CN110326075B - 直流高压电气设备以及在这种设备中控制切断装置的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种包括用于切换主电路(24)中的电流的开关器件(22)的直流高压电气设备以及一种用于控制这种电气设备中的开关器件的闭合的方法，特征在于，所述电气设备(23)包括受控可变电阻系统(26)，使得可以改变电阻系统(26)的由流经主电路(24)的电流所见的电阻值，该电阻值取至少三个不同的值：较高值、较低值以及至少一个包含在较高值和较低值之间的非零中间值。所述电气设备包括协同器件(32)，所述协同器件使得可以控制所述电阻系统(26)的电阻值的切换时间(T1，T2)。

Description

直流高压电气设备以及在这种设备中控制切断装置的方法
技术领域
本发明涉及一种直流高压电气设备，所述直流高压电气设备包括用于切断直流高压电路的装置。
背景技术
已知传统方式的区域规模、国家规模或者大陆规模的电力网络，在这种网络中，在数十、数百或数千公里范围内传送电流。正在考虑发展这种网络或者部分高压直流网络或者超高压直流网络。在这种网络中，高压导线尤其可以以架空线或地下电缆或海底电缆的形式布置。
当然，这种高压网络中设置有电源切断装置以切断给定导线中的电流。通常，处于断开位置的切断装置将电路的两部分断开，其中一个部分可以连接到高压下的电源(在所考虑的情况下)。在这些切断装置中设置有断路器，用于在电路异常的情况下快速断开由导线构成的电路。特别是设置断路器以承载有载开路，即电路的开路，其中在标称电压下在电路中流动最大标称强度的电流，或者甚至在电路的电气故障的情况下在电路中流动超过最大标称强度的短路电流。更具体地设置了其它切断装置，即隔离器，用于在断开位置断开电路的两个部分，其中一个电路部分例如连接到电源，确保足够的间隔距离以保证永久电绝缘。
当切断装置已经断开并且在需要再次闭合切断装置以恢复电路中的电流时，人们可能面临在电路的先前通过所述切断装置与所述电源隔离的部分(其被随意地称为下游部分)中产生非常高的释放电流的问题。在下游部分包括例如超过10千米长度、甚至超过100千米长度的很长的地下电缆或海底电缆的情况下，这一点尤为重要。实际上，特别是由于它们每单位长度的大电容和/或它们的长度大，这种电缆通常与大地或者水体形成显著的电容。在给电缆加电时，也就是说在闭合切断装置时，电缆的电容很容易产生非常显著的释放电流。在没有特别保护措施的情况下，该释放电流可能远远超过电路中电流的最大标称强度的两倍。然后，该释放电流可能损坏电路的某些元件。
已知在高压交流电网领域中设置在线路接通时插入电路的插入电阻器，以限制在这种操作期间可能出现的过电压。同样在交流高压网络领域，还已知提供与无功补偿的补偿器组相关联的插入电阻器或插入电感器，或者提供与真空变压器相关联的插入电阻器或插入电感器以在真空变压器接通时限制释放电流。
然而，到目前为止还没有解决直流高压电路中的释放电流峰值问题。
发明内容
因此，本发明旨在提出一种将释放电流限制为受控值的解决方案，例如，限制为不超过所述电路中的电流的最大标称强度值两倍的值。在涉及转换器的一些应用中，特别是AC/DC转换器中，这使得能够避免阻断AC/DC转换器的有源部件，即绝缘栅双极晶体管(通常称为IGBT)。此外，本发明的第二个目的是最小化恢复导线中标称电流的时间，特别是当电流在消除故障电流的操作之后恢复时。如用于交流电领域的主要在于提供插入电阻的解决方案不能直接转换，特别是由于其导致显著的标称电流恢复时间。
为此目的，本发明提出了一种直流高压电气设备，所述直流高压电气设备包括用于切断直流高压电路的装置，该直流高压电路包括主电路，在所述电气设备的稳定操作状态期间，在所述主电路中流动直流高压下的工作电流，所述切断装置可能从断开状态切换至闭合状态，在所述断开状态下，所述切断装置中断电流在所述主电路中的流动，在所述闭合状态下，所述切断装置允许电流在所述主电路中的流动。
所述电气设备的特征在于，所述电气设备包括受控可变电阻系统，所述受控可变电阻系统包括与开关器件相关联的电阻器件，用于改变所述电阻系统由在所述主电路中流动的电流看到的电阻值，所述电阻值至少为三个不同的值，包括至少一个较高值、一个较低值和至少一个包含在所述较低值和所述较高值之间的非零中间值，并且所述电气设备包括协同器件，所述协同器件用于根据所述切换装置从断开状态到闭合状态的闭合时刻控制所述电阻系统的所述电阻值的切换时刻。
根据本发明的其他可选的单独使用或组合使用的特征：
所述电气设备可包括受控可变电阻系统，所述受控可变电阻系统的所述电阻值具有至少两个不同的包括在所述较低值和所述较高值之间的非零中间值。
所述电阻器件可以包括至少两个分立的插入电阻器，并且所述开关器件可以包括至少两个不同的插入开关，所述两个不同的插入开关与所述切断装置分开，所述至少两个不同的插入开关均呈现电流中断通过所述开关的断开状态以及电流通过开关的闭合状态，所述至少两个不同的插入开关均与相应相关联的分立插入电阻器相关联，用于选择性地控制所述电流在所述相关联的分立插入电阻器中的通过。
至少一个插入开关可以布置在主电路中，以便在其闭合状态下由工作电流穿过，并且相关的分立插入电阻器可以与所述相关的插入开关电气并联地布置在主电路中。
第一插入开关和第二插入开关可以布置在主电路中，以便在其闭合状态下被工作电流穿过，并且分别与第一插入开关和第二插入开关相关联的第一分立插入电阻器和第二分立插入电阻器均可以分别与所述相关的插入开关电气并联地布置。
至少第一开关和第一相关电阻器可以串联电气地布置在所述电路的同一第一旁路支路中；第二开关和第二相关电阻器可以串联电气布置在所述电路的同一第二旁路支路中，所述第一旁路支路和所述第二旁路支路彼此电气并联布置，并且所述两个支路电气布置得与所述切断装置电气并联。
至少一个插入开关可以是机械的。
至少一个插入开关可以是电子的。
至少一个插入开关可以通过所述切断装置的至少一个构件的位移来机械地控制，例如通过所述切断装置的两个触头或电触头对的相对位移。
至少一个插入开关可以是电子控制的。
所述受控可变电阻系统可以包括变阻器，所述变阻器包括与可移动切换滑块相关联的电阻元件，可移动切换滑块在位移上受控以改变所述电阻系统的通过在所述电路中流动的所述电流看到的所述电阻值。
所述可移动切换滑块在位移上由所述协同器件控制。
所述协同器件可包括电子控制单元。
所述切断装置可以是断路器。
通过在主电路中流动的电流看到的所述电阻系统的较高电阻值例如等于或大于网络电压除以期望最大峰值电流的商减去不包括所述受控可变电阻系统的所述电路的等效波阻抗值：
Figure BDA0002173105440000041
本发明还涉及一种在直流高压电气设备的直流高压电路中控制切断装置的闭合方法，该切断装置可以是机械的，其特征在于，该方法包括：
将具有受控可变电阻的电阻系统的由电路中流动的电流看到的电阻设置为较高值；
通过具有受控可变电阻的电阻系统在直流高压电路中建立电流；
在电流建立后的第一时段期满时将电阻系统的电阻值改变为达到中间值；
在电流建立之后的第一时段期满之后，在电流建立之后的第二时段期满时，将电阻系统的电阻值修改为达到较低值。
在第一变型中，这种方法可以包括：
将具有受控可变电阻的电阻系统的由电路中流动的电流所见的电阻值设置为较高值；
闭合切断装置；
在闭合切断装置之后，在切断装置的闭合之后的第一时段期满时，将电阻系统的电阻值修改为达到中间值；
在第一时段期满之后，在所述切断装置的闭合之后的第二时段期满时，改变所述电阻系统的电阻值达到较低值。
在第二变型中，这种方法可以包括：
将具有受控可变电阻的电阻系统的由在电路中流动的电流所见的电阻设置为较高值，并且通过闭合插入开关，建立通过具有受控可变电阻的所述电阻系统的电流流动；
在建立通过具有受控可变电阻的电阻系统的电流流动之后的第一时段期满时，通过闭合第二插入开关，将电阻系统的电阻值修改为达到中间值；
在第一时段期满之后，在建立通过具有受控可变电阻的电阻系统的电流流动之后的第二时段期满时，通过闭合切断装置，将所述电阻系统的电阻值修改为达到较低值。
特别是通过电子控制单元的适当编程，可以配置所述电气设备，使得具有受控可变电阻的电阻系统的电阻值受控取一系列的递减离散值，而且使得插入持续时间(Ti-T(i-1))等于或者大于
Figure BDA0002173105440000051
其中，在插入持续时间(Ti-T(i-1))期间，具有受控可变电阻的电阻系统的电阻值受控取离散中间值的中间电阻值，
其中：
RSysEq(i)是具有受控可变电阻的电阻系统的由电路中流动的电流所见的中间电阻值；
T(i-1)是控制具有受控可变电阻的电阻系统取所述中间值RSysEq(i)的时刻；
RSysEq(i+1)是具有受控可变电阻的电阻系统由电路中流动的电流看到的离散电阻值的顺序序列的下一个电阻值；
T(i)是控制具有受控可变电阻的电阻系统(26)从所述中间值(RSysEq(i))移动到下一电阻值(RSysEq(i+1))的时刻；
Zeq是包括连接到主电路的任何网络、不包括受控可变电阻系统的电路(24)的等效波阻抗值；
Ceq是包括连接到主电路的任何网络的电路(24)的等效电容。
优选地，期望的是，中间电阻值(RSysEq(i))的插入持续时间(Ti-T(i-1))(具有受控可变电阻的电阻系统的电阻值被控制取所述离散中间值(RSysEq(i))的持续时间)是以下值的1倍到1.5倍：
Figure BDA0002173105440000061
附图说明
从以下参考附图给出的描述中可以看到各种其他特征，附图通过非限制性示例的方式示出了本发明的目的的实施例。
图1示出了高压电网的示例，该高压电网尤其包括DC高压网络部分，所述DC高压网络部分通过AC/DC转换器连接到AC高压网络的不同部分，所述DC高压网络部分包括切断装置，例如机械的。
图2A至2D示意性地示出了根据本发明教导的电气设备的各种状态，所述电气设备在DC高压电路中包括例如断路器类型的切断装置和与所述切断装置相关联的受控可变电阻系统。
图3和4是类似于图2A的视图，每个视图均示出了所述受控可变电阻系统的变型。
图5A至5D是类似于图2A至2D的视图，每个示意性地示出了受控可变电阻系统的变型的不同状态。
图6是类似于图2A的视图，示出了受控可变电阻系统的变型。
图7是示出了在根据本发明的控制方法的背景下，对于图2A至2D的实施例，在主电路中流动的电流所见的具有受控可变电阻的电阻系统的电阻值随时间变化的曲线图。
图8是示出了在根据本发明的控制方法的背景下，对于包括任意数量的中间电阻值的电阻系统，在主电路中流动的电流所见的具有受控可变电阻的电阻系统的电阻值随时间变化的曲线图。
具体实施方式
图1示出了可以实现本发明的高压电网系统10。该高压电网系统10包括DC高压电网部分11，所述DC高压电网部分11通过AC/DC转换器系统12连接到不同的AC高压电网部分14，这里数量为三个。在所示的示例中，DC高压电网部分11包括三个DC高压网络子部分13，每个子部分将与AC网络部分14相关联的转换器系统12和与另一AC网络部分14相关联的另一转换器系统12相连接。在所示的示例中，三个DC高压网络子部分13从而将三个AC网络部分14以三角形配置连接。
在本文中，标称工作电压大于1000V AC或1500V DC的器件被认为是高压器件。在补充方式中，当高压大于50 000V AC或75 000V DC时，还被认为是超高压。
每个DC高压网络子部分13包括具有正电位的DC高压导线16、具有负电位的DC高压导线18、以及连接到中性电位的导线20。例如，高压导线16、18包括三个DC高压网络子部分13中的至少一个、地下电缆或海底电缆。
在所示的示例中，每个DC高压导线16、18确定了DC高压电路。DC高压电网部分11在由DC高压导线16、18限定的DC高压电路中包括电气切断装置22，每个电气切断装置22能够在断开状态下中断电流在讨论的电路或其一部分中的流动，或者在闭合状态下每个电气切断装置22允许电流在讨论的电路中的流动。
所述电气切断装置22尤其可以是断路器、隔离开关、开关、接触器、断流型等。在下面描述的更具体的示例中，所述切断装置22例如是断路器。
所述电气切断装置尤其可以是：
机械装置，其中通过两个电触头或一对电触头的位移，特别是间隔来获得电气切断；
电子装置，例如IGBT；或
混合装置。
在机械装置中，电触头的位移通常通过操纵构件或机械、气动、液压或电子致动器实现，可能通过运动传递运动学来实现。这种位移可以通过电子方式控制。
在DC高压网络中，例如上述DC高压网络部分11的类型中，可能需要通过闭合所述网络的至少一个切断装置22的操作进行接通操作，目的在于建立先前被中断的电流的流动。在这种接通操作中，所述切断装置22从其断开状态进入其闭合状态。在保护程序之后，也就是说，在检测到异常情况而断开切断装置(特别是断路器)，以中断电流在电路中的流动的程序之后，还需要进行接通操作。也可以在保护程序之外的情况下发生接通操作，例如，当在维护之后重新上电电缆时。
在保护程序的情况下，策略在于首先通过断开所有DC高压断路器，特别是那些与转换器系统的DC输出直接相关联的DC高压断路器，来消除故障。一旦确定故障，例如在高压导线16、18中的一个上确定出故障，则通过接通除故障周围的DC高压断路器之外的DC高压断路器，使网络重新上电。
在接通时，DC高压网络，在图1的示例中的DC高压网络部分11，被视为大电容，从而其接通产生释放电流，在没有特别措施的情况下，释放电流可能导致在至少一个转换器的输出端超过转换器中设置的最大标称强度的2倍或3倍以上，导致其IGBT的自动阻断，从而失去对所述转换器的控制。而且，在DC高压电路中，这可能因此导致数千安培、甚至数万安培的电流。这种过大的释放电流只会损害整个电气设备的运行，特别是通过损坏某些部件。例如，在如图1所述的网络系统10的环境中，在由高压导线16、18中的一个所限定的电路中的电流接通期间的这种过大释放电流可能导致阻断转换器系统12的IGBT，因此失去对它们的控制。
因此，在如图1所示的网络系统10的特定情况下，可能希望在不阻断特别是所述转换器系统12的IGBT的情况下，重新给DC高压导线加电，并且认为导线上的加载周期要尽可能短。例如，可能希望认为在接通期间在导线中建立的释放电流的强度不超过应该在该导线中流动的工作电流的最大标称值的两倍。
此外，本发明提出在同一电气设备中将DC高压电路的至少一个切断装置和受控可变电阻系统相关联，该受控可变电阻系统用于改变由在电路中流动的电流看到的所述电阻系统的电阻值。
所述受控可变电阻系统具有能够具有至少三个不同值的电阻值，包括至少一个较高值、一个较低值、以及至少一个包括在较低值和较高值之间的非零中间值。注意，非零中间值不同于所述较低值和所述较高值。
该设备包括协同器件，所述协同器件根据所述关断装置的闭合时刻控制所述电阻系统的所述电阻值的切换时刻。通过保证所述切断装置的闭合与所述电阻系统的所述电阻值的变化在时间上协同，所述协同器件使得可以使所述受控可变电阻系统与所述切断装置相关联。
图2A至5D示出了包括主电路24的电气设备23的不同实施例，在所述电气设备的稳定运行状态期间，在DC高压下在所述主电路中流动工作电流。所述主电路24尤其可以是图1中所示的DC高压网络部分11的高压导线16、18中的一个。所述电气设备23包括切断装置22，例如具有图2A、图3、4和5A所示的断开状态的直流断路器，其中所述切断装置22中断所述电路24中的电流。所述切断装置22还具有如图2B至2D以及图5B至5D所示的闭合状态，在闭合状态下，允许电流在所讨论的电路中流动。
根据本发明，这些电气设备23中的每一个包括受控可变电阻系统26，所述受控可变电阻系统26用于改变由电路中流动的电流所看到的电阻系统的电阻值。所述受控可变电阻系统串联地电插入所述主电路24。
所述受控可变电阻系统26包括电阻器件28、48，所述电阻器件与开关器件30、46相关联，用于改变由电路24中流动的电流所看到的所述电阻系统的电阻值。当然，这是当电流在所述主电路24中流动时由所述电流看到的电阻，从而特别暗示所述切断装置22处于闭合状态。
所述电气设备包括协同器件32，用于根据所述切断装置的闭合时刻T0控制所述电阻系统26的电阻值的切换时刻。特别地，该协同器件32控制开关器件30、46在不同状态之间。在所述切断装置22是机械类型装置并且所述开关器件也是机械类型的实施例中，协同器件32可以包括所述切断装置22和所述开关器件30之间的直接机械连接。在相同情况下，所述协同器件可包括一个或多个与电气或电子驱动装置相关联的致动器，例如电动机、液压缸或弹簧系统类型，所述电气或电子驱动装置例如根据所述切断装置22的状态控制所述制动器。在一些实施例中，可以一劳永逸地预定每个构件上的顺序的偏移。所述电气或电子驱动装置尤其可以包括传统的电子控制单元，其专用于所述电阻系统26或所述电气设备23或集成到更完整的电子系统，例如，还驱动所述切断装置22以及所述网络的其他元件的电子单元。可以通过传感器将所述切断装置22的状态通知所述电子控制单元。在所述切断装置22和所述开关器件30中的任一个或两者是电子类型的实施例中，协同器件32也优选地至少部分是电子类型的，例如以传统电子控制单元的形式，专用于所述电阻系统26或所述电气设备23，或集成到更完整的系统，例如所述网络的集成了所述电气设备23的控制系统。
在任何情况下，受控可变电阻系统26被设计成使得所述系统的所述电阻值(由在所述电路24中流动的电流所见)可以取至少三个不同的值，包括至少一个较高值、一个较低值、以及至少一个包含在较低值和较高值之间的非零中间值。
如稍后将看到的，因此可以设置，当受控可变电阻系统26具有由所述电路所看到的称为较高值的电阻值时，所述切断装置22进入闭合状态。在该较高值处，如下所示，所述电阻限制了所述主电路24中的电流强度峰值。超过一定时间，受控可变电阻系统26可以切换到中间值，其中，在继续限制在强度峰值时，受控可变电阻系统26允许主电路24的更快的电容性负载。最后，超过一定时间，受控可变电阻系统26可以切换到较低值，该值可以是零，用于所述电气设备23的标称工作，其中，在受控可变电阻系统26中具有尽可能低的能量损失。
在一些实施例中，特别是图2A至图4的实施例中，电阻器件28包括至少两个分立的插入电阻器R1、R2，并且开关器件30包括至少两个不同的插入开关S1、S2，与机械切断装置22分开。两个不同的插入开关S1、S2均具有通过开关S1、S2的电流中断的断开状态和通过开关S1、S2的电流通过的闭合状态。两个不同的插入开关S1、S2各自与相应的相关分立插入电阻器R1、R2相关联，用于选择性地控制电流在相关分立插入电阻器中的电流通过。
更具体地，图2A至2D的示例示出了受控可变电阻系统26包括电路，该电路串联电插入主电路24中并且包括两个电并联支路，即电阻支路38和开关支路40。电阻支路38和开关支路40在上游端和下游端相交，它们分别电连接到主电路24的上游部分和下游部分。在所示的例子中，切断装置22相对于受控可变电阻系统26布置在主电路24的上游部分中，但是反向布置是可能的。
在本文中，“上游”和“下游”的概念纯粹是任意的，并不一定意味着电流在主电路24中的特定流动方向。但是，可以想象主电路24的上游部分，仍然在切断装置22的上游，连接到或包括电压源，而主电路24的相对于受控可变电阻系统26的下游部分可以连接到或包括电流消耗装置。在一些实施例中，主电路24的下游部分包括很大长度的，例如大于10km，或甚至大于100km的架空线或地下电缆或海底电缆。
在电阻支路38中，布置第一分立插入电阻器R1和第二分立插入电阻器R2。这些电阻器在某种意义上是分立的，它们由具有确定固定值的电阻元件组成，该固定值对于给定的使用条件是不变的。在两个组件是分离的意义上，它们也是分立的。
注意，连接分支42将电阻支路38与开关支路40电连接。连接分支42在位于第一分立插入电阻器R1和第二分立插入电阻器R2之间的点PR处电连接到电阻分支38。因此，点PR界定电阻支路38相对的上游部分和下游部分，其中分别具有第一分立插入电阻器R1和第二分立插入电阻器R2。连接支路42在点PC处电连接到开关支路40，点PC界定开关支路40相对的上游部分和下游部分，其中分别具有第一插入开关S1和第二插入开关S2。
利用这种配置，可以理解的是，第一插入开关S1布置在主电路24中，以便在闭合状态下由工作电流穿过，并且第一相关联的分立插入电阻器R1与旁路分支中的相关联的插入开关S1(这里是开关支路40的上游部分)并联地布置。类似地，第二插入开关S2设置在主电路24中，以便在其闭合状态下由工作电流穿过，第二相关联的分立插入电阻器R2与旁路支路中的相关的插入开关S2(这里是开关支路40的下游部分)电并联地布置。
第一插入开关S1和第一相关联的分立插入电阻器R1形成第一可切换电阻组件，而第二插入开关S2和第二相关联的分立插入电阻器R2形成第二可切换电阻组件，两个电阻组件相对于彼此电气串联地插入在主电路24中。
总的来说，第一和第二插入开关S1、S2布置在主电路24中，以便在其闭合状态下由工作电流穿过，并且分别与第一和第二插入开关S1、S2相关联的第一和第二分立插入电阻R1、R2均与所相关的插入开关电气并联地设置。
现在将结合图2A至2D描述电气设备23的该第一实施例的操作。
图2A示出了切断装置22处于其断开状态的初始状态。在该初始状态下，电阻系统26的电阻值被设定为其较高值。为此，在该示例性实施例中，第一和第二插入开关S1、S2切换到断开状态，由于它们的相关联的分立插入电阻器R1、R2的电气并联布置，断开状态使得流经所述受控可变电阻系统26的任何电流必须通过串联设置在所述电阻支路38中的两个分立插入电阻器R1、R2。在这种配置中，受控可变电阻系统26的电阻值RSysEqSup因此等于两个分立插入电阻器R1和R2的电阻值的总和R1+R2。这里应注意，在该实施例中，由于切断装置22处于断开状态，所以两个插入开关S1、S2是在主电路24中没有电流的情况下切换到其断开状态下。因此，与断路器不同，这两个插入开关S1、S2不需要具有中断短路电流的特定性能。
图2B示出了切断装置22的闭合时刻T0，其中切断装置22从其断开状态切换到其闭合状态，以建立电流在主电路中的流动。受控可变电阻系统26保持在上述配置中，其中它具有其较高的电阻值RSysEqSup，这里等于R1+R2，由于所述受控可变电阻系统26与所述主电路24中的所述切断装置22串联电布置，这个较高电阻值RSysEqSup是在主电路24中流动的电流所见的电阻值。这样，这个较高电阻值RSysEqSup，这里等于R1+R2，限制了在所述主电路24中建立电流流动时的电流强度峰值。
在切断装置22的关闭时刻T0之后的第一时段T1期满时，可以切换受控可变电阻系统，使其采用中间电阻值RSysEq(1)，如图7所示。第一时段T1根据所述电气设备和所述电气设备所插入的网络的电气特性而变化，但通常小于一秒，例如包括在1ms和100ms之间。在所示的第一示例中，受控可变电阻系统26的切换是通过切换开关器件30来进行的，在这种情况下通过将两个插入开关S1、S2中的一个从其断开状态切换到其闭合状态。在图2C所示的例子中，第一插入开关S1切换到其闭合状态，第二插入开关S2保持在其断开状态。相反，通过将第一插入开关S1保持在其断开状态，可以决定将第二插入开关S2切换到其闭合状态。通过开关器件30的这种切换，与闭合的插入开关相关联的分立插入电阻器(在这种情况下为第一插入电阻器R1)被短路。实际上，主电路24中的电流倾向于在开关支路40的上游部分流动通过第一插入开关S1，通过连接支路42以继续其在电阻支路38的下游部分中的流动，通过第二分立插入电阻器R2。因此可以理解，在受控可变电阻系统26的这种状态下，由在主电路24中流动的电流看到的系统26的电阻值是中间值RSysEq(1)，其等于值R2。该中间值小于对应于图2B中所示系统的状态的较高值R1+R2。该中间值不为零。
在切断装置22的闭合时刻之后的第一时段T1期满之后，可以再次切换受控可变电阻系统，使得它在所述切断装置的闭合时刻T0之后的第二时段T2期满时采用较低电阻值。从闭合时刻T0计算的该第二时段T2根据所述电气设备23和所述电气设备23所插入的网络的电特性而变化，但通常小于1秒，例如包括在1ms和100ms之间，同时，当然高于第一时段T1。受控可变电阻系统26的切换是通过切换开关器件30进行的，在这种情况下，通过将第二插入开关S2从其断开状态切换到其闭合状态，如图2D所示。通过开关器件30的这种切换，第二相关联的分立插入电阻器也被短路，因此所有分立插入电阻器S1、S2都被短路。实际上，主电路24中的电流倾向于仅在开关支路40中通过第一和第二插入开关S1，S2流动。没有电流或可忽略的电流在电阻支路38中流动并因此通过第一和第二分立插入电阻器R1、R2。因此可以理解，在受控可变电阻系统26的这种状态下，在主电路24中流动的电流所看到的系统26的电阻值是较低的。该较低值RSysEqInf小于对应于图2C中所示系统的状态的中间值R2。在所示的示例中，该较低值RSysEqInf对应于开关支路40的电阻。该较低值优选为零或可忽略不计。
对320kV DC的标称DC高压网络，已经进行了图2A至2D所示类型的电气设备的模拟，其中设置了在1500A的最大标称强度下的电流流动。已经假设主电路24具有(不包括任何受控可变电阻系统)8欧姆的等效阻抗和108微法的等效电容。在没有任何释放电流限制系统的情况下，模拟显示，在闭合切断装置22时，可能具有超过40,000安培的释放电流峰值。
在配备有如图2A至2D所示的受控可变电阻系统26的电气设备中，模拟显示，通过选择以下值，可以在电流建立期间将强度峰值限制为期望值2700安培，即小于所述网络的最大标称强度两倍，这个强度峰值非常短，因此可以被所述网络承受：
R1 75.2欧姆
R2 35.5欧姆
T1 12ms
T2 18.5ms
通过简单的适应操作，本领域技术人员可以改变电阻值R1和R2以及时段T1和T2，以具体根据所述电气设备以及所述电气设备所插入的网络找到最佳值。
更一般地，通过求解以下等式，可以确定受控可变电阻系统的大小以在电流的建立时段期间达到强度峰值的期望值：
Figure BDA0002173105440000141
Figure BDA0002173105440000151
关于参数T1，优化规则是根据T1将函数T2最小化，也就是说确定T1的值，对于该值，作为T1的函数的函数T2的导数为零(dT2/dT1＝O)。然而，T1的选择并不重要，因为在通常的配置中，当T1保持在0.2×T2和0.95×T2之间的范围内时，观察到T2的变化小于T2的最小值的20％，也就是说T2仍然包括在最小值T2min和1.2T2min之间。
图3示出了本发明第一实施例的变型，其中，不像在前面的例子中那样具有两个可切换的电阻组件，每个电阻组件由与相关插入开关S1、S2电气并联的相关分立插入电阻器R1、R2组成，两个组件在主电路24中电气串联设置，而是受控可变电阻系统26包括三个可切换的电阻组件，每个电阻组件由与相关插入开关S1、S2、S3电气并联的相关分立插入电阻器R1、R2、R3组成，三个组件串联地设置在主电路24中。通过提供对应于第三插入开关S3从其断开状态切换至其闭合状态的第三时段，根据对第一实施例描述的操作，可以直接推导出该受控可变电阻系统的操作。
在配备有如图3所示的受控可变电阻系统26的电气设备中，在具有与先前相同的假设的情况下，模拟显示，通过选择以下值，可以将电流建立时段期间的强度峰值限制到2700安培的期望值：
Figure BDA0002173105440000152
因此可以看出，在电路中建立标称电流的时间在此为15ms，即比在前一实施例中获得的18.5ms的时间稍快，并且非常接近于11.9ms的在所采用的假设中考虑网络特性的可能最小时间。
当然，对于认可的相同的电流峰值，通过增加插入电阻器和相关插入开关的数量，仍然可以减少建立标称电流的总时间。
因此，图4示出了受控可变电阻系统26，其包括N个分立插入电阻器R1、R2、R3、......、RN和N个相关插入开关S1、S2、S3、......、SN，分立插入电阻器和相关插入开关的布置与先前所示的相同，N表示大于3的整数。
在图2A至图3所示的本发明的前两个变型中，应理解的是，可以使用机械插入开关。
然而，包括在这些变型中，插入开关可以包括电子开关，例如晶闸管、三端双向交流开关(TRIAC)、MOSFET、IGBT等类型的电子开关。这种解决方案对于受控可变电阻系统26是优选的，例如图4中包括大量插入开关(特别是多于3个插入开关)的受控可变电阻系统26。
可以机械地控制所有插入开关中的一个或多个的切换，例如通过机械切断装置的至少一个构件的位移。或者，可以电子控制插入开关中的一个或多个或所有插入开关的切换。
在图3和4中描述的变型中，受控可变电阻系统26具有电阻值，取决于设置，该电阻值可以采用包括在较低值和较高值之间的至少两个不同的非零中间值。
然而，在这些示例中，中间电阻值是较高值和较低值之间的离散值。
在图5A至5D的示例性实施例中，设置了受控可变电阻系统26，其电阻值(由在主电路中流动的电流所见)可在较高值和较低值之间连续或几乎连续地变化。因此，受控可变电阻系统26可以实施为变阻器。图5A示出了在切断装置22下游布置在主电路24中的变阻器44。例如，可变变阻器44的可移动切换滑块46电连接到切断装置22的下游端子25，同时变阻器44的细长电阻元件48通过下游端50连接到主电路24的下游部分。切换滑动器46的每次位移对应于变阻器44的电阻值的切换。
在图5A所示的初始状态中，其中切断装置22仍处于断开状态，放置滑块46以将变阻器的电阻值设定为较高值。在该配置中，切断装置22在闭合时刻T0闭合。自此，可以通过逐渐移动滑块改变变阻器44的电阻值直到时刻T2，如图5D所示，此时变阻器44的电阻值是较低的值。在这两个时刻之间，变阻器44的电阻值以连续或准连续的方式变化，使得例如在图5C中所示的时刻T1，由在主电路24中流动的电流看到的变阻器44的电阻值是包含在较高值和较低值之间的中间值。滑块46的位移由电气设备的协同器件32控制。滑块46的位移速度以及因此受控可变电阻系统26的电阻值的变化可以是恒定的或可以是可变的。滑块46的位移可以包括位移中断的阶段，因此在此期间电阻值保持固定一段时间。变阻器可以是线性变阻器或旋转变阻器，在线性变阻器中电阻元件48沿直线方向伸长，在旋转变阻器中电阻元件48沿曲线伸长。
图6示出了本发明的变型，其中受控可变电阻系统26具有：
第一插入开关S1和第一相关插入电阻器R1，它们串联布置在电路的同一第一旁路支路51中；
第二插入开关S2和第二相关插入电阻器R2，它们串联布置在电路的同一第二旁路支路中，绕过主电路。
第一旁路支路51和第二旁路支路52彼此电气并联布置，并且两个支路与切断装置22电气并联布置。
插入电阻器R1、R2并联形成受控可变电阻系统26的电阻器件，而插入开关S1和S2形成受控可变电阻系统26的开关器件。
在正常操作中，切断装置22闭合，并且电气并联布置的两个开关S1、S2断开。
在断开切断装置22时，受控可变电阻系统26的插入开关S1、S2以及插入电阻器R1、R2不会干涉。
在时刻T'0接通时，例如，首先闭合与电阻器R1相关联的第一插入开关S1。注意，然后电阻器R1表示主电流所看到的较高电阻值。因此，同时获得将具有受控可变电阻的电阻系统的电阻值设置为较高值以及通过具有受控可变电阻的电阻系统建立电流流动。
在第一时段期满的时刻T'1，第二插入开关S2闭合。两个并联插入电阻器R1和R2具有中间等效电阻器。由此获得将电阻系统26的电阻值修改为中间值。
然后，在第二时段期满的时间T'2，切断装置22闭合，这具有使受控可变电阻系统26的插入电阻器R1、R2短路的作用，其然后具有对于在主电路24中流动的电流来讲的最小电阻值。
应当注意，与前面的实施例不同，受控可变电阻系统26的开关S1和S2的开关时刻T'0和T'1在切断装置22的从断开状态至闭合状态的闭合时刻T'2之前。
然后，可以重新断开受控可变电阻系统26的两个插入开关S1和S2，以为后续操作准备。由于电功率通过切断装置22，因此在无电流的情况下形成断开。
当然，类似于图3的实施例，可以设置两个以上的旁路支路，例如三个旁路支路，每个旁路支路包括电气串联布置的开关和相关联的电阻器，旁路支路彼此电并联布置，并且这些旁路支路与所述切断装置22电气并联布置，以确定包括在所述较低值和较高值之间的至少两个不同的非零中间值。类似地，类似于图4的实施例，图6的实施例中的插入开关可以包括电子开关，例如晶闸管、TRIAC、MOSFET、IGBT类型等。
在所示的示例中，受控可变电阻系统26的电阻值的较低值是零电阻值或者可以这样考虑。然而，在一些实施例中，可以预期该较低值不为零。
更一般地，利用受控可变电阻系统获得(k-1)个包括在较高值RSysEqSup和较低值RSysEqInf之间的中间电阻值，k是等于或大于2的整数，中间值彼此不同并且不同于较高值RSysEqSup和较低值RSysEqInf，该方法包括：
将具有受控可变电阻的电阻系统26的由电路中流动的电流看到的电阻值设置为较高值RSysEqSup；
通过具有受控可变电阻的电阻系统26在直流高压电路24中建立电流T0、T'0；
改变电阻系统26的电阻值，以在建立电流之后的第i个时段T(i)-T0期满时达到中间值RSysEq(i+1)；
然后，改变电阻系统26的电阻值，以在建立电流之后的第k个时段(k)-T0期满时达到较低值RSysEqInf。
优选地，例如通过适当选择电阻元件来配置系统，使得电阻系统的较高电阻值RSysEqSup(在电路中流动的电流所见)根据以下公式等于或大于网络电压Udc除以期望的最大峰值电流Ides的商减去恢复了电流的电路24(该电路24包括连接到主电路的任何网络但不包括受控可变电阻系统)的等效波阻抗值Zeq：
Figure BDA0002173105440000191
该选择使得能够将主电路24中的电流限制为期望值Ides。例如，选择该值以对应于阻挡网络中存在的转换器的IGBT的电流值的特定百分比(小于100)。
通常，在一些实施例中，控制具有受控可变电阻的电阻系统26的电阻值以采用连续的递减离散值RSysEq(i)。注意，当受控可变电阻系统26采用变阻器的形式时，通常可以认为变阻器确定了大量连续的离散值。
类似地，发明人已经确定，应该优选控制系统以确保具有受控可变电阻的电阻系统26的电阻值的给定值的一定插入持续时间。这样的中间值RSysEq(i)插入持续时间，是控制具有受控可变电阻的电阻系统26的电阻值取所述离散中间值RSysEq(i)的持续时间。然后记录T(i-1)为具有受控可变电阻的电阻系统26被控制为采用所述中间值RSysEq(i)的时刻，以及T(i)为具有受控可变电阻的电阻系统26受控从所述中间值RSysEq(i)移动至下一个电阻值RSysEq(i+1)的时刻。下一个电阻值RSysEq(i+1)是从电路中流动的电流所看到的具有受控可变电阻的电阻系统26的离散电阻值的连续顺序中的下一个电阻值。因此，插入持续时间是持续时间T(i)-T(i-1)。应注意，根据惯例，在DC高压电路(24)中建立电流的时刻T0或T'0构成时间原点，其中T0＝0；具有受控可变电阻的电阻系统26被控制为从所述中间值RSysEq(i)移动到下一电阻值RSysEq(i+1)的时刻T(i)的值等于电流建立后的经过时段。
因此已确定插入的持续时间应优选等于或大于：
Figure BDA0002173105440000201
其中Ceq和Zeq分别是电流要恢复的电路24的排除了具有受控可变电阻的电阻系统26的任何影响的等效电容和等效波阻抗，电路24包括连接到主电路的任何网络。Ceq和Zeq具体由主电路24(包括其连接到的网络)的拓扑结构产生，特别由该拓扑结构中使用的线路的特定特性产生。取决于所讨论的拓扑的复杂性，可以通过对在建立参考电流时电路24中的电流和电压值进行数值模拟和实验测量，分析地推断出量Ceq和Zeq。
参数Zeq可以在不存在受控可变电阻系统的情况下根据网络的电压Udc和释放电流来确定，而参数Ceq可以通过在闭合切断装置之后在与所述切断装置串联的任何电阻上建立的电流的指数变化而确定。
当然，该公式给出了插入持续时间的最小值，对于具有受控可变电阻的电阻系统26的预定的一系列电阻值(RSysEqSup、RSysEq(i)、RSysEqSup)有效，以允许在不超过电流峰值Ides的情况下快速恢复主电路24中的电流。在实践中，提供更高的值是有利的，例如，从上面的公式给出的值的1倍到1.5倍的范围内，以便确保符合将电流限制为期望值Ides，尽管例如关于主电路24中的元件的电阻、电容或响应时间的值的不确定性。
可以选择或确定具有受控可变电阻的电阻系统26的一系列优化的电阻值(RSysEqSup、RSysEq(i)、RSysEqInf)，以进一步优化恢复电流所需的总时间，即，时段Tk-T0，从在DC高压电路24中建立电流的时刻T0、T'0开始，延伸至至电阻系统26的电阻值达到较低值RSysEqInf的时刻Tk。
因此，通过实施传统优化方法，特别是迭代计算方法，可以确定具有受控可变电阻的电阻系统26的一系列优化的电阻值。例如，可以迭代变化的参数可以是：
第一插入持续时间T1，用于系统26的电阻值，例如较高值RSysEqSup，通过将其从值0变化到可以取插入持续时间的最大值；
电阻系统的电阻值RSysEq(1)到RSysEq(k)，每个电阻值从0变化到电阻可以取的最大值。
通过这样的迭代，可以迭代地计算：
电阻系统(26)的第二中间值RSysEq(2)；
其他插入持续时间T(i)-T(i-1)。
通过这些迭代，并且通过实现最小化函数，寻求总插入持续时间Tk-T0的最小值。
当然，可以使用其他优化计算方法。在实践中，一些真实或模拟测试足以确定优化或绝对最佳的一系列电阻值。
本发明不限于所描述和示出的示例，因为可以在不脱离其范围的情况下对其进行各种修改。

Claims (17)

1.一种直流高压电气设备，包括用于切断直流高压电路的切断装置(22)，所述直流高压电路包括主电路，在所述直流高压电气设备的稳定工作状态期间的直流高压下的工作电流在所述主电路中流动，所述切断装置(22)能从断开状态切换至闭合状态，在断开状态，所述切断装置中断电流在所述主电路中的流动，在闭合状态，所述切断装置允许电流在所述主电路中的流动，
其特征在于，
所述直流高压电气设备(23)包括受控可变电阻系统(26)，所述受控可变电阻系统包括与开关器件(30)相关联的电阻器件(28)，用于改变所述受控可变电阻系统(26)的由在所述主电路中流动的电流所见的电阻值，所述电阻值取至少三个不同的值，包括至少一个较高电阻值、一个较低电阻值和至少一个包括在较低电阻值和较高电阻值之间的非零中间电阻值，并且
所述直流高压电气设备包括协同器件(32)，用于根据所述切断装置(22)从其断开状态至其闭合状态的切换时刻(T0，T'2)来控制所述受控可变电阻系统(26)的所述电阻值的切换时刻(T1，T2，T'0，T'1)，
所述电阻器件(28)包括至少两个分立插入电阻器(R1，R2，R3，...，RN)，并且所述开关器件(30)包括与切断装置(22)分开的至少两个不同的插入开关(S1，S2，S3，...，SN)，所述至少两个不同的插入开关均呈现电流中断通过开关的断开状态和电流流经开关的闭合状态，并且均与相应的相关联的分立插入电阻器(R1，R2，R3，...，RN)相关联，用于选择性地控制电流在相关联的分立插入电阻器(R1，R2，R3，...，RN)中的通过，
至少一个插入开关(S1，S2，S3，....，SN)布置在所述主电路中，以便在其闭合状态下被工作电流穿过，并且所述相关联的分立插入电阻器(R1，R2，R3，...，RN)与相关联的插入开关电气并联地布置在主电路中。
2.根据权利要求1所述的直流高压电气设备，其特征在于，所述直流高压电气设备(23)包括受控可变电阻系统(26)，所述受控可变电阻系统的所述电阻值取至少两个不同的包括在较低电阻值和较高电阻值之间的非零中间值。
3.根据权利要求1所述的直流高压电气设备，其特征在于，第一插入开关(S1)和第二插入开关(S2)布置在所述主电路中，以便在其闭合状态下被工作电流穿过，并且，分别与第一插入开关(S1)和第二插入开关(S2)相关联的第一分立插入电阻器(R1)和第二分立插入电阻器(R2)均分别与相关联的插入开关电气并联地布置。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的直流高压电气设备，其特征在于，至少一个插入开关(S1，S2，S3，...，SN)是机械的。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的直流高压电气设备，其特征在于，至少一个插入开关(S1，S2，S3，...，SN)是电子的。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的直流高压电气设备，其特征在于，至少一个插入开关(S1，S2，S3，...，SN)通过所述切断装置(22)的至少一个构件的位移来机械地控制。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的直流高压电气设备，其特征在于，至少一个插入开关(S1，S2，S3，...，SN)是电子控制的。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的直流高压电气设备，其特征在于，所述协同器件包括电子控制单元。
9.根据权利要求1至3中任一项所述的直流高压电气设备，其特征在于，所述切断装置(22)是断路器。
10.根据权利要求1至3中任一项所述的直流高压电气设备，其特征在于，受控可变电阻系统(26)的由在所述主电路中流动的电流所见的较高电阻值(RSysEqSup)等于或大于网络电压(Udc)除以期望最大峰值电流(Ides)的商减去不包括所述受控可变电阻系统的所述主电路的等效波阻抗值(Zeq)：
Figure FDA0003062073010000031
11.根据权利要求1至3中任一项所述的直流高压电气设备，其特征在于，受控可变电阻系统(26)的所述电阻值被控制为取一系列的递减离散中间电阻值，并且所述开关器件(30)被配置为使得离散中间电阻值(RSysEq(i))的插入持续时间(Ti-T(i-1))等于或大于：
Figure FDA0003062073010000032
其中，在所述插入持续时间(Ti-T(i-1))期间，受控可变电阻系统(26)的电阻值被控制为取离散中间电阻值(RSysEq(i))，
其中：
RSysEq(i)是受控可变电阻系统(26)的由主电路中流动的电流所见的离散中间电阻值；
T(i-1)是受控可变电阻系统(26)受控取所述离散中间电阻值(RSysEq(i))的时刻；
RSysEq(i+1)是受控可变电阻系统(26)的由主电路中流动的电流所见的离散电阻值的连续顺序的下一个电阻值；
T(i)是受控可变电阻系统(26)受控从所述离散中间电阻值(RSysEq(i))移动到下一离散中间电阻值(RSysEq(i+1))的时刻；
Zeq是包括连接到主电路的任何网络但是不包括受控可变电阻系统的主电路的等效波阻抗值；
Ceq是包括连接到主电路的任何网络的主电路的等效电容。
12.一种控制直流高压电气设备(23)的直流高压电路中的切断装置(22)闭合的方法，其特征在于，该方法包括：
将受控可变电阻系统(26)的由在所述直流高压电路中流动的电流所见的电阻值设置为较高电阻值；
通过受控可变电阻系统(26)在所述直流高压电路中建立电流；
在建立电流之后的第一时段(T1，T'1)期满时，将受控可变电阻系统(26)的电阻值改变为达到离散中间电阻值；
在建立电流后的第一时段期满之后，在建立电流后的第二时段(T2，T'2)期满时，将受控可变电阻系统(26)的电阻值改变为达到较低电阻值，
其中，所述方法包括：
将受控可变电阻系统(26)的由在所述直流高压电路中流动的电流所见的电阻值设置为较高电阻值(RSysEqSup)；
通过受控可变电阻系统(26)在所述直流高压电路中建立电流；
在建立电流后的第i个周期(T(i)-T0)期满时，将受控可变电阻系统(26)的电阻值改变为达到离散中间电阻值(RSysEq(i+1))；
然后在建立电流后的第k个周期(T(k)-T0)期满时，将受控可变电阻系统(26)的电阻值改变为达到较低电阻值(RSysEqInf)。
13.根据权利要求12所述的控制直流高压电气设备(23)的直流高压电路中的切断装置(22)闭合的方法，其特征在于，具有受控可变电阻系统的由所述直流高压电路中流动的所述电流所见的较高电阻值(RSysEqSup)等于或大于网络电压(Udc)除以期望最大峰值电流(Ides)的商减去不包括受控可变电阻系统的所述直流高压电路的等效波阻抗值(Zeq)：
Figure FDA0003062073010000041
14.根据权利要求12或13所述的控制直流高压电气设备(23)的直流高压电路中的切断装置(22)闭合的方法，其特征在于，控制受控可变电阻系统(26)的电阻值取一系列的递减离散值，以及离散中间电阻值(RSysEq(i))的插入持续时间(Ti-T(i-1))等于或大于：
Figure FDA0003062073010000051
其中，在所述插入持续时间(Ti-T(i-1))期间，受控可变电阻系统(26)的电阻值被控制为取离散中间电阻值(RSysEq(i))，
其中：
RSysEq(i)是受控可变电阻系统(26)的由直流高压电路中流动的电流所见的离散中间电阻值；
T(i-1)是受控可变电阻系统(26)受控取所述离散中间电阻值(RSysEq(i))的时刻；
RSysEq(i+1)是受控可变电阻系统(26)的由直流高压电路中流动的电流所见的离散中间电阻值的连续顺序的下一个离散中间电阻值；
T(i)是受控可变电阻系统(26)受控从所述离散中间电阻值(RSysEq(i))移动到下一离散中间电阻值(RSysEq(i+1))的时刻；
Zeq是包括连接到直流高压电路的任何网络、不包括受控可变电阻系统的直流高压电路的等效波阻抗值；
Ceq是包括连接到直流高压电路的任何网络的直流高压电路的等效电容。
15.根据权利要求14所述的控制直流高压电气设备(23)的直流高压电路中的切断装置(22)闭合的方法，其特征在于，离散中间电阻值(RSysEq(i))的插入持续时间(Ti-T(i-1))为下列值的1倍至1.5倍：
Figure FDA0003062073010000052
其中，在所述插入持续时间(Ti-T(i-1))期间，受控可变电阻系统(26)的电阻值被控制为取离散中间电阻值(RSysEq(i))。
16.根据权利要求12或13所述的控制直流高压电气设备(23)的直流高压电路中的切断装置(22)闭合的方法，其特征在于，所述方法包括：
将受控可变电阻系统(26)的由在所述直流高压电路中流动的电流所见的电阻值设置为较高电阻值；
闭合所述切断装置(22)；
在闭合所述切断装置(22)之后，在所述切断装置(22)闭合之后的第一时段(T1)期满时，将受控可变电阻系统(26)的电阻值改变为达到中间电阻值；
在第一时段(T1)期满之后，在所述切断装置(22)的闭合之后的第二时段(T2)期满时，将受控可变电阻系统(26)的电阻值改变为达到较低电阻值。
17.根据权利要求12或13所述的控制直流高压电气设备(23)的直流高压电路中的切断装置(22)闭合的方法，其特征在于，所述方法包括：
将受控可变电阻系统(26)的由在所述直流高压电路中流动的电流所见的电阻值设置为较高电阻值，并且通过闭合插入开关，建立电流通过受控可变电阻系统(26)的流动；
在建立电流通过受控可变电阻系统(26)的流动之后的第一时段(T'1)期满时，通过闭合第二插入开关，将受控可变电阻系统(26)的电阻值改变为达到中间电阻值；
在第一时段(T'1)期满后，在建立电流通过受控可变电阻系统(26)的流动之后的第二时段(T'2)期满时，将受控可变电阻系统(26)的所述电阻值改变为达到较低电阻值。
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