CN110520956A - 高压直流切断装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种高压直流切断装置(1)，包括：串联的切断装置(121)和电流限制器(111)；与电流限制器(111)并联的累积线(130)，振荡电路(142)，与切断装置(121)并联，包括振荡控制开关(122)并具有电感(133)，其特征在于，累积线(130)包括至少两个累积电容器(131、132)，并且振荡线从位于两个累积电容器(131、132)之间的累积线的分支连接点(135)延伸，确定连接到电流限制器(111)和主切断装置(141)之间的主导线(141)的累积线(130)的次级部分(137)，以便形成振荡电路的一部分。
Description
技术领域
本发明涉及传输和/或高压直流配电网络(通常用缩写HVDC表示)领域。本发明特别涉及用于这种类型的网络的故障电流切断装置。
背景技术
HVDC网络尤其被认为是不同或不同步电力生产场所互连的解决方案。由于在长距离网络上的较小线路损耗和不存在寄生电容，HVDC网络(而不是交流电技术)尤其被认为适合于海上风电场产生的能量的传输和分配。这种类型的网络通常具有大约50kV和更高的电压电平。
在本文的直流电流中，标称工作电压大于1500V直流电流的装置被认为是高压。如果高于75000V直流电流，这种高压互补地也被认为是甚高电压。
为了从点到点传输电力，可以通过在线端到端转换器(in-line end-to-endconverter)来完成分段(sectioning)。另一方面，对于这种类型的转换器，在多点传输中不再能够进行分段。在这种类型的网络中切断直流电是直接制约其可行性和发展的关键挑战。
文献EP-0.431.510特别描述了一种高压直流切断装置。
此外，已知机械断路器类型的切断装置用于实现电流切断，即，仅通过机械开关元件的断开来获得电流切断。这种类型的机械开关元件包括两个接触的导电部件，当开关元件闭合时，这两个导电部件处于电气和机械接触，并且当开关元件断开时，这两个导电部件机械地分开。这些机械断路器具有若干缺点，特别是当大电流通过它们时。
在存在高电流和/或电压的情况下，由于在由装置保护的网络中积累的相当大的能量，机械切断可能导致在两个导电部件之间建立电弧。只要电弧通过机械切断保持建立，切断装置就不能完成电气切断，因为由于电弧的存在，电流继续循环通过装置。在有效中断电流循环的意义上，电气切断有时在直流和升高的电压的情况下特别难以实现，这些条件倾向于保持电弧。而且，一方面，这种电弧通过腐蚀会劣化两个导电部分的接触，另一方面通过电离劣化周围介质。此外，由于这种电离，电流需要一定的时间才能被中断。这需要切断装置的维护操作，维护操作是受限制的并且是昂贵的。
HVDC网络中的故障电流特别剧烈且具有破坏性。当产生高电流的故障出现时，必须快速切断，或者可能在等待切断时限制它。此外，实现HVDC电流的切断比实现交流电流(AC)的切断更复杂。实际上，在交流电流切断期间，利用电流的过零点(zero passage ofthe current)以实现切断。因此，“常规”交流断路器不适用于切断高压直流电，除非通过断路器周围的适当电路产生过零点。存在完成这种限制和切断作用的系统。已经提出了几种用于切断HVDC电流的方案：完全电子、混合电子/机械或可能由无源部件辅助的机械切断装置。
发明内容
如将看到的，本发明提出了这种最后类型的方案。事实上，它涉及将电流限制器与切断装置相关联，并且与振荡电路相关联，该电流限制器在所示的示例中是无源部件，该切断装置例如是机械断路器，该振荡电路在该断路器中产生电流过零点。申请人的文献WO-2016/092182描述了这种HVDC切断装置，其允许在减少的时间内确保对网络的保护，并且强烈地限制传输线中的传导损耗。该高压直流切断装置包括：
·第一端子101和第二端子102；
·主导线141，在第一端子和第二端子之间延伸并且包括串联的主电流切断装置121和电流限制器111，该主电流切断装置121具有第一端子和第二端子，
·累积线，两端连接到主导线，与电流限制器电并联，并包括至少一个累积电容器131；
·振荡线，相对于主导线与主切断装置并联，并包括振荡控制开关123；
-其中，当振荡控制开关进入闭合状态时，在主切断装置的端子处，主导线、累积线和振荡线的全部或一部分形成振荡电路；
-并且其中，装置具有第一运行模式和至少一个第二运行模式，在该第一运行模式中，主切断装置121处于闭合状态并且振荡控制开关123处于断开状态，在该至少一个第二运行模式中，主切断装置121被命令为断开状态，并且振荡控制开关123被命令为闭合状态。
文献WO-2016/092182的装置令人满意地运行。然而，该装置在切断之后对主断路器施加强大的约束(特别是瞬态恢复电压：TRV)，具有电弧重燃的风险并因此导致切断失效的风险。也能看到其他部件经受强电流/电压过冲。
文献WO-2016/092182的设置中存在的一个问题是，在累积线和振荡线中，需要设计成能够承受非常高的电压的部件。这种类型的部件很昂贵。
为了至少部分地响应该问题的目的，因此本发明提出一种高压直流切断装置，包括：
·主导线中串联的切断装置和电流限制器；
·与电流限制器并联的累积线，
·振荡电路，与切断装置并联，包括振荡线中的振荡控制开关并具有电感，其特征在于，累积线包括至少两个累积电容器，并且振荡线从位于两个累积电容器之间的累积线的分支连接点延伸，确定连接到电流限制器和主切断装置之间的主导线的累积线的次级部分，以便形成振荡电路的一部分。
在一个实施例中，高压直流切断装置，
-包括：
·第一端子和第二端子；
·主导线，在第一端子和第二端子之间延伸并且包括串联的主电流切断装置以及电流限制器，该主电流切断装置具有第一端子和第二端子，该电流限制器被配置为将通过其中的强度超过称为阈值的值的任何电流限制到称为限制强度的值。
·累积线，两端连接到主导线，与电流限制器电并联，并包括至少一个累积电容器；
·振荡线，相对于主导线与主切断装置电并联，包括振荡控制开关并具有电感；
-其中，当振荡控制开关进入闭合状态时，在主切断装置的端子处，主导线、累积线和振荡线的全部或一部分形成振荡电路；
-并且其中，装置具有第一运行模式和至少一个第二运行模式，在该第一运行模式中，主切断装置处于闭合状态并且振荡控制开关处于断开状态，在该至少一个第二运行模式中，主切断装置被命令为断开状态，并且振荡控制开关被命令为闭合状态，
其特征在于，
累积线至少包括一个第一累积电容器和一个第二累积电容器，并且振荡线从位于两个累积电容器之间的累积线的分支连接点延伸，确定累积线的初级部分和次级部分，次级部分连接到电流限制器和主切断装置之间的主导线，以便形成振荡电路的一部分。
根据本发明的装置的其他可选特征，单独地或组合地，
-该装置可以包括至少一个电涌放电器，其连接到装置的第一端子和第二端子中的至少一个，优选地，第一电涌放电器连接到装置的第一端子，第二电涌放电器连接到装置的第二端子。
-累积线中的至少一个累积电容器可以与电容器放电装置相关联；优选地，累积线中的所有累积电容器与放电装置相关联。
-该装置可以包括在主导线中的电流隔离构件或与之相关联。
-所述振荡线可以包括与所述振荡控制开关串联连接的辅助振荡电容器。
-振荡线中的振荡电容器可以与电容器放电装置相关联。
-该装置可以包括在累积线的初级部分中串联的附加电阻，其被布置在第一累积电容器和分支连接点之间，在分支连接点处振荡线电连接到累积线。
-该装置可以包括充电电路，该充电电路以受控方式将振荡电路连接到地，以使振荡电路的一个或多个电容器快速充电。
-充电电路可以包括充电控制开关。
-充电电路可以包括充电电容器，其中一个极板电连接到振荡电路，并且另一个极板通过充电控制开关选择性地连接到地。
-充电电路可以包括充电电阻。
-电阻可以与电流限制器并联设置，并且与一个或多个切断或换向构件相关联，允许主传导电路电流通过电流限制器或通过并联电阻循环。
-所述电流限制器可以是超导电阻器类型。
-振荡线可以包括与所述振荡控制开关串联连接的线圈。
-该装置可以包括电子电路，该电子电路能够将主切断装置和振荡控制开关控制到其断开状态或其闭合状态。
-所述控制电路可以被配置为在第一运行模式中检测过量强度并且被配置为在所述过量强度检测之后最迟100毫秒产生主切断装置100的断开信号。
-所述第二运行模式中的所述控制电路可以被配置为产生主切断装置的断开信号，并且被配置为在产生主切断装置的断开信号之后产生振荡控制开关的闭合信号。
-电涌放电器可以与至少一个累积电容器并联电连接。
-该装置的尺寸可以设计成在装置的第一端子和第二端子之间施加至少等于10kV的电位差和至少等于500A的标称电流。
-振荡电路的尺寸可以设计成在振荡电路中产生强度至少等于阈值强度并且至少等于电流限制器限制的强度的振幅。
-所述形成的振荡电路的谐振频率可以小于或等于10kHz和/或振荡电路中的电流相对于时间的导数可以至多等于500A/微秒。
-所述形成的振荡电路的谐振频率可以大于或等于500Hz。
-C131表示累积线的初级部分的等效电容，C132表示累积线的次级部分的等效电容，参数Alpha＝C132/(C131+C132)可以大于或等于0.2，优选地，大于或等于0.4，更优选地，大于或等于0.5。
-C131表示累积线的初级部分的等效电容，C132表示累积线的次级部分的等效电容，参数Alpha＝C132/(C131+C132)可以小于或等于0.9，优选地，小于或等于0.8。
-C131表示累积线的初级部分的等效电容，C132表示累积线的次级部分的等效电容，参数Alpha＝C132/(C131+C132)可以被包括在从0.4到0.9的范围内，优选地，在从0.4到0.8的范围内，更优选地，在从0.5到0.8的范围内。
-该装置可以包括与主切断装置的端子并联电连接的“缓冲”电路。
附图说明
通过以下参考附图给出的描述揭示了各种其他特征，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至图7示意性地示出了符合本发明教导的切断装置的不同实施例。
图8对于反映电容器桥中每个电容的比例的参数α的不同值，示出了主切断装置的端子处的不同电压变化曲线。
图9示出了根据本发明的切断装置的断开顺序的过程。
具体实施方式
本发明提出一种高压直流切断装置。
图1是根据本发明的切断装置1的第一实施例的示意图。从图1中可以看出，电流切断装置1包括第一端子101和第二端子102。这些端子形成装置1中的电流的输入/输出。这些端子中的每一个可以对应于物理端子，例如，物理连接端子，或对应于沿着导体的点的虚拟端子。
装置1包括主导线141，该主导线141在第一端子101和第二端子102之间延伸，并且包括串联的主切断装置121和电流限制器111，该主切断装置121具有第一端子124和第二端子125，该电流限制器111被配置为将通过它的电流的强度保持在小于或等于限制的强度的水平。
主切断装置121有利地是机电装置，因为它能够产生低线损。它可以是例如断路器。主切断装置121的端子124、125在主切断装置121中形成电流输入/输出。切断装置的这些端子124、125中的每一个可以对应于物理端子，例如，物理连接端子，或对应于作为沿导体的点的虚拟端子。在所示的示例中，主导线141包括至少一个诸如电缆和/或金属条的电导体，其在装置1的两个端子101、102之间延伸并且插入主切断装置121和电流限制器111。
装置1旨在集成到电气装置中。在所示的示例中，装置1的第一端子101连接到高压电流源2。第二端子102例如连接到消耗电流的电路，例如电负载或电网。可以认为在以这种方式所示的示例中，在电流循环方向上，端子101是上游端子或电流输入，而第二端子102是下游端子或电流输出。然而，根据本发明的装置1是可逆的，从而可以在相反方向上提供通过装置的电流循环。
主导线141被设计成使直流电压源2提供的标称电流通过它。
电流限制器111和主切断装置121在装置1的端子101和102之间的主导线141中串联电连接。
电流限制器111被配置成使得对于通过它的任何超过阈值强度的电流，限制器将电流限制为称为限制强度的值。阈值强度和限制强度的值可以相等。限制强度值可以大于触发限制器进入动作的阈值强度。限制强度的值可以小于触发限制器进入动作的阈值强度。阈值强度和限制强度的值具有相同的数量级，优选地以1到3的最大比率。在过量强度(excess intensity)期间，例如由于端子102和地之间的短路，通过电流限制器111的电流强度的值通常且瞬时地跟随上升的斜增，直到峰值，并且特别地超过(cross)限制器111的激活值的阈值强度。然后电流非常快速地下降到由限制器111的尺寸限定的限制强度值。为了避免限制器111过热，装置1被配置为在短时间内切断通过该限制器111的电流。
电流限制器111有利地包括优选为SCFCL(超导故障电流限制器)超导体类型的电流限制器。在这种情况下，它可以包括超导电阻器，在主导线141中循环的电流通过该超导电阻器。以已知的方式，这种电流限制器具有零电阻，或者只要通过它的电流的强度小于构成阈值强度的激活值，则可以被认为是零。通常，该电阻在稳定的直流电流中为零，除了诸如缺陷、接头和焊接连接等非超导部分的电阻，其他部分可以被认为是零电阻。在这些条件下，电流限制器111的端子处的电位差为零或可以被认为是零。当电流强度的值超过限制器的激活值(这里称为阈值强度)时，电流限制器的电阻急剧增加，这往往会限制可以通过电流限制器并在电流限制器111的端子处产生电压的电流的强度。
SCFCL超导体类型的电流限制器111包括例如电缆或线圈或由超导材料制成的其他元件，端子101和102之间的标称电流通过这些元件。由超导材料制成的元件例如浸入液氮浴中，以便将其保持在其临界温度以下，只要通过它的电流强度小于激活值即可。电流限制器111可以包括电感元件。
当然可以考虑另一种类型的电流限制器111，特别是包括IGBT的结构本身是已知的电流限制器，或者甚至是电阻性电流限制器。
装置1还包括累积线(accumulation line)130，其两端连接到主导线141，与电流限制器111电并联。累积线130包括至少一个诸如电缆或金属棒的导体和至少两个累积电容器131、132，例如在累积线130中串联布置的第一累积电容器131和第二累积电容器132。在所示的示例中，累积线130包括第一端129，该第一端129在第一端子101和电流限制器111之间电连接到主导线141。累积线130的第二端电连接到电流限制器111和主切断装置121之间的主导线141。特别地，如在所示的示例中，累积线130的第二端可以对应于主切断装置121的第一端子124。
装置1还包括振荡线142，该振荡线142相对于主导线141与主切断装置121电并联，具有电感并包括振荡控制开关122。
振荡线142从第一端延伸，该第一端电连接到位于两个累积电容器131、132之间的累积线的分支连接点135。分支连接点135确定累积线130的初级部分136和次级部分137。如上所示，次级部分137连接到电流限制器111和主切断装置121之间的主导线141，以形成振荡电路的一部分。次级部分137包括至少一个累积电容器，在当前情况下为第二累积电容器132。两个部分136、137中的一个和/或另一个可以包括若干个电容器。然后考虑所涉及的部分的电气等效物，并且可以将所涉及的部分视为具有单个等效电容器，该单个等效电容器具有所涉及的部分的等效容量。
振荡线142通过第二端相对于次级部分137与主导线141的连接电连接到主切断装置121的另一侧的主导线141，使得由累积线130的次级部分137延伸的振荡线142形成相对于主导线141与主切断装置121电气并联的线。以所示示例的特定方式，振荡线142的第二端对应于主切断装置121的第二端子125。
振荡线142的电感由特定的电感元件(例如线圈133)形成，或者由振荡线142的电导体的自感形成，该振荡线142可以包括一个或几个电缆和/或金属条。
因此，当振荡控制开关122进入闭合状态时，或者在主切断装置121的端子124、125处形成振荡电路时，振荡电路包括至少一个累积电容器132和振荡线142的电感。在所示的情况下，振荡电路包括振荡线142和累积线130的次级部分137。然而，取决于连接点的精确布置，振荡电路还可以包括主导线141的一个或多个部分。换句话说，振荡电路由主导线141、累积线130和振荡线140的全部或部分形成，并且它由主切断装置121闭合。
当振荡控制开关122闭合并且主切断装置121处于在其端子之间传导电流的闭合电状态时，电流能够在振荡电路的环路中循环。电流是振荡的，即交流电流，由累积电容器132通过振荡线142的电感133放电产生。如下所示，振荡电路可以包括几个电容器。特定电感部件形式的电感133，特别是线圈的存在允许精确地限定在振荡控制开关122闭合期间形成的振荡电路的谐振频率。因此，实际上该电感133的电感值将相对于振荡电路中的寄生电感占优势，以确定振荡电路的谐振频率。
在本发明中，累积线130包括位于初级部分136中的第一累积电容器131和位于次级部分137中的第二累积电容器132。当电压限制器111限制通过该装置的电流时，例如对于50至500kV量级的电压具有范围为从0.1到10微法的非零电容的两个累积电容器131、132由电压限制器111的端子处出现电位差充电。当振荡控制开关122闭合时，次级部分137中的第二累积电容器132产生并参与振荡电路中的电流振荡。第一累积电容器131既不产生也不参与电流振荡，而是在切断尝试期间承载一部分电压。因此，当振荡控制开关122闭合时，两个累积电容器的存在(其中只有一个在振荡电路中串联集成)允许减小累积电容器的尺寸。
对振荡电路，特别是对其电容器及其电感进行电气尺寸设计，以便能够产生具有电流强度的振幅的振荡电流，即电流强度的最大绝对值至少等于由电流限制器111保持的限制强度。优选地，在几个连续的振荡周期中遵守该条件。
因此，装置1具有第一运行模式或标称模式，在该模式中，主切断装置121处于闭合状态并且振荡控制开关122处于断开状态。在该标称运行模式中，标称电流可以在主导线141中通过切断装置1循环。
装置1还具有称为保护模式的至少一个第二运行模式，在该模式中，主切断装置121被命令为断开状态，并且振荡控制开关122被命令为闭合状态。
为此，切断装置的振荡控制开关122优选地是受控的，例如电控制的开关，并且装置1包括振荡控制开关122的电子控制电路103或与其相关联以控制后者在电气断开和闭合状态之间。
在这种情况下，主切断装置121本身优选地由电子控制电路103控制，例如电控制。
特别地，电子控制电路103可以包括微处理器、随机存取存储器、只读存储器、通信总线和通信输入/输出。电子控制电路103可以包括或连接到传感器，特别是电流或电压传感器，其测量装置1或集成有该装置的电气装置的不同点处的电压。在简单的版本中，这种类型的电子控制电路103可以包括例如测量减速器(measurement reducer)和比较器，该测量减速器被设计成用于测量电流限制器111的端子处的电压，该比较器配备有内部时钟和通信总线。控制电路103可以专用于该装置，或者可以形成控制该装置的其他元件的控制电路的一部分。
控制电路103被配置为将控制信号施加到振荡控制开关122，并且如果需要，施加到主切断装置121，以便有选择地获得它们各自的断开/闭合。控制电路103还优选地被配置为检测主导线141中的过量强度。为此，电路103可以接收通过电流限制器111的电流的测量值(例如通过电流探头发送)或接收电流限制器111或累积电容器131、132中的一个的端子处的电位差的测量值(例如通过电压表发送)。过量强度的检测可以由电流限制器111本身来完成。因此，如果电路103检测到超过电流阈值或电位差，则它可以从第一运行模式切换到第二运行模式，在第一运行模式中，装置1必须在端子101和102之间传导标称电流，在第二运行模式中，装置1必须切断端子101和102之间的电流。例如，当电流限制器111的端子处的电压测量超过特定阈值一定时间段(例如超过10000伏特超过一毫秒)时，切换可以发生。
在第一运行模式中，电路103保持振荡控制开关122断开以避免振荡线142中的导通，并且保持主切断装置121闭合以保证通过电流限制器111的主导线141的导通。
在第二运行模式中，电路103产生主切断装置121的断开命令和振荡控制开关122的闭合命令。优选地，控制电路103在超过电流强度的激活值(即阈值强度)期间预先检测过量强度的出现，并仅在等待时间段之后产生主切断装置121的断开命令。对应于强度限制器111的激活的阈值强度可以例如至少等于标称电流的标称强度的2倍，优选地至少等于标称电流的标称强度的4倍，以便限制主切断装置121不合时宜地断开的风险。
因此，在过量强度出现期间，电流限制器111将通过它的电流强度保持在限制强度处，并且电流限制器端子处的电位差成比例地增加。然后，与电流限制器111并联电连接的累积电容器131、132被充电。在振荡控制开关闭合时，形成的振荡电路迫使通过主切断装置的电流在先前充电的累积电容器132放电期间通过零值。通过在主切断装置121上保持断开命令，则切断装置的机械断开容易变成电气断开，在通过它的电流达到零值时实现电流循环的有效中断，可能出现的电弧被切断，从而不再对抗电气切断。如果在切断电弧时，触点之间的距离足够，则可以完全切断电流通道。因此根据切断能力，可以减小该切断装置的尺寸。
可以将这种类型的电流切断装置尺寸设计成例如用于至少等于10kV，可能至少等于50kV，通常至少等于320kV，并且可能至少等于750kV的直流电压。也可以将这种类型的电流切断装置尺寸设计成用于至少等于1kA，可能至少等于3kA的标称直流工作电流。
过量强度检测和主切断装置121的断开命令产生之间的等待时间段可以允许保证电流限制器111已经达到将电流保持在其限制强度的阶段。在该保持阶段，电流限制器111的端子处的电位差已经允许对累积电容器131、132充电。过量强度检测和主切断装置121的断开命令产生之间的等待时间段例如至少等于5毫秒，可能至少等于10毫秒。为了不将电流限制器111保持在其限制强度处持续过长时间，过量强度检测和主切断装置121的断开命令产生之间的等待时间段例如至多等于50毫秒，可能至多等于20毫秒。
在第二运行模式中，控制电路103优选地在产生主切断装置121的断开命令之后产生振荡控制开关122的闭合命令。产生振荡控制开关122的闭合命令的该时间偏移允许保证当施加主切断装置121的断开命令时，实际上获得了引起通过主切断装置121电流的过零点的振荡电路的形成，并且保证事实上先前已经开始通过分离主切断装置121的触点来进行断开。
对于机械类型的主切断装置121，该时间偏移还允许考虑在主切断装置121上施加断开命令与该命令的效果之间的偏移。主切断装置121的断开命令和振荡控制开关122的闭合命令之间的这种偏移例如至少等于500微秒，可能至少等于5毫秒。该偏移优选地小于30毫秒。为了最大程度地将电流限制器111的运行时间限制在其将电流限制到限制强度的状态中，并且为了限制施加断开命令后在主切断装置121中电弧存在的时间，命令之间的这种偏移有利地至多等于20毫秒，并且优选地至多等于5毫秒。
在第二运行模式期间，电流限制器111在其电流限制状态下的运行时间的减少还可以通过闭合主切断装置121来促进切换到第一运行模式的后续阶段。电阻型电流限制器在重新投入使用之前需要一些时间，如果在电流限制状态下被长时间加热，则所需的时间将更长。
应注意，没必要在过量强度检测和主切断装置121上的断开命令之间存在偏移。另一方面，振荡控制开关122的闭合命令和过量强度检测之间具有时间间隔是优选的，这给出了有效电气切断的时刻，因此必须在一定时间后发生，以便对电容器充电。该时间间隔优选地被包括在从500微秒到30毫秒的范围内，这取决于主切断装置121的断开命令和振荡控制开关122的闭合命令之间的必要时间偏移。
在图1所示的示例中，振荡线包括辅助电容器134。在所示的示例中，振荡控制开关122被布置在分支连接点135和振荡线的辅助电容器134之间。以这种方式，只要振荡控制开关122保持在其断开状态，辅助电容器134就通过开关122与累积线130电断开。在所示的示例中，振荡线的辅助电容器134被布置在振荡控制开关122和线圈133之间。然而，可以考虑相反的布置。此外，当已经获得主切断装置121的电气断开时，与主切断装置121电并联的辅助电容器134允许加强振荡线142中的直流电流的切断。然而，该辅助电容器134对于本发明的运行不是必不可少的，如图2的示例性实施例所示，图2示出了各方面与刚刚描述的切断装置相同的切断装置1，不同之处在于它在分支连接点135与其与主导线141的连接点之间的振荡线142中不包括任何电容器。
形成的振荡电路的谐振频率有利地小于或等于10kHz。因此，随着I电流通过主切断装置121，值dI/dt(例如小于或等于500A/微秒)被充分减小，以便于主切断装置121在其断开命令期间有效断开。有利地，形成的振荡电路的谐振频率大于或等于500Hz，以获得主切断装置121的快速有效断开或如果没有立即断开，则产生几个通过主切断装置121电流的过零点。下面参考图1的实施例详细说明振荡电路的尺寸设计的示例。
累积电容器131、132、可能的电容器134和具有值L的电感133的特性的确定可以以下面的方式完成。
首先，振荡电路所需的谐振频率的值Fr是固定的，并且在振荡控制开关122的闭合期间振荡的最小幅度的值Io也是固定的。Io必须满足条件Io>In1，其中，In1是受电流限制器111限制的强度。Inl例如等于切断装置1的标称电流的标称强度的两倍。
对于图1的示例，获得以下等式：
其中，
Vnl：当电流限制器111将电流保持在其限制强度值In1时，电流限制器111的端子之间的电位差，
Ceq：形成的振荡电路中串联的电容器132和134的等效电容，
C132：电容器132的电容，
C134：电容器134的电容，(在没有辅助电容器134的情况下，Ceq等于C132)L：电感133的电感值。
在主切断装置121断开之后，控制电路103可以向振荡控制开关122施加断开命令。该断开命令例如在足够的时间之后完成，使得主切断装置121已能够电气断开并且通过输出端子102的电流为零。该断开命令相对于同一振荡控制开关122的闭合命令例如可以偏移至少等于5毫秒的时间段，该偏移例如是25毫秒。振荡控制开关122的断开将允许在恢复切断装置1的导通之后重新形成振荡电路。
图3示出了根据本发明的切断装置1的第三示例。在该实施例中，设置为将电涌放电器151、152连接到装置1的端子101、102中的每一个，电涌放电器151、152电连接在所涉及的端子101、102与地之间。图3的切断装置1的其他部件的结构在其他方面与图1的切断装置的结构相同。相同的变型可以应用于如图2所示的切断装置。
大多数过量强度都是瞬态的，并且没有连接到永久性短路。因此，切断装置1有利地被配置为实现OCO(断开-闭合-断开)类型的循环，在第二运行模式中主切断装置121的断开之后是累积电容器132的放电，通过试图闭合该主切断装置121以确定故障是否持久，然后如果已经确定故障实际上是持久的则新断开该主切断装置121。
图4中示出的是第四实施例，其中，已经设置了用于切断装置1的电容器的放电系统161、162、164。所示示例源自图1中示出的第一示例性实施例，但是相同的原理可以用于上面或下面描述的其他示例性实施例。
在所示的示例中，每个累积电容器131、132以及在当前情况下振荡线142的辅助电容器134均配备有专用于所涉及的电容器的放电系统。然而，作为变型，可以设置的是，该组电容器中的单个或多个可以设置有放电系统。同样地，可以设置的是，切断装置1的多个电容器或所有电容器设置有共同的放电系统。
电容器放电系统161、162、164是一种允许消除相关电容器的两个极板之间的电位差的系统。例如，这可以是受控电路，其在一种放电配置中互连相关电容器的两个极板。非常简单，它可以是连接相关电容器的两个极板的放电电路，该放电电路包括放电控制开关，该放电控制开关在断开状态下限定放电系统的无效配置，允许相关电容器的充电，并且在闭合状态下限定放电系统的放电配置，确保电容器通过放电电路放电。放电电路可以包括电阻元件。优选地，每个放电系统，例如放电控制开关，由切断装置1的电子控制电路103控制。放电系统允许通过切断装置1在两次切断操作之间将切断装置重置为零。切断装置1的一个或多个电容器放电系统的存在优选地与主导线141中的优选为分段类型(sectioningtype)的隔离构件127的存在相关联。在图4所示的实施例中，这种类型的隔离构件127被布置在电流限制器111、主切断装置121以及振荡线142的第二端与主导线141的连接点的下游。隔离构件127可以集成到切断装置1中，如图4的实施例中那样。隔离构件127也可以布置在切断装置1的下游，优选地直接连接到切断装置的下游端子102。优选地，通过切断装置1的电子控制单元103将隔离构件127控制在断开状态和闭合状态之间。
在如图4所示的装置中，电容器的复位为零如下进行。当已经如上所述执行主切断装置121的第一次断开时，隔离构件127被命令进入其断开状态，以防止主导线中的标称电流的任何循环，即使在主导线闭合之后。当隔离构件127断开时，累积电容器131、132和振荡线142中的可能的辅助电容器134与位于隔离构件127下游的任何电路电隔离。然后可以将配备有放电系统161、162、164的电容器重置为零。一旦电容器放电，就可以断开振荡控制开关122，然后重新闭合主切断装置121。该过程以闭合隔离构件127结束，然后隔离构件127重新建立主导线141中的电流循环。以这种方式，在存在故障的情况下，切断装置1立即在已知状态下运行。
图5A中示出的是本发明的第五示例性实施例，其中已经设置了附加电阻171，其与累积线130的初级部分136串联，被布置在第一累积电容器131和分支连接点135之间，振荡线142在该分支连接点135处电连接到累积线130。当在切断装置的第二运行模式中放电时，该附加电阻171允许避免或强烈限制第一累积电容器131与振荡电路的相互作用。所示的示例源自图4中示出的第四示例性实施例，但是相同的原理可以用于上面或下面描述的其他示例性实施例。
图5B中示出的是本发明第五示例性实施例的变型，其中，已经设置了与电流限制器111并联的电阻172，优选地与例如隔离开关173、174的切断或换向构件组合，允许在电流限制器111中或在并联电阻172中定向电流的循环。在转换之后，该实施例允许在限制器的恢复时间期间使电流通过该电阻。该示出的示例从图5A中示出的第五示例性实施例导出，但是相同的原理可以用于上面或下面描述的其他示例性实施例。
尽管未在图中示出，但是可以设置的是，装置中的一个电容器、若干电容器或所有电容器配备有与相关的电容器电并联的电涌放电器。这种电涌放电器允许限制相关电容器端子处的电位差的幅度，并允许吸收存储在装置中的感应能量。同样，可以设置与线圈133电并联的电涌放电器。
同样，在不同的实施例中，出于同样的原因，可以考虑与主切断装置121的端子电并联的电涌放电器或包括串联的电容器和电阻器的所谓的“缓冲器”电路。通过图5C中的示例说明该特定情况。在该示例中，所谓的“缓冲器”电路包括与主切断装置121并联的电容器201，电容器201本身与包括串联的电阻器202和电容器203的至少一个电路并联。部件的值适于获得作为频率的函数的“缓冲”电路阻抗，其降低主切断装置121的端子处的瞬态恢复电压(称为TRV)，以便进一步限制主切断装置121电弧重燃的风险。
在上述示例性实施例中，在明显故障的情况下获得特别快速和可靠的切断，在该故障中，主导线141中循环的电流强度发生急剧增加。在这种类型的故障中，故障电流通过具有零电阻或小电阻抗的故障逃逸到例如地。实际上，这种急剧增加表现为电流限制器111的端子处的电位差的非常快速的出现，这允许累积电容器131、132的快速充电，并且因此允许快速触发在振荡电路中累积电容器132的放电，用于切断通过主切断装置121的电流。
另一方面，上述电路在隔离的情况下，在通常称为阻抗相关故障的电气故障的情况下具有较差的性能。在这种类型的故障中，故障电流例如通过具有不可忽略的电阻抗的故障逃逸到地。在这种类型的故障出现期间，导线中的强度增加可以更慢，从而在电流限制器111的端子处出现足够的电位差之前出现延迟，以引起对累积电容器131、132的充电。因此需要一定的时间才能在振荡电路中触发放电。在某些情况下，当主导线141中的强度保持小于阈值强度时，不能获得累积电容器的必要充电。同样，在没有故障的情形下，上述电路不允许振荡电路通过断开主切断装置121在自主切断的情况下工作。事实上，在这样的假设下，主导线中的电流强度小于或等于标称强度，使得电流限制器不起作用并且不会产生对累积电容器131、132充电的电位差。
因此，分别在图6和图7中示出的根据本发明的装置的第六模式和第七实施例包括充电电路180，其允许即使在电流限制器111的端子处没有电位差时，振荡累积电路131、132的至少一个电容器仍被充电。图6和图7所示的实施例基于图1所示的切断装置的第一示例性实施例，但是，对于上述所有其他示例性实施例，当然可以添加充电电路180。
优选地，充电电路180是受控充电电路，例如由切断装置1的电子控制单元103控制。为此，充电电路180优选地具有充电控制开关183，其优选地由电子控制单元103电控制。
充电电路180允许以受控方式将振荡电路接地，以使振荡电路中存在的一个或多个电容器快速充电。为此，充电电路180可以在装置的标称运行期间，即当切断装置1处于其第一运行模式时，使用振荡电路中存在的电位。
在所示的示例中，充电电路180包括充电电容器182，该充电电容器182的一个极板电连接到振荡电路，并且另一个极板通过充电控制开关183选择性地连接到地。
在图6的示例性实施例中，充电电容器182因此永久地电连接到位于累积线130的两个累积电容器131、132之间的分支连接点135。可以理解，当充电控制开关183闭合时，在允许累积电容器131、132被充电的分支连接点处出现电势。振荡控制开关122没有被布置在充电电路180和分支连接点135之间。在没有振荡线142中的辅助电容器134的情况下，该实施例在诸如图2所示的切断装置1中以相同的方式运行。
在图7的示例性实施例中，充电电容器182在通过振荡控制开关122与分支连接点135分开的点处永久地电连接到振荡线142。在该实施例中，应理解，当充电控制开关183闭合时，辅助电容器134的充电被触发，其在振荡控制开关122闭合时，在振荡电路中起到放电到振荡电路中的累积电容器的作用。
在两种情况下，充电电阻181有利地设置在充电电路中。优选地，充电电阻181被串联布置在充电电容器182和振荡电路之间。充电电阻允许限制在对应于充电控制开关183的闭合的充电电路激活期间的涌入电流。它还允许在振荡过程中避免充电电路过多地干扰，这导致主切断装置121切断电流。同样，可以在充电电路中设置变压器以降低电压并因此减慢充电。
图9中所示的是根据本发明的切断装置1的断开顺序的过程。
顺序的第一分支对于上述本发明的所有实施例是共同的。该第一分支以步骤1001开始，在电气装置中出现明显的故障。该明显的故障导致在步骤1002中电流限制器111的端子处的电位差出现，这允许对累积电容器131、132充电。在步骤1003中，检测明显的故障，例如通过检测电流限制器111的端子处该电位差的出现。
从那里，如上所述，主切断装置121的机械断开可以在步骤6005中被触发，然后，在步骤6006中，振荡控制开关122闭合，这允许在步骤6007中通过处于其断开状态的装置121中任何电弧的消失来实现主切断装置121的有效电断开。
该顺序的第二分支和第三分支特定于本发明的实施例，其包括如参考图6和图7描述的充电电路180。
该顺序的第二分支在步骤2001中开始，其中，在电气装置中出现阻抗相关型的故障。在步骤2003中以本身已知的方式检测该阻抗相关型的故障，例如通过测量在主导线141中循环的强度。在步骤5004中，触发充电控制开关183的闭合以引起电容器的充电。然后，优选地，在从充电控制开关183的闭合开始的足够的充电延迟之后，在步骤6005中，如在顺序的第一分支的情况中那样，触发主切断装置121的断开。通过针对顺序的第一分支描述的步骤6006和6007继续该顺序。
在没有任何电气故障的情况下，顺序的第三分支对应于步骤3001处的编程的切断判定。在这种情况下，断开顺序在闭合充电控制开关183的步骤5004中开始，并且以与参考第二分支描述的相同的顺序继续步骤6005、6006和6007。
在包括充电电路180的实施例的范围内，在编程的切断不存在故障的情况下或者在检测到阻抗相关类的故障的情况下，可以有利地在电流限制器111的端子处添加接触器。这允许避免在切断期间出现瞬态电流和电压之后可能发生的电流限制器111的转变。接触器将在触发充电控制开关183的闭合的步骤5004之前闭合。
包括充电电路180的实施例具有以下优点：在受控延迟内，无论所考虑的故障如何，包括没有故障，都能够有效地切断主导线141中的电流循环，同时仍然优化切断装置1的部件的尺寸。
在所示的不同实施例中，可以考虑在端子101和102之间串联连接附加电流限制器(未示出)。这种类型的附加电流限制器可以是电阻型并且将允许改变电流切断装置1的不同开关的尺寸。
为了说明本发明相对于WO-2016/092182中描述的装置的优点，引入了参数Alpha＝C132/(C131+C132)，其反映了由累积电容器131和132形成的电容器桥中的每个电容的比例。如果两个部分136、137中的一个包括几个电容器，则考虑等效电容。换句话说，C131表示累积线的初级部分的等效电容，C132表示累积线130的次级部分的等效电容。根据电容C131和C132的值，该参数可以采用0和1之间的各种值。图8表示示出了针对图2的部件的有效电气切断之后，主切断装置121的端子处的电压(瞬态恢复电压-TRV)的相对变化的不同的曲线，每个曲线针对参数Alpha的不同值。
在该图8中，可以看到参数Alpha对主切断装置121的端子处的瞬态恢复电压(TRV)的影响非常大。这些曲线倾向于表明利用累积电容器131、132获得对瞬态恢复电压(TRV)的可测量的有利影响，累积电容器131、132的电容值允许获得大于或等于0.2的参数Alpha的值。然而，这些曲线倾向于表明选择允许获得大于0.4，优选地大于0.5的参数Alpha的值的电容值的累积电容器131、132是有利的。
然而，还注意到为了将切断装置1中的部件的成本包含在经济上可接受的值中，期望选择允许获得小于或等于0.9，优选小于或等于0.8的参数Alpha的值的电容值的累积电容器131、132。
以这种方式，似乎希望选择允许获得范围为从0.4到0.9，优选地从0.4到0.8，更优选从0.5到0.8的参数Alpha的值的电容值的累积电容器131、132。
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 (26)
1.一种高压直流切断装置(1)，包括：
·第一端子(101)和第二端子(102)；
·主导线(141)，在第一端子和第二端子之间延伸并且包括串联的主电流切断装置(121)和电流限制器(111)，所述主电流切断装置(121)具有第一端子(124)和第二端子(125)，所述电流限制器(111)被配置将通过所述电流限制器(111)的强度超过称为阈值的值的任何电流限制到称为限制强度的值；
·累积线(130)，其两端连接到主导线(141)，与电流限制器(111)电并联，并包括至少一个累积电容器(131)；
·振荡线(142)，相对于主导线(141)与主切断装置(121)电并联，包括振荡控制开关(122)并具有电感(133)；
-其中，当振荡控制开关(122)进入闭合状态时，主导线(141)、累积线(130)和振荡线(142)的全部或部分在主切断装置(141)的端子处形成振荡电路；
-并且其中，装置(1)具有第一运行模式和至少一个第二运行模式，在所述第一运行模式中，主切断装置(121)处于闭合状态并且振荡控制开关(122)处于断开状态，在所述至少一个第二运行模式中，主切断装置(121)被命令为断开状态，并且振荡控制开关(122)被命令为闭合状态，
其特征在于，
累积线(130)包括至少一个第一累积电容器(131)和至少一个第二累积电容器(132)，并且振荡线从位于两个累积电容器(131、132)之间的累积线的分支连接点(135)延伸，两个累积电容器(131、132)确定累积线(130)的初级部分(136)和次级部分(137)，所述次级部分(137)连接到电流限制器(111)和主切断装置(121)之间的主导线(141)，以便形成振荡电路的一部分。
2.根据权利要求1所述的高压直流切断装置(1)，其特征在于，所述电流切断装置(1)包括至少一个电涌放电器，所述电涌放电器连接到高压直流切断装置的第一端子(101)和第二端子(102)中的至少一个，优选地，所述电流切断装置(1)包括：第一电涌放电器(151)，连接到高压直流切断装置的第一端子(101)；以及第二电涌放电器(152)，连接到高压直流切断装置的第二端子(102)。
3.根据权利要求1或2所述的高压直流切断装置(1)，其特征在于，所述累积线中的所述累积电容器(131、132)中的至少一个与电容器放电装置(161、162、164)相关联，优选地，累积线(130)中的所有累积电容器与放电装置相关联。
4.根据前述权利要求之一所述的高压直流切断装置(1)，其特征在于，所述电流切断装置(1)包括主导线(141)中的电流隔离构件(127)或与主导线(141)中的电流隔离构件(127)关联。
5.根据前述权利要求之一所述的高压直流切断装置(1)，其特征在于，所述振荡线(142)包括与所述振荡控制开关(122)串联连接的辅助振荡电容器(134)。
6.根据权利要求5所述的高压直流切断装置(1)，其特征在于，所述振荡线中的振荡电容器(134)与电容器放电装置(164)相关联。
7.根据前述权利要求中任一项所述的高压直流切断装置(1)，其特征在于，高压直流切断装置(1)包括在累积线(130)的初级部分(136)中串联的附加电阻(171)，附加电阻(171)被布置在第一累积电容器(131)和分支连接点(135)之间，在分支连接点(135)处所述振荡线(142)电连接到累积线(130)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的高压直流切断装置(1)，其特征在于，装置(1)包括充电电路(180)，所述充电电路(180)以受控方式将振荡电路连接到地，以使振荡电路的一个或多个电容器快速充电。
9.根据权利要求8所述的高压直流切断装置(1)，其特征在于，所述充电电路(180)包括充电控制开关(183)。
10.根据权利要求9所述的高压直流切断装置(1)，其特征在于，所述充电电路(180)包括充电电容器(182)，所述充电电容器(182)的一个极板电连接到所述振荡电路，所述充电电容器(182)的另一个极板通过充电控制开关(183)选择性地连接到地。
11.根据权利要求8至10之一所述的高压直流切断装置(1)，其特征在于，所述充电电路(180)包括充电电阻(181)。
12.根据前述权利要求中任一项所述的高压直流切断装置(1)，其特征在于，电阻(172)与电流限制器(111)并联设置，并且与一个或多个切断或换向构件相关联，所述一个或多个切断或换向构件允许主传导电流(141)通过电流限制器(111)或通过并联电阻(172)循环。
13.根据前述权利要求中任一项所述的高压直流切断装置(1)，其特征在于，所述电流限制器(111)是超导电阻器类型。
14.根据前述权利要求中任一项所述的高压直流切断装置(1)，其特征在于，所述振荡线包括与所述振荡控制开关(122)串联连接的线圈(133)。
15.根据前述权利要求中任一项所述的高压直流切断装置(1)，其特征在于，所述电流切断装置(1)包括电子控制电路(103)，所述电子控制电路(103)能够将主切断装置(121)和振荡控制开关(122)控制到其断开状态或其闭合状态。
16.根据前述权利要求中任一项所述的高压直流切断装置(1)，其特征在于，所述控制电路(103)被配置为在第一运行模式中检测过量强度，并且被配置为在所述过量强度检测之后最迟100毫秒产生主切断装置(121)的断开信号。
17.根据前述权利要求中任一项所述的高压直流切断装置(1)，其特征在于，在第二运行模式中，所述控制电路(103)被配置为产生主切断装置(121)的断开信号，并且被配置为在产生主切断装置(121)的断开信号之后产生振荡控制开关(122)的闭合信号。
18.根据前述权利要求中任一项所述的高压直流切断装置(1)，其特征在于，电涌放电器与至少一个累积电容器(131、132)并联电连接。
19.根据前述权利要求中任一项所述的高压直流切断装置(1)，其特征在于，所述电流切断装置(1)尺寸被设计成在装置(1)的第一端子和第二端子(101、102)之间施加至少等于10kV的电位差和至少等于500A的标称电流。
20.根据前述权利要求中任一项所述的高压直流切断装置(1)，其特征在于，所述振荡电路尺寸被设计成在振荡电路中产生强度至少等于阈值强度并且至少等于电流限制器(111)限制的强度的振荡幅度。
21.根据前述权利要求中任一项所述的高压直流切断装置(1)，其特征在于，形成的所述振荡电路的谐振频率小于或等于10kHz和/或振荡电路中的电流相对于时间的导数至多等于500A/微秒。
22.根据前述权利要求中任一项所述的高压直流切断装置(1)，其特征在于，形成的所述振荡电路的谐振频率大于或等于500Hz。
23.根据前述权利要求中任一项所述的高压直流切断装置(1)，其特征在于，C131表示累积线(130)的初级部分(136)的等效电容，C132表示累积线(130)的次级部分(137)的等效电容，参数Alpha＝C132/(C131+C132)大于或等于0.2，优选大于或等于0.4，更优选大于或等于0.5。
24.根据前述权利要求中任一项所述的高压直流切断装置(1)，其特征在于，C131表示累积线(130)的初级部分(136)的等效电容，C132表示累积线(130)的次级部分(137)的等效电容，参数Alpha＝C132/(C131+C132)小于或等于0.9，优选地小于或等于0.8。
25.根据前述权利要求中任一项所述的高压直流切断装置(1)，其特征在于，C131表示累积线(130)的初级部分(136)的等效电容，C132表示累积线(130)的次级部分(137)的等效电容，参数Alpha＝C132/(C131+C132)被包括在从0.4到0.9的范围内，优选地，在从0.4到0.8的范围内，更优选地，在从0.5到0.8的范围内。
26.根据前述权利要求中任一项所述的高压直流切断装置(1)，其特征在于，所述电流切断装置(1)包括与主切断装置(121)的端子(124、125)并联电连接的“缓冲”电路。
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