该认识到，可以利用其他类型的DC断路器，其中一个示例在图11中示出。断路器45是基于全桥的DC断路器并且包括主分支MB，主分支MB包括与全桥单元FBM串联的超快隔离开关UFD。与主分支MB并联，存在串联连接的全桥单元FB1、FB2……FBn-1和FBn的传递分支TB。最后是与主传递分支MB和TB并联的吸收器分支AB，该吸收器分支AB包括一个或多个电涌放电器SA3和SA4。主和传递分支可以各自附加地包括电感器。

此外，DC断路器仅是包括隔离开关的高压设备的一个示例。应认识到，电流限制装置可以与高压直流电力系统中的任何这种高压设备一起使用。

因此，虽然已经结合目前被认为是最实用和优选的实施例描述了本发明，但是应理解，本发明不限于所公开的实施例，而相反，旨在覆盖各个修改和等效设备和装置。因此，本发明仅由本文权利要求的限制。

Claims

1.一种高压直流装置，包括电流限制装置(41)以及高压设备(20；45)，所述高压设备配备有用于与高压直流系统的第一电力线导体(44)串联连接的隔离开关(UFD)，所述隔离开关可操作以获得与所述第一电力线导体机械分离，其中，所述第一电力线导体(44)包括架空线路，所述电流限制装置包括：

用于连接在所述第一电力线导体(44)与所述设备的第一连接端子(T1)之间的第一电流限制电路(42)，并且所述第一电流限制电路(42)包括用于与所述第一电力线导体(44)并联连接的第一电容器(C1)，在所述第一电力线导体故障的情况下，所述第一电流限制电路(42)可操作以通过所述第一电容器(C1)保持在所述第一连接端子处的电压(V1)刚性来减少70-200kHz频率范围中的交流，从而使得所述隔离开关能够安全地断开。

2.根据权利要求1所述的高压直流装置，其中，所述第一电容器(C1)具有在0.5-4μF范围内的值。

3.根据权利要求2所述的高压直流装置，其中，所述第一电容器(C1)被连接在所述第一连接端子(T1)与通向所述第一电力线导体(44)的电感器(CLI_2)之间的结点处。

4.根据权利要求3所述的高压直流装置，其中，所述第一电容器(C1)被连接在通向所述第一连接端子(T1)的电感器(CLI_2a)的第一部分与通向所述第一电力线导体(44)的所述电感器(CLI_2b)的第二部分之间的结点处。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的高压直流装置，其中，所述高压设备(22)的第二连接端子(T2)适于被连接到变流器站(11)。

6.根据权利要求1-4中任一项所述的高压直流装置，还包括用于连接在第二电力线导体与所述设备的第二连接端子(T2)之间的第二电流限制电路(43)，所述第二电力线导体包括架空线路，所述第二电流限制电路(43)包括用于与所述第二电力线导体并联连接的第二电容器(C2)，并且在所述第二电力线导体故障的情况下，所述第二电流限制电路可操作以通过所述第二电容器(C2)保持在所述第二连接端子处的电压刚性来减少频率范围为70-200kHz的交流，从而使得所述隔离开关能够安全地断开。

7.根据权利要求6所述的高压直流装置，其中，所述第二电容器(C2)具有在0.5-4μF范围内的值。

8.根据权利要求1至4中的任一项所述的高压直流装置，其中，所述设备是直流断路器。

9.一种高压直流系统，包括根据权利要求1-8中的任一项所述的高压直流装置。

10.根据权利要求9所述的高压直流系统，其中，所述系统是DC电网系统(22)。