CN109891544B - 用于高压直流电网的co2开关 - Google Patents

用于高压直流电网的co2开关 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于高压或中压直流电网的开关，该开关包括具有密封外壳的DC断路器(5)，该密封外壳包含气态流体，该气态流体包括在20℃的温度下测量的在0.65MPa至1.1MPa范围内的压力下的至少70％体积的二氧化碳，以及谐振电路，该谐振电路具有以μF为单位的电容(C)的值和以μH为单位的小于2700×C‑0.84的电感(L)。

Description

用于高压直流电网的CO2开关
技术领域
本发明涉及高压直流(HVDC)传输网络或中压直流(MVDC)传输网络的一般技术领域。
更具体地，本发明涉及用于中断高压或中压DC传输网络的线路中的直流(DC)的HVDC或MVDC气体绝缘开关。
本发明的一个特别有利的应用在于高压或中压直流网络的技术领域，用于将功率从网络的一个路径切换到另一个路径，例如在极点(pole)上发生故障的情况下，或者在网络极点上进行长时间的维护操作的情况下。
背景技术
DC网络中，使用包括支路的开关是已知的，该支路具有直流断路器，该直流断路器具有封闭在包含气态流体的密封外壳中的有源断路构件。现有技术提出了许多制造气体绝缘的DC断路器的技术方案。
例如，在“电气工程师学会1994年的功率-能源分区会议期刊(Journal of thepower-energy division conference 1994of Institute of Electrical Engineers)”，第621号，第824-825页中描述了一种已知的断路器。气体绝缘的DC断路器放置在DC网络线路的支路中。与包含断路器的支路并行地连接的首先是具有能量吸收器元件(用于吸收任何电压浪涌)的支路，其次是具有给定电容和给定电感的谐振电路。
DC断路器是气体喷射型的并且包括封闭在包含气态流体的密封外壳中的有源断路构件。断路器具有用于允许DC流动的固定触头和具有固定到其上的介电喷嘴的鼓风缸中的可动触头。在现有技术中，当集成在可动触头中的活塞杆相对于固定到固定触头的鼓风活塞移动时，电弧在触头之间被击穿。当活塞杆移动时，包含在外壳内的灭弧气体(通常为SF6)被压缩以便吹到电弧上。
对于直流电流，仅将SF6喷射到DC电弧上可能不足以中断电弧并成功熄灭电弧，因为与交流电流(AC)不同，直流电流没有周期性的电流过零点。
为了熄灭电弧，包括电感和电容的谐振电路因此与断路器并联耦接，以便在直流电流上叠加振荡电流，从而为断路器提供过零点。这使得被喷射系统压缩的SF6气体被吹向电弧并迫使电弧熄灭。
鉴于DC网络需要更高的电压，相关联的开关需要在电流值(电流值可能高达6000安培(A))方面提高其开关性能。该电流值开关性能还必须适用于开关的宽工作温度范围。通常，即使当工作温度降至-50℃时，此类开关也需要保持其电流值开关性能。
专利US5737162提出在串联连接电路断路器时将DC断路器保存在标准密封外壳中。该方案存在地面上占地面积大且成本高的缺点。
专利EP0740320提出根据DC的中断值优化谐振电路的阻抗和电容值。
还提出了使用各种类型的灭弧气体的提议，如专利申请US2016/261095中的示例所述，其提出使用二氧化碳作为SF6的替代物以便熄灭电气装置中的电弧，用于电能的生产、运输、分配和/或利用。然而，由于使用的每种类型的气体改变了熄灭电弧的条件，因此该文献没有教导如何在包括谐振电路的DC断路器中实现。
同样，专利申请US2011/0175460描述了一种用于DC网络的开关，该DC网络具有谐振电路和封装在包含SF6的外壳中的有源断路构件。对于这样的SF6气态介质，该文献提出使用足够大的电容值来切换DC，而不管选择的电感值。考虑到电弧稳定性标准，该方案不能优化谐振电路的整体尺寸，这实际上限制了LC电路的电感L可以使用的范围。
在现有技术中，使用包含二氧化碳的介质作为介质，在中压或高压电气装置中提供电绝缘和/或电弧熄灭也是已知的(例如，从专利申请FR2975819中)。该专利申请没有提供关于如何用谐振电路实现它的信息。
发明内容
本发明旨在通过利用与注入振荡电流的电路相关联的机械断路器，提出一种用于高压或中压直流网络的开关来弥补上述缺点，这种开关简单紧凑，同时在开关的宽工作温度范围内提供DC值方面的高开关性能。
为了实现这样的目的，用于高压或中压直流网络的开关包括具有DC断路器的支路，该DC断路器包含封装在至少一个包含气态流体的密封外壳中的有源断路构件，该支路插入网络线路，并且首先与具有能量吸收元件的支路并联连接，其次与具有给定电容和给定电感的谐振电路并联连接。
根据本发明，DC断路器的密封外壳包含气态流体，该气态流体包括至少70％体积的二氧化碳，在20℃的温度下测量其填充压力在0.65兆帕斯卡(MPa)至1.1MPa的范围内，并且对于以微法(μF)为单位的电容值C，以微亨(μH)为单位的电感L小于2700×C-0.84。
此外，本发明的开关还可以组合包含以下附加特征中的至少一个和/或多个：
·对于以μF为单位的电容C的值，以μH为单位的电感L在400×C-0.84至2700×C-0.84的范围内；
·气体流体仅由二氧化碳构成，在20℃的温度下测量填充压力在0.65MPa至1.1MPa范围内；
·气态流体由二氧化碳和六氟化硫的混合物构成；
·20％至30％体积的六氟化硫；
·气态流体由二氧化碳和四氟化碳的混合物构成；
·20％至30％体积的四氟化碳；
·气态流体由二氧化碳和氟代氰的混合物构成；
·4％至10％体积的氟代氰；
·气态流体由二氧化碳和分子氧的混合物构成；
·5％至15％体积的分子氧；
·气态流体由二氧化碳、分子氧和氟代酮的三元混合物构成；并且
·5％至15％体积的双氧以及4％至10％体积的氟代酮。
本发明还提供了一种包括至少一个根据本发明的开关的高压或中压直流电网络。
附图说明
从以下参考附图的描述中可以看出各种其他特征，附图示出了作为非限制性示例的本发明的实施例。
图1是根据本发明使用至少一个HVDC气体绝缘开关的高压或中压DC传输网络的实施例的图。
图2是根据本发明示出的HVDC气体绝缘开关的功能方框图。
图3是根据本发明绘制的作为电容值C(以μF为单位)的函数的电感L的值(以μH为单位)的曲线图，用于说明HVDC气体绝缘开关的断路器的谐振电路的值的选择。
图4是针对要切换的各种电流值绘制的作为电感值L(以μH为单位)的函数的电容C的值(以μF为单位)的曲线图，用于说明LC平面中的电流性能极限。
图5是作为示例示出用于执行本发明的DC断路器的密封外壳的形状的图。
图6是根据使用SF6介质或使用CO2介质绘制的归一化直流电流(每单位绘制)的电容C(以μF为单位)除以电感L(以μH为单位)的比率的曲线图。
具体实施方式
作为示例，图1示出了高压或中压直流传输网络1，其根据本发明利用至少一个并且通常为多个HVDC或MVDC气体绝缘开关2i用于中断网络线路中的直流电流。以传统方式，这种DC传输网络1在至少一端包括AC/DC转换器3，在另一端包括DC/AC转换器4。因为转换器3、4没有具体形成本发明的一部分并且是本领域技术人员公知的，所以没有详细描述。
给予根据本发明的开关参考2i，其中，i从a、b、...变化到n。根据本发明的这些开关2i连接在转换器3、4和网络1的多个点之间，以便将功率从网络的一个点引导到另一个点。举例来说，在一个极点上发生故障或者在网络极点上进行长时间的维护操作的情况下，开关2i能够保持减小的功率流。例如，网络1包括根据本发明适配的开关2a、2b和短路开关10，短路开关10用于将功率从接地导体Ct传输到架空(overhead)金属导体Ca。应该观察到，短路开关10仅具有使转换器的不可用极短路的功能，这与根据本发明的开关2i不同，本发明的开关2i具有在断开电路时切换的能力。
为了传输该功率，接地导体Ct上的初始闭合的开关2a打开，以便通过根据本发明的开关2b和短路开关10(其串联连接在接地导体Ct和架空金属导体Ca之间)将电流从接地导体Ct切换到架空金属导体Ca，其中本发明的开关2b和短路开关10先前是闭合的。
从图2中可以更精确地看出，开关2i放置在例如在点A和A'之间传送直流IDC的网络1的线路上，如图所示。在点A和A'之间，每个开关2i包括具有任何已知类型的DC断路器5的支路，该DC断路器5由一个或多个串联连接的密封外壳构成并提供电弧电流Iarc和电弧电压Uarc。
术语“DC断路器”5用于表示具有封闭在密封外壳中的有源断路构件的机械装置，该密封外壳包含气态流体和用气态流体喷射电弧的系统。如下面更详细地描述，选择气态流体是因为其绝缘性质，特别是为了在相同的压力下提供大于干燥空气的介电强度的介电强度，并且还因为其电流中断能力和提供高电弧电压的能力。
举例来说，图5中示出了DC断路器5。以传统方式，DC断路器5包括密封外壳5a内一对电弧触头5b和5c以及一对“永久”触头5d和5e(当断路器处于闭合位置时，通过电流)。电弧触头5b和5c以及永久触头在断开操作期间移开。当电弧触头5b和5c分离时，电弧在它们之间被击穿并被限制在喷嘴5f内。电弧持续到电流中出现过零点为止，因此通过喷嘴5f吹出的气体使得等离子体能够被更冷的气体替换。在电流过零期间的这种喷射(blast)动作使得电弧能够被熄灭并且使得在电弧触头5b和5c之间压缩的气态介质能够承受网络施加的瞬态恢复电压，而不会重燃和重建电流。
首先与该支路A-A'并联连接非预充电谐振电路6，其次并联连接具有能量吸收元件7的支路。非预充电谐振电路6提供串联的给定电容C、电阻R和给定电感L。谐振电路6与电弧电压Urac相互作用，以产生指数增加的振荡电流。该振荡电流叠加在DC电流IDC上，以便提供电流过零点，在此过程中吹入气态流体以熄灭电弧。
具有能量吸收元件7的支路包括任何已知类型的浪涌保护器装置，例如避雷器。设置能量吸收器元件7，以便能够设定电容器C和断路器5的端子两端的最大浪涌电压，并且在断路器5中断之后吸收网络的能量。
如图4所示的这种开关类型的开关性能是在开关2i的电弧触头5b和5c之间产生的电弧和与之并联连接的LC谐振电路之间紧密相互作用的结果。电弧的特性主要取决于其浸入的介质。因此，对于与开关2i并联的给定LC谐振电路，开关的DC开关性能极限受到电弧浸入的气态介质的强烈影响。换句话说，对于要切换的给定直流电流，如果改变电弧浸入的气态介质，则需要修改与开关2i并联的LC谐振电路。在现有技术中，通常用于该应用的流体是六氟化硫(SF6)。
根据本发明，DC断路器5的密封外壳5a包含含有至少70％体积的二氧化碳的气态流体，并且在20℃的温度下测量的填充压力在0.65MPa和1.1MPa的范围内。因此，相对于包含在DC断路器5的密封外壳5a中的气态流体的总体积，外壳包含按体积计至少70％的CO2。如下面实施例中所述，气态流体仅含有CO2或CO2与其它组分的混合物，其中选择用于气态混合物的组合物尤其取决于开关的工作温度。在密封的外壳5a充满气态流体时，在20℃的温度下测量压力。
图6有利地示出了使用传统SF6介质和根据本发明的气态介质之间的性能差异，根据本发明的气态介质包括作为断路器的密封外壳中的气态介质的CO2。图6还绘制了SF6介质和根据本发明的含有CO2的介质之间的对比试验测量结果。图6示出了在保持开关2i形状不变的同时改变开关2i中的气态介质对DC开关性能的影响，并且显示了使用大部分由CO2构成的介质的优点。试验测量结果表明，使LC测量电路在C/L范围(从大约0.05μF/μH到大约1.1μF/μH)内变化，这对SF6介质中的开关性能几乎没有任何改善，保持在参考值1pu处不变。相反，与SF6介质相比，使用根据本发明的含CO2气态介质总是显示出改善的性能。通过修改LC谐振电路进一步改善这种性能，即使这不适用于SF6介质。
在优选实施例中，DC电路断路器5的密封外壳5a包含仅由二氧化碳构成的气态流体，在20℃的温度下测量的填充压力在0.65MPa至1.1MPa的范围内。例如，对于具有可降至-40℃温度的操作条件的开关，气态流体可仅由二氧化碳构成，在温度20℃处填充压力为1.1MPa。当开关的操作条件可能涉及温度降至-50℃时，气态流体可仅由二氧化碳构成，在温度20℃处填充压力为0.08MPa。
在另一个实施例中，DC断路器5的密封外壳5a包含由二氧化碳和六氟化硫(SF6)的混合物构成的气态流体。因此，DC断路器5的密封外壳5a含有20％至30％体积的六氟化硫，剩余为二氧化碳。该实施例使开关的操作条件可能下降到-50℃的温度。
在另一个实施例中，DC断路器5的密封外壳5a包含由二氧化碳和四氟化碳(CF4)的混合物构成的气态流体。DC断路器5的密封外壳含有20％至30％体积的四氟化碳，剩余为二氧化碳。该实施例使开关的操作条件可能下降到-50℃的温度。
在另一个实施例中，DC断路器5的密封外壳5a包含由二氧化碳和氟代氰(2,3,3,3-四氟-2-(三氟甲基)-丙腈)的混合物构成的气态流体。在该实例中，DC断路器的密封外壳含有4％至10％体积的氟代氰(fluoronitrile)，剩余为二氧化碳。
在另一个实施例中，DC断路器的密封外壳5a包含由二氧化碳和分子氧的混合物构成的气态流体。在该实施例中，DC断路器的密封外壳含有5％至15％体积的分子氧，剩余为二氧化碳。
在另一个实施例中，DC断路器的密封外壳5a包含由二氧化碳、分子氧和氟代酮(CnFK)的三元混合物构成的气态流体。在该实施例中，DC断路器的密封外壳含有5％至15％体积的分子氧和4％至10％体积的氟代酮，剩余为二氧化碳的三元混合物。
本发明的另一个特征是，根据本发明含有至少70％体积的CO2，根据被切换的电流值和断路器5的性能，确定直流断路器5的谐振电路6的电容C和电感L的最佳值。图4示出了谐振电路6所需的电容的C如何根据要切换的DC的值而变化。当切换的电流I增加时，需要增加电容器的电容C的值，以避免产生电流不稳定性。相反，只有当谐振电路6的电感(包括环路中的杂散电感)低于极限值时，才能保持这种不稳定性并产生指数增加的振荡电流。
根据本发明，对于谐振电路6的以μf为单位的电容值C，谐振电路6的以μH为单位的电感L保持小于2700×C-0.84。根据有利的实施例特征，对于以μF为单位的电容值C，以μH为单位的电感L在400×C-0.84至2700×C-0.84的范围内。
这种关系如图3所示。例如，对于所需的30μF电容，为了有效，与根据本发明的断路器5的电弧相互作用的谐振电路6的电感L必须在23μH至155μH的范围内。
从以上描述可以得出，与谐振电路有关的特性和与气态流体有关的特性相互作用，从而产生组合的技术效果。
具体地，如果电弧处于其不稳定范围内，则开关的LC谐振电路产生振荡电流。电弧稳定范围与其不稳定范围之间的界限是由谐振LC电路的幅度之间的相互作用以及电弧的固有特性产生的。然而，由于电弧的固有特性取决于产生电弧的气态介质，因此与谐振电路有关的特性与与气态介质有关的特性相互作用。
本发明的一个优点是实现了中断性能，因为DC断路器包括以上述方式设计的谐振电路，从而可以充分利用DC断路器的性能。考虑到可以控制谐振电路的能力，这种开关的成本降低，并且还能提高其电流开关性能。
因为可以在不超出本发明范围的情况下对其进行各种修改，所以本发明不限于描述和示出的示例。

Claims (14)

1.一种用于高压或中压直流网络(1)的开关，所述开关包括具有直流断路器(5)的支路，所述直流断路器(5)包含封闭在包含气态流体的至少一个密封外壳(5a)中的有源断路构件，所述支路插入网络线路，并且首先与具有能量吸收元件(7)的支路并联连接，其次与具有给定电容(C)和给定电感(L)的谐振电路(6)并联连接，所述开关特征在于，DC断路器(5)的密封外壳包含气态流体，所述气态流体包括至少70％体积的二氧化碳，在20℃的温度下测量的填充压力在0.65兆帕斯卡(MPa)至1.1MPa的范围内，并且特征在于对于以微法(μF)为单位的电容值(C)，以微亨(μH)为单位的电感(L)小于2700×C-0.84。
2.根据权利要求1所述的开关，其特征在于，对于以μF为单位的电容值(C)，以μH为单位的电感(L)在400×C-0.84至2700×C-0.84的范围内。
3.根据权利要求1所述的开关，其特征在于，所述直流断路器(5)的密封外壳包含仅由二氧化碳构成的气态流体，具有在20℃的温度下测量的在0.65MPa至1.1MPa范围内的填充压力。
4.根据权利要求1所述的开关，其特征在于，DC断路器(5)的密封外壳包含由二氧化碳和六氟化硫的混合物构成的气态流体。
5.根据权利要求4所述的开关，其特征在于，DC断路器(5)的密封外壳含有20％至30％体积的六氟化硫。
6.根据权利要求1所述的开关，其特征在于，DC断路器(5)的密封外壳包含由二氧化碳和四氟化碳的混合物构成的气态流体。
7.根据权利要求6所述的开关，其特征在于，DC断路器(5)的密封外壳含有20％至30％体积的四氟化碳。
8.根据权利要求1所述的开关，其特征在于，DC断路器(5)的密封外壳包含由二氧化碳和氟代氰的混合物构成的气态流体。
9.根据权利要求8所述的开关，其特征在于，DC断路器(5)的密封外壳含有4％至10％体积的氟代氰。
10.根据权利要求1所述的开关，其特征在于，DC断路器(5)的密封外壳包含由二氧化碳和分子氧的混合物构成的气态流体。
11.根据权利要求10所述的开关，其特征在于，DC断路器(5)的密封外壳含有5％至15％体积的分子氧。
12.根据权利要求1所述的开关，其特征在于，DC断路器(5)的密封外壳包含由二氧化碳、分子氧和氟代酮的三元混合物构成的气态流体。
13.根据权利要求12所述的开关，其特征在于，DC断路器(5)的密封外壳包含5％至15％体积的分子氧和4％至10％体积的氟代酮。
14.一种高压或中压直流网络，其特征在于，包括至少一个根据权利要求1至13中任一项所述的开关(2i)。
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